回采工作面上覆岩层活动规律及其分析.ppt

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1、矿山压力与岩层控制第三章 采场顶板活动规律第一节第一节 几个概念几个概念回采工作面回采工作面（采场）（采场）顶板顶板底板底板采空区采空区在煤层或矿床的开采过程中，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直接进行采煤或采有用矿物的工作空间工作空间直接顶直接顶伪顶伪顶老顶老顶直接位于煤层上方的一层或几直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。层性质相近的岩层。随回柱放顶而垮落，页岩、砂随回柱放顶而垮落，页岩、砂页岩等页岩等位于煤层和直接顶之间，厚度位于煤层和直接顶之间，厚度小于，随采随冒。炭质页岩、小于，随采随冒。炭质页岩、泥质页岩等。泥质页岩等。位于直接顶之上，对采场矿山位于直接顶

2、之上，对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾岩等。岩等。序号序号岩性岩性层厚层厚/m容重容重/kgm-3抗压强度抗压强度/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

3、，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第二节 有关采场上覆岩层有关采场上覆岩层“大结构大结构”的假的假说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。前前拱拱角角后后拱拱角角此假说认为，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

4、面支架该假说认为，工作面支架存在两种工作状态：给定载存在两种工作状态：给定载荷状态；给定变形状态。荷状态；给定变形状态。三、铰接岩块假说三、铰接岩块假说 此假说认为，采场此假说认为，采场上覆岩层分为垮落带上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者的差和裂隙带，二者的差别在于，裂隙带岩块别在于，裂隙带岩块间存在有规律的水平间存在有规律的水平挤压力的联系，从而挤压力的联系，从而相互铰合而形成一条相互铰合而形成一条多环节的铰链。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、四、预成裂隙假说预成裂隙假说“砌体梁”

5、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。u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。u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。u如果在回采空间以及邻近的采空区上方出

6、现明显的离层区，说明该区内断裂的岩块可以形成悬露结构。3.由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两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。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。第三节第三节 直接顶的垮落直接顶的垮落2、直接顶初次垮落距、直接顶初次垮落距1、直接顶初次垮落、直接顶初次垮落3、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

7、厚度为：直接顶的垮落高度超过直接顶的垮落高度超过1，范围超过全工作面长度的一半。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=h3，且h3h1 则上式可改写为：4、直接顶初次垮落前的离层、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。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

8、 切眼钻孔位置图 红外钻孔摄像机一、老顶岩层的梁式平衡一、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 KP 老顶初次垮落前岩体结构图第四节第四节 老顶的断裂形式老顶的断裂形式hMKphMh(Kp1)当当0时，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：当当0时，时，老顶呈悬露状态，类似板状结构。即所谓“梁”的假说。分析这种梁的应力状态分析这种梁的应力状态 老顶岩梁受力分析对称梁，所以：R1R2，弯矩M1M2。取Fy0，则 任意截面DD，剪力为：所以:固定梁任意截面DD 的弯矩为：在梁的两端(x0；)，Mmax ；在梁的中部(x )，M qL2。若为简支梁

9、：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：二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式二、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。图图35 老顶岩层支撑条件的简化老顶岩层支撑条件的简化图图36 各类支撑条件下的弯矩分布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

10、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。老顶板横老顶板横“O-X”型破断形式型破断形式3 老顶初次破断时的极限跨距老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距 极限跨距：极限跨距：老顶岩梁达到断裂时的跨距。(初次断裂步距）图图39 岩梁上任意点的应力分析岩梁上任意点的应力分析 求解过程：梁内任一点正应力为：M该点所在断面的弯矩；y该点离断面中性轴的距离；Jz对中性轴的断面矩。取梁单位宽度，则 Jz bh3(b=1)任意点A：，（y=h/2时，最大）xy

11、 最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，即y0，(xy)max 若根据固定梁计算：若根据固定梁计算：max q2 则：当maxT时，岩层将在该处拉裂。为此，这种梁断裂时的极限跨距为：如以最大剪应力作为岩层断裂的依据，最大剪切力发生在梁的两端 Qmax (xy)max 当(xy)max达到极限强度S时，形成的极限跨距为：考虑为简支梁：考虑为简支梁：仍然(xy)max=，与固定梁计算结果相同。因此，得极限跨距与上述计算也相同。此时：当 maxRT时：在一般情况下，由于弯矩形成的极限跨距LlT要比剪切应力形成的极限跨距LlS小。因此常常按弯矩来计算极限跨距。当使用刀柱法或房柱法开采时，老顶岩层的安全

12、跨距Ls：固定梁：简支梁：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 29m确定岩层梁所承受的载荷确定岩层梁所承受的载荷q：n层岩层对第一层影响所形成的载荷(qn)1 当计算到(qn+1)1 (qn)1时，则以(qn)1作为作用于第一层岩层的单位面积上的载荷。证明：证明：Q=Q1+Q2+QnM=M1+M2Mn图图310 多

13、层梁的载荷计算图多层梁的载荷计算图 每个岩层梁在其自重下形成的曲率不同 (i 为曲率半径)各岩层组合在一起，曲率必然趋于一致。于是形成了如下的关系：即：而：由于 ，两边求积分 ，同理求积分：其中 qx=；(q1)x即为考虑到n层对第一层影响时形成的载荷，即：4 裂隙体梁的平衡裂隙体梁的平衡 破断的岩块形成水平力，从而形成摩擦力。上、下两区圆弧形破坏形成立体咬合关系。工作面中部形成外表似梁，实质是拱的裂隙体梁式平衡。这种结构称之为“砌体梁”。图311 老顶断裂的一般状态图图312 破断岩块的拱式平衡及其受力分析破断岩块的拱式平衡及其受力分析B1结构的滑落失稳结构的滑落失稳由三铰拱的平衡，使岩块保

14、持平衡则：岩块咬合而形成的裂隙体梁，最大剪切力在两端支座为 。（1）当剪切力与摩擦力相等，呈极限平衡状态。如剪切力大于摩擦力将失稳。岩块相互间的内摩擦角。将 及 代入上式，则可得失稳的条件为：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，=3845，tan=0.81.0。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0.40.5，即.（2）若考虑老顶岩层断裂时，断裂面与垂直面成一断裂角图图313岩块咬合点处的平衡岩块咬合点处的平衡对a：(TcosRsin)tgR.cosTsin Tsin()Rcos()tg()当时

15、，T多大都不能平衡，一般情况下 tg 1，3845。当节理面与层面交角：当当 时时，不不论论水水平平推推力力T T有多大，都不能取得平衡。有多大，都不能取得平衡。对b分析：tg(+)2结构的变形失稳结构的变形失稳 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。图图314 回转岩块的分析回转岩块的分析对a取M00：可近似地取lsin。对b可求得a值，当a较小时：而：因此：咬合处形成的挤压应力p为：（i=l/h）令岩块间的挤压强度p与抗压强度c的比值为 ，则允许承受的载荷q为：而梁在折裂时(达到极限跨度)q

16、与抗拉强度t的关系为：t=Kql2/(h2/6)6Ki2q qt/6Ki2 在一般岩石中抗压强度t与抗拉强度的比值为n，即：tc/n 因此，可求得：而lsin，所以二、二、裂隙带岩层的岩体结构模型裂隙带岩层的岩体结构模型可以将开采中的上覆岩层作如下的分析：可以将开采中的上覆岩层作如下的分析：1)上覆岩体结构由每个坚硬岩层组成。2)每个分组中的软岩层则可视为坚硬岩层上的载荷；3)由于开采，坚硬岩层已断裂成排列较整齐的岩块。由于离层，在离层区域内，上下层组之间没有垂直力的传递关系。在水平方向上形成了铰接关系；4)由于层间的摩擦力无法阻挡岩块的转动及水平移动，为此可假设将软岩层视为无数垂直的“杆”；

17、5)当岩块由回转而恢复到水平位置时，块间的剪切力又变为零。以后的岩块可以用一水平连杆来代替。三、三、岩体结构的受力分析岩体结构的受力分析图图333 某一个岩层分组的结构模型某一个岩层分组的结构模型自由度3结点数2单铰数链杆数 3n2(n1)(n2)0为静定结构。可列力的矩阵表：iFii 式中：i为力矩列阵；Fi为矩阵系数；i为力列阵。解此方程组，并令 =i1，=i2，则可得：可将相邻两块岩块的斜率近似地视为相等。则可求得形成此结构所需的水平推力Ti为：可见，水平推力的大小与悬露岩块的破断长度Li0、层厚hi0载荷Qi0和下沉量Si0有关。而与采空区内的应力分布状态无关。还可求得ir。由于ir趋

18、近于零 iririr。由上述分析可知，此结构的特征为：1)悬露岩块的重量几乎全由前支承点承担；2)岩块i与i间的剪切力接近于零。此处相当于岩块咬合形成半拱的拱顶；3)此结构的最大剪切力发生在岩块Ai与Bi之间，它等于岩块Bi本身的重量及其载荷。四、形成岩体结构的平衡条件四、形成岩体结构的平衡条件 岩块咬合可能有两种情况导致失稳：1水平压力过大，超过岩块在该处强度，导致变形失稳。2岩块间剪切力超过岩块间摩擦力，形成错动。导致滑落失稳。所以，形成结构须具有一水平推力i=其次，从岩块间的滑落失稳分析，则要求结构的平衡必须满足下列条件。即：根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下的矿根据对岩体结构分析所

19、得的结论，可对以下的矿山压力现象作出解释：山压力现象作出解释：1)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出现下沉台阶的原因；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层重量的原因；4)在采高小、直接顶较厚和采用充填法处理时，是工作面顶板压力比较小的原因；5)工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。习习 题题1试分析老顶岩层在达到极限跨距时，是以剪切断裂为主还是以弯曲断裂为主？2试简述开采后引起上覆岩层的破坏方式及其分区。3试简述开采后引起上覆岩层形成的结构有哪几种主要假说，及各自的优缺点。（1）压力拱假说 （2）悬梁假说 （3）预成裂隙假说 （4）铰接岩块假说4试分析采场上覆岩层所形成结构的失稳条件。