第三章采場頂板活動規(guī)律

第三章采場頂板活動規(guī)律第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述一、回采工作面（采場）二、頂板：賦存在煤層之上的鄰近巖層。頂板根據(jù)其與煤層的相對位置和巖性又分為：偽頂、直接頂和基本頂。①偽頂：位于煤層之上隨采隨冒落的極不穩(wěn)定巖層，其厚度一般在0.5m以下，巖性多為炭質(zhì)頁巖。②直接頂：位于煤層或偽頂之上有一定的穩(wěn)定性，移架或回柱后能自行垮落的巖層，巖性多為砂頁巖、頁巖③基本頂：又稱老頂。位于直接頂或煤層之上，通常厚度及巖石強度較大、難以垮落的巖層。第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三三、底板：賦存在煤層之下的鄰近巖層。第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三四、工作空間形式：根據(jù)采空區(qū)的處理方法，分為幾種工作空間形式：(a)刀柱(留煤柱);(b)頂板緩慢下沉法;(c)充填法;(d)全部垮落第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三五、大結(jié)構(gòu)：巖層未破壞的部分，或者雖然已破斷但仍能整齊排列的部分，有時能形成大結(jié)構(gòu)。這種大結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)上覆巖層重量，從而對巷道及回采空間起保護作用。

但隨著時間的延續(xù)，由于煤巖的蠕變特性，使圍巖不易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致圍巖的“擠、壓、鼓”現(xiàn)象。根據(jù)實測，回采空間支護物所承受的力僅為上覆巖層重量的百分之幾。證明：？第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)有關(guān)采場上覆巖層“大結(jié)構(gòu)”的假說拱腳（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。在前后拱腳間形成了一個減壓區(qū)，回采工作面的支架只承受壓力拱內(nèi)巖石的重量。一、壓力拱假說該假說認(rèn)為，由于巖層自然平衡的結(jié)果而形成一個前拱腳（支撐點）在工作面前方煤體，后第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三

此假說認(rèn)為，工作面和采空區(qū)頂板可視為一端固定于煤壁前方巖體內(nèi)，另一端處于懸伸狀態(tài)的梁，懸臂梁彎曲下沉后，受到已垮落巖石的支撐，當(dāng)懸伸長度很大時，發(fā)生有規(guī)律的周期性折斷，從而引起周期來壓。二、懸臂梁假說第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三律的水平擠壓力的聯(lián)系，從而相互鉸合而形成一條多環(huán)節(jié)的鉸鏈。該假說認(rèn)為，工作面支架存在兩種工作狀態(tài)：給定載荷狀態(tài)；給定變形狀態(tài)。三、鉸接巖塊假說此假說認(rèn)為，采場上覆巖層分為垮落帶和裂隙帶，二者的差別在于，裂隙帶巖塊間存在有規(guī)第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三

此假說認(rèn)為，在采場周圍存在應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力增高區(qū)和采動影響區(qū)，并隨工作面推進而向前移動。采動巖體形成各種裂隙，從而形成假塑性梁。四、

預(yù)成裂隙假說第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三

“砌體梁”結(jié)構(gòu)是基于采動巖體移動的如下特征而提出的：五、砌體梁假說采動上覆巖層的巖體結(jié)構(gòu)的骨架是覆巖中的堅硬巖層，可將上覆巖層劃分為若干組，每組以堅硬巖層為底層，其上部的軟弱巖層可視為直接作用于骨架上的載荷，同時也是更上層堅硬巖層與下部骨架聯(lián)結(jié)的墊層。第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三隨著工作面的推進，采空區(qū)上方堅硬巖層在裂縫帶內(nèi)將斷裂成排列整齊的巖塊，巖塊間將受水平推力作用而形成鉸接關(guān)系。巖層移動曲線的形態(tài)經(jīng)實測呈開始為下凹、而后隨工作面的推進逐漸恢復(fù)水平狀態(tài)的過程，由此決定了斷裂巖塊間鉸接點的位置。若曲線下凹，則鉸接點位置在巖塊斷裂面的偏下部；反之，則在偏上部。如果在回采空間以及鄰近的采空區(qū)上方出現(xiàn)明顯的離層區(qū)，說明該區(qū)內(nèi)斷裂的巖塊可以形成懸露結(jié)構(gòu)。第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三由于墊層傳遞剪切力的能力較弱，因而兩層骨架間的聯(lián)結(jié)能用可縮性支桿代替。當(dāng)骨架層的斷裂巖塊回轉(zhuǎn)恢復(fù)到近水平位置時，巖塊間的剪切力趨近于零，此時的鉸接關(guān)系可轉(zhuǎn)化為水平連桿聯(lián)結(jié)關(guān)系。最上層為表土沖積層，可將其視為均布載荷作用于巖體結(jié)構(gòu)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12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)直接頂?shù)目迓?、直接頂初次垮落距1、直接頂初次垮落3、直接頂垮落后的碎脹特性形成充滿采空區(qū)所需直接頂厚度為：第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三4、直接頂初次垮落前的離層

直接頂最大擾度

老頂最

大擾度

不離層

條件第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三4、直接頂初次垮落前的離層 粗略地講，當(dāng)直接頂厚度小于或等于老頂厚度時，均易于形成直接頂與老頂間離層。為了防止直接頂因離層產(chǎn)生推跨事故必須保證支架具有一定的初撐力：第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三紅外鉆孔攝像機第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三

切眼鉆孔位置圖第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三直接頂和老頂間發(fā)生離層第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)老頂?shù)臄嗔研问揭?、老頂?shù)牧菏綌嗔牙享攦啥斯讨Я菏芰Ψ治龅?1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三二、老頂?shù)陌迤茢?/p>

一般老頂巖層可視為薄板，按薄板的Marcus簡算法對板的破斷進行分析。第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)老頂?shù)某醮螖嗔巡骄鄡啥斯讨Я簶O限跨距：老頂達到初次斷裂時的跨距稱為初次斷裂步距。

按材料力學(xué)方法可求得老頂梁式斷裂步距。一、梁式斷裂時的極限跨距第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三兩端固支梁極限跨距：按抗拉強度：按抗剪強度：兩端簡支梁極限跨距：按抗拉強度：第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三舉例：設(shè)h＝4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174Kpa按抗拉：按抗剪：固支梁破斷距為36m破斷距為1005m簡支梁破斷距為29m彎矩形成的極限跨距比剪切力形成的極限跨?。缓喼Я旱目箯潣O限跨距比固支梁的?。坏?8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三老頂承受載荷計算第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三二、老頂板斷裂的極限跨距 老頂板斷裂步距與邊界支撐條件有關(guān)。a＝lm·ωlm老頂?shù)牟骄鄿?zhǔn)數(shù)ω邊－長系數(shù)對四周固支板支撐條件對斷裂步距影響：

λ＝a/bb

工作面長度

ω1≥ω2≥ω3

≥ω4

>√2/3第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三工作面長度對斷裂步距影響：以四邊固支為例，b>3lm時，a≈lm。說明工作面長度對破斷步距影響甚微。3lm≥b>√2lm時，則lm<a<√2lm

。說明隨工作面長度縮短，步距顯著增大。老頂破斷呈橫“o－x”型。第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三b＝√2lm時，則a＝√2lm

＝b。老頂呈正“o－x”破斷，即“見方垮落”。lm<b<√2lm時，則a>√2lm>

b。初次破斷步距大于工作面長度，老頂呈豎“o－x”型破斷。

b<

lm時，老頂穩(wěn)定不垮落，即形成短壁開采工作面或巷道的情形。第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第六節(jié)老頂斷裂后的“砌體梁”結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析一.老頂初次斷裂后的“砌體梁”平衡第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三1、結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)若三鉸拱式結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，必須滿足：可見是否產(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，結(jié)構(gòu)抗滑落失穩(wěn)的能力越大。第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三一般情況下，φ=38°~45°，tanφ=0.8~1.0。因此，要防止老頂初次破斷后“砌體梁”結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑落失穩(wěn)巖塊的高長比要小于0.4~0.5，即巖塊長度要大于2~2.5倍巖塊厚度。第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三若考慮老頂斷裂面與垂直面成一斷裂角θ，滿足不滑落失穩(wěn)的條件為：對于圖3-24(a)，當(dāng)θ≥φ時，不論水平推力T有多大，都不能取得平衡。第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2、結(jié)構(gòu)的變形失穩(wěn)在巖塊的回轉(zhuǎn)過程中，由于擠壓處局部應(yīng)力集中，致使該處進入塑性狀態(tài)，甚至局部受拉而使咬合處破壞造成巖塊回轉(zhuǎn)進一步加劇，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三二.“砌體梁”全結(jié)構(gòu)模型的受力分析第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三由上述分析可知，此結(jié)構(gòu)的特征為：離層區(qū)懸露巖塊的重量幾乎全由前支承點承擔(dān)；巖塊B與C間剪切力接近于零，因而此處相當(dāng)于巖塊咬合形成半拱的拱頂；此結(jié)構(gòu)的最大剪切力發(fā)生在巖塊A與B之間，等于巖塊B本身的重量及其載荷；此結(jié)構(gòu)中第一、二斷裂巖塊即B與C對結(jié)構(gòu)平衡起關(guān)鍵作用，是結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵塊。第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)必須具有的水平力為：可見，hi越厚，si0越小，則形成此結(jié)構(gòu)所要求的Ti力也越小。當(dāng)si0=hi時，Ti→∞。這種結(jié)構(gòu)無法形成。因此，上覆巖層中，只有具有一定厚度的巖層(大于下沉量Si0）才能形成此結(jié)構(gòu)。第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三si0小的含義反映了以下幾種情況：直接頂較厚；采空區(qū)采用充填法處理；采高較小的煤層；離開煤層距離較遠的巖層。按滑落失穩(wěn)條件，得到巖塊長度與厚度的關(guān)系為：第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)對巖體結(jié)構(gòu)分析所得的結(jié)論，可對以下礦山壓力現(xiàn)象做出解釋：老頂巖塊的滑落失穩(wěn)是工作面頂板出現(xiàn)臺階以及有時地表下沉出現(xiàn)臺階的原因；煤壁上方老頂剪切力最大是工作面頂板沿煤壁切落的原因；第42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三上覆巖層結(jié)構(gòu)的存在是支架受力小于覆蓋層重量的原因，并由此可以分析工作面支架工作阻力必須平衡的頂板壓力大小；采高小、直接頂較厚和采用充填法處理采空區(qū)是工作面頂板壓力比較小的原因；工作面形成的支承壓力主要集中于前拱腳的原因。第43頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第七節(jié)老頂斷裂時在巖體內(nèi)引起的擾動老頂巖層可視為夾持在上下軟巖層間的彈性地基梁或彈性地基板，近似滿足Winkler彈性地基假定。通