第三章采場(chǎng)頂板的活動(dòng)規(guī)律

1、第三章第三章 采場(chǎng)頂板的活動(dòng)規(guī)律采場(chǎng)頂板的活動(dòng)規(guī)律 本章介紹：本章介紹： 工作面頂?shù)装鍎澐止ぷ髅骓數(shù)装鍎澐?老頂破斷分析（梁、板）老頂破斷分析（梁、板） 直接頂穩(wěn)定性分析直接頂穩(wěn)定性分析 上覆巖層上覆巖層活動(dòng)規(guī)律活動(dòng)規(guī)律 上覆巖層平衡結(jié)構(gòu)上覆巖層平衡結(jié)構(gòu) 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、回采工作面頂、底板的劃分：一、回采工作面頂、底板的劃分： 1、頂板：、頂板： 偽偽 頂頂位于煤層之上，薄而軟弱的巖層； 直接頂直接頂位于煤層或偽頂之上一層或幾層性質(zhì)相近巖層； 老老 頂頂位于直接頂或煤層之上厚而堅(jiān)硬的巖層（基本頂）； 2、底板：、底板： 直接底直接底位于煤層之下的巖層（為古土壤）； 老老 底底直接底

2、之下的巖層。 二、回采工作空間類型：二、回采工作空間類型： （依據(jù)采空區(qū)處理方法不同劃分）（a）完整空間）完整空間刀柱法或留煤柱開(kāi)采；刀柱法或留煤柱開(kāi)采；（b）自彎曲空間）自彎曲空間頂板緩慢下沉法（頂板塑性大）；頂板緩慢下沉法（頂板塑性大）；（c）充填空間）充填空間充填法；充填法；（d）垮落空間）垮落空間全部垮落法。全部垮落法。三、頂板工作結(jié)構(gòu)：三、頂板工作結(jié)構(gòu)： 1、梁式結(jié)構(gòu)、梁式結(jié)構(gòu)將頂板視為沿工作面推進(jìn)方向的梁，按照梁式結(jié)構(gòu)承載變形破壞理論分析頂板破壞現(xiàn)象。 2、板式結(jié)構(gòu)、板式結(jié)構(gòu)將頂板巖層視為一個(gè)板或經(jīng)斷層、裂隙切割后，多塊板相互咬合組成的板，按板式結(jié)構(gòu)承載變形及強(qiáng)度理論分析頂板破壞現(xiàn)

3、象。 3、頂板結(jié)構(gòu)端部支撐條件：、頂板結(jié)構(gòu)端部支撐條件： 固定支座固定支座頂板被煤巖層夾持，未斷裂，無(wú)自由端； 簡(jiǎn)支梁支座簡(jiǎn)支梁支座頂板端部斷裂或埋深較淺（可轉(zhuǎn)動(dòng)）； 第二節(jié)第二節(jié) 直接頂?shù)姆€(wěn)定性分析直接頂?shù)姆€(wěn)定性分析位置位置原因原因地點(diǎn)地點(diǎn)%事故事故類型類型%頂板頂板%上、下出上、下出口口57.9推垮型推垮型71直接頂直接頂80放頂線放頂線19老頂老頂20煤壁區(qū)煤壁區(qū)14.7壓垮型壓垮型29直接頂直接頂21控頂區(qū)控頂區(qū)8.4老頂老頂79頂板事故位置與原因分析頂板事故位置與原因分析 一、直接頂巖層破壞離散原因：一、直接頂巖層破壞離散原因：1、節(jié)理裂隙切割；、節(jié)理裂隙切割；2、巖層松軟，變形大離

4、層；、巖層松軟，變形大離層；3、落煤后頂板支護(hù)不及時(shí)，支撐力小，促使離層；、落煤后頂板支護(hù)不及時(shí)，支撐力小，促使離層；4、老頂巖層平衡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，巖塊回轉(zhuǎn)；、老頂巖層平衡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，巖塊回轉(zhuǎn)；5、支撐力不均衡或支架反復(fù)支撐；、支撐力不均衡或支架反復(fù)支撐；6、放頂撤柱，動(dòng)力沖擊。、放頂撤柱，動(dòng)力沖擊。二、直接頂?shù)碾x層：二、直接頂?shù)碾x層：1、離層原因、離層原因2、不離層條件：、不離層條件： 無(wú)支護(hù)時(shí)：無(wú)支護(hù)時(shí)： 由撓度計(jì)算公式：由撓度計(jì)算公式： 老頂撓度：老頂撓度： 直接頂撓度：直接頂撓度：直接頂較軟，易發(fā)生彎曲變形直接頂較軟，易發(fā)生彎曲變形未及時(shí)支護(hù)或支撐力不足未及時(shí)支護(hù)或支撐力不足EJqLy384

5、4max11411max384JELqhy2221max384JELhyn 如果不發(fā)生離層，應(yīng)有 即 且 令 有 粗略的：直接頂厚度直接頂厚度 老頂厚度時(shí)，易發(fā)生離層。老頂厚度時(shí)，易發(fā)生離層。nyymaxmax224111411384384JELhJELqh12311bhJ 1232hbJ1hq11211EEhh有支護(hù)時(shí)由 有 且 從而 顯然： 及時(shí)增大支撐力可使頂板不離層。及時(shí)增大支撐力可使頂板不離層。224111411384384JELphJELqh1232hbJnyymaxmax12311bhJ 1hq112112hhEEhp不離層最小支撐力不離層最小支撐力三、直接頂?shù)某醮慰迓洌喝⒅苯?/p>

6、頂?shù)某醮慰迓洌?初次垮落初次垮落直接頂?shù)谝淮慰迓洌ǔ醮畏彭敚┲苯禹數(shù)谝淮慰迓洌ǔ醮畏彭敚?（標(biāo)志：垮落高度11.5m，長(zhǎng)度1/2 面長(zhǎng)） 初次垮落距初次垮落距第一次垮落時(shí)，直接頂?shù)目缇唷５谝淮慰迓鋾r(shí)，直接頂?shù)目缇唷?直接頂垮落距受直接頂強(qiáng)度、厚度、節(jié)理裂隙影響，是描述直接頂穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)。 直接頂垮落前，頂板完整性一般較好，支架載荷小，直接頂垮落前，頂板完整性一般較好，支架載荷小，穩(wěn)定性差，初次垮落易發(fā)生大面積頂板事故。穩(wěn)定性差，初次垮落易發(fā)生大面積頂板事故。 第三節(jié)第三節(jié) 老頂巖層力學(xué)分析老頂巖層力學(xué)分析一、老頂梁式結(jié)構(gòu)分析：一、老頂梁式結(jié)構(gòu)分析： 1、冒落區(qū)老頂支撐條件：、冒落區(qū)老頂支撐

7、條件： 1）全部充填滿回采空間）全部充填滿回采空間 2）不能充填滿回采空間）不能充填滿回采空間 （老頂懸露，成梁式結(jié)構(gòu)）（老頂懸露，成梁式結(jié)構(gòu)） （ ）01pKMh01pKMh1PPKhMKhMh2、老頂梁式結(jié)構(gòu)力學(xué)分析：、老頂梁式結(jié)構(gòu)力學(xué)分析： （按固定支座） 1）支座反力）支座反力：（對(duì)稱）任意截面剪力：）任意截面剪力：（）221qlRR12221qlMMlxqlqxqlqxRQx212212|0|2|20qlQQqlQlxlxx 3）任意截面彎矩：）任意截面彎矩：222211661212222lxlxqMqlxqxqlMxqxxRMxx12|24|12|220qlMqlMqlMlxlxx

8、可見(jiàn)：可見(jiàn)：最大彎矩、最大剪力發(fā)生在煤壁兩端最大彎矩、最大剪力發(fā)生在煤壁兩端4）簡(jiǎn)支支座時(shí)老頂?shù)牧W(xué)分析：）簡(jiǎn)支支座時(shí)老頂?shù)牧W(xué)分析： 剪力剪力 彎矩彎矩 最大彎矩在梁中間最大彎矩在梁中間 最大剪力在梁的兩端最大剪力在梁的兩端 受彎矩作用拉斷受彎矩作用拉斷 受剪力作用剪斷受剪力作用剪斷qxqlqxRQx2121222xqxqlxqxxRMx8|22qlMlx2|0qlQxxMxQq綜上：綜上：老頂巖梁破壞形式有兩個(gè)老頂巖梁破壞形式有兩個(gè)二、梁式斷裂時(shí)的極限跨距：二、梁式斷裂時(shí)的極限跨距： 1、按彎矩計(jì)算：、按彎矩計(jì)算： 任意點(diǎn)A 處正應(yīng)力： 其中斷面矩 最大拉應(yīng)力在梁的端部ZJMyqMQ312

9、1hJz2232maxmax212121212hqlhhqlJhMz 當(dāng) 時(shí)，則巖梁被拉斷裂。 此時(shí)由 有： 固定梁按彎矩計(jì)算的極限跨距：固定梁按彎矩計(jì)算的極限跨距： 2、按剪力計(jì)算：、按剪力計(jì)算： 最大剪切力發(fā)生在梁的兩端 最大剪應(yīng)力為：tRmax222hqlRtqRhLtLT22maxqlQhql43max 當(dāng) 時(shí)，巖梁被剪斷。 此時(shí)由 有： 固定梁按剪力計(jì)算的極限跨距：固定梁按剪力計(jì)算的極限跨距： 3、按簡(jiǎn)支梁計(jì)算：、按簡(jiǎn)支梁計(jì)算： 剪力與固支梁同，跨距相同剪力與固支梁同，跨距相同 彎矩與固定梁不同，最大彎矩在梁中部彎矩與固定梁不同，最大彎矩在梁中部sRmaxhqlRs43qhRLsLS

10、34qhRLsLS3482maxqlM 故最大拉應(yīng)力為： 當(dāng) 時(shí)，巖梁被拉斷裂。 此時(shí)由 有： 簡(jiǎn)支梁按彎矩計(jì)算的極限跨距：簡(jiǎn)支梁按彎矩計(jì)算的極限跨距：2232maxmax43121282hqlhhqlJhMztRmax2243hqlRtqRhLtLT32老頂按梁式結(jié)構(gòu)計(jì)算其極限跨度為：老頂按梁式結(jié)構(gòu)計(jì)算其極限跨度為： 固定梁固定梁 簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)支梁 按彎矩計(jì)算按彎矩計(jì)算 按剪力計(jì)算按剪力計(jì)算qRhLtLT2qhRLsLS34qRhLtLT32qhRLsLS34對(duì)一般厚度巖層，彎矩極限跨度小于剪力極限跨度；對(duì)一般厚度巖層，彎矩極限跨度小于剪力極限跨度；簡(jiǎn)支梁彎矩極限跨度小于固定梁彎矩極限跨度。簡(jiǎn)支

11、梁彎矩極限跨度小于固定梁彎矩極限跨度。 （頂板巖層在固定端斷裂后，隨即在中間斷裂）（頂板巖層在固定端斷裂后，隨即在中間斷裂）結(jié)論：結(jié)論：4、q 的確定：的確定： 1）組合梁原理：）組合梁原理： 整體整體Q =Qi 整體整體M =Mi 整體曲率較單一分層為小整體曲率較單一分層為小 各分層曲率一致各分層曲率一致（否則要離層） 2） q 的計(jì)算公式：的計(jì)算公式： 由材力知曲率與彎矩關(guān)系為：iixiiJEMk)( 且 即 故有： ； ； ； 由 M =Mi 有：有：nkkk 21nnnJEMJEMJEM 222111221121)()(JEJEMMxx331131)()(JEJEMMxxnnxnxJE

12、JEMM111)()( 11332211JEJEJEJEMMnnxxnnxxJEJEJEMJEM 2211111QdxdMqdxdQ故有： 式中： 而 即為考慮到 n 層對(duì)第一層的影響時(shí)形成的載荷， 記為 故得：xnnxQJEJEJEJEQ 2211111)(xnnxqJEJEJEJEq 2211111)(nnxhhhq 2211123iibhJ xq )(11)(nq332231122113111)(nnnnnhEhEhEhhhhEq q 的計(jì)算公式：的計(jì)算公式：公式原理：公式原理： 當(dāng)開(kāi)采空間形成后，第一層巖層并非承受其上直至地表的全部巖層重量，其上必然有一層距離較近的近的堅(jiān)硬巖層，可將起

13、上部巖層載荷通過(guò)本身的強(qiáng)度或抵抗變形能力傳遞到空間兩側(cè)實(shí)體支撐點(diǎn)上，而第一層巖層僅承受其上直至第一層堅(jiān)硬巖層間各巖層因彎矩施加的載荷。公式應(yīng)用：公式應(yīng)用： （P79例題） 1）先計(jì)算第一層載荷 2）計(jì)算第二層對(duì)第一層的作用；計(jì)算至第三層時(shí)第一層載荷 3）一直計(jì)算到第n+1層時(shí)，第一層載荷反而小于第n層時(shí)的載荷為止 4）取第n層時(shí)的計(jì)算載荷為 q ，此值為計(jì)算過(guò)程中得到的最大值。111hq三、老頂?shù)陌迨狡茢啵喝?、老頂?shù)陌迨狡茢啵?1、板式結(jié)構(gòu)邊界支撐條件：、板式結(jié)構(gòu)邊界支撐條件： 薄板：薄板：長(zhǎng)150-200m 寬30m 厚24m 邊界支撐條件：邊界支撐條件： （a）四邊固支始采工作面； （b）

14、三固一簡(jiǎn)一面為已采區(qū)（老塘）； （c）二固二簡(jiǎn)一面為已采區(qū)，一面為工作面采空區(qū)； （d）一固三簡(jiǎn)三面臨空，回采半島區(qū)域。2、板式結(jié)構(gòu)體彎矩分布：、板式結(jié)構(gòu)體彎矩分布： 1）Marcus簡(jiǎn)算法原理：簡(jiǎn)算法原理： 將板分為若干橫縱條梁，求每一條梁彎矩并考慮將板分為若干橫縱條梁，求每一條梁彎矩并考慮交叉點(diǎn)撓度相等，從而求出板體內(nèi)彎矩分布。交叉點(diǎn)撓度相等，從而求出板體內(nèi)彎矩分布。 2）板體內(nèi)彎矩分布圖：）板體內(nèi)彎矩分布圖： 由于由于 且且 由圖可見(jiàn)：由圖可見(jiàn)： 固定端邊界處彎矩比其它地方為大；固定端邊界處彎矩比其它地方為大； 頂板支撐條件由頂板支撐條件由“四固四固三簡(jiǎn)三簡(jiǎn)”轉(zhuǎn)變時(shí)，煤壁處彎矩轉(zhuǎn)變時(shí)，煤

15、壁處彎矩增大；增大； 上述四種支撐條件下，最大彎矩位于工作面煤壁中段；上述四種支撐條件下，最大彎矩位于工作面煤壁中段； 當(dāng)板式結(jié)構(gòu)四面臨空時(shí)，最大彎矩在板的中間。當(dāng)板式結(jié)構(gòu)四面臨空時(shí)，最大彎矩在板的中間。 3、板式結(jié)構(gòu)破斷過(guò)程：、板式結(jié)構(gòu)破斷過(guò)程： 長(zhǎng)邊長(zhǎng)邊短邊短邊溝溝通通中間中間 （OX型破斷）第四節(jié)第四節(jié) 回采工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律回采工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律 老頂垮落后，其上覆巖層將依次發(fā)生斷裂、離層和移動(dòng)，其破壞移動(dòng)的程度與開(kāi)采形成的自由空間大小有關(guān)，一般講，隨時(shí)間的推移，上覆巖層移動(dòng)將一直波及到地表。巖層內(nèi)部破壞情況推測(cè)圖巖層內(nèi)部破壞情況推測(cè)圖 A煤壁支撐影響區(qū)煤壁支撐影響區(qū)(ab)；

16、B離層區(qū)離層區(qū)(bc)；C重新壓實(shí)區(qū)重新壓實(shí)區(qū)(cd) 冒落帶冒落帶 裂隙帶裂隙帶 彎曲下沉帶彎曲下沉帶 1、橫三區(qū)、豎三帶的形成：、橫三區(qū)、豎三帶的形成： 上覆松軟巖層上覆松軟巖層 上覆中硬巖層上覆中硬巖層 上覆堅(jiān)硬巖層上覆堅(jiān)硬巖層2：實(shí)際測(cè)得的不同類型覆巖開(kāi)采后的破壞情況：實(shí)際測(cè)得的不同類型覆巖開(kāi)采后的破壞情況 1冒落帶； 2裂隙帶 上覆巖層移動(dòng)實(shí)測(cè)曲線上覆巖層移動(dòng)實(shí)測(cè)曲線 3、工作面附近頂板移動(dòng)觀測(cè)曲線：、工作面附近頂板移動(dòng)觀測(cè)曲線：開(kāi)采后上覆巖層沿走向方向水平與垂直移動(dòng)軌跡圖開(kāi)采后上覆巖層沿走向方向水平與垂直移動(dòng)軌跡圖 4、上覆巖層隨工作面推采位移路徑：、上覆巖層隨工作面推采位移路徑：

17、觀測(cè)點(diǎn)在沿煤層傾斜剖面上的移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)在沿煤層傾斜剖面上的移動(dòng) 5、傾角對(duì)頂板位移的影響：、傾角對(duì)頂板位移的影響：6、頂板移動(dòng)一般規(guī)律：、頂板移動(dòng)一般規(guī)律：巖層移動(dòng)由下而上形成三帶，直至地表（冒落、 裂隙、 彎曲下沉）；在工作面附近，頂板形成三區(qū)（煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)）；裂隙帶可行成某種平衡結(jié)構(gòu)；頂板移動(dòng)在工作面前方30-40m開(kāi)始（水平為主、垂直為小）；頂板（移動(dòng)軌跡）位移基本垂直層面；移動(dòng)影響范圍，由下向上逐漸擴(kuò)大，形狀由方到圓。 第五節(jié)第五節(jié) 回采工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律假說(shuō)回采工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律假說(shuō)一、壓力拱假說(shuō)：一、壓力拱假說(shuō)： （1928，德國(guó)，哈克） 在上覆巖層中，

18、形成一個(gè)“壓力拱”，前方煤壁及后方垮落矸石分別為拱的兩腳，工作面處于拱的保護(hù)之下。 “壓力拱”將隨工作面的推進(jìn)而前移。二、懸臂梁假說(shuō)：二、懸臂梁假說(shuō)： （1916，德國(guó)，施托克） 工作面和采空區(qū)上覆巖層，可視為一端固定于巖體內(nèi)，另一端懸伸的懸臂梁，多巖層可組成組合懸臂梁。懸臂梁平時(shí)承擔(dān)巖層載荷，當(dāng)其變形下沉?xí)r，一端壓在垮落矸石上，當(dāng)跨度增大，斷裂形成周期來(lái)壓。三、預(yù)成裂隙假說(shuō)：三、預(yù)成裂隙假說(shuō)：( 1954，比利時(shí)，拉巴斯） 頂板巖層受支承壓力作用，產(chǎn)生相互平行的裂隙，成為“假塑性體”，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，產(chǎn)生塑性彎曲，由相互擠壓形成類似梁的平衡結(jié)構(gòu)。 頂板分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、采動(dòng)影響區(qū)，三區(qū)隨工作面而移動(dòng)。 工作面支架應(yīng)具有足夠的初撐力和工作阻力，以阻止巖塊滑落或離層。 四、鉸接巖塊假說(shuō)：四、鉸接巖塊假說(shuō)： （1954，蘇，庫(kù)茲