《礦山壓力與圍巖控制》河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院

《礦山壓力與圍巖控制》1緒論一、課程性質(zhì)及任務(wù)：

《礦山壓力及其控制》是煤礦開采技術(shù)專業(yè)的必修專業(yè)課。任務(wù)：應(yīng)力分布規(guī)律1、掌握三個(gè)規(guī)律巖層移動(dòng)規(guī)律礦壓顯現(xiàn)規(guī)律2、掌握二個(gè)原理工作面支架與圍巖相互作用原理巷道支架與圍巖相互作用原理

3、掌握一套方法：礦壓控制方法緒論2二、課程學(xué)習(xí)基本要求：

了解各類圍巖事故產(chǎn)生的條件、原因和特點(diǎn)；

了解礦山壓力現(xiàn)場研究的基本方法；

初步具備解決、分析礦山壓力問題的能力；

能針對具體煤層和圍巖條件布置巷道和回采工作面；能合理設(shè)計(jì)回采工作面、巷道的圍巖控制方式。二、課程學(xué)習(xí)基本要求：3三、礦山壓力與控制概念：

1、礦山壓力——由于礦山開采活動(dòng)影響，在開采空間周圍巖體內(nèi)形成的和作用在支護(hù)物上的力。

2、礦山壓力顯現(xiàn)——由于礦山壓力作用，開采空間圍巖體及支護(hù)物產(chǎn)生的各種力學(xué)現(xiàn)象。（變形、破壞、垮落、折損、沖擊）

3、礦山壓力控制——為使采礦工作正常、安全進(jìn)行所采取的各種減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的方法。

三、礦山壓力與控制概念：4四、研究礦山壓力對礦山開采的意義：1、生態(tài)環(huán)境保護(hù)2、保證生產(chǎn)安全3、減少資源損失4、改善開采技術(shù)5、提高經(jīng)濟(jì)效益四、研究礦山壓力對礦山開采的意義：5第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)

巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。本章介紹：巖石的地質(zhì)構(gòu)成及分類；巖石物理、力學(xué)性質(zhì)及測定；巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論；巖體及其力學(xué)特征。

第一章礦山巖石和巖體的基本性質(zhì)巖6第一節(jié)礦山巖石的基本概念

一、巖石：巖石：礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集形成的自然物體。

（巖石=礦物顆粒+膠結(jié)物+孔隙+水）礦物：存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及其相互結(jié)合的情況。(結(jié)晶、膠結(jié))構(gòu)造:

組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系。

（節(jié)理、裂隙、空隙、邊界、缺陷）礦物、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素。第一節(jié)礦山巖石的基本概念一、巖石：7巖漿巖：強(qiáng)度高、均質(zhì)性好

二、巖石地質(zhì)分類沉積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性

變質(zhì)巖：不穩(wěn)定，與變質(zhì)程度和巖性有關(guān)三、沉積巖石的力學(xué)特性：①不連續(xù)性；（物質(zhì)不能充滿空間，有空隙存在）②各向異性；（任一點(diǎn)的物理、力學(xué)性質(zhì)沿不同方向均不相同）③不均勻性；（由不同物質(zhì)組成，各點(diǎn)物理力學(xué)性質(zhì)都不相同）④巖塊單元的可移動(dòng)性；⑤地質(zhì)因素影響特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）（上述特性導(dǎo)致巖石力學(xué)的研究方法以實(shí)驗(yàn)測試為主）

8第二節(jié)巖石的物理性質(zhì)

一、巖石的密度與體積力（容重）

巖石含：固相、液相、氣相。

Vo三相比例不同而密度不同。

Vc

V

1、巖石的真密度ρ：

真密度——單位體積巖石（不包含空隙）的質(zhì)量：

其中：ρ—巖石真密度，kg/m3

—巖石實(shí)體干質(zhì)量（不含水分），kg—巖石實(shí)體體積（不含孔隙），m3第二節(jié)巖石的物理性質(zhì)一、巖石的密度與體積力（容重）9

2、巖石的視密度ρ′：視密度——單位體積巖石（包括孔隙）的質(zhì)量式中：ρ′—巖石的視密度，kg/m3—巖石的質(zhì)量，kg—巖石的體積（含孔隙），m33、巖石的容重γ：

容重——巖石單位體積（含孔隙體積）的重力，kN/m3

式中：W——被測巖樣的重量,（）kN；

V——被測巖樣的體積，m3

天然容重——天然含水狀態(tài)下,γ

干容重———105—110℃烘干24小時(shí)（至恒重）,γd

飽和容重——巖石孔隙吸水飽和（水浸48小時(shí)）狀態(tài)下,γw2、巖石的視密度ρ′：104、巖石的相對密度（比重）Δ：

比重——巖石固體部分的重量和4℃同體積純水重量的比值。

式中：WS——體積為V的巖石，固體部分重量，kN

VC——巖石固體部分（不含孔隙）體積，m3

γW——4℃同體積純水重量，kN/m3

礦山壓力與圍巖控制課件11二、巖石的孔隙性——反映裂隙賦存于發(fā)育狀態(tài)。1、孔隙率n——孔隙體積占總體積的百分比。

2、孔隙比e——巖石中各類孔隙總體積與巖石實(shí)體體積之比。

n—e關(guān)系：巖石的孔隙性對圍巖強(qiáng)度、變形、含水影響很大。二、巖石的孔隙性——反映裂隙賦存于發(fā)育狀態(tài)。12三、巖石的碎脹性——巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質(zhì)。

1、初始碎脹系數(shù)——破碎后樣自然堆積體積與原體積之比。

2、殘余碎脹系數(shù)——破碎并被壓實(shí)后的體積與原體積之比。

式中：分別為原體積/破碎自然堆積體積/被壓實(shí)體積。

巖石碎脹性對地下采礦圍巖控制、礦產(chǎn)及土石方運(yùn)輸?shù)扔兄匾饬x。

三、巖石的碎脹性——巖石破碎后自然堆積體積大于原體積的性質(zhì)。13礦山壓力與圍巖控制課件14四、巖石的軟化性

——巖石浸水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)。

軟化系數(shù)——飽水巖樣抗壓強(qiáng)度與自然風(fēng)干巖樣抗壓強(qiáng)度的比值。

（）越小，表示巖石受水的影響越大。

巖石軟化性在地下開采圍巖管理、地面邊坡管理等方面有重要意義。四、巖石的軟化性——巖石浸水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)。15五、巖石的膨脹性——巖石浸水后體積膨脹的性質(zhì)。（用于評價(jià)膨脹性巖體工程穩(wěn)定性）自由膨脹率——無約束條件下浸水后膨脹變形與原尺寸之比。軸向自由膨脹（%）

H——試件高度

徑向自由膨脹

（%）

D——直徑

五、巖石的膨脹性——巖石浸水后體積膨脹的性質(zhì)。16六、巖石耐崩解性——巖石抵抗水浸后結(jié)構(gòu)破壞的性能。

耐崩解指數(shù)——巖石試件進(jìn)行烘干、浸水循環(huán)試驗(yàn)，。

（測試：將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20r／s速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次，按下式計(jì)算耐崩解性指數(shù)。）六、巖石耐崩解性——巖石抵抗水浸后結(jié)構(gòu)破壞的性能。17第三節(jié)巖石的變形性質(zhì)工程師對工程材料提出兩個(gè)問題：

1最大承載力——許用應(yīng)力[]？2最大允許變形－－許用應(yīng)變[]？

在巖石工程中要使：實(shí)際參數(shù)≤允許指標(biāo)巖石的力學(xué)性質(zhì)包括：

變形性質(zhì)：研究巖石在受力情況下的變形規(guī)律（本節(jié)）。強(qiáng)度特性：研究巖石受力破壞的規(guī)律（下節(jié)）。

第三節(jié)巖石的變形性質(zhì)18一、巖石的彈性和塑性：

變形分析的重要性（直觀、易測、建立模型、準(zhǔn)則）

1、彈性變形：（縮短為正，壓應(yīng)力為正）線彈性非線彈性滯彈性一、巖石的彈性和塑性：線彈性非線彈性滯彈性19

線彈性———直線型；當(dāng)巖石致密，強(qiáng)度大，壓力不高時(shí)，為此狀態(tài)。

非線彈性——單向曲線型；基本沒有。

滯彈性———雙向曲線型，巖石多屬滯彈性：滯彈性——應(yīng)力應(yīng)變不是唯一的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)變的產(chǎn)生（變化）較應(yīng)力的變化有一段時(shí)間的滯后。

原因：物理學(xué)認(rèn)為，當(dāng)作用在滯彈性體上的力發(fā)生改變時(shí)，由于受力體內(nèi)部物質(zhì)的粘性或內(nèi)摩擦的原因，引起變形效應(yīng)滯后和遲延。滯彈性體具有兩個(gè)重要性質(zhì)：

彈性滯后——由于內(nèi)摩擦原因，巖石隨應(yīng)力變化出現(xiàn)的變形滯后。

彈性后效——由于熱傳導(dǎo)等原因，外力停止變化，而變形仍隨時(shí)間而緩慢變化。

20理想塑性具有應(yīng)變硬化的塑性2、塑性變形：

巖石塑性普遍存在；巖石塑性與巖石的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及外界環(huán)境有關(guān)。（顆粒及膠結(jié)物物質(zhì)成分、排列結(jié)合、含水、溫度、應(yīng)力等）

理想塑性——超過彈性極限，進(jìn)入完全塑性狀態(tài)（極少）；

應(yīng)變硬化——超過彈性極限，承載能力隨應(yīng)變增加而增加。理想塑性具有應(yīng)變硬化的塑性2、塑性變形：21

3、一般巖石的變形：

瞬時(shí)彈性變形

后效彈性變形

塑性變形

巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節(jié)理、裂隙存在，在應(yīng)力不高階段，內(nèi)部結(jié)構(gòu)即有破壞，在產(chǎn)生彈性變形的同時(shí)，產(chǎn)生塑性變形。3、一般巖石的變形：22巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。

有彈—塑；塑—彈；彈—粘—塑；粘—彈等多種變形特性。

（粘性——變形不能在瞬間完成，變形速率隨應(yīng)力變化。）典型變形性質(zhì)：直線型彈脆彈塑下凹型塑彈上凹型彈粘平緩型塑彈塑S型巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。直線型彈脆彈23二、巖石單向壓縮變形性質(zhì)：

1、軸向變形：2、橫向變形；普通試驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線剛性試驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線二、巖石單向壓縮變形性質(zhì)：普通試驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線剛性24剛性試驗(yàn)機(jī)剛性試驗(yàn)機(jī)253、全應(yīng)力應(yīng)變曲線：

四個(gè)階段：

OA——原有裂隙壓密階段AC——AB彈性變形，BC微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（原彈性階段）CD——累進(jìn)性破裂發(fā)展階段，C點(diǎn)為屈服點(diǎn)，約2/3峰值強(qiáng)度。DE——破裂后階段（應(yīng)力降低階段、殘余應(yīng)力階段）

e3、全應(yīng)力應(yīng)變曲線：四個(gè)階段：e264、巖石的變形指標(biāo)及其確定：

①彈性摸量E：（抵抗變形的能力、應(yīng)力應(yīng)變比值）線彈性：直線斜率非線彈性：切線斜率（變形曲線導(dǎo)數(shù)）；

割線斜率（割線斜率）；彈塑性：彈性摸量：E=加載曲線段切線斜率=卸載曲線段割線斜率；

變形摸量：4、巖石的變形指標(biāo)及其確定：①彈性摸量E：（抵抗變形的能力27礦山壓力與圍巖控制課件28②泊松比μ：（變形傳遞能力）

泊松比μ——巖石橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。

在彈性階段：其為常數(shù)。在塑性階段：不為常數(shù)。

（嚴(yán)格講，μ僅在彈性范圍適用，對塑性部分不適用,

由于引入變形摸量，塑性區(qū)可用，μ最大為0.5。)

③剪切摸量G——剪切虎克定律比例系數(shù)。④拉梅常數(shù)λ——將應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)系起來的彈性常數(shù)。⑤體積摸量Kv——體積彈性摸量。②泊松比μ：（變形傳遞能力）295、巖石變形中的擴(kuò)容現(xiàn)象：

①擴(kuò)容現(xiàn)象——巖石破壞前，因微裂隙產(chǎn)生及內(nèi)部小塊體相對滑移，導(dǎo)致體積擴(kuò)大的現(xiàn)象。

②體應(yīng)變——變形后的體積增量與變形前體積之比。

③體應(yīng)變曲線：三個(gè)階段：體積減小階段0F體積不變階段F體積擴(kuò)大階段FT縱向橫向體積T5、巖石變形中的擴(kuò)容現(xiàn)象：縱向橫向體積T30三、巖石三軸壓縮變形性質(zhì)：1、三軸實(shí)驗(yàn)：（真三軸、假三軸）

2、三軸抗壓強(qiáng)度：

3、三軸變形特征：

與單軸試驗(yàn)結(jié)果基本類似（E、μ基本相同）；

圍壓增加——三向抗壓強(qiáng)度增加；峰值變形增加；彈性極限增加；巖石由彈脆性—彈塑性—應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變

三、巖石三軸壓縮變形性質(zhì)：31礦山壓力與圍巖控制課件32礦山壓力與圍巖控制課件33干砂巖濕砂巖干砂巖濕砂巖34四、巖石流變性質(zhì)：

1、巖石流變性質(zhì)——巖石隨時(shí)間增長而變化的性質(zhì)。2、流變現(xiàn)象：

蠕變——應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增長的現(xiàn)象。

（當(dāng)時(shí)）

松弛——應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象。（當(dāng)時(shí)）

彈性后效——停止加、卸載，應(yīng)變需經(jīng)一段時(shí)間達(dá)到應(yīng)有值的現(xiàn)象。粘性流動(dòng)——蠕變后卸載，部分變形不能恢復(fù)的現(xiàn)象。四、巖石流變性質(zhì)：353、蠕變曲線：

巖石蠕變的類型：

穩(wěn)定蠕變（低應(yīng)力）

不穩(wěn)定蠕變（高應(yīng)力）

典型蠕變曲線：（蠕變?nèi)A段）

初始蠕變階段——應(yīng)變增加，但應(yīng)變增加速率降低；

定常蠕變階段——應(yīng)變增加速率保持不變；

加速蠕變階段——應(yīng)變增加速率迅速增加，直至破壞。穩(wěn)定蠕變不穩(wěn)定蠕變3、蠕變曲線：穩(wěn)定蠕變不穩(wěn)定蠕變36典型蠕變曲線瞬時(shí)應(yīng)變初始應(yīng)變定長蠕變加速蠕變典型蠕變曲線瞬時(shí)應(yīng)變初始應(yīng)變定長蠕變加速蠕變37

與巖石類別有關(guān)（粘土礦物巖石蠕變顯著）

巖石蠕變與應(yīng)力大小有關(guān)（高應(yīng)力蠕變明顯，超過極限應(yīng)力，蠕變進(jìn)入不穩(wěn)定階段）

蠕變試驗(yàn)：時(shí)間長；測量要求精度高（用千分表）；載荷恒定。

研究蠕變的意義：了解巖石的長時(shí)強(qiáng)度。長時(shí)強(qiáng)度———巖石蠕變破壞時(shí)的最低應(yīng)力值。長時(shí)強(qiáng)度對巖土工程更為重要。

長時(shí)強(qiáng)度<強(qiáng)度<瞬時(shí)強(qiáng)度

38第四節(jié)巖石的強(qiáng)度性質(zhì)及測定方法

本節(jié)介紹：巖石試件抗壓、抗拉、抗剪、三向抗壓強(qiáng)度及測定

巖石的極限強(qiáng)度——巖石破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。

研究巖石強(qiáng)度的意義：

①作為巖石分類以及巷道、采煤工作面，頂板分類的主要指標(biāo)；②判斷工程穩(wěn)定性的強(qiáng)度準(zhǔn)則的基本參數(shù)；③地下工程變形區(qū)域計(jì)算的判據(jù)。

第四節(jié)巖石的強(qiáng)度性質(zhì)及測定方法39一、巖石的采樣與加工：

實(shí)驗(yàn)所測巖石的各種強(qiáng)度均不是巖石的固有性質(zhì)。強(qiáng)度指標(biāo)要受試件尺寸大小、三維比例、形狀規(guī)格、含水、加載速率等因素影響。

國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）對標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了規(guī)定，不標(biāo)準(zhǔn)的要予以修正。

要確保試驗(yàn)巖樣的天然狀態(tài)。

巖樣應(yīng)具有一定的代表性。

鉆孔采樣時(shí)應(yīng)盡量垂直于層面打孔，偏斜角不大于0.5°。

采取的巖(煤)塊規(guī)格大體為長×寬×高=20×20×15cm。

上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直徑差不大于0.2mm。

試件端面垂直于試件軸的偏差不大于0.001rad。

圓柱形試件：φ4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)φ

長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L

一、巖石的采樣與加工：40二、巖石的單向抗壓強(qiáng)度：

單軸抗壓強(qiáng)度——巖石在單軸壓縮下，破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力。1、試驗(yàn)測試：

試驗(yàn)設(shè)備：普通壓力機(jī)（60t、100t、200t）

試件：φ5cm，高徑比為2的圓柱體（或5*5*5立方體），每組不少于3塊；（國際ISRM規(guī)定高徑比為2.5—3，我國為1—2—2.5）

加載：0.5—1.0MPa/s；

2、試件破壞形式：X型共軛斜面剪切破壞—軟塑性巖石多發(fā)生，屬壓剪破壞；單斜面剪切破壞————偶爾發(fā)生，屬壓剪破壞；拉伸（劈裂）破壞———脆硬型巖石多發(fā)生，為泊松效應(yīng)引起。二、巖石的單向抗壓強(qiáng)度：41單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)42單軸壓縮巖石試件破壞形態(tài)

單軸壓縮巖石試件破壞形態(tài)433、數(shù)據(jù)處理：

測巖石強(qiáng)度時(shí)，需對同一巖樣的多個(gè)試塊進(jìn)行測試（數(shù)量多少依據(jù)精度，經(jīng)濟(jì)確定），用統(tǒng)計(jì)方法，求得平均抗壓強(qiáng)度，作為該種巖石的強(qiáng)度指標(biāo)。單一試件：

平均值：各試件偏差：單一測值與平均值的差值

標(biāo)準(zhǔn)方差：反映正負(fù)偏差的絕對大小

離散系數(shù)：反映平均值的可靠程度（單一強(qiáng)度偏離平均強(qiáng)度的程度），要求小于15—20%3、數(shù)據(jù)處理：44三、巖石單向抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度——在單軸拉伸載荷作用下，破壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力。試驗(yàn)設(shè)備：

直接拉伸——萬能材料試驗(yàn)機(jī)（試件的夾固、軸力共線困難，少用）間接拉伸——巴西試驗(yàn)裝置（劈裂法）試件破壞形式：拉斷、劈裂

抗拉強(qiáng)度：（巴西法）

式中：———試件破壞時(shí)最大壓力，N——分別為試件的直徑與厚度，m三、巖石單向抗拉強(qiáng)度：45巴西法σyσx巖石的抗拉強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的3—30%

巴西法σyσx巖石的抗拉強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的3—30%46四、抗剪切強(qiáng)度：抗剪強(qiáng)度——巖石在剪切載荷作用下，破壞時(shí)所能承受的最大剪應(yīng)力。1、試驗(yàn)裝置：非限制性剪切（單、雙面、沖剪、扭剪）（無正應(yīng)力）限制性剪切（直剪儀、角摸壓剪試驗(yàn)儀）2、試件破壞形式：沿剪切面剪斷四、抗剪切強(qiáng)度：473、抗剪強(qiáng)度：純剪強(qiáng)度（抗切）——剪切面上無法向應(yīng)力時(shí)；純剪強(qiáng)度==內(nèi)聚力C壓剪強(qiáng)度（抗剪）——剪切面受法向壓應(yīng)力作用時(shí)；抗剪強(qiáng)度==內(nèi)聚力+內(nèi)摩擦力重剪強(qiáng)度（摩擦）——已有裂面受法向壓力，再剪切時(shí)；摩擦強(qiáng)度==內(nèi)摩擦力一般情況下，巖石抵抗剪切的能力由兩部分組成：

抗剪能力==內(nèi)聚力+內(nèi)摩擦力

（C、φ為巖石固有）

顯然：

抗剪強(qiáng)度是一個(gè)變化量3、抗剪強(qiáng)度：484、抗剪強(qiáng)度測試：傾斜壓摸法——用兩個(gè)鋼制的變角剪切夾具改變剪切面的方向，強(qiáng)制剪斷，得到該面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力，描點(diǎn)得到抗剪強(qiáng)度曲線。

依據(jù)強(qiáng)制剪切面上的全應(yīng)力、及剪切面傾角也可得到抗剪強(qiáng)度曲線。4、抗剪強(qiáng)度測試：依據(jù)強(qiáng)制剪切面上的全應(yīng)力、及剪切面傾角也可49五、三軸抗壓強(qiáng)度：

三軸抗壓強(qiáng)度——三向壓縮作用下，破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力。試驗(yàn)設(shè)備：真三軸試驗(yàn)機(jī)：偽三軸試驗(yàn)機(jī)：試件破壞形式：壓剪破壞——隨側(cè)壓力增大，可表現(xiàn)為明顯的塑性變形。強(qiáng)度計(jì)算：MPa強(qiáng)度指標(biāo)：

經(jīng)測試：三向抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大，是一個(gè)變量。

一系列實(shí)驗(yàn)可得巖石的三向抗壓曲線礦山壓力與圍巖控制課件50常規(guī)（偽）三軸實(shí)驗(yàn)裝置常規(guī)（偽）三軸實(shí)驗(yàn)裝置51六、影響巖石強(qiáng)度的因素：

1、巖石的組織結(jié)構(gòu)——礦物類別、顆粒大小、分布狀態(tài)、膠結(jié)物；

2、巖石構(gòu)造裂隙———延展規(guī)模、裂隙性質(zhì)、壁面強(qiáng)度、充填物；

3、試件尺寸—————尺寸增大，強(qiáng)度降低；

4、含水———————含水量大，強(qiáng)度低；

5、加載速率—————加載速率增加，強(qiáng)度加大（變形不充分）；

6、受載狀態(tài)——三等壓＞三不等＞雙壓＞單壓＞剪切＞彎曲＞拉伸

六、影響巖石強(qiáng)度的因素：52第六節(jié)巖體及其力學(xué)性質(zhì)一、巖體概念：

巖體——賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的自然地質(zhì)體。（一般>1m3）巖體=巖塊+結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面（弱面）——地質(zhì)界面，如斷層、裂隙、層理、節(jié)理、片理。

（堅(jiān)硬無充填結(jié)構(gòu)面、軟弱有充填結(jié)構(gòu)面、夾層）

結(jié)構(gòu)體（巖塊）——被各類結(jié)構(gòu)面切割成的巖石塊體。

（塊狀、板狀）

第六節(jié)巖體及其力學(xué)性質(zhì)一、巖體概念：53巖體=巖塊+弱面巖體=巖塊+弱面54巖體的力學(xué)處理：

完整性很好——連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法；非常破碎——土力學(xué)方法；兩者之間——裂隙體力學(xué)方法。巖體結(jié)構(gòu)基本類型：

（按結(jié)構(gòu)面切割狀況及結(jié)構(gòu)體類型分為六種）

完整結(jié)構(gòu)

塊裂結(jié)構(gòu)

層狀結(jié)構(gòu)

碎裂結(jié)構(gòu)

斷續(xù)結(jié)構(gòu)

散體結(jié)構(gòu)巖體的力學(xué)處理：55整體結(jié)構(gòu)塊裂結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)斷續(xù)結(jié)構(gòu)散體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)塊裂結(jié)構(gòu)56二、巖體的變形特征

巖體力學(xué)性質(zhì)取決于巖石、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)面的空間組合狀況。1、巖體實(shí)驗(yàn)：

主要測定：變形曲線、彈性常數(shù)、強(qiáng)度

試件：現(xiàn)場切割制作，保護(hù)原結(jié)構(gòu)不受破壞。

設(shè)備：現(xiàn)場安裝，主要為剪切實(shí)驗(yàn)。2、巖體變形特征：

總變形量大在變形的過程中體積明顯增大（擴(kuò)容）破壞后仍能承受一定載荷而繼續(xù)變形

層狀巖體可呈現(xiàn)比較明顯的各向異性二、巖體的變形特征巖體力學(xué)性質(zhì)取決57壓密階段：裂隙被壓閉合，縱向變形明顯，側(cè)向變形不明顯；彈性階段：結(jié)構(gòu)體開始承載變形，應(yīng)力應(yīng)變正比，呈彈性；塑性階段：過屈服點(diǎn)，結(jié)構(gòu)體變形，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移變形，擴(kuò)容、應(yīng)變強(qiáng)化；破壞階段：強(qiáng)度限后，出現(xiàn)沿結(jié)構(gòu)面滑移和結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動(dòng)，擴(kuò)容，出現(xiàn)新裂縫。破壞后，由于巖體尺寸大，仍能夠靠塊體間摩擦承受一定載荷。3、巖體變形曲線：

壓密階段：裂隙被壓閉合，縱向變形明顯，側(cè)向變形不明顯；3、巖58三、巖體的強(qiáng)度特征巖體強(qiáng)度——是巖塊、弱面強(qiáng)度的綜合反映，介于巖塊、弱面強(qiáng)度之間。包括：抗壓、抗剪、抗拉

（受結(jié)構(gòu)面影響很大，現(xiàn)場主要測抗壓、抗剪強(qiáng)度）1、結(jié)構(gòu)面及其強(qiáng)度：

1）結(jié)構(gòu)面分類：按成因：原生結(jié)構(gòu)面——成巖階段形成的結(jié)構(gòu)面；構(gòu)造結(jié)構(gòu)面——在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下形成的結(jié)構(gòu)面；次生結(jié)構(gòu)面——在地表由于外力作用形成的結(jié)構(gòu)面；

按工程要求：細(xì)小結(jié)構(gòu)面延長L≤1m中等結(jié)構(gòu)面1m≤延長L≤10m巨大結(jié)構(gòu)面延長L≥10m

三、巖體的強(qiáng)度特征巖體強(qiáng)度——是巖塊、弱面強(qiáng)度的綜合反映，介592）結(jié)構(gòu)面的接觸類型：

2）結(jié)構(gòu)面的接觸類型：603）結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度特征：

不能承受拉應(yīng)力；可承受垂直面的壓應(yīng)力；可承受沿面剪應(yīng)力（與其上正應(yīng)力有關(guān)）；以剪切破壞為主。壓縮性質(zhì)剪切性質(zhì)3）結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度特征：壓縮性質(zhì)剪切性質(zhì)612、巖塊的強(qiáng)度：

可承受壓、剪或低值拉應(yīng)力，以剪切破壞為主：3、巖體強(qiáng)度：

介于結(jié)構(gòu)面、巖快之間。滿足無拉力準(zhǔn)則（受拉處即破壞）巖體結(jié)構(gòu)面2、巖塊的強(qiáng)度：巖體結(jié)構(gòu)面624、結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度的影響：結(jié)構(gòu)面方位對巖體強(qiáng)度的影響

結(jié)構(gòu)面與主應(yīng)力方向不同，對巖體強(qiáng)度影響不同。

結(jié)構(gòu)面位于剪切面位置時(shí)，巖體強(qiáng)度最小。4、結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度的影響：結(jié)構(gòu)面方位對巖體強(qiáng)度的影響63L1具有兩組相互垂直節(jié)理時(shí)巖體強(qiáng)度的變化曲線L2L2L1多組結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致巖體各項(xiàng)同性。最小強(qiáng)度域L1具有兩組相互垂直節(jié)理時(shí)巖體強(qiáng)度的變化曲線L2L2L1多組64結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，巖體強(qiáng)度越接近結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，巖體越呈現(xiàn)各向同性。對現(xiàn)場松散破碎巖體，不能使用巖塊強(qiáng)度，只能使用弱面強(qiáng)度或弱面摩擦強(qiáng)度研究破壞問題。

結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，巖體強(qiáng)度越接近結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。65

四、巖體強(qiáng)度的測定：

試件——現(xiàn)場切割（保持原有結(jié)構(gòu)）

儀器設(shè)備——現(xiàn)場安裝

1、單向壓縮強(qiáng)度測定：

式中：P——試件破壞載荷kN；A——試件橫截面積m2。

66礦山壓力與圍巖控制課件67

2、抗剪強(qiáng)度測定：

對多個(gè)試件，通過改變正壓力，獲得巖體抗剪強(qiáng)度曲線2、抗剪強(qiáng)度測定：對多個(gè)試件，通過改變正壓力，獲得巖體68

3、三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)：

真三軸：

偽三軸：試件壓力枕球面墊液壓枕頂柱墊板頂座墊板除非大型重要工程，一般不進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。目前，現(xiàn)場多用間接方法測定準(zhǔn)巖體強(qiáng)度。3、三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)：試件壓力枕球面墊液壓枕頂柱墊板69準(zhǔn)巖體強(qiáng)度：

實(shí)質(zhì)：考慮裂隙發(fā)育程度，以經(jīng)過修正的巖石強(qiáng)度作為巖體強(qiáng)度（準(zhǔn)巖體強(qiáng)度）。

準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度：

準(zhǔn)巖體抗拉強(qiáng)度：

式中：為巖體完整性系數(shù)?！獛r體、巖塊中彈性波縱波傳播速度。礦山壓力與圍巖控制課件70第二章礦山巖體內(nèi)應(yīng)力及其重新分布

本章介紹：（應(yīng)力分布規(guī)律）

原巖應(yīng)力孔周圍應(yīng)力分布圍巖極限平衡支承壓力及其分布第二章礦山巖體內(nèi)應(yīng)力及其重新分布71第一節(jié)巖體中的原巖應(yīng)力一、原巖應(yīng)力概念：1、原巖應(yīng)力——未受開采影響的巖體內(nèi)，由于巖體自重和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因引起的應(yīng)力。（原始應(yīng)力）

自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力2、原巖應(yīng)力組成地溫應(yīng)力——膨脹（收縮）應(yīng)力——流體壓應(yīng)力——

未開采前，地下空間已形成原巖應(yīng)力場；在較大范圍內(nèi)，原巖應(yīng)力場分布不均；不均衡應(yīng)力場隨圍巖變形及時(shí)間推移將趨于平衡第一節(jié)巖體中的原巖應(yīng)力72二、自重應(yīng)力：鉛直應(yīng)力：水平應(yīng)力：其中：——側(cè)壓系數(shù)海姆：（靜水壓力理論）金尼克：（彈性側(cè)壓理論）

一般則二、自重應(yīng)力：73三、構(gòu)造應(yīng)力：1、構(gòu)造應(yīng)力——由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起（板塊、火山、升降）

現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力地質(zhì)構(gòu)造殘余應(yīng)力

構(gòu)造應(yīng)力難以區(qū)分構(gòu)造應(yīng)力場——構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成：板塊擠壓——板塊移動(dòng)，擠壓邊界引起（橫向）；地幔熱對流——地幔上下封閉對流形成；巖漿侵入——巖漿侵入擠壓、冷凝收縮（局部）三、構(gòu)造應(yīng)力：構(gòu)造應(yīng)力難以區(qū)分構(gòu)造應(yīng)力場——構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成742、構(gòu)造應(yīng)力特點(diǎn)：

1）分布不均，在構(gòu)造區(qū)域附近最大；2）水平應(yīng)力為主，淺部尤為明顯；3）具有明顯的方向性；4）堅(jiān)硬巖層中明顯，軟巖中不明顯；5）

構(gòu)造應(yīng)力目前尚難以計(jì)算，只能實(shí)測。2、構(gòu)造應(yīng)力特點(diǎn)：753、構(gòu)造應(yīng)力（最大主應(yīng)力）的現(xiàn)場判斷：1）水平巷道，破壞具有明顯的方向性，且兩幫破壞程度較頂?shù)灼茐某潭却髸r(shí)；2）垂直巷道，巷幫發(fā)生對稱性破壞時(shí)，沿破壞連線方向；3）與褶皺脊線（褶曲軸）、逆斷層走向垂直；4）沿X形節(jié)理（斷裂）銳角平分線方向；5）與縱張節(jié)理走向一致。

3、構(gòu)造應(yīng)力（最大主應(yīng)力）的現(xiàn)場判斷：76四、原巖應(yīng)力分布基本規(guī)律：

實(shí)測鉛直應(yīng)力基本等于上覆巖層重量；水平應(yīng)力普遍大于鉛直應(yīng)力；平均水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力比值隨深度增加而減?。蛔畲笾鲬?yīng)力與最小主應(yīng)力一般相差較大。

（考慮構(gòu)造應(yīng)力后，水平應(yīng)力作用明顯）四、原巖應(yīng)力分布基本規(guī)律：77深度RT垂直應(yīng)力與深度成正比深度RT垂直應(yīng)力與深度成正比78深度RT平垂應(yīng)力比值隨深度增加而減小深度RT平垂應(yīng)力比值隨深度增加而減79第二節(jié)“孔”周圍的應(yīng)力分布本節(jié)介紹：園孔等壓、園孔不等壓、橢圓、矩形等孔周圍應(yīng)力分布。一、應(yīng)力集中概念：應(yīng)力集中——受力體內(nèi)，孔周圍局部區(qū)域應(yīng)力高于其它區(qū)域應(yīng)力的現(xiàn)象。

應(yīng)力集中特點(diǎn)：

集中應(yīng)力大小與所受應(yīng)力有關(guān)；與孔的曲率有關(guān)，曲率大，集中程度大；集中是局部的；影響范圍與孔徑有關(guān)。

第二節(jié)“孔”周圍的應(yīng)力分布80二、彈性力學(xué)基本問題與基本方程：

1、平面問題：

平面應(yīng)力問題——某一方向應(yīng)力為0。（受力體在幾何上為等厚薄板，如薄板梁、砂輪等）

平面應(yīng)變問題——某一方向應(yīng)變?yōu)?。（受力體為等截面長柱體，如擋土墻、水壩、井下巷道）

（提出平面問題可簡化計(jì)算過程）二、彈性力學(xué)基本問題與基本方程：1、平面問題：812、雙向等壓圓形巷道平面應(yīng)變問題基本方程：1）平衡微分方程：（極坐標(biāo)系）

（雙向等壓時(shí)，僅經(jīng)向應(yīng)力變化，切向應(yīng)力無變化）

由經(jīng)向靜力平衡有：

化簡得：

（，忽略高階無窮小）

（1）2、雙向等壓圓形巷道平面應(yīng)變問題基本方程：1）平衡微分方程：822）幾何方程：

（應(yīng)變與位移滿足變形協(xié)調(diào)關(guān)系）經(jīng)向變形由

則經(jīng)向應(yīng)變：切向變形由

則切向應(yīng)變：故有幾何方程：（2）（3）2）幾何方程：（應(yīng)變與位移滿足變形協(xié)調(diào)關(guān)系）（2）（3）833）物理方程：（應(yīng)力與應(yīng)變符合虎克定律）

（平面應(yīng)變問題：）

對于井巷巖石工程，在研究其應(yīng)力分布及位移變形時(shí)，多利用圓孔作為研究基礎(chǔ)，利用極坐標(biāo)方程進(jìn)行推導(dǎo)，比較簡便。（4）（5）（6）3）物理方程：（應(yīng)力與應(yīng)變符合虎克定律）（4）（5）（684三、雙向等壓應(yīng)力狀態(tài)下，圓孔周圍應(yīng)力分布：

1、基本假設(shè)：

圍巖均質(zhì)、各向同性、線彈無粘性；雙向等壓；巷道無限長（平面應(yīng)變）；符合深埋條件（）。

三、雙向等壓應(yīng)力狀態(tài)下，圓孔周圍應(yīng)力分布：85（1）（4）（5）（2）（3）五個(gè)方程可解五個(gè)變量：2、基本方程：消除無關(guān)量，求解（1）（4）（5）（2）（3）五個(gè)方程可解五個(gè)變量：2、基863、計(jì)算結(jié)果：4、討論分析：1）園孔周邊應(yīng)力

2）任一點(diǎn)的應(yīng)力3）分布與方向角無關(guān)，園孔任一方向應(yīng)力分布相同；4）圍巖內(nèi)應(yīng)力大小與彈性常數(shù)無關(guān)，與距孔邊距離有關(guān)；5）雙向等壓時(shí)，園孔周邊全處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)；6）在園孔內(nèi)3倍直徑以遠(yuǎn)，應(yīng)力接近原始應(yīng)力（影響半徑）。7）雙向等壓園孔應(yīng)力集中系數(shù)最大為2。

3、計(jì)算結(jié)果：4、討論分析：1）園孔周邊應(yīng)力87

5、影響半徑的確定：

影響半徑——園心到、增減達(dá)原始應(yīng)力的5%處半徑。

由有或即：——影響半徑。（當(dāng)時(shí)，）5、影響半徑的確定：88四、雙向不等壓應(yīng)力場內(nèi)圓孔周圍應(yīng)力分布：

1、吉爾西解答:

(1898)

2、圍巖內(nèi)沿主應(yīng)力方向（θ=00，θ=900）應(yīng)力分布：

四、雙向不等壓應(yīng)力場內(nèi)圓孔周圍應(yīng)力分布：893、圓孔周邊（r=R0）應(yīng)力分布：

單壓雙向不等壓雙向等壓

K=3k=2.7k=2應(yīng)力集中系數(shù)

3、圓孔周邊（r=R0）應(yīng)力分布：單壓904、園孔應(yīng)力分布結(jié)論：1）圓孔周圍應(yīng)力集中是局部的，應(yīng)力集中程度隨遠(yuǎn)離孔而減弱，并趨于原始應(yīng)力；2）圓孔周邊應(yīng)力集中系數(shù)隨圍壓增大而有所減弱；3）當(dāng)λ＜1/3時(shí)，沿最大主應(yīng)力方向，孔周邊一定范圍內(nèi)存在切向拉應(yīng)力；當(dāng)λ≥1/3時(shí)，圍巖周邊不產(chǎn)生切向拉應(yīng)力；4）當(dāng)λ=0時(shí)，沿最大主應(yīng)力方向，孔周邊一定范圍內(nèi)存在徑向拉應(yīng)力。4、園孔應(yīng)力分布結(jié)論：91五、橢圓巷道圍巖的應(yīng)力分布：

橢圓軸比：

橢圓孔圍巖應(yīng)力分布一般規(guī)律：

1）橢圓曲率大的一端，應(yīng)力集中程度高；2）圍巖內(nèi)應(yīng)力集中隨距離增加衰減很快；3）單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，沿主應(yīng)力方向孔邊附近有拉應(yīng)力區(qū)存在。五、橢圓巷道圍巖的應(yīng)力分布：橢圓孔圍巖應(yīng)力分布一般規(guī)律：921）等應(yīng)力軸比——周邊各點(diǎn)應(yīng)力相等時(shí)的軸比。

橢圓長軸方向與最大主應(yīng)力方向一致，周邊應(yīng)力相等。

橢圓周邊切向應(yīng)力計(jì)算公式：1）等應(yīng)力軸比——周邊各點(diǎn)應(yīng)力相等時(shí)的軸比。橢圓周邊93

2）無拉力（零應(yīng)力）軸比——周邊恰無拉應(yīng)力時(shí)的軸比。

周邊各點(diǎn)對應(yīng)的無拉力軸比各不相同，應(yīng)首先滿足頂點(diǎn)、兩幫中點(diǎn)無拉力軸比。

頂點(diǎn)無拉力軸比：兩幫無拉力軸比：

（當(dāng)時(shí)，優(yōu)先考慮頂點(diǎn)，時(shí)優(yōu)先考慮兩幫）2）無拉力（零應(yīng)力）軸比——周邊恰無拉應(yīng)力時(shí)的軸比。94六、矩形和其它形狀巷道周邊彈性應(yīng)力分布：

一般規(guī)律：

周邊最大應(yīng)力為切向應(yīng)力；周邊應(yīng)力與Eμ等彈性參數(shù)無關(guān)；在斷面直長邊易出現(xiàn)拉應(yīng)力；在周邊拐角處可產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中。六、矩形和其它形狀巷道周邊彈性應(yīng)力分布：95七、多孔相互影響應(yīng)力分布：1、斷面相同兩孔：當(dāng)時(shí)：不會(huì)產(chǎn)生相互影響。當(dāng)時(shí)：要產(chǎn)生相互影響。

為相互影響間距。

（對4米跨度巷道，相互不產(chǎn)生應(yīng)力疊加，兩巷應(yīng)相距18米，一般取20米即可。）七、多孔相互影響應(yīng)力分布：962、大小不等相鄰兩孔：兩孔相互影響間距為：間距無影響；間距有影響。

大小不等兩孔間距小于影響間距時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力疊加，其中小孔應(yīng)力集中程度高于大孔。2、大小不等相鄰兩孔：973、同一水平多孔：間距越小，影響越大；孔越多，應(yīng)力集中程度越高。3、同一水平多孔：98八、回采空間周圍應(yīng)力重新分布：不同方向臨空，應(yīng)力疊加；

在拐角處應(yīng)力集中程度高；按臨空自由面多少，應(yīng)力集中程度有如下關(guān)系：

孤島>半島>拐角>單面八、回采空間周圍應(yīng)力重新分布：99小結(jié)：

（設(shè)圍巖處于彈性狀態(tài)）1、孔周圍形成應(yīng)力集中，最大切向應(yīng)力發(fā)生在孔周邊；

2、應(yīng)力集中系數(shù)與孔形狀有關(guān)，曲率大處集中系數(shù)大；3、應(yīng)力集中系數(shù)與應(yīng)力狀態(tài)（側(cè)壓系數(shù)λ）有關(guān)；4、應(yīng)力集中是局部的；5、孔的影響范圍與孔徑有關(guān)，孔徑大影響范圍大；小結(jié)：100第三節(jié)圍巖的極限平衡與支承壓力分布本節(jié)介紹：圍巖極限平衡區(qū)及其應(yīng)力分布、支承壓力形成及其分布一、圍巖內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)及“三區(qū)”的形成：

1、孔周圍巖體的力學(xué)狀態(tài)：

切向應(yīng)力分布：（大——?。┦芰顟B(tài)：（單向——三向）抗壓強(qiáng)度：（低——高）

破壞順序：（外——里）

極限平衡區(qū)第三節(jié)圍巖的極限平衡與支承壓力分布極限平衡區(qū)101

2、圍巖三區(qū)的形成：塑性區(qū)：處處滿足強(qiáng)度條件；

彈性區(qū)：滿足虎克定律；

原始應(yīng)力區(qū)：

巖層破壞由巷道周邊向里發(fā)展。原始應(yīng)力區(qū)彈性區(qū)塑性區(qū)2、圍巖三區(qū)的形成：原始應(yīng)力區(qū)彈性區(qū)塑性區(qū)102二、園孔極限平衡區(qū)應(yīng)力分布：1、塑性區(qū)應(yīng)力：無支護(hù)有支護(hù)二、園孔極限平衡區(qū)應(yīng)力分布：1、塑性區(qū)應(yīng)力：無支護(hù)有支護(hù)103無支護(hù)應(yīng)力分布無支護(hù)應(yīng)力分布104有支護(hù)應(yīng)力分布有支護(hù)應(yīng)力分布1052、塑性區(qū)半徑（卡斯特納方程）無支護(hù)有支護(hù)

卡斯特納方程揭示了支護(hù)力對巷道圍巖強(qiáng)度及應(yīng)力分布的影響。

2、塑性區(qū)半徑（卡斯特納方程）無支護(hù)有支護(hù)106三、采場圍巖極限平衡：1、力學(xué)分析：

在煤體內(nèi)取一單元體；由水平方向靜力平衡有：即：

由極限平衡條件有：

求微分：三、采場圍巖極限平衡：107

將代入上式得：求解得：代入初始條件：（煤幫承載能力）解得：故有：

將代入上式得：1082、煤壁前方應(yīng)力分布：2、煤壁前方應(yīng)力分布：109極限平衡區(qū)D彈性區(qū)E原始應(yīng)力區(qū)F圍巖分區(qū)減壓區(qū)A增壓區(qū)B穩(wěn)壓區(qū)C應(yīng)力分區(qū)（二者有交叉）

一般以高于原巖應(yīng)力5%為集中應(yīng)力影響范圍，以遠(yuǎn)可以認(rèn)為是原始應(yīng)力區(qū)（有時(shí)劃歸彈性區(qū)）。3、應(yīng)力及圍巖分區(qū)：極限平衡區(qū)D圍巖分區(qū)減壓區(qū)A應(yīng)力分區(qū)（二者有交叉）110四、支承壓力及其分布：1、支承壓力概念：支承壓力——回采空間周圍煤巖體內(nèi)應(yīng)力增高區(qū)的切向應(yīng)力。（支承壓力是礦山壓力的一部分）

2、支承壓力的類型：

固定支承壓力（固定邊界）

移動(dòng)支承壓力（移動(dòng)邊界）

四、支承壓力及其分布：1113、回采工作面前后方支承壓力分布：（P107）前方移動(dòng)支承壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后方支承壓力；工作面僅承受極少量壓力作用。3、回采工作面前后方支承壓力分布：（P107）前方移動(dòng)支112

4、影響支承壓力分布的主要因素：

1）回采空間尺寸及形狀；2）回采空間頂板管理方法（支撐狀態(tài)）；3）頂板巖層及煤層巖性；4）采深；5）周圍回采空間分布。

4、影響支承壓力分布的主要因素：1）回采空間尺寸及形113

1——刀柱法；2——全部垮落法（充填法）；3——大采高全垮法；4——堅(jiān)硬頂板全垮法。不同采空區(qū)支撐條件下移動(dòng)支承壓力分布不同開采方法移動(dòng)支承壓力分布不同：不同采空114五、支承壓力在底板中的傳播：1、集中載荷時(shí)應(yīng)力傳播規(guī)律：

由土力學(xué)得到：z—深度；r—距作用線水平距離五、支承壓力在底板中的傳播：z—深度；r—距1152、應(yīng)力在煤層底板中的分布：煤柱、煤體下等應(yīng)力線分布規(guī)律：

煤體邊緣附近底板產(chǎn)生高應(yīng)力集中；采空區(qū)下方一定范圍內(nèi)應(yīng)力降低；多煤層同采時(shí)應(yīng)力有相互干擾。2、應(yīng)力在煤層底板中的分布：煤柱、煤體下等應(yīng)力線分布規(guī)律：116第三章采場上覆巖層活動(dòng)規(guī)律

本章介紹：

工作面頂?shù)装鍎澐掷享斊茢喾治觯骸澹┲苯禹敺€(wěn)定性分析上覆巖層活動(dòng)規(guī)律上覆巖層平衡結(jié)構(gòu)

第三章采場上覆巖層活動(dòng)規(guī)律117第一節(jié)概述一、回采工作面頂、底板的劃分：1、頂板：偽頂——位于煤層之上，薄而軟弱的巖層；直接頂——位于煤層或偽頂之上一層或幾層性質(zhì)相近巖層；老頂——位于直接頂或煤層之上厚而堅(jiān)硬的巖層（基本頂）；

2、底板：直接底——位于煤層之下的巖層（為古土壤）；老底——直接底之下的巖層。（對于反山，頂?shù)装逦恢冒l(fā)生翻轉(zhuǎn)）第一節(jié)概述118二、回采工作空間類型：（依據(jù)采空區(qū)處理方法不同劃分）（a）完整空間——刀柱法或留煤柱開采；（b）自彎曲空間——頂板緩慢下沉法（頂板塑性大）；（c）充填空間——充填法；（d）垮落空間——全部垮落法。二、回采工作空間類型：（依據(jù)采空區(qū)處理方法不同劃分）（a）119三、頂板工作結(jié)構(gòu)：

1、梁式結(jié)構(gòu)——將頂板視為沿工作面推進(jìn)方向的梁，按照梁式結(jié)構(gòu)承載變形破壞理論分析頂板破壞現(xiàn)象。

2、板式結(jié)構(gòu)——將頂板巖層視為一個(gè)板或經(jīng)斷層、裂隙切割后，多塊板相互咬合組成的板，按板式結(jié)構(gòu)承載變形及強(qiáng)度理論分析頂板破壞現(xiàn)象。

3、頂板結(jié)構(gòu)端部支撐條件：

固定支座——頂板被煤巖層夾持，未斷裂，無自由端；

簡支梁支座——頂板端部斷裂或埋深較淺（可轉(zhuǎn)動(dòng)）；

三、頂板工作結(jié)構(gòu)：120第二節(jié)老頂巖層力學(xué)分析一、老頂梁式結(jié)構(gòu)分析：

1、冒落區(qū)老頂支撐條件：1）全部充填滿回采空間2）不能充填滿回采空間（老頂懸露，成梁式結(jié)構(gòu)）

（）第二節(jié)老頂巖層力學(xué)分析1212、老頂梁式結(jié)構(gòu)力學(xué)分析：（按固定支座）1）支座反力：（對稱）

２）任意截面剪力：（Ｄ—Ｄ’）

2、老頂梁式結(jié)構(gòu)力學(xué)分析：（按固定支座）122

3）任意截面彎矩：可見：最大彎矩、最大剪力發(fā)生在煤壁兩端3）任意截面彎矩：可見：最大彎矩、最大剪力發(fā)生在煤壁兩1234）簡支支座時(shí)老頂?shù)牧W(xué)分析：

剪力彎矩最大彎矩在梁中間最大剪力在梁的兩端

受彎矩作用拉斷受剪力作用剪斷綜上：老頂巖梁破壞形式有兩個(gè)4）簡支支座時(shí)老頂?shù)牧W(xué)分析：綜上：老頂巖梁破壞形式有兩個(gè)124二、梁式斷裂時(shí)的極限跨距：

1、按彎矩計(jì)算：

任意點(diǎn)A處正應(yīng)力：

其中斷面矩最大拉應(yīng)力在梁的端部礦山壓力與圍巖控制課件125

當(dāng)時(shí)，則巖梁被拉斷裂。此時(shí)由有：

固定梁按彎矩計(jì)算的極限跨距：

2、按剪力計(jì)算：

最大剪切力發(fā)生在梁的兩端最大剪應(yīng)力為：當(dāng)時(shí)，則巖梁被拉126

當(dāng)時(shí)，巖梁被剪斷。此時(shí)由有：

固定梁按剪力計(jì)算的極限跨距：3、按簡支梁計(jì)算：剪力與固支梁同，跨距相同

彎矩與固定梁不同，最大彎矩在梁中部當(dāng)時(shí)，巖梁被剪斷127

故最大拉應(yīng)力為：當(dāng)時(shí)，巖梁被拉斷裂。此時(shí)由有：

簡支梁按彎矩計(jì)算的極限跨距：

128老頂按梁式結(jié)構(gòu)計(jì)算其極限跨度為：固定梁簡支梁按彎矩計(jì)算

按剪力計(jì)算對一般厚度巖層，彎矩極限跨度小于剪力極限跨度；簡支梁彎矩極限跨度小于固定梁彎矩極限跨度。（頂板巖層在固定端斷裂后，隨即在中間斷裂）結(jié)論：老頂按梁式結(jié)構(gòu)計(jì)算其極限跨度為：對一般厚度巖層，彎矩極限跨度1294、q的確定：1）組合梁原理：整體Q=ΣQi整體M=ΣMi整體曲率較單一分層為小各分層曲率一致（否則要離層）

2）q的計(jì)算公式：

由材力知曲率與彎矩關(guān)系為：4、q的確定：130

且即故有：；；…；由M=Σmi有：且131故有：式中：而即為考慮到n層對第一層的影響時(shí)形成的載荷，記為故得：故有：132q的計(jì)算公式：公式原理：

當(dāng)開采空間形成后，第一層巖層并非承受其上直至地表的全部巖層重量，其上必然有一層距離較近的近的堅(jiān)硬巖層，可將起上部巖層載荷通過本身的強(qiáng)度或抵抗變形能力傳遞到空間兩側(cè)實(shí)體支撐點(diǎn)上，而第一層巖層僅承受其上直至第一層堅(jiān)硬巖層間各巖層因彎矩施加的載荷。公式應(yīng)用：（P79例題）

1）先計(jì)算第一層載荷2）計(jì)算第二層對第一層的作用；計(jì)算至第三層時(shí)第一層載荷……3）一直計(jì)算到第n+1層時(shí)，第一層載荷反而小于第n層時(shí)的載荷為止4）取第n層時(shí)的計(jì)算載荷為q，此值為計(jì)算過程中得到的最大值。q的計(jì)算公式：公式原理：公式應(yīng)用：（P79例題）133三、老頂?shù)陌迨狡茢啵?、板式結(jié)構(gòu)邊界支撐條件：薄板：長150-200m寬30m厚2—4m

邊界支撐條件：

（a）四邊固支——始采工作面；（b）三固一簡——一面為已采區(qū)（老塘）；（c）二固二簡——一面為已采區(qū)，一面為工作面采空區(qū)；（d）一固三簡——三面臨空，回采半島區(qū)域。三、老頂?shù)陌迨狡茢啵?342、板式結(jié)構(gòu)體彎矩分布：

1）Marcus簡算法原理：將板分為若干橫縱條梁，求每一條梁彎矩并考慮交叉點(diǎn)撓度相等，從而求出板體內(nèi)彎矩分布。2）板體內(nèi)彎矩分布圖：由于且2、板式結(jié)構(gòu)體彎矩分布：135由圖可見：

固定端邊界處彎矩比其它地方為大；頂板支撐條件由“四固—三簡”轉(zhuǎn)變時(shí)，煤壁處彎矩增大；上述四種支撐條件下，最大彎矩位于工作面煤壁中段；當(dāng)板式結(jié)構(gòu)四面臨空時(shí)，最大彎矩在板的中間。3、板式結(jié)構(gòu)破斷過程：

長邊——短邊——溝通——中間

（O—X型破斷）由圖可見：136第三節(jié)直接頂?shù)姆€(wěn)定性分析位置原因地點(diǎn)%事故類型%頂板%上、下出口57.9推垮型71直接頂80放頂線19老頂20煤壁區(qū)14.7壓垮型29直接頂21控頂區(qū)8.4老頂79頂板事故位置與原因分析

第三節(jié)直接頂?shù)姆€(wěn)定性分析位置原因地點(diǎn)%事故%頂板%137一、直接頂巖層破壞離散原因：1、節(jié)理裂隙切割；2、巖層松軟，變形大離層；3、落煤后頂板支護(hù)不及時(shí)，支撐力小，促使離層；4、老頂巖層平衡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，巖塊回轉(zhuǎn)；5、支撐力不均衡或支架反復(fù)支撐；6、放頂撤柱，動(dòng)力沖擊。一、直接頂巖層破壞離散原因：138二、直接頂?shù)碾x層：1、離層原因2、不離層條件：無支護(hù)時(shí)：由撓度計(jì)算公式：老頂撓度：直接頂撓度：直接頂較軟，易發(fā)生彎曲變形未及時(shí)支護(hù)或支撐力不足二、直接頂?shù)碾x層：直接頂較軟，易發(fā)生彎曲變形139

如果不發(fā)生離層，應(yīng)有即

且令

有

顯然：直接頂厚度≤老頂厚度時(shí)，易發(fā)生離層。如果不發(fā)生離層，應(yīng)有140有支護(hù)時(shí)由有且從而顯然：及時(shí)增大支撐力可使頂板不離層。不離層最小支撐力有支護(hù)時(shí)由不離層最小支撐力141三、直接頂?shù)某醮慰迓洌?/p>

初次垮落——直接頂?shù)谝淮慰迓洌ǔ醮畏彭敚?/p>