矿山压力与岩层控制之第三章

《矿山压力与岩层控制》之第三章采场上覆岩层运动和发展的基本规律山东科技大学资环学院资源工程系本章提要本章特点学习难点•有较多的基本概念•有较多的基本规律矿岩层运动和破坏形式的判断方法岩层纵向组合运动的分析方法岩层推进方向岩层运动各阶段的参数特点•上覆岩层运动和破坏的基本形式•上覆岩层在推进方向上的运动规律•上覆岩层纵向运动发展的基本规律•上覆岩层运动参数的确定P1§3.1上覆岩层运动和破坏的基本形式3.1.1上覆岩层运动的两种基本形式3.1.3上覆岩层破坏形式的判断3.1.2岩层运动发展至破坏的力学条件3.1.4岩层破坏形式的转化§3.3上覆岩层在推进方向上的运动规律§3.4上覆岩层运动参数的确定§3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律P23.1.1上覆岩层运动的两种基本形式一弯拉破坏的运动形式1运动过程上覆岩层悬露如图3.1（a）在其重力作用下弯曲如图3.1（b）端部开裂如图3.1（c）形成“假塑性岩梁”如图3.1（d）自行跨落如图3.1（e）P3milihlo（b）（a）（c）（d）P4（e）岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。即：ttmax（3.1）2力学条件图3.1弯拉破坏的运动形式P5二剪（切）断破坏的运动形式弯曲变形端部开裂（图3.3（a））整体切断跨落（图3.3（b））1运动过程P6lo（a）（b）图3.2剪切运动的基本形式P72剪断的充要条件当采场推进至岩梁端部开裂位置附近，剩余抗剪断面上的剪应力超过限度，虽其中部还未裂开，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。3显现特点动压冲击支架阻力不够顶板沿煤壁切下如图3.3（a）台阶下沉如图3.3（b）P8(a)(b)（a）(a)(b)（b）图3.3剪断运动形式对工作面的威胁P93.1.2岩层运动发展至破坏的力学条件悬跨度达到极限跨度中部裂断弯拉破坏深入煤壁的两端部断裂力学过程弯坏的力学过程，就是其支承条件由双嵌固梁向简支梁发展的过程。如图3.4（a）（b）P10q1=m1r1qLo212242qLoqLo28h1ABLo(a)q2=mir1AOB(b)ni=1Om图3.5岩梁的支承条件与弯距a-嵌固状态;b-简支状态P11①工作面推进至岩梁悬跨度达极限值L0时，梁端弯矩MA为：122021LqqMA当梁端部的拉应力A为：（3.12）悬露岩层由弯曲发展至破坏的力学过程和条件为tAALmqqmLqqWM2022122021268)(P12tAmL220（3.13）当悬露岩层上部存在较为软弱的岩层时，则形成由不同岩性的岩层组成下硬上软的组合岩梁，其端部裂断时的拉应力A为：20212)(LmmmniiAγ当悬露岩层上部无比其软弱岩层时，该岩层只受本身重力的作用，其端部裂断时的拉应力可按下式计算（3.14）P13式中m—强度高的下部支托层厚度，m；im—随支托层同时运动上部较软弱的岩层的厚度，m。②在梁端部开裂发展的过程中，随着端部弯矩减少，梁的中部弯矩将逐渐增加；随着支承条件向简支梁的转化，中部弯矩将向接近2214)(3oniioLmmm的数值发展。P14③在嵌固梁向简支梁转化的过程中，当岩梁中部拉应力达到20212)(Lmmmniiγ时，中部必然拉开，岩梁发展至跨落或保持“假塑性岩梁”状态。④岩梁端部和中部开裂的力学条件应为A0][t=≥为了便于应用，其力学条件可用岩梁悬露的极限跨度L0表示。（3.15）)(][2120niitmmmLP15当=0，即单一岩层弯曲破坏时，][20tmL（3.16）][tniim1显然，L0值随岩梁厚度m、允许抗拉强度的增加而增大，随的增加而减小。支托层上的软岩厚度岩梁剪坏的力学过程①当岩梁悬跨度达到极限跨度0L时，梁端因拉应力超限而开裂；岩层剪坏的力学过程和条件P16②当工作面煤壁推至开裂位置或构造断裂面附近，在梁中部拉应力的大小仍未达到超限的情况下，由于悬露岩层端部残余抗剪断面不足，其剪应力超限，造成岩层沿工作面煤壁附近整体切断而跨落。如果工作面支护有较高的支护强度，岩层将沿放顶线切下。悬露岩层剪坏的力学条件是：][max梁端抗剪断面上的最大剪应力为：SQ23maxmax最大剪应力Qmax和抗剪端面面积S分别为：2)(2)(121maxniGiLmmLqqQGccmmS1P17整理得以岩层悬露跨度表示的剪坏力学条件为：niicmmmLG1)(3][4理论判断根据力学条件分析，理论上判断是很简单的。岩层的两种破坏形式是随地质和采动条件的变化而相互转化的。3.1.3上覆岩层破坏形式的判断L0LG中部被拉坏形成弯拉破坏L0≥LG端部被剪坏形成剪切断破坏3.1.4岩层破坏形式的转化P181工作面推至端部开裂位置附近弯拉破坏转变为剪断破坏提高推进速度2强制放顶剪断破坏转化为弯拉破坏排除整体切断塌垮的危险P193改变开采程序4在推进方向上LLG运动形式由弯坏转变为剪坏遇到图示的断层构造图3.6工作面前方构造断裂面对岩层运动形式的影响P20§3.1上覆岩层运动和破坏的基本形式√§3.3上覆岩层在推进方向上的运动规律§3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律3.2.1岩层运动和组合的力学分析3.2.2直接顶和基本顶3.2.3直接顶和基本顶的相互转化§3.4上覆岩层运动参数的确定P21岩层纵向运动：弯曲沉降形成假塑性岩梁发生冒落重新组合离层什么情况下发生？什么情况下几个岩层组合在一起同时运动？3.2.1岩层运动和组合的力学分析P22离层发生的位置与条件岩层的接触面或软弱夹层上取决于组合岩梁中各岩层的弯曲刚度和各夹层的强度离层位置剪应力超限tanncP23岩层纵向运动的基本趋势岩层的运动发展趋势是由下而上的传递岩梁形成的力学原理传递岩梁★把每一组同时运动（或近乎同时运动）的岩层看成一个运动整体，称为传递力的岩梁，简称“传递岩梁”。P243311mHm1m2m2ABCLkL1L2L3LnLn-1A1A2A3An-1An图3.9上覆岩层运动情况A-冒落带B-裂隙带C-缓沉带P25思考相邻的两岩层是同时运动组成一个岩梁，还是分开运动形成两个岩梁呢？回答用两个岩层沉降中最大曲率和最大挠度判断。准则：下上maxmax下上maxmax两岩层组合成一个传递岩梁同时运动，如图3.10（a）所示P26下上maxmax下上maxmax两岩层将形成两个传递岩梁分别单独运动，如图3.10（b）所示P27L1L2=0.8L1L3=0.8L2Lω2ω1ω2ω1图3.10传递岩梁的形成（a）（b）P28最大挠度和曲率2432maxEmL222maxEmL嵌固梁简支梁24325maxEmL2223maxEmL通式表达2432EmL222EmLP29两岩层在外载（上部岩重）作用下的运动组合分析L上=L下=LE下m下2E上m上2E下m下2E上m上2上下两岩层同时运动上下两岩层分开运动且下部岩层先运动P30两岩层在自重作用下弯曲沉降分析L下=1.25L上由E下m下2=(1.25)4E上m上2判断E相同m下m上m下m上E下E上下部先运动只有当m下21.254m上2时才同时运动下部先运动P31只有当E下1.254E上同时运动m,E都不相同E下m下21.254E上m上2同时运动E下m下21.254E上m上2分开运动m相同E下=E上，m下=m上下部先运动P32岩层纵向运动发展规律1随采场推进，岩层悬露达一定跨度弯曲沉降到一定值后，强度低的软弱夹层或接触面在轴向剪应力作用下破坏，发生离层，并为下部岩层的自由沉降和运动向上部岩层发展创造了条件。4岩层的厚度较之岩性对岩层的离层和运动组合的影响重要的多。2岩层的纵向运动总趋势大体上是由下而上发展的。3离层后上下岩层的运动组合情况由岩层的强度差别决定，上部岩层强度较下部岩层越高，下部岩层越先于上部岩层运动，上部岩层运动滞后的时间越长。相反，则同时运动。P33直接顶——所谓直接顶是指在老塘（采空区）内已跨落，在采场内由支架暂时支撑的悬臂梁，其结构特点是在采场推进方向上不能始终保持水平力的传递。如图3.11（a）所示。基本顶——是指运动时对采场矿压显现有明显影响的传递岩梁的总合，在初次来压后，是一组在推进方向上能始终传递水平力的不等高裂隙梁。如图3.11（b）所示。()(a)（a）直接顶（b）基本顶3.2.2直接顶和基本顶P343.2.3直接顶和基本顶的相互转化实践证明，可能造成直接顶和基本顶两部分岩梁转化的原因，主要有以下几个方面：（1）地质条件的变化，主要是岩层厚度和断层等构造的影响。（2）采动条件的变化，主要是采高和推进速度的变化。（3）改变采空区顶板处理方法。（4）改变开采程序。P35§3.1上覆岩层运动和破坏的基本形式√§3.3上覆岩层在推进方向上的运动规律§3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律√3.3.1采场上覆岩层运动的两个发展阶段3.3.2岩层运动的发展过程3.3.3影响岩层运动发展的因素§3.4上覆岩层运动参数的确定P36(a)hmZmEbo?ho'LK(b)SACoLoA=Loi?ho1ao?ho图3.12采场上覆岩层运动3.3.1采场上覆岩层运动的两个发展阶段初次运动阶段从岩层由开切眼开始悬落,到对工作面有影响的一、二个传递岩梁第一次断裂运动结束为止。（如图3.12（a）、（b））P37(e)(f)(d)(c)c1b2?h'c2?hAa2L1LA=C1?hAa1?hiL'b1?h'图3.12上覆岩层运动周期性运动阶段从岩层初次运动结束到工作面采完，顶板岩层按一定周期有规律的断裂运动，称做周期性运动阶段（如图3.12（c）~（f））。P383.3.2岩层运动的发展过程图3.12中a、c、e我们把岩梁运动幅度较小，对采场矿压影响不明显的过程称为岩梁处于相对稳定过程。用相对稳定运动步距b表示。即岩梁处于相对稳定状态时工作面推进的距离图3.12中b、d、f岩梁运动幅度大，对采场矿压有明显影响的过程,称为岩梁处于显著运动过程,既通常所说的来压过程。用显著运动步距a表示,即岩梁大幅度运动开始,到运动基本结束相对稳定阶段显著运动过程P39为止,工作面推进的距离。岩梁经历一次相对稳定过程与显著运动的全过程就完成了一个周期,描述岩梁运动周期长短的参数时周期来压步距C,是指岩梁完成一次周期性运动工作面所推过的距离。c=a+ba-岩梁的显著运动步距,b-岩梁的相对稳定步距.来压步距是反映岩梁强度特征和对工作面影响程度的重要参数。岩梁来压步距P403.3.3影响岩层运动发展的因素岩层的强度特征采动条件采高、推进速度。内在因素力学性质厚度节理裂隙分层厚度σtτ厚薄大小P41强制放顶、充填（全部充填、局部充填）。采空区处理方法3.3.4岩梁运动的基本参数初次运动阶段的基本参数000bac1表达岩梁运动过程的基本参数①岩梁的相对稳定步距b0②岩梁的显著运动步距a0③岩梁初次来压步距c0P42①来压完成时刻采场顶板下沉量给定变形(支架对岩梁运动不进行限制)：有关与zmhChA000AzOAAzKA1)-Km-h2L1)-Km-hLCLhKo（（2表达岩梁来压结束时刻岩梁位置状态的参数C0---初次来压步距,h-----采高;----冒高zm限定变形(支架对岩梁运动进行限制)：用△h0表示，由支护强度PT决定。P430AzOAAzKA1)-Km-h2L1)-Km-hLCLhKo（（②来压结束时的岩梁跨度给定：LOA(来压结束时的岩梁跨度)表示，大小由岩梁运动步距决定。限定：L0表示，由支护强度决定。②采场最小顶板下沉量△h0´。3表达岩梁来压前夕的位态参数①岩梁的最大跨度L0‘=b0(岩梁的相对稳定步距)P44正常推进阶段基本参数iL1)