3采场顶板活动规律

第三章采场顶板活动规律第一节概述1234图5-4煤层、顶板、底板的相对位置关系1-砂岩（基本顶）；2-页岩（直接顶）；3-煤层；4-页岩（底板）回采工作面（采场）顶板与底板采空区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量，从而起到对回采工作面的保护作用。前拱脚后拱脚第二节采场上覆岩层活动规律的假说一、压力拱假说前拱脚在工作面前方煤体；后拱脚在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。回采工作面的支架只承受压力拱内岩石的重量。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，工作面支架存在两种工作状态：给定载荷状态；给定变形状态。三、铰接岩块假说假说认为，采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者的差别在于，裂隙带岩块间存在有规律的水平挤压力的联系，从而相互铰合而形成一条多环节的铰链。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、预成裂隙假说五、砌体梁假说采动上覆岩层中的坚硬岩层为岩体结构的骨架，并以此分组；软弱岩层视为载荷和垫层。采空区上方坚硬岩层断裂形成铰接关系。如有离层，则该区内断裂的岩块可以形成悬露结构。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。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。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。第三节直接顶的垮落直接顶初次垮落：直接顶的第一次大面积垮落。垮落高度超过1～1.5m，范围超过面长的一半。用垮落步距来衡量。直接顶垮落后的碎胀特性形成充满采空区所需直接顶厚度为：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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：第四节老顶的断裂形式一、老顶的梁式断裂老顶两端固支梁受力分析二、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“O-X”型破断形式老顶板横“O-X”型破断形式第五节老顶的初次断裂步距一、梁式断裂时的极限跨距两端固支梁极限跨距：按抗拉强度按抗剪强度两端简支梁极限跨距：按抗拉强度qRhLTlT2qRhLTlT32qhRLSlS34按抗剪强度qhRLSlS34举例：设h＝4，Rs=33MPa，RT=7MPa，q=174KPa按抗拉：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老顶板初次断裂步距的通用表达式：式中：lm－老顶的步距准数；ωi－“边－长”系数imila对四周固支板支撑条件对断裂步距影响λ＝a/bb－工作面长度2141111324321工作面长度对断裂步距影响b3lm时，a≈lm。面长对破断步距影响甚微。3lm≥b1.414lm时，则lma1.414lm。说明随面长缩短，步距显著增大。而极限悬露面积先减小后增大，老顶破断呈竖“o－x”型。b＝a=1.414lm时，极限悬露面积达到极大值，老顶呈正“o－x”破断，即“见方垮落”。lmb1.414lm时，a1.414lmb。初次破断步距大于工作面长度，老顶呈横“o－x”型破断。blm时，老顶稳定不垮落，即形成短壁开采工作面或巷道的情形。来压步距的推广换算法第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析一、老顶初次断裂后的“砌体梁”平衡1、结构的滑落失稳若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：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，φ=38°~45°，tanφ=0.8~1.0。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0.4~0.5，即岩块长度要大于2~2.5倍岩块厚度。若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角θ，满足不滑落失稳的条件为：对于图3-24(a)，当θ≥φ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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。二、“砌体梁”全结构模型的受力分析岩块B与C间剪切力接近于零，因而此处相当于岩块咬合此结构的最大剪切力发生在岩块A与B之间，等于岩块B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。此结构的特征为：形成“砌体梁”结构的水平力为：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si0）才能形成此结构。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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；上覆岩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架工作阻力必须平衡的顶板压力大小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工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。根据对岩体结构分析所得的结论，对以下矿山压力现象做出解释：第七节老顶断裂时在岩体内引起的扰动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Winkler弹性地基假定。kyp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“上升”，而在另一部分区域老顶岩层对直接顶进一步“压缩”。前者称为“反弹”现象，其区域称“反弹”区；后者则称为“压缩”现象，其区域称为“压缩”区。老顶破断的“反弹”与“压缩”现象的意义：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。