h第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析.ppt

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1、第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析1 概 述一、基本概念：一、基本概念：1 1回回采采工工作作面面（采采场场）：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。第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:152顶顶 板板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板。底底 板板：赋存煤层以下的岩层称为底板。3直直接接顶顶：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。伪伪 顶顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3至0.5m极易垮落的软弱岩层。老老 顶顶：位于直接顶上方厚而坚硬的岩层。直接底直接底：直接位于煤层之下的岩层。1 概 述 一、基本概念第三

2、章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15二、采空区处理方法二、采空区处理方法图31 回采工作空间的形式1 概 述第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图图3-2 3-2 全部垮落法回采工作空间的变化全部垮落法回采工作空间的变化1 概 述二、采空区处理方法二、采空区处理方法第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:152 老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡一、老顶岩层的梁式平衡 概念概念:1 1初次垮落距初次垮落距 2 2膨胀系数膨胀系数K KP P 、残余膨胀系数、残余膨胀系数 KKP P 老顶初次垮落前岩体结构图第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15hMKphM

3、h(Kp1)v当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：v当0时，老顶呈悬露状态，类似板状结构。即所谓“梁”的假说。2 老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15分析这种梁的应力状态 老顶岩梁受力分析2 老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15对称梁，所以：对称梁，所以：R R1 1R R2 2，弯矩，弯矩M M1 1M M2 2。取取FFy y0 0，则，则 任意截面任意截面D DD D ，剪力为：，剪力为：所以所以:2 老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡 第三章 采场上覆岩

4、层活动规律及其分析 12:15固定梁任意截面固定梁任意截面D DD D 的弯矩为：的弯矩为：在梁的两端在梁的两端(x x0 0；)，M Mmaxmax ；在梁的中部在梁的中部(x x )，M M qLqL2 2。2 老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15若为简支梁：若为简支梁：v此时，剪力相同，但弯矩不同。即：此时，剪力相同，但弯矩不同。即：v此时，此时，M Mmaxmax在梁的中间，即：在梁的中间，即：2 老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式二、老顶

5、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：岩层假设为：a a)四周固支；四周固支；b b)三边固支一边简支；三边固支一边简支；c c)两边固支两边简支；两边固支两边简支；d d)一边固支及三边简支。一边固支及三边简支。2 老顶岩层的稳定性第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图3-5 老顶岩层支撑条件的简化二、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2 老顶岩层的稳定性第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图3-6 各类支撑条件下的弯矩分布二、老

6、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2 老顶岩层的稳定性第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 （1 1）以四边固支的板为例，老顶岩层）以四边固支的板为例，老顶岩层 X X形破坏形破坏 形成过程：形成过程：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2 老顶岩层的稳定性第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 （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

7、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。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2 老顶岩层的稳定性第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:153 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。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。第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图39 岩梁上任意点的应力分析3 老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时

8、的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15取梁单位宽度，则取梁单位宽度，则 J Jz z h h3 3 任意点任意点A A：，xyxy 最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，即最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，即y y0 0，(xyxy)maxmax3 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第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 若根据固定梁计算：若根据固定梁计算：maxmax q q2 2 则：当当 maxmaxT T时时，岩岩层层将将在在该该处处拉拉裂裂。为为此此，这这种梁断裂时的极限跨距为：种梁断裂时

9、的极限跨距为：3 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第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 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：3 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第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 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：3 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

10、时的极限跨距第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 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，老顶岩层的安全跨距Ls：固定梁：简支梁：3 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第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15确定岩层梁所承受的载荷确定岩层梁所承受的载荷q 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。3 老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨

11、距一、梁式断裂时的极限跨距第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 证明：Q=Q1+Q2+QnM=M1+M2Mn图310 多层梁的载荷计算图3 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第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 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：3 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第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 而：而：由于由于 ，两边求积分，两边求积分 3 老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂

12、时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 ，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：3 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第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:154 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3-11 老顶断裂的一般状态第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:151 1结构的滑落失稳结构的滑落失稳 由三铰拱的平衡，使岩块

13、保持平衡则：岩块咬合而形成的裂隙体梁，最大剪切力在两端支座为 。4 裂隙体梁的平衡第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图312 破断岩块的拱式平衡及其受力分析B B4 裂隙体梁的平衡1 1结构的滑落失稳结构的滑落失稳第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 （1 1）当剪切力与摩擦力相等，呈极限平衡状态。）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。如剪切力大于摩擦力将失稳。岩块相互间的摩擦角。将 及 代入上式，则可得失稳的条件为：4 裂隙体梁的平衡1 1结构的滑落失稳结构的滑落失稳第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 （2 2）若考虑老顶岩

14、层断裂时，断裂面与垂直面成）若考虑老顶岩层断裂时，断裂面与垂直面成一断裂角一断裂角图313岩块咬合点处的平衡4 裂隙体梁的平衡1 1结构的滑落失稳结构的滑落失稳第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15v对对a a：(TcosRsin)tgR.cosTsin Tsin()Rcos()tg()p当当 时，时，T多大都不能平衡，一般情况下 tg =0.81，3845。p当节理面与层面交角小于4552时，会失稳。v对对b b分析：分析：tgtg(+)4 裂隙体梁的平衡1 1结构的滑落失稳结构的滑落失稳第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:152 2结构的变形失稳结构的变形失稳图314 回

15、转岩块的分析4 裂隙体梁的平衡第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 对a取M00：可近似地取lsin。对b可求得a值，当a较小时：2 2结构的变形失稳结构的变形失稳4 裂隙体梁的平衡第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 而：因此：咬合处形成的挤压应力p为：（i=l/h）2 2结构的变形失稳结构的变形失稳4 裂隙体梁的平衡第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 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与抗拉强度t的关系为：t=Kql2/(h2/6)6Ki2q qt/6Ki22 2结构的变形失稳结构的变形失稳4

16、 4 裂隙体梁的平衡裂隙体梁的平衡第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 在一般岩石中抗压强度在一般岩石中抗压强度 t t与抗拉强度的比值为与抗拉强度的比值为n n，即：，即：t t c c/n n 因此，可求得：因此，可求得：而而l lsinsin，所以，所以2 2结构的变形失稳结构的变形失稳4 裂隙体梁的平衡第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:155 直接顶的稳定性一、直接顶岩块离散原因分析（部分原因）一、直接顶岩块离散原因分析（部分原因）1)节理裂隙的切割。2)初次放顶前直接顶所处的状态大部分均可能发生离层。3)单体支柱时，第一排刚支设，易使机道上方离层，采用液压支架，

17、无支护空间宽，前梁支撑力较小，也易离层。4)工作面较短时，直接顶的挠度大于老顶形成离层。5)分层开采，第一分层采出后，在以后各分层减压区域内易形成离散状态。6)由于放顶回撤支柱导致直接顶岩块的离散。第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15二、初次放顶前直接顶的离层与断裂二、初次放顶前直接顶的离层与断裂 以工作面中部为例分析。图316 直接顶离层分析5 直接顶的稳定性第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 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：二、初次放顶前直接顶的离层与断裂二、初次放顶前直接顶的离层与断裂5 直接

18、顶的稳定性第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 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。二、初次放顶前直接顶的离层与断裂二、初次放顶前直接顶的离层与断裂5 直接顶的稳定性第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:156 回采工作面上覆岩层移动概况一、岩层移动引起的采动损害一、岩层移动引起的采动损害 传统开采引起的采动损害和环境问题主要表现为：（1）形成矿山压力显现。（2）形成采动裂隙。（3）岩层移动发展到地表引起地表沉陷。第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 为解决上述问题，绿色开采：水资源保护形成“保水开采”技术；土地与建

19、筑物保护形成离层注浆、充填与条带开采技术；瓦斯抽放形成“煤与瓦斯共采”技术；煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术；地下气化技术。6 回采工作面上覆岩层移动概况一、岩层移动引起的采动损害一、岩层移动引起的采动损害第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论 1 1概念：概念：将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层称为关键层关键层。前者称为亚关键层亚关键层，后者称为主关为主关键层键层。关键层有如下特征：（1）几何特征；（2）岩性特征；（3）变形特征；（4）破断特征；（5）承载特征。6 回采工作面上覆岩层移动概况第三章 采场上覆

20、岩层活动规律及其分析 12:15 2 2覆岩关键层位置的判别覆岩关键层位置的判别 必须满足两个条件：1第一层岩层为第一层关键层，它的控制范围达第N层，则第N十1层成为第二层关键层必然满足：qn+1qn 2确定出的硬岩层还必须满足关键层的强度条件，即满足下层硬岩层的破断距小于上层硬岩层的破断距，即：ljlj+1 (j=1,2,k)6 回采工作面上覆岩层移动概况二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 3 3关键层复合破断规律关键层复合破断规律 将满足上条件1的相邻两层硬岩层，不满足条件2，从而出现同步破断的现象称为关键层复合破断。由前内容可

21、推倒出，当仅有两层硬岩层时，两层硬岩同步破断的条件为l1l2时，两层硬岩同步破断的判别条件：6 回采工作面上覆岩层移动概况二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 可见，影响两层硬岩层破断的因素主要包括：（1）两硬岩层厚度、抗拉强度及弹性模量；（2）硬岩层所控软岩层的厚度、弹性模量；（3）表土层厚度。但是复合破断的关键层“砌体梁”结构容易出现滑落失稳，关键层破断后要防止出现滑落失稳。6 回采工作面上覆岩层移动概况二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图317 根据地表移动推测的岩层

22、移动概貌1滑移面；2断裂面；3拉伸变形；4压缩变形；断裂角；滑移角6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 1煤层开采后形成采空区大多为长方形，地表移动是椭圆形，且比采空区面积大。（1）开采水平或近水平煤层时，移动盆地中心点垂直下落。（2）倾斜煤层时，移动沿法线方向进行。面积大时，盆底或平底“盆状”，最大下沉处是面。面积不大时，或尖底碗状，临界值是开采的临界宽度。6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 图319 采动后岩层各点的移

23、动图 320 地表相邻两点的移动和变形 相邻两点倾斜度：相邻两点倾斜度：mm/m 水平移动：水平移动：相邻两线段倾斜变化为此曲率：相邻两线段倾斜变化为此曲率：mm/m/m 曲率半径：曲率半径：（以米或公里表示）（以米或公里表示）6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 2 2开采后地表形成的变形曲线：开采后地表形成的变形曲线：（1）地表下沉分布规律是负指数函数经验公式：（2）认为水平煤层初次开采后，地表某点A的下沉可用某一函数f(x)来描述称为A点的影响曲线。则地表移动盆地的剖面线，可以用这一正态分布曲线的积分曲

24、线来表示。6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 3 3开采煤层上方顶板的活动规律开采煤层上方顶板的活动规律 研究上覆岩层，尤其是煤层开采后裂隙带运动规律进行深基点观测：1）根据观测，岩层移动曲线符合指数函数关系：此曲线斜率为：曲率分布为：6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15所以，最大斜率位置为：即：最大曲率是有两处：6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析

25、 12:151)岩层移动和破坏的影响因素2)上覆岩层移动的破坏特征 如图2-5所示4.4.三带的形成三带的形成6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图2-5 顶板岩层移动和破坏现象第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15（1 1）冒落带）冒落带 冒落带可分为不规则和规则冒落带。在不规则冒落带中，岩层完全失去原有层次；在规则冒落带中，岩层基本上保持原有的层次。冒落带的高度取决于采高和岩石的碎胀系数，通常为采出煤层厚度的3-5倍。冒落带将对回采工作面管理起着重要的作用。6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层

26、移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15（2 2）裂隙带）裂隙带 冒落带以上为裂隙带。其特点是：岩层发生垂直于层面的断开，同时顺着层面产生裂隙，又可分为严重断裂带、一般开裂带和微小开裂带，但却仍保持着原有的层次。断开带裂缝的连通性强，漏水严重；一般开裂带表层连续或很少断开，裂缝的连通性较强，漏水性一般；微小开裂带岩层有裂缝，基本上不断开，裂缝的连通性不好，漏水性较弱。裂隙带将对水体下开采的安全生产起着至关重要的作用。6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15（3 3）弯曲

27、下沉带）弯曲下沉带 在裂隙之上直到地表为弯曲下沉带。不再断裂，只是发生弯曲。若开采深度很大，弯曲带高度就很大，虽然由于地表伸张变形也产生裂缝，但这种裂缝在地表一定深度会自行闭合而消失，一般并不与裂隙带裂缝沟通。弯曲下沉带将对地表建筑和铁路、公路等交通设施有着直接的影响。6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图图3-24 3-24 上覆岩层移动实测曲线上覆岩层移动实测曲线6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图图3-24 3-24

28、 上覆岩层移动的实测曲线上覆岩层移动的实测曲线1.回采工作面前方30-40米处就开始变形。特点是水平移动较为剧烈，垂直移动甚微。图中A区域，a-b段。6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:152.回采工作面推进4-8米后，垂直位移急剧增加，但各层位移速度不尽相同。其特点越向上越慢。呈现出VP1VP2VP3VP4的现象，如曲线中的b-c段，即B区域。图图3-24 3-24 上覆岩层移动的实测曲线上覆岩层移动的实测曲线6 回采工作面上覆岩层移动概况三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律第三章 采场上覆岩层活动规律

29、及其分析 12:153.当已断裂的岩层重新受到已冒落的矸石支撑时，变形曲线又趋于缓和，如曲线中的c-d段，即C区域。变形速度特点 为 VP1 VP2VP3VP4，各岩层又进入互相压合的过程。图图3-24 3-24 上覆岩层移动的实测曲线上覆岩层移动的实测曲线三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律6 回采工作面上覆岩层移动概况第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15图325 回采工作面上覆岩层沿推进方向的分区A煤壁支撑影响区(ab)；B离层区(bc)；C重新压实区(cd)；冒落带；裂缝带；弯曲下沉带；支撑影响角 三、岩层移动的基本规律三、岩层移动的基本规律6 回采工作面上覆岩层移动

30、概况第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:157 回采工作面上覆岩层岩体结构分析一、有关的假说一、有关的假说 1 1压力拱假说压力拱假说图图3-28 3-28 回采工作面压力拱假说回采工作面压力拱假说a-前拱脚；b-后拱脚1-顶板内压力拱轴线；2-底板内压力拱轴线 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 2 2预成裂隙假说预成裂隙假说图3-29 矿山压力预成裂隙假说 图3-30 顶板岩层的假塑性弯曲7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析一、有关的假说一、有关的假说第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 3 3悬梁假说悬梁假说 由由德德国国的的施施托托克克（K.StokeK

31、.Stoke）于于19161916年年提提出出的的，后后得得到到英英国国的的弗弗里里德德（I.FriendI.Friend）、前前苏苏联联的的格格尔尔曼曼等的支持。等的支持。7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析一、有关的假说一、有关的假说第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 4 4铰接岩块假说铰接岩块假说图3-31 顶板岩层呈铰接岩块假说M1不规则冒落带；M2规则冒落带；ML裂隙带7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析一、有关的假说一、有关的假说第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 4 4铰接岩块假说铰接岩块假说 若直接顶分层厚若直接顶分层厚hmhm（采高）形成冒落带。（采高

32、）形成冒落带。当（当（2-2.52-2.5）hm hm 时，成为不规则冒落带。时，成为不规则冒落带。当当 ，但，但 形成规则冒落带形成规则冒落带 （上部岩层分层厚，矸石与上未垮岩层之间的间隙）（上部岩层分层厚，矸石与上未垮岩层之间的间隙）当当 时，形成裂隙带。时，形成裂隙带。7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析一、有关的假说一、有关的假说第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15二、裂隙带岩层的岩体结构模型二、裂隙带岩层的岩体结构模型图332 开采后上覆岩层岩体结构模型7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15可以将开采中的上覆岩层作如下的分析：1)

33、1)上覆岩体结构由每个坚硬岩层组成。上覆岩体结构由每个坚硬岩层组成。2)2)每个分组中的软岩层则可视为坚硬岩层上的载荷；每个分组中的软岩层则可视为坚硬岩层上的载荷；3)3)由由于于开开采采，坚坚硬硬岩岩层层已已断断裂裂成成排排列列较较整整齐齐的的岩岩块块。由由于于离离层层，在在离离层层区区域域内内，上上下下层层组组之之间间没没有有垂垂直直力力的的传传递递关关系。在水平方向上形成了铰接关系；系。在水平方向上形成了铰接关系；4)4)由由于于层层间间的的摩摩擦擦力力无无法法阻阻挡挡岩岩块块的的转转动动及及水水平平移移动动，为此可假设将软岩层视为无数垂直的为此可假设将软岩层视为无数垂直的“杆杆”；5)

34、5)当当岩岩块块由由回回转转而而恢恢复复到到水水平平位位置置时时，块块间间的的剪剪切切力力又又变变为零。以后的岩块可以用一水平连杆来代替。为零。以后的岩块可以用一水平连杆来代替。二、裂隙带岩层的岩体结构模型二、裂隙带岩层的岩体结构模型7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15三、岩体结构的受力分析三、岩体结构的受力分析图3-33 某一个岩层分组的结构模型自由度自由度3 3结点数结点数2 2单铰数链杆数单铰数链杆数 3 3n n2(2(n n1)1)(n n2)2)0 0为静定结构。为静定结构。7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析第三章 采场上覆岩层活动规律

35、及其分析 12:15 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：三、岩体结构的受力分析三、岩体结构的受力分析7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15 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趋近于零 iririr。三、岩体结构的受力分析三、岩体结构的受力分析7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析第三章 采场

36、上覆岩层活动规律及其分析 12:15 由上述分析可知，此结构的特征为：由上述分析可知，此结构的特征为：1)1)悬露岩块的重量几乎全由前支承点承担；悬露岩块的重量几乎全由前支承点承担；2)2)岩岩块块i i与与i i间间的的剪剪切切力力接接近近于于零零。此此处处相相当当于岩块咬合形成半拱的拱顶；于岩块咬合形成半拱的拱顶；3)3)此此结结构构的的最最大大剪剪切切力力发发生生在在岩岩块块A Ai i与与B Bi i之之间间，它等于岩块它等于岩块B Bi i本身的重量及其载荷。本身的重量及其载荷。三、岩体结构的受力分析三、岩体结构的受力分析7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析第三章 采场上覆岩层活动规律

37、及其分析 12:15四、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：岩块咬合可能有两种情况导致失稳：1 1水平压力过大，超过岩块在该处强度，导致变形失稳。水平压力过大，超过岩块在该处强度，导致变形失稳。2 2岩岩块块间间剪剪切切力力超超过过岩岩块块间间摩摩擦擦力力，形形成成错错动动。导导致致滑滑落失稳。落失稳。所以，形成结构须具有一水平推力所以，形成结构须具有一水平推力i i=其其次次，从从岩岩块块间间的的滑滑落落失失稳稳分分析析，则则要要求求结结构构的的平平衡衡必必须须满足下列条件。即：满足下列条件。即：7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析第三章 采场上覆

38、岩层活动规律及其分析 12:15 根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下的矿山压力根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下的矿山压力现象作出解释：现象作出解释：1)1)老顶岩块的滑落失稳，是工作面顶板出现台阶以及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；有时地表出现下沉台阶的原因；2)2)煤壁上方老顶剪切力最大，是工作面顶板沿煤壁切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；落的原因；3)3)上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆层重量的原上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆层重量的原因；因；4)4)在采高小、直接顶较厚和采用充填法处理时，是工在采高小、直接顶较

39、厚和采用充填法处理时，是工作面顶板压力比较小的原因；作面顶板压力比较小的原因；5)5)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。四、形成岩体结构的平衡条件四、形成岩体结构的平衡条件 7 回采工作面上覆岩层岩体结构分析第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:158 采场上覆岩层移动控制技术 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15习 题1 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？以弯曲断裂为主？2 2试简述开采后引起上覆岩层的破坏方式及其分区。试简述开采后引起上覆岩层的破坏方式及其分区。3 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，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。及各自的优缺点。（1 1）压力拱假说）压力拱假说 （2 2）悬梁假说）悬梁假说 （3 3）预成裂隙假说）预成裂隙假说 （4 4）铰接岩块假说）铰接岩块假说4 4试分析采场上覆岩层所形成结构的失稳条件。试分析采场上覆岩层所形成结构的失稳条件。第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析 12:15