采场上覆-岩层活动规律

1/34第三章采场上覆岩层活动规律本章介绍：工作面顶底板划分采场上覆岩层活动规律假说直接顶稳定性分析老顶断裂形式及步距（梁、板）老顶断裂后的砌体梁结构及其稳定性分析2/34第一节概述一、回采工作面顶、底板的划分：1、顶板：伪顶——位于煤层之上，薄而软弱的岩层；直接顶——位于煤层或伪顶之上一层或几层性质相近岩层；老顶——位于直接顶或煤层之上厚而坚硬的岩层（基本顶）；2、底板：直接底——位于煤层之下的岩层（为古土壤）；老底——直接底之下的岩层。（对于反山，顶底板位置发生翻转）3/34二、回采工作空间类型：（依据采空区处理方法不同划分）（a）完整空间——刀柱法或留煤柱开采；（b）自弯曲空间——顶板缓慢下沉法（顶板塑性大）；（c）充填空间——充填法；（d）垮落空间——全部垮落法。4/34三、顶板工作结构：1、梁式结构——将顶板视为沿工作面推进方向的梁，按照梁式结构承载变形破坏理论分析顶板破坏现象。2、板式结构——将顶板岩层视为一个板或经断层、裂隙切割后，多块板相互咬合组成的板，按板式结构承载变形及强度理论分析顶板破坏现象。3、顶板结构端部支撑条件：固定支座——顶板被煤岩层夹持，未断裂，无自由端；简支梁支座——顶板端部断裂或埋深较浅（可转动）；5/34第二节有关采场上覆岩层活动规律的假说一、压力拱假说：（1928，德国，哈克）在上覆岩层中，形成一个“压力拱”，前方煤壁及后方垮落矸石分别为拱的两脚，工作面处于拱的保护之下。“压力拱”将随工作面的推进而前移。6/34二、悬臂梁假说：（1916，德国，施托克）工作面和采空区上覆岩层，可视为一端固定于岩体内，另一端悬伸的悬臂梁，多岩层可组成组合悬臂梁。悬臂梁平时承担岩层载荷，当其变形下沉时，一端压在垮落矸石上，当跨度增大，断裂形成周期来压。7/34三、预成裂隙假说：(1954，比利时，拉巴斯）顶板岩层受支承压力作用，产生相互平行的裂隙，成为“假塑性体”，在工作面推进过程中，产生塑性弯曲，由相互挤压形成类似梁的平衡结构。顶板分为应力降低区、应力升高区、采动影响区，三区随工作面而移动。工作面支架应具有足够的初撑力和工作阻力，以阻止岩块滑落或离层。8/34四、铰接岩块假说：（1954，苏，库兹涅佐夫）上覆岩层分为垮落带和规则移动带，规则移动带岩块间相互铰合而形成一条多环节的岩块铰链。铰接岩块假说1.不规则冒落带；2-规则冒落带；3-裂隙带规则移动带岩层变形小时，其下部岩层发生离层，工作面支架只承受直接顶因离层而折断岩层的全部重量（给定载荷），当规则移动带变形大或断裂时，支架载荷与岩层变形位移有关（给定变形）。对铰接岩块间力学作用未做说明。9/34五、“砌体梁”理论：（1978，钱鸣高，中国）在上覆岩层中存在由断裂岩块组成的“砌体梁”，因岩块相互挤压，形成承载结构。认为：上覆岩层可以硬岩为底划分若干组，软岩为载荷；硬岩断裂，岩块间相互挤压成铰接关系；铰接岩块在某些条件下可形成平衡体。10/34第三节直接顶的垮落位置原因地点%事故类型%顶板%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顶板事故位置与原因分析11/34一、直接顶岩层破坏离散原因：1、节理裂隙切割；2、岩层松软，变形大离层；3、落煤后顶板支护不及时，支撑力小，促使离层；4、老顶岩层平衡结构失稳，岩块回转；5、支撑力不均衡或支架反复支撑；6、放顶撤柱，动力冲击。12/34二、直接顶的离层：1、离层原因2、不离层条件：无支护时：由挠度计算公式：老顶挠度：直接顶挠度：直接顶较软，易发生弯曲变形未及时支护或支撑力不足EJqLy3844max114111max384JELqhy2241max384JELhyn13/34如果不发生离层，应有即且令有显然：直接顶厚度≤老顶厚度时，易发生离层。nyymaxmax2241114111384384JELhJELqh12311bhJ1232hbJ11hq11211EEhh14/34有支护时由有且从而显然：及时增大支撑力可使顶板不离层。2241114111384384JELphJELqh1232hbJnyymaxmax12311bhJ11hq112112hhEEhp不离层最小支撑力15/34直接顶初次垮落后采空区情形16/34三、直接顶的初次垮落：初次垮落——直接顶第一次垮落（初次放顶）（标志：垮落高度＞1~1.5m，长度＞1/2面长）初次垮落距——第一次垮落时，直接顶的跨距。直接顶垮落距受直接顶强度、厚度、节理裂隙影响，是描述直接顶稳定性的综合指标。直接顶垮落前，顶板完整性一般较好，支架载荷小，稳定性差，初次垮落易发生大面积顶板事故。17/34第四节老顶的断裂形式一、老顶梁式结构分析：1、冒落区老顶支撑条件：1）全部充填满回采空间2）不能充填满回采空间（老顶悬露，成梁式结构）（）01pKMh01pKMh1PPKhMKhMh18/342、老顶梁式结构力学分析：（按固定支座）1）支座反力：（对称）２）任意截面剪力：（Ｄ—Ｄ’）221qlRR12221qlMMlxqlqxqlqxRQx212212|0|2|20qlQQqlQlxlxx19/343）任意截面弯矩：222211661212222lxlxqMqlxqxqlMxqxxRMxx12|24|12|220qlMqlMqlMlxlxx可见：最大弯矩、最大剪力发生在煤壁两端20/344）简支支座时老顶的力学分析：剪力弯矩最大弯矩在梁中间最大剪力在梁的两端受弯矩作用拉断受剪力作用剪断qxqlqxRQx2121222xqxqlxqxxRMx8|22qlMlx2|0qlQxxMxQq综上：老顶岩梁破坏形式有两个21/34二、梁式断裂时的极限跨距：1、按弯矩计算：任意点A处正应力：其中断面矩最大拉应力在梁的端部ZJMyqMQ3121hJz2232maxmax212121212hqlhhqlJhMz老顶达到初次短裂时的跨距称为极限跨距，初次断裂步距。22/34当时，则岩梁被拉断裂。此时由有：固定梁按弯矩计算的极限跨距：2、按剪力计算：最大剪切力发生在梁的两端最大剪应力为：tRmax222hqlRtqRhLtLT22maxqlQhqlhyhQX43)4(23max322max23/34当时，岩梁被剪断。此时由有：固定梁按剪力计算的极限跨距：3、按简支梁计算：剪力与固支梁同，跨距相同弯矩与固定梁不同，最大弯矩在梁中部sRmaxhqlRs43qhRLsLS34qhRLsLS3482maxqlM24/34故最大拉应力为：当时，岩梁被拉断裂。此时由有：简支梁按弯矩计算的极限跨距：2232maxmax43121282hqlhhqlJhMztRmax2243hqlRtqRhLtLT3225/34老顶按梁式结构计算其极限跨度为：固定梁简支梁按弯矩计算按剪力计算qRhLtLT2qhRLsLS34qRhLtLT32qhRLsLS34对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小于剪力极限跨度；简支梁弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度。（顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）结论：26/34在刀柱式或房柱式开采时，为保证采矿工作空间顶板的完整性，刀柱间距应采用岩梁的安全跨距L0，若取岩层趋向断裂的安全系数为n，则可得顶板岩层的安全跨距为：nqRhLT20固在用刀柱或房柱法开采时，顶板岩层的安全跨距L0为：nqRhLT320简可见，在同样条件下，用简支梁计算所得的极限跨距小。27/344、q的确定：1）组合梁原理：整体Q=ΣQi整体M=ΣMi整体曲率较单一分层为小各分层曲率一致（否则要离层）2）q的计算公式：由材力知曲率与弯矩关系为：iixiiJEMk)(28/34且即故有：；；…；由M=Σmi有：nkkk21nnnJEMJEMJEM222111221121)()(JEJEMMxx331131)()(JEJEMMxxnnxnxJEJEMM111)()(11332211JEJEJEJEMMnnxxnnxxJEJEJEMJEM2211111QdxdMqdxdQ29/34故有：式中：而即为考虑到n层对第一层的影响时形成的载荷，记为故得：xnnxQJEJEJEJEQ2211111)(xnnxqJEJEJEJEq2211111)(nnxhhhq2211123iibhJxq)(11)(nq30/34332231122113111)(nnnnnhEhEhEhhhhEqq的计算公式：公式原理：当开采空间形成后，第一层岩层并非承受其上直至地表的全部岩层重量，其上必然有一层距离较近的坚硬岩层，可将起上部岩层载荷通过本身的强度或抵抗变形能力传递到空间两侧实体支撑点上，而第一层岩层仅承受其上直至第一层坚硬岩层间各岩层因弯矩施加的载荷。公式应用：（P79例题）1）先计算第一层载荷2）计算第二层对第一层的作用；计算至第三层时第一层载荷……3）一直计算到第n+1层时，第一层载荷反而小于第n层时的载荷为止4）取第n层时的计算载荷为q，此值为计算过程中得到的最大值。111hq31/34三、老顶的板式破断：1、板式结构边界支撑条件：薄板：长150-200m宽30m厚2—4m边界支撑条件：（a）四边固支——始采工作面；（b）三固一简——一面为已采区；（c）二固二简——一面为已采区，一面为工作面采空区；（d）一固三简——三面临空，回采半岛区域。32/342、板式结构体弯矩分布：1）Marcus简算法原理：将板分为若干横纵条梁，求每一条梁弯矩并考虑交叉点挠度相等，从而求出板体内弯矩分布。2）板体内弯矩分布图：由于且33/34由图可见：固定端边界处弯矩比其它地方为大；顶板支撑条件由“四固—三简”转变时，煤壁处弯矩增大；上述四种支撑条件下，最大弯矩位于工作面煤壁中段；当板式结构四面临空时，最大弯矩在板的中间。3、板式结构破断过程：长边——短边——沟通——中间（O—X型破断）34/34•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12332.5×104第一层Rt=14MPaRS=33MPa22521.3×10432621.1×10442511.2×10452542.5×104