采場頂板活動規(guī)律 教學(xué)培訓(xùn)課件

13采場頂板活動規(guī)律3.1幾個概念3.2有關(guān)采場上覆巖層“大結(jié)構(gòu)”的假說3.3直接頂?shù)目迓?.4基本頂?shù)臄嗔研问?.5基本頂?shù)某醮螖嗔巡骄?.6基本頂斷裂后的“砌體梁”結(jié)構(gòu)及其S-R穩(wěn)定3.7本章小結(jié)第一頁，共七十頁。23.1幾個概念回采工作面（采場）頂板底板采空區(qū)采空區(qū)處理方法偽頂直接頂老頂?shù)诙?，共七十頁?

采場：直接進行采煤或采有用礦物的工作空間稱為回采工作面或簡稱為采場。頂板：賦存在煤層之上的巖層稱為頂板或稱為上覆巖層。底板：位于煤層下方的巖層稱為底板。直接頂：直接位于煤層上方的一層或幾層性質(zhì)相近的巖層稱為直接頂。偽頂：在煤層與直接頂之間有時存在厚度小于0.3～0.5m、極易垮落的軟弱巖層，稱為偽頂?；卷敚何挥谥苯禹斨?有時直接位于煤層之上)對采場礦山壓力直接造成影響的厚而堅硬的巖層稱為老頂。第三頁，共七十頁。4采空區(qū)處理方法:(a)刀柱(留煤柱);(b)頂板緩慢下沉法;(c)充填法;(d)全部垮落法第四頁，共七十頁。5

采用全部垮落法時，隨著工作面推進，回采工作空間形狀的變化如圖3-2所示。第五頁，共七十頁。6

在煤(巖)體內(nèi)回采工作空間(巷道)將引起圍巖破碎，其上方巖體的部分重量則由此空間內(nèi)的支護物來承擔(dān)，從而形成了對支架的壓力。巖層中未破壞的部分(或未產(chǎn)生劇烈變形的部分)，或者雖然巖層已破斷但仍能整齊排列的部分，有時能形成巖體內(nèi)的“大結(jié)構(gòu)”。這種大結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)上覆巖層重量，從而對回采工作空間起保護作用。第六頁，共七十頁。7

根據(jù)實測，回采工作面支架所承受的力僅為上覆巖層重量的百分之幾。這是因為上覆巖層形成了“大結(jié)構(gòu)”，這種大結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)上覆巖層重量。

第七頁，共七十頁。83.2有關(guān)采場上覆巖層“大結(jié)構(gòu)”的假說由于采礦工程涉及到巖層內(nèi)的原巖應(yīng)力場以及巖體性質(zhì)的復(fù)雜性，針對采場的礦山壓力現(xiàn)象提出了各種不同的解釋，這種解釋（即揭示礦山壓力現(xiàn)象內(nèi)在聯(lián)系的推測或科學(xué)的概括）稱為礦山壓力假說。第八頁，共七十頁。9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。3.2.1

壓力拱假說第九頁，共七十頁。10

壓力拱假說對回采工作面前后的支承壓力及回采工作空間處于減壓范圍作出了粗略的但卻是經(jīng)典的解釋，而對于此拱的特性、巖層變形、移動和破壞的發(fā)展過程以及支架與圍巖的相互作用，并沒有做任何分析。

第十頁，共七十頁。11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。3.1.2懸臂梁假說第十一頁，共七十頁。12懸臂梁假說解釋了：1）工作面近煤壁處頂板下沉量小，支架載荷也小，而距煤壁越遠則兩者均大的現(xiàn)象。2）工作面前方出現(xiàn)的支承壓力及工作面出現(xiàn)的周期來壓現(xiàn)象。根據(jù)上述觀點，提出了各種計算方法，但由于并未查明開采后上覆巖層活動規(guī)律，因此僅憑懸臂梁本身計算所得的頂板下沉量和支架載荷與實際所測得的數(shù)據(jù)相差甚遠。

第十二頁，共七十頁。13律的水平擠壓力的聯(lián)系，從而相互鉸合形成一條多環(huán)節(jié)的鉸鏈。三鉸拱式的平衡。該假說認為，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)。3.1.3鉸接巖塊假說

此假說認為，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)第十三頁，共七十頁。14

此假說認為，在采場周圍存在應(yīng)力降低區(qū)(Ⅰ)，應(yīng)力增高區(qū)(Ⅱ)和采動影響區(qū)(Ⅲ)，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。3.1.4

預(yù)成裂隙假說第十四頁，共七十頁。15被各種裂隙破壞了的假塑性體處于一種彼此被擠緊的狀態(tài)時，可以形成類似梁的平衡；在自重及上覆巖層的作用下，將發(fā)生明顯的假塑性彎曲；當(dāng)下部巖層的下沉量大于上部巖層時，就產(chǎn)生離層。支架應(yīng)有足夠的初撐力和工作阻力第十五頁，共七十頁。16 “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：3.1.5

砌體梁假說

(1)上覆巖層結(jié)構(gòu)的骨架是覆巖中的堅硬巖層?？蓪⑸细矌r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。第十六頁，共七十頁。17

(2)

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)，由此決定了斷裂巖塊間鉸接點的位置。第十七頁，共七十頁。18

(3)

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。(5)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。第十八頁，共七十頁。19(a)表示回采工作面前后巖體形態(tài)，其中，Ⅰ為垮落帶，Ⅱ為裂縫帶，Ⅲ為彎曲下沉帶，A為煤壁支承區(qū)，B為離層區(qū)，C為重新壓實區(qū)；(b)為根據(jù)觀測的巖層形態(tài)而推測的巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)；(c)為此結(jié)構(gòu)中任一組(i)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。第十九頁，共七十頁。203.3

直接頂?shù)目迓涿簩娱_采后，將首先引起直接頂?shù)目迓洹；夭晒ぷ髅鎻拈_切眼開始向前推進，直接頂懸露面積增大，當(dāng)達到其極限跨距時開始垮落。直接頂初次垮落：直接頂垮落高度超過1～1.5m，范圍超過全工作面長度的一半。此時直接頂?shù)目缇喾Q為初次垮落距。

第二十頁，共七十頁。213.3.1直接頂初次垮落前的離層分析直接頂初次垮落前，相對基本頂而言，其變形大，容易出現(xiàn)直接頂與老頂間的離層。對直接頂初次垮落前的離層與變形分析如下(圖3-8)：圖3-8直接頂初次垮落前的離層分析第二十一頁，共七十頁。22

直接頂最大撓度

老頂最大撓度

不離層條件第二十二頁，共七十頁。23

粗略地講，當(dāng)直接頂厚度小于或等于老頂厚度時，均易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：第二十三頁，共七十頁。24鉆孔攝像機第二十四頁，共七十頁。25

切眼鉆孔位置圖第二十五頁，共七十頁。26直接頂和老頂間發(fā)生離層第二十六頁，共七十頁。273.3.2直接頂垮落后的碎脹特性直接頂初次垮落后，巖石破碎，雜亂堆積(圖3-9)，巖體的總體由于巖層破碎后體積將產(chǎn)生膨脹，堆積的高度可能大于直接頂巖層原來的厚度。若直接頂巖層的垮落厚度為∑h，則垮落后堆積的高度為Kp·∑h。它與老頂之間可能留下的空隙Δ為：

第二十七頁，共七十頁。28

當(dāng)M=∑h(Kp-1)時，Δ=0，即冒落的直接頂將充滿采空區(qū)。此時，一般老頂?shù)膹澢鲁亮枯^小，?？珊雎圆挥?。第二十八頁，共七十頁。29

3.4老頂?shù)臄嗔研问?.4.1

老頂?shù)牧菏綌嗔央S著工作面自開切眼開始推進，直接頂發(fā)生初次垮落。由于老頂強度較大，因而繼續(xù)呈懸露狀態(tài)。此時，可視老頂為一懸露的“板”。第二十九頁，共七十頁。30

由于回采工作面長度（200m左右）遠大于老頂懸露的跨距（40m左右）。因此可將老頂視為一端由工作面煤壁、另一端由邊界煤柱支撐的固定梁，即所謂“梁”的假說。此時，若老頂之上的巖層強度較低，則上覆巖層的重量將通過老頂巖“梁”傳遞至兩端的支承點上，即煤壁和煤柱上。第三十頁，共七十頁。31老頂兩端固支梁受力分析梁的應(yīng)力狀態(tài)第三十一頁，共七十頁。32

因為是對稱梁，所以梁兩端的反力R1=R2，彎矩M1=M2。取∑Fy=0，則取巖梁內(nèi)任意截面D-D′，其剪切力為：最大剪切力發(fā)生在固定梁的兩端R1與R2處，其值為：

第三十二頁，共七十頁。33任意截面D-D′的彎矩為：式中M1根據(jù)材料力學(xué)的解，其值為。故。在固定梁的兩端(x=0，L),；

在梁的中部，。

第三十三頁，共七十頁。34兩端支承的條件可能有差異。例如，當(dāng)一側(cè)的采區(qū)已采完時，隔離煤柱上方的頂板已處于自由端狀態(tài)，因而此時更接近于簡支梁支座。有些國家把淺部的礦井老頂按簡支梁計算，認為淺部礦井巖層頂板由于兩端煤體上集中壓力較小，因而可視為簡支梁支座，但在深部可應(yīng)視為固定梁。第三十四頁，共七十頁。35由此可知，最大彎矩發(fā)生在梁的中間，即

若為簡支梁，剪切力分布與圖3-11相似，但彎矩則不同，即第三十五頁，共七十頁。36二、老頂?shù)陌迤茢?/p>

老頂巖層初次斷裂。一般老頂巖層厚2～4m，按照薄板的假設(shè)，其厚度(h)與寬度(a)的比值h/a=1/7～1/15，因此，可視老頂巖層為薄板，當(dāng)老頂與上部巖層形成離層后更是如此。第三十六頁，共七十頁。37根據(jù)開采條件及采區(qū)邊界煤柱的大小，又可將老頂巖層假設(shè)為：(a)四周固支；(b)三邊固支，一邊簡支；(c)兩邊固支，兩邊簡支；(d)一邊固支，三邊簡支。第三十七頁，共七十頁。38采用板的Marcus簡算法，即視“板”為分條的梁，對中部來說即為交叉的條梁，按撓度相等的原則可求得板中部及邊界上的彎矩及其分布圖。其中，(a)為四邊固支；(b)為三邊固支，一邊簡支；(c)

為兩邊固支，兩邊簡支；(d)為一邊固支，三邊簡支。第三十八頁，共七十頁。39隨著彎矩的增長，老頂巖層達到強度極限時，將形成斷裂。四周裂縫貫通而呈“O”形。板中央破斷形成“X”型破壞。

第三十九頁，共七十頁。40

工作面長度b與推進距a滿足a/b≤1，老頂板的破斷呈豎“O-X”型破斷形式。如工作面長度b較小，導(dǎo)致老頂初次破斷時a/b＞1，老頂?shù)钠茢鄬⒊蕡D3-15所示的橫“O-X”型破斷形式。此時，僅在A-A剖面上滿足“砌體梁”結(jié)構(gòu)。

圖3-15老頂板的橫“O-X”型破斷

第四十頁，共七十頁。413.5

老頂?shù)某醮螖嗔巡骄?/p>

老頂達到初次斷裂時的跨距稱為初次斷裂步距。老頂梁式斷裂時的極限跨距可以用材料力學(xué)方法求得。圖3-16為兩端固支梁的受力分析圖。

圖3-16巖梁上任意點的應(yīng)力分析

第四十一頁，共七十頁。42第四十二頁，共七十頁。43已知梁內(nèi)任意點的正應(yīng)力σ為：

式中M—該點所在斷面的彎矩；

y—該點離斷面中性軸的距離；

Jz—對稱中性軸的斷面矩。若取梁單位寬度，則梁的斷面矩（斷面慣性矩）

(h為老頂巖層的單層厚度)。因而任意點A的正應(yīng)力，該點的剪應(yīng)力，

第四十三頁，共七十頁。44兩端固支梁極限跨距：按抗拉強度：按抗剪強度：兩端簡支梁極限跨距：按抗拉強度：第四十四頁，共七十頁。45

計算老頂承受載荷。考慮到n層對第1層影響時形成的載荷，即(qn)1可得：

圖3-17巖層載荷計算圖

第四十五頁，共七十頁。46舉例：假設(shè)圖3-17所示第1層巖層控制的巖層為兩層，即n=3。各巖層的厚度、體積力及彈性模量見表3-1，試求此巖層所受載荷大小。第四十六頁，共七十頁。47第1層本身的載荷q1為：

考慮第2層對第1層的作用則：

計算到第3層，則第1層的載荷為：

第四十七頁，共七十頁。48

同理，計算到第4層，第1層的載荷為：

由此可知，應(yīng)考慮第一、二、三層對第一層載荷的影響。第四層由于本身強度大、巖層厚，對第一層載荷不起作用。因此，圖3-17所示的第1層巖層所受載荷大小為174.7kPa

第四十八頁，共七十頁。49設(shè)h＝4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174Kpa按抗拉強度：固支梁破斷距為36m簡支梁破斷距為29m按抗剪強度：破斷距為1005m

顯然，在同樣條件下，由簡支梁計算所得的極限跨距LLt要比由固定梁計算所得的小。在一般情況下，由于拉應(yīng)力控制的極限跨距LLt要比剪切應(yīng)力形成的極限跨距LLt小，因此常常按拉應(yīng)力計算極限跨距。

第四十九頁，共七十頁。503.6老頂斷裂后的“砌體梁”結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析3.6.1老頂初次斷裂后的“砌體梁”平衡當(dāng)老頂達到極限跨距后，隨著回采工作面繼續(xù)推進，老頂即發(fā)生初次斷裂。斷裂后的一般狀態(tài)可用圖3-18表示。

圖3-18老頂斷裂的一般狀態(tài)

第五十頁，共七十頁。51

對于工作面中部，老頂?shù)摹癤”型破壞特點則可能形成外表似梁，實質(zhì)是拱的砌體梁的平衡關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)稱之為“砌體梁”。滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)。第五十一頁，共七十頁。52結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)

咬合點處的摩擦力，等于水平擠壓力與摩擦系數(shù)的乘積，防止巖塊間滑落的作用。根據(jù)三鉸拱的平衡原理，成拱且使巖塊保持平衡的水平推力T為：式中q—裂隙體梁的載荷集度；

L—跨距；h—老頂巖層的厚度。第五十二頁，共七十頁。53

當(dāng)剪切力與摩擦力相等時，呈極限平衡狀態(tài)。如果剪切力大于摩擦力，此結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。要此結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，必須滿足：

式中φ—巖塊間的摩擦角；h—巖塊厚度；L/2—破斷巖塊長度。

第五十三頁，共七十頁。54三鉸拱巖塊結(jié)構(gòu)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。一般情況下，φ=38～45°，tanφ=0.8～1。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。第五十四頁，共七十頁。55

若考慮老頂巖層斷裂時，斷裂面與垂直面成一斷裂角θ，則咬合點的關(guān)系如圖所示。第五十五頁，共七十頁。56

相互間力的關(guān)系及平衡條件為（圖a)：對于圖(b)的情況,平衡條件為：第五十六頁，共七十頁。57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)。

圖3-20回轉(zhuǎn)巖塊的分析

第五十七頁，共七十頁。58按圖3-20(b)可求得△值

(3-8)式中n—巖石中抗拉強度σt與抗壓強度σc的比值；K—

根據(jù)梁的固支或簡支等狀態(tài)而定，一般為1/2～1/3；—巖塊間的擠壓強度σp與抗壓強度［σcc］的比值。由此可以求得在巖梁破斷后互相咬合中間下沉量達Δ時，即形成了巖塊結(jié)構(gòu)的變形失穩(wěn)。

第五十八頁，共七十頁。593.6.2“砌體梁”全結(jié)構(gòu)模型的受力分析

隨著回采面連續(xù)推進，引起了覆巖老頂?shù)某醮螖嗔雅c周期斷裂，首先是第1層老頂?shù)臄嗔?，接著上覆?、3、…層老頂相繼發(fā)生斷裂。斷裂成塊體的老頂將形成圖3-7所示的“砌體梁”結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)以下圖所示的覆巖中任一組結(jié)構(gòu)來分析“砌體梁”結(jié)構(gòu)的受力特點。第五十九頁，共七十頁。60Q表示巖塊自重及其載荷，Ri表示支承力，R0-i等則表示巖塊間的鉛直作用力，T為水平推力。第六十頁，共七十頁。61第六十一頁，共七十頁。62T—水平推力；R—下位巖層對上位巖層的阻力及塊間的剪切力；Q—每一巖塊的重量；L—每一巖塊的長度；s，Δs—每一巖塊的下沉量；η—每一巖塊的斜率；h—巖層厚度；m—載荷系數(shù)，mQ表示巖塊所承受載荷。第一個腳標表示巖層的層位，第二個腳標表示沿走向方向巖塊的位置。例如Li1即表示此巖塊是第i分組中第C塊巖塊的長度。第六十二頁，共七十頁。63

若任意取巖塊數(shù)，則此方程組可用下列關(guān)系式表示。式中,｛Mi｝為力矩列陣；［Fi］為矩陣系數(shù)；｛Ri｝為力列陣

第六十三頁，共七十頁。64

同理，在平衡條件下，由此方程組可求得其它各個力的大小為：

第六十四頁，共七十頁。65此結(jié)構(gòu)的特征為：①離層區(qū)懸露巖塊的重量幾乎全由前支承點承擔(dān)；②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；③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；④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。第六十五頁，共七十頁。663.6.3“砌體梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析根據(jù)對巖體結(jié)構(gòu)分析所