回采工作面上覆巖層活動規(guī)律及其分析ppt課件

1、礦山壓力與巖層控制第三章 采場頂板活動規(guī)律第一節(jié)第一節(jié) 幾個概念幾個概念回采任務(wù)面回采任務(wù)面采場采場頂板頂板底板底板采空區(qū)采空區(qū)在煤層或礦床的開采過程中，在煤層或礦床的開采過程中，直接進展采煤或采有用礦物的直接進展采煤或采有用礦物的任務(wù)空間任務(wù)空間直接頂直接頂偽頂偽頂老頂老頂直接位于煤層上方的一層或幾直接位于煤層上方的一層或幾層性質(zhì)相近的巖層。層性質(zhì)相近的巖層。隨回柱放頂而垮落，頁巖、砂隨回柱放頂而垮落，頁巖、砂頁巖等頁巖等位于煤層和直接頂之間，厚度位于煤層和直接頂之間，厚度小于小于0.30.5m，隨采隨冒。，隨采隨冒。炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖等。炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖等。位于直接頂之上，對采場礦山位于

2、直接頂之上，對采場礦山壓力直接呵斥影響的厚而鞏固壓力直接呵斥影響的厚而鞏固的巖層。砂巖、石灰?guī)r及砂礫的巖層。砂巖、石灰?guī)r及砂礫巖等。巖等。序號序號巖性巖性層厚層厚/m容重容重/kgm-3抗壓強度抗壓強度/MPa1砂質(zhì)泥巖32760182泥巖22760183粗砂巖162670504泥巖52260205炭質(zhì)泥巖0.718501566#煤41400107砂質(zhì)泥巖10276021采空區(qū)處置方法采空區(qū)處置方法: (a)刀柱刀柱(留煤柱留煤柱); (b)頂板緩慢下沉法頂板緩慢下沉法;(c)充填法充填法; (d)全部垮落法全部垮落法 根據(jù)實測，回采任務(wù)面支架所接受的力僅為上覆巖層分量的百分之幾。 這是由于上

3、覆巖層構(gòu)成了“大構(gòu)造，這種大構(gòu)造可以承當上覆巖層分量，從而起到對回采任務(wù)面的維護作用。全部垮落法回采任務(wù)空間的變化第二節(jié)第二節(jié) 有關(guān)采場上覆巖層有關(guān)采場上覆巖層“大構(gòu)造的假大構(gòu)造的假說說在前后拱腳間構(gòu)成了一個減壓區(qū)，回采任務(wù)面的支架只接受壓力拱內(nèi)巖石的分量。一、壓力拱假說該假說以為，由于巖層自然平衡的結(jié)果而構(gòu)成一個前拱腳支撐點在任務(wù)面前方煤體，后拱腳支撐點在采空區(qū)內(nèi)已垮落的矸石上或采空區(qū)充填體上。前前拱拱角角后后拱拱角角二、懸臂梁假說 該假說以為，任務(wù)面支該假說以為，任務(wù)面支架存在兩種任務(wù)形狀：給架存在兩種任務(wù)形狀：給定載荷形狀；給定變外形定載荷形狀；給定變外形狀。狀。三、鉸接巖塊假說三、鉸接

4、巖塊假說 此假說以為，采場此假說以為，采場上覆巖層分為垮落帶上覆巖層分為垮落帶和裂隙帶，二者的差和裂隙帶，二者的差別在于，裂隙帶巖塊別在于，裂隙帶巖塊間存在有規(guī)律的程度間存在有規(guī)律的程度擠壓力的聯(lián)絡(luò)，從而擠壓力的聯(lián)絡(luò)，從而相互鉸合而構(gòu)成一條相互鉸合而構(gòu)成一條多環(huán)節(jié)的鉸鏈。多環(huán)節(jié)的鉸鏈。四、四、 預成裂隙假說預成裂隙假說五、砌體梁力學模型五、砌體梁力學模型 采動上覆巖層的巖體構(gòu)造的骨架是覆巖中的鞏固巖層； 可將上覆巖層劃分為假設(shè)干組，每組以鞏固巖層為底層； 其上部的脆弱巖層可視為直接作用于骨架上的載荷，同時也是更上層鞏固巖層與下部骨架結(jié)合的墊層。 隨著任務(wù)面的推進，采空區(qū)上方鞏固巖層在裂痕帶內(nèi)將

5、斷裂成陳列整齊的巖塊，巖塊間將受程度推力作用而構(gòu)成鉸接關(guān)系。 巖層挪動曲線的形狀經(jīng)實測呈開場為下凹、而后隨任務(wù)面的推進逐漸恢復程度形狀的過程，由此決議了斷裂巖塊間鉸接點的位置。 假設(shè)曲線下凹，那么鉸接點位置在巖塊斷裂面的偏下部；反之，那么在偏上部。 假設(shè)在回采空間以及臨近的采空區(qū)上方出現(xiàn)明顯的離層區(qū)，闡明該區(qū)內(nèi)斷裂的巖塊可以構(gòu)成懸露構(gòu)造。 由于墊層傳送剪切力的才干較弱，因此兩由于墊層傳送剪切力的才干較弱，因此兩層骨架間的結(jié)合能用可縮性支桿替代。層骨架間的結(jié)合能用可縮性支桿替代。 當骨架層的斷裂巖塊回轉(zhuǎn)恢復到近程度位置時，巖塊間的剪切力趨近于零，此時的鉸接關(guān)系可轉(zhuǎn)化為程度連桿結(jié)合關(guān)系。 最上層為

6、表土沖積層，可將其視為均布載荷作用于巖體構(gòu)造上，而骨架層各巖塊上的載荷將隨墊層的壓實程度而變化。第三節(jié)第三節(jié) 直接頂?shù)目迓渲苯禹數(shù)目迓?、直接頂初次垮落距、直接頂初次垮落距1、直接頂初次垮落、直接頂初次垮落3、直接頂垮落后的碎脹特性、直接頂垮落后的碎脹特性構(gòu)成充溢采空區(qū)所需直接頂厚度為：直接頂?shù)目迓涓叨瘸街苯禹數(shù)目迓涓叨瘸?1.5m，范圍超越全任務(wù)面長度，范圍超越全任務(wù)面長度的一半。的一半。直接頂?shù)牡谝淮未竺娣e垮落直接頂?shù)牡谝淮未竺娣e垮落老頂?shù)淖畲髶隙葹椋褐苯禹數(shù)淖畲髶隙葹椋翰粯?gòu)成離層的條件為：假設(shè)令q1=h3，且h3h1 那么上式可改寫為： yhqLE Jmax111411384()ma

7、xyhLE Jn 14223842241114111384384JELhJELqh1111222aEhEhhhEEa112114、直接頂初次垮落前的離層、直接頂初次垮落前的離層 假設(shè)思索到初次放頂前支架支撐力的作用，那么不致于構(gòu)成離層的條件為： P支架單位面積初撐力。2241114131384)(384JELphJELhhhhE JhpE J131122粗略地講，當直接頂厚度小于或等于老頂厚度時，均易于構(gòu)成直接頂與老頂間離層。為了防止直接頂因離層產(chǎn)生推垮事故必需保證支架具有一定的初撐力：直接頂和老頂間發(fā)生離層圖2-6 利用紅外鉆孔探測儀觀測到的頂板離層裂隙20m0.5m0.5m20m4煤炭 質(zhì)

8、 泥 巖泥 巖中 細 砂 巖 （ 3煤 頂 板）10m 切眼鉆孔位置圖 紅外鉆孔攝像機一、老頂巖層的梁式平衡一、老頂巖層的梁式平衡 概念概念: 1初次垮落距初次垮落距 2膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)KP 、剩余膨脹系數(shù)、剩余膨脹系數(shù) KP 老頂初次垮落前巖體構(gòu)造圖第四節(jié)第四節(jié) 老頂?shù)臄嗔逊绞嚼享數(shù)臄嗔逊绞絟MKphMh(Kp1)當當0時，老頂彎曲下沉較小時，老頂彎曲下沉較小 因此構(gòu)成充溢采空區(qū)所需直接頂厚度為：因此構(gòu)成充溢采空區(qū)所需直接頂厚度為：當當0時，老頂呈懸露形狀，類似板狀構(gòu)造時，老頂呈懸露形狀，類似板狀構(gòu)造。即所謂。即所謂“梁的假說。梁的假說。 hMKP1分析這種梁的應力形狀分析這種梁的應力形狀

9、老頂巖梁受力分析對稱梁，所以：R1R2，彎矩M1M2。取Fy0，那么 恣意截面DD ，剪力為：所以: RRqL122QRqxqLxLx1212QRRqLmax122固定梁恣意截面DD 的彎矩為：在梁的兩端(x0；)，Mmax ；在梁的中部(x )，M qL2。 222211661212222LxLxqqLxqxqLMxqxxRMxqL212L2124假設(shè)為簡支梁：假設(shè)為簡支梁：此時，剪力一樣，但彎矩不同。即：此時，剪力一樣，但彎矩不同。即：此時，此時，Mmax在梁的中間，即：在梁的中間，即：MRxqxxqxLxx122MqLqLqLmax222488二、老頂巖層作為板構(gòu)造時彎矩分布與破斷方式二

10、、老頂巖層作為板構(gòu)造時彎矩分布與破斷方式 根據(jù)開采條件及采區(qū)邊境煤柱的大小，可將老頂巖層假設(shè)為： a)周圍固支； b)三邊固支一邊簡支； c)兩邊固支兩邊簡支； d)一邊固支及三邊簡支。 圖圖35 老頂巖層支撐條件的簡化老頂巖層支撐條件的簡化圖圖36 各類支撐條件下的彎矩分布各類支撐條件下的彎矩分布 1以四邊固支的板為例，老頂巖層 X形破壞 構(gòu)成過程： 2當采場處于一邊采空的條件下(該邊作為簡支條件)，其破斷規(guī)律與周圍固支時相近。 3當老頂巖層處于兩邊簡支兩邊固支時如下： 長邊出現(xiàn)裂痕 任務(wù)面推進 長邊另出現(xiàn)裂痕(原裂痕閉合) 短邊出現(xiàn)裂痕 裂痕貫穿，板中央出現(xiàn)X形破壞。 4當任務(wù)面處于三邊采

11、空時，老頂巖層的破斷過程與上述情況相仿。 老頂板橫老頂板橫“O-X型破斷方式型破斷方式3 老頂初次破斷時的極限跨距老頂初次破斷時的極限跨距一、梁式斷裂時的極限跨距一、梁式斷裂時的極限跨距 極限跨距：老頂巖梁到達斷裂時的跨距。極限跨距：老頂巖梁到達斷裂時的跨距。(初次斷裂步距初次斷裂步距圖圖39 巖梁上恣意點的應力分析巖梁上恣意點的應力分析 求解過程： 梁內(nèi)任一點正應力為： M該點所在斷面的彎矩； y該點離斷面中性軸的間隔； Jz對中性軸的斷面矩。 MyJz取梁單位寬度，那么 Jz bh3 (b=1)恣意點A： ，y=h/2時， 最大 xy 最大剪應力發(fā)生在矩形斷面梁的中性軸上，即y0， (xy

12、)max112123Myh324223Qhyhx32Qhx 假設(shè)根據(jù)固定梁計算：假設(shè)根據(jù)固定梁計算： max q2 那么：那么： 當當 maxT時，巖層將在該處拉裂。為時，巖層將在該處拉裂。為此，這種梁斷裂時的極限跨距為：此，這種梁斷裂時的極限跨距為：max611222222qLhqLhLhRqlTT2112 如以最大剪應力作為巖層斷裂的根據(jù)，最大剪切力發(fā)生在梁的兩端 Qmax (xy)max 當(xy)max到達極限強度S時，構(gòu)成的極限跨距為：qL234qLhLhRqlSS43 思索為簡支梁：思索為簡支梁： 依然依然 (xy)max = ，與固定梁計算結(jié)，與固定梁計算結(jié)果一樣。因此，得極限跨

13、距與上述計算也一果一樣。因此，得極限跨距與上述計算也一樣。樣。 此時：此時： 當當 maxRT時：時：34qLhmax618342222qLhqLhLhRqlTT 23 在普通情況下，由于彎矩構(gòu)成的極限跨距LlT要比剪切應力構(gòu)成的極限跨距LlS小。因此經(jīng)常按彎矩來計算極限跨距。 當運用刀柱法或房柱法開采時，老頂巖層的平安跨距Ls： 固定梁： 簡支梁： LhRnqST2LhRnqST 23 兩端固支梁極限跨距：兩端固支梁極限跨距：按抗拉強度按抗拉強度按抗剪強度按抗剪強度兩端簡支梁極限跨距：兩端簡支梁極限跨距：按抗拉強度按抗拉強度qRhLTlT2qRhLTlT32qhRLSlS34按抗剪強度按抗剪

14、強度qhRLSlS34舉例：設(shè)舉例：設(shè)h4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174Kpa按抗拉：按抗拉：按抗剪：按抗剪：固支梁 破斷距為 36m破斷距為1005m簡支梁 破斷距為 29m確定巖層梁所接受的載荷確定巖層梁所接受的載荷q： n層巖層對第一層影響所構(gòu)成的載荷(qn)1 當計算到(qn+1)1 (qn)1時，那么以(qn)1作為作用于第一層巖層的單位面積上的載荷。qE hhhhE hE hE hnn nn n11 131 12 21 132 233證明：證明：Q=Q1+Q2+QnM=M1+M2Mn圖圖310 多層梁的載荷計算圖多層梁的載荷計算圖 每個巖層梁在其自重下構(gòu)成的曲率不同

15、 (i 為曲率半徑) 各巖層組合在一同，曲率必然趨于一致。于是構(gòu)成了如下的關(guān)系：即：kME Jiiixii1ME JME JME Jnnn111222MME JE JMME JE JMME JE Jxxxxxnxnn121 122131 13 311 1;而：由于 ，兩邊求積分 MMMMxxxn x()()()12MME JE JE JE JME JME JE JE Jxxnnxxnn122331111111221QE JE JE JE JQxnnx1111122ddMxQ ，同理求積分：其中 qx= ； (q1)x即為思索到n層對第一層影響時構(gòu)成的載荷，即： ddQxq qE JE JE J

16、E Jqxnnx11111221 12 2hhhn n12.12;123322311nnbhJbhJbhJqE hhhhE hE hE hnn nn n11 131 12 21 132 2334 裂隙體梁的平衡裂隙體梁的平衡 破斷的巖塊構(gòu)成程度力，從而構(gòu)成摩擦力。上、下兩區(qū)圓弧形破壞構(gòu)成立體咬合關(guān)系。任務(wù)面中部構(gòu)成外表似梁，本質(zhì)是拱的裂隙體梁式平衡。這種構(gòu)造稱之為“砌體梁。圖311 老頂斷裂的普通形狀圖圖312 破斷巖塊的拱式平衡及其受力分析破斷巖塊的拱式平衡及其受力分析B1構(gòu)造的滑落失穩(wěn)構(gòu)造的滑落失穩(wěn)由三鉸拱的平衡，使巖塊堅持平衡那么： 巖塊咬合而構(gòu)成的裂隙體梁，最大剪切力在兩端支座為 。

17、TqLh28qL2 1當剪切力與摩擦力相等，呈極限平衡形狀。如剪切力大于摩擦力將失穩(wěn)。 巖塊相互間的內(nèi)摩擦角。 將 及 代入上式，那么可得失穩(wěn)的條件為：tgTR2/QLRTqLh282tg2/Lh可見能否產(chǎn)生滑落失穩(wěn)主要取決于老頂破斷巖塊的高長比。高長比越小，構(gòu)造抗滑落失穩(wěn)的才干越大。普通情況下，=3845，tan=0.81.0。因此，要防止老頂初次破斷后“砌體梁構(gòu)造產(chǎn)生滑落失穩(wěn)巖塊的高長比要小于0.40.5，即巖塊長度要大于22.5倍巖塊厚度. 2假設(shè)思索老頂巖層斷裂時，斷裂面與垂直面成一斷裂角圖313巖塊咬合點處的平衡 對a： (TcosRsin)tgR.cosTsin Tsin()Rco

18、s() tg() 當時， T多大都不能平衡，普通情況下 tg = 0.81，3845。 當節(jié)理面與層面交角：當時，不論程度推力T有多大，都不能獲得平衡。 對b分析： tg( +)RTRT2構(gòu)造的變形失穩(wěn)構(gòu)造的變形失穩(wěn) 在巖塊的回轉(zhuǎn)過程中，由于擠壓處部分應力在巖塊的回轉(zhuǎn)過程中，由于擠壓處部分應力集中，致使該處進入塑性形狀，甚至部分集中，致使該處進入塑性形狀，甚至部分受拉而使咬合處破壞呵斥巖塊回轉(zhuǎn)進一步受拉而使咬合處破壞呵斥巖塊回轉(zhuǎn)進一步加劇，從而導致整個構(gòu)造失穩(wěn)。加劇，從而導致整個構(gòu)造失穩(wěn)。圖314 回轉(zhuǎn)巖塊的分析對a取M00： 可近似地取lsin。對b可求得a值，當a較小時：Thaql122

19、A BEFhBBlBDBBlABADBDhlsin ;sinsinsinsinsin22)2/(22/2ahTqlaT而： 因此：咬合處構(gòu)成的擠壓應力p為：i=l / hBCABhlaBChl/ sinsinsin2ahl12sinTqlhl2sin2222sin12sin21/iiqlhqlaTp 令巖塊間的擠壓強度p與抗壓強度c的比值為 ，那么允許接受的載荷q為： 而梁在折裂時(到達極限跨度)q與抗拉強度t的關(guān)系為： t =Kql2/(h2/6)6Ki2q qt / 6Ki2222sin1iiKqcK 在普通巖石中抗壓強度t與抗拉強度的比值為n，即： tc/n 因此，可求得： 而lsin，

20、所以sinhlnKK 113 hnKK 113二、二、 裂隙帶巖層的巖體構(gòu)造模型裂隙帶巖層的巖體構(gòu)造模型可以將開采中的上覆巖層作如下的分析：可以將開采中的上覆巖層作如下的分析： 1) 上覆巖體構(gòu)造由每個鞏固巖層組成。上覆巖體構(gòu)造由每個鞏固巖層組成。 2) 每個分組中的軟巖層那么可視為鞏固巖層上的每個分組中的軟巖層那么可視為鞏固巖層上的載荷；載荷； 3) 由于開采，鞏固巖層已斷裂成陳列較整齊的巖由于開采，鞏固巖層已斷裂成陳列較整齊的巖塊。由于離層，在離層區(qū)域內(nèi)，上下層組之間沒有垂塊。由于離層，在離層區(qū)域內(nèi)，上下層組之間沒有垂直力的傳送關(guān)系。在程度方向上構(gòu)成了鉸接關(guān)系；直力的傳送關(guān)系。在程度方向上

21、構(gòu)成了鉸接關(guān)系； 4) 由于層間的摩擦力無法阻撓巖塊的轉(zhuǎn)動及程度由于層間的摩擦力無法阻撓巖塊的轉(zhuǎn)動及程度挪動，為此可假設(shè)將軟巖層視為無數(shù)垂直的挪動，為此可假設(shè)將軟巖層視為無數(shù)垂直的“桿桿 ； 5)當巖塊由回轉(zhuǎn)而恢復到程度位置時，塊間的剪切當巖塊由回轉(zhuǎn)而恢復到程度位置時，塊間的剪切力又變?yōu)榱?。以后的巖塊可以用一程度連桿來替代。力又變?yōu)榱?。以后的巖塊可以用一程度連桿來替代。 三、三、 巖體構(gòu)造的受力分析巖體構(gòu)造的受力分析圖圖333 某一個巖層分組的構(gòu)造模型某一個巖層分組的構(gòu)造模型自在度自在度3結(jié)點數(shù)結(jié)點數(shù)2單鉸數(shù)鏈桿數(shù)單鉸數(shù)鏈桿數(shù) 3n2(n1)(n2)0為靜定構(gòu)造。為靜定構(gòu)造。 可列力的矩陣表：

22、 iFii 式中：i為力矩列陣；Fi為矩陣系數(shù)； i為力列陣。 解此方程組，并令 =i1， =i2，那么可得：SLii11SLii22220012340hSLTQiiiiiiiii 可將相鄰兩塊巖塊的斜率近似地視為相等。那么可求得構(gòu)成此構(gòu)造所需的程度推力Ti為： 可見，程度推力的大小與懸露巖塊的破斷長度Li0、層厚hi0載荷Qi0和下沉量Si0有關(guān)。而與采空區(qū)內(nèi)的應力分布形狀無關(guān)。 還可求得ir。由于ir趨近于零 iririr。 TL QhSiiiii0002由上述分析可知，此構(gòu)造的特征為： 1) 懸露巖塊的分量幾乎全由前支承點承當； 2) 巖塊i與i間的剪切力接近于零。此處相當于巖塊咬合構(gòu)成半拱的拱頂； 3) 此