采場上覆巖層運動規(guī)律

1、采場上覆巖層運動規(guī)律1采場上覆巖層破壞的基本形式理論與實踐的研究結(jié)果表明，采場上覆巖層懸露后發(fā)展到破壞有二種運動形式：彎拉破壞和剪切破壞。彎拉破壞的發(fā)展過程是：隨采場推進，上覆巖層懸露在重力作用下彎曲巖層懸露達一定跨度，彎曲沉降發(fā)展到一定限度后，在伸入煤壁的端部開裂中部開裂形成“假塑性巖梁”當其沉降值超過“假塑性巖梁”允許沉降值時，懸露巖層即自行冒落。巖層運動由彎曲沉降發(fā)展至破壞的力學條件是巖層中的最大彎曲拉應力達到其抗拉強度。懸露巖層中部拉開后，是否發(fā)展至冒落，則由其下部允許運動的空間高度決定。只有其下部允許運動的空間高度超過運動巖層的允許沉降值，巖層運動才會由彎曲沉降發(fā)展至冒落。否則，將保

2、持“假塑性巖梁”狀態(tài)。由此，煤層上方第n個巖層彎曲破壞發(fā)展至冒落的條件為:巖層剪（切）斷破壞的發(fā)展過程是：巖層懸露后只產(chǎn)生不大的彎曲，懸露巖層端部開裂在巖層中部未開裂（或開裂很?。┑那闆r下，整體切斷塌垮。 2 .采場上覆巖層在縱向上的運動發(fā)展規(guī)律2.1巖層離層發(fā)生的位置和條件采場上方懸露的巖層，可視為在均布載荷作用下的多層嵌固梁。該巖梁彎曲沉降過程中，必然在平行于軸向的各層面（或接觸面）上出現(xiàn)剪應力。隨采場推進，剪應力隨巖梁懸跨度和外載的增加而增加，當剪應力值超過層面上（或軟弱夾層的接觸面上）粘結(jié)力和摩擦阻力所允許的限度時，層面或軟弱夾層的接觸面被剪壞。巖層的離層隨即發(fā)生。因此，離層發(fā)生和力學

3、條件為:式中：層面（或軟弱夾層接觸面）的剪應力；C層面或接觸面上的粘結(jié)力；層面或接觸面上的磨擦角；n層面或接觸面上的壓應力。大量理論研究和工程實踐表明：（1）離層一般發(fā)生于巖層的接觸面或軟弱夾層上；（2）接觸面的破壞，只有在相應接觸面上的剪應力超限時才會發(fā)生，即懸露巖層的跨度達到極限時，離層才會發(fā)生。（3）離層出現(xiàn)的位置取決于組合巖梁中各巖層的彎曲剛度和各夾層的強度。當下部巖層彎曲剛度小，夾層（或接觸面）強度低時，離層在下部發(fā)生；反之，離層可能在上部夾層中出現(xiàn)。（4）各巖層受采場推進的影響，其懸露時間、懸露跨度和所受外載由下而上是不相同的。一般來說最下部的巖層最先懸露，愈靠近上部的巖層，懸露愈

4、晚。各巖層的懸露跨度由下而上是依次遞減的。研究證明，如果下部巖層端部斷裂前懸跨度為L1，則上部巖層的反彎點將由兩端向采場方向移動，約從0.1L1處開始，其實際懸跨度L2將比下部巖層小0.2倍，即L2=0.8 L1。（5）由于巖梁的懸露跨度由下而上依次減小，而剪應力大小又與巖梁懸露跨度成比例，因此剪應力大小也是由下而上遞減的。因此，即使各巖層的巖性、厚度均相同，各接觸面的抗剪強度也相同，離層將從下開始往上逐步發(fā)展，故巖層的運動發(fā)展趨勢是由下而上的。2.2傳遞巖梁形成的力學機理“以巖層運動為中心的礦山壓力理論體系”認為，采場上覆巖層中除臨近煤層的采空區(qū)已冒落巖層外，其它巖層保持“假塑性”狀態(tài)，兩端

5、由煤體支承，或一端由工作面前方煤體支承，一端由采空區(qū)矸石支承，在推進方向上保持傳遞力的聯(lián)系。把每一組同時運動（或近乎同時運動）的巖層看成一個運動整體，稱為“傳遞力的巖梁”，簡稱“傳遞巖梁”。對于相鄰的兩巖層，是同時運動組成一個傳遞巖梁，還是分開運動形成兩個傳遞巖梁，可用兩巖層沉降中的最大曲率（Pmax）和最大撓度（Wmax）來判斷。 當max上max下或Wmax上Wmax下時，兩巖層組合成一個傳遞巖梁同時運動。當max上max下或Wmax上Wmax下時，兩巖層將形成兩個傳遞巖梁分別單獨運動。2.3 上覆巖層“三帶”劃分采場上覆巖層運動過程中，根據(jù)各巖層運動性質(zhì)的不同可以劃分為三部分（“三帶”）

6、:垮落帶、裂隙帶和緩沉帶。如圖示?？迓鋷В阂卜Q冒落帶，該部分巖層在老塘已經(jīng)垮落，在采場由支架暫時支撐，在推進方向上不能始終保持傳遞水平力的聯(lián)系。裂隙帶：該部分巖層在推進方向上裂隙較發(fā)育，各巖層的裂隙濃度已擴展到（或接近擴展到）全部厚度。在采場推進過程中能夠以“傳遞巖梁”的形式周期性斷裂運動，在推進方向上能始終保持傳遞水平力的聯(lián)系。該部分巖層也是內(nèi)應力場的主要壓力來源。緩沉帶：緩沉帶的巖層在采場推進很長一段距離后才會開始運動，其運動緩慢，運動結(jié)束后在推進方向上形成的裂隙，無論在數(shù)量上還是在深度上都比裂隙帶少和小。緩沉帶運動的最終結(jié)果是在地表形成沉降盆地。其中，對采場礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的是垮落帶和

7、裂隙帶中的下位1-2個傳遞巖梁。一般情況下，我們把垮落帶稱為直接頂；對采場礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的1-2個下位傳遞巖梁稱為老頂，直接頂與老頂?shù)娜繋r層為采場需控巖層范圍。 理論研究和相似材料模擬實驗的結(jié)果表明，在采場推進過程中，采場上覆巖層中會形成一個壓力拱。正是由于該壓力拱的存在，使得工作面支架上所受的壓力大大小于采場上覆巖層的總重量，該壓力拱的拱跡線為裂隙帶中各傳遞巖梁的端部斷裂線和裂隙帶與緩沉帶的分界線?？迓鋷Ш土严稁е幸寻l(fā)生明顯運動的巖層位于壓力拱內(nèi)，而垮落帶和裂隙帶中尚未發(fā)生明顯運動的部分巖層及緩沉帶巖層位于壓力拱外。垮落帶（冒落帶）的范圍（厚度）參照下圖和公式求出。式中：SA裂隙帶中下

8、位巖梁（老頂）的實際沉降值，m；H采高，m；KA垮落后巖層的碎脹系數(shù)；Mz垮落帶高度，m。研究結(jié)果表明：垮落帶高度一般為采高的2-3倍。開采厚煤層下部分層時，冒落高度計算模型如下圖所示。計算開采下分層時可能的冒落高度的公式為：顯然mz值與上分層采高mc、本分層工作面所在位置上部原冒落巖層碎脹系數(shù)Kc及本分層采高hg的大小有關(guān)。當兩分層采高相同，并忽略兩個分層巖梁沉降值及碎脹系數(shù)間的差別時，開采本分層新增采高及冒落巖層總厚度分別為：裂隙帶的高度是隨著采場的推進而逐漸擴展的。當工作面推進距離大約為工作面長度時，裂隙帶高度發(fā)展到最大，壓力拱擴展到最高，此時，拱高約為工作面長度的1/2。因此，裂隙帶高

9、度為：實踐證明，裂隙帶中對采場礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的1-2個下位巖梁厚度，也即老頂厚度大約為采高的4-6倍。緩沉帶的高度就是采深范圍中自壓力拱拱頂部位（裂隙帶上部）開始一直到地表的所有巖層；計算公式為：式中： mhc-緩沉帶高度，m；H-工作面采深，m；mlx-裂隙帶高度，m；mz-垮落帶高度，m。3 采場上覆巖層在推進方向上的運動規(guī)律3.1采場需控巖層范圍內(nèi)覆巖運動規(guī)律采場需控巖層范圍包括直接頂（垮落帶）和老頂（裂隙帶中下位1-2個傳遞巖梁）二部分。在采場推進過程中，由于各巖層承受的礦山壓力大小不同和支承（約束）條件的差異，就其運動發(fā)展狀況來說可分為兩個階段：初次運動階段和周期運動階段。初次運

10、動階段從巖層由開切眼開始懸露，到對工作面礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的1-2個傳遞巖梁第一次裂斷運動結(jié)束為止，為需控巖層的初次運動階段。如圖2-3-1a、b示。其中包括直接頂巖層的第一次垮落。該階段巖層兩端由煤壁支撐，其受力狀態(tài)可視為固定梁。巖層初次運動在采場的壓力顯現(xiàn)稱為采場的初次來壓。周期運動階段從巖層初次運動結(jié)束到工作面采完，老頂巖梁按一定周期有規(guī)律地裂斷運動，稱做周期性運動階段。如圖2-3-1cf示。在此階段巖層的約束條件發(fā)生了根本性變化：直接頂巖層在采場里為一端固定的“懸臂梁”。老頂巖梁則為一端由煤壁支承，另一端由老塘矸石支承的不等高的傳遞巖梁。周期性運動在采場的礦壓顯現(xiàn)稱為采場周期來壓。在上

11、述兩個運動階段中，巖層運動都將經(jīng)歷二個發(fā)展過程。相對穩(wěn)定過程把巖梁運動幅度小對采場礦壓的影響不明顯的過程，稱為巖梁處于相對穩(wěn)定過程。描述該過程長短的參數(shù)是巖梁的相對穩(wěn)定步距，即巖梁處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，工作面推進的距離，用b表示，如下圖a，c，e所示。顯著運動過程把巖梁運動幅度較大，對采場礦壓顯現(xiàn)影響極為明顯的過程，稱為巖梁處于顯著運動過程，即通常所說的“來壓”過程。描述這一運動過程的參數(shù)是巖梁的顯著運動步距。也就是以巖梁大幅度運動開始，到運動基本結(jié)束為止，工作面推進的距離，用a表示，如圖b、d、f所示。巖梁經(jīng)歷了一次相對穩(wěn)定和顯著運動的全過程，就完成了一個運動周期。描述巖梁運動的基本參數(shù)為巖梁

12、的運動步距。初次運動階段巖梁運動基本參數(shù)巖梁的相對穩(wěn)定步距b0，巖梁的顯著運動步距a0，巖梁的初次運動步距c0，其相互關(guān)系為：c0=b0+a0.周期性運動階段巖梁運動基本參數(shù)巖梁的相對穩(wěn)定步距b，巖梁的顯著運動步距a，巖梁的周期運動步距c，其相互關(guān)系為：c=b+a。計算巖梁初次運動步距的力學模型如圖所示。巖梁裂斷發(fā)生顯著運動的關(guān)據(jù)為：式中,M為巖梁端部的彎矩，W為巖梁截面模量，1為巖梁的抗拉強度。由此導出巖梁初次運動步距為：式中，m1為巖梁承載厚度，m2為上部隨動層厚度，r為巖層容重。計算巖梁周期運動步距的力學模型如圖所示。巖梁周期運動步距如公式：3.2裂隙帶覆巖運動規(guī)律裂隙帶中覆巖運動的發(fā)展

13、過程可分為二個階段：第一次運動階段和正常運動階段。第一次運動階段自工作面從開切眼開始推進，到裂隙帶中最上部一個傳遞巖第一次裂斷運動完成止，為裂隙帶覆巖的第一次運動階段。如圖所示。在該運動階段，隨著工作面的不斷推進，覆巖運動范圍逐漸擴大。采場上方的壓力拱由小到大逐漸向上方巖層擴展。根據(jù)相似材料模擬實驗的結(jié)果，當工作面推進距離大約為工作面長度時，壓力拱向上擴展到最高處，高度約為工作面長度的二分之一。在此過程中，裂隙帶中下位1-2個傳遞巖梁（老頂）已完成了初次運動和數(shù)個周期運動。在該運動階段工作面推進的距離稱為裂隙帶覆巖第一次運動步距，一般與工作面長度基本相等。正常運動階段自裂隙帶巖層第一次運動結(jié)束

14、到回采工作面結(jié)束止，稱為正常運動階段。如圖所示。在正常運動階段，壓力拱不再向上方巖層擴展，隨工作面逐步向前方推進。 由上述分析可知，裂隙帶巖層第一次運動階段為采場上方壓力拱在工作面前方和工作面上方2個方向上逐漸擴展的階段。當?shù)谝淮芜\動階段結(jié)束時，壓力拱在工作面垂直方向上不再擴展，然后進入正常運動階段，壓力拱將只在工作面前方方向上跳躍式向前擴展。此時壓力拱拱頂為一近似水平線。3.3 緩沉帶運動規(guī)律緩沉帶巖層運動對采場的礦壓顯現(xiàn)不明顯，而對地表環(huán)境產(chǎn)生直接地影響。該部分巖層運動的最終結(jié)果是形成地表下沉盆地。長期的研究表明，自工作面從開切眼開始推進，一直到推進距離為采深的1/4-1/2時，地表開始移

15、動。隨著工作面的不斷推進，地表下沉范圍和下沉量不斷增大，在充分采動的條件下，形成一平底的地表移動盆地。如圖示4 支承壓力分布規(guī)律煤層采出后，在圍巖應力重新分布的范圍內(nèi)，作用在煤層、巖層和矸石上的垂直壓力稱為“支承壓力” 。理論研究與現(xiàn)場實踐證明，從采場推進開始至需控巖層（直接頂和裂隙帶中下位12個巖梁）第一次來壓結(jié)束期間的支承壓力及其顯現(xiàn)的變化可以劃分為三個階段：第一階段：從采場推進開始至煤壁支承能力改變之前。在該階段，隨采場推進，通過處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的老頂巖梁傳道至煤層上的壓力將逐漸增加。由于各點的應力還沒有達到煤體的不破壞極限，因此，包括煤壁在內(nèi)整個煤層都處于彈性壓縮狀態(tài)，支承壓力分布是一條高峰在煤壁處的單調(diào)下降曲線，如圖a示。第二階段：從煤壁支承能力開始改變起，到老頂巖梁端部斷裂前為止。進入此階段，靠煤壁附近的