回采工作面上覆岩层活动规律及其分析ppt课件

1、矿山压力与岩层控制第三章 采场顶板活动规律第一节第一节 几个概念几个概念回采任务面回采任务面采场采场顶板顶板底板底板采空区采空区在煤层或矿床的开采过程中，在煤层或矿床的开采过程中，直接进展采煤或采有用矿物的直接进展采煤或采有用矿物的任务空间任务空间直接顶直接顶伪顶伪顶老顶老顶直接位于煤层上方的一层或几直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。层性质相近的岩层。随回柱放顶而垮落，页岩、砂随回柱放顶而垮落，页岩、砂页岩等页岩等位于煤层和直接顶之间，厚度位于煤层和直接顶之间，厚度小于小于0.30.5m，随采随冒。，随采随冒。炭质页岩、泥质页岩等。炭质页岩、泥质页岩等。位于直接顶之上，对采场矿山位于

2、直接顶之上，对采场矿山压力直接呵斥影响的厚而巩固压力直接呵斥影响的厚而巩固的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾岩等。岩等。序号序号岩性岩性层厚层厚/m容重容重/kgm-3抗压强度抗压强度/MPa1砂质泥岩32760182泥岩22760183粗砂岩162670504泥岩52260205炭质泥岩0.718501566#煤41400107砂质泥岩10276021采空区处置方法采空区处置方法: (a)刀柱刀柱(留煤柱留煤柱); (b)顶板缓慢下沉法顶板缓慢下沉法;(c)充填法充填法; (d)全部垮落法全部垮落法 根据实测，回采任务面支架所接受的力仅为上覆岩层分量的百分之几。 这是由于上

3、覆岩层构成了“大构造，这种大构造可以承当上覆岩层分量，从而起到对回采任务面的维护作用。全部垮落法回采任务空间的变化第二节第二节 有关采场上覆岩层有关采场上覆岩层“大构造的假大构造的假说说在前后拱脚间构成了一个减压区，回采任务面的支架只接受压力拱内岩石的分量。一、压力拱假说该假说以为，由于岩层自然平衡的结果而构成一个前拱脚支撑点在任务面前方煤体，后拱脚支撑点在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。前前拱拱角角后后拱拱角角二、悬臂梁假说 该假说以为，任务面支该假说以为，任务面支架存在两种任务形状：给架存在两种任务形状：给定载荷形状；给定变外形定载荷形状；给定变外形状。状。三、铰接岩块假说三、铰接

4、岩块假说 此假说以为，采场此假说以为，采场上覆岩层分为垮落带上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者的差和裂隙带，二者的差别在于，裂隙带岩块别在于，裂隙带岩块间存在有规律的程度间存在有规律的程度挤压力的联络，从而挤压力的联络，从而相互铰合而构成一条相互铰合而构成一条多环节的铰链。多环节的铰链。四、四、 预成裂隙假说预成裂隙假说五、砌体梁力学模型五、砌体梁力学模型 采动上覆岩层的岩体构造的骨架是覆岩中的巩固岩层； 可将上覆岩层划分为假设干组，每组以巩固岩层为底层； 其上部的脆弱岩层可视为直接作用于骨架上的载荷，同时也是更上层巩固岩层与下部骨架结合的垫层。 随着任务面的推进，采空区上方巩固岩层在裂痕带内将

5、断裂成陈列整齐的岩块，岩块间将受程度推力作用而构成铰接关系。 岩层挪动曲线的形状经实测呈开场为下凹、而后随任务面的推进逐渐恢复程度形状的过程，由此决议了断裂岩块间铰接点的位置。 假设曲线下凹，那么铰接点位置在岩块断裂面的偏下部；反之，那么在偏上部。 假设在回采空间以及临近的采空区上方出现明显的离层区，阐明该区内断裂的岩块可以构成悬露构造。 由于垫层传送剪切力的才干较弱，因此两由于垫层传送剪切力的才干较弱，因此两层骨架间的结合能用可缩性支杆替代。层骨架间的结合能用可缩性支杆替代。 当骨架层的断裂岩块回转恢复到近程度位置时，岩块间的剪切力趋近于零，此时的铰接关系可转化为程度连杆结合关系。 最上层为

6、表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于岩体构造上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化。第三节第三节 直接顶的垮落直接顶的垮落2、直接顶初次垮落距、直接顶初次垮落距1、直接顶初次垮落、直接顶初次垮落3、直接顶垮落后的碎胀特性、直接顶垮落后的碎胀特性构成充溢采空区所需直接顶厚度为：直接顶的垮落高度超越直接顶的垮落高度超越11.5m，范围超越全任务面长度，范围超越全任务面长度的一半。的一半。直接顶的第一次大面积垮落直接顶的第一次大面积垮落老顶的最大挠度为：直接顶的最大挠度为：不构成离层的条件为：假设令q1=h3，且h3h1 那么上式可改写为： yhqLE Jmax111411384()ma

7、xyhLE Jn 14223842241114111384384JELhJELqh1111222aEhEhhhEEa112114、直接顶初次垮落前的离层、直接顶初次垮落前的离层 假设思索到初次放顶前支架支撑力的作用，那么不致于构成离层的条件为： P支架单位面积初撑力。2241114131384)(384JELphJELhhhhE JhpE J131122粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易于构成直接顶与老顶间离层。为了防止直接顶因离层产生推垮事故必需保证支架具有一定的初撑力：直接顶和老顶间发生离层图2-6 利用红外钻孔探测仪观测到的顶板离层裂隙20m0.5m0.5m20m4煤炭 质

8、 泥 岩泥 岩中 细 砂 岩 （ 3煤 顶 板）10m 切眼钻孔位置图 红外钻孔摄像机一、老顶岩层的梁式平衡一、老顶岩层的梁式平衡 概念概念: 1初次垮落距初次垮落距 2膨胀系数膨胀系数KP 、剩余膨胀系数、剩余膨胀系数 KP 老顶初次垮落前岩体构造图第四节第四节 老顶的断裂方式老顶的断裂方式hMKphMh(Kp1)当当0时，老顶弯曲下沉较小时，老顶弯曲下沉较小 因此构成充溢采空区所需直接顶厚度为：因此构成充溢采空区所需直接顶厚度为：当当0时，老顶呈悬露形状，类似板状构造时，老顶呈悬露形状，类似板状构造。即所谓。即所谓“梁的假说。梁的假说。 hMKP1分析这种梁的应力形状分析这种梁的应力形状

9、老顶岩梁受力分析对称梁，所以：R1R2，弯矩M1M2。取Fy0，那么 恣意截面DD ，剪力为：所以: RRqL122QRqxqLxLx1212QRRqLmax122固定梁恣意截面DD 的弯矩为：在梁的两端(x0；)，Mmax ；在梁的中部(x )，M qL2。 222211661212222LxLxqqLxqxqLMxqxxRMxqL212L2124假设为简支梁：假设为简支梁：此时，剪力一样，但弯矩不同。即：此时，剪力一样，但弯矩不同。即：此时，此时，Mmax在梁的中间，即：在梁的中间，即：MRxqxxqxLxx122MqLqLqLmax222488二、老顶岩层作为板构造时弯矩分布与破断方式二

10、、老顶岩层作为板构造时弯矩分布与破断方式 根据开采条件及采区边境煤柱的大小，可将老顶岩层假设为： a)周围固支； b)三边固支一边简支； c)两边固支两边简支； d)一边固支及三边简支。 图图35 老顶岩层支撑条件的简化老顶岩层支撑条件的简化图图36 各类支撑条件下的弯矩分布各类支撑条件下的弯矩分布 1以四边固支的板为例，老顶岩层 X形破坏 构成过程： 2当采场处于一边采空的条件下(该边作为简支条件)，其破断规律与周围固支时相近。 3当老顶岩层处于两边简支两边固支时如下： 长边出现裂痕 任务面推进 长边另出现裂痕(原裂痕闭合) 短边出现裂痕 裂痕贯穿，板中央出现X形破坏。 4当任务面处于三边采

11、空时，老顶岩层的破断过程与上述情况相仿。 老顶板横老顶板横“O-X型破断方式型破断方式3 老顶初次破断时的极限跨距老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距 极限跨距：老顶岩梁到达断裂时的跨距。极限跨距：老顶岩梁到达断裂时的跨距。(初次断裂步距初次断裂步距图图39 岩梁上恣意点的应力分析岩梁上恣意点的应力分析 求解过程： 梁内任一点正应力为： M该点所在断面的弯矩； y该点离断面中性轴的间隔； Jz对中性轴的断面矩。 MyJz取梁单位宽度，那么 Jz bh3 (b=1)恣意点A： ，y=h/2时， 最大 xy 最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，即y0， (xy

12、)max112123Myh324223Qhyhx32Qhx 假设根据固定梁计算：假设根据固定梁计算： max q2 那么：那么： 当当 maxT时，岩层将在该处拉裂。为时，岩层将在该处拉裂。为此，这种梁断裂时的极限跨距为：此，这种梁断裂时的极限跨距为：max611222222qLhqLhLhRqlTT2112 如以最大剪应力作为岩层断裂的根据，最大剪切力发生在梁的两端 Qmax (xy)max 当(xy)max到达极限强度S时，构成的极限跨距为：qL234qLhLhRqlSS43 思索为简支梁：思索为简支梁： 依然依然 (xy)max = ，与固定梁计算结，与固定梁计算结果一样。因此，得极限跨

13、距与上述计算也一果一样。因此，得极限跨距与上述计算也一样。样。 此时：此时： 当当 maxRT时：时：34qLhmax618342222qLhqLhLhRqlTT 23 在普通情况下，由于弯矩构成的极限跨距LlT要比剪切应力构成的极限跨距LlS小。因此经常按弯矩来计算极限跨距。 当运用刀柱法或房柱法开采时，老顶岩层的平安跨距Ls： 固定梁： 简支梁： LhRnqST2LhRnqST 23 两端固支梁极限跨距：两端固支梁极限跨距：按抗拉强度按抗拉强度按抗剪强度按抗剪强度两端简支梁极限跨距：两端简支梁极限跨距：按抗拉强度按抗拉强度qRhLTlT2qRhLTlT32qhRLSlS34按抗剪强度按抗剪

14、强度qhRLSlS34举例：设举例：设h4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174Kpa按抗拉：按抗拉：按抗剪：按抗剪：固支梁 破断距为 36m破断距为1005m简支梁 破断距为 29m确定岩层梁所接受的载荷确定岩层梁所接受的载荷q： n层岩层对第一层影响所构成的载荷(qn)1 当计算到(qn+1)1 (qn)1时，那么以(qn)1作为作用于第一层岩层的单位面积上的载荷。qE hhhhE hE hE hnn nn n11 131 12 21 132 233证明：证明：Q=Q1+Q2+QnM=M1+M2Mn图图310 多层梁的载荷计算图多层梁的载荷计算图 每个岩层梁在其自重下构成的曲率不同

15、 (i 为曲率半径) 各岩层组合在一同，曲率必然趋于一致。于是构成了如下的关系：即：kME Jiiixii1ME JME JME Jnnn111222MME JE JMME JE JMME JE Jxxxxxnxnn121 122131 13 311 1;而：由于 ，两边求积分 MMMMxxxn x()()()12MME JE JE JE JME JME JE JE Jxxnnxxnn122331111111221QE JE JE JE JQxnnx1111122ddMxQ ，同理求积分：其中 qx= ； (q1)x即为思索到n层对第一层影响时构成的载荷，即： ddQxq qE JE JE J

16、E Jqxnnx11111221 12 2hhhn n12.12;123322311nnbhJbhJbhJqE hhhhE hE hE hnn nn n11 131 12 21 132 2334 裂隙体梁的平衡裂隙体梁的平衡 破断的岩块构成程度力，从而构成摩擦力。上、下两区圆弧形破坏构成立体咬合关系。任务面中部构成外表似梁，本质是拱的裂隙体梁式平衡。这种构造称之为“砌体梁。图311 老顶断裂的普通形状图图312 破断岩块的拱式平衡及其受力分析破断岩块的拱式平衡及其受力分析B1构造的滑落失稳构造的滑落失稳由三铰拱的平衡，使岩块坚持平衡那么： 岩块咬合而构成的裂隙体梁，最大剪切力在两端支座为 。

17、TqLh28qL2 1当剪切力与摩擦力相等，呈极限平衡形状。如剪切力大于摩擦力将失稳。 岩块相互间的内摩擦角。 将 及 代入上式，那么可得失稳的条件为：tgTR2/QLRTqLh282tg2/Lh可见能否产生滑落失稳主要取决于老顶破断岩块的高长比。高长比越小，构造抗滑落失稳的才干越大。普通情况下，=3845，tan=0.81.0。因此，要防止老顶初次破断后“砌体梁构造产生滑落失稳岩块的高长比要小于0.40.5，即岩块长度要大于22.5倍岩块厚度. 2假设思索老顶岩层断裂时，断裂面与垂直面成一断裂角图313岩块咬合点处的平衡 对a： (TcosRsin)tgR.cosTsin Tsin()Rco

18、s() tg() 当时， T多大都不能平衡，普通情况下 tg = 0.81，3845。 当节理面与层面交角：当时，不论程度推力T有多大，都不能获得平衡。 对b分析： tg( +)RTRT2构造的变形失稳构造的变形失稳 在岩块的回转过程中，由于挤压处部分应力在岩块的回转过程中，由于挤压处部分应力集中，致使该处进入塑性形状，甚至部分集中，致使该处进入塑性形状，甚至部分受拉而使咬合处破坏呵斥岩块回转进一步受拉而使咬合处破坏呵斥岩块回转进一步加剧，从而导致整个构造失稳。加剧，从而导致整个构造失稳。图314 回转岩块的分析对a取M00： 可近似地取lsin。对b可求得a值，当a较小时：Thaql122

19、A BEFhBBlBDBBlABADBDhlsin ;sinsinsinsinsin22)2/(22/2ahTqlaT而： 因此：咬合处构成的挤压应力p为：i=l / hBCABhlaBChl/ sinsinsin2ahl12sinTqlhl2sin2222sin12sin21/iiqlhqlaTp 令岩块间的挤压强度p与抗压强度c的比值为 ，那么允许接受的载荷q为： 而梁在折裂时(到达极限跨度)q与抗拉强度t的关系为： t =Kql2/(h2/6)6Ki2q qt / 6Ki2222sin1iiKqcK 在普通岩石中抗压强度t与抗拉强度的比值为n，即： tc/n 因此，可求得： 而lsin，

20、所以sinhlnKK 113 hnKK 113二、二、 裂隙带岩层的岩体构造模型裂隙带岩层的岩体构造模型可以将开采中的上覆岩层作如下的分析：可以将开采中的上覆岩层作如下的分析： 1) 上覆岩体构造由每个巩固岩层组成。上覆岩体构造由每个巩固岩层组成。 2) 每个分组中的软岩层那么可视为巩固岩层上的每个分组中的软岩层那么可视为巩固岩层上的载荷；载荷； 3) 由于开采，巩固岩层已断裂成陈列较整齐的岩由于开采，巩固岩层已断裂成陈列较整齐的岩块。由于离层，在离层区域内，上下层组之间没有垂块。由于离层，在离层区域内，上下层组之间没有垂直力的传送关系。在程度方向上构成了铰接关系；直力的传送关系。在程度方向上

21、构成了铰接关系； 4) 由于层间的摩擦力无法阻挠岩块的转动及程度由于层间的摩擦力无法阻挠岩块的转动及程度挪动，为此可假设将软岩层视为无数垂直的挪动，为此可假设将软岩层视为无数垂直的“杆杆 ； 5)当岩块由回转而恢复到程度位置时，块间的剪切当岩块由回转而恢复到程度位置时，块间的剪切力又变为零。以后的岩块可以用一程度连杆来替代。力又变为零。以后的岩块可以用一程度连杆来替代。 三、三、 岩体构造的受力分析岩体构造的受力分析图图333 某一个岩层分组的构造模型某一个岩层分组的构造模型自在度自在度3结点数结点数2单铰数链杆数单铰数链杆数 3n2(n1)(n2)0为静定构造。为静定构造。 可列力的矩阵表：

22、 iFii 式中：i为力矩列阵；Fi为矩阵系数； i为力列阵。 解此方程组，并令 =i1， =i2，那么可得：SLii11SLii22220012340hSLTQiiiiiiiii 可将相邻两块岩块的斜率近似地视为相等。那么可求得构成此构造所需的程度推力Ti为： 可见，程度推力的大小与悬露岩块的破断长度Li0、层厚hi0载荷Qi0和下沉量Si0有关。而与采空区内的应力分布形状无关。 还可求得ir。由于ir趋近于零 iririr。 TL QhSiiiii0002由上述分析可知，此构造的特征为： 1) 悬露岩块的分量几乎全由前支承点承当； 2) 岩块i与i间的剪切力接近于零。此处相当于岩块咬合构成半拱的拱顶； 3) 此