第三章采场顶板活动规律

第三章采场顶板活动规律3.1概述3.2有关采场上覆岩层活动规律的假说3.3直接顶的垮落3.4老顶的断裂形式3.5老顶的初次断裂步距3.6老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析3.7老顶断裂时在岩体内引起的扰动回采工作面/采场：直接进行采煤或采其它矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。（coalface,workingface)顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。（roof）底板：位于煤层下方的岩层称为底板。（floor)直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。（immediateroof)由于它们在推进方向上不能够始终保持传递力的联系，因此一旦运动，其重量将由支架全部承担。直接顶指采空区已经冒落岩层的总合。23.1概述伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3～0.5m、极易垮落（随采随冒）的软弱岩层，称为伪顶。（falseroof)基本顶：位于直接顶之上(有时直接位于煤层之上)对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为基本顶/老顶。（mainroof)老顶破断以后，破裂岩块始终能保持向煤壁前方和采空区矸石上传递力的联系，它的运动对回采工作面矿山压力显现有明显影响，但是其作用力无须由支架全部承担。33.1概述3.1概述4图3-1回采工作面采空区常见处理方法a刀柱(留煤柱)；b顶板缓慢下沉法；c充填法；d全部垮落法3.1.1回采工作面采空区处理方法3.1概述5图3-23.1.2全部垮落法回采工作面采空区空间的演化过程初采直接顶垮落后老顶垮落后3.1概述63.1.3全部膏体充填回采工作面采空区处理方法支架煤体采空区充填体充填体3.1概述7膏体充填采煤方法指的是把物料制作成“无临界流速、不需脱水”的膏状浆体，通过泵压和/或重力作用，经过“管道输送”到采场，适时充填采空区，用膏体充填材料形成的支撑体系控制回采工作面采空区顶底板移动和地表沉陷的采煤方法。发展膏体充填采煤技术的目的解放“三下一上”压煤，提高采出率，延长矿井服务年限；保水采煤；固体废物资源化利用；沿空留巷煤-瓦斯共采。中国矿业大学在国内最早研究煤矿膏体充填开采，利用“211工程”，建立了专门充填采矿实验室，其已成为国家重点实验室的重要组成部分，承担完成了我国第一批煤矿膏体充填工业化试验项目。3.1概述83.1概述9太平煤矿站小屯煤矿站朱村煤矿站岱庄煤矿站中国矿业大学设计建立的部分膏体充填站3.1概述10需要指出的是，我国煤矿目前普遍采用的是全部垮落法管理顶板，在回采工作面从开切眼回采一定宽度出现顶板破断冒落以后，回采工作面便是处于一侧是待采的煤壁，另一侧是冒落破坏的采空区。煤矿安全生产最关心的是如何才能够确保回采工作面工人、设备安全！这需要研究掌握回采过程中顶板岩层移动破坏规律，需要研究直接顶板、老顶对采场矿山压力显现的影响和对支架的要求，需要研究各种条件下设计加工什么样的支架才能够保证支护安全。煤与瓦斯共采还需要研究掌握瓦斯在采空区内的运移规律。3.1概述11对于一个回采工作面，如果不知道顶板中那些岩层需要控制，不知道这些岩层大面积运动发生的时间、范围以及可能的运动方向，控制设计将是盲目的。同样，如果不了解支承压力分布随上覆岩层运动发生的变化规律，不能根据具体的条件，包括时间、地点及上覆岩层运动的发展情况等，搞清楚回采工作面四周压力的真实分布情况，要正确选择巷道合理的开掘位置和时间，解决好巷道所必须的阻力和缩量等方面的问题也是不可能的。本章重点学习采场顶板岩层移动破坏规律。3.2有关采场上覆岩层活动规律的假说12“假说”就是用已有的事实材料和科学原理为依据，关于未知事实（如现象之间的规律性联系、事物的存在或原因、未来事件的出现等）的假设性解释。形成假说是科学研究活动中的基本程序之一，也是研究工作十分重要的手段。假说指导我们理解新的情况、启发我们做新的实验从而发现新的现象和规律。经过实践检验和验证，证明是正确的，就上升为理论和规律。由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂性，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释（即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）称为矿山压力假说，它们丰富和促进了矿山压力理论的发展。13假说观点：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。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。3.2.1压力拱假说（德国哈克等，1928）讨论：压力拱假说对回采工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压范围作出了粗略的但却是经典的解释，而对于此拱的特性、岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用，并没有做任何分析。14假说观点：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。3.2.2悬臂梁假说（德国施托克，1916）讨论：悬臂梁假说解释了：（1）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越远则两者均大的现象。（2）采场出现前支承压力、周期来压现象。该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。153.2.3铰接岩块假说（前苏联库兹涅佐夫，1950)假说观点：（1）采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者差别在于，裂隙带岩块间存在有规律的水平挤压力的联系，从而相互铰合形成一条多环节的铰链。三铰拱式的平衡。（2）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。讨论：（1）正确解释了顶板分带情况。（2）提出了老顶铰接岩块结构形式。（3）没有解决结构平衡条件。假说观点：（1）在采场周围存在应力降低区(Ⅰ)，应力增高区(Ⅱ)和采动影响区(Ⅲ)，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。（2）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，其在彼此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡。在自重及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩层的下沉量大于上部岩层时，就产生离层。163.2.4预成裂隙假说(比利时拉巴斯，1950）173.2.4预成裂隙假说(比利时拉巴斯，1950）讨论：（1）提出了采场顶板水平分区情况。（2）提出了破裂老顶呈塑性体，类似梁结构形式。（3）无具体力学模型，只是定性描述。假说观点：（3）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及时支撑住顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，借助于彼此之间的摩擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对滑移、张裂与离层。18垮落带裂缝带弯曲下沉带煤壁支承区离层区重新压实区3.1.5砌体梁假说（钱鸣高，1978）理论观点：（1）采场围岩分区性特征砌体梁理论提出以后，很快得到煤炭系统广泛认同，对采场支架选型设计与顶板管理发挥了重要的理论指导作用。193.1.5砌体梁理论（钱鸣高，1978）理论观点：（2）力学简化模型：软硬岩分组性；软岩处理；硬岩砌体梁结构；支护—顶板相互作用关系。203.1.5砌体梁理论（钱鸣高，1978）理论本观点：（2）力学简化模型：上覆岩层结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层。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。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。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，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。213.1.5砌体梁理论（钱鸣高，1978）理论本观点：（2）力学简化模型：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。223.1.5砌体梁理论（钱鸣高，1978）讨论：（1）砌体梁理论关于采场顶板分区、分带特征吸收了预成裂隙假说、铰接岩块假说的合理内容，得到了孔庄煤矿现场实测证实，已经成为煤炭系统关于采场顶板分区、分带特征的标准表述。实际上底板也要遭受采动破坏，有“下三带”之说。（2）砌体梁理论建立了比较完善的力学模型，并提出了砌体梁平衡“准定量”计算，对一系列采场矿山压力现象做出了合理解释。（3）关于煤体影响、老顶岩层在煤壁上方破断位置等缺乏深入研究。（4）钱院士提出砌体梁理论是在深入孔庄煤矿现场实测的基础上提出的，当时45岁，副教授。233.1.6传递岩梁理论（宋振琪，1978）理论观点：（1）煤层支承压力分内外应力场。老顶破断位置一般位于煤壁前方，破断位置到煤壁这部分支承压力位内应力场，其大小由下位老顶岩梁重量决定，与采深没有直接联系；破断位置往深部为外应力场，其大小由开采深度直接相关。243.1.6传递岩梁理论（宋振琪，1978）理论观点：（2）老顶破断后，在破断裂隙附近一定范围支承压力明显减小，在采场煤壁前方的回采巷道顶底变形出现反弹，可以利用这一特点预报老顶来压和破断位置。（3）老顶传递岩梁可以传递水平力。（4）采场支架支护其上方全部直接顶岩石重量；对老顶根据采场需要选择“给定变形”还是“限定变形”。支架与顶板作用的位态方程：iAThhKAp式中，A—直接顶作用力；hA—控顶末排最大顶板下沉量；hi—要控制的顶板下沉量；K—位态常数，由岩梁和控顶距决定。253.1.6传递岩梁理论（宋振琪，1978）讨论：（1）传递岩梁理论正确揭示了老顶岩梁一般在煤壁前方破端的实际，指导了采场顶板来压预测预报。（2）但是，该理论关于老顶“传递岩梁”破断以后的结构形式不明确。这一点也影响了该理论开始提出时没有得到学术界的认可。263.1.7关键层理论（钱鸣高，1996）理论观点：（1）在直接顶上方存在厚度不等、强度不同的多层岩层，其中一层至数层在采场上覆岩层活动中起主要的控制作用。将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层称为关键层。前者称为亚关键层，后者称为主关键层。（2）为了弄清岩层移动由下往上传递的动态过程，岩层移动过程中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状态的变化，关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律。27关键层相似材料模拟28关键层相似材料模拟29关键层相似材料模拟30关键层相似材料模拟31关键层相似材料模拟3.1.7关键层理论（钱鸣高，1996）32讨论：（1）关键层理论的提出实现了矿山压力、岩层移动与地表沉陷、采动煤岩体中水与瓦斯流动研究的有机统一，为更全面、深入地解释采动岩体活动规律和采动损害显现奠定了基础，为煤矿绿色开采技术研究提供了新的理论平台。（2）关键层理论是矿山压力控制中的“抓主要矛盾”思想，给予大家一种研究问题的正确思路。（3）关键层理论提出之前，研究采动岩层移动学者王金庄教授（中国矿业大学）曾提出“托板”概念，有关键层的义函。关键层是托板概念的提升、扩展。（4）砌体梁、关键层理论力学模型简单是科学简化的结果。333.3直接顶的垮落煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达到其极限跨距时开始垮落。直接顶初次垮落：直接顶第一次垮落高度超过1～1.5m，范围超过全工作面长度的一半，叫做直接顶初次垮落，此时直接顶的跨距称为“直接顶初次垮落距”。直接顶初次垮落前，相对基本顶而言，其变形大，容易出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初次垮落前可以简化为“两端固支梁”式结构，其离层与变形分析如下(图3-8)。34图3-8直接顶初次垮落前的离层分析3.3直接顶的垮落3.3.1直接顶初次垮落前的离层分析直接顶老顶钻孔摄像机35切眼钻孔位置图