《采场顶板活动规律》PPT课件.ppt

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1、第三章第三章 采场顶板活动规律采场顶板活动规律第一节第一节 概述概述r回采工作面（采场）回采工作面（采场）r顶板与底板顶板与底板r采空区采空区r采空区处理方法采空区处理方法:(a):(a)刀柱刀柱(留煤柱留煤柱);(b);(b)顶板缓顶板缓慢下沉法慢下沉法;(c);(c)充填法充填法;(d);(d)全部垮落法全部垮落法r根据实测，回采工作面支架所承受的力仅为上根据实测，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。覆岩层重量的百分之几。r这是因为上覆岩层形成了这是因为上覆岩层形成了“大结构大结构”，这种大，这种大结构能够承担上覆岩层重量，从而起到对回采结构能够承担上覆岩层重量，从而起到对

2、回采工作面的保护作用。工作面的保护作用。前前拱拱脚脚后后拱拱脚脚第二节第二节 采场上覆岩层活动规律的假说采场上覆岩层活动规律的假说一、压力拱假说一、压力拱假说r前拱脚在工作面前方煤体；前拱脚在工作面前方煤体；后拱脚在采空区内已垮落的后拱脚在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。矸石上或采空区充填体上。r回采工作面的支架只承受压回采工作面的支架只承受压力拱内岩石的重量。力拱内岩石的重量。r假说认为，工作面和采空区顶板可视为一端固定于煤假说认为，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

3、的支撑，当悬伸长度很大曲下沉后，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。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r该假说认为，工作面支架存该假说认为，工作面支架存在两种工作状态：给定载荷在两种工作状态：给定载荷状态；给定变形状态。状态；给定变形状态。三、铰接岩块假说三、铰接岩块假说r假说认为，采场上覆岩假说认为，采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，层分为垮落带和裂隙带，二者的差别在于，裂隙二者的差别在于，裂隙带岩块间存在有规律的带岩块间存在有规律的水平挤压力的联系，从水平挤压力的联系，从而相互铰合而形成一条而相互铰合而形成一条多环节的铰

4、链。多环节的铰链。r此假说认为，在采场周围存在应力降低区，应力增高区和此假说认为，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。各种裂隙，从而形成假塑性梁。四、四、预成裂隙假说预成裂隙假说五、砌体梁假说五、砌体梁假说r采动上覆岩层中的坚硬岩层为岩体结构的骨架，并以采动上覆岩层中的坚硬岩层为岩体结构的骨架，并以此分组；软弱岩层视为载荷和垫层。此分组；软弱岩层视为载荷和垫层。r采空区上方坚硬岩层断裂形成铰接关系。如有离层，采空区上方坚硬岩层断裂形成铰接关系。如有离层，则该区内断裂

5、的岩块可以形成悬露结构。则该区内断裂的岩块可以形成悬露结构。r由于垫层传递剪切力的能力较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弱，因而两层骨架间的联结能用可缩性支杆代替。用可缩性支杆代替。r当骨架层的断裂岩块回转恢复当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位置时，岩块间的剪到近水平位置时，岩块间的剪切力趋近于零，此时的铰接关切力趋近于零，此时的铰接关系可转化为水平连杆联结关系。系可转化为水平连杆联结关系。r最上层为表土冲积层，可将其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上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化。

6、将随垫层的压实程度而变化。第三节第三节 直接顶的垮落直接顶的垮落r直接顶初次垮落：直直接顶初次垮落：直接顶的第一次大面积接顶的第一次大面积垮落。垮落高度超过垮落。垮落高度超过1 1，范围超过面长，范围超过面长的一半。用垮落步距的一半。用垮落步距来衡量。来衡量。r直接顶垮落后的碎胀特性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：形成充满采空区所需直接顶厚度为：直接顶初次垮落前的离层直接顶最大挠度直接顶最大挠度老顶最大挠度老顶最大挠度不离层条件不离层条件r当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易于形成直接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

7、生推垮事故顶与老顶间离层。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：必须保证支架具有一定的初撑力：第四节第四节 老顶的断裂形式老顶的断裂形式一、老顶的梁式断裂r老顶两端固支梁受力分析老顶两端固支梁受力分析二、老顶的板破断二、老顶的板破断r一般老顶岩层可视为薄板，按薄板的一般老顶岩层可视为薄板，按薄板的MarcusMarcus简算法对板简算法对板的破断进行分析。的破断进行分析。r老顶板竖老顶板竖“O-X”O-X”型破断形式型破断形式r老顶板横老顶板横“O-X”O-X”型破断形式型破断形式第五节第五节 老顶的初次断裂步距老顶的初次断裂步距一、梁式断裂时的极限跨距一、梁式断裂时的

8、极限跨距r两端固支梁极限跨距：两端固支梁极限跨距：按抗拉强度按抗拉强度按抗剪强度按抗剪强度r两端简支梁极限跨距：两端简支梁极限跨距：按抗拉强度按抗拉强度按抗剪强度按抗剪强度举例举例：设h4，Rs=33MPa，RT=7MPa，q=174KPa按抗拉：按抗拉：按抗剪：按抗剪：固支梁 破断距为 36m破断距为1005m简支梁 破断距为 29mr老顶承受载荷老顶承受载荷q q计算计算二、老顶板断裂的极限跨距二、老顶板断裂的极限跨距r老顶板初次断裂步距的通用表达式：老顶板初次断裂步距的通用表达式：式中：式中：lm老顶的步距准数；老顶的步距准数；i“边长边长”系数系数r对四周固支板对四周固支板支撑条件对断

9、裂步距影响支撑条件对断裂步距影响a/bb b工作面长度工作面长度工作面长度对断裂步距影响工作面长度对断裂步距影响rb3lm时，时，alm。面长对破断步。面长对破断步距影响甚微。距影响甚微。r3lmlm时，则时，则lmlm。说明随面长缩。说明随面长缩短，步距显著增大。而极限悬短，步距显著增大。而极限悬露面积先减小后增大，老顶破露面积先减小后增大，老顶破断呈竖断呈竖“ox”型。型。rblm时，极限悬露面积达到极时，极限悬露面积达到极大值，老顶呈正大值，老顶呈正“ox”破断，破断，即即“见方垮落见方垮落”。rlmlm时，时，lm b。初次破断步距。初次破断步距大于工作面长度，老顶呈横大于工作面长度，

10、老顶呈横“ox”型破断。型破断。rblm 时，老顶稳定不垮落，即时，老顶稳定不垮落，即形成短壁开采工作面或巷道的形成短壁开采工作面或巷道的情形。情形。来压步距的推广换算法来压步距的推广换算法第六节第六节 老顶断裂后的老顶断裂后的“砌体梁砌体梁”结结构及其稳定性分析构及其稳定性分析一、老顶初次断裂后的一、老顶初次断裂后的“砌体梁砌体梁”平衡平衡1 1、结构的滑落失稳、结构的滑落失稳r若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：r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。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

11、力越大。高长比越小，结构抗滑落失稳的能力越大。r一般情况下，一般情况下，=3845，tan=0.81.0。因此，要防。因此，要防止老顶初次破断后止老顶初次破断后“砌体梁砌体梁”结构产生滑落失稳岩块结构产生滑落失稳岩块的高长比要小于的高长比要小于0.40.5，即岩块长度要大于，即岩块长度要大于22.5倍岩倍岩块厚度。块厚度。r若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角，满足不滑落失稳的条件为：满足不滑落失稳的条件为：对于图对于图3-24(a)，当，当时，不论水平推力时，不论水平推力T有多大，都不能有多大，都不能取得平衡。取得平衡。2 2、结构的变形失稳、结构的变形失稳r

12、在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该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。回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。二、二、“砌体砌体梁梁”全全结构模结构模型的受型的受力分析力分析r离层区悬露岩块的重量几乎全由前支承点承担；离层区悬露岩块的重量几乎全由前支承点承担；r岩块岩块B与与C间剪切力接近于零，因而此处相当于岩块咬合间剪切力接近于零，因而此处相当于岩块咬合形成半拱的拱顶；形成半拱的拱顶；r此结构的最大剪切力发生在岩块此结构的最大剪

13、切力发生在岩块A与与B之间，等于岩块之间，等于岩块B本身的重量及其载荷；本身的重量及其载荷；r此结构中第一、二断裂岩块即此结构中第一、二断裂岩块即B与与C对结构平衡起关键作对结构平衡起关键作用，是结构中的关键块。用，是结构中的关键块。此结构的特征为：此结构的特征为：形成形成“砌体梁砌体梁”结构的水平力为：结构的水平力为：r可见，可见，hi 越厚，越厚，si0 越小，则形成此结构所要求的越小，则形成此结构所要求的Ti力也越力也越小。小。r当当si0=hi时，时，Ti。这种结构无法形成。因此，上覆岩层。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中，只有具有一定厚度的岩层(大于下沉量

14、大于下沉量si0）才能形成）才能形成此结构。此结构。r老顶岩块的滑落失稳是工作面顶板出现台阶以及有时地表下老顶岩块的滑落失稳是工作面顶板出现台阶以及有时地表下沉出现台阶的原因；沉出现台阶的原因；r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；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；r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工作阻力必须平衡的顶板压力大小由此可以分析工作面支架工作阻力必须平衡的顶板压力大小r采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采空区是工作面顶板采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采

15、空区是工作面顶板压力比较小的原因；压力比较小的原因；r工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。根据对岩体结构分析所得的结论，对以下根据对岩体结构分析所得的结论，对以下矿山压力现象做出解释：矿山压力现象做出解释：第七节第七节 老顶断裂时在岩体内引起的扰动老顶断裂时在岩体内引起的扰动r老顶岩层可视为夹持在上下软岩层间的弹性地基梁或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，近似满足弹性地基板，近似满足Winkler弹性地基假定。弹性地基假定。r通过老顶弹性地基梁求解发现，在岩层断裂时，老顶在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部分区域岩层将发生“上升上升”，而在另一部分区域老，而在另一部分区域老顶岩层对直接顶进一步顶岩层对直接顶进一步“压缩压缩”。前者称为。前者称为“反弹反弹”现象，其区域称现象，其区域称“反弹反弹”区；区；r后者则称为后者则称为“压缩压缩”现象，其区域称为现象，其区域称为“压缩压缩”区。区。r老顶破断的老顶破断的“反弹反弹”与与“压缩压缩”现象的意义：利用在工现象的意义：利用在工作面上下巷道中的作面上下巷道中的“反弹反弹”与与“压缩压缩”信息来预测老信息来预测老顶岩层的断裂和来压。顶岩层的断裂和来压。