(4)--3 采场顶板活动规律.ppt

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1、矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 第三章第三章采场顶板活动规律采场顶板活动规律矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制主要内容主要内容 3.1 概述概述 3.2 有关采场上覆岩层活动规律的假说有关采场上覆岩层活动规律的假说 3.3 直接顶的垮落直接顶的垮落 3.4 老顶的断裂形式老顶的断裂形式 3.5 老顶的初次断裂步距老顶的初次断裂步距 3.6 老顶断裂后的老顶断裂后的“砌体梁砌体梁”结构及其稳定性分结构及其稳定性分 析析 3.7 老顶断裂时在岩体内引起的扰动老顶断裂时在岩体内引起的扰动矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制第一节第一节 概概 述述回回采采工工作作面面/采采场场：直直接接进进行

2、行采采煤煤或或采采其其它它矿矿物物的的工工作作空空间间称称为为回回采采工工作作面面或或简简称称为为采采场场。（coal face,working face)1 1、基本概念、基本概念顶顶板板：赋赋存存在在煤煤层层之之上上的的岩岩层层称称为为顶顶板板或或称称为为上上覆覆岩岩层层。（roof）底板底板：位于煤层下方的岩层称为：位于煤层下方的岩层称为底板底板。（。（floor)直直接接顶顶：直直接接位位于于煤煤层层上上方方的的一一层层或或几几层层性性质质相相近近的的岩岩层层称称为为直直接接顶顶。（immediate roof)，由由于于它它们们在在推推进进方方向向上上不不能能够够始始终终保保持持传传

3、递递力力的的联联系系，因因此此一一旦旦运运动动，其其重重量量将将由支架全部承担。由支架全部承担。直接顶指直接顶指采空区已经冒落岩层的总合采空区已经冒落岩层的总合。伪伪顶顶：在在煤煤层层与与直直接接顶顶之之间间有有时时存存在在厚厚度度小小于于0.30.5 m、极极易易垮垮落落（随随采采随随冒冒）的的软软弱弱岩岩层层，称称为为伪伪顶顶。（false roof)基基本本顶顶：位位于于直直接接顶顶之之上上（有有时时直直接接位位于于煤煤层层之之上上）对对采采场场矿矿山山压压力力直直接接造造成成影影响响的的厚厚而而坚坚硬硬的的岩岩层层称称为为基基本本顶顶/老顶。老顶。（main roof)老老顶顶破破断断

4、以以后后，破破裂裂岩岩块块始始终终能能保保持持向向煤煤壁壁前前方方和和采采空空区区矸矸石石上上传传递递力力的的联联系系，它它的的运运动动对对回回采采工工作作面面矿矿山山压压力力显显现有明显影响，但是其作用力无须由支架全部承担。现有明显影响，但是其作用力无须由支架全部承担。图图3-1 回采工作面采空区常见处理方法回采工作面采空区常见处理方法a 刀柱刀柱(留煤柱留煤柱)；b 顶板缓慢下沉法；顶板缓慢下沉法；c 充填法充填法；d 全部垮落法全部垮落法2 2、回采工作面采空区处理方法、回采工作面采空区处理方法充填回采工作面采空区处理方法充填回采工作面采空区处理方法充填回采工作面采空区处理方法充填回采工

5、作面采空区处理方法支架支架煤体煤体采空区采空区充填体充填体充填体充填体发展膏体充填采煤技术的目的发展膏体充填采煤技术的目的 解放解放“三下一上三下一上”压煤，提高采出率，延长矿井服务年限；压煤，提高采出率，延长矿井服务年限；保水采煤；保水采煤；固体废物资源化利用；固体废物资源化利用；沿空留巷、煤沿空留巷、煤-瓦斯共采。瓦斯共采。需要指出的是，我国煤矿目前普遍采用的是需要指出的是，我国煤矿目前普遍采用的是全部垮落法全部垮落法管理顶板管理顶板，在回采工作面从开切眼回采一定宽度出现顶板破，在回采工作面从开切眼回采一定宽度出现顶板破断冒落以后，断冒落以后，回采工作面便是处于一侧是待采的煤壁，另一回采工

6、作面便是处于一侧是待采的煤壁，另一侧是冒落破坏的采空区。侧是冒落破坏的采空区。煤矿安全生产最关心的是如何才能够确保回采工作面工煤矿安全生产最关心的是如何才能够确保回采工作面工人、设备安全！人、设备安全！这需要研究掌握回采过程中顶板岩层移动破这需要研究掌握回采过程中顶板岩层移动破坏规律，需要研究直接顶、老顶对采场矿山压力显现的影响坏规律，需要研究直接顶、老顶对采场矿山压力显现的影响和对支架的要求，需要研究各种条件下设计加工什么样的支和对支架的要求，需要研究各种条件下设计加工什么样的支架才能够保证支护安全。煤与瓦斯共采还需要研究掌握瓦斯架才能够保证支护安全。煤与瓦斯共采还需要研究掌握瓦斯在采空区内

7、的运移规律。在采空区内的运移规律。在煤（岩）体内形成回采工作空间（巷道）将引起围在煤（岩）体内形成回采工作空间（巷道）将引起围岩破碎，其上方岩体的部分重量则由此空间内的支护物来岩破碎，其上方岩体的部分重量则由此空间内的支护物来承担，承担，从而形成了对支架的压力从而形成了对支架的压力从而形成了对支架的压力从而形成了对支架的压力（有时是由于围岩变形而（有时是由于围岩变形而形成对支架的压力）。形成对支架的压力）。P66P66P66P66 由于这些原因对支架造成的压力，不同于岩体内的矿由于这些原因对支架造成的压力，不同于岩体内的矿山压力，但习惯上也常称为山压力，但习惯上也常称为矿山压力矿山压力矿山压力

8、矿山压力。为了区分其间的含。为了区分其间的含义，可称它为义，可称它为围岩压力或顶板压力围岩压力或顶板压力围岩压力或顶板压力围岩压力或顶板压力等。等。岩层中未破坏的部分（或未产生剧烈变形的部分），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 岩体的岩体的“大结构大结构”。对对于于一一个个回回采采工工作作面面，如如果果不不知知道道顶顶板板中中那那些些岩岩层层需需要要控控制制，不不知知道道这这些些岩岩层层大大面面积积运运动动发发生生的的时时间间、范范围围以以及及可可能能的的运运动动方方向向，控控制制

9、设设计计将将是是盲盲目目的的。同同样样，如如果果不不了了解解支支承承压压力力分分布布随随上上覆覆岩岩层层运运动动发发生生的的变变化化规规律律，不不能能根根据据具具体体的的条条件件，包包括括时时间间、地地点点及及上上覆覆岩岩层层运运动动的的发发展展情情况况等等，搞搞清清楚楚回回采采工工作作面面四四周周压压力力的的真真实实分分布布情情况况，要要正正确确选选择择巷巷道道合合理理的的开开掘掘位位置置和和时时间间，解解决决好好巷巷道道所所必必须须的的阻阻力力和和缩缩量量等方面的问题也是不可能的。等方面的问题也是不可能的。本章重点学习本章重点学习采场顶板岩层移动破坏规律采场顶板岩层移动破坏规律。3 3、为

10、何要研究顶板活动规律、为何要研究顶板活动规律第二节第二节 有关采场上覆岩层活动规律的假说有关采场上覆岩层活动规律的假说 “假假说说”就就是是用用已已有有的的事事实实材材料料和和科科学学原原理理为为依依据据，关关于于未未知知事事实实（如如现现象象之之间间的的规规律律性性联联系系、事事物物的的存存在在或或原原因因、未来事件的出现等）的假设性解释。未来事件的出现等）的假设性解释。形形成成假假说说是是科科学学研研究究活活动动中中的的基基本本程程序序之之一一，也也是是研研究究工工作作十十分分重重要要的的手手段段。经经过过实实践践检检验验和和验验证证，证证明明是是正正确确的的，就上升为就上升为理论和规律理

11、论和规律。由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质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，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，的复杂性，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释（即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概这种解释（即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）称为括）称为矿山压力假说矿山压力假说，它们丰富和促进了矿山压力理论的，它们丰富和促进了矿山压力理论的发展。发展。假说观点假说观点假说观点假说观点：由由由由于于于于岩岩岩岩层层层层自自自自然然然然平平平平衡衡衡衡的的的的结结结结果果果果而而而而形形形形成成成成一一一一个个个个前前

12、前前拱拱拱拱脚脚脚脚（支支支支撑撑撑撑点点点点）在在在在工工工工作作作作面面面面前前前前方方方方煤煤煤煤体体体体，后后后后拱拱拱拱脚脚脚脚（支支支支撑撑撑撑点点点点）在在在在采采采采空空空空区区区区内内内内已已已已垮垮垮垮落落落落的的的的矸矸矸矸石石石石上上上上或或或或采采采采空空空空区区区区充充充充填填填填体体体体上上上上。在在在在前前前前后后后后拱拱拱拱脚脚脚脚间间间间形形形形成成成成了了了了一一一一个个个个减减减减压压压压区区区区，回回回回采采采采工工工工作作作作面面面面的的的的支支支支架架架架只只只只承承承承受受受受压压压压力拱内岩石的重量力拱内岩石的重量力拱内岩石的重量力拱内岩石的重

13、量。1、压力拱假说压力拱假说（德国哈德克等，（德国哈德克等，1928）讨讨讨讨论论论论：压压力力拱拱假假说说对对回回采采工工作作面面前前后后的的支支承承压压力力及及回回采采工工作作空空间间处处于于减减压压范范围围作作出出了了粗粗略略的的但但却却是是经经典典的的解解释释，而而对对于于此此拱拱的的特特性性、岩岩层层变变形形、移移动动和和破破坏坏的的发发展展过过程程以以及及支支架架与与围围岩岩的的相相互互作作用用，并并没没有有做任何分析。做任何分析。假假说说观观点点：工工工工作作作作面面面面和和和和采采采采空空空空区区区区顶顶顶顶板板板板可可可可视视视视为为为为一一一一端端端端固固固固定定定定于于于

14、于煤煤煤煤壁壁壁壁前前前前方方方方岩岩岩岩体体体体内内内内、另另另另一一一一端端端端处处处处于于于于悬悬悬悬伸伸伸伸状状状状态态态态的的的的梁梁梁梁，悬悬悬悬臂臂臂臂梁梁梁梁弯弯弯弯曲曲曲曲下下下下沉沉沉沉后后后后，受受受受到到到到已已已已垮垮垮垮落落落落岩岩岩岩石石石石的的的的支支支支撑撑撑撑，当当当当悬悬悬悬伸伸伸伸长长长长度度度度很很很很大大大大时时时时，发发发发生生生生有有有有规规规规律律律律的的的的周期性折断，从而引起周期来压。周期性折断，从而引起周期来压。周期性折断，从而引起周期来压。周期性折断，从而引起周期来压。2、悬臂梁假说（德国施托克，、悬臂梁假说（德国施托克，1916）讨论

15、：讨论：讨论：讨论：悬臂梁假说解释了：悬臂梁假说解释了：悬臂梁假说解释了：悬臂梁假说解释了：（1 1 1 1）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越远则两者均大的现象。距煤壁越远则两者均大的现象。距煤壁越远则两者均大的现象。距煤壁越远则两者均大的现象。（2 2 2 2）采场出现前支承压力、周期来压现象。）采场出现前支承压力、周期来压现象。）采场出现前支承压力、周期来压现象。）采场出现前支承压力、周期来压现象。该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采该假说提

16、出了各种计算方法，但由于并未查明开采该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层活动规律，因此后上覆岩层活动规律，因此后上覆岩层活动规律，因此后上覆岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。3、铰接岩块假说、铰接岩块假说 （前苏联库兹涅佐夫，（前苏联库兹涅佐夫，1950)假说观点假

17、说观点：（1 1）采采场场上上覆覆岩岩层层分分为为垮垮落落带带和和裂裂隙隙带带，二二者者差差别别在在于于，裂裂隙隙带带岩岩块块间间存存在在有有规规律律的的水水平平挤挤压压力力的的联联系系，从从而而相相互铰合形成一条多环节的铰链。三铰拱式的平衡。互铰合形成一条多环节的铰链。三铰拱式的平衡。（2 2）工工作作面面支支架架存存在在两两种种工工作作状状态态：给给定定载载荷荷状状态态；给定变形状态给定变形状态。P67 讨论：讨论：讨论：讨论：（1）正确解释了顶板分带情况。）正确解释了顶板分带情况。（2）提出了老顶铰接岩块结构）提出了老顶铰接岩块结构形式。形式。（3）没有解决结构平衡条件。）没有解决结构平

18、衡条件。假说观点：假说观点：假说观点：假说观点：（1 1）在采场周围存在应力降低区）在采场周围存在应力降低区）在采场周围存在应力降低区）在采场周围存在应力降低区()，应力增高区，应力增高区，应力增高区，应力增高区()和和和和采动影响区采动影响区采动影响区采动影响区()，并随工作面推进而向前移动。，并随工作面推进而向前移动。，并随工作面推进而向前移动。，并随工作面推进而向前移动。采动岩体形采动岩体形采动岩体形采动岩体形成各种裂隙，从而形成假塑性梁。成各种裂隙，从而形成假塑性梁。成各种裂隙，从而形成假塑性梁。成各种裂隙，从而形成假塑性梁。（2 2）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，）老顶

19、采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，其在彼此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡。在自重其在彼此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡。在自重其在彼此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡。在自重其在彼此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡。在自重及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩当下部岩当下部岩当下部岩层的下沉量大于上部岩层时，就产生离层。层的下沉量大于

20、上部岩层时，就产生离层。层的下沉量大于上部岩层时，就产生离层。层的下沉量大于上部岩层时，就产生离层。4、预成裂隙假说、预成裂隙假说(比利时比利时 拉巴斯，拉巴斯，1950）讨论：讨论：讨论：讨论：（1）提出了采场顶板水）提出了采场顶板水平分区情况。平分区情况。（2）提出了破裂老顶呈）提出了破裂老顶呈塑性体，类似梁结构形式。塑性体，类似梁结构形式。（3）无具体力学模型，）无具体力学模型，只是定性描述。只是定性描述。（3 3）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力

21、，并应及时支撑住顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，借时支撑住顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，借时支撑住顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，借时支撑住顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，借助于彼此之间的摩擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对助于彼此之间的摩擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对助于彼此之间的摩擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对助于彼此之间的摩擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对滑移、张裂与离层。滑移、张裂与离层。滑移、张裂与离层。滑移、张裂与离层。5、砌体梁假说（钱鸣高，、砌体梁假说（钱鸣高，1978）（1 1）上覆岩层结构的骨架是）上覆岩层结构的骨架是覆岩中的坚硬

22、岩层覆岩中的坚硬岩层。可将上。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。硬岩层与下部骨架联结的垫层。砌体梁砌体梁砌体梁砌体梁理论理论理论理论依据以下观点：依据以下观点：依据以下观点：依据以下观点：（2）随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层在裂缝带）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成

23、铰接关系铰接关系。岩层移动曲线的形态经实测呈。岩层移动曲线的形态经实测呈开始为下凹、而开始为下凹、而后随工作面的推进逐渐恢复水平状态后随工作面的推进逐渐恢复水平状态，由此决定了断裂岩块，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。间铰接点的位置。（3 3）由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两层骨架间）由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两层骨架间）由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两层骨架间）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的联结能用的联结能用的联结能用可缩性支杆代替可缩性支杆代替可缩性支杆代替可缩性支杆代替。（4 4）当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位置时，岩）当骨架层的断裂岩块

24、回转恢复到近水平位置时，岩）当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位置时，岩）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块间的剪切力趋近于零，此时的铰接关系可转化为块间的剪切力趋近于零，此时的铰接关系可转化为块间的剪切力趋近于零，此时的铰接关系可转化为水平连水平连水平连水平连杆联结关系杆联结关系杆联结关系杆联结关系。（5 5）最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于）最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于）最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于）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

25、程岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化。度而变化。度而变化。度而变化。垮落带垮落带裂缝带裂缝带弯曲下沉带弯曲下沉带煤壁支承区煤壁支承区离层区离层区重新压实区重新压实区砌体梁理论砌体梁理论砌体梁理论砌体梁理论提出以后，很快得到煤炭系统广泛认同，对提出以后，很快得到煤炭系统广泛认同，对采场支架选型设计与顶板管理发挥了重要的理论指导作采场支架选型设计与顶板管理发挥了重要的理论指导作用。用。讨论讨论：（1）砌砌体体梁梁理理论论关关于于采采场场顶顶板板分分区区、分分带带特特征征吸吸收

26、收了了预预成成裂裂隙隙假假说说、铰铰接接岩岩块块假假说说的的合合理理内内容容，得得到到了了孔孔庄庄煤煤矿矿现现场场实实测测证证实实，已已经经成成为为煤煤炭炭系系统统关关于于采采场场顶顶板板分分区区、分分带带特特征的标准表述。征的标准表述。实际上底板也要遭受采动破坏，有实际上底板也要遭受采动破坏，有“下三带下三带”之说。之说。（2）砌砌体体梁梁理理论论建建立立了了比比较较完完善善的的力力学学模模型型，并并提提出出了了砌砌体体梁梁平平衡衡“准准定定量量”计计算算，对对一一系系列列采采场场矿矿山山压压力力现现象象做做出了合理解释。出了合理解释。（3）关关于于煤煤体体影影响响、老老顶顶岩岩层层在在煤煤

27、壁壁上上方方破破断断位位置置等等缺缺乏深入研究。乏深入研究。6、传递岩梁理论、传递岩梁理论（宋振琪，（宋振琪，1978）理论观点：理论观点：（1 1）煤煤层层支支承承压压力力分分内内外外应应力力场场。老老顶顶破破断断位位置置一一般般位位于于煤煤壁壁前前方方，破破断断位位置置到到煤煤壁壁这这部部分分支支承承压压力力为为内内应应力力场场，其其大大小小由由下下位位老老顶顶岩岩梁梁重重量量决决定定，与与采采深深没没有有直直接接联联系系；破破破破断断断断位位位位置置置置往往往往深深深深部部部部为为为为外外外外应应应应力力力力场场场场，其其其其大大大大小小小小与与与与开开开开采采采采深度直接相关。深度直接

28、相关。深度直接相关。深度直接相关。（2）老老顶顶破破断断后后，在在破破断断裂裂隙隙附附近近一一定定范范围围支支承承压压力力明明显显减减小小，在在采采场场煤煤壁壁前前方方的的回回采采巷巷道道顶顶底底变变形形出出现现反反弹弹，可以利用这一特点预报老顶来压和破断位置。可以利用这一特点预报老顶来压和破断位置。（3）老顶传递岩梁可以传递水平力。）老顶传递岩梁可以传递水平力。（4）采采场场支支架架支支护护其其上上方方全全部部直直接接顶顶岩岩石石重重量量；对对老老顶顶根据采场需要选择根据采场需要选择“给定变形给定变形”还是还是“限定变形限定变形”。讨论：讨论：（1）传传递递岩岩梁梁理理论论正正确确揭揭示示了

29、了老老顶顶岩岩梁梁一一般般在在煤煤壁壁前前方破断的实际，指导了采场顶板来压预测预报。方破断的实际，指导了采场顶板来压预测预报。（2）但但是是，该该理理论论关关于于老老顶顶“传传递递岩岩梁梁”破破断断以以后后的的结构形式还需要进一步研讨。结构形式还需要进一步研讨。7、关键层理论、关键层理论 （钱鸣高，（钱鸣高，1996）理论观点：理论观点：（1）在在直直接接顶顶上上方方存存在在厚厚度度不不等等、强强度度不不同同的的多多层层岩岩层层，其其中中一一层层至至数数层层在在采采场场上上覆覆岩岩层层活活动动中中起起主主要要的的控控制制作作用用。将将将将对对对对采采采采场场场场上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层

30、局局局局部部部部或或或或直直直直至至至至地地地地表表表表的的的的全全全全部部部部岩岩岩岩层层层层活活活活动动动动起起起起控控控控制制制制作作作作用用用用的的的的岩岩岩岩层层层层称称称称为为为为关关关关键键键键层层层层。前前者者称称为为亚亚关关键键层层，后后者者称为主关键层。称为主关键层。（2）为为了了弄弄清清岩岩层层移移动动由由下下往往上上传传递递的的动动态态过过程程，岩岩层层移移动动过过程程中中形形成成的的采采场场矿矿压压显显现现、煤煤岩岩体体中中水水与与瓦瓦斯斯的的流流动动和和地地表表沉沉陷陷等等状状态态的的变变化化，关关键键在在于于弄弄清清关关键键层层的的变变形破断及其运动规律。形破断及

31、其运动规律。关键层相似材料模拟关键层相似材料模拟 关键层相似材料模拟关键层相似材料模拟 关键层相似材料模拟关键层相似材料模拟 关键层相似材料模拟关键层相似材料模拟 关键层相似材料模拟关键层相似材料模拟 讨论：讨论：（1 1）关关键键层层理理论论的的提提出出实实现现了了矿矿山山压压力力、岩岩层层移移动动与与地地表表沉沉陷陷、采采动动煤煤岩岩体体中中水水与与瓦瓦斯斯流流动动研研究究的的有有机机统统一一，为为更更全全面面、深深入入地地解解释释采采动动岩岩体体活活动动规规律律和和采采动动损损害害显显现现奠奠定定了基础，为煤矿绿色开采技术研究提供了新的理论平台。了基础，为煤矿绿色开采技术研究提供了新的理

32、论平台。（2 2）关关键键层层理理论论是是矿矿山山压压力力控控制制中中的的“抓抓主主要要矛矛盾盾”思想，给予大家一种研究问题的正确思路。思想，给予大家一种研究问题的正确思路。（3 3）关关键键层层理理论论提提出出之之前前，研研究究采采动动岩岩层层移移动动学学者者王王金金庄庄教教授授（中中国国矿矿业业大大学学）曾曾提提出出“托托板板”概概念念，有有关关键键层层的函义。关键层是托板概念的提升、扩展。的函义。关键层是托板概念的提升、扩展。（4 4）砌砌体体梁梁、关关键键层层理理论论力力学学模模型型简简单单是是科科学学简简化化的的结果。结果。第三节第三节 直接顶的垮落直接顶的垮落 煤层开采后，将首先引

33、起直接顶的垮落。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，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。当达到其极限跨距时开始垮落。直接顶初次垮落：直接顶第一次垮落高度超过直接顶初次垮落：直接顶第一次垮落高度超过1 11.5 m1.5 m，范围超过全工作面长度的一半，叫做直接顶初次垮落，此时，范围超过全工作面长度的一半，叫做直接顶初次垮落，此时直接顶的跨距称为直接顶的跨距称为“直接顶初次垮落距直接顶初次垮落距”。直接顶初次垮落前，相对基本顶直接顶初次垮落前，相对基本顶(老顶老顶)而言，其变形大，而言，其变形大，容易

34、出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初次垮落前可以容易出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初次垮落前可以简化为简化为“固支梁固支梁”式结构，其离层与变形分析如下。式结构，其离层与变形分析如下。直接顶初次垮落前的离层分析直接顶初次垮落前的离层分析 直接顶初次垮落前的离层分析直接顶初次垮落前的离层分析直接顶直接顶老老 顶顶 直接顶最大挠度直接顶最大挠度直接顶最大挠度直接顶最大挠度老顶最大挠度老顶最大挠度老顶最大挠度老顶最大挠度不离层条件不离层条件不离层条件不离层条件35 若令若令q1=h3，且，且h3=h1，J1=bh13/12，J2=b(h)3/12，令，令b=1，则上式可改写为：则上式可改写为：书

35、书P71P71表表3-13-1，可以看出，当直接顶厚度，可以看出，当直接顶厚度小于或等于小于或等于老顶厚度老顶厚度时，时，均易形成直接顶与老顶间离层均易形成直接顶与老顶间离层。为了防止直接顶因离层产生推跨事故必须保证支为了防止直接顶因离层产生推跨事故必须保证支架具有一定的初撑力：架具有一定的初撑力：P71-72讨论：讨论：书中关于防止直接顶离层的初撑力计算，是按照书中关于防止直接顶离层的初撑力计算，是按照空顶区全部直接顶受支架均匀支护作用：则空顶区全部直接顶受支架均匀支护作用：则 实际上直接顶初次垮落距离大于实际上直接顶初次垮落距离大于10m10m，而采场控顶，而采场控顶宽度一般只有宽度一般只

36、有5 56m6m，并不是如上所说，而更接近下图。，并不是如上所说，而更接近下图。直直接接顶顶初初次次垮垮落落后后，岩岩石石破破碎碎，杂杂乱乱堆堆积积(图图3-9)，岩岩体体破破碎碎后后体体积积将将产产生生膨膨胀胀，堆堆积积的的高高度度可可能能大大于于直直接接顶顶岩岩层层原原来来的的厚厚度度。若若直直接接顶顶岩岩层层的的垮垮落落厚厚度度为为h，则则垮垮落落后后堆积的高度为堆积的高度为Kph。它与老顶之间可能留下的空隙。它与老顶之间可能留下的空隙为：为：直接顶垮落后的碎胀特性直接顶垮落后的碎胀特性 当M=h(Kp-1)时，=0，即冒落的直接顶将充满采空区。此时：讨论：讨论：影响！影响！随随着着工工

37、作作面面自自开开切切眼眼开开始始推推进进，直直接接顶顶发发生生初初次次垮垮落落。由由于于老老顶顶强强度度较较大大，因因而而继继续续呈呈悬悬露露状状态态。此此时时，可视老顶为一悬露的可视老顶为一悬露的“板板”。第四节第四节 老顶的断裂形式老顶的断裂形式一、老顶的梁式破断一、老顶的梁式破断 由由于于回回采采工工作作面面长长度度（200m左左右右）远远大大于于老老顶顶悬悬露露的的跨跨距距（40m左左右右）。因因此此可可将将老老顶顶视视为为一一端端由由工工作作面面煤煤壁壁、另另一一端端由由边边界界煤煤柱柱支支撑撑的的固固定定梁梁，即即所所谓谓“梁梁”的的假假说说。此此时时，若若若若老老老老顶顶顶顶之之

38、之之上上上上的的的的岩岩岩岩层层层层强强强强度度度度较较较较低低低低，则则则则上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层的的的的重重重重量量量量将将将将通通通通过过过过老老老老顶顶顶顶岩岩岩岩“梁梁梁梁”传传传传递递递递至至至至两两两两端端端端的的的的支支支支承承承承点点点点上上上上，即即即即煤煤煤煤壁壁壁壁和和和和煤煤煤煤柱柱柱柱上。上。上。上。梁的受力状态分析：梁的受力状态分析：梁发生弯曲变形时，横截面上同时存在着两种内力梁发生弯曲变形时，横截面上同时存在着两种内力：剪切力：剪切力：剪切力：剪切力：作用线切于截面形心并在纵向对称面内。作用线切于截面形心并在纵向对称面内。作用线切于截面形心并在纵向对称

39、面内。作用线切于截面形心并在纵向对称面内。弯弯弯弯 矩：矩：矩：矩：位于纵向对称面内。是受力构件截面上的位于纵向对称面内。是受力构件截面上的位于纵向对称面内。是受力构件截面上的位于纵向对称面内。是受力构件截面上的内力矩的一种，其大小为该截面截取的构件部分上内力矩的一种，其大小为该截面截取的构件部分上内力矩的一种，其大小为该截面截取的构件部分上内力矩的一种，其大小为该截面截取的构件部分上所有所有所有所有外力对该截面形心矩的代数和外力对该截面形心矩的代数和外力对该截面形心矩的代数和外力对该截面形心矩的代数和。431.固支梁固支梁 均布载荷，梁两端反力均布载荷，梁两端反力R1=R2，弯矩，弯矩M1=

40、M2，当，当Fy=0，则，则取岩梁内任意截面取岩梁内任意截面D-D，其剪切力为，其剪切力为岩梁内任意截面岩梁内任意截面D-D的弯矩为：的弯矩为：根据材料力学的解根据材料力学的解 ，代入上式，代入上式 由此可以看出固支梁由此可以看出固支梁最大弯矩最大弯矩和和最大剪力最大剪力发生在煤发生在煤壁两端。壁两端。2.简支梁简支梁 在现实条件下，由于开采条件不断变化，不能所有在现实条件下，由于开采条件不断变化，不能所有岩梁都按固支梁进行计算。当一侧或两侧采区已采完时，岩梁都按固支梁进行计算。当一侧或两侧采区已采完时，岩梁由岩梁由固支梁固支梁变为变为简支梁简支梁。有些国家把浅部矿井的老顶有些国家把浅部矿井的

41、老顶按简支梁计算，深部矿井视为固支梁。按简支梁计算，深部矿井视为固支梁。均布载荷，梁两端反力均布载荷，梁两端反力R1=R2，弯矩，弯矩M1=M2，当，当Fy=0，则，则取岩梁内任意截面取岩梁内任意截面取岩梁内任意截面取岩梁内任意截面D-DD-D，其剪切力为，其剪切力为，其剪切力为，其剪切力为即剪切力与固支梁相似，弯矩为：即剪切力与固支梁相似，弯矩为：由此可以看出简支梁由此可以看出简支梁最大剪力最大剪力发生在发生在煤壁两端煤壁两端，最大弯矩最大弯矩在中间。在中间。从老顶岩梁的两种支撑状态可以分析出，老顶岩从老顶岩梁的两种支撑状态可以分析出，老顶岩梁破坏形式有两种梁破坏形式有两种：受弯矩作用拉断；

42、受弯矩作用拉断；受剪切力作用切断受剪切力作用切断 老老顶顶岩岩层层初初次次断断裂裂。一一般般老老顶顶岩岩层层厚厚为为采采高高的的56倍倍，按按照照薄薄板板的的假假设设，其其厚厚度度(h)与与宽宽度度(a)的的比比值值h/a=1/71/15，因因此此，可可视视老老顶顶岩岩层层为为薄薄板板，当当老老顶顶与与上上部部岩岩层层形形成成离离层后更是如此。层后更是如此。对对于于薄薄板板，弹弹性性力力学学在在“连连续续性性、完完全全弹弹性性、均均匀匀性性、各各向向同同性性、小小变变形形”五五项项基基本本假假设设基基础础上上，增增加加三三项项薄薄板板计计算算假假设设：z=0；中中面面的的法法线线在在薄薄板板弯

43、弯曲曲时时保保持持不不伸伸缩缩；薄薄板板中中面面内内各各点点都都没没有有平平行行于于中中面面的的位位移移，在在此此基基础础上上推推导导出出有有关关计计算算公公式式。矿矿山山压压力力理理论论关关于于老老顶顶的的板板式式破破断断就就是弹性力学在这些假设条件下的具体应用。是弹性力学在这些假设条件下的具体应用。二、老顶的板式破断二、老顶的板式破断四边固支四边固支三边固支三边固支二边固支二边固支一边固支一边固支图图3-12 典型情况老顶支撑条件的简化典型情况老顶支撑条件的简化 采采采采用用用用板板板板的的的的MarcusMarcus简简简简算算算算法法法法，即即即即视视视视“板板板板”为为为为分分分分条

44、条条条的的的的梁梁梁梁，对对对对中中中中部部部部来来来来说说说说即即即即为为为为交交交交叉叉叉叉的的的的条条条条梁梁梁梁，按按按按挠挠挠挠度度度度相相相相等等等等的的的的原原原原则则则则可可可可求求求求得得得得板板板板中中中中部部部部及及及及边界上的弯矩及其分布图。边界上的弯矩及其分布图。边界上的弯矩及其分布图。边界上的弯矩及其分布图。其其其其中中中中，(a)(a)为为为为四四四四边边边边固固固固支支支支；(b)(b)为为为为三三三三边边边边固固固固支支支支，一一一一边边边边简简简简支支支支；(c)(c)为两边固支，两边简支；为两边固支，两边简支；为两边固支，两边简支；为两边固支，两边简支；(

45、d)(d)为一边固支，三边简支。为一边固支，三边简支。为一边固支，三边简支。为一边固支，三边简支。q板载荷；板载荷；qx、qy板在板在x、y方向方向作条梁时载荷；作条梁时载荷；Mx1、My1板长、短边板长、短边中部边界处弯矩；中部边界处弯矩；Mx1max、My1max板板中部在中部在x、y方向最大弯矩；方向最大弯矩；vxvx、vyvy、vv修正系数。修正系数。修正系数。修正系数。四边固支板应力分布四边固支板应力分布四边固支板应力分布四边固支板应力分布53 a/b1a/b1：顶顶顶顶板板板板先先先先沿沿沿沿采采采采场场场场煤煤煤煤壁壁壁壁侧侧侧侧中中中中央央央央破破破破坏坏坏坏，然然然然后后后后

46、两两两两侧侧侧侧破破破破断断断断，再再再再板中央顺煤壁方向破坏，最后呈竖板中央顺煤壁方向破坏，最后呈竖板中央顺煤壁方向破坏，最后呈竖板中央顺煤壁方向破坏，最后呈竖“O-X”O-X”型破断形式。型破断形式。型破断形式。型破断形式。讨论：讨论：讨论：讨论：板式破断揭示了采场顶板破坏首先发展的过程；板式破断揭示了采场顶板破坏首先发展的过程；板式破断揭示了采场顶板破坏首先发展的过程；板式破断揭示了采场顶板破坏首先发展的过程；老顶老顶老顶老顶的梁式破断与采场中部近似；的梁式破断与采场中部近似；的梁式破断与采场中部近似；的梁式破断与采场中部近似；采场两端为弧三角形板结构。采场两端为弧三角形板结构。采场两端

47、为弧三角形板结构。采场两端为弧三角形板结构。a/ba/b1 1：老老老老顶顶顶顶板板板板先先先先沿沿沿沿采采采采空空空空区区区区两两两两侧侧侧侧中中中中央央央央破破破破坏坏坏坏，然然然然后后后后沿沿沿沿采采采采场场场场煤煤煤煤壁壁壁壁侧侧侧侧破破破破断断断断，再再再再沿沿沿沿中中中中央央央央顺顺顺顺采采采采场场场场推推推推进进进进方方方方向向向向破破破破坏坏坏坏，最最最最后后后后呈呈呈呈横横横横“O-X”O-X”型破断形式。此时，仅在型破断形式。此时，仅在型破断形式。此时，仅在型破断形式。此时，仅在A-AA-A剖面上满足剖面上满足剖面上满足剖面上满足“砌体梁砌体梁砌体梁砌体梁”结构。结构。结构

48、。结构。图图3-16 老顶板的横老顶板的横“O-X”型破断型破断 根据现场观测和实验室研究，板的根据现场观测和实验室研究，板的X型破坏不仅初次来型破坏不仅初次来压时呈现，而且周期来压时也呈现。根据压时呈现，而且周期来压时也呈现。根据X型破坏的特点型破坏的特点可将工作面来压分为可将工作面来压分为上、中、下上、中、下三个区，在工作面中部区三个区，在工作面中部区域，上覆岩层的活动规律可按域，上覆岩层的活动规律可按“砌体梁砌体梁”的平衡概念加以的平衡概念加以解释，即形成了沿走向方向推进而形成的块体咬合的力的解释，即形成了沿走向方向推进而形成的块体咬合的力的平衡关系，平衡关系，但上、下两侧则不同，属于板

49、的弧形破坏。但上、下两侧则不同，属于板的弧形破坏。上中下56 图图3-15 四边固支条件下四边固支条件下f与与a/b值的关系值的关系 P75P751四四边边固固支支，长长边中部；边中部；22长长长长边边边边全全全全破破破破成成成成简简简简支，短边中部；支，短边中部；支，短边中部；支，短边中部；3长长边边全全破破成成简简支，板中央支，板中央x方向；方向；44四四四四周周周周全全全全破破破破成成成成简简简简支，板中央支，板中央支，板中央支，板中央x x方向方向方向方向由图由图由图由图3-153-15知，知，知，知，当破断时当破断时当破断时当破断时a a/b b的值越小，则上覆岩层中属于的值越小，则

50、上覆岩层中属于的值越小，则上覆岩层中属于的值越小，则上覆岩层中属于“砌体梁砌体梁砌体梁砌体梁”式式式式平衡的范围越大。平衡的范围越大。平衡的范围越大。平衡的范围越大。当岩层破断时，当岩层破断时，当岩层破断时，当岩层破断时，a a/b b值若接近于值若接近于值若接近于值若接近于1 1，则工作面来压现象已，则工作面来压现象已，则工作面来压现象已，则工作面来压现象已不能用不能用不能用不能用“砌体梁砌体梁砌体梁砌体梁”理论及其力的相互关系解释。理论及其力的相互关系解释。理论及其力的相互关系解释。理论及其力的相互关系解释。当岩层破断时，当岩层破断时，当岩层破断时，当岩层破断时，a a/b b值大于值大于