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1、第三章第三章 采场顶板活动规律采场顶板活动规律目目 录录第一节 几个概念第二节 有关采场上覆岩层“大结构”的假说第三节 直接顶的垮落第四节 老顶的断裂形式第五节 老顶的初次断裂步距第六节 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定第七节 老顶断裂时在岩体内引起的扰动第一节第一节 几个概念几个概念回采工作面回采工作面（采场）（采场）顶板顶板底板底板采空区采空区在煤层或矿床的开采过程中，在煤层或矿床的开采过程中，直接进行采煤或采有用矿物的直接进行采煤或采有用矿物的工作空间工作空间直接顶直接顶伪顶伪顶老顶老顶直接位于煤层上方的一层或几直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。层性质相近的岩层。随回柱放顶而
2、垮落，页岩、砂随回柱放顶而垮落，页岩、砂页岩等页岩等位于煤层和直接顶之间，厚度位于煤层和直接顶之间，厚度小于小于0.30.5m，随采随冒。，随采随冒。炭质页岩、泥质页岩等。炭质页岩、泥质页岩等。位于直接顶之上，对采场矿山位于直接顶之上，对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾岩等。岩等。采空区处理方法采空区处理方法: (a)刀柱(留煤柱); (b)顶板缓慢下沉法;(c)充填法; (d)全部垮落法 根据实测，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层重量的百分之几。 这是因为上覆岩层形成了“大结构”，这种大结构能够承担上覆岩层重
3、量，从而起到对回采工作面的保护作用。全部垮落法回采工作空间的变化第二节第二节 有关采场上覆岩层有关采场上覆岩层“大结构大结构”的假说的假说在前后拱脚间形成了一个减压区，回采工作面的支架只承受压力拱内岩石的重量。一、压力拱假说该假说认为，由于岩层自然平衡的结果而形成一个前拱脚（支撑点）在工作面前方煤体，后拱脚（支撑点）在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。前前拱拱角角后后拱拱角角此假说认为，工作面和采空区顶板可视为一端固定于煤壁前方岩体内，另一端处于悬伸状态的梁，悬臂梁弯曲下沉后，受到已垮落岩石的支撑，当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。二、悬臂梁假说 该假说认为，工
4、作面支架该假说认为，工作面支架存在两种工作状态：给定载存在两种工作状态：给定载荷状态；给定变形状态。荷状态；给定变形状态。三、铰接岩块假说三、铰接岩块假说 此假说认为，采场此假说认为，采场上覆岩层分为垮落带上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者的差和裂隙带，二者的差别在于，裂隙带岩块别在于，裂隙带岩块间存在有规律的水平间存在有规律的水平挤压力的联系，从而挤压力的联系，从而相互铰合而形成一条相互铰合而形成一条多环节的铰链。多环节的铰链。此假说认为，在采场周围存在应力降低区，应力增高区和采动影响区，并随工作面推进而向前移动。采动岩体形成各种裂隙，从而形成假塑性梁。四、四、 预成裂隙假说预成裂隙假说“砌体
5、梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：五、砌体梁力学模型五、砌体梁力学模型1.采动上覆岩层的岩体结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层；2. 可将上覆岩层划分为若干组，每组以坚硬岩层为底层； 其上部的软弱岩层可视为直接作用于骨架上的载荷，同时也是更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层。2.随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层在裂缝带内将断裂成排列整齐的岩块，岩块间将受水平推力作用而形成铰接关系。u岩层移动曲线的形态经实测呈开始为下凹、而后随工作面的推进逐渐恢复水平状态的过程，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。u若曲线下凹，则铰接点位置在岩块断裂面的偏下部；反之，则在偏上部。u如果在回采空间以及邻近的
6、采空区上方出现明显的离层区，说明该区内断裂的岩块可以形成悬露结构。3.由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两层骨架间的联结能用可缩性支杆代替。层骨架间的联结能用可缩性支杆代替。4.当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位置时，岩块间的剪切力趋近于零，此时的铰接关系可转化为水平连杆联结关系。5.最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化。第三节第三节 直接顶的垮落直接顶的垮落2、直接顶初次垮落距、直接顶初次垮落距1、直接顶初次垮落、直接顶初次垮落3、直接顶垮落后的碎胀特性、直接顶垮落后的碎胀特性形成充满采空
7、区所需直接顶厚度为：直接顶的垮落高度超过直接顶的垮落高度超过11.5m，范围超过全工作面长度，范围超过全工作面长度的一半。的一半。直接顶的第一次大面积垮落直接顶的第一次大面积垮落4、直接顶初次垮落前的离层、直接顶初次垮落前的离层 直接顶最大挠度老顶最大挠度不离层条件4、直接顶初次垮落前的离层、直接顶初次垮落前的离层粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易于形成直接顶与老顶间离层。为了防止直接顶因离层产生推垮事故必须保证支架具有一定的初撑力：直接顶和老顶间发生离层图2-6 利用红外钻孔探测仪观测到的顶板离层裂隙 切眼钻孔位置图 红外钻孔摄像机第四节第四节 老顶的断裂形式老顶的断裂形式一、
8、老顶的梁式断裂一、老顶的梁式断裂老顶两端固支梁受力分析老顶两端固支梁受力分析二、老顶的板破断二、老顶的板破断一般老顶岩层可视为薄板，按薄板的Marcus简算法对板的破断进行分析。老顶板竖老顶板竖“O-X”型破断形式型破断形式老顶板横老顶板横“O-X”型破断形式型破断形式第五节第五节 老顶的初次断裂步距老顶的初次断裂步距两端固支梁极限跨距：初次断裂步距初次断裂步距 老顶达到初次断裂时的跨距。 按材料力学方法可求得老顶梁式断裂步距。一、梁式断裂时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距两端固支梁极限跨距：两端固支梁极限跨距：按抗拉强度按抗拉强度按抗剪强度按抗剪强度两端简支梁极限跨距：两端简支梁极限跨距：
9、按抗拉强度按抗拉强度按抗剪强度按抗剪强度举例举例：设h4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174Kpa按抗拉：按抗拉：按抗剪：按抗剪：固支梁 破断距为 36m破断距为1005m简支梁 破断距为 29m老顶承受载荷q计算二、老顶板断裂的极限跨距二、老顶板断裂的极限跨距n老顶初次破断前板的边界支撑条件：老顶初次破断前板的边界支撑条件：n（1）四周均为实体煤固支的板；）四周均为实体煤固支的板；n（2）一边采空区或断层简支、三边固支）一边采空区或断层简支、三边固支的板；的板；n（3）两邻边简支、两邻边固支的板；）两邻边简支、两邻边固支的板；n（4）三边简支、一边固支，俗称孤岛工）三边简支、一边固
10、支，俗称孤岛工作面条件下的板。作面条件下的板。老顶板断裂步距与边界支撑条件有关。almlm 老顶的步距准数老顶的步距准数 边边长长系数系数对四周固支板对四周固支板1.支撑条件对断裂步距影响支撑条件对断裂步距影响a / bb工作面工作面长长度度1 2 3 4 2 / 32.工作面长度对断裂步距影响工作面长度对断裂步距影响以四边固支为例（1）b3lm时，alm 。说明工作面长度对破断步距影响甚微。（2）3lm b2 lm时，则lm a 2 lm 。说明随工作面长度缩短，步距显著增大。老顶破断呈横“ox”型。（3）b2 lm时，则a2 lm b。老顶呈正“ox”破断，即“见方垮落”。（4）lm b2
11、 lm b。初次破断步距大于工作面长度，老顶呈竖“ox”型破断。（5） b lm时，老顶稳定不垮落，即形成短壁开采工作面或巷道的情形。第六节第六节 老顶断裂后的老顶断裂后的“砌体梁砌体梁”结构结构及其稳定性分析及其稳定性分析一一. 老顶初次断裂后的老顶初次断裂后的“砌体梁砌体梁”平衡平衡1、结构的滑落失稳、结构的滑落失稳n若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：n可见是否产生滑落失稳主要取决于老顶破断岩块的高长比。高长比越小，结构抗滑落失稳的能力越大。一般情况下，=3845，tan=0.81.0。因此，要防止老顶初次破断后“砌体梁”结构产生滑落失稳岩块的高长比要小于0.40.5，即岩块长度要大
12、于22.5倍岩块厚度。若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角，满足不滑落失稳的条件为：满足不滑落失稳的条件为：对于图3-24(a)，当时，不论水平推力T有多大，都不能取得平衡。2、结构的变形失稳、结构的变形失稳n在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。剧，从而导致整个结构失稳。二二. “砌体梁砌体梁”全结构模型的受力分析全结构模型的受力分析此结构的特征为：此结构的特征为：1.离层区悬露岩块的
13、重量几乎全由前支承点承担；2.岩块B与C间剪切力接近于零，因而此处相当于岩块咬合形成半拱的拱顶；3.此结构的最大剪切力发生在岩块A与B之间，等于岩块B本身的重量及其载荷；4.此结构中第一、二断裂岩块即B与C对结构平衡起关键作用，是结构中的关键块。 形成“砌体梁”结构必须具有的水平力为：可见，hi 越厚，si0 越小，则形成此结构所要求的Ti力也越小。当si0=hi时，Ti。这种结构无法形成。因此，上覆岩层中，只有具有一定厚度的岩层(大于下沉量S Si0i0）才能形成此结构。si0小的含义反映了以下几种情况：小的含义反映了以下几种情况：l直接顶较厚；直接顶较厚；l采空区采用充填法处理；采空区采用
14、充填法处理；l采高较小的煤层；采高较小的煤层；l离开煤层距离较远的岩层。离开煤层距离较远的岩层。按滑落失稳条件，得到岩块长度与厚度的按滑落失稳条件，得到岩块长度与厚度的关系为：关系为：根据对岩体结构分析所得的结论，可根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下矿山压力现象做出解释：对以下矿山压力现象做出解释：1.老顶岩块的滑落失稳是工作面顶板出现老顶岩块的滑落失稳是工作面顶板出现台阶以及有时地表下沉出现台阶的原因；台阶以及有时地表下沉出现台阶的原因；2.煤壁上方老顶剪切力最大是工作面顶板煤壁上方老顶剪切力最大是工作面顶板沿煤壁切落的原因；沿煤壁切落的原因；3.上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆上覆岩
15、层结构的存在是支架受力小于覆盖层重量的原因，并由此可以分析工作面支盖层重量的原因，并由此可以分析工作面支架工作阻力必须平衡的顶板压力大小；架工作阻力必须平衡的顶板压力大小；4.采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采空区是工作面顶板压力比较小的原因；采空区是工作面顶板压力比较小的原因；5.工作面形成的支承压力主要集中于前拱工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。脚的原因。第七节第七节 老顶断裂时在岩体内引起的扰动老顶断裂时在岩体内引起的扰动n老顶岩层可视为夹持在上下软岩层间的弹性老顶岩层可视为夹持在上下软岩层间的弹性地基梁或弹性地基板，近似满足地基梁或弹性地基
16、板，近似满足Winkler弹性地弹性地基假定。基假定。n通过老顶弹性地基梁求解发现，在岩层通过老顶弹性地基梁求解发现，在岩层断裂时，老顶在部分区域岩层将发生断裂时，老顶在部分区域岩层将发生“上升上升”，而在另一部分区域老顶岩层对直接顶进，而在另一部分区域老顶岩层对直接顶进一步一步“压缩压缩”。n前者称为前者称为“反弹反弹”现象，其区域称现象，其区域称“反弹反弹”区；区；n后者则称为后者则称为“压缩压缩”现象，其区域称为现象，其区域称为“压缩压缩”区。区。老顶破断的老顶破断的“反弹反弹”与与“压缩压缩”现象的现象的意义意义：利用在工作面上下巷道中的“反弹”与“压缩”信息来预测老顶岩层的断裂和来压。第三章作业题第三章作业题nP97 第1、2、6、8题n n思考题思考题n n采场顶板都有哪些活动规律？有什采场顶板都有哪些活动规律？有什么特点，支持理论或假说是什么？么特点，支持理论或假说是什么？
