(精品)第三章 井巷 (2).ppt

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1、第三章采场顶板活动规律第三章采场顶板活动规律（回采工作面上覆岩层活动规律回采工作面上覆岩层活动规律及其分析及其分析）概述回采工作面上覆岩层移动概况（有关采场上覆岩层活动规律的假说，）直接顶的稳定性（直接顶的垮落）老顶岩层的稳定性（老顶岩层的破断形式）老顶初次破断时的极限跨距（老顶的初次断裂步距）裂隙体梁的平衡（老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析）回采工作面上覆岩层体结构分析老顶岩层破断时在岩体内引起的扰动一、基本概念回采工作面（采场）：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。顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。底板：位于

2、煤层下方的岩层称为底板。第一节概述直接顶：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。它通常由具有一定稳定性且易于随工作面回柱放顶而垮落的页岩、砂页岩或粉砂岩等岩层组成。伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.30.5 m、极易垮落的软弱岩层，称为伪顶。它随采随冒，一般为炭质页岩、泥质页岩等。老顶：通常把位于直接顶之上(有时直接位于煤层之上)对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为老顶。一般是由砂岩、石灰岩及砂砾岩等岩层组成。直接底：直接位于煤层之下的岩层。二、回采工作空间类型：（依据采空区处理方法不同划分）1.根据采空区的处理方法，目前主要有如图31所示的几种工作空

3、间形式：（a）完整空间刀柱法或留煤柱开采；（b）自弯曲空间顶板缓慢下沉法（顶板塑性大）；（c）充填空间充填法；（d）垮落空间全部垮落法。2.针对全部垮落法随着工作面推进，回采工作面空间形状的变化如图所示：a)开切眼开凿之后，初期类似于一般巷道。（安装设备.）b)随着工作面生产条件的形成向前推进，在老顶垮落前，工作空间类似于采用刀柱法处理采空区的状况。c)老顶垮落后，工作空间内前方顶板都是由煤壁支撑，后方采空区则由煤层底板、充填物或已冒落的矸石支撑。支架或支撑物的压力-来自于回采空间引起的围岩破碎后其上方岩体的部分重量，形成了对支架的压力(有时是由于围岩变形而形成对支架的压力)。由于这些原因对支

4、架造成的压力，不同于岩体内的矿山压力，习惯上也常称为矿山压力。为了区分其间的含义，可称它为围岩压力或顶板压力等。三、顶板工作结构：工作空间上方岩体内的“大结构”：岩层中未破坏的部分(或未产生剧烈变形的部分)，或者虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分，有时能形成岩体内的“大结构”。梁式结构将顶板视为沿工作面推进方向的梁，按照梁式结构承载变形破坏理论分析顶板破坏现象。板式结构将顶板岩层视为一个板或经断层、裂隙切割后，多块板相互咬合组成的板，按板式结构承载变形及强度理论分析顶板破坏现象。顶板结构端部支撑条件：固定支座顶板被煤岩层夹持，未断裂，无自由端；简支梁支座顶板端部断裂或埋深较浅（可转动）；这种大

5、结构能够承担上覆岩层重量，从而对巷道及回采工作空间起保护作用。根据实际测定，回采工作空间支护物所承受的力仅为上覆岩层重量的百分之几。但当工作空间维护时间较长时，有时由于岩体内所受的应力超过其弹性极限，或由于煤、岩的蠕变特性，使围岩不易形成稳定性结构。这种现象在巷道中尤其容易出现，从而导致巷道围岩的“挤、压、鼓”现象。对于回采工作空间，尤其当工作面推进较快时，这种时间影响因素所表现的结果可能变得较为次要。由此可见，研究开采后回采工作空间上覆岩层破断规律及其形成结构的稳定性，对保证生产的正常进行有着极其重要的作用。由于采矿工程的复杂性，地质地层结构的不可能完全预知性，在回采过程中，所造成的空间断面

6、形状有多种形式，这些空间的维护期限及其顶板岩层的完整性也不同，因此在分析研究的过程中，不，不可能采用一种力学方法加以解决。而应当根据对象及状态的不同，采用各自适用的研究方法。目前，采场矿压及控制正由定性阶段向定量化的方向迈进。第二节 有关采场上覆岩层活动规律的假说在人们尚未充分认识自然界内在规律之前，必然产生对各种自然现象内在联系的解释，再凭借此种解释去改造自然，同时随着人们生产实践的发展，此种解释必然越来越清晰地揭示自然界的内在联系，也就是越来越接近于科学。由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂性，因而从一开始人们就对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释(即揭示矿

7、山压力现象内在联系的推测或科学的概括)即称为矿山压力假说。因此，矿山压力假说对岩层控制具有指导意义。最早的采场矿山压力假说当推“压力拱”假说与“悬臂梁”假说。进入20世纪50年代，随着长壁工作面开采技术的发展、采场上覆岩层运动的观测以及支护技术的发展，对采场上覆岩层运动时的结构形式有了新的认识，此时提出的矿山压力假说当推“铰接岩块”假说以及岩体“预成裂隙”假说。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选径。假说建立的步骤：1 分析和收集实际资料2分析整理所积累的资料，提出假设的基本观点；3建立分析模型,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；

8、另一方面为矿山生产提供指导；4 通过一定的方式检验。第三节 直接顶的垮落煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达到其极限跨距时开始垮落。直接顶初次垮落：直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落。标志是：直接顶垮落高度超过115 m，范围超过全工作面长度的一半。初次垮落距：此时直接顶的跨距称为初次垮落距。初次垮落距的大小:由直接顶岩层的强度、分层厚度、直接顶内节理裂隙的发育程度所决定，它是直接顶稳定性的一个综合指标。直接顶初次垮落前，其变形一般相对上覆老顶变形大，容易出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初次垮落前的离层与变形分析如下(图38)：

9、老顶的最大挠度为：直接顶的最大挠度为：显然，直接顶与老顶之间不形成离层的条件为：若令且则上式可改写为：即相反，则直接顶与老顶互相分离。此时若支架没有足够的初撑力，则直接顶在支架上呈离层状态，极不稳定，很易形成初次放顶期间的推垮型事故。粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易于形成这种离层。此时直接顶也必须有一定的强度，并不是随开切眼推进而冒落；其次冒落后的直接顶并不能填满采空区。这样直接顶岩块间无水平方向力的联系，从而形不成结构，这些均是形成直接顶初次放顶时失稳的条件。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：式中，p为支架支护强度，以单位面积的支撑力计算。则为：类

10、似这种直接顶与老顶容易产生离层条件的生产矿井，如湖南牛马司矿水井头井，其直接顶为24 m砂质泥岩，老顶为18 m厚层砂岩，又如舒兰吉舒煤矿、大屯徐庄矿及本溪煤矿等，常在初次放顶期间导致直接顶冒顶事故。直接顶初次垮落后，一般将随着回柱放顶而在采空区垮落。岩石破碎后，杂乱堆积，岩体的总体力学特性类似于散体。由于岩层破碎后体积将产生膨胀，因此直接顶垮落后，堆积的高度要大于直接顶岩层原来的厚度。影响碎胀系数Kp 的重要因素是岩石破碎后块度的大小及其排列状态。例如，坚硬岩层成大块破断且排列整齐，因而碎胀系数较小；若岩石破碎后块度较小且排列较乱，则碎胀系数较大。岩石破碎后，在其自重及外加载荷的作用下渐趋压

11、实，碎胀系数变小，压实后的高度将取决于岩石的残余碎胀系数Kp。若直接顶岩层的垮落厚度为h，则垮落后堆积的高度为Kph。它与老顶之间可能留下的空隙为：此时，沿走向方向回采工作面前后的岩层情况见图39。当M=h(Kp-1)时，即冒落的直接顶将充满采空区。此时，老顶一般的弯曲下沉量较小，常可忽略不计。因此，形成充满采空区所需直接顶的厚度为：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

12、章有关内容。第四节 老顶的断裂形式一、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3-10)。下面主要就覆岩第1层老顶岩层的断裂形式进行分析。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。可将老顶视为一端由工作面煤壁、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”传递至两端的支承点上，即煤壁和煤柱上。这种梁的应力状态，如图311所示:因为是对称梁，所以 梁两端的反力R1=R2，弯矩M1=M2。取Fy=0，则R1=R2=qL/2

13、。式中符号含义见图311。取岩梁内任意截面DD，其剪切力为：最大剪切力发生在固定梁的两端R1与R2处，其值为：固定梁任意截面DD的弯矩为：上面是按固定梁计算的结果，事实上在现实条件下两端支承的条件也有差异。例如，当一侧的采区已采完时，隔离煤柱上方的顶板已处于自由端状态，因而此时更接近于简支梁支座。有时把浅部的矿井老顶按简支梁计算，认为浅部矿井岩层顶板由于两端煤体上集中压力较小，因而可视为简支梁支座，但在深部则应视为固定梁。若为简支梁，剪切力分布与图311相似，但弯矩图则不同，即：由此可知。最大弯矩发生在梁的中间，即二、老顶的板破断随着回采工作面自开切眼开始推进，根据已采空面积的情况，如我国华北

14、地区的一般条件，回采工作面长150200 m，推进30 m左右，老顶岩层初次断裂。一般老顶岩层厚24m，按照薄板的假设，其厚度(h)与宽度(a)的比值为ha=17115，因此，可视老顶岩层为薄板，当老顶与上部岩层形成离层后更是如此。根据开采条件及采区边界煤柱的大小，又可将老顶岩层假设为图312所示的情况：(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，三边简支。以四边固支条件为例，其关系式为：随着弯矩的增长，老顶岩层达到强度极限时，将形成断裂。以四边固支的板为例：弯矩的绝对值最大是发生在长边的中心部位，因而首先将在此形成断裂(图314(a)，而后在短边的中央

15、形成裂缝(图314(b)，待四周裂缝贯通而呈“O”形后，板中央的弯矩又达到最大值，超过强度极限而形成裂缝，最后形成“X”型破坏，如图314(c)所示。此时在板的支承边四周形成上部张开下部闭合的裂缝，而在“X”型破断部分则形成上部闭合而下部张开的裂缝。为了说明板的破坏过程，可以随着裂缝的发展，将已形成的裂缝部位视为简支条件，再进而考察其他部分的弯矩分布变化及新裂缝形成的部位和破断方向。这样，可以按图315的方式进行推理。图中横坐标为ab值，纵坐标表示公式M=fqb2中的f值。鉴于回采工作面长度在各种不同支承条件改变时可作为一个常量，因而f值的大小即表示了弯矩值的变化情况。曲线1表示四边固支条件下

16、长边中部的弯矩系数f值随ab值变化的情况。曲线2表示当全部长边形成裂缝时(变为简支)，短边中部的弯矩系数f值随ab值变化的情况。曲线3表示此时板中央在x轴方向的弯矩系数变化情况。曲线4则表示四周均形成裂缝时(变为简支)，板中央在x轴方向的弯矩系数变化情况。由图可知：(1)当f002时，板破断将先沿固定边长边形成裂缝并沿它延伸，在长边形成裂缝的过程中，板中央沿y方向将随之形成裂缝，而后导致破裂。由图可知：(2)当0.02fo032时，破断裂缝先沿长边延伸-短边裂缝延伸-裂缝在四角形成圆弧形贯通-四周简支的板仍然处于稳定状态-工作面继续推进导致ab值的增加-达到简支板的极限状态，原有工作面上方板的

17、裂缝闭合-工作面上方重新形成新的裂缝并与短边的裂缝贯通-最终导致板的“X”型破断；由上述可知，fO032时，则应以四周简支条件板达到极限弯矩时(即按板计算)作为计算准则。当采场处于一边采空的条件下(即该边简支)，其破断规律与四周固支时相近。但当老顶岩层处于两边简支、两边固支时，则将出现下述的破断现象，即：长边出现裂缝-工作面推进-另一长边出现裂缝(原裂缝闭合)-短边出现裂缝-裂缝贯通，板中央出现“X”型破坏。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。当老顶初次破断后，随回采工作面推进将发生周期断裂过程。在上述分析中，工作面长度b与推进距a满足ab1，老顶板的破断呈图3-14所示

18、的竖“ox”型破断形式。如工作面长度b较小，导致老顶初次破断时ab1，老顶的破断将呈图316所示的横“OX”型破断形式。此时，仅在AA剖面上满足“砌体梁”结构。第五节 老顶的初次断裂步距初次断裂步距（极限跨距）：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。意义：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。一、梁式断裂时的极限跨距两端固支梁的受力分析图。1、按弯矩计算：任意点A 处正应力：其中断面矩 最大拉应力在梁的端部 当 时，则岩梁被拉断裂。此时由 有：固定梁按弯矩计算的极限跨距：固定梁按弯矩计算的极限跨距：2、按剪力计算：、按剪力计算

19、：最大剪切力发生在梁的两端 最大剪应力为：当 时，岩梁被剪断。此时由 有：固定梁按剪力计算的极限跨距：固定梁按剪力计算的极限跨距：3、按简支梁计算：、按简支梁计算：剪力与固支梁同，跨距相同剪力与固支梁同，跨距相同 弯矩与固定梁不同，最大弯矩在梁中部弯矩与固定梁不同，最大弯矩在梁中部 故最大拉应力为：当 时，岩梁被拉断裂。此时由 有：简支梁按弯矩计算的极限跨距：简支梁按弯矩计算的极限跨距：老顶按梁式结构计算其极限跨度为：老顶按梁式结构计算其极限跨度为：固定梁固定梁 简支梁简支梁 按弯矩计算按弯矩计算 按剪力计算按剪力计算对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小于剪力极限跨度；对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小

20、于剪力极限跨度；简支梁弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度。简支梁弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度。（顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）（顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）结论：结论：4、q 的确定：的确定：1）组合梁原理：）组合梁原理：整体整体Q=Qi 整体整体M=Mi 整体曲率较单一分层为小整体曲率较单一分层为小 各分层曲率一致各分层曲率一致（否则要离层）2）q 的计算公式：的计算公式：由材力知曲率与弯矩关系为：且 即 故有：；由 M=Mi 有：有：故有：式中：而 即为考虑到 n 层对第一层的影响时形成的载荷，记为 故得：q 的计算公式：的计算公式：公式原理：公式原理：当开采空间形成后，第一层岩层并非承受其上直至地表的全部岩层重量，其上必然有一层距离较近的近的坚硬岩层，可将起上部岩层载荷通过本身的强度或抵抗变形能力传递到空间两侧实体支撑点上，而第一层岩层仅承受其上直至第一层坚硬岩层间各岩层因弯矩施加的载荷。公式应用：公式应用：（P79例题）1）先计算第一层载荷 2）计算第二层对第一层的作用；计算至第三层时第一层载荷 3）一直计算到第n+1层时，第一层载荷反而小于第n层时的载荷为止 4）取第n层时的计算载荷为 q，此值为计算过程中得到的最大值。