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1、矿山压力及岩层控制矿山压力及岩层控制知识单元一知识单元一 矿山应力分布规律矿山应力分布规律知识点知识点3：矿山岩体的原岩应力及其重新分布：矿山岩体的原岩应力及其重新分布教学内容教学内容p巷道周围的应力分布状态；巷道周围的应力分布状态；p原岩应力分布状态与规律的影响因素；原岩应力分布状态与规律的影响因素；p工程体之间的相互影响关系；工程体之间的相互影响关系；p围岩的极限平衡与支承压力分布围岩的极限平衡与支承压力分布p支承压力的空间传播规律支承压力的空间传播规律重点与难点重点与难点岩体中的原岩应力及其分布规律；岩体中的原岩应力及其分布规律；“孔孔”周围的应力分布；周围的应力分布；围岩的极限平衡与支
2、承压力分布围岩的极限平衡与支承压力分布3本讲提要本讲提要 1.围岩极限平衡区及支承岩极限平衡区及支承压力分布力分布 2.支承支承压力在底板中的力在底板中的传播播规律律围岩的极限平衡及支承压力4在工程体形成后，其周在工程体形成后，其周围岩体内的岩体内的应力重新分布，一般将工程体两力重新分布，一般将工程体两侧经应力重新分布以后，其切向力重新分布以后，其切向应力增高的部分称力增高的部分称为支承支承压力力，支承，支承压力是力是矿山山压力的重要力的重要组成部分。随着成部分。随着应力重新分布的形成，在距离工程体的不同深力重新分布的形成，在距离工程体的不同深度位置度位置处，岩体所，岩体所处的力学状的力学状态
3、也不一也不一样，由近及，由近及远依次分依次分为破裂区、塑破裂区、塑性区、性区、弹塑性区、塑性区、弹性区（原岩性区（原岩应力区），力区），围岩体的性岩体的性质不同，其各区域不同，其各区域的范的范围也不一也不一样。一般工程体两一般工程体两侧的的应力集中系数力集中系数为2 23 3，对于于a a=2=2b b的的椭圆形工程体断面孔，形工程体断面孔，则可能达到可能达到4 45 5，甚至更大。，甚至更大。这样在工程体两在工程体两侧周周边的的围岩上就将承受岩上就将承受2 23 3倍或倍或4 45 5倍原岩倍原岩应力的垂直力的垂直应力。由于力。由于处于周于周边的岩的岩块侧向向应力力为零，零，因而因而为单向向
4、压缩状状态，随着向深部，随着向深部发展，岩展，岩块将逐将逐渐变为三向三向应力状力状态。一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力5根据卡斯特根据卡斯特纳方程，可以得到极限平衡区内岩体的方程，可以得到极限平衡区内岩体的应力状力状态方程：方程：1 1、巷道周、巷道周围的支承的支承压力分布力分布 式中，式中，r、t-分分别为极限平衡区内的径向极限平衡区内的径向应力和切向力和切向应力；力；C C、-分分别为岩体的内聚力和内摩擦角；岩体的内聚力和内摩擦角；r r、r r0 0-分分别为极限平衡区内研究点的半径和工程体的半径。极限平衡区内研究点的半径和工程体的
5、半径。一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力6根据上面两式，可以根据上面两式，可以绘出工程体两出工程体两侧的切向的切向应力分布力分布图，以及工程体水平，以及工程体水平轴上周上周围各岩各岩块单元体所元体所处的的应力状力状态，如，如图所示。所示。假假设=1=1即工程体所即工程体所处的原岩的原岩应力力场为静水静水应力力场，则在半径在半径为R R即极限平衡区的即极限平衡区的边界位置界位置处，应符合符合 则工程体两侧的支承压力分布 由此可得到极限平衡区的范由此可得到极限平衡区的范围为 一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的
6、极限平衡及支承压力7煤体开采以后，已采空地区上方岩煤体开采以后，已采空地区上方岩层重重量将向采空区周量将向采空区周围新的支承点新的支承点转移，从移，从而在采空区四周形成支承而在采空区四周形成支承压力力带。工作。工作面前方形成的超前支承面前方形成的超前支承压力，由于它随力，由于它随工作面推工作面推进而不断向前移而不断向前移动，故又称移，故又称移动支承支承压力或力或临时支承支承压力。工作面沿力。工作面沿倾斜和仰斜方向上下两斜和仰斜方向上下两侧及开切眼一及开切眼一侧煤体上形成的支承煤体上形成的支承压力，在工作面采力，在工作面采过一段一段时间后即不再后即不再发生明生明显变化，故称化，故称为固定支承固定
7、支承压力或残余支承力或残余支承压力。力。1 1）支承）支承压力沿煤力沿煤层赋存方向上的分布存方向上的分布2 2、回采工作面周回采工作面周围的支承的支承压力分布力分布 采空区周围应力重新分布 一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力8除此之外，相除此之外，相邻的两个采空的两个采空区形成的支承区形成的支承压力会在某些力会在某些地点地点发生相互生相互叠加，通常称叠加，通常称为叠合支承叠合支承压力。力。矿层凸出角处的叠合支承压力 一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力9工作面周围支承压力在煤层平面内分布
8、图表示回采工作面周表示回采工作面周围支承支承压力在煤力在煤层平面内的分布状平面内的分布状况。由况。由图可知，各种支承可知，各种支承压力的峰力的峰值距离采空区距离采空区边缘的的距离及其在煤距离及其在煤层内的影响范内的影响范围并不相同，而且有些支承并不相同，而且有些支承压力的影响范力的影响范围随着与回采随着与回采工作面的距离加大而有工作面的距离加大而有变化。化。一般来一般来说，超前支承，超前支承压力峰力峰值位置深入煤体内的距离大位置深入煤体内的距离大约2 210m10m，其影响范，其影响范围视具具体情况不同，可达工作面前体情况不同，可达工作面前方方202030m30m至至9090100m100m。
9、一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力10采空区周采空区周围的支承的支承压力，在垂直力，在垂直煤煤层层面方向的分布范面方向的分布范围及其一及其一般般规律如律如图所示。所示。该图表明，离表明，离被开采煤体不被开采煤体不远的的顶底板岩底板岩层中，中，支承支承压力的集中程度力的集中程度较高，随着高，随着离被开采煤离被开采煤层的距离加大，的距离加大，顶底底板内支承板内支承压力集中程度逐力集中程度逐渐降低。降低。除此之外，相除此之外，相邻的两个采空区形成的支承的两个采空区形成的支承压力会在某些地点力会在某些地点发生相互叠加，通常称生相互叠加，通常称为叠合
10、支叠合支承承压力。力。综上所述，由于煤上所述，由于煤层开采使采空区周开采使采空区周围产生的各种支承生的各种支承压力的力的显现程度、峰程度、峰值位置和分布范位置和分布范围是不同的。是不同的。支承压力在被采煤层底板中分布 一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力11对于回采工作面前方的极限平衡区（如于回采工作面前方的极限平衡区（如图）可）可建立极限平衡方程，由建立极限平衡方程，由图可得：可得：式中，式中，f-层面面间的摩擦系数；的摩擦系数；m-采高。采高。2 2）支承支承压力在煤力在煤层底板中的底板中的传播播规律律 回采工作面前方极限平衡区的受力状态
11、 根据极限平衡条件可求得根据极限平衡条件可求得一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力12 塑性区塑性区宽度度 塑性区范塑性区范围，与煤，与煤层采高成正比，随开采深度增大而增采高成正比，随开采深度增大而增大，随岩性和大，随岩性和侧帮支帮支护反力增反力增强而减小。而减小。对于支撑于支撑矿柱，柱，为了保持了保持矿柱柱稳定，要求其内存在定，要求其内存在宽度度为高度高度2倍倍弹性核，即性核，即矿柱柱宽度度B为 B=xB=x0101+x+x0202+2m+2m 由工作面前方极限平衡区内切向由工作面前方极限平衡区内切向应力（承力（承载能力）的大小，随向深部能
12、力）的大小，随向深部发展以指数形式增大，展以指数形式增大，随煤随煤层厚度增大而减小，随煤壁厚度增大而减小，随煤壁边缘处支撑力增支撑力增大而增高。大而增高。说明煤厚增大明煤厚增大稳定性降低，提高采定性降低，提高采场支架的支支架的支护强度可增度可增强煤壁的承煤壁的承载能力。能力。一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力13131、按岩体所、按岩体所处力学状力学状态分区分区1.把把应力重新分布后，力重新分布后，应力力变化不明化不明显的区域，叫做原岩的区域，叫做原岩应力区，或力区，或稳压区，区，该区的岩体称区的岩体称为原岩。原岩。2.把把应力重新分布后，
13、力重新分布后，应力力变化明化明显的区域的岩体称的区域的岩体称为围岩。根据切向岩。根据切向应力的大小分力的大小分为增增压区和减区和减压区。区。增增压压区区是指是指该该区域内切向区域内切向应应力大于原岩力大于原岩应应力，又叫支承力，又叫支承压压力区或承力区或承载载区，包括区，包括弹弹性承性承载载区和塑性承区和塑性承载载区；区；减减压压区区是指是指该该区域内切向区域内切向应应力小于原岩力小于原岩应应力，又叫做力，又叫做应应力降低区（松力降低区（松动动区）。区）。2、按、按应力大小分区力大小分区KHHrABCDE 以切向以切向应力峰力峰值为界，外部界，外部为非非弹性性变形区，包括塑性区和破碎区；内部形
14、区，包括塑性区和破碎区；内部为弹性区。性区。应力分区力分区一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力14 1刀柱法；2全部垮落法（充填法）；3大采高全垮法；4坚硬顶板全垮法。不同采空区支撑条件下移动支承压力分布不同采空区支撑条件下移动支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力151）回采空间尺寸及形状；）回采空间尺寸及形状；2）回采空间顶板管理方法（支撑状态）；）回采空间顶板管理方法（支撑状态）；3）顶板岩层及煤层岩性；）顶板岩层及煤层岩性；4）采深；）采深；5）周围回采空间分布。）周围回采
15、空间分布。3 3、影响支承影响支承压力分布的主要因素力分布的主要因素 一、围岩极限平衡区及支承压力分布一、围岩极限平衡区及支承压力分布围岩的极限平衡及支承压力16本讲提要本讲提要 1.围岩极限平衡区及支承岩极限平衡区及支承压力分布力分布 2.支承支承压力在底板中的力在底板中的传播播规律律围岩的极限平衡及支承压力17根据集中力根据集中力P P作用在半无限体的平面上的作用在半无限体的平面上的应力分布力分布规律，律，对平面下方距离平面下方距离表面表面为Z Z的任意一点的任意一点M M处的的应力力为：式中式中 r-Mr-M点在水平面上的半径；点在水平面上的半径；Z-MZ-M点距离点距离P P作用点的作
16、用点的铅垂距离；垂距离；R-MR-M点距离点距离P P作用点的空作用点的空间距离；距离；图2 2z z等等值线（压力泡）力泡）二、支承压力在底板中的传播规律二、支承压力在底板中的传播规律围岩的极限平衡及支承压力18在集中力在集中力P P的作用下，沿水平面及深度方向，岩体内的垂直的作用下，沿水平面及深度方向，岩体内的垂直应力力z z的分布情况如的分布情况如图1 1，将岩体，将岩体内的内的z z相等的相等的线连接起来，接起来，则形成形成类似卵形的似卵形的压力泡，如力泡，如图2 2所示所示 图1 1在在P P力作用下垂直力作用下垂直应力力zz在水平面上及深度上的分布在水平面上及深度上的分布 二、支承
17、压力在底板中的传播规律二、支承压力在底板中的传播规律围岩的极限平衡及支承压力19西德学者雅可西德学者雅可毕利用模利用模拟计算，将岩体算，将岩体视为均均质弹性体，模性体，模拟了煤柱和煤体下方底板岩了煤柱和煤体下方底板岩层中的中的应力分布，得到了力分布，得到了单层煤（煤（图1 1）和三）和三层煤（煤（图2 2）开采条件下）开采条件下z z应力分布情况。力分布情况。煤柱下的煤柱下的 zz等应力线等应力线 煤体下的煤体下的 zz等应力线等应力线 图图1 底板岩层中的应力分布底板岩层中的应力分布二、支承压力在底板中的传播规律二、支承压力在底板中的传播规律围岩的极限平衡及支承压力20从从图中中应力的分布情
18、况可以看出，力的分布情况可以看出，距离开采距离开采边缘越近，其越近，其应力越高，力越高，反之反之则越小。越小。这一一规律律对底板岩底板岩层中巷道等工程体位置的中巷道等工程体位置的选择有重要有重要的意的意义。多煤层开采时的多煤层开采时的zz等应力分布等应力分布 1.使得靠近工作面煤体使得靠近工作面煤体产生裂隙，不生裂隙，不仅帮助工作面破煤，减少采煤机落煤帮助工作面破煤，减少采煤机落煤的功率消耗，而且有利于瓦斯排放等。的功率消耗，而且有利于瓦斯排放等。2.同同时导致煤壁片帮、底板破坏、致煤壁片帮、底板破坏、围岩岩变形等，形等，诱发冒冒顶、底板突水、冲、底板突水、冲击地地压等灾害。等灾害。支承支承压力作用：力作用：二、支承压力在底板中的传播规律二、支承压力在底板中的传播规律围岩的极限平衡及支承压力21分布规律：分布规律：煤体边缘附近底板产生高应力集中；煤体边缘附近底板产生高应力集中；采空区下方一定范围内应力降低；采空区下方一定范围内应力降低；多煤层同采时应力有相互干扰。多煤层同采时应力有相互干扰。二、支承压力在底板中的传播规律二、支承压力在底板中的传播规律围岩的极限平衡及支承压力