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1、第三章 回采工作面上覆岩层活动规律本章为矿压主要规律之一。介绍全部垮落法开采，回采工作面顶板下沉、断裂、移动规律，使学生建立顶板移动的空间概念。在基本假设的条件下，对顶板破坏进行定量分析。重点：顶板划分及其移动规律、工作面顶板来压产生及其过程。难点：顶板力学结构分析第一节 概 述本节介绍：工作面顶底板及其力学结构一、工作面顶底板的划分：1、顶板位于煤层上方的岩层。伪顶位于煤层与直接顶之间、厚度较小，随落煤而垮落的岩层（页岩、炭质页岩）；直接顶接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层（页岩、砂质页岩）；老顶（基本顶）位于直接顶或煤层之上厚而坚硬的岩层（砂岩、砾岩、石灰岩）。三顶赋存状态对顶板管理
2、有直接影响。伪顶影响煤质，直接顶影响顶板管理，老顶影响来压。顶板划分主要依据岩性（强度、垮落性），与厚度关系不大（伪顶除外）。2、底板位于煤层之下的岩层。直接底直接位于煤层之下的岩层（泥岩、泥质页岩、砂页岩）（古土壤）；老底直接底以下的岩层。直接底的强度对顶板管理形成影响。二、回采工作空间类型：回采工作空间类型依据开采方法不同而异。1、完整空间刀柱法；2、自弯曲空间顶板塑性，缓慢下沉闭合；3、充填空间充填法；4、垮落空间全部垮落法。三、顶板的工作结构：1、梁式结构顶板沿倾斜方向较长，变形相差不大，约束条件相同。故可将顶板视为沿走向的梁（组合梁）。按梁式结构承载、变形、破坏理论进行定量分析。（误
3、差较大）2、板式结构将顶板岩层视为一个板（多块板咬合），按板式结构的变形、强度分析。（计算较为复杂，误差小）目前，提出关键层理论，更加接近实际。无论何种结构，采用全部垮落法，其边界支撑条件发生很大的变化，一侧为固定支撑，另一侧为垮落矸石柔软支撑，从而使顶板的原有结构发生变化，形成形形色色的破坏类型。第二节 老顶岩层的力学分析本节介绍老顶的梁式、板式力学分析，了解老顶破坏机理及过程。一、老顶梁式结构分析：1、老顶的支撑条件：开切眼后，直接顶冒落依kP及冒落厚度有如下等式：1当全部充填满回采空间时： 此时，老顶受到冒落堆积矸石的支撑，老顶变形受阻，稳定性增强，对开采有利。全部充填满回采空间，要求冒
4、落直接顶厚度应满足 条件。若则2）当不能充填满回采空间时： 此时，老顶在回采空间上方悬露，似梁承受上覆岩层载荷，变形甚至断裂，为最不利情况。老顶变形无阻，发生断裂引起工作面来压的条件为 ，即直接顶冒落后不能充填满回采空间。2、老顶梁式结构力学分析：假设老顶为梁式结构，梁两端支撑条件为固定支撑，由结构力学知其内部各截面的剪应力、弯矩分布如图示：（剪力符号：截面左段向上为 +，反之为）（弯矩符号：截面处下凸时为 +，上凸为）最大剪力发生在梁的两端，最大弯矩也在梁的两端，次弯矩在梁的中央。1）剪力与弯矩分布：截面上剪力：当x=l、x=0时，剪应力最大。X=l/2时，剪应力为0。截面上弯矩： 当x=0
5、 , x=l 时，当x=l/2时，最大弯矩发生在梁的两端，次大弯矩在梁的中央。若为简支梁，则最大弯矩发生在梁的中央，此时。2）危险截面剪应力与拉应力：两端固支梁危险截面在两端，此时最大剪应力：最大拉应力：3、老顶岩层的极限跨距：极限跨距老顶岩层在无支撑条件下，所能悬露的最大跨度。1）按危险截面最大拉应力（弯矩）确定：两端固定梁：当 时，有 两端简支梁：当 时，有 可见，两端简支时极限跨距小。2）按危险截面最大剪应力（剪力）确定：两端固定梁：当 时，两端简支梁： 剪力分布与两端固定梁相同，由剪力确定的跨距相同。一般情况 ，故常用作为极限跨距。梁的极限跨距为： 固定梁： 简支梁：老顶的破断过程：达
6、到极限跨距时，固定梁两端由弯矩产生的拉应力超过岩层抗拉强度，两端先发生断裂，断裂后成为两端简支梁，由于简支梁极限跨距小于固定梁，而此时的跨距已超过简支梁的极限跨距，简支梁必然会在中间部位由于最大弯矩形成的拉应力作用而断裂。断裂岩层可发生垮落，也可由于岩块之间存在相互挤压力，而形成咬合结构，暂时平衡。实际中，由于岩层被裂隙切割，断裂部位有一定的随机性。4、q的确定：由于各岩层之间具有相互影响，岩层中存在强度较高的“关键层”可以传递、转移载荷，所以q不是上覆岩层的平均载荷。理论分析表明，从下向上第一个“关键层”以下岩层的载荷为q。1）组合梁理论：组合梁各分层变形形成曲率一致（否则会离层）；组合梁整
7、体剪力、弯矩由各分层分担（总合相等）；组合梁曲率半径较大。2）q计算公式：式中 各层岩层的弹性模量；n 岩层序号；各岩层厚度；各岩层容重。此公式需逐层计算，当时，则以作为作用于第一层岩层上的载荷。例：P81二、老顶板式结构分析： 工作面一层顶板一般长150200米，宽30米，厚24米，可视为薄板。1、板式结构边界支撑条件：P81图351）四面固支初采工作面2）三固一简一面为已采区（老塘）3）二固二简一面为已采区，一面为工作面采空区（工作面推采中）4）一固三简三面临空（回采半岛区）2、板式结构体弯矩分布：1）Marcus简算法原理：将薄板分为若干横纵条梁，利用材料力学方法求每一条梁弯矩，并考虑交
8、叉点挠度相等，确定板式结构体内弯矩分布。（挠度梁中性点最大垂直位移。沿梁各部位不同）2）板体内弯矩分布：P81图36规律：简支端边界无弯矩，固定端边界有弯矩； 固定端边界中间位置弯矩最大；固定端边界线（跨度）越大，弯矩越大；板四周支撑条件对板体内弯矩分布有直接影响；三面简支时，固定端弯矩最大；四面简支时，最大弯矩产生在板的中间。 凡弯矩最大的地方，易因弯矩产生的拉应力破断。3、板式结构破断过程：（以四面固定板为例）长端中央首裂、延展，改变了边界支撑条件，短端弯矩加大；短端中央断裂；四周断裂延展，在角端勾通，改固支为四周简支；四面简支板长轴中间弯矩最大，中间断裂，形成咬合结构或垮落。受裂隙影响，
9、板结构破断或垮落具有一定的随机性。作业：按下述给定条件，计算最下岩层的极限跨距。岩层编号容重（kN/m3）层厚（m）弹性模量E（MN/m2）备注12332.5104第一层Rt=14MPaRS=33MPa22521.310432621.110442511.210452542.5104 第三节 直接顶的稳定性直接顶是工作面直接维护的顶板，其状态好坏直接影响回采空间的安全。影响直接顶状态好坏的原因主要有直接顶岩性、裂隙切割、老顶压力、支护压力等等。回采工作面顶板事故多起因于直接顶或老顶通过直接顶起作用。根据顶板事故统计和顶板岩层结构及变形移动情况分析，直接顶的稳定性在顶板事故中至关重要，而直接顶脱离
10、老顶与之离层则是不稳定的先兆。顶板事故位置与原因分析表位 置原 因地点%事故类型%直接顶或老顶%上、下出口57.9推垮型71直接顶80放顶线19老顶20煤壁区14.7压垮型29直接顶21控顶区8.4老顶79 一、造成直接顶不稳定的原因：1、节理裂隙切割：使岩层整体性遭到破坏 一般用二节理间垂距的统计值描述节理发育程度节理间距（m） 3 13 0.41 0.10.4 0.1发育程度 极不发育 很不发育 软发育 发育 极发育由于裂隙切割，除减低整体强度外，还可出现镶嵌体当顶板变形位移下沉时，支护阻力不均衡。控制切割的直接顶板，则极易破裂。2、挠度大，离层：削弱各层间联系（连接力）直接顶岩性比老顶软
11、，易变形，挠度大，当下部直接顶岩层挠度大于老顶岩层时，直接顶将局部或全部与老顶失去联系出现离层。离层产生的主要原因是支架的初撑力小，不能限制直接顶的变形与过早离层。直接顶一旦离层，则提供了其可产生横向位移的条件。3、生产过程中支架的撤离使直接顶稳定性周期性破坏：撤离支架直接顶冒落；撤柱时顶板中的游离巨石失稳；撤离支架，应力重新分布，直接顶自撑重力增加，易造成新的断裂。二、直接顶离层条件分析：1、无支架不离层条件：直接顶最大挠度老顶最大挠度直接顶最大挠度： 老顶最大挠度：有支架时直接顶不离层条件： 则有： 粗略讲：直接顶厚度小于等于老顶厚度时，易形成离层。2、有支架时直接顶不离层条件：由 有 第
12、四节 回采工作面上覆岩层移动规律老顶垮落后，其上覆岩层将依次发生断裂、离层和移动，其破坏移动的程度与开采形成的自由空间大小有关，一般讲，随时间的推移，上覆岩层移动将一直波及到地表。一、上复岩层的移动：1、沿层面垂直方向移动： 沿层面垂直方向移动状况：产生三带（竖三带）冒落带：（垮落带）分为不规则垮落带 规则垮落带裂隙带：冒落带之上，岩层间产生离层、拉伸裂隙。整体联系较好，范围广位移小，一般高1570m弯曲下沉带：岩层基本上不发生离层和断裂，而是大面积缓慢下沉。三带的形成基本上是由下向上逐层进行的。不同的岩性，对三带区域的影响也不同，如P98图3-22三带的高度除对顶板管理有指导意义外，对水体下
13、开采意义很大。顶板移动自工作面前方3040m开始，且水平移动较大，垂直移动较小，甚至垂直位移出现负值。在工作面后48m，垂直位移增加，位移速度下大上小，出现离层。断裂岩层受垮落矸石支护后，位移趋于缓和，位移速度下小上大，重新压合。倾斜煤层顶板移动基本沿层面法线方向2、沿推进方向移动状况：形成横三区：煤壁支护影响区壁支撑，垂直移动小，水平移动大 离层区垂直位移下大上小形成离层。 重新压实区垂直位移下小上大，重新压实。三区中以离层区岩层移动程度剧烈，其工作特点，对工作面顶板推护影响极大，该区断裂岩层形成咬合的平衡结构，可减轻工作面压力，平衡结构失稳，工作面将承受大型压力作用。小结：岩层移动由下而上形成三带，直至地表（冒落、 裂隙 弯曲下沉）；在工作面附近，顶板形成三区（煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区）；顶板移动在工作面前方30-40m开始（水平为主、垂直为小）；顶板（移动轨迹）位移基本垂直层面；移动影响范围，由下向上逐渐扩大，形状由方到圆。第五节 回采工作面上覆岩层的平衡结构长壁面回采，支架所受载荷远远小于上复岩层的重力。为什么？一、几种假说：
