第三章_采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的基本規(guī)律2ppt課件

1、之第三章采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)和開(kāi)展的根本規(guī)律山東科技大學(xué)資環(huán)學(xué)院資 源 工 程 系本章提要本章特點(diǎn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)有較多的根本概念有較多的根本規(guī)律礦巖層運(yùn)動(dòng)和破壞方式的判別方法巖層縱向組合運(yùn)動(dòng)的分析方法巖層推進(jìn)方向巖層運(yùn)動(dòng)各階段的參數(shù)特點(diǎn)上覆巖層運(yùn)動(dòng)和破壞的根本方式上覆巖層在推進(jìn)方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 上覆巖層縱向運(yùn)動(dòng)開(kāi)展的根本規(guī)律上覆巖層運(yùn)動(dòng)參數(shù)確實(shí)定 P1 3.1上覆巖層運(yùn)動(dòng)和破壞的根本方式3.1.1上覆巖層運(yùn)動(dòng)的兩種根本方式3.1.3上覆巖層破壞方式的判別3.1.2 巖層運(yùn)動(dòng)開(kāi)展至破壞的力學(xué)條件 3.1.4巖層破壞方式的轉(zhuǎn)化3.3上覆巖層在推進(jìn)方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3.4 上覆巖層運(yùn)動(dòng)參數(shù)確實(shí)定 3.2上覆巖

2、層縱向運(yùn)動(dòng)開(kāi)展的根本規(guī)律P23.1.1上覆巖層運(yùn)動(dòng)的兩種根本方式一 彎拉破壞的運(yùn)動(dòng)方式1 運(yùn)動(dòng)過(guò)程上覆巖層懸露如圖3.1a在其重力作用下彎曲如圖3.1b端部開(kāi)裂如圖3.1c構(gòu)成“假塑性巖梁如圖3.1d自行跨落如圖3.1eP3bacdP4e 巖層運(yùn)動(dòng)由彎曲沉降開(kāi)展至破壞的力學(xué)條件是巖層中的最大彎曲拉應(yīng)力到達(dá)其抗拉強(qiáng)度。即： 3.1 2 力學(xué)條件圖3.1彎拉破壞的運(yùn)動(dòng)方式P5二 剪切斷破壞的運(yùn)動(dòng)方式彎曲變形端部開(kāi)裂圖3.3a整體切斷跨落圖3.3b1 運(yùn)動(dòng)過(guò)程P6ab圖3.2 剪切運(yùn)動(dòng)的根本方式 P72 剪斷的充要條件當(dāng)采場(chǎng)推進(jìn)至巖梁端部開(kāi)裂位置附近，剩余抗剪斷面上的剪應(yīng)力超越限制，雖其中部還未裂開(kāi)

3、，只需巖層下部有少量運(yùn)動(dòng)空間，巖層即被剪斷。3 顯現(xiàn)特點(diǎn)動(dòng)壓沖擊支架阻力不夠頂板沿煤壁切下如圖3.3a臺(tái)階下沉如圖3.3bP8a b 圖3.3 剪斷運(yùn)動(dòng)方式對(duì)任務(wù)面的要挾P93.1.2 巖層運(yùn)動(dòng)開(kāi)展至破壞的力學(xué)條件 懸跨度到達(dá)極限跨度中部裂斷彎拉破壞深化煤壁的兩端部斷裂力學(xué)過(guò)程彎壞的力學(xué)過(guò)程，就是其支承條件由雙嵌固梁向簡(jiǎn)支梁開(kāi)展的過(guò)程。如圖3.4abP10圖3.5 巖梁的支承條件與彎距 a-嵌固形狀; b-簡(jiǎn)支形狀P11任務(wù)面推進(jìn)至巖梁懸跨度達(dá)極限值L0時(shí)，梁端彎矩MA為： 當(dāng)梁端部的拉應(yīng)力為： 3.12 懸露巖層由彎曲開(kāi)展至破壞的力學(xué)過(guò)程和條件為P123.13 當(dāng)懸露巖層上部存在較為脆弱的巖

4、層時(shí)，那么構(gòu)成由不同巖性的巖層組成下硬上軟的組合巖梁，其端部裂斷時(shí)的拉應(yīng)力為： 當(dāng)懸露巖層上部無(wú)比其脆弱巖層時(shí)，該巖層只受本身重力的作用，其端部裂斷時(shí)的拉應(yīng)力可按下式計(jì)算 3.14 P13式中 m 強(qiáng)度高的下部支托層厚度，m； 隨支托層同時(shí)運(yùn)動(dòng)上部較脆弱的巖層的厚度，m。 在梁端部開(kāi)裂開(kāi)展的過(guò)程中，隨著端部彎矩減少，梁的中部彎矩將逐漸添加；隨著支承條件向簡(jiǎn)支梁的轉(zhuǎn)化，中部彎矩將向接近 的數(shù)值開(kāi)展。 P14在嵌固梁向簡(jiǎn)支梁轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，當(dāng)巖梁中部拉應(yīng)力到達(dá) 時(shí)， 中部必然拉開(kāi)，巖梁開(kāi)展至跨落或堅(jiān)持“假塑性巖梁形狀。 巖梁端部和中部開(kāi)裂的力學(xué)條件應(yīng)為 = 為了便于運(yùn)用，其力學(xué)條件可用巖梁懸露的極限

5、跨度L0表示。 3.15 P15當(dāng)=0，即單一巖層彎曲破壞時(shí)， 3.16 顯然，L0值隨巖梁厚度m、允許抗拉強(qiáng)度的添加而增大，隨的添加而減小。 支托層上的軟巖厚度 巖梁剪壞的力學(xué)過(guò)程 當(dāng)巖梁懸跨度到達(dá)極限跨度時(shí)，梁端因拉應(yīng)力超限而開(kāi)裂； 巖層剪壞的力學(xué)過(guò)程和條件P16當(dāng)任務(wù)面煤壁推至開(kāi)裂位置或構(gòu)造斷裂面附近，在梁中部拉應(yīng)力的大小仍未到達(dá)超限的情況下，由于懸露巖層端部剩余抗剪斷面缺乏，其剪應(yīng)力超限，呵斥巖層沿任務(wù)面煤壁附近整體切斷而跨落。假設(shè)任務(wù)面支護(hù)有較高的支護(hù)強(qiáng)度，巖層將沿放頂線(xiàn)切下。 懸露巖層剪壞的力學(xué)條件是：梁端抗剪斷面上的最大剪應(yīng)力為：最大剪應(yīng)力Qmax和抗剪端面面積S分別為：P17整

6、理得以巖層懸露跨度表示的剪壞力學(xué)條件為：實(shí)際判別根據(jù)力學(xué)條件分析，實(shí)際上判別是很簡(jiǎn)單的。 巖層的兩種破壞方式是隨地質(zhì)和采動(dòng)條件的變化而相互轉(zhuǎn)化的。3.1.3上覆巖層破壞方式的判別L0 E上m上2E下m下2 E上m上2 上下兩巖層同時(shí)運(yùn)動(dòng)上下兩巖層分開(kāi)運(yùn)動(dòng)且下部巖層先運(yùn)動(dòng)P30兩巖層在自重作用下彎曲沉降分析L下= 1.25L上由E下m下2=(1.25)4 E上m上2判別E一樣m下m上E下1.254 m上2時(shí)才同時(shí)運(yùn)動(dòng)下部先運(yùn)動(dòng)P31只需當(dāng)E下1.254 E上同時(shí)運(yùn)動(dòng)m,E都不一樣E下m下21.254 E上m上2同時(shí)運(yùn)動(dòng)E下m下2 1.254 E上m上2分開(kāi)運(yùn)動(dòng)m一樣E下=E上，m下=m上下部先運(yùn)

7、動(dòng)P32巖層縱向運(yùn)動(dòng)開(kāi)展規(guī)律1 隨采場(chǎng)推進(jìn)，巖層懸露達(dá)一定跨度彎曲沉降到一定值后，強(qiáng)度低的脆弱夾層或接觸面在軸向剪應(yīng)力作用下破壞，發(fā)生離層，并為下部巖層的自在沉降和運(yùn)動(dòng)向上部巖層開(kāi)展發(fā)明了條件。4 巖層的厚度較之巖性對(duì)巖層的離層和運(yùn)動(dòng)組合的影響重要的多。 2 巖層的縱向運(yùn)動(dòng)總趨勢(shì)大體上是由下而上開(kāi)展的。3 離層后上下巖層的運(yùn)動(dòng)組合情況由巖層的強(qiáng)度差別決議，上部巖層強(qiáng)度較下部巖層越高，下部巖層越先于上部巖層運(yùn)動(dòng)，上部巖層運(yùn)動(dòng)滯后的時(shí)間越長(zhǎng)。相反，那么同時(shí)運(yùn)動(dòng)。P33直接頂所謂直接頂是指在老塘采空區(qū)內(nèi)已跨落，在采場(chǎng)內(nèi)由支架暫時(shí)支撐的懸臂梁，其構(gòu)造特點(diǎn)是在采場(chǎng)推進(jìn)方向上不能一直堅(jiān)持程度力的傳送。如圖

8、3.11a所示。根本頂是指運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的傳送巖梁的總合，在初次來(lái)壓后，是一組在推進(jìn)方向上能一直傳送程度力的不等高裂隙梁。如圖3.11b所示。 a直接頂 b根本頂 3.2.2 直接頂和根本頂P34 3.2.3直接頂和根本頂?shù)南嗷マD(zhuǎn)化 實(shí)際證明，能夠呵斥直接頂和根本頂兩部分巖梁轉(zhuǎn)化的緣由，主要有以下幾個(gè)方面： 1地質(zhì)條件的變化，主要是巖層厚度和斷層等構(gòu)造的影響。 2采動(dòng)條件的變化，主要是采高和推進(jìn)速度的變化。 3改動(dòng)采空區(qū)頂板處置方法。 4改動(dòng)開(kāi)采程序。 P353.1上覆巖層運(yùn)動(dòng)和破壞的根本方式3.3上覆巖層在推進(jìn)方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3.2上覆巖層縱向運(yùn)動(dòng)開(kāi)展的根本規(guī)律3.3.1采

9、場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)開(kāi)展階段3.3.2巖層運(yùn)動(dòng)的開(kāi)展過(guò)程3.3.3影響巖層運(yùn)動(dòng)開(kāi)展的要素3.4 上覆巖層運(yùn)動(dòng)參數(shù)確實(shí)定 P36圖3.12 采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)3.3.1采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)開(kāi)展階段初次運(yùn)動(dòng)階段從巖層由開(kāi)切眼開(kāi)場(chǎng)懸落,到對(duì)任務(wù)面有影響的一、二個(gè)傳遞巖梁第一次斷裂運(yùn)動(dòng)終了為止。如圖3.12a、bP37圖3.12上覆巖層運(yùn)動(dòng)周期性運(yùn)動(dòng)階段從巖層初次運(yùn)動(dòng)終了到任務(wù)面采完，頂板巖層按一定周期有規(guī)律的斷裂運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)做周期性運(yùn)動(dòng)階段如圖3.12cf。P383.3.2巖層運(yùn)動(dòng)的開(kāi)展過(guò)程圖3.12中a 、c、e我們把巖梁運(yùn)動(dòng)幅度較小，對(duì)采場(chǎng)礦壓影響不明顯的過(guò)程稱(chēng)為巖梁處于相對(duì)穩(wěn)定過(guò)程。用相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)

10、步距 b表示。即巖梁處于相對(duì)穩(wěn)定形狀時(shí)任務(wù)面推進(jìn)的間隔圖3.12中 b、d、f巖梁運(yùn)動(dòng)幅度大，對(duì)采場(chǎng)礦壓有明顯影響的過(guò)程,稱(chēng)為巖梁處于顯著運(yùn)動(dòng)過(guò)程,既通常所說(shuō)的來(lái)壓過(guò)程。用顯著運(yùn)動(dòng)步距a 表示,即巖梁大幅度運(yùn)動(dòng)開(kāi)場(chǎng),到運(yùn)動(dòng)根本終了相對(duì)穩(wěn)定階段顯著運(yùn)動(dòng)過(guò)程P39為止,任務(wù)面推進(jìn)的間隔。巖梁閱歷一次相對(duì)穩(wěn)定過(guò)程與顯著運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程就完成了一個(gè)周期,描畫(huà)巖梁運(yùn)動(dòng)周期長(zhǎng)短的參數(shù)時(shí)周期來(lái)壓步距C,是指巖梁完成一次周期性運(yùn)開(kāi)任務(wù)面所推過(guò)的間隔。 c=a+ba-巖梁的顯著運(yùn)動(dòng)步距,b-巖梁的相對(duì)穩(wěn)定步距.來(lái)壓步距是反映巖梁強(qiáng)度特征和對(duì)任務(wù)面影響程度的重要參數(shù)。巖梁來(lái)壓步距P403.3.3影響巖層運(yùn)動(dòng)開(kāi)展的要素

11、巖層的強(qiáng)度特征采動(dòng)條件 采高、推進(jìn)速度。內(nèi)在要素力學(xué)性質(zhì)厚度節(jié)理裂隙分層厚度t厚薄大小P41強(qiáng)迫放頂、充填全部充填、部分充填。采空區(qū)處置方法3.3.4巖梁運(yùn)動(dòng)的根本參數(shù)初次運(yùn)動(dòng)階段的根本參數(shù)1 表達(dá)巖梁運(yùn)動(dòng)過(guò)程的根本參數(shù)巖梁的相對(duì)穩(wěn)定步距b0巖梁的顯著運(yùn)動(dòng)步距a0巖梁初次來(lái)壓步距c0P42來(lái)壓完成時(shí)辰采場(chǎng)頂板下沉量給定變形(支架對(duì)巖梁運(yùn)動(dòng)不進(jìn)展限制) ： 2 表達(dá)巖梁來(lái)壓終了時(shí)辰巖梁位置形狀的參數(shù)C0-初次來(lái)壓步距, h-采高; -冒高限定變形(支架對(duì)巖梁運(yùn)動(dòng)進(jìn)展限制)： 用h0表示，由支護(hù)強(qiáng)度PT決議。P43 來(lái)壓終了時(shí)的巖梁跨度給定：LOA(來(lái)壓終了時(shí)的巖梁跨度)表示，大小由巖梁運(yùn)動(dòng)步距決

12、議。限定：L0表示，由支護(hù)強(qiáng)度決議。采場(chǎng)最小頂板下沉量 h0 。3 表達(dá)巖梁來(lái)壓前夕的位態(tài)參數(shù)巖梁的最大跨度 L0=b0(巖梁的相對(duì)穩(wěn)定步距) P44正常推進(jìn)階段根本參數(shù) 1 表達(dá)巖梁運(yùn)動(dòng)過(guò)程的參數(shù) b、a、c2 表達(dá)周期來(lái)壓終了時(shí)的位態(tài)參數(shù)。 來(lái)壓終了時(shí)頂板下沉量：給定變形：hA 限定變形: hi來(lái)壓終了時(shí)的巖梁跨度：給定變形：LA 限定變形：LiP453 表達(dá)周期來(lái)壓前夕巖梁位態(tài)參數(shù)及其相互關(guān)系極限跨度：巖梁運(yùn)動(dòng)步距的力學(xué)分析 1、巖梁第一次來(lái)壓步距C0組合梁：?jiǎn)我涣海篜462、巖梁周期來(lái)壓步距c巖梁為不等高支承的鉸接巖梁。鉸接巖梁由原來(lái)曾經(jīng)斷裂的部分c1及可以近似看成是處于懸臂梁受力形狀

13、的部分C2組成。假設(shè)不思索巖梁的撓曲那么C2部分所受的構(gòu)造力包括：巖梁的自重 C1部分經(jīng)過(guò)鉸接點(diǎn) O的推壓力P及相應(yīng)的摩擦力F=Pf。P47圖3.15 根本頂巖梁周期來(lái)壓模型 P483.4 上覆巖層運(yùn)動(dòng)參數(shù)確實(shí)定 3.4.1 直接頂厚度冒高確實(shí)定方法開(kāi)采單一煤層或厚煤層分層的冒高值一不思索巖梁本身沉降的推斷方法巖層冒落至自然接頂，不思索巖層本身沉降的影響。從以下圖中可以推得：對(duì)于強(qiáng)度不高，厚度不大的巖層覆蓋采場(chǎng)，普通在初次來(lái)壓階段比較準(zhǔn)確，而沒(méi)有思索巖層都是由沉降而開(kāi)展的實(shí)踐。對(duì)于緩沉采場(chǎng)不能解釋觀(guān)念P49 圖3.17 不思索巖層彎曲沉降時(shí)的冒高 P50除整體切斷采場(chǎng)外，巖層冒落都是由彎曲沉降

14、而來(lái)，推斷冒高必需思索巖梁沉降和巖層變形才干及下步運(yùn)動(dòng)空間的高度。二思索巖梁沉降的推斷方法1SA與KA的取值一定要在同一地點(diǎn)。 2 SA與KA值的實(shí)踐意義是確定的反力中心。觀(guān)念留意P51 圖3.18 思索巖層彎曲沉降時(shí)的冒高 P52三直接頂厚度的實(shí)測(cè)推斷方法 利用采場(chǎng)來(lái)壓前夕支柱承載值P可以反推直接頂跨落厚度。 圖3.19 采場(chǎng)來(lái)壓前夕支柱受力圖 P53采高h(yuǎn) 的影響 巖梁的允許沉降值S0及巖梁的實(shí)踐沉降 值SA的影響 四影響直接頂厚度的主要要素 五巖梁觸矸處已冒巖層碎脹系數(shù)KA的影響 巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造情況巖層破壞方式六 采空區(qū)頂板處置方法的影響采用充填法可以減少冒高值采用強(qiáng)迫放頂可以將能夠整體跨落的采場(chǎng)向普通采場(chǎng)轉(zhuǎn)化P54七開(kāi)采程序的影響 在有整體切落危險(xiǎn)的鞏固頂板巖層條件下，實(shí)行反程序開(kāi)采，可防止切落危險(xiǎn)。 3.4.2 根本頂厚度確實(shí)定方法 關(guān)于根本頂?shù)暮穸确秶?，宋振騏院士等曾經(jīng)在開(kāi)灤范各莊礦巖層運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)的研討中進(jìn)展了討論，初步以為根本頂范圍約為采高的56倍。經(jīng)過(guò)最近幾年井下實(shí)測(cè)研討的驗(yàn)證，在普通巖層條件下，這個(gè)結(jié)論比較接近客觀(guān)實(shí)踐。 P55井下采用巖層動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)研討方法確定根本頂厚度，包括以下兩方面的任務(wù)內(nèi)容：1確定各傳送巖梁的位置及厚度； 2確定影響采場(chǎng)的傳送巖梁的數(shù)目。 P56