礦山壓力及其控制課件

礦山壓力及其控制

第一章緒論

1.1礦山壓力的基本概念

我們所說(shuō)的採(cǎi)礦通常是指固體礦床地下開(kāi)採(cǎi)，即：地下開(kāi)採(cǎi)和露天開(kāi)採(cǎi)。在煤礦行業(yè)，地下開(kāi)採(cǎi)又常稱為“井工開(kāi)採(cǎi)”或標(biāo)準(zhǔn)採(cǎi)礦等，由於露天開(kāi)採(cǎi)對(duì)地表破壞、環(huán)境污染較嚴(yán)重，也稱為非標(biāo)準(zhǔn)採(cǎi)礦。採(cǎi)礦分類地下採(cǎi)礦露天採(cǎi)礦海洋採(cǎi)礦特殊採(cǎi)礦金屬礦地下開(kāi)採(cǎi)地下開(kāi)採(cǎi)非金屬礦地下開(kāi)採(cǎi)砂礦床露天開(kāi)採(cǎi)固體礦床露天開(kāi)採(cǎi)海底砂礦開(kāi)採(cǎi)海底熱液砂床開(kāi)採(cǎi)海底錳結(jié)核開(kāi)採(cǎi)海水化學(xué)元素提取海底基巖礦床開(kāi)採(cǎi)熱液採(cǎi)礦容浸採(cǎi)礦水溶採(cǎi)礦鹽湖礦床開(kāi)採(cǎi)飾面石材開(kāi)採(cǎi)機(jī)械開(kāi)採(cǎi)水力機(jī)械采砂采砂船開(kāi)採(cǎi)固體礦床開(kāi)採(cǎi)撫順西露天煤礦采場(chǎng)煤礦露天開(kāi)採(cǎi)河南義馬北露天煤礦采場(chǎng)內(nèi)部排土場(chǎng)煤礦露天開(kāi)採(cǎi)厚煤層地下開(kāi)採(cǎi)

無(wú)論是地下開(kāi)採(cǎi)還是露天開(kāi)採(cǎi)都可抽象為對(duì)原有地殼的一種人為破壞活動(dòng)，或稱是一種人為的有目的在地殼巖體中的大規(guī)模開(kāi)挖活動(dòng)。這種開(kāi)挖活動(dòng)破壞了巖體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起了巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分佈，其結(jié)果表現(xiàn)為開(kāi)掘的井、巷、硐、工作面、露天礦采場(chǎng)邊坡等的周?chē)鷰r體變形、移動(dòng)、甚至破壞，直到巖體內(nèi)部重新形成一個(gè)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，見(jiàn)下圖。

礦體礦體井筒與巷道

礦山壓力：

嚴(yán)格的講，礦山壓力應(yīng)包括地采和露采兩部分內(nèi)容，但由於傳統(tǒng)的觀念和習(xí)慣，礦山壓力通常指與地采有關(guān)的內(nèi)容，即概念如下。礦山壓力（i.e.礦壓）：這種由於在地下煤炭中進(jìn)行採(cǎi)掘活動(dòng)而在井巷、硐室、及回採(cǎi)工作面周?chē)簬r體中和其中的支護(hù)物上所引起的力，就叫礦山壓力。

礦山壓力顯現(xiàn)：

在礦山壓力作用下，會(huì)引起各種力學(xué)現(xiàn)象，如頂板下沉、底板臌起、巷道斷面縮小、巖體破壞脫落母體甚至大面積冒落，煤被壓松產(chǎn)生片幫或突然拋出，支架?chē)?yán)重變形或損壞，以及大面積巖層移動(dòng)，地表發(fā)生塌陷等等，這些由於礦山壓力作用，使圍巖、煤體和各種人工支撐物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象，通稱為“礦山壓力顯現(xiàn)”.i.e.”礦壓顯現(xiàn)”。

礦山壓力控制：隨著大規(guī)模開(kāi)採(cǎi)活動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)給工作帶來(lái)嚴(yán)重危害，為使礦壓顯現(xiàn)不致影響採(cǎi)礦工作正常進(jìn)行和保障安全生產(chǎn)，必須採(cǎi)取各種技術(shù)措施把礦山壓力顯現(xiàn)控制在一定的範(fàn)圍內(nèi)，對(duì)有利於採(cǎi)礦生產(chǎn)的礦山壓力顯現(xiàn)也要合理的利用。所有減輕、調(diào)解、改變和利用礦山壓力作用的各種方法，均叫做礦山壓力控制。

礦山壓力及巖層控制：

礦山壓力、礦山壓力顯現(xiàn)、礦山壓力控制是礦山壓力與巖層控制研究的主要內(nèi)容。隨著大規(guī)模開(kāi)採(cǎi)活動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)給工作帶來(lái)嚴(yán)重危害，人們迫切需要一種理論來(lái)解釋和研究有關(guān)的礦壓現(xiàn)象，並用以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)，這就使於60年代形成了一門(mén)新的學(xué)科分支——礦山壓力及巖層控制。1.1.2礦山壓力及巖層控制對(duì)採(cǎi)礦工程的作用

（1）生態(tài)環(huán)境保護(hù)：地下水破壞、地表沉降、矸石山占地、瓦斯抽放等。（2）保證安全和正常生產(chǎn)：頂板事故、巷道穩(wěn)定、邊坡控制等，掌握礦山壓力活動(dòng)的基本規(guī)律，用以指導(dǎo)採(cǎi)礦生產(chǎn)的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)組織，保障安全生產(chǎn)，設(shè)備正常運(yùn)行。（3）減少地下資源損失：通過(guò)研究和實(shí)測(cè)礦壓活動(dòng)規(guī)律，減少頂板等事故，選擇合理煤柱尺寸，甚至某些情況下取消煤柱，減少煤炭資源損失量。（4）改善地下開(kāi)採(cǎi)技術(shù)：地下開(kāi)採(cǎi)技術(shù)的進(jìn)步與對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的深刻認(rèn)識(shí)和礦壓控制手段的改善有密切關(guān)係。（5）提高開(kāi)採(cǎi)經(jīng)濟(jì)效果：礦壓顯現(xiàn)預(yù)測(cè)、支護(hù)品質(zhì)與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、資訊回饋、確定優(yōu)化的礦山與開(kāi)採(cǎi)設(shè)計(jì)等，提高開(kāi)採(cǎi)效益。綜上所述，掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究礦壓控制的有效方法，對(duì)煤礦生產(chǎn)有十分重要意義。1.1.3採(cǎi)礦工程的力學(xué)特點(diǎn)（1）採(cǎi)礦工程巖體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)

與地面工程結(jié)構(gòu)不同，地下工程圍巖即是載荷，也是一種承載結(jié)構(gòu)。（2）採(cǎi)礦工程的移動(dòng)特性（3）採(cǎi)礦工程中圍巖的大變形和支護(hù)體的可縮特性（4）採(cǎi)礦工程中的能量原理和動(dòng)力現(xiàn)象1.2礦山壓力及控制的發(fā)展簡(jiǎn)況

1.2.1對(duì)礦壓的早期認(rèn)識(shí)階段

我國(guó)是世界上採(cǎi)礦最早的國(guó)家之一，中國(guó)採(cǎi)礦有文字可考的歷史始於商代，但實(shí)際的採(cǎi)礦活動(dòng)還要早很多。

春秋至南北朝（西元前770年至前200年），採(cǎi)礦技術(shù)已有全面發(fā)展。隨著採(cǎi)礦規(guī)模日益擴(kuò)大，經(jīng)常出現(xiàn)礦井內(nèi)頂板冒落，巷道堵塞或地表塌陷，迫使人們重視和研究礦壓?jiǎn)栴}。

1.2.2建立礦壓早期假說(shuō)階段

19世紀(jì)後期到20世紀(jì)初，是礦壓研究的第二個(gè)階段。利用一些簡(jiǎn)單的力學(xué)原理解釋實(shí)踐中出現(xiàn)的一些礦壓現(xiàn)象，並提出了一些初步的礦壓假說(shuō)，具有代表性的是“壓力拱假說(shuō)”，即認(rèn)為巷道上方能形成自然平衡拱及有關(guān)分析計(jì)算。同時(shí)提出了以巖石堅(jiān)固性係數(shù)f（普氏係數(shù)）作為定量指標(biāo)的巖石分類方法，曾獲得廣泛應(yīng)用至今。

在這個(gè)階段中，對(duì)巷道圍巖破壞機(jī)理和支架所受的巖石壓力大小開(kāi)始了初步的理論研究。在研究巖層和地表移動(dòng)等方面，進(jìn)行了地面及井下觀測(cè)，研究到地表建築物的損壞不僅由於地表下沉，還由於水準(zhǔn)移動(dòng)的結(jié)果。1.2.3以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為理論基礎(chǔ)的研究階段

20世紀(jì)30年代至50年代：將整個(gè)巖體作為連續(xù)的，各向同性的彈性體來(lái)考慮，即用彈性理論研究礦山壓力問(wèn)題，這一階段的典型成果：（1）用虎克定律推導(dǎo)出了自重作用下原巖應(yīng)力的計(jì)算公式；（2）用彈性理論解決了圓形巷道的應(yīng)力分佈問(wèn)題。

後來(lái)又研究了巖體非均質(zhì)和各向異性對(duì)理想彈性體的影響，以及把巖層看作具有不同變形特徵的彈性介質(zhì)，進(jìn)一步研究巖體層理性的影響，此外還用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法研究了巖層移動(dòng)問(wèn)題。在進(jìn)行理論研究的同時(shí)，研究礦壓的實(shí)驗(yàn)手段也獲得了發(fā)展，其中較為應(yīng)用的是利用相似材料進(jìn)行的相似模型研究方法和利用光敏感材料進(jìn)行的光彈性模擬方法。

1.2.4礦壓研究的近代發(fā)展階段（60年代至今）

這個(gè)時(shí)期的科技發(fā)展特點(diǎn)：（1）礦山開(kāi)採(cǎi)規(guī)模增大；（2）電腦技術(shù)飛速發(fā)展；（3）相關(guān)學(xué)科進(jìn)步明顯。與此相類似，礦壓研究取得了一些新進(jìn)展：

（1）理論方面

將傳統(tǒng)的連續(xù)、彈性、各向同性的巖體→巖體是有各種弱面切割的裂隙體，具有與一般固體所不同的特徵。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)引用相關(guān)學(xué)科中現(xiàn)代研究成果，出現(xiàn)了一系列邊緣學(xué)科分支和方法，如巖石斷裂力學(xué)，巖石塊體力學(xué)，巖石流變學(xué)等。

在研究方法方方面，在現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一些新的數(shù)值分析方法：有限元，邊界元，離散元法等。這些方法可以考慮巖體複雜的力學(xué)屬性，進(jìn)行巷道和硐室圍巖體中的應(yīng)力變化和位移分佈，確定其穩(wěn)定性等，使礦壓理論研究有可能獲得更符合實(shí)際的數(shù)值解答。

在地表巖層移動(dòng)研究方面，在進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和掌握了不同條件下巖層移動(dòng)基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立了更為完美的因開(kāi)採(cǎi)造成的地表移動(dòng)和變形值的計(jì)算和預(yù)測(cè)方法，以及開(kāi)展了開(kāi)採(cǎi)工作引起的煤層上覆巖層運(yùn)動(dòng)機(jī)理及其有關(guān)規(guī)律的研究。

（2）應(yīng)用研究方面

配合地下開(kāi)採(cǎi)技術(shù)和支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行了不同煤層條件下採(cǎi)用不同支護(hù)類型的回採(cǎi)工作面中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，開(kāi)展了採(cǎi)用煤柱護(hù)巷和無(wú)煤柱護(hù)巷的各類巷道中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，以及進(jìn)行了為解決有衝擊礦壓、煤和瓦斯突出危險(xiǎn)煤層開(kāi)採(cǎi)的有關(guān)研究，從而為改善回採(cǎi)工作面礦壓控制，合理佈置和維護(hù)巷道，以及保證安全生產(chǎn)，提供了科學(xué)依據(jù)。

（3）實(shí)驗(yàn)研究方面

結(jié)合各類研究課題的進(jìn)行，逐步應(yīng)用和改善了現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的各種儀器和設(shè)備，有代表性是井下鑽孔電視應(yīng)用和真三軸巖石試驗(yàn)機(jī)以及剛性試驗(yàn)機(jī)，為礦山壓力的進(jìn)一步研究和完善提供了必要的原始數(shù)據(jù)和資料。大型模擬試驗(yàn)臺(tái)、先進(jìn)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)採(cǎi)集儀器等。

（4）礦壓現(xiàn)場(chǎng)控制方面

進(jìn)一步改善了巷道支護(hù)技術(shù)，如大斷面、大縮量和高支撐力的可縮性金屬支架，廣泛應(yīng)用錨桿支護(hù)，開(kāi)發(fā)了各種類型的錨桿，注漿加固不穩(wěn)定煤層和圍巖，回採(cǎi)工作面中使用自移式液壓支架，架型增多，適用範(fàn)圍擴(kuò)大等。對(duì)難以控制的堅(jiān)硬頂板，通過(guò)高壓注水，超前爆破等手段，比較有效地避免了在采控區(qū)突然大面積冒落造成的危害。對(duì)井下衝擊礦壓的預(yù)測(cè)和控制效果大為提高。1.2.5我國(guó)在礦山壓力研究方面的主要工作與成就

為了配合全國(guó)有序地開(kāi)展礦壓研究及推動(dòng)煤礦科技進(jìn)步。1979年4月26日煤炭部批準(zhǔn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建立煤炭工業(yè)部礦山壓力情況報(bào)中心站，作為全國(guó)礦壓研究與實(shí)踐方面的重要學(xué)術(shù)組織，到目前為止已經(jīng)組織召開(kāi)了11屆全國(guó)性礦山壓力理論與實(shí)踐研討會(huì)。

下設(shè)八個(gè)分站：錢(qián)鳴高、牛錫倬、平壽康、劉天泉、宋振騏等學(xué)者對(duì)推動(dòng)我國(guó)礦壓理論研究與工程應(yīng)用作出了突出貢獻(xiàn)，如著名的砌體梁理論等。我國(guó)煤礦事故中頂煤事故由45％下降到15％，目前一批中青年學(xué)者、專家迅速成長(zhǎng)。砌體梁理論、關(guān)鍵層理論、錨桿支護(hù)技術(shù)等。

1.3礦山壓力與巖石力學(xué)的關(guān)係

1.3.1礦山壓力與巖石力學(xué)的關(guān)係

隨著採(cǎi)礦深度何規(guī)模增大，礦山壓力的研究不斷深入和發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越來(lái)多地認(rèn)識(shí)了巖石的力學(xué)性質(zhì)和開(kāi)採(cǎi)過(guò)程中巖體內(nèi)所發(fā)生的自然力現(xiàn)象和規(guī)律，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一個(gè)新的學(xué)科分支—礦山巖體力學(xué)。

即：礦山巖體力學(xué)是研究自然和采動(dòng)影響所造成的礦山應(yīng)力場(chǎng)中，有關(guān)礦山巖體和礦山工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和變形的科學(xué)，它既是固體力學(xué)的一個(gè)應(yīng)用分支，也是採(cǎi)礦科學(xué)的一個(gè)組成部分。嚴(yán)格地說(shuō)，礦山壓力是礦山巖石力學(xué)的一個(gè)應(yīng)用部分，但由於我國(guó)煤礦系統(tǒng)的習(xí)慣，將礦壓作為一個(gè)獨(dú)立的課程。巖石力學(xué)最初產(chǎn)生於採(cǎi)礦工程，其服務(wù)對(duì)象也主要是採(cǎi)礦工程，但其研究方法和理論並非為採(cǎi)礦工程所獨(dú)有。

奧地利學(xué)派對(duì)巖石力學(xué)的發(fā)展起到了巨大作用。該學(xué)派地代表人物是L.Muller主要觀點(diǎn)有三個(gè)：（1）就大多數(shù)工程問(wèn)題而言，巖體工程性質(zhì)取決於巖體內(nèi)部地質(zhì)斷裂系統(tǒng)的強(qiáng)度要比取決於巖石本身強(qiáng)度的大得多，所以巖石力學(xué)是一種不連續(xù)體力學(xué)，即裂隙介質(zhì)力學(xué)；（2）巖體強(qiáng)度是一種殘餘強(qiáng)度，其受到巖體中所含弱面強(qiáng)度的制約；（3）巖體的變形和它的各向異性主要由弱面位移所產(chǎn)生。

上述這三個(gè)觀點(diǎn)為巖石力學(xué)的發(fā)展起到了引導(dǎo)和促進(jìn)作用，尤其是在工程地質(zhì)、水電、冶金等巖石力學(xué)研究中受到格外重視，而煤炭行業(yè)由於煤田成因及研究問(wèn)題的特殊性，沒(méi)有充分重視和發(fā)展上述觀點(diǎn)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看煤炭行業(yè)的巖石力學(xué)有關(guān)問(wèn)題研究必須與國(guó)際接軌，礦山壓力研究應(yīng)納入到礦山巖石力學(xué)的一個(gè)應(yīng)用分支，必須重尊巖石力學(xué)研究的一般準(zhǔn)則。

1.3.2礦山壓力研究的主要內(nèi)容地下採(cǎi)礦中常見(jiàn)的巖石開(kāi)挖工程有：井硐、室巷道和工作面，其中以巷道和回採(cǎi)工作面最為常見(jiàn)，所以礦山研究以巷道回採(cǎi)工作面為核心進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：（一）支承壓力（二）回採(cǎi)工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律及其分析

1.老頂穩(wěn)定及初次極限跨距

2.裂隙體梁及結(jié)構(gòu)分析

（三）回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)律

1.初次來(lái)壓分析

2.週期來(lái)壓分析

3.頂板壓力估算（四）回採(cǎi)工作面頂板控制與支護(hù)方法

1.支架?chē)鷰r相互作用原理

2.支架選型（五）采區(qū)巷道礦壓顯現(xiàn)與控制

1.巷道礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律

2.巷道礦壓控制原理

3.采區(qū)巷道支護(hù)（六）動(dòng)壓現(xiàn)象及控制

1.衝擊礦壓（衝擊礦壓煤、及瓦斯的突然噴出）

2.頂板大面積來(lái)壓

1.3.3礦山壓力研究的基本方法（1）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)方法現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與研究是礦山壓力研究中必須不可少的基礎(chǔ)工作。我國(guó)早在50年代中期就開(kāi)始進(jìn)行回採(cǎi)工作面頂?shù)装逡平亢椭е茌d觀測(cè)。目前礦壓現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法和手段都有了很大發(fā)展。

觀測(cè)儀器已由過(guò)去單一的機(jī)械擴(kuò)大到利用電、聲、光、磁等多科學(xué)技術(shù)的綜合應(yīng)用，觀測(cè)方式也正在從人工就地讀數(shù)逐步向遙控和自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)渡，並且已廣泛利用電腦進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析。

（2）室內(nèi)試驗(yàn)方法由於採(cǎi)礦工程規(guī)模大、時(shí)間、複雜、以及受生產(chǎn)影響大等，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)由於費(fèi)用等原因受到一定的限制，所以逐漸借助室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行研究，目前仍以模擬試驗(yàn)為主。（3）理論分析結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖石力學(xué)、彈性力學(xué)為主要分析工具（4）數(shù)值計(jì)算方法

FEM、BEM、DEMεεpεeOA·BCDστOA段：原始巖石內(nèi)的空隙壓密階段；AB段：線彈性變形階段，B點(diǎn)為彈性極限；BC段：裂隙產(chǎn)生和擴(kuò)展階段，呈現(xiàn)彈塑性變形，C點(diǎn)為強(qiáng)度極限，用Rc表示；CD段：殘餘承載階段，即巖石受載雖然已過(guò)強(qiáng)度極限，但仍具有部分承載能力，到達(dá)D點(diǎn)巖石完全破壞。

一般實(shí)驗(yàn)機(jī)很難獲得上述全過(guò)程曲線，而只有C段以前的曲線，見(jiàn)右圖。原因：普通實(shí)驗(yàn)機(jī)的剛性較小。對(duì)試件加載過(guò)程中，自身變形較大，積蓄了大量的變形能，當(dāng)試件達(dá)到強(qiáng)度極限後，承載能力下降，壓力機(jī)內(nèi)的變性能突然釋放，施加於試件上，導(dǎo)致試件突然破裂，常伴有炸裂響聲和碎塊飛出。CBAOστ（2）巖石強(qiáng)度特徵三向抗壓>雙向抗壓>單向抗壓>抗剪>抗拉（3）巖石破壞機(jī)理

巖石在外力作用下，首先產(chǎn)生不同形式的變形，繼而產(chǎn)生微裂隙和破裂，裂隙擴(kuò)展到一定階段，巖石破壞。巖石破壞的基本形式如下：壓剪破壞有側(cè)向約束塑性流動(dòng)破壞強(qiáng)的側(cè)向約束壓裂破壞無(wú)約束

1）壓裂破壞：加壓板與試件端面間摩擦阻力小時(shí)，試件橫向變形，變形量達(dá)到變形極限時(shí)，試件拉裂，形成平行於加壓方向的拉裂縫，試件破壞原因?yàn)槔哑茐摹?/p>

2）剪破壞：加壓板與試件端面有摩擦力較大時(shí)，產(chǎn)生剪切破壞（一組或幾組剪切面）。

3）塑性流動(dòng)破壞：加壓板與試件端面有很大摩擦力時(shí)，試件二端面變形受到強(qiáng)阻礙時(shí)，出現(xiàn)了多組剪切面，試件會(huì)逐漸緩慢地膨脹成桶形。最後因塑性流動(dòng)而導(dǎo)致破壞。該破壞形式是巖石顆粒產(chǎn)生微小剪切滑移的結(jié)果，仍是一種剪應(yīng)力造成的剪切錯(cuò)動(dòng)。

2.1.2巖石的強(qiáng)度理論

巖石的強(qiáng)度理論：研究巖石在複雜應(yīng)力作用下破壞的原因、規(guī)律及建立破壞的判據(jù)。目前已提出了很多種強(qiáng)度理論，但在目前巖石工程中常用的有兩種：莫爾－庫(kù)侖強(qiáng)度理論和格裏菲斯強(qiáng)度理論。（1）莫爾－庫(kù)侖強(qiáng)度理論

莫爾（Mohr）強(qiáng)度理論認(rèn)為（1900）：固體材料發(fā)生破壞的主要原因是由於破壞面上的剪力達(dá)到一定限度。這個(gè)剪力除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與破壞面上的正應(yīng)力造成的摩擦阻力有關(guān)。例如，某一點(diǎn)材料發(fā)生破壞，不僅取決於該點(diǎn)的剪應(yīng)力，同時(shí)也取決於該點(diǎn)的正應(yīng)力。因此，巖石沿某一個(gè)面剪斷時(shí)所需要的剪應(yīng)力與該面上的正應(yīng)力存在某種函數(shù)關(guān)係：

該式為莫爾提出的一般形式，也稱為莫爾強(qiáng)度理論的普遍形式。具體應(yīng)用中，要通過(guò)試驗(yàn)確定其具體形式。一般的試驗(yàn)方法就是做大量的單向拉、單向壓，不同圍壓下的三軸壓試驗(yàn)，得到不同的莫爾圓，然後給出莫爾應(yīng)力圓的包絡(luò)線。στσ1σ1σ3σ3σ1σ3極限莫爾圓τ=f（σ）

強(qiáng)度曲線的作用：（1）判斷巖石試件是否發(fā)生剪切破壞，由某一面上的做出應(yīng)力圓可判斷試件發(fā)生破壞否。（2）判斷破壞面方向：通常（後面解釋）（3）（抗拉強(qiáng)度小於抗壓強(qiáng)度）

在巖石力學(xué)和工程設(shè)計(jì)中，為了計(jì)算巖石強(qiáng)度，必須給出相應(yīng)的關(guān)係式，莫爾沒(méi)有給出的具體關(guān)係式，有人提出二次曲線或擺線等。但為了便於計(jì)算，當(dāng)正壓力加大時(shí)（）通常採(cǎi)用斜直線作為強(qiáng)度曲線，即：、－分別為破壞面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力、－巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角

這一公式是由庫(kù)侖（Coulomb）1773年提出的，後由莫爾用新的理論加以解釋，故上式稱為莫爾－庫(kù)侖強(qiáng)度理論。由上式可得出如下關(guān)係：CctanφODNN1φMτσσ3σ1σ3σ3σ1σ1σαταC(σ1+σ3)/2(σ1-σ3)/22αSs=σtanφ+Cnα45°-α/2試件

由上圖：（1）（2）

這就是用極限主應(yīng)力表示的莫爾－庫(kù)侖強(qiáng)度條件。做有限元計(jì)算時(shí)通常用這一公式作為Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論的使用式。

上式中若，則就是巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度（3）巖石的單向抗拉強(qiáng)度

由於巖石的抗拉強(qiáng)度不易試驗(yàn)求得，通過(guò)上式可由獲得。

莫爾－庫(kù)侖強(qiáng)度理論目前在巖石力學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣

它能較全面地反映巖石的強(qiáng)度特性，如抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小於抗壓強(qiáng)度，能很好地解釋巖石在三軸受拉時(shí)會(huì)破壞（因強(qiáng)度包絡(luò)線在受拉區(qū)閉合）和三軸等壓壓縮時(shí)不會(huì)破壞（包絡(luò)線在受壓區(qū)不閉合）的現(xiàn)象。它不僅適用於塑性材料，還適用於脆性材料的破壞，所以廣泛用來(lái)解釋巖石的破壞現(xiàn)象。其中不足之處在於：只適用於剪切和塑性流動(dòng)兩種破壞形式，不適用於拉斷破壞；其次莫爾－庫(kù)侖強(qiáng)度理論只考慮了最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，與中間主應(yīng)力無(wú)關(guān)，而一些試驗(yàn)已經(jīng)證明了對(duì)巖石破壞有影響。

（2）格裏菲斯強(qiáng)度理論（Griffith，1921）

格裏菲斯強(qiáng)度理論認(rèn)為：任何固體內(nèi)部都存在窄狹的微裂隙。無(wú)論材料的受力狀態(tài)如何（壓或拉），最終都會(huì)在裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中。當(dāng)拉應(yīng)力大於材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙擴(kuò)展，直至材料破壞。由此可見(jiàn)，Griffith理論認(rèn)為材料破壞是由於拉應(yīng)力造成的這一理論適用於玻璃、陶瓷、巖石等脆性材料。

Griffith在進(jìn)行理論準(zhǔn)則推導(dǎo)時(shí)，認(rèn)為材料內(nèi)的裂隙可用橢圓代替。如，Griffith橢圓裂隙。然後將模型簡(jiǎn)化為半無(wú)限介質(zhì)中單個(gè)橢圓孔洞的平面應(yīng)力問(wèn)題處理。引用彈性力學(xué)關(guān)於半無(wú)限大介質(zhì)橢圓孔周邊受力分析結(jié)果，得出雙向應(yīng)力狀態(tài)下裂隙開(kāi)始擴(kuò)展的條件：

上式就是Griffith強(qiáng)度理論的破壞準(zhǔn)則，也稱為拉應(yīng)力準(zhǔn)則。單向受壓時(shí)，。為了與莫爾－庫(kù)侖強(qiáng)度理論相比較，經(jīng)過(guò)一定換算後，有：－橢圓裂隙周邊上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力－巖石的單向抗拉強(qiáng)度στσyxyσxτxyσ1σ3

以上強(qiáng)度條件是建立在裂隙張開(kāi)假設(shè)上，實(shí)際上，巖石在大多數(shù)情況下承受壓應(yīng)力，裂隙閉合，這樣作用在裂隙面上的正應(yīng)力將使裂隙上產(chǎn)生摩擦阻力，由於摩擦也能承受剪應(yīng)力，所以巖石強(qiáng)度有所增加。據(jù)此有人提出了修正的格裏菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則。

注：是裂隙面的法線方向與應(yīng)力軸的夾角。

2.2巖體及其品質(zhì)評(píng)價(jià)

2.2.1巖體的基本類型和特性

（1）巖體的基本特性巖石和巖體是兩個(gè)不同的概念，巖石是指小的巖石試件（試塊），而巖體是指巖石集合體，或指大範(fàn)圍內(nèi)的工程地質(zhì)體。一般說(shuō)來(lái)，巖體內(nèi)可能含有不同種類的巖石，含有各種天然弱面，受到天然環(huán)境及力場(chǎng)作用等，沒(méi)有特定的自然邊界，我們工程中實(shí)際所遇到的都是巖體，與巖石相比，巖體具有如下力學(xué)屬性。1）非均質(zhì)性對(duì)於由多種巖石組成的巖體，由於在自然條件下組成巖石的物質(zhì)成分、組織結(jié)構(gòu)及其組合狀況經(jīng)常變化，所以一般認(rèn)為巖體是非均質(zhì)的。例如，對(duì)於層壯巖體，無(wú)論在層面上還是在垂直面上都具有明顯的非均質(zhì)性。巖體除了因物質(zhì)成分不同造成的非均質(zhì)性外，由於各種非均質(zhì)結(jié)構(gòu)面切割的結(jié)果也呈現(xiàn)出明顯得結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性。

2）各向異性各向異性是指巖體的全部或部分物理力學(xué)特性隨方向不同而表現(xiàn)出一定差異的性質(zhì)。巖體的學(xué)多物理力學(xué)性質(zhì)，如彈模、抗壓、抗拉強(qiáng)度，聲波的傳播速度等，就隨加載或測(cè)試方向不同而有顯著差別。見(jiàn)圖，x，y，z三個(gè)方向的力學(xué)指標(biāo)明顯有差異。

巖體的各向異性也和非均質(zhì)類似，不僅由於物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)緻密程度不同而造成，而且也受到各種結(jié)構(gòu)面的影響。由於結(jié)構(gòu)面的方位不同，數(shù)量不等，規(guī)模不一，性質(zhì)各異，會(huì)造成巖體各向異性。當(dāng)結(jié)果面組數(shù)少且各自發(fā)育程度不同的巖體，其各向異性會(huì)表現(xiàn)得明顯；反之，結(jié)構(gòu)面組數(shù)多，各自都很發(fā)育，方向十分複雜的巖體，其各向異性表現(xiàn)的不明顯。組數(shù)多，各向異性弱，認(rèn)為各向同性。組數(shù)少，各向異性大。

XYZ

3）非連續(xù)性由於巖體被各種結(jié)構(gòu)面所切割，因此從原則上說(shuō)，巖體屬於非連續(xù)體。但隨著被切割的巖塊大小、形態(tài)和性質(zhì)不同，巖塊的排列和互相接觸狀態(tài)的差異，及其不連續(xù)程度都會(huì)有所不同。因此，在研究工程問(wèn)題時(shí)，尤其是進(jìn)行巖體穩(wěn)定分析時(shí)，往往根據(jù)巖體的不同結(jié)構(gòu)類型把巖體分別看作是非連續(xù)體，似連續(xù)體或連續(xù)體。

A、非連續(xù)體：受結(jié)構(gòu)面影響明顯的層狀、塊狀結(jié)構(gòu)巖體和碎裂結(jié)構(gòu)巖體；

B、似連續(xù)體：結(jié)構(gòu)面發(fā)育密集、雜亂無(wú)章的散體結(jié)構(gòu)巖體；

C、連續(xù)體：整體結(jié)構(gòu)巖體，部分原層狀巖體。

2.2.2巖體強(qiáng)度特徵

（1）巖體強(qiáng)度的基本概念對(duì)於巖石而言，其抗拉強(qiáng)度與其它強(qiáng)度相比最小，通常只有抗壓強(qiáng)度的幾分之一到幾十分之一。對(duì)於巖體而言，這個(gè)特徵就更加突出。因?yàn)閹r體中含有各種結(jié)構(gòu)弱面，而結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力都是十分微弱的，甚至不存在，由於巖體強(qiáng)度主要取決於結(jié)構(gòu)弱面的強(qiáng)度，因此巖體是一種不能承受拉應(yīng)力的材料。工程分析中，一旦某處巖體出現(xiàn)了拉應(yīng)力，即認(rèn)為該處已破壞，這就是通常所說(shuō)的巖體無(wú)拉力準(zhǔn)則。巖石強(qiáng)度曲線結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度曲線巖體強(qiáng)度區(qū)

巖體中的弱面結(jié)構(gòu)雖然不能抗拉，但仍能承受一定的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力。其剪切強(qiáng)度在受壓區(qū)仍符合“莫爾－庫(kù)侖”準(zhǔn)則?？梢哉J(rèn)為：弱面強(qiáng)度≤含有弱結(jié)構(gòu)面的巖體總強(qiáng)度≤巖石強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度≤巖體強(qiáng)度≤巖石強(qiáng)度發(fā)育結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度不發(fā)育

（2）結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響結(jié)構(gòu)面是區(qū)別巖體與巖石的重要特徵之一。它的種類很多，如層理、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等。許多的巖體工程失穩(wěn)都是由結(jié)構(gòu)面所控制。在研究礦山巖石力學(xué)問(wèn)題時(shí)，有代表性的結(jié)構(gòu)面就是層理和節(jié)理。層理面是沉積巖的主要弱面之一，有些情況下它對(duì)沉積巖巖體的變形和破壞起主導(dǎo)作用。如煤礦中頂板離層，分層冒落和底板沿層面滑動(dòng)等。而節(jié)理對(duì)所有巖體來(lái)說(shuō)都更具普遍性。它主要是由構(gòu)造力而形成的有規(guī)則的小的裂隙總稱。

結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為使巖體強(qiáng)度降低和各向異性。見(jiàn)下圖所示。半徑方向的長(zhǎng)度表示單軸抗壓強(qiáng)度大小。為結(jié)構(gòu)面與水平面的夾角?，F(xiàn)有三種主要情況：結(jié)構(gòu)面方位對(duì)巖體強(qiáng)度的影響θ=450+φ/2θθ=00θ=900θ1θ2σminσmax

1）巖體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面無(wú)關(guān)，巖體強(qiáng)度＝巖塊強(qiáng)度。例如，單向拉強(qiáng)度。這時(shí)巖體沿新的面AB破壞。

2）巖體沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切破壞。例如，剪切面正好與結(jié)構(gòu)面重合，巖體強(qiáng)度＝結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度＝。

3）巖體強(qiáng)度介於和之間。相當(dāng)於平行於結(jié)構(gòu)面而受載荷時(shí)的強(qiáng)度。在區(qū)間，巖體強(qiáng)度值的強(qiáng)度值。在區(qū)間，巖體強(qiáng)度值的強(qiáng)度值。在區(qū)間，巖體強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)面的影響較大。

上圖說(shuō)明巖體中有一組結(jié)構(gòu)面時(shí)，由於結(jié)構(gòu)面與加載方向原因，巖體強(qiáng)度有時(shí)有明顯的各向異性，當(dāng)巖體中有多組結(jié)構(gòu)面時(shí)，由於各組結(jié)構(gòu)面的影響交叉重疊，反而會(huì)使巖體強(qiáng)度的各向異性減弱，但會(huì)隨結(jié)構(gòu)面組數(shù)增多，而降低巖體強(qiáng)度，而最終趨近於值。

2.2.3巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

由於巖體特徵的複雜性，借助於一、二個(gè)參數(shù)很難反映出巖體的工程特性，因此人們?cè)噲D通過(guò)各種影響巖體工程性的因素來(lái)對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分類和綜合評(píng)價(jià)。其中比尼奧斯基（Z.T.Bieniawski）1973提出的RMR分類法（RockMassRating）受到重視。其一般原理時(shí)，某種巖體的RMR值由下式計(jì)算：

Rs——

巖體的單軸抗壓強(qiáng)度的分值；

RRQD——巖體的RQD指標(biāo)的分值；

Rsd

——結(jié)構(gòu)面間距的分值，如粗糙度、風(fēng)化度、連續(xù)性、充填情況、開(kāi)度等；

Rw

——地下水條件的分值，如水壓、水量、貫通性等；

Rod——結(jié)構(gòu)面方位的分值。根據(jù)對(duì)深部地帶進(jìn)行地震研究而得到的現(xiàn)代概念，地球可分為地殼、上地幔、下地幔、外地核和內(nèi)地核。莫霍面（彈性縱波波速?gòu)牡貧さ?~7km/s迅速增加到8km/s）郭裏采層（導(dǎo)電率和地震波速迅速增加的分界層）地殼上地幔下地幔外地核內(nèi)地核0km400km1000km3000km5000km6000km地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖地殼的平均厚度為32km，而且在大陸上的變化範(fàn)圍是20～70km，在海洋中其變化為5～15km。地殼是以莫霍面為分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛維奇契首先發(fā)現(xiàn)了M面。在該面以下，彈性縱波的速度突然增長(zhǎng)，達(dá)到8km/s，而在地殼中通常是6～7km/s（最大值為7.4km/s）。上部地幔物質(zhì)密度：33～37kN/m3；地殼物質(zhì)密度：27～30kN/m3。在地殼範(fàn)圍內(nèi)，可按地震波特徵分為三個(gè)主要分層：沉積巖假定的花崗巖層玄武巖層巖彈性縱波速度＝2.0~5.0km/s，厚度10～15km彈性縱波速度＝5.5~6.0km/s，最大厚度30～40km彈性縱波速度＝6.5~7.4km/s，其厚度為10～20km康拉德面它是兩個(gè)分層之間彈性波速度變化的地震分界面現(xiàn)在，採(cǎi)礦工作主要是在小於1000~1800m的深度內(nèi)進(jìn)行。在歐洲，有些礦井的開(kāi)採(cǎi)深度約達(dá)2000m；在南非及印度，個(gè)別金屬礦井的開(kāi)採(cǎi)深度已超過(guò)3000～3500m。開(kāi)採(cǎi)石油和天然氣的深度達(dá)到6000~7000m。最深的構(gòu)造鑽孔和勘探鑽孔已超過(guò)12000m，並開(kāi)始實(shí)現(xiàn)鑽孔深度達(dá)15000m的計(jì)畫(huà)。

上述數(shù)字提供了有關(guān)地球開(kāi)發(fā)深度的概念及其人類當(dāng)今已經(jīng)直接達(dá)到和可能近期達(dá)到的深度。顯然這些深度屬於地殼上部的範(fàn)圍內(nèi)，其厚度與地球直徑相比微不足道。然而淺部地殼的組成結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力狀態(tài)是礦山巖石力學(xué)和礦壓理論關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一。3.2原巖應(yīng)力天然狀態(tài)下地殼中存在地應(yīng)力，通常在地學(xué)中稱之為地應(yīng)力。其主要包括由巖體重量引起的自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造作用引起的構(gòu)造應(yīng)力等。地應(yīng)力這個(gè)概念是由瑞士地質(zhì)學(xué)者Haim在1905～1912年間首次提出來(lái)的。地應(yīng)力是在歷史地質(zhì)作用下發(fā)展變化而形成的。它與巖體自重、構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)、地下水及溫差等有關(guān)，同時(shí)又是隨時(shí)間、空間變化的應(yīng)力場(chǎng)。但在工程年代，應(yīng)力場(chǎng)受這種地質(zhì)作用時(shí)間的影響可以忽略。在採(cǎi)礦工程中，把這種未受採(cǎi)掘擾動(dòng)影響的巖體原始應(yīng)力，又稱為原巖應(yīng)力。採(cǎi)礦工程中，地下採(cǎi)掘空間對(duì)周?chē)鷰r體內(nèi)的原巖應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，使得原巖應(yīng)力重新分佈，並且在井巷和采場(chǎng)的圍巖中產(chǎn)生幾倍於原巖應(yīng)力的高值應(yīng)力（所謂的二次應(yīng)力）。圍巖隨之變形，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，圍巖變形繼續(xù)擴(kuò)大，甚至引起圍巖破壞或支護(hù)物破壞，這就是我們常說(shuō)的礦山壓力顯現(xiàn)。由此可見(jiàn)，礦山壓力的來(lái)源與原巖應(yīng)力密切相關(guān)，圍巖穩(wěn)定性顯然是以原巖應(yīng)力場(chǎng)為前提條件的。在計(jì)算任何人工開(kāi)挖的巖體周?chē)膽?yīng)力分佈以前，必須測(cè)量或估算開(kāi)挖前的應(yīng)力狀態(tài)。3.2.1地殼淺部原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果地殼內(nèi)部的原巖應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)頗為複雜的問(wèn)題，人們獲得原巖應(yīng)力狀態(tài)的途徑，主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然各個(gè)國(guó)家和地區(qū)對(duì)原巖應(yīng)力測(cè)量做了大量工作。但是關(guān)於完整應(yīng)力狀態(tài)的資料卻獲得很少，且測(cè)量深度也都在3000m之內(nèi)，故屬地殼淺部。

1953年瑞典H.Hast在斯堪的納維亞半島首先進(jìn)行了原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)工作。此後，歐、美、澳大利亞和我國(guó)都先後開(kāi)展了大規(guī)模原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)工作。E.T.Brown和E.Hoek（1978）研究了遍及世界不同地區(qū)的原巖應(yīng)力測(cè)量，並進(jìn)行了匯總。在進(jìn)行資料選擇時(shí)，對(duì)於那些特別反常的地質(zhì)條件（如近期仍出現(xiàn)構(gòu)造活動(dòng)的地區(qū)）的實(shí)測(cè)結(jié)果均略去，只選用了可靠的結(jié)果。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鉛直應(yīng)力與深度的關(guān)係為：

這是一個(gè)重要的鉛垂應(yīng)力估算公式。值得注意的是上式的比例係數(shù)與地殼淺部巖石的容重相吻合，通常：

即實(shí)測(cè)結(jié)果說(shuō)明，鉛直應(yīng)力與上覆巖層的重力相一致。平均水準(zhǔn)應(yīng)力：平均水準(zhǔn)應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力σz之比K，隨埋藏深度Z的變化關(guān)係。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)K值通常取值為：深度小於500米時(shí)，水準(zhǔn)應(yīng)力σh.av明顯大於垂直應(yīng)力σz；當(dāng)深度＞1000米，水準(zhǔn)應(yīng)力與垂直應(yīng)力趨於相等，處?kù)鹅o水壓力狀態(tài)。這是因?yàn)槿齻€(gè)主應(yīng)力差值很大時(shí)，巖石不可能承受很高應(yīng)力，否則必然發(fā)生破壞，達(dá)到新的平衡。3.2.2原巖應(yīng)力中各應(yīng)力分量之間的比(1)平均水準(zhǔn)應(yīng)力σh.av與垂直應(yīng)力σz的比較從上面兩個(gè)圖的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，一般情況下，σz相當(dāng)於上覆巖層的自重，而水準(zhǔn)應(yīng)力的波動(dòng)範(fàn)圍就比較大。且一般大於鉛垂應(yīng)力，其產(chǎn)生原因。一般歸結(jié)為地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，平均水準(zhǔn)應(yīng)力σh.av與σz的比值大部分在0.8～1.5之間;(2)水準(zhǔn)應(yīng)力σy與σx間的比較地殼內(nèi)水準(zhǔn)應(yīng)力中的兩個(gè)主應(yīng)力σx與σy在數(shù)值上一般不相等，這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映出了水準(zhǔn)應(yīng)力具有較強(qiáng)的方向性；(3)鉛垂應(yīng)力σz與自重應(yīng)力Pz之間的比較巖體上覆巖層的重量是形成巖體初始應(yīng)力的基本因素之一。一般認(rèn)為巖體的鉛垂應(yīng)力大體上相當(dāng)於上覆巖層的重力Pz，但並非所有實(shí)測(cè)結(jié)果都如此，從我國(guó)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，鉛垂應(yīng)力σz與單位面積上的上覆巖層重力Pz的比例在0.43～19.8之間變化。3.2.3自重應(yīng)力自重應(yīng)力：由於巖石自重引起的應(yīng)力稱為自重應(yīng)力(1)Haim法則（1878年，譯為海姆）瑞士地質(zhì)學(xué)家Haim在觀察了大型越嶺隧道圍巖工作狀態(tài)之後，認(rèn)為原巖體鉛垂應(yīng)力為上覆巖體自重。水準(zhǔn)應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力趨於均衡的靜水壓力狀態(tài)。σxσzσy(2)金尼克解（蘇·A·H·Duhhuk，1925）金尼克認(rèn)為地下巖體為線彈性體，其鉛垂應(yīng)力等於上覆巖體自重：σz=Pz。在水準(zhǔn)方向，巖層內(nèi)的側(cè)向應(yīng)力σx與σy相等，且水準(zhǔn)方向的應(yīng)變?yōu)榱?。由廣義虎克定律可解出：

令λ=μ/(1-μ)為側(cè)向壓力係數(shù)，一般巖石的泊松比μ=0.15～0.35，所以λ=0.18～0.54。當(dāng)μ=0.5時(shí)，λ=1，則金尼克公式與Haim法則一致。3.2.4構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力是由於地質(zhì)構(gòu)造作用引起的應(yīng)力。地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（含地震）歸根到底是一個(gè)巖層變形與破壞的力學(xué)過(guò)程，與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)叫構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究中，我們只能知道構(gòu)造運(yùn)動(dòng)結(jié)果，而要尋找的是造成這些結(jié)果的力源，這是一個(gè)反序的問(wèn)題。在構(gòu)造力場(chǎng)求解中，通常無(wú)法知道初始應(yīng)力狀態(tài)，不易弄清楚深部構(gòu)造的情況和深部地質(zhì)體的力學(xué)性能。只能進(jìn)行模擬或假想研究。下麵是Vening－Meinez構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)力學(xué)模型。

Vening－Meinez模型為了分析地殼上部任何一點(diǎn)應(yīng)力的作用方式，Vening－Meinez採(cǎi)用了一種簡(jiǎn)便方法。在地球中，採(cǎi)用球體座標(biāo)，從地殼上層取一單元體，以地心為原點(diǎn)，設(shè)所取的單元體的六個(gè)面均為主平面。

dRAA’BB’CC’DD’ABB’A’BB’DD’該推導(dǎo)結(jié)果說(shuō)明，平行於水平面的各個(gè)應(yīng)力分量總和的絕對(duì)值與垂直方向應(yīng)力分量絕對(duì)值之比，等於地球半徑與受應(yīng)力作用巖層的深度d之比。如若受構(gòu)造應(yīng)力作用影響的地殼深度為2km的話，地球半徑以6000km計(jì)算，則垂直應(yīng)力分量約占水準(zhǔn)應(yīng)力分量總和的1/3000。若受構(gòu)造應(yīng)力影響的地殼深度為10km，則垂直應(yīng)力分量約占水準(zhǔn)應(yīng)力分量總和的1/600，從此可以看出：水準(zhǔn)應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力分量。3.3開(kāi)挖空間周?chē)鷳?yīng)力分佈的理論解由於開(kāi)採(cǎi)後的巷道和回採(cǎi)空間具有複雜的幾何形狀，以及開(kāi)挖空間周?chē)鷰r體也是屬於非均質(zhì)、各向異性的一種複雜介質(zhì)。到目前為止，對(duì)於巖體的力學(xué)性質(zhì)、原巖應(yīng)力場(chǎng)等尚未完全掌握，所以還無(wú)法用數(shù)學(xué)的方法精確地求出開(kāi)挖周?chē)鷰r體內(nèi)的應(yīng)力分佈狀態(tài)。為了說(shuō)明問(wèn)題，可借助於有關(guān)理論先進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化理論分析。

3.3.1雙向作用應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的圓形孔

σ2=λσ1σ1Pθr1rσ2=λσ1σ1圓孔半徑為，由彈性力學(xué)可求得孔周?chē)我稽c(diǎn)P（距孔心距為r，與軸長(zhǎng)夾角為）的應(yīng)力值。徑向應(yīng)力為：切向應(yīng)力為：--++周邊應(yīng)力分佈σt=-σ1σr=0σt=3σ1σr=0σ12σ1σtσrr1O（3）實(shí)際在只考慮自重情況:λ介於0～1之間，此時(shí)可適用前述理論分式進(jìn)行圓孔周?chē)鷩鷰r體內(nèi)任一點(diǎn)的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分析及給出分佈規(guī)律。因?yàn)閽?cǎi)礦工程有些開(kāi)採(cǎi)後形成的空間形狀類似於橢圓形孔，所以有必要討論橢圓孔周邊的應(yīng)力分佈，尤其是切向應(yīng)力的分佈。這對(duì)分析開(kāi)採(cǎi)後形成的礦壓是有益的。令橢圓孔的長(zhǎng)軸為2a，短軸為2b，雙向應(yīng)力場(chǎng)分別為σ1，σ2。根據(jù)彈性理論，橢圓孔周邊上任意點(diǎn)的切向應(yīng)力σt為：σ1σ2=λσ1θabσt3.3.2橢圓形孔周邊的應(yīng)力分佈拉應(yīng)力區(qū)σ1σ1σ2σ2好的佈置不好的佈置3.3.3多孔存在時(shí)，周?chē)鷳?yīng)力分佈的狀況以上所述為單一孔周?chē)膽?yīng)力重新分佈情況，實(shí)際上在採(cǎi)礦工程中還經(jīng)常會(huì)遇到多條巷道之間或回採(cǎi)空間對(duì)巷道的影響等問(wèn)題。這些情況可簡(jiǎn)化為多孔的相互影響問(wèn)題。一般相鄰兩孔的影響程度及多孔周?chē)膽?yīng)力分佈受到下列一些因素的影響：①孔斷面的形狀及其尺寸大??；②相鄰兩孔相隔的距離；③同一水準(zhǔn)內(nèi)兩鄰孔的數(shù)目；④原巖應(yīng)力場(chǎng)的性質(zhì)及有關(guān)參數(shù)。（1）斷面相同的兩個(gè)鄰孔(雙向等壓)（2）大小不等的相鄰兩孔的應(yīng)力分佈RR3R3.28

H4.26

H2.75

H2.49

H大小不等的相鄰兩孔的應(yīng)力分佈圖3.3.4回採(cǎi)空間周?chē)鷳?yīng)力重新分佈西德埃森採(cǎi)礦研究中心曾將開(kāi)採(cǎi)煤巖體作為彈性體，利用有限元法進(jìn)行應(yīng)力分佈的模擬研究。主要研究了開(kāi)挖空間周邊的環(huán)向應(yīng)力分佈。模擬的開(kāi)採(cǎi)條件為：開(kāi)採(cǎi)深度1000m，原巖垂直應(yīng)力σz=25MPa。從圖中可看出，中部拐角處的應(yīng)力值高達(dá)170MPa是原巖應(yīng)力25MPa的近7倍。有時(shí)甚至更大。

工作面工作面90MPa170MPa170MPa50MPa50MPa35MPa35MPa50MPa采空區(qū)250m250m回採(cǎi)空間周?chē)鷳?yīng)力重新分佈圖矩形孔周?chē)膽?yīng)力計(jì)算十分複雜，目前為止，還不能運(yùn)用精確的理論進(jìn)行求解，一般只能借助數(shù)值計(jì)算。其一般規(guī)律是，矩形孔的拐角處一般產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，而長(zhǎng)直邊處容易產(chǎn)生抗應(yīng)力。矩形的長(zhǎng)軸平行於最大來(lái)壓方向有利，具體與有關(guān)參數(shù)有關(guān)。

3.3.5矩形孔周邊的應(yīng)力分佈σ2σ1σ2σ1綜上所述，假設(shè)孔周?chē)庫(kù)稄椥誀顟B(tài)的條件下，應(yīng)力重新分佈有以下一些特點(diǎn)可循。（1）空周?chē)纬闪饲邢驊?yīng)力集中現(xiàn)象，最大切向應(yīng)力發(fā)生在孔的周邊。對(duì)圓形和橢圓形孔，最大切向應(yīng)力發(fā)生在孔的兩幫中點(diǎn)和頂?shù)椎闹胁俊?duì)矩形孔，則最大切向應(yīng)力發(fā)生在四角處，但在長(zhǎng)直邊處容易產(chǎn)生拉應(yīng)力。（2）應(yīng)力集中係數(shù)的大小，對(duì)於單一空來(lái)說(shuō)，圓形孔僅與側(cè)壓係數(shù)λ有關(guān)，其值k=2~3。對(duì)橢圓孔，則不僅與λ有關(guān)，還與孔的軸長(zhǎng)比有關(guān)。一般當(dāng)a/b=2，λ=0~1時(shí)，k=4~5。對(duì)多孔來(lái)說(shuō)，k值升高是由於單孔應(yīng)力分佈迭加作用結(jié)果，其值視孔的大小和間距以及原巖應(yīng)力的側(cè)壓係數(shù)λ值而定。在前後兩個(gè)回採(cǎi)空間的影響條件下，中間巷道所在地點(diǎn)的應(yīng)力集中係數(shù)可達(dá)7，有時(shí)可能更大。（3）不論何種形狀的孔，它周?chē)鷳?yīng)力重新分佈（主要指切向應(yīng)力）從理論上說(shuō)影響是無(wú)限的，但從影響的劇烈程度來(lái)看，都有一定的影響半徑。通?？扇∏邢驊?yīng)力值超過(guò)原巖垂直應(yīng)力5％處做為邊界線。（4）孔的影響範(fàn)圍與孔的斷面大小有關(guān)。3.4圍巖的極限平衡與支承壓力分佈巖體內(nèi)開(kāi)掘巷道後，巷道圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分佈，一般將巷道兩側(cè)改變後的切向應(yīng)力增高部分稱為支承壓力。支承壓力是礦山壓力的重要組成部分?，F(xiàn)有一圓形巷道，處?kù)峨p向等壓狀態(tài)，λ=1。其周邊的應(yīng)力分佈見(jiàn)圖中虛線所示。但實(shí)際上，巷道周?chē)欢ü?fàn)圍內(nèi)（R以內(nèi)）的巖體會(huì)發(fā)生破壞。其原因就是σt超過(guò)了煤巖地抗壓強(qiáng)度。隨著向內(nèi)發(fā)展，巖體逐漸過(guò)渡到三向受壓狀態(tài)，強(qiáng)度逐漸增加，且σt逐漸下降。直到某一半徑R處，巖塊又處?kù)稄椥誀顟B(tài)這樣半徑R範(fàn)圍內(nèi)的巖體處?kù)稑O限平衡狀態(tài)，即此範(fàn)圍內(nèi)巖塊所處的應(yīng)力圓與其強(qiáng)度包絡(luò)線相切，這個(gè)範(fàn)圍稱為極限。平衡區(qū)。σ12σ1σtσrr1ORR圍巖的極限平衡區(qū)見(jiàn)下圖，極座標(biāo)。給出極限平衡區(qū)內(nèi)一點(diǎn)的平衡方程。r－極限平衡區(qū)內(nèi)半徑為r的一點(diǎn)。σr+dσrσrdθσtσt+dσtr對(duì)於回採(cǎi)工作面前方的支承壓力分析，可按下圖建立極限平衡方程。取一小單元體。f－層面間的摩擦係數(shù)，m－采高。由平衡方程求得σy

，其中N0為煤幫的支承能力。σydxmdxfσydxfσydxmσxm(σx+dσx)在極限平衡邊界以外的切向應(yīng)力，仍符合彈性狀態(tài)解。據(jù)此可將回採(cǎi)工作面前方的支承壓力分佈繪成下圖。γHKγHEDABCσtσrK—支承壓力峰值係數(shù)（2）偽頂（falseroof）：直接頂與煤層間厚度小於0.5m極易垮落的軟弱巖層，它隨采隨冒。（3）老頂（基本頂，mainroof）：直接頂上方（有時(shí)直接位於煤層之上）的厚而堅(jiān)硬的巖層。一般由砂巖、石灰?guī)r、砂礫巖等巖層組成。也有人認(rèn)為冒落帶以上的裂隙帶巖層統(tǒng)屬老頂。底板：位於煤層以下的巖層。直接底：直接位於煤層之下的巖層。

工作面回採(cǎi)過(guò)程中，必須對(duì)回採(cǎi)工作面進(jìn)行支護(hù)，保證工作面有足夠的作用空間和形態(tài)。同時(shí)對(duì)采空區(qū)要進(jìn)行處理，目前對(duì)采空區(qū)的處理方法主要有以下幾種。

其中全部垮落法具有回採(cǎi)率高、成本低、簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在條件適宜時(shí)，儘量採(cǎi)用這種方法。採(cǎi)用全部垮落法時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，回採(cǎi)工作面空間形狀變化見(jiàn)下圖。

在煤體內(nèi)形成回採(cǎi)空間，其上方的巖體部分重量則有支架承擔(dān)，同時(shí)前方煤壁和采空區(qū)冒落的矸石也要承擔(dān)部分壓力。有時(shí)由於上位巖層的變化對(duì)支架也會(huì)產(chǎn)生壓力。將這些原因?qū)χЪ墚a(chǎn)生的壓力常稱為頂板壓力或礦山壓力。回採(cǎi)空間或巷道上方巖層中未破壞部分或未產(chǎn)生劇烈變形部分，或雖然巖層已破斷但仍能整齊排列的部分，有時(shí)能形成巖體內(nèi)的大“結(jié)構(gòu)”。這種大結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)上覆巖層重量，從而對(duì)巷道及回採(cǎi)空間起保護(hù)作用。根據(jù)實(shí)際測(cè)定，回採(cǎi)工作面支架所承受的力僅為上覆巖層的百分之幾。但當(dāng)工作空間維護(hù)的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，圍巖不易形成穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象在巷道中極易出現(xiàn)，從而導(dǎo)致巷道圍巖的“擠、壓、臌”現(xiàn)象。對(duì)於回採(cǎi)工作空間，尤其是工作面推進(jìn)較快時(shí)，這種時(shí)間影響因素就會(huì)變得次要，上覆巖層極易形成大“結(jié)構(gòu)”。4.2老頂巖層的穩(wěn)定性

4.2.1老頂巖層的梁式平衡

當(dāng)工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)一段距離後，直接頂懸露達(dá)到一定跨度，采空區(qū)進(jìn)行初次放頂，直接頂開(kāi)始垮落，此時(shí)直接頂?shù)目缇喾Q為初次垮落距，初次垮落距的大小與直接頂巖層強(qiáng)度、分層厚度、直接頂內(nèi)節(jié)理裂隙的發(fā)育程度有關(guān)。

巖層破碎後，體積將產(chǎn)生膨脹，破碎膨脹後的體積與破碎前的體積之比稱為碎脹係數(shù)。巖石破碎後，在其自重及外載作用下，漸趨壓實(shí)，碎脹係數(shù)變小，壓實(shí)後的體積與原體積之比稱為殘餘碎脹係數(shù)Kp′。

假設(shè)Δ>0，則老頂呈懸露狀態(tài)。類似板狀結(jié)構(gòu)，它的一邊由工作面煤壁支承，另外三邊則由煤柱支撐。當(dāng)工作面傾斜長(zhǎng)一般>>老頂沿走向的懸露長(zhǎng)，所以可將老頂視為一端由工作面煤壁，另一端由邊界煤柱支撐的兩端固定的“梁”，即所謂梁的假說(shuō)。此時(shí)若老頂之上的巖層強(qiáng)度較低，則上覆巖層的重量將通過(guò)老頂“梁”傳遞至兩端的支點(diǎn)上，即煤壁和煤柱上。見(jiàn)下圖分析。

上面是按固定梁的計(jì)算結(jié)果，實(shí)際上兩端的支承條件也有差異。如一側(cè)的采空區(qū)已采完時(shí)，見(jiàn)下圖，隔離煤柱上方的頂板已處于自由狀態(tài)。因而更接近于簡(jiǎn)支梁支座。有些國(guó)家已將淺部礦井老頂按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，認(rèn)為淺部礦井巖層頂板由于兩端煤體上集中壓力較小，因而可視為簡(jiǎn)支梁支座，但在深部應(yīng)視為固定梁。若為簡(jiǎn)支梁時(shí)，梁內(nèi)的剪力分布與固定梁同，但彎距則不同。

隔離煤柱4.2.2老頂巖層的板式結(jié)構(gòu)分析隨著回採(cǎi)工作面自開(kāi)切眼開(kāi)始推進(jìn)，根據(jù)已采空面積的情況，如華北地區(qū)的一般條件，回採(cǎi)工作面長(zhǎng)150～200m，推進(jìn)30m左右，老頂巖層初次斷裂。一般老頂巖層厚2～4m。按照薄板的假設(shè)，其厚度（h）與寬度（a）的比值h/a=1/7~1/15。因此，可視老頂巖層為薄板，當(dāng)老頂與上部巖層離層時(shí)更是如此。根據(jù)開(kāi)採(cǎi)條件及邊界煤柱大小，又可將老頂巖層假設(shè)為四種情況：（a）四周固支：（b）三邊固支一邊簡(jiǎn)支；（c）兩邊固支兩邊簡(jiǎn)支；（d）一邊固支及三邊簡(jiǎn)支。通過(guò)近似解法，可獲得巖層板破斷地一般規(guī)律。

以四周邊固支的板為例，在長(zhǎng)邊的中心部位，彎距的絕對(duì)值最大。隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，首先在此形成斷裂，而後在外邊的中央形成裂縫，待四周裂縫貫通後，板中央的彎距又達(dá)到最大值，超過(guò)強(qiáng)度極限而形成裂縫，最後形成X形破壞，見(jiàn)下圖。對(duì)於其他支承條件時(shí)，其破裂過(guò)程與上述相近。4.3老頂初次破斷時(shí)的極限跨距(梁式分析)

老頂巖梁達(dá)到斷裂時(shí)的跨距稱為極限跨距，可由材料力學(xué)方法求得。

顯然，在同樣條件下，由簡(jiǎn)支梁計(jì)算所得的極限跨距LlT要比固定梁計(jì)算所得的小。在一般情況下，由於彎距形成的極限跨距LlT要比剪切應(yīng)力形成的極限跨距Lls小，因此常常按彎距來(lái)計(jì)算極限跨距。在什麼條件下應(yīng)按簡(jiǎn)支梁計(jì)算或按固定梁計(jì)算，需根據(jù)煤層賦存深度及邊界煤柱兩側(cè)采空的情況來(lái)定。在採(cǎi)用刀柱法或房柱法開(kāi)採(cǎi)時(shí)，為了保證工作空間頂板的完整性，刀柱或煤柱的間距應(yīng)採(cǎi)用巖層梁的安全距Ls，此時(shí)，取巖層趨向斷裂的安全係數(shù)為n，以頂板巖層的安全跨距Ls為：固定梁時(shí)簡(jiǎn)支梁時(shí)一般取

n=6。上述計(jì)算中，RT可由試驗(yàn)確定，h可由鑽孔資料獲得。關(guān)鍵是如何確定巖梁所受載荷q，一般煤層上方的巖層是由好幾層巖層組成。因此，第一層巖層的極限跨距所應(yīng)考慮載荷的大小，鬚根據(jù)各層之間的相互影響來(lái)定。下式表示n層巖層對(duì)第一層（最下麵的巖層）影響所形成的載荷（qn）。4.4裂隙體梁的平衡

當(dāng)老頂達(dá)到極限跨距後，隨著回採(cǎi)工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂即發(fā)生斷裂，斷裂後的一般狀態(tài)見(jiàn)下圖。

整個(gè)頂板的破斷方式可分為三個(gè)明顯的區(qū)域，上、下區(qū)為圓弧形破壞，巖塊間呈立體咬合關(guān)係。中部呈似梁的咬合關(guān)係，見(jiàn)A-A斷面。但由於破斷的巖塊相互擠壓，產(chǎn)生了水準(zhǔn)力，這使中部又呈現(xiàn)出能傳遞水準(zhǔn)力的拱的關(guān)係。這種表面似梁，實(shí)質(zhì)是拱的裂隙體梁的平衡關(guān)係結(jié)構(gòu)，稱為“砌體梁”。

由於巖層的抗拉強(qiáng)度很小，老頂巖梁很可能先在兩側(cè)支座的上端裂開(kāi)，而後在梁的中間底部開(kāi)裂，隨著巖塊轉(zhuǎn)動(dòng)形成強(qiáng)大的水準(zhǔn)擠壓力，使巖塊間形成了三鉸拱式的平衡。見(jiàn)下圖。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)及力學(xué)分析，若破斷巖塊較多，則成拱的條件主要取決於原巖應(yīng)力及巖塊轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所形成的水準(zhǔn)擠壓力的大小。水準(zhǔn)擠壓力較大時(shí)，仍然能使多個(gè)巖塊擠壓在一起，呈懸露狀態(tài)。因此，並不是老頂巖梁剛達(dá)到斷裂極限跨距，即發(fā)生垮落，它還決定於以下平衡條件。

（1）結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)咬合處摩擦力的大小，即水準(zhǔn)擠壓力與該處摩擦係數(shù)的乘積，此力的作用方向與巖塊滑落的方向相反，因而起防止巖塊間相互滑落的作用。若考慮到老頂巖層斷裂時(shí)，斷裂面與垂直面成一斷裂角θ，則咬合點(diǎn)的關(guān)係見(jiàn)下圖。（2）結(jié)構(gòu)的變形失穩(wěn)

這是指在巖塊的回轉(zhuǎn)過(guò)程中，由於擠壓處局部應(yīng)力集中，致使該處進(jìn)入塑性狀態(tài)，甚至局部受拉而使咬合處破壞造成巖塊回轉(zhuǎn)進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。見(jiàn)下圖表示的巖塊回轉(zhuǎn)狀態(tài)。

由此可求得在巖梁破斷後互相咬合中間下沉量達(dá)時(shí)，即形成了巖塊結(jié)構(gòu)的變形失穩(wěn)。由上述分析可知，巖梁在破斷成巖塊後，只要有一定的條件，它仍能形成外形如梁，實(shí)質(zhì)是拱的平衡結(jié)構(gòu)，保持著回採(cǎi)空間，使其不受上覆巖層的全部載荷。4.5直接頂?shù)姆€(wěn)定性

直接頂是工作面直接維護(hù)的對(duì)象，直接頂經(jīng)常處?kù)镀茢酄顟B(tài)，且無(wú)水準(zhǔn)力的擠壓作用，因而它難以形成結(jié)構(gòu)，它的重量全由工作面支架來(lái)承擔(dān)。從巖體形成結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來(lái)分析，對(duì)於老頂形成的大結(jié)構(gòu)，支架是通過(guò)直接頂對(duì)其起支撐作用。因此，直接頂?shù)耐暾闆r，將首先影響到工作面生產(chǎn)的安全，同時(shí)也是保證支護(hù)能否全部發(fā)揮其性能的重要保證。從頂板事故的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)看，許多頂板事故是由於直接頂與老頂產(chǎn)生離層，然後由直接頂引起推垮型事故（單體柱），因此應(yīng)研究直接頂與老頂間形成離層的條件。4.5.1直接頂巖塊離層原因分析

（1）節(jié)理、裂隙的切割：一旦支護(hù)工作出現(xiàn)疏忽，均可導(dǎo)致直接頂局部冒落。（2）巖性原因：初次放頂前，由於直接頂?shù)膿隙却箪独享?此時(shí)老頂處?kù)栋宓膽衣稜顟B(tài)。直接頂強(qiáng)度較弱，巖層較薄，而產(chǎn)生二者離層。（3）採(cǎi)用單體支護(hù)時(shí)，第一排支柱剛支設(shè)時(shí)，初撐力較低，液壓支架時(shí)，由於無(wú)支護(hù)空間較寬，又由於前梁的支撐力較小，因而常常形成機(jī)道上方頂板離層。（4）工作面較短時(shí)，老頂常處?kù)稇衣稜顟B(tài)，撓度甚小，直接頂?shù)膿隙瘸４箪独享敹纬呻x層。類似於初次放頂前。（5）分層開(kāi)採(cǎi)工作面，第一分層采出後，冒落的頂板將重新壓實(shí)。根據(jù)采空區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力重新分佈的規(guī)律，在采空區(qū)四周將形成減壓區(qū)，從而在采下分層時(shí)，此減壓區(qū)內(nèi)將形成直接頂巖層的離散狀態(tài)。4.5.2初次放頂前直接頂?shù)碾x層與斷裂

粗略地講，當(dāng)直接頂厚度小於老頂厚度，均易形成這種離層。當(dāng)然這種離層分析的條件：直接頂必須有一定強(qiáng)度，並不是隨開(kāi)切眼推進(jìn)而冒落，其次是冒落後的直接頂不能填滿采空區(qū)。這樣直接頂巖塊間無(wú)水準(zhǔn)力聯(lián)繫，從而形不成結(jié)構(gòu)。這些均是形成直接頂初次放頂時(shí)失穩(wěn)的條件。考慮到初次放頂前支架支撐力的作用，則不致於形成離層的條件改為：

式中p為支架單位面積的支撐力。通過(guò)類似前述的推導(dǎo)，有：即支架支撐力達(dá)到上述條件可保證直接頂與老頂不離層4.6回採(cǎi)工作面上覆巖層移動(dòng)概況

老頂垮落後，采空區(qū)上方的巖層一般都要產(chǎn)生移動(dòng),見(jiàn)下圖為典型的地表巖層移動(dòng)圖。

認(rèn)為，斷裂面上任意一點(diǎn)C所處的應(yīng)力狀態(tài)均為極限應(yīng)力狀態(tài)。巖層移動(dòng)主要是研究開(kāi)採(cǎi)後引起的地表變形與破壞規(guī)律。由於煤層開(kāi)採(cǎi)後形成的采空區(qū)大多數(shù)為長(zhǎng)方形，而老頂巖層的破壞因長(zhǎng)方形的角效應(yīng)影響而呈橢圓形，因而地表移動(dòng)盆地均為橢圓形，且比采空區(qū)面積要大。

地下采空區(qū)地表移動(dòng)邊界線

‘開(kāi)採(cǎi)水準(zhǔn)或近水準(zhǔn)煤層時(shí)，移動(dòng)盆地位於采空區(qū)正上方，而且盆地中心對(duì)應(yīng)著采空區(qū)中心，即中心點(diǎn)是垂直下落的。對(duì)於傾斜煤層，見(jiàn)下圖。最大下沉點(diǎn)有下滑落趨勢(shì)。

地表移動(dòng)曲線采空區(qū)β0λ0

采空區(qū)面積相當(dāng)大時(shí)，盆地形成平底“盆狀”，盆地內(nèi)最大下沉處不是一條線而是一個(gè)面。當(dāng)采空區(qū)寬度導(dǎo)致地表最大下沉處由線變?yōu)槊娴呐R界值稱為開(kāi)採(cǎi)的臨界寬度，此時(shí)地表得到了充分采動(dòng)。反之，如果開(kāi)採(cǎi)面積不夠大，盆地呈尖底“碗狀”。此時(shí)說(shuō)明地表沒(méi)有得到充分采動(dòng)。隨著開(kāi)採(cǎi)寬度增加，地表下沉值還將繼續(xù)增加。隨著開(kāi)採(cǎi)寬度增加，地表下沉值會(huì)相應(yīng)增加。見(jiàn)下圖。1231’2’3’

回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)主要研究開(kāi)採(cǎi)後煤層上方頂板的活動(dòng)規(guī)律。通過(guò)鑽孔觀測(cè)，可瞭解到回採(cǎi)工作面上覆巖層的破壞與移動(dòng)情況。通常將上覆巖層按破壞和移動(dòng)的情況分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。見(jiàn)下圖所示。

冒落帶：破斷後的巖塊呈不規(guī)則垮落，排列極不整齊，鬆散係數(shù)比較大，一般可達(dá)1.3～1.5。但經(jīng)重新壓實(shí)後，碎脹係數(shù)可降到1.03左右，很多情況下為直接頂巖層冒落後形成。

裂隙帶：巖層破斷後，巖塊仍然排列整齊的區(qū)域。它位於冒落帶之上，由於其排列比較整齊，因此碎脹係數(shù)比較小。為了研究上覆巖層情況，尤其是在煤層開(kāi)採(cǎi)後裂隙帶巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在我國(guó)陽(yáng)泉、開(kāi)灤範(fàn)各莊及大屯孔莊等礦進(jìn)行了深基點(diǎn)觀測(cè)，所得結(jié)果大同小異。右圖是推測(cè)圖。

彎曲下沉帶：位於裂隙帶之上，一般主要是由彎曲變形而形成。對(duì)於埋深較淺煤層而言，可延伸到地表。

為了研究上覆巖層情況，尤其是在煤層開(kāi)採(cǎi)後裂隙帶巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在我國(guó)陽(yáng)泉、開(kāi)灤範(fàn)各莊及大屯孔莊等礦進(jìn)行了深基點(diǎn)觀測(cè)，所得結(jié)果大同小異。右圖是推測(cè)圖。

（1）頂板下沉量：一般指煤壁到采空區(qū)邊緣裸露的頂?shù)装逡平喀?H0-H1

有時(shí)為了對(duì)比，又將頂?shù)装逡平喀Q算成每米采高每米推進(jìn)度的頂?shù)装逡平浚处?L/M（L為控頂距，M為采高）。由於底臌量較小，通常將Δ稱為頂板下沉量。H0原頂板變形後的頂板變形後的底板H1控頂距5.1礦山壓力顯現(xiàn)程度的常見(jiàn)指標(biāo)

（2）頂板下沉速度：指單位時(shí)間內(nèi)的頂?shù)装逡平?，以㎜/h計(jì)算。表示頂板活動(dòng)的劇烈程度。

（3）支柱變形與折損：隨著頂板下沉，回採(cǎi)工作面支柱受載也逐漸增加，一般可以用肉眼觀察到柱帽的變形，劇烈時(shí)可以觀察到支柱的折損。

（4）頂板破碎情況：常常以單位面積中冒落面積所占的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，是衡量頂板管理好壞的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（5）局部冒頂：回採(cǎi)工作面頂板形成局部塌落，它影響回採(cǎi)工作面正常進(jìn)行。5.1礦山壓力顯現(xiàn)程度的常見(jiàn)指標(biāo)

（6）工作面頂板沿煤壁切落，或稱大面積冒頂：指回採(cǎi)工作面由於頂板來(lái)壓導(dǎo)致頂板沿工作面切落，常常對(duì)工作面產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

其他還有：煤壁片幫、支柱插底、底板臌起等一系列礦山壓力現(xiàn)象?；貟?cǎi)工作空間是一個(gè)小結(jié)構(gòu)，它處?kù)秶鷰r形成的大結(jié)構(gòu)之中。因此，大結(jié)構(gòu)的變形、失穩(wěn)將直接影響到小結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。同時(shí)大結(jié)構(gòu)周?chē)闹С袎毫Ψ謥亚闆r也將直接影響到煤壁及底板巖層的穩(wěn)定性。5.1礦山壓力顯現(xiàn)程度的常見(jiàn)指標(biāo)

（1）三鉸拱的概念三鉸拱是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的概念，其基本力學(xué)模型是兩個(gè)曲桿以鉸接相聯(lián)，每個(gè)曲桿和支座之間也用鉸相聯(lián)而成的結(jié)構(gòu)，稱三鉸拱。只要三個(gè)鉸不在同一直線上，這三鉸拱就是幾何不變的。見(jiàn)下圖。q5.2老頂?shù)某醮蝸?lái)壓5.2老頂?shù)某醮蝸?lái)壓

當(dāng)老頂巖層達(dá)到極限跨距而且斷裂時(shí)形成三鉸拱式平衡,隨著工作面推進(jìn)，將導(dǎo)致新巖塊A的斷裂，見(jiàn)上圖，形成三塊的咬合平衡。隨著工作面推進(jìn)還可能形成四、五……不同數(shù)量巖塊的咬合平衡，直至巖塊間的咬合關(guān)係不能滿足平衡關(guān)係為止。此時(shí)，老頂?shù)氖Х€(wěn)將對(duì)工作面帶來(lái)嚴(yán)重壓力，甚至危及生產(chǎn)及人身安全。

老頂?shù)某醮蝸?lái)壓：由於老頂?shù)牡谝淮问Х€(wěn)而產(chǎn)生的工作面頂板來(lái)壓。

老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距：由開(kāi)切眼到老頂初次來(lái)壓時(shí)工作面的推進(jìn)距離。5.2老頂?shù)某醮蝸?lái)壓

老頂初次來(lái)壓時(shí)對(duì)工作面支架受力的影響，可以用下圖表示。P為支架反力，Q1和Q2分別為直接頂和老頂?shù)妮d荷。老頂初次來(lái)壓時(shí)，三鉸拱平衡已破壞，因此可簡(jiǎn)化為上圖模型。其中Rr是冒落矸石的支承反力。在三鉸拱失去平衡後，老頂必然會(huì)回轉(zhuǎn)至冒落矸石上方才能借助Rr力阻止老頂巖塊回轉(zhuǎn)。但這過(guò)程中，工作面頂板必然下沉，且支架的工作阻力應(yīng)等於Q1與Q2之和。5.2老頂?shù)某醮蝸?lái)壓

初次來(lái)壓前，由於上覆巖層結(jié)構(gòu)中有“梁”或“拱”式結(jié)構(gòu)存在，因此整個(gè)采空區(qū)周?chē)鷰r體可視為一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的頂部是老頂，四周則是直接頂加煤柱?；貟?cǎi)工作面就處在這樣的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)保護(hù)之下，其周?chē)膽?yīng)力同樣可分為減壓區(qū)B、增壓區(qū)A和穩(wěn)壓區(qū)C。

5.2老頂?shù)某醮蝸?lái)壓

回採(cǎi)工作面煤壁上所承受的支承壓力將隨著老頂跨度的加大而增加，即剛從開(kāi)切眼推進(jìn)時(shí)最小。在初次來(lái)壓前達(dá)到最大，並常伴有煤壁的片幫與漏頂?shù)?。初次?lái)壓比較突然，且對(duì)工作面危害較大。我國(guó)一些煤礦的初次來(lái)壓步距一般為20～35m，個(gè)別達(dá)50～70m。5.2老頂?shù)某醮蝸?lái)壓

老頂初次來(lái)壓後，隨著回採(cǎi)工作面的繼續(xù)推進(jìn)，老頂巖塊所形成的裂隙體梁將發(fā)生一系列變化：A巖塊由穩(wěn)定→斷裂→失穩(wěn)→O巖塊穩(wěn)定→斷裂→失穩(wěn)。這樣隨著工作面向前推進(jìn)，上覆巖層的結(jié)構(gòu)由穩(wěn)定→失穩(wěn)→再穩(wěn)定，周而復(fù)始，其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以稱之為裂隙體梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。5.3老頂?shù)倪L期來(lái)壓5.3.1回採(cǎi)工作面推進(jìn)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的影響

隨著工作面推進(jìn)，老頂巖層由穩(wěn)定結(jié)構(gòu)→不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)→穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在這種周而復(fù)始的工程中，失穩(wěn)時(shí)對(duì)工作面就產(chǎn)生了週期性的壓力。由此，由於裂隙帶巖層週期性失穩(wěn)而引起的頂板來(lái)壓現(xiàn)象稱為工作面頂板的週期來(lái)壓。在失穩(wěn)過(guò)程中，由裂隙體梁的平衡，沿a-a面力平衡，有：5.3老頂?shù)倪L期來(lái)壓

5.3.2采場(chǎng)的週期來(lái)壓5.3老頂?shù)倪L期來(lái)壓

5.3老頂?shù)倪L期來(lái)壓

由於上覆巖層是由幾層巖層組成，工作面的週期來(lái)壓也是由幾層巖層共同作用的結(jié)果，每次週期來(lái)壓的步距和強(qiáng)度都有一定差別。在週期來(lái)壓期間，老頂?shù)淖饔昧νㄟ^(guò)直接頂作用到支架上，支架的支撐力也是通過(guò)直接頂對(duì)老頂進(jìn)行控制。因此直接頂?shù)耐暾詫?duì)控制老頂平衡起重要作用。若采空區(qū)冒落的矸石充滿采空區(qū)，則可緩解老頂對(duì)支架的壓力。5.3老頂?shù)倪L期來(lái)壓

頂板壓力確定是支架選型等重要參數(shù)。目前有兩種方法，一是估算法，另一種是實(shí)測(cè)法。5.4.1估算法

設(shè)回採(cǎi)工作面的頂板壓力可用如下模型估算。Q1、Q2分別為直接頂和老頂載荷。

5.4頂板壓力估算5.4頂板壓力估算

5.4頂板壓力估算

5.4頂板壓力估算5.4頂板壓力估算

上述估算法，事實(shí)上各有其適用條件，例如，根據(jù)一般的頂板狀態(tài)，如我國(guó)華北等地區(qū)的絕大部分礦區(qū)，經(jīng)常用支架主要承擔(dān)相當(dāng)於4~8倍采高巖柱的重量估算，簡(jiǎn)單實(shí)用。在一些單體支柱工作面，尤其是工作阻力偏低，常常導(dǎo)致工作面頂板下沉量過(guò)大的情況下，可採(cǎi)用第二種方法，此法的實(shí)質(zhì)並非控制老頂?shù)奈灰屏浚聦?shí)上是由於直接頂?shù)奈灰屏颗c老頂?shù)奈灰屏坎幌噙m應(yīng)而造成的結(jié)果。根據(jù)力學(xué)分析，企圖依靠支架的反作用力控制老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，在一定條件下也難以實(shí)現(xiàn)的。對(duì)一些堅(jiān)硬頂板地區(qū)，或經(jīng)常發(fā)生老頂切落或臺(tái)階下沉的地區(qū)，則顯然使用第三種方法估算比較合適。

5.4頂板壓力估算

5.4.2實(shí)測(cè)法即從工作面支架上測(cè)定其所承受的實(shí)際荷載。實(shí)際上，從一定意義上講，井下工作面所測(cè)得的載荷已不僅是頂板壓力，而同時(shí)包含了支架性能的影響。5.4頂板壓力估算

回採(cǎi)工作面的礦山壓力顯現(xiàn)受多種因素影響：如圍巖性質(zhì)、采深、采高、傾角、工作面推進(jìn)速度等。具體工作面要具體分析。5.5.1采高與控頂距在一定條件下，采高是影響上覆巖層破壞狀況的最重要因素之一。采高越大，采出的空間越大，必然導(dǎo)致采場(chǎng)上覆巖層破壞越嚴(yán)重。某些實(shí)測(cè)資料表明，在單一煤層或厚煤層第一分層開(kāi)採(cǎi)時(shí)，冒落帶與裂隙帶的總厚度與采高基本上成正比。5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

從采場(chǎng)支護(hù)的小結(jié)構(gòu)必須與圍巖形成的大結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的觀點(diǎn)出發(fā)，工作面頂板下沉量也基本上滿足上式。當(dāng)L為控頂距，L0為移動(dòng)曲線中由前最大麯率點(diǎn)到後最大麯率點(diǎn)的距離，SL和S0則分別是L和L0範(fàn)圍內(nèi)的巖層與頂板的下沉量。由近似的三角關(guān)係：5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

可見(jiàn)回採(cǎi)工作面的頂板下沉量SL正比於采高與工作面控頂距。從我國(guó)50個(gè)工作面的實(shí)測(cè)情況看，在離煤壁4m處的頂板下沉量一般相當(dāng)於采高的10～20％，即下沉係數(shù)η=0.025~0.05。從上述的粗略分析可以得出，采高越高，在同樣位置老頂可能取得的平衡機(jī)率越小。在支承壓力作用下，煤壁也越易片幫，工作面礦壓顯現(xiàn)越嚴(yán)重。5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5.2工作面推進(jìn)速度

在幾何條件確定後，工作面的頂板下沉量S與時(shí)間t有關(guān)，一般t↑→S↑，見(jiàn)下圖。當(dāng)工作面推進(jìn)速度大時(shí)，頂板存在的時(shí)間較短，所以下沉量較小。但當(dāng)工作面推進(jìn)速度提高到一定程度後，頂板下沉量的變化將逐漸減小。從一般分析可知，因?yàn)橹С袎毫?duì)煤壁的壓裂過(guò)程以及在采空區(qū)的壓實(shí)過(guò)程，均為時(shí)間過(guò)程，並且上覆巖層破斷後，巖塊間的相互咬合也經(jīng)常要經(jīng)歷失穩(wěn)階段以及處?kù)稑O限平衡狀態(tài)。所以，反映在工作面，頂板的下沉也是一個(gè)時(shí)間過(guò)程。一般的工作面測(cè)得的“S—t”曲線見(jiàn)下圖。5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

一般說(shuō)來(lái)，只有在原先的工作面推進(jìn)速度比較緩慢的條件下，加快工作面推進(jìn)速度，才會(huì)對(duì)工作面頂板狀況有所改善。當(dāng)工作面推進(jìn)速度提高到一定程度後，頂板的下沉量變化將逐漸減小。因而想把頂板壓力甩掉的企圖是不能實(shí)現(xiàn)的。

S/mmt/h落煤放頂5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5.3開(kāi)採(cǎi)深度的影響

開(kāi)採(cǎi)深度直接影響原巖應(yīng)力大小，同時(shí)也影響著開(kāi)採(cǎi)後巷道或工作面周?chē)鷰r層的支承壓力值。因此開(kāi)採(cǎi)深度對(duì)礦山壓力具有影響，但具體影響情況要具體分析。開(kāi)採(cǎi)深度對(duì)礦山巷道的礦山壓力顯現(xiàn)比較明顯。如在鬆軟巖層中開(kāi)掘巷道，隨著深度增加，巷道圍巖的“擠、壓、臌”現(xiàn)象更加嚴(yán)重。但對(duì)於回採(cǎi)工作面而言，開(kāi)採(cǎi)深度對(duì)工作面頂板壓力大小的影響並不突出。開(kāi)採(cǎi)深度增加後，巖體內(nèi)積蓄的能量急劇增加，所以對(duì)於有衝擊礦壓危險(xiǎn)的礦井，發(fā)生衝擊礦壓的次數(shù)和強(qiáng)度將上升。5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5.4煤層傾角的影響

實(shí)際觀測(cè)表明，煤層傾角對(duì)回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的影響很大。一般說(shuō)來(lái)，隨著煤層傾角增加，頂板下沉量將逐漸減小。眾所周知，急斜工作面的頂板下沉量比緩斜工作面要小得多。

5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

當(dāng)回採(cǎi)工作面沿傾斜方向推進(jìn)時(shí)，即傾斜長(zhǎng)壁回採(cǎi)工作面，開(kāi)採(cǎi)後上覆巖層破斷巖塊間相互咬合狀況如下圖所示Ta+RaRaθθ+βαQaβ5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

5.5影響回採(cǎi)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素

6.1基本概念

回採(cǎi)工作面是地下移動(dòng)著的工作空間，為了保證生產(chǎn)工作的正常進(jìn)行與礦工的安全，必須對(duì)它進(jìn)行維護(hù)。工作空間維護(hù)一方面是維護(hù)直接頂，另一方面又要控制老頂?shù)幕顒?dòng)規(guī)律，對(duì)老頂?shù)目刂剖峭ㄟ^(guò)直接頂巖層進(jìn)行的。在維護(hù)空間位置來(lái)講，對(duì)回採(cǎi)工作面頂板控制包含對(duì)回採(cǎi)空間的支護(hù)以及對(duì)采空區(qū)的處理，采空區(qū)處理的具體措施則對(duì)老頂?shù)幕顒?dòng)起著明顯的影響。

控制采場(chǎng)礦山壓力的一個(gè)基本方法就是回採(cǎi)工作面支架?；貟?cǎi)工作面支架是平衡回採(cǎi)工作面頂板壓力的一種構(gòu)築物，由於回採(cǎi)工作面支架形成的構(gòu)築物必須與開(kāi)採(cǎi)後形成的上覆巖層大結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，回採(cǎi)工作面支架必須具備以下兩個(gè)特性：一是必須具備一定的可縮性；二是必須具有良好的支撐性能。