礦山壓力與巖層控制(2013版)

礦山壓力與巖層控制編者：王同杰

單位：河北工程大學(xué)資源學(xué)院礦業(yè)工程系辦公電話：0310－8579798電子信箱：hbkywtj@163.com

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適用于采礦工程專業(yè)地下采煤方向1緒論礦山壓力有關(guān)概念（要點(diǎn)內(nèi)容）礦山壓力教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)礦壓的意義（要點(diǎn)內(nèi)容）采礦工程礦壓特點(diǎn)2緒論礦山壓力：由于礦山開采活動(dòng)的影響，在周圍巖體中形成的，及作用于支護(hù)物上的力，簡(jiǎn)稱“礦壓”。在相關(guān)學(xué)科把其稱為地層壓力（簡(jiǎn)稱“地壓”）、巖石壓力（簡(jiǎn)稱“巖壓”）、二次應(yīng)力、工程擾動(dòng)力等。包括原巖對(duì)圍巖作用力，圍巖體內(nèi)之間作用力（如支承壓力）和圍巖對(duì)支護(hù)物作用力（狹義礦壓，如巷道圍巖壓力、采場(chǎng)頂板壓力）。礦山壓力顯現(xiàn)：指在礦山壓力作用下引起的一系列力學(xué)現(xiàn)象。簡(jiǎn)稱“礦壓顯現(xiàn)”或“地壓現(xiàn)象”等。例如巷道圍巖變形和破裂，頂板下沉、冒落，煤巖幫片落，底板鼓脹，支架載荷、變形與損壞，頂板來(lái)壓等等。礦山壓力控制：指人為地減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種方法。簡(jiǎn)稱“礦壓控制”、“巖層控制”或“地壓控制”。例如：在巷道位置上避開高應(yīng)力區(qū)，處于高應(yīng)力區(qū)巷道選擇合理支護(hù)或鉆孔（或切槽）卸壓，掘前預(yù)采等。礦山壓力與巖層控制是研究礦山巖體力學(xué)現(xiàn)象的機(jī)理、控制理論，以及控制所采用的人工構(gòu)筑物的學(xué)科，屬于巖石力學(xué)的分支，是礦山采掘工程的基礎(chǔ)學(xué)科。一、礦山壓力有關(guān)概念3二、礦山壓力教學(xué)內(nèi)容1、巷道地壓：包括第二章礦山巖體的原巖應(yīng)力及其重新分布、第七章巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和第八章巷道維護(hù)原理和支護(hù)技術(shù)。2、采場(chǎng)礦壓：包括第三章采場(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律、第四章采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律、第五章采場(chǎng)頂板支護(hù)方法、第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)及其控制、第九章厚煤層綜放開采巖層控制、第十章淺埋煤層開采巖層控制和第十二章非煤礦山巖層控制與邊坡穩(wěn)定等。3、沖擊地壓：第七章煤礦動(dòng)壓現(xiàn)象及其控制。4、礦壓研究方法：第十三章礦山巖層控制研究方法（包括礦山現(xiàn)場(chǎng)研究、實(shí)驗(yàn)室研究和數(shù)學(xué)力學(xué)分析）。礦山壓力及其巖層控制，主要討論礦山壓力的形成及其分布特征，礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律，及其對(duì)礦山壓力的控制措施。按研究的地點(diǎn)和顯現(xiàn)特征，包括采場(chǎng)礦壓、巷道地壓、沖擊地壓和礦壓研究方法等內(nèi)容。4礦（地）壓井巷地壓豎井地壓、平巷地壓變形地壓、松動(dòng)地壓、膨脹地壓按機(jī)理分類按地點(diǎn)分類采場(chǎng)礦壓露天采場(chǎng)礦壓（邊坡穩(wěn)定）地下采場(chǎng)礦壓空?qǐng)龇ú傻V地壓充填法采礦地壓崩落法采礦地壓非煤礦山地下采煤長(zhǎng)壁采場(chǎng)礦壓房柱式采場(chǎng)礦壓沖擊地壓5三、學(xué)習(xí)礦壓的意義保證礦井安全正常生產(chǎn)。減少或杜絕頂板事故，必有的技術(shù)知識(shí)。減少資源損失和貧化。例如，縮小或取消礦柱，采用合理采礦方法，降低混矸，提高資源的回收率。改善開采技術(shù)。提高機(jī)械化水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。保護(hù)生態(tài)環(huán)境。減輕地表沉降，防止建筑物破壞，保護(hù)地下水資源，有效抽放煤層氣等。提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。給方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、生產(chǎn)技術(shù)管理提供理論依據(jù)，從而降低采礦費(fèi)用。同時(shí)，提高礦工的社會(huì)地位。礦山壓力及其巖層控制是巖石力學(xué)在礦山上的應(yīng)用學(xué)科，有人稱之為礦山巖石力學(xué)。它既是采礦工程最主要專業(yè)課之一，也是礦井開采方法課程的理論基礎(chǔ)課。在采礦中作用如下：6四、采礦工程礦壓特點(diǎn)1）巖體是特殊的工程結(jié)構(gòu)。與地面巖石工程不同地下采礦涉及的巖石工程的圍巖是一種特殊的結(jié)構(gòu)體。它承受外部載荷，有時(shí)又把部分荷載轉(zhuǎn)嫁到巷硐內(nèi)部的支撐物上。2）場(chǎng)所移動(dòng)，受埋藏條件影響大。由于采礦地點(diǎn)多變的特點(diǎn)，對(duì)于礦壓研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理增加了難度。3）開采深度大，波及范圍廣，產(chǎn)生的應(yīng)力大，控制難度大。4）存在礦山動(dòng)力現(xiàn)象。如巖爆、礦震、煤巖瓦斯突出、頂板大面積來(lái)壓。5）坑洞服務(wù)年限變化大，控制方法復(fù)雜。6）礦體賦存狀況和開采方法不同，導(dǎo)致不同的礦壓特點(diǎn)。如煤礦圍巖軟巷硐變形破壞嚴(yán)重，礦壓理論和采場(chǎng)支護(hù)設(shè)備獨(dú)特。7思考題1、請(qǐng)指出下列詞組中不屬于礦山壓力有（）

A、支承壓力B、支架載荷C、圍巖壓力 D、變形地壓

E、周期來(lái)壓 F、頂板壓力 G、頂板下沉 H、松動(dòng)地壓2、礦山壓力就是（）A．指現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的支架阻力。B．指由于人為工程活動(dòng)影響巖體內(nèi)及作用于支護(hù)物上的各種應(yīng)力。C．指人為工程活動(dòng)影響后巖體內(nèi)及作用于支護(hù)物上的壓力。D．指支護(hù)物對(duì)圍巖的抗力。3、下列詞組中不屬于礦山壓力顯現(xiàn)的有（）

A、支架初撐力 B、煤壁片邦C、頂板下沉D、支架載荷4、舉例說(shuō)明煤礦常用巖層控制方法。8第二章礦山巖體內(nèi)應(yīng)力的重新分布§2-1原巖應(yīng)力

原巖應(yīng)力：指天然存在于巖體內(nèi)而與任何人為因素?zé)o關(guān)的應(yīng)力。即在礦山尚未進(jìn)行采掘工程以前，巖體內(nèi)存在著應(yīng)力。主要構(gòu)成一、原巖應(yīng)力構(gòu)成第二講自重應(yīng)力：指由地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力和地殼中存在的一種促進(jìn)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)在應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力：指地殼上部各種巖體由于受到地心引力的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。另外還包括巖體內(nèi)水或氣體壓力，巖石遇水后因物理化學(xué)變化引起的膨脹應(yīng)力，溫度引起的熱應(yīng)力和地形起伏導(dǎo)致的應(yīng)力波動(dòng)與變化等。同時(shí)受巖體力學(xué)性質(zhì)（強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、流變性），巖體內(nèi)斷裂和褶皺情況（性質(zhì)、產(chǎn)狀、密度等）分布，以及地層剝蝕等因素的影響。9二、原巖應(yīng)力的分布規(guī)律1、地殼是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)2、鉛直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量鉛直應(yīng)力σv距離地表深度Z▲0▲□▲▲▲▲▲▲▲▲▲●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●■■■■■●■■■■■■■■■■■■▼▼▼●▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼○○○○○○○○□○○○○○○σv=0.027Z3、巖體中的水平天然應(yīng)力復(fù)雜多變4、天然應(yīng)力的比值系數(shù)的變化有一定規(guī)律靠近地表λ較大，隨深度增加而減小；隨著深度增大，λ值的分散度減小。λλλ以水平擠壓力為主，很少見到拉應(yīng)力。大部分巖體中水平應(yīng)力大于鉛直應(yīng)力。在單薄的山體、谷坡附近以及未受構(gòu)造變動(dòng)的巖體中水平應(yīng)力小于鉛直應(yīng)力。巖體中兩個(gè)水平應(yīng)力通常不相等，各向異性明顯，方向、大小在不同地點(diǎn)而有所變化。一般來(lái)說(shuō)，水平應(yīng)力不水平。10三、原巖應(yīng)力的估算σzσzσxσyσxσyH原巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)一、鉛直應(yīng)力的估算二、水平應(yīng)力估算在原巖應(yīng)力中，構(gòu)造應(yīng)力分布和大小變化很大，多存在于地殼上升地區(qū)，只有實(shí)測(cè)才可確定；而自重應(yīng)力可由計(jì)算確定。1、靜水應(yīng)力學(xué)說(shuō)（海姆假說(shuō)）2、線彈性學(xué)說(shuō)（金尼克假說(shuō)）11§2-2巖體中的彈性變形能地下賦存的煤或巖體在應(yīng)力作用下，必產(chǎn)生其體積和形狀的變化。當(dāng)煤巖體尚處于彈性狀態(tài)，且變形不能解除時(shí)，外力（壓力）做的功將以能量的形式貯存于巖體內(nèi)，即巖體內(nèi)貯存有彈性變形能。在原巖應(yīng)力場(chǎng)彈性變形能包括體變彈性能、形變彈性能兩種，由前蘇聯(lián)阿維爾申計(jì)算為體變彈性能形變彈性能常由于塑性變形被吸收或轉(zhuǎn)化，而消失。彈性變形能與開采深度的平方成正比。12§2-3“孔”周圍的應(yīng)力分布λ＝1時(shí)圓孔周圍應(yīng)力分布θσrσθaΛ＝1圓孔周邊全處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)?？字苓叺淖畲髴?yīng)力集中系數(shù)為2，且與孔徑的大小無(wú)關(guān)，其它各處均與孔徑大小有關(guān)。若以應(yīng)力變化5％為界，其影響圈（圍巖）半徑為圓孔周圍任意點(diǎn)的切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力之和為2倍的原巖應(yīng)力，即一、雙向等壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的圓形孔1、無(wú)壓圓孔圍巖：人為工程擾動(dòng)后，應(yīng)力發(fā)生明顯改變的巖體。應(yīng)力集中系數(shù)：改變后的次生應(yīng)力與原巖應(yīng)力的比值。132、有壓圓孔

在地下巷道內(nèi)壁施加的徑向力所產(chǎn)生附加應(yīng)力有利于減小巷道圍巖應(yīng)力集中。當(dāng)這個(gè)切向應(yīng)力很大時(shí)，常導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生放射狀裂隙。當(dāng)孔內(nèi)有液體（或巷內(nèi)支護(hù)）時(shí)，液體（或支護(hù)物）對(duì)孔壁產(chǎn)生附加應(yīng)力。此時(shí)，圍巖將受孔內(nèi)應(yīng)力影響進(jìn)行應(yīng)力的重新分布。根據(jù)彈性厚壁筒理論得：厚壁圓筒受力圖qrMxθpaby增加了由q引起的應(yīng)力（公式中的后一項(xiàng)）。我們把由于巷內(nèi)作用力導(dǎo)致圍巖內(nèi)改變的應(yīng)力稱附加應(yīng)力。14二、雙向不等壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的圓形孔3γH2γH

γH

02γH

γH0-γHa2a3a4aa紅色線λ=1/7藍(lán)色線λ=1/2黑色線λ=1綠色線λ=0圓孔周圍巖體中應(yīng)力分布不僅與孔徑大小和原巖應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)以外，還受極角不同而不同；最大應(yīng)力集中發(fā)生在孔的周邊極角為0°、180°，90°、270°位置

。15圓孔周邊頂?shù)装逯悬c(diǎn)切向應(yīng)力集中系數(shù)大小隨λ增大而增大；當(dāng)λ=0時(shí)，巷道周邊切向應(yīng)力出現(xiàn)極小值，k=-1。當(dāng)λ=1/3時(shí)，k=0。位于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的巷道頂?shù)装宕嬖诤芏鄩簯?yīng)力。θ=0°和180°圓孔周邊兩幫中點(diǎn)切向應(yīng)力集中系數(shù)隨λ增大而減小。當(dāng)λ=0，k=3（最大值）；當(dāng)λ>3時(shí)，巷道兩幫中點(diǎn)周邊也會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力情況。雙向不等壓應(yīng)力場(chǎng)圓孔周邊切向應(yīng)力集中系數(shù)λk0112345234-1-2θ=0°,180°構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)重力場(chǎng)16三、橢圓形孔周邊應(yīng)力分布1、θ=0°和180°根據(jù)彈性力學(xué)無(wú)限大平面內(nèi)橢圓孔周邊應(yīng)力解得θbbaa在重力場(chǎng)中

k的大小不僅受原巖應(yīng)力場(chǎng)影響外，還與孔軸比有關(guān)，寬高比愈大，k愈大；反之愈小。橢圓孔m=1/2時(shí)圍巖切向應(yīng)力分布λ=0λ=0λ=1λ2a3a2a2bkλσvσv210-1無(wú)拉應(yīng)力條件>1172、θ=90°和270°重力場(chǎng)中無(wú)拉應(yīng)力條件

λ=1時(shí)，選圓孔；λ=1/2時(shí)，選高為寬2倍；λ=2時(shí)，選寬為高2倍。等應(yīng)力軸比（巷道周邊應(yīng)力均勻分布時(shí)橢圓軸半徑之比）<1最佳周邊切向應(yīng)力18四、矩形孔和其他形狀巷道圍巖的應(yīng)力分布λ＝0λ＝1/3λ＝1-101234λσvσvkab⑴在巷道頂?shù)装逯醒氤霈F(xiàn)拉應(yīng)力（虛線）區(qū)，靠巷道邊緣拉應(yīng)力最大，往圍巖深部發(fā)展應(yīng)力逐漸由拉變?yōu)閴?，并過(guò)渡到原巖應(yīng)力狀態(tài)。⑵巷道兩幫出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，周邊中點(diǎn)最大，往深部發(fā)展逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力。⑶在巷道拐角處剪應(yīng)力集中，集中程度隨曲率增大而增大。19kkθDDB43210-14321090°60°30°0°θr/aaa3.261.7五、存在多孔時(shí)，孔周圍應(yīng)力分布2.4γH2.75γH4.26γH3.28γH3RR2Rσ0σ0DDDDDBBBBD/B=1D/B=2D/B=3D/B=4654321012345孔數(shù)孔周邊切向應(yīng)力集中系數(shù)近距孔將導(dǎo)致巖體內(nèi)應(yīng)力疊加；靠近大孔的小孔的周圍應(yīng)力集中程度高于大孔；應(yīng)力集中程度隨孔距減小和孔數(shù)量增多而增大。20下圖為采深1000m，鉛直應(yīng)力25MPa時(shí)，采場(chǎng)（回采工作面）周圍應(yīng)力分布圖，可以看出兩個(gè)工作面連接處（中部拐角）應(yīng)力最大，約為原巖應(yīng)力7倍。已采空區(qū)100m250m507080903550685035507080120505035170250m250m六、回采空間周圍應(yīng)力重新分布21思考題1、應(yīng)力集中系數(shù)與（BCDEF）有關(guān)。

A、埋藏深度B、孔徑大小C、天然應(yīng)力比值系數(shù)

D、巷道形狀 E、支架撐力 F、與空區(qū)大小和距離2、（BCD），孔周圍巖體應(yīng)力集中程度越大。

A．孔內(nèi)壓力越大 B．重力場(chǎng)中巷道越扁平

C．孔徑越大 D．巷道拐角曲率越大3、加拿大某鐵礦采用房柱式開采，當(dāng)?shù)V房寬度較小時(shí)經(jīng)常發(fā)生冒頂事故，而當(dāng)?shù)V房寬度增大后，頂板變得穩(wěn)定。請(qǐng)解釋此現(xiàn)象的原因。4、在非首采走向長(zhǎng)壁回采工作面，為什么回風(fēng)平巷的變形往往大于運(yùn)輸平巷的變形？5、為什么靠近采場(chǎng)附近的巷道的變形遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離采場(chǎng)的巷道的變形？22§2-4彈塑性圍巖應(yīng)力分布在孔周邊產(chǎn)生的切向應(yīng)力集中系數(shù)，圓形孔為2～3，橢圓形和矩形孔4～5或更大。處于高倍集中應(yīng)力作用下，有些周邊巖體將難以承受如此大的應(yīng)力，導(dǎo)致屈服或破壞。屈服的巖體強(qiáng)度變?yōu)闅堄鄰?qiáng)度，并使得上方載荷向巖體的深部轉(zhuǎn)移。從孔周邊向深部，隨徑向應(yīng)力增大，其承載能力也提高，當(dāng)最大切向應(yīng)力與該處巖石強(qiáng)度相等時(shí)，應(yīng)力轉(zhuǎn)移——即應(yīng)力重新分布結(jié)束。一、塑性區(qū)的形成在應(yīng)力重新分布過(guò)程中，從巷道周邊到承受最大切向應(yīng)力處，形成了一個(gè)條帶。在該條帶內(nèi)任一點(diǎn)繪制的應(yīng)力圓都與其強(qiáng)度曲線相切，即極限平衡狀態(tài)，我們把處于極限平衡狀態(tài)區(qū)域的巖體稱為極限平衡區(qū)或塑性區(qū)。同樣，對(duì)于極限平衡區(qū)以外的巖體稱為彈性區(qū)。23二、塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布1、圓孔塑性區(qū)圍巖應(yīng)力分布1）對(duì)于無(wú)支護(hù)巷道σaR1塑性圈彈性圈塑性區(qū)應(yīng)力分布特點(diǎn)：塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力大小與巖體的巖性和孔徑大小有關(guān)，孔徑越小、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角越大，次生應(yīng)力越高，圍巖的承載力越高，與原巖應(yīng)力大小無(wú)關(guān)。無(wú)論徑向應(yīng)力還是切向應(yīng)力，在孔周邊最小。從孔周邊向巖體深部以指數(shù)方式增長(zhǎng)。切向應(yīng)力在彈、塑性交界處巖體達(dá)到最大。σr+dσrθσθσθσrθ/2adθrθ/2dr242）巷內(nèi)有支護(hù)或有壓力時(shí)，以上是修正的芬涅爾公式?？梢钥闯?，孔內(nèi)支護(hù)(壓力)有利于提高圍巖的承載能力。巷內(nèi)有支護(hù)極限平衡區(qū)的半徑，除了與巖性、巷道尺寸大小和原巖應(yīng)力有關(guān)以外，還與孔支護(hù)反力(內(nèi)壓力)有關(guān)?？變?nèi)徑向應(yīng)力增大，可減小塑性區(qū)寬度。2、靜水應(yīng)力狀態(tài)下圓孔周圍塑性區(qū)的半徑R1巷內(nèi)無(wú)支護(hù)253、圍巖承受的最大應(yīng)力在彈塑性圍巖中，承受的最大應(yīng)力位于彈塑性交界處，即塑性圈和彈性圈的交界面。此面應(yīng)力狀態(tài)即滿足彈性條件，同時(shí)也滿足塑性條件。由λ=1時(shí)，圓孔彈性圍巖應(yīng)力分布對(duì)于塑性區(qū)，依據(jù)修正的芬涅爾公式聯(lián)立解得彈塑性交界處切向應(yīng)力大小僅與采深和巖性有關(guān)，而與巷內(nèi)支護(hù)力大小無(wú)關(guān)。264、回采工作面極限平衡區(qū)應(yīng)力分布

dxmmσxBCADm(σx+dσx)fmσy?dx

塑性區(qū)寬度塑性區(qū)范圍，與煤層采高成正比，隨開采深度增大而增大，隨巖性和側(cè)幫支護(hù)反力增強(qiáng)而減小。對(duì)于支撐礦柱，為了保持礦柱穩(wěn)定，要求其內(nèi)存在寬度為高度2倍彈性核，即礦柱寬度B為B=x01+x02+2m

由工作面前方極限平衡區(qū)內(nèi)切向應(yīng)力（承載能力）的大小，隨向深部發(fā)展以指數(shù)形式增大，隨煤層厚度增大而減小，隨煤壁邊緣處支撐力增大而增高。說(shuō)明煤厚增大穩(wěn)定性降低，提高采場(chǎng)支架的支護(hù)強(qiáng)度可增強(qiáng)煤壁的承載能力。271、按巖體所處力學(xué)狀態(tài)分區(qū)把應(yīng)力重新分布后，應(yīng)力變化不明顯的區(qū)域，叫做原巖應(yīng)力區(qū)，或穩(wěn)壓區(qū)，該區(qū)的巖體稱為原巖。把應(yīng)力重新分布后，應(yīng)力變化明顯的區(qū)域的巖體稱為圍巖。根據(jù)切向應(yīng)力的大小分為增壓區(qū)和減壓區(qū)。增壓區(qū)是指該區(qū)域內(nèi)切向應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，又叫支承壓力區(qū)或承載區(qū)，包括彈性承載區(qū)和塑性承載區(qū)；減壓區(qū)是指該區(qū)域內(nèi)切向應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，又叫做應(yīng)力降低區(qū)（松動(dòng)區(qū)）。三、應(yīng)力分區(qū)2、按應(yīng)力大小分區(qū)KγHγHσrσθABCDE以切向應(yīng)力峰值為界，外部為非彈性變形區(qū)，包括塑性區(qū)和破碎區(qū)；內(nèi)部為彈性區(qū)。28四.支承壓力由于采掘活動(dòng)地下原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，應(yīng)力重新分布后，采掘空區(qū)周圍大于原巖應(yīng)力（應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)）的切向應(yīng)力稱為支承壓力。如位于工作面前方隨采場(chǎng)不斷移動(dòng)的支承壓力，采空區(qū)上下后方煤柱內(nèi)的支承壓力等。支承壓力隸屬于礦山壓力。支承壓力作用：使得靠近工作面煤體產(chǎn)生裂隙，不僅幫助工作面破煤，減少采煤機(jī)落煤的功率消耗，而且有利于瓦斯排放等。同時(shí)導(dǎo)致煤壁片幫、底板破壞、圍巖變形等，誘發(fā)冒頂、底板突水、沖擊地壓等災(zāi)害。29§2-5支承壓力在頂?shù)装鍘r層中的傳播煤柱或煤壁導(dǎo)致頂板和底板內(nèi)應(yīng)力增高，而采空區(qū)則使頂板和底板內(nèi)應(yīng)力降低。支承壓力影響角隨頂?shù)装鍘r體強(qiáng)度和完整性增大而增大。30底板內(nèi)垂直應(yīng)力大小，與上方載荷大小和影響角余弦有關(guān)，隨距載荷作用點(diǎn)的鉛直和水平距離增大而迅速減小。集中力作用下底板內(nèi)垂直應(yīng)力線載荷作用下底板內(nèi)垂直應(yīng)力31思考題1、極限平衡區(qū)內(nèi)次生應(yīng)力的特點(diǎn)，正確的是（ABD）。

A、任一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)繪制的應(yīng)力圓都與強(qiáng)度曲線相切

B、其強(qiáng)度均為殘余強(qiáng)度

C、抗剪常數(shù)越小，巷道斷面越大，則次生應(yīng)力越大

D、支架對(duì)圍巖壓力越大，圍巖內(nèi)切向應(yīng)力越高2、除巖性參數(shù)外，影響極限平衡區(qū)寬度的因素還有（ABCD）。

A．支架對(duì)圍巖的作用力大小 B．埋藏深度

C．巷道的形狀和尺寸 D．天然應(yīng)力比值系數(shù)3、彈塑性交界處的切向應(yīng)力與（

AC）有關(guān)。

A、巖體強(qiáng)度 B、孔徑大小 C、原巖應(yīng)力 D、支架壓力4、把由于工程擾動(dòng)作用后，應(yīng)力變化明顯變化區(qū)域的巖體稱為(圍巖

)，而應(yīng)力變化不明顯的巖體稱為(原巖

)。325、由于工程擾動(dòng)作用應(yīng)力重新分布后，根據(jù)切向應(yīng)力的大小把應(yīng)力變化不明顯的區(qū)域，叫做（AG）；把切向應(yīng)力大于原巖應(yīng)力的區(qū)域，叫做（BCDI）；把切向應(yīng)力小于原巖應(yīng)力的區(qū)域，又叫做（EFH）。

A、原巖應(yīng)力區(qū) B、增壓區(qū) C、支承壓力區(qū)

D、承載區(qū) E、應(yīng)力降低區(qū) F、松動(dòng)區(qū)

G、穩(wěn)壓區(qū) H、減壓區(qū) I、應(yīng)力增高區(qū)6、支承壓力的含義是指由于人工擾動(dòng)作用，應(yīng)力重新分布后，采掘空區(qū)周圍（大）于原巖應(yīng)力的（切向）應(yīng)力。7、支承壓力在底板中傳播規(guī)律是隨離作用點(diǎn)垂距增大強(qiáng)度（

），隨遠(yuǎn)離支承壓力作用線強(qiáng)度（

）。

A、增大 B、減小 C、不變33第三章采場(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律§3-1概述一、井田內(nèi)的劃分1、井田劃分為階段，階段劃分為采區(qū)，采區(qū)再劃分為區(qū)段2、井田劃分為盤區(qū)，盤區(qū)再劃分為區(qū)段3、井田劃分為階段，階段劃分為帶區(qū)，帶區(qū)再劃分為條帶二、采（盤）區(qū)巷道1、準(zhǔn)備巷道：采區(qū)上山或下山、采區(qū)車場(chǎng)、采區(qū)煤倉(cāng)、采區(qū)集中巷等2、回采巷道：區(qū)段（或條帶）運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、開切眼等三、回采工作面和采場(chǎng)1、回采工作面：原指回采的煤壁，廣義的回采工作面指采場(chǎng)及其附近區(qū)域。2、采場(chǎng)：指采煤的工作場(chǎng)所。第一講34五、長(zhǎng)壁采場(chǎng)采空區(qū)處理方式四、采煤方法

1、長(zhǎng)壁采煤法：綜采、普采、炮采

2、房柱式采煤法：聯(lián)采、炮采35六、煤層頂板頂板：位于煤層以上一定范圍內(nèi)的巖層稱為煤層頂板。根據(jù)煤層上方頂板對(duì)回采工作面的影響程度和方式，把頂板進(jìn)行再劃分，即直接頂、偽頂和老頂。偽頂：直接位于煤層之上，大多數(shù)情況下隨采隨冒的巖層。通常為厚度小于0.3～0.5米的炭質(zhì)頁(yè)巖或其它松軟脆弱巖層，一般允許懸露面積和時(shí)間在10平方米和20分鐘以下，很難在工作面維護(hù)住，而形成煤中矸石。在礦壓上，偽頂主要影響采場(chǎng)支架選型和采場(chǎng)安全。直接頂：直接位于煤層或偽頂之上，通常隨放頂而垮落的巖層。一般為一層或幾層巖性相近的巖層組成，常見巖性有頁(yè)巖和砂頁(yè)巖等。一般來(lái)說(shuō)，直接頂裂隙發(fā)育強(qiáng)度低，與前后方難以形成力的傳遞，從而形成靜載荷作用于支架。然而，直接頂是采場(chǎng)直接維護(hù)的對(duì)象，其穩(wěn)定狀況，直接影響著礦工安全和正常生產(chǎn)，為此是礦壓研究主要內(nèi)容之一。

老頂（基本頂）：

位于直接頂（有時(shí)直接位于煤層）之上厚而堅(jiān)硬，一般不隨放頂而冒落的巖層。常見巖性有砂巖、礫巖、石灰?guī)r、堅(jiān)硬的砂頁(yè)巖等，一般厚度大于2米，巖石的單向抗壓強(qiáng)度Rc>60～80MPa，節(jié)理裂隙不發(fā)育，節(jié)理間距和分層厚度均大于1m，其運(yùn)動(dòng)常給采場(chǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)。一般認(rèn)為，該巖層內(nèi)可以形成結(jié)構(gòu)層，上方巖層重量可通過(guò)該層把力傳遞到工作面的前方煤壁和后方煤柱或采空區(qū)。老頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)規(guī)律是礦壓研究主要內(nèi)容。見P5136思考題特征偽頂直接頂老頂（基本頂）垮冒隨采隨冒常隨放頂冒落有一定步距巖性炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖頁(yè)巖、泥巖、粉砂巖砂巖、礫巖、石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度很低<40MPa>60~80MPa層厚<0.3~0.5m>0.3~0.5m>2m節(jié)理、層理發(fā)育不發(fā)育2、填寫頂板特征表1、直接頂和老頂?shù)暮x？37§3-2有關(guān)采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的假說(shuō)一、經(jīng)典學(xué)說(shuō)該假說(shuō)解釋了增壓區(qū)、減壓區(qū)的存在，以及其范圍；說(shuō)明了減小采場(chǎng)支架受載，應(yīng)盡可能縮小兩拱腳之間距離，如充填采空區(qū)、降低采高、采用煤柱支撐法等方法可減小拱跨，從而減輕采場(chǎng)支架載荷。ba12圖3-2回采工作面壓力拱假說(shuō)1、壓力拱假說(shuō)見P53圖3－3德國(guó)人哈克和吉里策爾于1928年提出的壓力拱假說(shuō)認(rèn)為，在回采空間上方，由于巖層自然平衡（巖塊扭轉(zhuǎn)擠壓的結(jié)果），形成一個(gè)“壓力拱”，前拱腳位于采面前方煤體內(nèi)，后拱腳位于采空區(qū)冒落矸石上（或充填物上），兩拱腳之間形成一個(gè)減壓區(qū)，采場(chǎng)處于減壓區(qū)內(nèi)，其支架僅承受拱內(nèi)巖石重量。隨采面推進(jìn)，壓力拱也不斷前移。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)前后拱腳巖性一樣時(shí)，壓力拱為對(duì)稱拱，否則為非對(duì)稱拱，拱的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致采場(chǎng)來(lái)壓。見P52第二講382、懸臂梁假說(shuō)該學(xué)說(shuō)解釋了采場(chǎng)周期來(lái)壓現(xiàn)象；解釋了超前支承壓力大的原因；也解釋了工作面煤壁處頂板下沉量比采空區(qū)側(cè)小、壓力小的原因；正確估算周期來(lái)壓步距。它的不足之處在于一是對(duì)上覆巖層共同作用考慮不足；二是對(duì)老頂在工作面前方斷裂無(wú)法解釋。德國(guó)人施托克于1916年提出的懸梁學(xué)說(shuō)，該假說(shuō)假設(shè)頂板為連續(xù)的彈性介質(zhì)，頂板初次破壞后，可以看作一端固定在采面前方煤體內(nèi)的懸臂梁，當(dāng)頂板為多層時(shí)組成組合梁，隨著工作面推進(jìn)懸梁周期性折斷，形成工作面周期性壓力增大現(xiàn)象。折斷后的巖梁一端作用于采場(chǎng)支架，另一端作用于采空區(qū)冒落矸石上，采場(chǎng)支架所承受的最大載荷（給定載荷）是直接頂重量和老頂重量的一半。393、預(yù)成裂隙假說(shuō)回采空間周圍存在三個(gè)區(qū)，即應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和采動(dòng)影響區(qū)，且隨著采面推進(jìn)而前進(jìn)。在應(yīng)力增高區(qū)的移動(dòng)中，覆巖的連續(xù)性被破壞，形成了非連續(xù)的裂隙體。這非連續(xù)的礦壓裂隙體，因裂隙存在可以產(chǎn)生很大的變形，其特征如同塑性體，在壓緊的情況下形成“預(yù)應(yīng)力梁”。這個(gè)梁在自重及上方載荷作用下發(fā)生“塑性彎曲”，原擠緊的裂隙有可能張開或出現(xiàn)塊間相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致下沉到垮落，當(dāng)上下層下沉量不同時(shí)產(chǎn)生離層。支架要有足夠強(qiáng)度促使頂板形成預(yù)應(yīng)力梁，阻止裂隙張開、滑動(dòng)，防止產(chǎn)生離層和垮落。比利時(shí)學(xué)者阿?拉巴斯20世紀(jì)50年代提出預(yù)成裂隙，如下：該假說(shuō)突出貢獻(xiàn)是采用非連續(xù)介質(zhì)理論，說(shuō)明了巖層的穩(wěn)定、下沉、離層和垮落等現(xiàn)象。同時(shí)提出了提高支架阻力的必要性。假說(shuō)不足之處有三：一是對(duì)于堅(jiān)硬或松軟巖層不可能形成預(yù)應(yīng)力梁；二是對(duì)采場(chǎng)周期來(lái)壓現(xiàn)象未做解釋；三是支架阻力多大合理未做說(shuō)明。123456789101112ISESVⅡⅢ見P54圖3－5和3－640

4、鉸接巖塊假說(shuō)（庫(kù)茲涅佐夫，1950）Δi＞（2～2.5）hi

，在采空區(qū)形成不規(guī)則冒落帶，KP=1.25~1.50；

hi

＜Δi＜2hi

時(shí)，在采空區(qū)形成規(guī)則冒落帶,KP=1.05~1.25；

Δi＜hi時(shí)，形成的巖塊之間相互咬合，運(yùn)動(dòng)相互牽制的整層移動(dòng)帶（裂隙帶）。在該帶內(nèi)形成結(jié)構(gòu)，其形式為“三鉸拱”式平衡。煤層開采后，頂板自下而上呈分層垮落。若取頂板的i分層厚度為hi，采空區(qū)內(nèi)剩余的空間高度為Δi(i為分層序號(hào)，當(dāng)i＝1時(shí)，即全陷法采煤的采高m)，則見P53圖3－441該學(xué)說(shuō)對(duì)上覆巖層進(jìn)行了細(xì)致準(zhǔn)確地分帶，并提出了裂隙帶內(nèi)形成三鉸拱式結(jié)構(gòu)。學(xué)說(shuō)的不足在于對(duì)結(jié)構(gòu)未做平衡條件的分析，未對(duì)采場(chǎng)來(lái)壓進(jìn)行解釋，對(duì)采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)過(guò)程及產(chǎn)生的原因考慮不足。m不規(guī)則冒落帶規(guī)則冒落帶裂隙帶42二、國(guó)內(nèi)著名采場(chǎng)礦壓理論1、砌體梁理論(錢鳴高）見P54五、我國(guó)學(xué)者在巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型上的發(fā)展老頂巖梁斷裂后，由于巖塊排列整齊，回轉(zhuǎn)時(shí)巖塊相互擠壓，在塊間產(chǎn)生的水平力和摩擦力作用下，形成的外表似梁實(shí)際是拱的巖塊梁結(jié)構(gòu)，叫做砌體梁（一般指工作面頂板呈X形斷裂的中部區(qū)）。由于砌體梁形成于裂隙帶故又稱裂隙體梁。

回采工作面在砌體梁的保護(hù)下，當(dāng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，上方載荷通過(guò)該梁傳遞到前方煤壁和后方采空區(qū)矸石或煤柱上，采場(chǎng)支架僅承受巖梁下直接頂載荷。當(dāng)巖梁不能自身穩(wěn)定時(shí)，采場(chǎng)支架需要提供一定撐力維持結(jié)構(gòu)平衡。當(dāng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)，結(jié)構(gòu)將對(duì)支架產(chǎn)生沖擊載荷（頂板來(lái)壓）。

分析了導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的條件，提出了減小頂板壓力的措施。ABC432、傳遞巖梁理論主要貢獻(xiàn)是利用礦壓實(shí)測(cè)數(shù)值指導(dǎo)生產(chǎn)；存在不足，缺少力學(xué)基礎(chǔ)的支持。該理論認(rèn)為，采場(chǎng)支架可以改變巖梁的位態(tài)，即在一定頂板條件下，頂板下沉量與采場(chǎng)支護(hù)反力的乘積為一常數(shù)，調(diào)節(jié)采場(chǎng)支護(hù)強(qiáng)度可以改變采場(chǎng)的頂板下沉量。為此，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)測(cè)頂板下沉量和支護(hù)阻力做為依據(jù)，通過(guò)增大或縮小支架的初撐力，改變采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)。該理論中科院院士宋振騏提出的，該學(xué)說(shuō)認(rèn)為在長(zhǎng)壁回采工作面上方存在著一個(gè)能夠傳遞其上方載荷的巖層，由于該巖層跨度一般遠(yuǎn)小于工作面長(zhǎng)度，故可視為平面問(wèn)題討論的梁，即所謂傳遞巖梁。S（mm)p頂板下沉支護(hù)強(qiáng)度443、彈性地基梁理論上世紀(jì)80年代，原山東礦院宋振騏等人在棗莊礦務(wù)局柴里煤礦礦壓觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，老頂來(lái)壓前，在工作面上下出口處，頂板出現(xiàn)上升，即“回彈”或“反彈”現(xiàn)象。為了解釋該現(xiàn)象有的學(xué)者提出了“彈性地基梁假說(shuō)”。該學(xué)說(shuō)把位于回采工作面上方的一層或多層老頂視為在煤層走向方向上被較松軟的巖層夾支在其中的平面應(yīng)變梁，梁的長(zhǎng)度在采面推進(jìn)方向可以認(rèn)為是無(wú)限長(zhǎng)，在采空區(qū)方向則為已經(jīng)斷裂的巖塊所支撐。滿足Winkler彈性地基假定，即

式中p——由于采動(dòng)作用于老頂?shù)臄_動(dòng)壓力；

y——老頂豎向位移；

k——彈性地基系數(shù)，其大小與軟層性質(zhì)有關(guān)。見P113第六節(jié)采場(chǎng)來(lái)壓預(yù)報(bào)45⑴在斷裂處附近產(chǎn)生很大彎矩，導(dǎo)致頂板很大下沉；當(dāng)巖梁斷裂后，在斷裂處前面巖梁（板）所受彎矩變小，導(dǎo)致具有彈性頂板“反彈”。當(dāng)工作面前方的順槽以及中巷均監(jiān)測(cè)到頂板“反彈”信息，說(shuō)明反彈處后面頂板已經(jīng)斷裂，當(dāng)工作面推近斷裂處有可能來(lái)壓，必須做好防止來(lái)壓災(zāi)害工作。⑵在斷裂處出現(xiàn)反彈的同時(shí)在前方一定區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象。要加強(qiáng)巷道超前支護(hù)質(zhì)量，減小巷道變形或防止破壞。斷裂處反彈區(qū)壓縮區(qū)破斷前彎距破斷后彎距破斷前下沉破斷后下沉MLy老頂?shù)臄_動(dòng)解釋頂板反彈的原因，同時(shí)為來(lái)壓預(yù)報(bào)的可行性提供了理論依據(jù)。當(dāng)巖梁存在于上下均為軟巖層時(shí)，巖梁的最大彎距位于回采工作面前方，根據(jù)彈性力學(xué)推導(dǎo)，得到了巖梁斷裂前和巖梁斷裂后的彎矩和下沉如圖所示。由該圖可以看出464、關(guān)鍵層理論采場(chǎng)上方存在著對(duì)采場(chǎng)上覆全部巖層或局部巖層活動(dòng)起控制作用的巖層，前者稱為主關(guān)鍵層，后者為亞關(guān)鍵層。關(guān)鍵層有如下特點(diǎn)：幾何特征，相對(duì)其他同類巖層單層厚度較厚；巖性特征，相對(duì)其他巖層較為堅(jiān)硬，即彈性模量大，強(qiáng)度高；變形特征，關(guān)鍵層下沉變形時(shí)，其上覆全部或局部巖層的下沉量同步諧調(diào)；破斷特征，關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致全部或局部上覆巖層的同步破斷，引起較大范圍的巖層移動(dòng)。當(dāng)上部關(guān)鍵層破斷距大于下部時(shí)，由下而上順序斷裂，反之一起斷裂。承載特征，關(guān)鍵層破斷前以“板”或“梁”的結(jié)構(gòu)形式作為全部巖層或局部巖層的承載主體，破斷后成為砌體梁結(jié)構(gòu)，繼續(xù)承載。見P122第六章第二節(jié)巖層控制的關(guān)鍵層理論

主要貢獻(xiàn)：解釋了采場(chǎng)頂?shù)装鍘r層破壞規(guī)律，為煤層氣開采和防止瓦斯突出和突水的措施提供了理論依據(jù)。475、拱梁結(jié)構(gòu)理論

該學(xué)說(shuō)認(rèn)為，采場(chǎng)上方的結(jié)構(gòu)是隨著采場(chǎng)上方巖體強(qiáng)度而變化的。為此，該學(xué)說(shuō)根據(jù)覆巖強(qiáng)度劃分為3個(gè)具有代表意義的區(qū)間，形成三個(gè)力學(xué)模型，以便于針對(duì)性礦壓控制和解釋其現(xiàn)象。第一模型描述的強(qiáng)度低的結(jié)構(gòu)巖層，結(jié)構(gòu)為小巖塊擠壓而成，其傳遞力跡線像一個(gè)半拱，稱之為“類拱”結(jié)構(gòu)。第二模型描述的強(qiáng)度中等的結(jié)構(gòu)巖層，結(jié)構(gòu)為多個(gè)巖塊規(guī)則排列、擠壓而成的，其傳遞力跡線呈折線狀，結(jié)構(gòu)中巖塊個(gè)數(shù)隨巖體強(qiáng)度和厚度而變化，位于“類拱”和“梁式”結(jié)構(gòu)之間，稱之為“拱梁”結(jié)構(gòu)。第三模型描述的強(qiáng)度很高的結(jié)構(gòu)巖層，結(jié)構(gòu)為2～3巖塊擠壓而成，稱之為“梁式”結(jié)構(gòu)?；诹汗敖Y(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，開發(fā)了“采場(chǎng)頂板控制設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)”。利用計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的柱狀圖自動(dòng)識(shí)別結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)形式和預(yù)計(jì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而作出科學(xué)的控制措施。除了上述假說(shuō)以外，有影響的采場(chǎng)假說(shuō)還有固定梁假說(shuō)、簡(jiǎn)支梁假說(shuō)、板假說(shuō)、組合梁假說(shuō)等等。此內(nèi)容將在后面介紹。48思考題假說(shuō)主要貢獻(xiàn)壓力拱1、進(jìn)行了準(zhǔn)確的應(yīng)力分區(qū)2、提出減小拱跨可減小頂板壓力懸梁1、解釋了采場(chǎng)周期來(lái)壓現(xiàn)象；2、解釋了超前支承壓力大的原因；3、解釋了工作面煤壁處頂板下沉量比采空區(qū)側(cè)小、壓力小的原因；4、正確估算周期來(lái)壓步距。預(yù)成裂隙1、采用非連續(xù)介質(zhì)理論，說(shuō)明了巖層的穩(wěn)定、下沉、離層和垮落等現(xiàn)象；2、提出了提高支架阻力的必要性。鉸接巖塊1、對(duì)采場(chǎng)上覆巖層進(jìn)行了細(xì)致準(zhǔn)確地分帶；2、提出了裂隙帶內(nèi)形成三鉸拱式結(jié)構(gòu)。1、填寫采場(chǎng)礦壓四個(gè)經(jīng)典假說(shuō)及其主要貢獻(xiàn)49假說(shuō)主要貢獻(xiàn)砌體梁1、分析了導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的條件2、提出了減小頂板壓力的措施傳遞巖梁1、提出了提高采場(chǎng)支架支護(hù)強(qiáng)度可改變頂板位態(tài)；2、提出了依據(jù)頂板下沉確定支架的支護(hù)強(qiáng)度。彈性地基梁1、解釋了工作面前方頂板反彈現(xiàn)象；2、實(shí)現(xiàn)了利用頂板反彈進(jìn)行采場(chǎng)來(lái)壓預(yù)報(bào)。關(guān)鍵層1、提出了關(guān)鍵層含義及五個(gè)特征；2、推動(dòng)了防止采場(chǎng)突水和開采解放層研究的進(jìn)展。梁拱1、對(duì)采場(chǎng)不同圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類；2、利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和專家系統(tǒng)指導(dǎo)生產(chǎn)。2、填寫我國(guó)采場(chǎng)礦壓主要理論及其主要貢獻(xiàn)50§3-4老頂?shù)臄嗔亚靶问皆摷僬f(shuō)認(rèn)為，當(dāng)相鄰采區(qū)未開采或不受斷裂影響，工作面處于初采階段，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于跨度時(shí)，位于工作面中部的懸空頂板，可視為插入前后方巖體中的無(wú)數(shù)個(gè)單位寬度的固支梁。固支梁及其以上載荷在其破斷前由該梁傳遞到采場(chǎng)前方和后方煤體上，采場(chǎng)支架僅承受梁下巖層載荷。1、固支梁受力分析一、梁式結(jié)構(gòu)由材料力學(xué)解得見P57第三講xyqlDD′xABMAMBRARB固定梁受力狀態(tài)51剪力方程最大剪力彎矩方程在梁內(nèi)任取一截面D-D′，得可以看出，最大剪力發(fā)生在梁的兩端，整理，得最大彎矩也發(fā)生在梁的兩端，在梁的中部Q固定梁剪力和彎矩圖（＋）（－）Ml巖梁下面受壓，上面受拉。522、簡(jiǎn)支梁受力分析由靜力平衡可解得剪力方程，與固定梁相同，最大剪力位于巖梁兩端，大小

彎矩方程該假說(shuō)認(rèn)為，當(dāng)相鄰采區(qū)采空或受傾向或斜交斷裂切割，工作面處于初采階段，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于跨度時(shí)，位于工作面中部的懸空頂板，可視為無(wú)數(shù)個(gè)單位寬度的簡(jiǎn)支梁。簡(jiǎn)支梁及其以上載荷在其垮落前由該梁傳遞到采場(chǎng)前方煤體和后方煤柱上，采場(chǎng)支架僅承受梁下巖層載荷。巖梁上面受壓，下面受拉。最大彎矩位于梁的中央，大小lqRARB簡(jiǎn)支梁受力圖Ml53二、巖板的結(jié)構(gòu)按周圍采空情況分類四邊固支板：采場(chǎng)周圍未開采，且無(wú)斷層切割。三邊固支板一邊簡(jiǎn)支板：工作面一邊采空。二邊固支二邊簡(jiǎn)支板：工作面兩邊采空。一邊固支三邊簡(jiǎn)支板：工作面如“孤島煤柱”，三側(cè)采空。按板的厚寬比（h/a）分為：薄板（彎曲破壞）：h/a<1/5=0.2，一般老頂為1/30～1/5。厚板：h/a>1/5=0.2，極少見，多為剪切破壞。abh1、巖板的類型54

3、薄板的彎矩

采用薄板理論計(jì)算的應(yīng)力狀態(tài)是非常復(fù)雜的，對(duì)于定性分析，常采用marcus簡(jiǎn)算法。該方法實(shí)質(zhì)是把板看成分條的梁，板的中部則為交叉的梁，按交叉點(diǎn)撓度相等的原則可解得板所受彎矩。如圖所示，最大彎矩均位于長(zhǎng)邊中點(diǎn)的固定端，尤其三邊采空時(shí)更為突出。見P75圖3－13

(a)(b)(c)(d)

“板”彎矩圖Mx1Mx2Mx3Mx4My3My2My1255四邊固支板彎矩（Marcus修正解）

長(zhǎng)邊中部邊界處最大彎矩式中μ——巖層的泊松比；

q——巖層自重及其上方載荷；

a1——回采工作面推進(jìn)距離；

b——回采工作面長(zhǎng)度。在上式中，當(dāng)b→∞，μ→0時(shí)，即固支梁的最大彎距。在煤礦一般工作面長(zhǎng)度（100～200米）與跨度（30米左右），懸露老頂?shù)膶掗L(zhǎng)比（a/b），約為1/3～1/5，取1/4，泊松比取0.2，代入上式，得對(duì)于一般回采工作面，用梁計(jì)算跨距與板計(jì)算跨距差別不大，然而對(duì)于a1/b＞1/3時(shí)則有較大差別。56一、老頂初斷時(shí)的極限跨距最大彎矩位于巖梁兩端，在垂直方向最危險(xiǎn)部位是巖梁上面得由材料力學(xué)純彎曲梁上任一點(diǎn)的正應(yīng)力公式設(shè)頂板巖梁厚度為h，巖梁寬度為單位寬度，則巖梁斷面慣矩當(dāng)最大正應(yīng)力達(dá)到巖梁的抗拉強(qiáng)度，時(shí)，由拉應(yīng)力確定的固定梁極限跨距，為§3-5老頂?shù)某醮螖嗔鸭?，代入見P601、固定梁的極限跨距57再根據(jù)梁純彎曲時(shí)，巖梁上任一點(diǎn)剪應(yīng)力為最大剪應(yīng)力位于固定梁兩端的中性軸,，當(dāng)最大剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度時(shí)，，，由剪應(yīng)力確定的固定梁極限跨距，為

582、簡(jiǎn)支梁的極限跨距簡(jiǎn)支梁與固定梁極限跨距比代入梁彎曲公式，解得簡(jiǎn)支梁的極限跨距代入上式取對(duì)于天然的巖體形成結(jié)構(gòu)，是不同于材料力學(xué)上講的梁，從巖層連續(xù)性看，若沒(méi)有斷裂，類似于固定梁；然而，從巖梁兩端支撐點(diǎn)看，由于巖石有較大變形，也就是說(shuō)巖梁在兩端產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，則更加象簡(jiǎn)支梁。一般來(lái)說(shuō)，兩端支撐巖體剛度大時(shí)，可近似按固定梁估算，反之按簡(jiǎn)支梁估算與實(shí)際情況更接近。另外，天然巖體，可能有時(shí)并不是連續(xù)的，有裂隙存在，此時(shí)巖梁跨度將會(huì)縮短。59由光彈模擬研究獲得，簡(jiǎn)支板中央最大拉應(yīng)力，為矩形板應(yīng)力計(jì)算系數(shù)表-1b/a11.523∝k0.280.4870.6100.7130.750簡(jiǎn)支板的極限跨距，為式中k——矩形板應(yīng)力計(jì)算系數(shù)，大小與板的長(zhǎng)寬比（b/a）有關(guān)。3、板的極限跨距，與梁形式相同。注：固支梁k=0.5，簡(jiǎn)支梁k=0.75。Kb/a12300.5當(dāng)b/a>1.5時(shí)，極限跨距與梁理論計(jì)算結(jié)果誤差不大。601）巖性及組成：一是反映巖梁強(qiáng)度，承載層強(qiáng)度越高，跨度越大；二是反映巖梁上載荷大小，附加載荷越大，跨度越?。蝗侵味诵再|(zhì)，支撐剛度越小，跨度增大。2）周圍采空情況：四邊固支與三邊固支一邊簡(jiǎn)支極限跨距相差不大，兩邊固支兩邊簡(jiǎn)支與一邊固支三邊簡(jiǎn)支極限跨度接近，但上述兩種極限跨距差異較大。3）工作面推進(jìn)速度：由于蠕變?cè)颍七M(jìn)速度越慢，暴露時(shí)間愈長(zhǎng)，跨度愈小。4）工作面長(zhǎng)度：工作面長(zhǎng)度愈短，跨度愈大，當(dāng)工作面長(zhǎng)度大于極限跨度三倍時(shí)，面長(zhǎng)再增加，對(duì)跨度無(wú)影響。5）斷裂構(gòu)造：當(dāng)斷裂小于極限跨距時(shí)，跨度縮??；反之?dāng)嗔盐恢寐源笥跇O限跨距時(shí)，垮落步距將增大。據(jù)邢臺(tái)的實(shí)測(cè)資料老頂受斷裂影響時(shí)的極限跨距約縮短四分之一。6）巖層傾角：隨巖層傾角增大頂板多由彎曲破壞，逐漸變?yōu)榧羟衅茐?，即傾角隨傾角增大，跨度增大。7）采空區(qū)處理方式：對(duì)巨厚老頂采用挑頂或切落可減小極限跨距。4、影響老頂極限跨距的主要因素611、頂板的彎曲拉伸破壞二、老頂?shù)某醮螖嗔杨愋鸵奝57對(duì)于層狀礦體開采，覆巖可看做厚度不同的巖板組成，即“板”理論。巖板初次垮落前采場(chǎng)和采空區(qū)在其保護(hù)之下，巖板及其以上載荷，通過(guò)這個(gè)板傳遞到回采空區(qū)周圍的礦體或礦柱上去，采場(chǎng)和采空區(qū)位于減壓區(qū)。研究表明巖板的破壞形態(tài)為OX破壞，O形裂縫在上面，而X裂縫在下面。裂縫的發(fā)展順序隨極限跨距和工作面長(zhǎng)度變化而變化。a<l/3112a≈l/211223a≤l113224112234a>l62頂板的彎曲破壞過(guò)程632、頂板的剪切破壞當(dāng)頂板厚度大強(qiáng)度高、彎曲變形小，若工作面支護(hù)力不能撐起上方巖層重量時(shí)，頂板巖層破壞主要表現(xiàn)為剪切破壞形態(tài)，即沿煤壁切落。頂板的剪切破壞過(guò)程643、頂板的破壞形式的轉(zhuǎn)化

2）強(qiáng)制放頂，使頂板厚度變小，抗彎剛度降低，頂板由剪切向彎曲破壞轉(zhuǎn)化。

3）開采順序逆行，頂板巖層受到反復(fù)的采動(dòng)影響，頂板由剪切向彎曲破壞轉(zhuǎn)化。

4）工作面推進(jìn)速度過(guò)慢，頂板由剪切向彎曲破壞轉(zhuǎn)化。

5）煤壁軟和控頂距大或采空區(qū)充填，頂板由剪切向彎曲破壞轉(zhuǎn)化。

1）沿工作面的斷裂構(gòu)造，當(dāng)跨距小于不受斷裂影響時(shí)的極限跨距，使得頂板由彎曲向剪切破壞轉(zhuǎn)化；反之，斷裂位于極限跨距前則頂板由剪切向彎曲破壞轉(zhuǎn)化。斷層對(duì)頂板破壞的影響65h4h3h2h1巖層載荷計(jì)算圖三、頂板載荷計(jì)算該理論認(rèn)為，由不同性質(zhì)的n個(gè)梁組合在一起后，任一截面x上的剪力Qx和彎矩Mx，都由各層小截面共同來(lái)負(fù)擔(dān)。按n層組成的組合梁，有(a)(b)組合后，有，即對(duì)于單一層梁，單獨(dú)存在時(shí)，由于各巖梁的剛度不同，載荷不一，各個(gè)梁的形成的曲率都不一樣。然而，各個(gè)梁組合在一起后，上下層的曲率又必須趨于一致。由材料力學(xué)可知，某層的曲率與其彎矩的關(guān)系為見P61～62組合梁理論認(rèn)為，強(qiáng)度高的巖層與其上較軟巖層形成組合梁結(jié)構(gòu)。上部較軟巖層對(duì)其下部關(guān)鍵層形成的載荷，可以由組合梁理論求解。第四講66再根據(jù)，(c)(d)由(c)得式中，，…，

再由(b)式，得采用該公式計(jì)算對(duì)底層巖梁形成的載荷，要從下逐漸向上計(jì)算，即順序?yàn)?q1)1、(q2)1、…、(qn)1，當(dāng)計(jì)算得出(qi+1)1<(qi)1時(shí)計(jì)算停止。說(shuō)明i+1層沒(méi)有對(duì)底層產(chǎn)生附加載荷，此時(shí)(qn)1=(qi)1。代入(d)式，整理得考慮覆巖n層對(duì)底層影響，用(qn)1代替(q1)x，有或67思考題1、填寫采場(chǎng)上方老頂斷裂前梁結(jié)構(gòu)假說(shuō)類型和特征類型適用條件最大彎矩最大剪力極限跨距位置大小位置大小固定梁處于初采階段的工作面，且相鄰采區(qū)未開采或不受斷裂影響，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于跨度時(shí)，位于工作面中部的懸空頂板梁的兩端，上面受拉下面受壓梁兩端簡(jiǎn)支梁當(dāng)相鄰采區(qū)采空或受傾向或斜交斷裂切割，工作面處于初采階段，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于跨度時(shí)，位于工作面中部的懸空頂板梁的中部，上面受壓下面受拉梁兩端682、填寫采場(chǎng)上方老頂斷裂前板結(jié)構(gòu)假說(shuō)類型和特征類型適用條件極限跨距破壞類型薄板h/a<0.2與梁計(jì)算結(jié)果相近彎曲拉伸破壞為主厚板h/a>0.2遠(yuǎn)大于梁計(jì)算結(jié)果剪切破壞3、頂板載荷計(jì)算采用的理論是（

C）。

A、懸臂梁

B、固定梁

C、組合梁 D、簡(jiǎn)支梁4、頂板載荷計(jì)算方法是從底層巖層開始，依次由下逐漸向上分別按一層、兩層、三層…組合計(jì)算，同時(shí)比較計(jì)算結(jié)果，當(dāng)計(jì)算結(jié)果多一層組合后載荷（BC）時(shí)計(jì)算停止，表明該層未予下面巖層組合，故頂板載荷僅為下面巖層所形成。

A．增大 B．減小

C．不變69§3-3直接頂?shù)目迓溆刹牧狭W(xué)知道，梁的撓度按固支梁求解根據(jù)邊界條件，撓度方程最大撓度(x=l/2）一、頂板的撓度見P56初次放頂前覆巖結(jié)構(gòu)直接頂老頂70二、直接頂?shù)姆€(wěn)定性分析式中：Σh——直接頂厚度；

γ——頂板巖層的重度；E0——直接頂巖層的彈性模量；J0——斷面慣矩，可按單位寬度承載層計(jì)算，；l——直接頂巖梁的跨度；直接頂?shù)碾x層是導(dǎo)致初采階段頂板事故的主要原因，頂板不產(chǎn)生離層的首要條件是下部巖層的撓度（下沉量）不大于上部巖層的撓度。即直接頂?shù)膿隙刃∮诶享數(shù)膿隙?。?dāng)采場(chǎng)支護(hù)強(qiáng)度為p時(shí)，直接頂?shù)淖畲髶隙?ymax)0：71對(duì)于老頂最大撓度計(jì)算，設(shè)老頂厚度為h1，彈性模量取E1，巖梁寬度取單位1，斷面慣矩，當(dāng)老頂巖梁的附加荷載為q1，取q1=γh3，且h3=αh1，則老頂?shù)淖畲髶隙软敯宀划a(chǎn)生離層條件為整理，得72對(duì)于采用煤柱支撐法開采，則需要確定安全跨距，由固定梁拉應(yīng)力確定的安全跨距由剪應(yīng)力確定的安全跨距，為三、直接頂?shù)陌踩缇嗍街校簄——安全系數(shù)，一般取6；

h——直接頂下位巖層的分層厚度。73四、直接頂?shù)目迓渲苯禹斂迓浜蟾矌r結(jié)構(gòu)ΣhmΔ1、直接頂?shù)某醮慰迓洌褐笍拈_切眼開始，工作面推進(jìn)一定距離后，在采空區(qū)上方頂板第一次大范圍垮落。2、直接頂初次垮落距：

在直接頂初次垮落中，當(dāng)頂板垮落高度超過(guò)1～1.5m，垮落范圍大于采面長(zhǎng)度的一半時(shí)，從開切眼煤壁到工作面放頂線的距離。當(dāng)采空區(qū)充填滿時(shí)整理，得當(dāng)直接頂全部垮落后，采空區(qū)內(nèi)充填體與老頂間的空隙高度為74思考題1、頂板產(chǎn)生離層的條件是下部巖層的撓度（A

）上部巖層的撓度。

A、大于 B、小于 C、等于2、防止直接頂離層的有效措施是支架的(A)不小于直接頂載荷。

A、初撐力 B、平均支撐力 C、最大支撐力3、直接頂?shù)某醮慰迓涞暮x是指從（

C

）開始，工作面推進(jìn)一定距離后，在采空區(qū)上方頂板第一次（

F）垮落。

A、回風(fēng)巷 B、運(yùn)輸巷 C、開切眼

D、局部 E、全部 F、大范圍4、直接頂初次垮落距的含義是回采工作面從開切眼開始推進(jìn)，當(dāng)頂板垮落高度超過(guò)（1~1.5）m，垮落范圍大于（采面長(zhǎng)度的一半）時(shí)，從開切眼煤壁到（工作面放頂線）的距離。75§3-6老頂斷裂后的“砌體梁”結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析一、老頂初次斷裂后的砌體梁平衡砌體梁受力分析qAB。qAT0T1R1L1/2h見初采階段砌體梁結(jié)構(gòu)的受力圖。取分離體A，由靜力平衡，有

得，得由，得由式中：q——離層巖塊受到的荷載；

Ll——老頂斷裂的跨度；

h——離層巖塊的厚度。1、受力分析(a)(b)見P6376（1）冒落角α=90°時(shí)，失穩(wěn)條件為把(a)和(b)代入上式，有或一般巖石的內(nèi)摩擦角，φ=38°~45°,tgφ=0.8~1.0，則2、結(jié)構(gòu)平衡分析1）滑落失穩(wěn)：由于巖塊間摩擦力不足，相對(duì)位置錯(cuò)動(dòng)造成結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)叫做砌體梁結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)。(c)(d)(e)再分別把固定梁、簡(jiǎn)支梁確定的極限跨距代入上式，有固支梁

簡(jiǎn)支梁

解得這里k＝1/2～3/4

結(jié)論：當(dāng)α=90°時(shí)，砌體梁穩(wěn)定條件，一是巖塊長(zhǎng)厚比大于4，二是承受載荷小于巖石抗拉強(qiáng)度的十分之一。例如神府煤田大柳塔煤礦C202工作面（2－2煤層），老頂厚17.3m，老頂初次來(lái)壓步距24m，形成厚度大，塊度短，形不成砌體梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致來(lái)壓強(qiáng)烈，增載系數(shù)大。＜＜＞＞Ll＜(4~5)h77αθOAθT1sinθT1T1cosθR1sinθR1R1cosθα<90°,結(jié)構(gòu)分析下滑力無(wú)支護(hù)時(shí)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)條件

若考慮采場(chǎng)支護(hù)對(duì)老頂阻力p1時(shí)，失穩(wěn)條件為結(jié)論：a.巖石的冒落角愈小，結(jié)構(gòu)愈易失穩(wěn)；

b.增大采場(chǎng)支護(hù)力，從而減小下滑力，有利于結(jié)構(gòu)平衡。摩擦力（2）冒落角α<90°根據(jù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)巖塊間的摩擦力小于下滑力，設(shè)巖石冒落角的余角為θ，由圖可知根據(jù)θ=90°-α可知，此時(shí)冒落角的余角θ為負(fù)值，代入上式，得結(jié)論：根據(jù)原生節(jié)理的產(chǎn)狀確定工作面推進(jìn)方向，使推進(jìn)方向逆向于節(jié)理面的傾向，可減弱采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)。 失穩(wěn)條件顯然有利于結(jié)構(gòu)平衡。（3）冒落角α>90°BA＜＜＜78qR1p1TΔαhLl/2aaT懸空巖塊受力分布或式中：L——采場(chǎng)支架合理作用點(diǎn)到老頂破斷點(diǎn)距離；

Δ——老頂下沉量；

p1——采場(chǎng)支架對(duì)巖梁作用力。減小巖塊間擠壓力，可采取措施有：減小老頂初垮步距和載荷大小，方法是對(duì)于堅(jiān)硬難冒頂板采用深孔爆破或高壓注水軟化頂板。減少老頂下沉量，如充填采空區(qū)；淺孔爆破，增加垮落帶高度，減小結(jié)構(gòu)層巖塊下沉量；必要時(shí)降低采高，從而減小老頂下沉。增大控制力矩，如在放頂線增設(shè)切頂支架。

由于巖塊咬合部分破壞產(chǎn)生的形狀改變或塑性變形，造成砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。影響變形失穩(wěn)的主要因素是巖梁強(qiáng)度性質(zhì)和塊間擠壓力T的大小。如圖所示，結(jié)構(gòu)處于極限平衡狀態(tài)的條件，為2）變形失穩(wěn)79假說(shuō)認(rèn)為結(jié)構(gòu)形成于堅(jiān)硬巖層，由硬巖層把覆巖分為若干組，每組底層為堅(jiān)硬巖層——結(jié)構(gòu)層（關(guān)鍵層）。在每組中，由于硬巖層以上的軟巖層，隨硬巖層運(yùn)動(dòng)，故可以視為載荷。由于工作面后方4~8米處有離層區(qū)的存在，因而可以認(rèn)為在該區(qū)域上下巖層間無(wú)垂直力的聯(lián)系。采用鉸接巖塊理論，裂隙帶巖層斷裂后巖塊排列整齊，相互牽制，力學(xué)關(guān)系為三鉸拱式平衡。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)層間均為軟巖層，主要起支撐作用，故可以用“桿”代替。工作面后方50~60米處，巖塊排列整齊，又變?yōu)樵瓗r層狀態(tài)（復(fù)位），故可以忽略巖塊間的剪切力，用“桿”代替。巖塊間以鉸鏈?zhǔn)竭B接，鉸鏈位置按覆巖運(yùn)動(dòng)軌跡確定。曲線下凹處鉸鏈位于塊的下部，否則位于塊的上部。最上面結(jié)構(gòu)層以上，均為軟巖，按均布載荷考慮。底部結(jié)構(gòu)層下面的采空區(qū)為冒落矸石，其力學(xué)性質(zhì)為虎克體或馬科斯維爾體。二、

砌體梁全結(jié)構(gòu)模型受力分析1、砌體梁全結(jié)構(gòu)模型的假設(shè)80正?；夭善鲶w梁結(jié)構(gòu)模型A3A2A1B3B1B2C1C2C3D3D2D1E3E2E1F3F2F1R11R12R13R1481從結(jié)構(gòu)模型中任抽出一組（例如第i組）來(lái)討論，如下圖所示。圖中mij為載荷系數(shù)，mijQij為第i結(jié)構(gòu)層第j巖塊上受到的載荷值。2、全結(jié)構(gòu)模型的自由度

式中n——巖塊數(shù)目?？梢钥闯觯摻Y(jié)構(gòu)為靜定問(wèn)題。正常回采時(shí)砌體梁結(jié)構(gòu)圖AiBiCiDiEiFiRi1Ri2Ri3Ri4Timi4Qi4mi3Qi3mi2Qi2mi1Qi1Qi0823、受力分析把結(jié)構(gòu)中各個(gè)巖塊分離，并繪出各個(gè)塊的受力狀況，分別建立平衡方程。Li0Bi（Ri）0-1Qi0（Ri）0-0（Ti）0-1（Ti）0-0Δi0hi0mi1Qi1Ci（Ri）1-2（Ri）0-1（Ti）1-2（Ti）0-1hi1Δi1Li1Ri1由，得到

為此，各個(gè)巖塊受到的水平力均用Ti表示。另外同一結(jié)構(gòu)層的堅(jiān)硬巖層在不大的范圍內(nèi)厚度變化不大，故可以視厚度不變，即hi代替。在B塊中，時(shí)，時(shí)，在C塊中，時(shí)，時(shí)，83即

力矩列陣=矩陣系數(shù)×力列陣，表達(dá)式為，以此類推,D塊、E塊、F塊的靜力平衡方程，整理得到如下矩陣。84用高斯消元法變換矩陣，再根據(jù)實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)1~4各個(gè)巖塊的傾斜狀態(tài)基本一致，故可以近似認(rèn)為斜率相等，即解矩陣得，

，

⑴懸空巖塊的重量全部作用于前鉸點(diǎn)。⑵三鉸拱式結(jié)構(gòu)，拱頂為0-1點(diǎn)，2-3點(diǎn)。每隔一塊壓力增大，即壓力波。⑶形成砌體梁時(shí)，其結(jié)構(gòu)的水平擠壓力與懸空巖塊重量、長(zhǎng)度、厚度和下沉量有關(guān)。ABC砌體梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖⑷當(dāng)巖塊的斜率為0時(shí)，各巖塊支撐反力等于巖塊的所受載荷（自身重量和上方附加載荷）。因而砌體梁結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為A、B和C三塊組成。854、全結(jié)構(gòu)模型的穩(wěn)定性分析因故減小塊間擠壓力Ti的措施：

縮短巖塊的長(zhǎng)度和重量，例如高壓注水軟化頂板，間隔一定距離深孔爆破人工強(qiáng)制切斷老頂；

減小巖塊的傾斜率，例如人工充填采空區(qū)、淺孔爆破頂板充填采空區(qū)或必要時(shí)降低采高等措施。（1）變形失穩(wěn)影響砌體梁的變形失穩(wěn)的主要因素，除巖石的強(qiáng)度外就是塊間擠壓力大小，擠壓力越小越有利。86（2）滑落失穩(wěn)

考慮采場(chǎng)支架的作用的平衡條件

為促使結(jié)構(gòu)平衡，一是增大沿層方向的擠壓力Ti，二是增大摩擦系數(shù)f(φ,θ)，三是減小下滑力

。由于塊間壓應(yīng)力過(guò)大將導(dǎo)致變形失穩(wěn)，因此我們應(yīng)從其他兩方面著手。⑴增大摩擦系數(shù)的措施：選擇合理的工作面推進(jìn)方向，使tg(φ-θ)→tg(φ+θ)。⑵減小下滑力的措施：增大采場(chǎng)反力，使采場(chǎng)支架通過(guò)直接頂對(duì)老頂懸空巖塊有一定控制，即平衡一部分懸空巖塊的重量，從而減小咬合點(diǎn)的下滑力。由于巖塊間摩擦力不足，相對(duì)位置滑動(dòng)造成結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，即＜87三、砌體梁理論解釋的現(xiàn)象1、采場(chǎng)支架載荷小于覆巖載荷的原因

——采場(chǎng)上方存在砌體梁結(jié)構(gòu)，上覆巖層載荷由砌體梁傳遞到回采工作面前方，支架僅承受直接頂載荷和砌體梁結(jié)構(gòu)自身不能平衡產(chǎn)生的部分載荷。2、回采工作面出現(xiàn)臺(tái)階下沉或切頂?shù)脑?/p>

——砌體梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的塊間錯(cuò)動(dòng)或滑落失穩(wěn)所導(dǎo)致。3、采高小、直接頂厚或采用充填法開采頂板壓力小的原因

——有效較小了老頂?shù)南鲁亮?，有利于砌體梁結(jié)構(gòu)的平衡。4、超前支承壓力較大的原因

——砌體梁結(jié)構(gòu)中懸空巖塊的重量全部作用于前鉸點(diǎn)所致。88思考題1、砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型有（）。

A、變形失穩(wěn)

B、拉伸失穩(wěn)

C、剪切失穩(wěn) D、滑落失穩(wěn)2、滑落失穩(wěn)的含義是（）導(dǎo)致失穩(wěn)；變形失穩(wěn)的含義是（）導(dǎo)致失穩(wěn)。

A．巖塊間剪切力大于摩擦力

B．巖塊間擠壓應(yīng)力超過(guò)其咬合處強(qiáng)度

3、發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件是（）；發(fā)生變形失穩(wěn)的條件是（）。

A．巖塊的厚長(zhǎng)比過(guò)大 B．巖塊間擠壓力過(guò)大

C．冒落角過(guò)小 D．頂板載荷過(guò)大4、有利于砌體梁穩(wěn)定的有效措施有（）。

A．充填采空區(qū) B．降低堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度和完整性

C．對(duì)無(wú)直接頂頂板強(qiáng)制放頂 D．加快工作面推進(jìn)速度

E．選擇合理工作面推進(jìn)方向 E．提高支架對(duì)頂板的支撐力5、砌體梁理論解釋了采場(chǎng)哪些現(xiàn)象？89第四章采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)基本規(guī)律－頂板來(lái)壓§4-1概述－礦壓顯現(xiàn)指標(biāo)M1ChM2Pl2l1SDSd1）煤壁片幫深度，是指回采工作面煤壁片落的最大深度。式中SL——頂?shù)装逑鄬?duì)移近量，mm；

M1-M2——前者為靠煤壁和支架頂梁后端測(cè)量的頂?shù)装彘g距離之差，mm；后者為某下沉基點(diǎn)一個(gè)循環(huán)前后下沉讀數(shù)之差。

SD、Sd——分別為頂板絕對(duì)下沉量和底鼓量。2）頂板下沉量：含義為頂?shù)装逑鄬?duì)移近量。又分控頂距內(nèi)頂板下沉量（簡(jiǎn)稱頂板下沉量）和循環(huán)頂板下沉量。3）頂板下沉速度：含義為頂?shù)装逑鄬?duì)移近速度，指單位時(shí)間內(nèi)頂?shù)装宓南鄬?duì)移近量。4）頂板冒高：指端面（機(jī)道上方空頂區(qū)）頂板冒頂?shù)母叨取?）頂板冒落度：又稱頂板破碎度，指端面頂板冒頂(冒高超過(guò)5或10cm)面積所占百分比。6）臺(tái)階下沉：指頂板沿煤壁方向斷裂并產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，它是砌體梁滑落失穩(wěn)現(xiàn)象。907）支架載荷：支架承受的荷重，包括支架初撐力、時(shí)間加權(quán)平均工作阻力和最大工作阻力。支架初撐力：架設(shè)支架時(shí)人為使支架對(duì)頂板的作用力。支架最大工作阻力（最大載荷）：一般為支架循環(huán)末的載荷。支架時(shí)間加權(quán)平均工作阻力計(jì)算如下：式中i——支架第i個(gè)循環(huán)；

n——一個(gè)循環(huán)內(nèi)分的段數(shù)。ti1ti2ti3ti4tppi0pi1pi2pi3pi48)活柱下縮量：支柱（或支架立柱）的活柱下縮的長(zhǎng)度。式中SH——活柱下縮量，mm；

lL、l2——分別為支柱或立柱剛升起時(shí)和循環(huán)結(jié)束時(shí)活柱段的長(zhǎng)度，mm。

習(xí)慣把頂板下沉量、活柱下縮量和支架載荷稱作礦壓三量，觀測(cè)礦壓三量又稱三量觀測(cè)。9)安全閥開啟率：統(tǒng)計(jì)的支柱安全閥開啟個(gè)數(shù)占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的百分比。10)動(dòng)載系數(shù):老頂來(lái)壓時(shí)與來(lái)壓前（平時(shí)）的頂板壓力比值。91思考題1、習(xí)慣上把頂?shù)装逑鄬?duì)移近量稱之為（）。

A、圍巖變形量

B、頂板位移量

C、頂板下沉量2、煤壁片幫深度是指煤幫片落的（）深度。

A．最大 B．最小 C、平均3、支架的初撐力的含義是（）。

A．人為使支架對(duì)頂板的作用力

B．支架的初始工作阻力

C．對(duì)于液壓支架，由于泵壓使得支架對(duì)頂板的撐起力4、頂板冒落度是指（）頂板冒頂面積所占百分比。

A．控頂區(qū) B．端面

C．采空區(qū)5、礦壓三量是指（）。

A．支架載荷 B．片幫深度

C．底鼓量

D、活柱下縮量 E、臺(tái)階下沉量 F、頂板下沉量92

采場(chǎng)頂板來(lái)壓是指回采工作面出現(xiàn)的具有一定規(guī)律的頂板壓力異常增大的現(xiàn)象。嚴(yán)重的采場(chǎng)頂板來(lái)壓容易導(dǎo)致冒頂、支架損壞、人員傷亡事故，為此有效防治頂板來(lái)壓是采場(chǎng)礦壓控制的重要問(wèn)題。頂板來(lái)壓多數(shù)為老頂垮落所導(dǎo)致，故又稱為老頂來(lái)壓。老頂來(lái)壓類型：老頂初次來(lái)壓老頂周期來(lái)壓一、頂板來(lái)壓概念和類型§4-2§4-3頂板來(lái)壓第六講93

①老頂?shù)某醮蝸?lái)壓：從開切眼開始，由于老頂?shù)谝淮慰迓洌ㄊХ€(wěn)）導(dǎo)致采場(chǎng)頂板壓力異常增大的現(xiàn)象?；夭晒ぷ髅鎻拈_切眼開始推進(jìn)采空區(qū)直接頂初次垮落老頂懸露并直接頂?shù)脑俅慰迓洌涿娣e不斷增大老頂出現(xiàn)彎曲沉降注意：老頂?shù)某醮蝸?lái)壓并不等于老頂?shù)谝淮螖嗔眩ㄕ蹟啵?，這是由于破斷后形成的巖塊在擠壓力和摩擦力作用下有可能形成結(jié)構(gòu)。老頂出現(xiàn)斷裂可能出現(xiàn)塊間咬合保持平衡老頂失穩(wěn)（垮落）老頂初次來(lái)壓老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距Lf：老頂初次來(lái)壓時(shí)，從開切眼開始工作面推進(jìn)的距離。我國(guó)變化在13～160之間，如淮北13～18米，大同礫巖大于100米，其大小隨巖層厚度、巖性等因素變化而變化，一般20～35米94

②周期來(lái)壓：在回采工作面出現(xiàn)的具有周期性頂板壓力增大的現(xiàn)象叫做工作面周期來(lái)壓?；夭晒ぷ髅娉醮蝸?lái)壓后隨工作面繼續(xù)推進(jìn)老頂在采空區(qū)懸伸長(zhǎng)度逐漸增大當(dāng)老頂懸伸長(zhǎng)度達(dá)極限跨距折斷老頂結(jié)構(gòu)失穩(wěn)（垮落）老頂周期來(lái)壓工作面頂板壓力明顯減小周期來(lái)壓步距Lp：從上一次頂板來(lái)壓到下一次頂板來(lái)壓的這段時(shí)間內(nèi)，回采工作面推進(jìn)的距離。通常采用不少于三次周期來(lái)壓工作面推進(jìn)距離的平均值為老頂周期來(lái)壓步距。我國(guó)一般10～20米，最小5～6米，最大超過(guò)40米。理論上它可由懸梁極限跨距確定。大量觀測(cè)表明，周期來(lái)壓步距是初次來(lái)壓步距的30%～60%。按懸梁和固支梁確定步距比值，Lp/Lfi=40%；按懸梁與簡(jiǎn)支梁確定的步距比值,Lp/Lsi=50%，基本符合懸梁理論和固定梁理論對(duì)極限跨距的估算。95

懸臂梁結(jié)構(gòu)受力分析剪力方程彎矩方程最大彎距根據(jù)梁純彎曲可解得設(shè)老頂在采空區(qū)內(nèi)懸伸長(zhǎng)度為L(zhǎng)p礦壓研究表明，頂板來(lái)壓步距，受斷裂構(gòu)造和工作面推進(jìn)速度影響明顯，推進(jìn)速度大，步距增大。D′qDxABM96二、頂板來(lái)壓顯現(xiàn)特征1）煤層：由于來(lái)壓前工作面前方支承壓力達(dá)到最大，對(duì)工作面煤壁破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致煤壁片幫加劇。。2）頂板特征：老頂達(dá)到極限跨距，斷裂時(shí)發(fā)出悶雷聲；直接頂在老頂下沉（剪拉）作用下，裂隙增加或裂隙張開，出現(xiàn)掉渣，并有少增多，有稀變密，頂板下沉明顯增大。3）支架特征隨著工作面推進(jìn)增大的頂板壓力由煤壁轉(zhuǎn)到采場(chǎng)支架，導(dǎo)致采場(chǎng)支架載荷、活柱下縮量、安全閥開啟率以及支柱插入底板量均增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致支架構(gòu)件的變形損壞。對(duì)于木支柱會(huì)發(fā)出聲響或折斷。來(lái)壓前有時(shí)在采面中巷或上下出口處，可以捕獲到頂板反彈信息。頂板淋水增大，瓦斯涌出量增大，有時(shí)靠煤壁附近出現(xiàn)底板開裂。4）其他特征97

1）來(lái)壓強(qiáng)度：支架最大載荷從絕對(duì)值上看，周期來(lái)壓強(qiáng)度有時(shí)比初次來(lái)壓大，有時(shí)小。從動(dòng)載系數(shù)（又稱增載系數(shù)）看，老頂初次來(lái)壓的動(dòng)載系數(shù)明顯大于老頂周期來(lái)壓的動(dòng)載系數(shù)（老頂周期來(lái)壓時(shí)與非來(lái)壓期間的頂板壓力比值）。

2）直接頂完整程度：老頂初次來(lái)壓前，圍巖結(jié)構(gòu)的平衡，直接頂比較完整，頂板壓力很小。而周期來(lái)壓前頂板相對(duì)老頂初次來(lái)壓前較破碎，頂板壓力較大。

3）采場(chǎng)支護(hù)質(zhì)量：老頂初次來(lái)壓前，由于頂板壓力小支護(hù)質(zhì)量容易被忽視。周期來(lái)壓則反之。

4）來(lái)壓時(shí)間：老頂初次來(lái)壓一般持續(xù)時(shí)間2～3天，周期來(lái)壓一般持續(xù)時(shí)間1～3天。

總之，老頂初次來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)生頂板事故多，人們對(duì)老頂初次來(lái)壓顯現(xiàn)感到突然和嚴(yán)重。三、老頂來(lái)壓特點(diǎn)98四、頂板來(lái)壓機(jī)理1、初次來(lái)壓形成的機(jī)理如圖所示，老頂巖層斷裂后，在水平擠壓力和摩擦力作用下，可能形成砌體梁。當(dāng)隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，老頂必然下沉至采空區(qū)矸石上，在失穩(wěn)下沉中老頂及其附加軟巖層載荷將通過(guò)直接頂作用于支架上，即頂板壓力增大現(xiàn)象。Q2Q1qTiRrPi老頂來(lái)壓力學(xué)模型(a)AiBiCiDi(b)BiCiDiAiOi(d)AiBiCiOiAiBiDiOiCi(c)砌體梁的周期來(lái)壓機(jī)理2、周期來(lái)壓形成的機(jī)理按砌體梁理論，如圖所示,懸空巖塊周期性失穩(wěn)導(dǎo)致采場(chǎng)頂板壓力增大。99五、頂板來(lái)壓防治措施基本措施：選擇合理的支護(hù)形式和參數(shù)，包括支架要有足夠的可縮量，足夠的支護(hù)強(qiáng)度，足夠的抗水平力的能力，良好護(hù)頂。特殊措施：①選擇合理的采煤參數(shù)，根據(jù)頂板條件改變工作面推