采場支承壓力分布規律研究

摘 要:煤層采出后，會出現煤層壓縮破壞、相鄰不為頂板相對移動及綜采支架受力變形支承壓力顯現情況。正確的分析支承壓力的分布和變化規律有利于在實際生產中有針對性的采取支護措施，為煤礦生產安全提供理論幫助。本文在現場觀測的基礎上對采場支承壓力的分布規律進行了研究。

關鍵詞:支承壓力發展規律礦壓顯現

中圖分類號:TU7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0113-01

1 支承壓力與礦壓顯現

煤層采出后，在圍巖壓力重新分布的范圍內，作用在煤層、巖層和矸石上的垂直壓力稱為“支承壓力”。在支承壓力作用下發生的煤層壓縮與破壞、相應部位的頂底板相對移動以及綜采支架受力變形等現象統稱為支承壓力的顯現。支承壓力的存在是絕對的，支承壓力的顯現是支承壓力作用的結果。但在在生產現場經常會出現支承壓力大小和支承壓力顯現強度不一致、甚至截然相反的情況，造成這一情況的原因主要有以下兩個方面。

(1)煤層不同部位的支承壓力往往有很大的差別，這是由于相應部位巖層的破壞情況和邊界條件不同所致。

(2)由于作為荷載的上覆各巖梁所處位置和強度的差別，再加上在采場推進過程中出露情況和邊界條件的改變有先有后，其運動狀態及向兩支承端傳遞力的變化一般都是非同步的。

綜上所述，可以看出，在既定的開采強度條件下，煤層上支承壓力分布和在工作面巷道中的顯現以及兩者間的關系等是由上覆巖層的狀態和煤體本身各處的支承能力所決定的。因此，了解煤層受力分布狀態及其破壞狀態的發展過程，搞清上覆巖層運動規律，就有可能對支承壓力的分布和顯現規律作出正確的判斷。

2 采場推進過程中支承壓力的發展規律

通過對工作面超前支護范圍內的單體支柱壓力進行監測和分析，結合礦山壓力與巖層控制的理論研究成果，可以發現，從采場推進開始至老頂各巖梁一次來壓結束期間的支承壓力分布及其顯現的變化可以劃分為以下三個階段:

(1)第一階段:從采場推進開始至煤壁支承能力改變之前，即煤壁附近煤體進入塑性狀態。在此階段，隨著采場的推進，通過處于相對穩定狀態的老頂巖梁傳遞至煤層上的壓力將逐漸增加，但是，由于各點的壓力沒有達到煤體的破壞極限，因此，包括煤壁在內的整個煤層都處于彈性壓縮狀態，支承壓力的分布曲線是一條高峰在煤壁處的單調下降曲線。

(2)第二階段:從煤壁支承能力開始改變起，到老頂巖梁端部斷裂止。

進入此階段，靠近煤壁附近的應力值達到了煤層的強度極限，隨著煤體的破壞，其支承能力開始降低，這一趨勢隨著采場的推進和巖梁懸跨度的增加將會逐漸向煤壁前方擴展。與此同時，巖層沉降幅度逐漸增大，由巖梁跨度中部開始的離層現象也將向兩端擴展。一旦老頂巖梁的作用力超過下部煤層的支承能力，離層就要深入煤壁前方并繼續向前伸展。在此階段，壓力顯現分布規律與壓力的分布規律不盡相同，壓力顯現總體上仍是一條高峰在煤壁附近的單調下降曲線，但與壓力分布相對照可以知道，在彈性區，壓力顯現與壓力分布相一致，而在塑性區，兩者分布的變化趨勢則完全相反。

(3)第三階段:從老頂巖梁端部斷裂起至巖梁中部觸矸止。

在此階段中，支承壓力分布及顯現隨老頂巖梁“顯現運動”的發展而明顯變化，其主要特征是:

①巖梁端部斷裂前夕，在斷裂線附近伴有壓力的集中。

②巖梁斷裂結束時，以斷裂線為界將支承壓力分布明顯地分為兩個部分，即在斷裂線與煤壁之間由已斷裂巖梁自重所決定的“內應力場”，以及在斷裂線外由上覆巖層整體重量所決定的“外力應場”，兩應力場中的應力分布沒有密切的聯系。

③兩應力場形成后，隨著工作面的推進，各自的應力高峰以斷裂線為界向相反的方向發展，即呈“背向”轉移變化。內應力場中的支承壓力隨工作面的推進，巖梁再次斷裂，壓力高峰逐漸增加，峰值位置逐漸移向煤壁，形成壓力的“收縮”，直至巖梁中部觸矸，壓力峰值降到最低值為止。與此相反，外應力場中的支承壓力高峰區隨采場推進和巖梁斷裂線附近煤體破壞的發展，壓力高峰逐漸降低，峰值作用位置逐漸移向前方形成壓力的“擴展”，一直到煤體的支承能力與壓力高峰作用相抗衡為止。

3 支承壓力分布和顯現的周期性變化規律

采場進入正常推進階段后，支承壓力分布和顯現的主要特點是，伴隨著上覆巖層的周期性運動而呈周期性變化。在采場推進過程中，伴隨著巖梁的每一次周期性運動，支承壓力分布和顯現的發展，包含了以下兩個過程:

(1)相對穩定的發展過程

該過程從上一次巖梁運動結束，到工作面推進至該巖梁端部再次斷裂的前夕。此時，隨工作面推進內應力場范圍不斷縮小。由于巖梁的周期性運動已經結束，其作用力主要由鉸接點處的摩擦阻力和矸石的反力相平衡，所以，內應力場中煤層上所承受的壓力很小。在該發展過程中，對于隨工作面推進而前移的外應力場，其支承壓力分布范圍將因內應力場范圍的縮小、水平約束阻力的降低而逐漸擴大，即塑性區范圍向前伸展，直到該巖梁再次斷裂前夕達最大值為止。

在此過程中，支承壓力大小和分布的變化都是漸進的、均衡的，在巷道和工作面附近，支承壓力顯現的變化也是平緩和比較均勻的。

(2)顯著變化的發展過程

這個過程從巖梁斷裂前夕開始，直至老頂巖梁運動結束。在此過程中，隨著巖梁運動狀態的明顯變化，支承壓力分布和顯現將急劇變化。支承壓力分布的變化主要包括:巖梁斷裂時，在斷裂部位應力集中;斷裂結束后，斷裂線附近的應力下降，并迅速向兩側轉移，支承壓力分布明顯的分為內、外兩個應力場。隨著工作面的推進和巖梁回轉運動的加速，內應力場中的壓力高峰向煤壁方向轉移，外應力場中的應力向縱深發展，直到巖梁觸矸、壓力降低到最小值為止。

與支承壓力分布的急劇變化相適應，支承壓力顯現也將發生急劇的變化，其變化的發展趨勢與支承壓力分布的變化趨勢相對應。主要顯現包括在巖梁斷裂部位壓力強化時刻的頂底板移近加速、巖梁斷裂出現后在斷裂線部位頂底板移近的停滯和回彈(即位移增量出現負值)以及隨后的內應力場中頂底板移近加速部位向煤壁前方轉移、外應力場中頂底板移近加速部位重新向前方擴展等。這些明顯的變化是生產現場預測周期來壓、推斷支承壓力特別是壓力高峰轉移位置的重要依據。