采场顶板活动规律

矿山压力与岩层控制第三章采场顶板活动规律目录第一节几个概念第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说第三节直接顶的垮落第四节老顶的断裂形式第五节老顶的初次断裂步距第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定第七节老顶断裂时在岩体内引起的扰动第一节几个概念回采工作面（采场）顶板底板采空区在煤层或矿床的开采过程中，直接进行采煤或采有用矿物的工作空间直接顶伪顶老顶直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。随回柱放顶而垮落，页岩、砂页岩等位于煤层和直接顶之间，厚度小于0.3～0.5m，随采随冒。炭质页岩、泥质页岩等。位于直接顶之上，对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾岩等。序号岩性层厚/m容重/kg·m-3抗压强度/MPa1砂质泥岩32760182泥岩22760183粗砂岩162670504泥岩52260205炭质泥岩0.718501566#煤41400107砂质泥岩10276021采空区处理方法:(a)刀柱(留煤柱);(b)顶板缓慢下沉法;(c)充填法;(d)全部垮落法根据实测，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层重量的百分之几。这是因为上覆岩层形成了“大结构”，这种大结构能够承担上覆岩层重量，从而起到对回采工作面的保护作用。全部垮落法回采工作空间的变化第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说在前后拱脚间形成了一个减压区，回采工作面的支架只承受压力拱内岩石的重量。一、压力拱假说该假说认为，由于岩层自然平衡的结果而形成一个前拱脚（支撑点）在工作面前方煤体，后拱脚（支撑点）在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。前拱角后拱角此假说认为，工作面和采空区顶板可视为一端固定于煤壁前方岩体内，另一端处于悬伸状态的梁，悬臂梁弯曲下沉后，受到已垮落岩石的支撑，当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。二、悬臂梁假说该假说认为，工作面支架存在两种工作状态：给定载荷状态；给定变形状态。三、铰接岩块假说此假说认为，采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者的差别在于，裂隙带岩块间存在有规律的水平挤压力的联系，从而相互铰合而形成一条多环节的铰链。此假说认为，在采场周围存在应力降低区，应力增高区和采动影响区，并随工作面推进而向前移动。采动岩体形成各种裂隙，从而形成假塑性梁。四、预成裂隙假说“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：五、砌体梁力学模型1.采动上覆岩层的岩体结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层；可将上覆岩层划分为若干组，每组以坚硬岩层为底层；其上部的软弱岩层可视为直接作用于骨架上的载荷，同时也是更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层。2.随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层在裂缝带内将断裂成排列整齐的岩块，岩块间将受水平推力作用而形成铰接关系。岩层移动曲线的形态经实测呈开始为下凹、而后随工作面的推进逐渐恢复水平状态的过程，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。若曲线下凹，则铰接点位置在岩块断裂面的偏下部；反之，则在偏上部。如果在回采空间以及邻近的采空区上方出现明显的离3.由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两层骨架间的联结能用可缩性支杆代替。4.当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位置时，岩块间的剪切力趋近于零，此时的铰接关系可转化为水平连杆联结关系。5.最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化。第三节直接顶的垮落2、直接顶初次垮落距1、直接顶初次垮落3、直接顶垮落后的碎胀特性形成充满采空区所需直接顶厚度为：直接顶的垮落高度超过1～1.5m，范围超过全工作面长度的一半。直接顶的第一次大面积垮落老顶的最大挠度为：直接顶的最大挠度为：不形成离层的条件为：若令q1=γh3，且h3＝α·h1则上式可改写为：yhqLEJmax111411384·()maxyhLEJn··14223842241114111384384JELhJELqh·1111222aEhEh··hhEEa11211·4、直接顶初次垮落前的离层若考虑到初次放顶前支架支撑力的作用，则不致于形成离层的条件为：P——支架单位面积初撑力。2241114131384)(384JELphJELhh·hhEJhpEJ131122粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易于形成直接顶与老顶间离层。为了防止直接顶因离层产生推垮事故必须保证支架具有一定的初撑力：直接顶和老顶间发生离层图2-6利用红外钻孔探测仪观测到的顶板离层裂隙20m0.5m0.5m20m4煤炭质泥岩泥岩中细砂岩（3煤顶板）10m切眼钻孔位置图红外钻孔摄像机一、老顶岩层的梁式平衡概念:1．初次垮落距2．膨胀系数KP、残余膨胀系数K'P老顶初次垮落前岩体结构图第四节老顶的断裂形式Δ＝Σh＋M－Kp·Σh＝M－Σh(Kp－1)当Δ＝0时，老顶弯曲下沉较小因此形成充满采空区所需直接顶厚度为：当Δ0时，老顶呈悬露状态，类似板状结构。即所谓“梁”的假说。hMKP1分析这种梁的应力状态老顶岩梁受力分析对称梁，所以：R1＝R2，弯矩M1＝M2。取ΣFy＝0，则任意截面D－D'，剪力为：所以:RRqL122QRqxqLxLx1212QRRqLmax122固定梁任意截面D－D'的弯矩为：在梁的两端(x＝0；Ｌ)，Mmax＝；在梁的中部(x＝)，M＝qL2。222211661212222LxLxqqLxqxqLMxqxxRMx···qL212L2124若为简支梁：此时，剪力相同，但弯矩不同。即：此时，Mmax在梁的中间，即：MRxqxxqxLxx122··MqLqLqLmax222488二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式根据开采条件及采区边界煤柱的大小，可将老顶岩层假设为：a)四周固支；b)三边固支一边简支；c)两边固支两边简支；d)一边固支及三边简支。图3–5老顶岩层支撑条件的简化图3–6各类支撑条件下的弯矩分布（1）以四边固支的板为例，老顶岩层X形破坏形成过程：（2）当采场处于一边采空的条件下(该边作为简支条件)，其破断规律与四周固支时相近。（3）当老顶岩层处于两边简支两边固支时如下：长边出现裂缝→工作面推进→长边另出现裂缝(原裂缝闭合)→短边出现裂缝→裂缝贯通，板中央出现X形破坏。（4）当工作面处于三边采空时，老顶岩层的破断过程与上述情况相仿。老顶板横“O-X”型破断形式第五节老顶的初次断裂步距两端固支梁极限跨距：初次断裂步距老顶达到初次断裂时的跨距。按材料力学方法可求得老顶梁式断裂步距。一、梁式断裂时的极限跨距两端固支梁极限跨距：按抗拉强度按抗剪强度两端简支梁极限跨距：按抗拉强度qRhLTlT2qRhLTlT32qhRLSlS34按抗剪强度qhRLSlS34举例：设h＝4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174Kpa按抗拉：按抗剪：固支梁破断距为36m破断距为1005m简支梁破断距为29m老顶承受载荷q计算二、老顶板断裂的极限跨距老顶初次破断前板的边界支撑条件：（1）四周均为实体煤固支的板；（2）一边采空区或断层简支、三边固支的板；（3）两邻边简支、两邻边固支的板；（4）三边简支、一边固支，俗称孤岛工作面条件下的板。老顶板断裂步距与边界支撑条件有关。a＝lm·ωlm－老顶的步距准数ω－边－长系数对四周固支板1.支撑条件对断裂步距影响λ＝a/bb－工作面长度ω1≥ω2≥ω3≥ω4√2/321411112.工作面长度对断裂步距影响以四边固支为例（1）b3lm时，a≈lm。说明工作面长度对破断步距影响甚微。（2）3lm≥b√2lm时，则lma√2lm。说明随工作面长度缩短，步距显著增大。老顶破断呈横“o－x”型。（3）b＝√2lm时，则a＝√2lm＝b。老顶呈正“o－x”破断，即“见方垮落”。（4）lmb√2lm时，则a√2lmb。初次破断步距大于工作面长度，老顶呈竖“o－x”型破断。（5）blm时，老顶稳定不垮落，即形成短壁开采工作面或巷道的情形。第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析一.老顶初次断裂后的“砌体梁”平衡1、结构的滑落失稳若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：可见是否产生滑落失稳主要取决于老顶破断岩块的高长比。高长比越小，结构抗滑落失稳的能力越大。一般情况下，φ=38°~45°，tanφ=0.8~1.0。因此，要防止老顶初次破断后“砌体梁”结构产生滑落失稳岩块的高长比要小于0.4~0.5，即岩块长度要大于2~2.5倍岩块厚度。若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角θ，满足不滑落失稳的条件为：对于图3-24(a)，当θ≥φ时，不论水平推力T有多大，都不能取得平衡。2、结构的变形失稳在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。二.“砌体梁”全结构模型的受力分析此结构的特征为：1.离层区悬露岩块的重量几乎全由前支承点2.岩块B与C间剪切力接近于零，因而此处相3.此结构的最大剪切力发生在岩块A与B之间，等于岩块B4.此结构中第一、二断裂岩块即B与C对结构平衡起关键作用，是结构中的关键块。形成“砌体梁”结构必须具有的水平力为：可见，hi越厚，si0越小，则形成此结构所要求的Ti力也越小。当si0=hi时，Ti→∞。这种结构无法形成。因此，上覆岩层中，只有具有一定厚度的岩层(大于下沉量Si0）才能形成此结构。si0小的含义反映了以下几种情况：直接顶较厚；采空区采用充填法处理；采高较小的煤层；离开煤层距离较远的岩层。按滑落失稳条件，得到岩块长度与厚度的关系为：根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下矿山压力现象做出解释：1.老顶岩块的滑落失稳是工作面顶板出现台2.煤壁上方老顶剪切力最大是工作面顶板沿煤壁切落的原因；3.上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆盖层重量的原因，并由此可以分析工作面支架4.采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采5.工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。第七节老顶断裂时在岩体内引起的扰动老顶岩层可视为夹持在上下软岩层间的弹性地基梁或弹性地基板，近似满足Winkler弹性地基假定。kyp通过老顶弹性地基梁求解发现，在岩层断裂时，老顶在部分区域岩层将发生“上升”，而在另一部分区域老顶岩层对直接顶进一步“压缩”。前者称为“反弹”现象，其区域称“反弹”区；后者则称为“压缩”现象，其区域称为“压缩”区。老顶破断的“反弹”与“压缩”现象的意义：利用在工作面上下巷道中的“反弹”与“压缩”信息来预测老顶岩层的断裂和来压。