3 采场顶板活动规律.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 概述l几个基本概念l 在煤层或矿床的开采过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。l一般把直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。l伪顶、老顶根据采宰区的处理方法，目前主要有如图所示的几种工根据采宰区的处理方法，目前主要有如图所示的几种工作空间形式。作空间形式。围岩压力或顶板压力的概念 矿山压力假说是采矿科学发展的重要形式，是弄清矿山压力及其显现规律的有效途径。假说建立的步骤：假说建立的步骤：假说建立的步骤：假说建立的步骤：观察和收集实际资料 分析整理所积累的资料，提出假设的基本观点；建立分析

2、模型，进行数学力学分析推演，一方面为确定假说中各个基本参数间的关系；另一方面为矿山生产提供指导；通过一定方式检验。第二节第二节第二节第二节 矿山压力理论矿山压力理论矿山压力理论矿山压力理论 矿山压力假说中基本观点矿山压力假说中基本观点 首先首先是对研究对象基本属性的认识。其次其次是对研究对象及状态的认识，或把现象稳定在某一阶段，从瞬间平衡状态来认识矿压现象。如：压力拱假说；或考虑到现象发生的时间过程，从发展变化状态来考察矿压现象，如传递岩梁假说。最后最后就是对现象发生发展规律的认识。有的假说只推测性地描述现象发生发展的基本过程；有的则直接说明现象发生发展的因果关系。第一、二方面第一、二方面的内

3、容是假说的基本前提，多由现场中观测的实际资料和已知的科学原理提供；第三方面的内容则是假说的核心部分，是在第一、二方面的基础上，用已有科学原理，按逻辑思维方法推得。二、几种主要矿压假说 由于开采方法的局限性，采场矿压基本建立在巷道矿（地）压理论基础上，两者无本质区别。矿压理论的建立，起初是以经验为基础，较多地偏重于矿山压力显现方面的描述，由于测试手段不完善，所以假说具有片面性和局限性。l 缓倾斜煤层工作面矿压理论假说（1）压力拱假说 （2）双支梁假说（3）悬臂梁（悬板）假说 （4）预成（生）裂隙假说（5）铰接岩块假说 （6）台阶下沉假说（7）松散介质假说 （8）楔形假说（9）砌体梁假说 （10）

4、传递岩梁假说（11）弹性基础梁假说 （12）板结构假说 l 压力拱假说压力拱假说 压力拱（也称自然平衡拱)假说，是最早的矿压假说。在欧洲国家现在仍有不少拥护者。1885年法国学者依奥尔（Fayol)根据观测和实验提出岩层移动拱形说。压力拱假说认为：开掘在任何岩层中的巷道，由于重力作用，顶板岩层发生破坏变形，形成一稳定的卸载拱。拱承受拱面以上全部岩石的重量，并将全部载荷经压力拱的拱脚传递到巷道两帮岩石而引起巷道两帮鼓出以及底板隆起等围岩变形，巷道支架所承受的载荷是拱面以下已经破碎的有限断面内的岩石总重量。工作面压力拱见图。l l 压力拱假说的评价压力拱假说的评价1）压力拱假说比较简明地阐述了采场

5、围岩卸载的原因，探讨了围岩平衡状态及其范围，对回采工作面前后支承压力的形成及回采工作空间处于卸压区做出了一些解释。1)2)压力拱在巷道中并不是唯一的表现形式，支架压力取决于一系列的矿山地质条件及技术条件，其中起主要作用的是巷道围岩性质，支架特性及结构形式。在回采工作面，由于煤层顶底板岩性不同，顶板管理方法，支架形式及特性以及回采工艺的差异，可能形成不同的复杂的力学结构。这远非压力拱理论所能概括与阐明的。3)压力拱假说认为：支架压力源于拱内岩石的重量，与支架特性及采深无关，这显然与实际情况不符。4)对坚硬的层状岩石，无论在巷道还是在采场，都不可能形成拱，这对压力拱假说是不适合的。l 悬臂梁假说悬

6、臂梁假说l悬臂梁假说是由德国学者施托克提出的，它的主要代表有苏联斯列萨廖夫格尔曼，欧洲的弗兰德，克格尔菲力普斯等人。l l 悬臂梁假说认为：地下岩体是一种层状的连续弹性介质，未采动的岩体所受的力主要是垂直应力在煤层开采后，采空区上方悬露的顶板在初次垮落后，可以看成是一端悬伸而另一端固定在工作面前方煤体上面的悬臂梁，如图所示。如果顶板为很多岩层组成，则形成彼此相互作用的组合悬臂梁，这种岩梁在采场上下两端的煤柱处也被固定着，因而形成了三面被固定的悬板，即所谓的悬板假说。由于采场上下两端的镶嵌作用由于采场上下两端的镶嵌作用在工作面较长时，对顶板活动所起的作用是很小的，因此，多视顶板为梁。岩梁在自重和

7、上覆岩层的作用岩梁在自重和上覆岩层的作用下，下，逐渐弯曲。下沉以至于断与垮落，当顶板岩层坚硬时，悬伸在采空区上方的岩梁可能很长，这时就必须采取人为的措施加以控制，以防止岩梁可能沿煤臂切断造成推掌子事故。若梁由于弯曲下沉时被冒落的矸石或充填体支撑时，也可能仅产生弯曲下沉而不产生折断。当岩梁的悬伸长度达到极限值时，将发生有规律的周期性折断，此时将出现明显的周期性来压。l用悬臂梁理论可以解释，在靠近工作面煤壁的地方，顶板下沉量最小，因而压力最小，由工作面煤壁向采空区，顶板下沉量和压力则逐渐增加顶板下沉量和工作面支架载荷的最大值通常总是在沿采场倾斜方向的中部，这和现场实际是吻合。l l 悬臂梁假说还可

8、以解释工作面前方煤体中存在支承压力，能说明煤层和顶板岩层的物理力学性质对煤体中支承压力分布范围和应力集中程度的影响以及解释老顶的二次垮落现象等。l l悬臂梁假说在一定条件下能对许多矿山压力现象进行解释并可以采用材料力学的方法进行粗略的计算但不难看出，该假说仍存在严重缺点，表现在：l l1)、直接顶岩层由于地质构造和采动的影响直接顶岩层由于地质构造和采动的影响，通常被许多裂隙切割破坏丧失了连续性，因此不能视其为弹性的连续岩梁 l l 2)、利用材料力学公式计算岩梁时，通常把问题过于简化而使计算结果与实际情况相差甚远与一些实际情况的对比表明，采场顶板实际下沉量比按悬臂梁或悬板公式计算出来的弯曲挠度

9、要大几倍 l l 3)、悬臂梁假说同压力拱假说一样，悬臂梁假说同压力拱假说一样，未能考虑顶板岩层与采场支架间的作用关系，只是孤立地研究岩梁的变形状态，不可能反映出采场上覆岩层运动的真实规律，从而降低了假说的实用价值。l l 4)、悬臂梁假说不可能从数量上对矿山压力进行计算不可能从数量上对矿山压力进行计算，这是因为该假说脱离了整个岩体 而只研究了个别岩层的运动规律。预成裂隙假说预成裂隙假说l比利时学者阿拉巴斯，吸收了几种矿山压力假说的某些概念和思想，以芬涅尔的巷道地压为基础，于1951年提出了预成裂隙假说。l l其定义：其定义：拉巴斯认为：煤系地层为层状沉积岩，由于地质构造而形成各种层理、节理、

10、裂隙及断层等破坏了岩体的连续性，因而属于非粘结性的不连续体，因此岩体虽然由脆性及刚性岩块组成，但它却象塑性体那样产生很大的变形，称之为“假塑性”体。这种特性在采空区中表现得更为明显，岩层移动导致围岩变形，岩层压力则引起支架受压。由于采掘工作的不断进行，在采空区周围岩体中形成破坏区 l l l拉巴斯的预成裂隙假说视岩体为层状非连续体，特别提出“假塑性”变形特征是具有独创性的，因此阐明了采场周围岩体内应力分布、变形及破坏等，具有一定的实际意义，比悬臂梁假说和压力拱假说都具有进一步的发展。l l 但拉巴斯的学说并不能概括采场中的所有情况，如完整坚硬岩石往往不能形成预成裂隙梁，而极其破碎的软弱岩层又因

11、过于破碎以至使顶板中难以形成假塑性弯曲的岩梁。此外拉巴斯也缺乏充分的实际资料证明其假说中提出的三个区的分界线，所提出的支架载荷计算方法也由于引入了不少难以获得的修正系数而使该假说的应用受到限制。铰接岩块假说l铰接岩块假说是前苏联学者库兹涅佐夫铰接岩块假说是前苏联学者库兹涅佐夫根据相似材料模拟实验和现场实测结果，在悬臂梁假说的基础上于1954年提出的。l 其内涵：库兹涅佐夫认为不能用连续介质力学的方法解决矿压问题。当工作面从开切眼开始推进，采空区扩大但尚未引起破坏时，逐渐增大的工作空间的支柱压力主要取决于岩层构成及顶板管理方法。当老顶垮落后，不仅顶板整个岩层的组成起重要作用，而且特别是各种软岩和

12、硬岩的互层程序起重大的作用。在顶板垮落后，按岩石的变形特征及破碎特点可将工作面上部岩层分两个带，即直接靠近采空区的不规则垮落带及上面的规则移动带。l l 不规则垮落带的岩层由于受到各种裂隙的切割而成许多单个岩块，自由地垮落到采空区中，彼此间无多大的力学关系。由于采空区冒落矸石破碎体积膨胀，使位于不规则垮落带上部的岩层自由空间缩小，形成规则的垮落或下沉。同时每层内的岩块之间互相挤压，构成多环节的铰链系统。l l 假说还给出了针对两种不同的情况支架强度和可缩性的计算方法。l l 库兹涅佐夫的假说有别于前人的地方是以围岩的移动变形为前提，避免了早期悬梁等假说用工程力学的论点生硬地解释采场矿压的缺陷。

13、库氏对围岩移动特别是采空区直接顶垮落的分析有助于进一步阐明直接顶与老顶间的相互作用，对支架与围岩间的相互作用的力学分析比较切合实际，已初步涉及到支架作用的实质；对近代矿山压力理论有一定的指导作用。但该假说仅考虑了采场顶板的局部活动，而对岩体中应力重新分布以及对采场的影响等却未加考虑。同时关于岩层铰接关系活动的假说过于理想化了。在计算过程中所做的某些省略或假定并不合理。如在考虑顶板与煤层的相互作用时，假定直接顶不起实质性作用，工作面支架的作用不计等。l 砌体梁假说l l砌体梁假说是中国矿业大学钱鸣高教授在前苏联学者库兹涅佐夫教授的铰接岩块假说的基础上根据相似模型实验和现场实测，运用结构力学的方法

14、得到了采场上覆岩层的平衡和失稳 条件，从而提出了“砌体梁”假说。l l砌体梁假说认为，在老顶岩梁达到断裂步距之后，随着工作面的继续推进，岩梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐在相互回转 时能形成挤压，由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力的作用，在一定条件下能够形成外 表似梁实则为半拱的结。这种平衡结构形如砌体，故称之为砌体梁。l经过采动此上覆岩层中的坚硬岩层都巳根据岩层移动特点，可将上覆岩层按坚硬岩层分成若干个岩层组，而每一个岩层组的底板则为坚硬岩层由测定可知断裂成为岩块，岩块间相互咬台则可能形成图示的结构 l l 该结构为“煤壁已冒落矸石”及“煤壁支架已冒落矸石”两种支撑体系所支撑采场

15、上覆岩层可沿走向分为三个区，AA煤壁煤壁煤壁煤壁支撑影响区：支撑影响区：支撑影响区：支撑影响区：BB离层区或支架影响区；离层区或支架影响区；离层区或支架影响区；离层区或支架影响区；CC已冒落矸石的支撑区已冒落矸石的支撑区已冒落矸石的支撑区已冒落矸石的支撑区l l l该假说在前人研究成果及现场实测的基础上，对开采层采场上覆岩层进行了分析认为：l l 1)在划分的岩层组中，每组中的软岩层或断裂的岩层可视为坚硬岩层上的载荷，或者传递垂直力的媒介 l l 2)由于开采的影响，坚硬岩层已经断裂成为排列较整齐的岩块由于离层，在离层区域内，上下岩层组之间没有垂直力的传递。在水平方向由于有水平推力，形成了铰接

16、关系铰接点的位置取决于岩层移动曲线的形状，若曲线下凹，则铰接点位于断裂面的下部，反之则在上部，离层区视为无支撑区 l l l3)由于层间不能阻挡水平错动，因而视软岩层或碎裂岩层为支承链杆，即只能传递垂直力，不能阻止水平力 l l 4)、当岩块恢复到水平位置时，破碎岩块间的剪切力为零，故以后的岩块可以用一水平直杆代之 l l5)最上岩层组的坚硬岩层，由于其上只是软岩层及冲积层；因此可视为均布载荷作用于最上组的坚硬岩层上，而下面的岩层组则不然 l l6)最上的坚硬岩层，随着回采工作面的推进由于载荷条件一致，因而该岩层断裂后各岩块可视为等长但下面各组岩层由于相互作用，破碎后的长度未必相等 l 采场矿

17、压假说总结采场矿压假说总结采场矿压假说总结采场矿压假说总结l前面所介绍的一些主要的矿压假说都是从经验事实、现场实测以及数学力学的一般原理出发，在假定岩体基本属性的前提下，采用某些分析手段来阐述采场矿压的基本问题，每种假说都有其合理成分，有些观点是基本普遍公认可以肯定的，如：l1)采场支架所受载荷仅是上覆岩层的重量中的一小部分。根据支架与围岩的作用关系，支架可能处于给定载荷或给定变形工作状态；l l 2)煤层(矿体)开采后，在采场周围的岩(煤)体中将产生应力重新分布、变形乃至破坏，应力重新分布的结果是在邻近采场的岩体内形成卸压区，而在工作面前后方及两侧煤体(或冒落矸石、充填物)上形成应力升高区，

18、远离采场则为未受采动影响的原岩应力区；l l3)尽管对开采层上覆岩层的认识千差万别，但有一点是共同的，那就是都承认在采场上方岩层中存在某种力的结构(拱、梁，板等)，这种结构承担着上覆岩层的重量，使工作面支架仅承受少部分上覆岩层的重量，并且这种结构的平衡与失稳会给采场带来严重影响。l 但各种假说对一些基本问题存在很大的分但各种假说对一些基本问题存在很大的分歧，主要表现为：歧，主要表现为：l1)对于岩体尤其是采场附近岩体的基本属性问题；l l 2)所采用的力学观点和方法方面；l l 3)支架对围岩应力分布、变形破坏所起的作用问题。l 总之，矿山压力假说是矿山压力理论发展的重要途径。随着科学技术的进

19、步，各种研究手段的完善，人们将能够弄清矿山压力这个复杂的自然现象，从而使矿压假说不断地完善和发展，形成完整的科学理论 第三节第三节 直接顶的垮落直接顶的垮落直接顶的初次垮落、直接顶的初次垮落步距直接顶与老顶不产生离层的条件：随着老顶初次断裂，老顶破断岩块的变形迫使直接顶变形而向支架方向加载荷，此时直接顶就不再可能形成初次放顶时可能发生的离层状态。但是老顶破断岩块形成的变形失稳与滑落失稳将对直接顶的稳定性产生影响。有关直接顶岩层本身的节理与强度性质和老顶破断对直接顶变形失稳的分析见第五章内容。第四节 老项的断裂形式l一、老顶的梁式破断一、老顶的梁式破断 随着工作面自开切眼开始推进，直接顶发生初次

20、垮落。由于老顶的强度较大，因而继续呈悬露状态。此时，可视老顶为一悬露的“板”(见图310)。由于回采工作面沿倾斜方向的长度远大于老顶沿走向悬露的跨距。因此可将老顶视力端由工作面煤壁、另一端由边界煤柱支撑的固定梁，即所谓“梁”的假说。此时，若老顶之上的岩层强度较低，则上覆岩层的重量将通过老顶“梁”传递至两端的文承点上，即煤壁和煤柱上。l二、老顶的板破断l第五节 老顶的初次断裂步距老顶达到初次断裂时的跨距称为极限跨距，也称为初次断裂步距。掌握老顶的初次断裂步距，对采场顶板来压的预测预报、岩层移动的计算与控制具有重要的作用。第六节 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析l 一、老项初次断裂后的“砌体梁”平衡l 当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面继续推进，老顶即发生初次断裂。断裂后的一般状态可用图322表示。