采场顶板活动规律(精品).ppt

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1、本章重点：本章重点：掌握采场顶板的基本概念；掌握采场顶板的基本概念；几种矿山压力假说；几种矿山压力假说；直接顶的垮落；直接顶的垮落；老顶的初次断裂步距；老顶的初次断裂步距；砌体梁结构及其稳定性分析砌体梁结构及其稳定性分析第三章第三章 采场顶板活动规律采场顶板活动规律第一节 概述n n采场n n直接顶n n老顶n n采空区n n顶板压力（围岩压力）n n上覆岩层可能的结构第二节 有关采场上覆岩层活动规律的矿山压力假说采矿工程上覆岩层赋存的复杂性；原岩应力的复杂性；导致上覆岩层运动的复杂性。对采场的矿山压力现象提出不同的解释。解释矿山压力的内在联系的推测和科学的概括。矿山压力现象：周期来压，支架受

2、力小。缓倾斜煤层工作面矿压理论假说（1）压力拱假说 （2）悬臂梁（悬板）假说（3）预成（生）裂隙假说（4）铰接岩块假说（5）砌体梁假说砌体梁假说 （6）传递岩梁假说传递岩梁假说(1)(1)压力拱假说压力拱假说 1928年，德国学者提出。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。压力拱假说的评价压力拱假说的评价特点：阐述了采场围岩卸载的原因，探讨阐述了采场围岩卸载的

3、原因，探讨了围岩平衡状态及其范围，对回采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工作空间处于卸压区做出了一些解释。释。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。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。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。不足之处：不足之处：（2）悬臂梁假说）悬臂梁假说n n悬臂梁假说是由德国学者施托克

4、在1916年提出的。n n 主要观点：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。n n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。n n悬臂梁假说还可以解释工作面前方煤体中存在支承压力。n n解释工作面存在的周期来压现象。特点n n1)1)由于地质构造和采动的影响，顶板被许多裂隙切由于地质构造和采动的影响，顶板被

5、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割破坏丧失了连续性，因此不能视其为弹性的连续岩梁岩梁n n 2)2)采场顶板实际下沉量比按悬臂梁或悬板公式计算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要大几倍出来的弯曲挠度要大几倍n n 3)3)未能考虑顶板岩层与采场支架间的作用关系，只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上覆岩层运动的真实规律，从而降低了假说的实用价值。价值。n n 4)4)悬臂梁假说不可能从数量上对矿山压力进行计算，悬

6、臂梁假说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这是因为该假说脱离了整个岩体 而只研究了个别岩而只研究了个别岩层的运动规律。层的运动规律。不足之处（3）预成裂隙假说）预成裂隙假说n n比利时学者阿拉巴斯，于1951年提出了预成裂隙假说。n n 假塑性体：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、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。n n回采工作周围存在应力降低区、应力升高区、采动影响区。拉巴斯的预成裂隙假说视岩体为层状非连续体，拉巴斯的预成裂隙假说

7、视岩体为层状非连续体，特别提出特别提出“假塑性假塑性”变形特征是具有独创性的，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。破坏等，具有一定的实际意义。支架应具有足够的初撑力和工作阻力。支架应具有足够的初撑力和工作阻力。n n完整坚硬岩石往往不能形成预成裂隙梁，而极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过于破碎以至使顶板中其破碎的软弱岩层又因过于破碎以至使顶板中难以形成假塑性弯曲的岩梁。难以形成假塑性弯曲的岩梁。n n缺乏充分的实际资料证明其假说中提出的三个缺乏充分的实际资料证明其假说中

8、提出的三个区的分界线，所提出的支架载荷计算方法也由区的分界线，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。的应用受到限制。特点及不足之处特点及不足之处（4）铰接岩块假说n n前苏联学者库兹涅佐夫前苏联学者库兹涅佐夫 1954年提出 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垮落带及上面的规则移动带。n n 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。n n给定变形与给定载荷两种状态。n n铰接岩块间的平衡关系为“三铰拱式平衡”。（5）砌体梁假说n n1980

9、年，中国年，中国 钱鸣高教授提出钱鸣高教授提出 砌体梁假说认为，在老顶岩梁达到断裂砌体梁假说认为，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梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐在相互回转整齐在相互回转 时能形成挤压，由于时能形成挤压，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力的作用，在一定条件下能够形成外 表表似梁实则为半拱的结。这种平衡结构形似梁实则为半拱的结。这种平衡结构形如砌体，故称之为如砌体，故称之为“砌体梁砌体梁”。主要观点：主要观点：n n

10、该假说在前人研究成果及现场实测的基础上，对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：开采层采场上覆岩层进行了分析认为：n n1)1)在划分的岩层组中，每组中的软岩层或断裂的在划分的岩层组中，每组中的软岩层或断裂的岩层可视为坚硬岩层上的载荷，或者传递垂直力岩层可视为坚硬岩层上的载荷，或者传递垂直力的媒介的媒介n n 2)2)由于开采的影响，坚硬岩层已经断裂成为排列由于开采的影响，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。在水平方向由于岩层组之间没有垂直力的传递。在水平方向由

11、于有水平推力，形成了铰接关系铰接点的位置取有水平推力，形成了铰接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，离层区视点位于断裂面的下部，反之则在上部，离层区视为无支撑区为无支撑区3)3)由于层间不能阻挡水平错动，因而视软岩层或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，不碎裂岩层为支承链杆，即只能传递垂直力，不能阻止水平力能阻止水平力4)4)当岩块恢复到水平位置时，破碎岩块间的剪切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力为零，故

12、以后的岩块可以用一水平直杆代之5)5)最上岩层组的坚硬岩层，由于其上只是软岩层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的坚硬岩层上，而下面的岩层组则不然6)6)最上的坚硬岩层，随着回采工作面的推进由最上的坚硬岩层，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。碎后的长度未必相等。n结构为“煤壁已冒落矸石”及“煤壁支架已冒落矸石”两种

13、支撑体系所支撑采场上覆岩层可沿走向分为三个区：A煤壁支撑影响区；煤壁支撑影响区；B离层区或支架影响区；离层区或支架影响区；C已冒落已冒落矸石的支撑区矸石的支撑区（6）传递岩梁假说）传递岩梁假说n n19781978年由山东科技大学宋振骐教授提出年由山东科技大学宋振骐教授提出n n 直接顶直接顶直接顶直接顶：在采空区已经冒落的岩层总和，：在采空区已经冒落的岩层总和，由于它们不能长久地保持向煤壁前方传递力由于它们不能长久地保持向煤壁前方传递力的联系，因此其作用力必须由支架全部承担。的联系，因此其作用力必须由支架全部承担。n n 老顶：老顶：老顶：老顶：由邻近采场的一部分传递岩梁组成，由邻近采场的一

14、部分传递岩梁组成，该部分岩梁的运动对采场矿压显现有明显的该部分岩梁的运动对采场矿压显现有明显的影响。影响。n n 老顶岩梁的结构采用了老顶岩梁的结构采用了“传递岩梁传递岩梁”的概的概念，它包括下列含义：念，它包括下列含义：n n(1)该岩梁是由同时运动(或近似于同时运动)因而对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。n n(2)该岩梁在采场推进过程中，无论是在相对稳定阶段，还是进入显著运动的阶段，都能在工作面推进方向上始终保持传递力的联系，从而能将其作用力传递至煤壁前方和采空区已冒落的矸石之上。在第一次来压阶段，随着工作面的推进，支承压力及其显现大致分为三个阶段：第一阶段：煤体支承能力改变前第一

15、阶段：煤体支承能力改变前 第二阶段：从煤壁支承能力开始改变起第二阶段：从煤壁支承能力开始改变起到老顶岩梁断裂前为止。到老顶岩梁断裂前为止。第三阶段：从老顶岩梁端部断裂开始至岩第三阶段：从老顶岩梁端部断裂开始至岩梁中部触矸为止。梁中部触矸为止。采场矿压假说总结采场矿压假说总结n n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；n n 煤层煤层(矿体矿体)开采后，在采场周围的岩开采后，在采场周围的岩(煤煤)体体中将产生应力重新分布、变形乃至破坏，应力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重

16、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压区，而在工作面前后方及两侧煤体(或冒落或冒落矸石、充填物矸石、充填物)上形成应力升高区，远离采场上形成应力升高区，远离采场则为未受采动影响的原岩应力区；则为未受采动影响的原岩应力区；n n 尽管对开采层上覆岩层的认识千差万别，但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层中存在某种力的结构(拱、梁，板等拱、梁，板等)，这种，这种结构承担着上覆岩层的重量，使工作面支架仅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

17、量，并且这种结构的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。平衡与失稳会给采场带来严重影响。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：n n对于岩体尤其是采场附近岩体的基本属性问对于岩体尤其是采场附近岩体的基本属性问题；题；n n 所采用的力学观点和方法方面；所采用的力学观点和方法方面；n n 支架对围岩应力分布、变形破坏所起的作用支架对围岩应力分布、变形破坏所起的作用问题。问题。n n 总之，矿山压力假说是矿山压力理论发展总之，矿山压力假说是矿山压力理论发展的重要途径。随着科学技术的进步，各种研的重要途径。随着科学技术的进步，各种研究手段的完善，人们将能够弄清矿山压力这究手段的完善，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完善和发展，形成完整的科学理论