采場上覆巖層運(yùn)動和發(fā)展的基本規(guī)律

第三章采場上覆巖層運(yùn)動和發(fā)展的基本規(guī)律第一節(jié)上覆巖層運(yùn)動和破壞的基本形式一、上覆巖層運(yùn)動的兩種基本形式（一）彎拉破壞的運(yùn)動形式1、 運(yùn)動過程采場推進(jìn)f重力作用彎曲f一定跨度、沉降、彎曲、端部開裂f中部開裂f冒落。2、 力學(xué)條件巖層運(yùn)動呈現(xiàn)彎曲沉降發(fā)展到破壞的運(yùn)動形式，其力學(xué)條件是巖層中的最大彎曲拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度。而破壞后是否冒落，則由其下部運(yùn)動的空間的高度決定。即高度大于巖層的允許沉降值冒落，否則不冒落，保持“假塑性巖梁”。第n個(gè)巖層發(fā)展之冒落的條件：Sn>S0貝0，保持假塑性巖梁的條件為：Sn<S03、 顯現(xiàn)特點(diǎn)運(yùn)動由于是逐漸發(fā)展，沖擊不大，相對（剪切運(yùn)動）其礦壓顯現(xiàn)比較緩和。4、 控制要求為保證巖層運(yùn)動時(shí)的采場安全，支架必須承擔(dān)控頂區(qū)上方冒落巖層的全部巖重，并且把“假塑性巖梁”的運(yùn)動控制在要求的位置上。當(dāng)然，當(dāng)不需要對“假塑性巖梁”沉降進(jìn)行控制時(shí)，支撐這部分巖層的支架阻力可以為零，最大不必要超過巖梁跨度四分之一的巖重。（二）剪（切）斷破壞的運(yùn)動形式1、發(fā)展過程懸露f產(chǎn)生不大彎曲，端部開裂f中部未開裂（或開裂很少），情況下切斷塌垮。2、剪斷的充要條件采場推進(jìn)到巖梁端部開裂的位置附近，由于剩余抗剪斷面上的剪應(yīng)力超過限度，而其中部還未開裂，只要巖層下部有少量運(yùn)動空間，巖層即被剪斷。3、顯現(xiàn)特點(diǎn)對采場產(chǎn)生明顯的動壓沖擊，支架阻力不夠易產(chǎn)生沿煤壁切下的重大冒頂事故，即使不垮也會出現(xiàn)臺階下沉。必須有高初撐力，其阻力能抗衡頂板沿煤壁切下，把切斷線推至控頂距之外。支架縮量按照出現(xiàn)臺階下沉而不能壓死支架考慮。出現(xiàn)臺階下沉?xí)r支架阻力與縮量分別為：由于兩種運(yùn)動形式的發(fā)展與破壞以及對采場控制的要求不同，因此，對其力學(xué)條件與現(xiàn)場判斷必須進(jìn)行研究。二、運(yùn)動發(fā)展至破壞的力學(xué)過程及其條件（一）彎拉破壞的力學(xué)過程及其條件彎拉破壞是其懸跨度達(dá)到極限跨度后，深入煤壁的兩端部斷裂基礎(chǔ)上，于懸跨度的中部裂斷而實(shí)現(xiàn)的。彎壞的力學(xué)過程，就是其支承條件由雙嵌固梁向簡支梁發(fā)展的過程。梁由邊界煤柱及工作面煤壁支承。分析力學(xué)過程：在上覆均布載荷和本身自重的作用下，巖梁中部O點(diǎn)開裂的條件是其彎矩達(dá)到使拉應(yīng)力超限的值。對于嵌固梁來說，其端部和中部彎矩分別為:中部:端部:中部:而簡支梁其端部和中部彎距為：端部： 中部：嵌固梁端部與中部彎矩之和正好與簡支梁中部彎距相等。梁端開裂后，端部彎矩向中部轉(zhuǎn)移，就是按照這一規(guī)律進(jìn)行的。力學(xué)過程分析：1）工作面推進(jìn)至巖梁懸跨度達(dá)到極限值L0時(shí)，梁端彎矩MA為：梁端的拉應(yīng)力為：當(dāng)懸露巖層上部無比其軟弱的巖層時(shí)，該巖層只受本巖層重力的作用，其端部裂斷時(shí)的拉應(yīng)力可按下式計(jì)算：當(dāng)懸露巖層上部存在較其軟弱的巖層時(shí)，則形成由不同巖性的巖層組成下硬上軟的組合巖梁，其端部裂斷時(shí)的拉應(yīng)力為：2）在梁斷開裂發(fā)展的過程中，隨著端部彎矩減小，梁的中部彎矩將逐漸增加，隨著支承條件向簡支梁的轉(zhuǎn)化，中部彎矩將接近下值：3）在嵌固梁向簡支梁轉(zhuǎn)化的過程中，當(dāng)巖梁中部彎矩達(dá)到上值時(shí)，中部必然拉開，巖梁發(fā)展至冒落或保持“假塑性巖梁”狀態(tài)。4）巖梁端部和中部開裂的力學(xué)條件為：用巖梁懸跨度表示為：顯然，L0值隨巖梁厚度m、允許抗拉強(qiáng)度［%］的增加而增加，隨支托層上的軟巖層厚度￡m.的增加而減小。1（二）巖層剪壞的力學(xué)過程和條件懸露巖層剪壞的力學(xué)條件是：梁端抗剪斷面上的最大剪應(yīng)力為：最大剪應(yīng)力Qmax和抗剪端面面積S分別為：整理得以巖層懸露跨度表示的剪壞力學(xué)條件為：剪壞的力學(xué)過程如下：1） 當(dāng)巖梁懸露跨度達(dá)到極限跨度L0時(shí)，梁端因拉應(yīng)力超限而開裂。2） 當(dāng)工作面煤壁推至開裂位置或構(gòu)造斷裂面附近，在梁中的拉應(yīng)力還未達(dá)到極限的情況下，由于懸露巖層端部殘余抗剪端面不足，其剪應(yīng)力超限，造成巖層沿工作面煤壁附近整體切斷而塌垮。如果工作面支護(hù)有較高的初撐力和足夠的阻力，巖層將沿放頂線切下。三、上覆巖層破壞形式的判斷（一）理論判斷根據(jù)力學(xué)條件分析，理論上判斷是很簡單的。l0<lg時(shí)，沿層在懸跨度的中部被拉壞，形成彎曲破壞形式；L03LG時(shí)，沿層在端部被剪壞，形成切斷破壞形式。

2、典型曲線（二）現(xiàn)場判斷2、典型曲線1、測區(qū)布置四、巖層破壞形式的轉(zhuǎn)化巖層的兩種破壞形式是隨地質(zhì)和采動條件的變化而變化的。1） 當(dāng)工作面推至端部開裂位置附近，提高推進(jìn)速度可能會使原來呈彎壞的巖層運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榧魯嗥茐牡牡倪\(yùn)動形式。2） 強(qiáng)制放頂改變堅(jiān)硬巖層的厚度，可以排除整體切斷塌垮的危險(xiǎn)，從而使破壞形式轉(zhuǎn)化為彎壞形式。3） 改變開采程序。（上行開采，厚煤層恒底開采等）4） 在推進(jìn)方向上，遇到圖示的斷層構(gòu)造，使運(yùn)動形式由彎壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧魤?。第二?jié)采場上覆巖層縱向運(yùn)動發(fā)展的基本規(guī)律一、巖層運(yùn)動和組合的力學(xué)分析巖層縱向運(yùn)動的過程：1、離層發(fā)生的位置與條件當(dāng)夾層上下各層剛度EJ相同，或上部彎曲剛度小，On>0,下層彎曲剛度小時(shí)，OnW0。1） 離層將發(fā)生在巖層的接觸面或軟弱夾層上。2） 接觸面的破壞，只有在相應(yīng)接觸面的剪應(yīng)力超限時(shí)才發(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夾層的強(qiáng)度。2、 巖層縱向運(yùn)動的總趨勢下部巖層將首先暴露，下部巖層的總跨度是上部巖層的1.25倍，由于巖梁的懸跨度由下而上依次減小，而剪應(yīng)力大小又與巖梁懸跨度成正比，則剪應(yīng)力大小亦由下而上遞減。巖層的運(yùn)動發(fā)展趨勢是由下而上的。3、 傳遞巖梁形成的力學(xué)原理傳遞巖梁一一把每一組同時(shí)運(yùn)動（或近乎同時(shí)運(yùn)動）的巖層看成一個(gè)運(yùn)動整體，稱為傳遞力的巖梁，簡稱“傳遞巖梁”?；卮鹗牵河脙蓚€(gè)巖層沉降中最大曲率和最大撓度判斷。準(zhǔn)則： W上<W下離層3上N3下組合對于嵌固梁：對于簡支梁：可以通式表達(dá)為：在巖梁的支承條件一定時(shí)，曲率和撓度與巖梁的跨度1、厚度m及彈性模量E有關(guān)。其中厚度是關(guān)鍵因素。兩巖層在外載(上部巖重)作用下開始運(yùn)動。L±=Lt=L(1)當(dāng)E相同，由巖層厚度判斷。mT<m上，則下部先運(yùn)動；m^>m上，則同時(shí)運(yùn)動。⑵當(dāng)m相同，由彈性模量E決定。Et<E上，則下部先運(yùn)動；Et>E上，則同時(shí)運(yùn)動。(3)當(dāng)m,E都不相同，則E下m下2>E上m上2同時(shí)運(yùn)動；E下m下2<E上m上2分開運(yùn)動。兩巖層在自重作用下彎曲沉降。L下=1.25L上則E下m下2=(1.25)4E上m上2判斷。(1)當(dāng)E相同，由巖層厚度判斷。mT<m上，則下部先運(yùn)動；m^>m上，則只有當(dāng)m下2>1.254m上2時(shí)才同時(shí)運(yùn)動。⑵當(dāng)m相同，由彈性模量E決定。Et<E上，則下部先運(yùn)動；Et>E上，則只有當(dāng)E下>1.254E上同時(shí)運(yùn)動。當(dāng)m,E都不相同，則E下m下2>1.254E上m上2同時(shí)運(yùn)動；E下m下2<1.254E上m上2分開運(yùn)動。E下=￡上，m下=皿上下部先運(yùn)動。二、 實(shí)測研究的例證1、開灤范各莊礦鉆孔觀測的結(jié)果2、淮南謝一礦2912工作面3、兗州南屯礦8302工作面三、 巖層縱向運(yùn)動發(fā)展規(guī)律隨采場推進(jìn)，巖層懸露達(dá)一定跨度彎曲沉降到一定值后，強(qiáng)度低的軟弱夾層或接觸面在軸向剪應(yīng)力作用下破壞，發(fā)生離層，并為下部巖層的自由沉降和運(yùn)動向上部巖層發(fā)展創(chuàng)造了條件。巖層的縱向運(yùn)動總趨勢大體上是由下而上發(fā)展的。離層后上下巖層的運(yùn)動組合情況由巖層的強(qiáng)度差別決定，上部巖層強(qiáng)度較下部巖層越高，下部巖層越先于上部巖層運(yùn)動，上部巖層運(yùn)動滯后的時(shí)間越長。相反，則同時(shí)運(yùn)動。巖層的厚度較之巖性對巖層的離層和運(yùn)動組合的影響重要的多。第二章上覆巖層運(yùn)動和發(fā)展的基本規(guī)律第三節(jié)上覆巖層運(yùn)動在推進(jìn)方向上的發(fā)展規(guī)律一、采場上覆巖層運(yùn)動的兩個(gè)發(fā)展階段1、 第一次運(yùn)動階段包括直接頂初次垮落，老頂初次來壓。受力狀態(tài)為固定梁。特點(diǎn)：運(yùn)動來壓面積大，強(qiáng)度高，并可能伴隨發(fā)生沖擊地壓。2、 周期性運(yùn)動階段第一次來壓完成到工作面采完。(直接頂為懸臂梁，直接頂之上為一端由煤壁支承另一端由老塘矸石支承的不等高傳遞巖梁。)采場礦壓顯現(xiàn)為周期來壓。特點(diǎn)：巖層的完整性比第一次運(yùn)動前差，運(yùn)動步距小?？刂圃O(shè)計(jì)：要區(qū)分兩個(gè)階段分別考慮。二、 巖層運(yùn)動的發(fā)展過程1、 相對穩(wěn)定階段 圖中a、c、e巖梁運(yùn)動幅度較小，對采場礦壓影響不明顯的過程。用相對穩(wěn)定運(yùn)動步距b表示。2、 顯著運(yùn)動過程 圖中b、d、f巖梁運(yùn)動幅度大，對采場礦壓有明顯影響的過程。用顯著運(yùn)動步距a表示。3、 巖梁來壓步距巖梁經(jīng)歷一次相對穩(wěn)定過程與顯著運(yùn)動過程所推過的距離。c=a+b來壓步距是反映巖梁強(qiáng)度特征和對工作面影響程度的重要參數(shù)。三、 影響巖層運(yùn)動發(fā)展的因素1、巖層的強(qiáng)度特征2、 采動條件采高、推進(jìn)速度。3、 采空區(qū)處理方法強(qiáng)制放頂、充填（全部充填、局部充填）。四、巖梁運(yùn)動的基本參數(shù)（一）第一次運(yùn)動階段的基本參數(shù)1、表達(dá)巖梁運(yùn)動過程的基本參數(shù)1）巖梁的相對穩(wěn)定步距bU。2）巖梁的顯著運(yùn)動步距a。。3）巖梁初次來壓步距c。。2、表達(dá)巖梁來壓結(jié)束時(shí)刻巖梁位置狀態(tài)的參數(shù)1）來壓完成時(shí)刻采場頂板下沉量給定變形：限定變形：用△?表示，由支護(hù)強(qiáng)度PT決定。2）來壓結(jié)束時(shí)的巖梁跨度由支架對頂板的工作狀況決定。給定：loa表示，大小由巖梁運(yùn)動步距決定。限定：L0表示，由支護(hù)強(qiáng)度決定。3、表達(dá)巖梁來壓前夕的位態(tài)參數(shù)1）巖梁的最大跨度 Lo=b02） 采場最小頂板下沉量△、。（二）正常推進(jìn)階段基本參數(shù)1、表達(dá)巖梁運(yùn)動過程的參數(shù) b、a、c2、 表達(dá)周期來壓結(jié)束時(shí)的位態(tài)參數(shù)。1）來壓結(jié)束時(shí)頂板下沉量給定變形：* 限定變形：△hi2）來壓結(jié)束時(shí)的巖梁跨度給定變形：LA 限定變形：L.3、表達(dá)周期來壓前夕巖梁位態(tài)參數(shù)及其相互關(guān)系極限跨度：（三）巖梁運(yùn)動步距的力學(xué)分析1、巖梁第一次來壓步距c0組合梁： 單一梁:2、巖梁周期來壓步距c巖梁為不等高支承的鉸接巖梁。鉸接巖梁由原來已經(jīng)斷裂的部分C1及可以近似看成是處于懸臂梁受力狀態(tài)的部分C2組成。如果不考慮巖梁的撓曲則c2部分所受的結(jié)構(gòu)力包括：1）巖梁的自重2） C1部分通過鉸接點(diǎn)O的推壓力P及相應(yīng)的摩擦力F=Pf。3） 將鉸接點(diǎn)O的偏心力P移至巖梁中心（厚度方向）所產(chǎn)生的附加力偶矩：4） 支架反力RT。由于支架對巖梁采取等壓工作狀態(tài)，因此在巖梁端部未裂斷前可以不加考慮。根據(jù)力的平衡條件，可以推得周期來壓步距C2為：研究證明，忽略根號中的負(fù)數(shù)項(xiàng)（即認(rèn)為p點(diǎn)對B點(diǎn)的壓應(yīng)力與移動該力至巖梁中部后，附加力偶矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力相抵消），并不影響計(jì)算結(jié)果。則C2計(jì)算可簡化為：周期來壓步距一大一小交替變化，則取其平均值作為來壓步距。3、周期來壓步距C與第一次來壓步距C0的比例關(guān)系1） 巖梁的運(yùn)動步