采場上覆 巖層活動規(guī)律

1、1/34第三章第三章 采場上覆采場上覆 巖層活動規(guī)律巖層活動規(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?采場上覆巖層活動規(guī)律假說采場上覆巖層活動規(guī)律假說 直接頂穩(wěn)定性分析直接頂穩(wěn)定性分析 老頂斷裂形式及步距（梁、板）老頂斷裂形式及步距（梁、板） 老老頂斷裂后的砌體梁結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析頂斷裂后的砌體梁結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析 2/34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硬的巖層（基本

2、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 底底直接底之下的巖層。 （對于反山，頂?shù)装逦恢冒l(fā)生翻轉(zhuǎn)）3/34二、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采；刀柱法或留煤柱開采；（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。4/34三、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

3、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)承載變形及強度理論分析頂板破壞現(xiàn)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，無自由端； 簡支梁支座簡支梁支座頂板端部斷裂或埋深較淺（可轉(zhuǎn)動）； 5/34第二節(jié)第二節(jié) 有關(guān)采場上覆巖層活動規(guī)律的假說有關(guān)采場上覆巖層活動規(guī)律的假說一、壓力拱假說：一、壓力拱假說： （1928，德國，哈克） 在上覆巖層中，形成一個“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之下。 “壓力拱”將隨工作面的推進而前移。6/34二、懸臂梁假

4、說：二、懸臂梁假說： （1916，德國，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。懸臂梁平時承擔巖層載荷，當其變形下沉?xí)r，一端壓在垮落矸石上，當跨度增大，斷裂形成周期來壓。7/34三、預(yù)成裂隙假說：三、預(yù)成裂隙假說：( 1954，比利時，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”，在工作面推進過程中，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)、采動影響區(qū)，三區(qū)隨工作面而移動。 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。 8/34四、鉸接巖塊假說：四、鉸

5、接巖塊假說： （1954，蘇，庫茲涅佐夫） 上覆巖層分為垮落帶和規(guī)則移動帶，規(guī)則移動帶巖塊間相互鉸合而形成一條多環(huán)節(jié)的巖塊鉸鏈。 鉸接巖塊假說1.不規(guī)則冒落帶；2-規(guī)則冒落帶；3-裂隙帶規(guī)則移動帶巖層變形小時，其下部巖層發(fā)生離層，工作面支架只承受直接頂因離層而折斷巖層的全部重量（給定載荷），當規(guī)則移動帶變形大或斷裂時，支架載荷與巖層變形位移有關(guān)（給定變形）。對鉸接巖塊間力學(xué)作用未做說明。9/34五、五、“砌體梁砌體梁”理論：理論： （1978，錢鳴高，中國） 在上覆巖層中存在由斷裂巖塊組成的“砌體梁”，因巖塊相互擠壓，形成承載結(jié)構(gòu)。 認為：認為： 上覆巖層可以硬巖為底劃分若干組，軟巖為載荷；

6、硬巖斷裂，巖塊間相互擠壓成鉸接關(guān)系； 鉸接巖塊在某些條件下可形成平衡體。10/34第三節(jié)第三節(jié) 直接頂?shù)目迓渲苯禹數(shù)目迓湮恢梦恢迷蛟虻攸c地點%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 11/34一、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，變形大離層；、巖層松軟，變形大離層；3、落煤后頂板支護不及時，支撐力小，促使離層；、落煤后頂板支

7、護不及時，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，動力沖擊。、放頂撤柱，動力沖擊。12/34二、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： 無支護時：無支護時： 由撓度計算公式：由撓度計算公式： 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)生彎曲變形未及時支護或支撐力不足未及時支護或支撐力不足EJqLy3844max114111max384JELqhy2241max384JELhyn1

8、3/34 如果不發(fā)生離層，應(yīng)有 即 且 令 有 顯然：直接頂厚度直接頂厚度 老頂厚度時，易發(fā)生離層。老頂厚度時，易發(fā)生離層。nyymaxmax2241114111384384JELhJELqh12311bhJ 1232hbJ11hq11211EEhh14/34有支護時由 有 且 從而 顯然： 及時增大支撐力可使頂板不離層。及時增大支撐力可使頂板不離層。2241114111384384JELphJELqh1232hbJnyymaxmax12311bhJ 11hq112112hhEEhp不離層最小支撐力不離層最小支撐力15/34直接頂初次垮落后采空區(qū)情形16/34三、直接頂?shù)某醮慰迓洌喝?、直接頂?shù)?/p>

9、初次垮落： 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?（標志：垮落高度11.5m，長度1/2 面長） 初次垮落距初次垮落距第一次垮落時，直接頂?shù)目缇?。第一次垮落時，直接頂?shù)目缇唷?直接頂垮落距受直接頂強度強度、厚度厚度、節(jié)理裂隙節(jié)理裂隙影響，是描述直接頂穩(wěn)定性的綜合指標。 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。 17/34第四節(jié)第四節(jié) 老頂?shù)臄嗔研问嚼享數(shù)臄嗔研问揭?、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

10、：、冒落區(qū)老頂支撐條件： 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)） （ ）01pKMh01pKMh1PPKhMKhMh18/342、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：（對稱）任意截面剪力：）任意截面剪力：（）221qlRR12221qlMMlxqlqxqlqxRQx212212|0|2|20qlQQqlQlxlxx19/34 3）任意截面彎矩：）任意截面彎矩：222211661212222lxlxqMqlxqxqlMxqxxRMxx12|24|1

11、2|220qlMqlMqlMlxlxx可見：可見：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20/344）簡支支座時老頂?shù)牧W(xué)分析：）簡支支座時老頂?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老頂巖梁破壞形式有兩個21/34二、梁式斷裂時的極限跨距：二、梁式斷裂時的極限跨距： 1、按彎矩計算：、按彎矩計算： 任意點A 處正應(yīng)

12、力： 其中斷面矩 最大拉應(yīng)力在梁的端部ZJMyqMQ3121hJz2232maxmax212121212hqlhhqlJhMz老頂達到初次短裂時的跨距稱為極限跨距，初次斷裂步距。老頂達到初次短裂時的跨距稱為極限跨距，初次斷裂步距。22/34 當 時，則巖梁被拉斷裂。 此時由 有： 固定梁按彎矩計算的極限跨距：固定梁按彎矩計算的極限跨距： 2、按剪力計算：、按剪力計算： 最大剪切力發(fā)生在梁的兩端 最大剪應(yīng)力為：tRmax222hqlRtqRhLtLT22maxqlQhqlhyhQX43)4(23max322max23/34 當 時，巖梁被剪斷。 此時由 有： 固定梁按剪力計算的極限跨距：固定梁按

13、剪力計算的極限跨距： 3、按簡支梁計算：、按簡支梁計算： 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sRmaxhqlRs43qhRLsLS34qhRLsLS3482maxqlM24/34 故最大拉應(yīng)力為： 當 時，巖梁被拉斷裂。 此時由 有： 簡支梁按彎矩計算的極限跨距：簡支梁按彎矩計算的極限跨距：2232maxmax43121282hqlhhqlJhMztRmax2243hqlRtqRhLtLT3225/34老頂按梁式結(jié)構(gòu)計算其極限跨度為：老頂按梁式結(jié)構(gòu)計算其極限跨度為： 固定梁固定梁 簡支梁簡支梁 按彎矩計算按彎矩

14、計算 按剪力計算按剪力計算qRhLtLT2qhRLsLS34qRhLtLT32qhRLsLS34對一般厚度巖層，彎矩極限跨度小于剪力極限跨度；對一般厚度巖層，彎矩極限跨度小于剪力極限跨度；簡支梁彎矩極限跨度小于固定梁彎矩極限跨度。簡支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：26/34 在刀柱式或房柱式開采時，為保證采礦工作空間頂板的完整性，刀柱間距應(yīng)采用巖梁的安全跨距L0，若取巖層趨向斷裂的安全系數(shù)為n，則可得頂板巖層的安全跨距為：nqRhLT20固在用刀柱或房柱法開采時，頂板巖層的安全跨距L0為：

15、nqRhLT320簡 可見，在同樣條件下，用簡支梁計算所得的極限跨距小。27/344、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 的計算公式：的計算公式： 由材力知曲率與彎矩關(guān)系為：iixiiJEMk)(28/34 且 即 故有： ； ； ； 由 M =mi 有：有：nkkk 21nnnJEMJEMJEM 222111221121)()(JEJEMMxx331131)()(JEJEMMxxnnxnxJEJEMM111)()( 11332211JE

16、JEJEJEMMnnxxnnxxJEJEJEMJEM 2211111QdxdMqdxdQ29/34故有： 式中： 而 即為考慮到 n 層對第一層的影響時形成的載荷， 記為 故得：xnnxQJEJEJEJEQ 2211111)(xnnxqJEJEJEJEq 2211111)(nnxhhhq 2211123iibhJ xq )(11)(nq30/34332231122113111)(nnnnnhEhEhEhhhhEq q 的計算公式：的計算公式：公式原理：公式原理： 當開采空間形成后，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堅硬巖層，可將起上部巖層載荷通過本身的強度或

17、抵抗變形能力傳遞到空間兩側(cè)實體支撐點上，而第一層巖層僅承受其上直至第一層堅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）先計算第一層載荷 2）計算第二層對第一層的作用；計算至第三層時第一層載荷 3）一直計算到第n+1層時，第一層載荷反而小于第n層時的載荷為止 4）取第n層時的計算載荷為 q ，此值為計算過程中得到的最大值。111hq31/34三、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）三固一簡一面為已采

18、區(qū)； （c）二固二簡一面為已采區(qū)，一面為工作面采空區(qū)； （d）一固三簡三面臨空，回采半島區(qū)域。32/342、板式結(jié)構(gòu)體彎矩分布：、板式結(jié)構(gòu)體彎矩分布： 1）Marcus簡算法原理：簡算法原理： 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撓度相等，從而求出板體內(nèi)彎矩分布。交叉點撓度相等，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 33/34由圖可見：由圖可見： 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“四固四固三簡三簡”轉(zhuǎn)變時，煤壁處彎矩增轉(zhuǎn)變時，煤壁處彎矩增大；大；