采场覆岩结构与矿压显现规律(1)

1、采场覆岩结构与矿压显现规律高英豪，阿卜杜，李亚琳(中国矿业大学 矿业工程学院采矿13-01班，江苏徐州 22116) 摘要：论文综述了采场覆岩结构与矿压显现规律， 其中包括采场覆岩结构，采场上部岩层活动规律假说，直接顶的垮落，老顶的断裂形式、初次断裂步距、初次来压以及周期来压，分析了“砌体梁”结构及其稳定性，并对特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响做了一定的介绍。关键词：采场；覆岩结构；矿压显现规律；特大采高；关键层；砌体梁结构1采场覆岩结构相关概念1.1采场覆岩名称及位置关系首先，需要了解几个专业术语，这样才能更好地了解和掌握其相关知识要点。在煤层或矿床开采过程中，一般把直接进行

2、采煤或采有用矿物的工作空间称为采场或者回采工作面。回采工作面（采场）所采的有用矿物就是煤炭，我们通过煤炭地质学的学习应该知道煤层是层状分布，那么与煤层相邻的上下层状结构分别叫做顶板、底板。然而根据顶板的性质又可将顶板分为伪顶、直接顶和老顶。伪顶就是随着煤炭的开采立即冒落的岩层。（一般由炭质页岩、泥质页岩等组成）直接顶具有一定稳定性且随工作面回柱放顶而垮落的岩层。（一般由页岩、砂页岩或粉砂岩组成）老顶对矿山采场压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层。（一般由砂岩、石灰岩及砾岩等岩层组成）由以上定义可知：采场的覆岩结构如下(还未进行采煤）：老顶直接顶伪顶煤层底板图1-11.2回采工作空间形式采空区简单的

3、来说，就是把煤炭采走之后留下的空间。根据采空区处理方法的不同，回采工作空间的形式可分为：垮落采煤法、刀柱式采煤法和充填采煤法。垮落采煤法：工作面从开切眼推进一定的距离后，主动撤除采煤工作空间以外的支架，使直接顶自然垮落。刀柱式采煤法：在采空区内沿走向每隔2550m留宽5m左右、与工作面等长的煤柱，简称刀柱，用以支撑顶板，使其不致冒落。充填采煤法：随着工作面的推进，在采空区进行注浆或者利用其他的材料对采空区进行充填以防止顶板垮落。根据现场实测数据统计分析发现：回采工作空间支护物所承受的力仅为上覆岩层重量的百分之几，那么这个结果说明了什么问题呢？下面我们将对这种现象进行探讨和分析。1.3采场上覆岩

4、层活动规律假说这种现象在20世纪初就有相关人员对其做了一些片面的解释。首先是1916年德国的施托克提出了悬臂梁假说：他认为工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它的一端固定于岩体内，另一端处于悬空状态。这个假说在某种程度上解释了支架的荷载比较小的原因。但是这种方法并未查明上覆岩层活动规律，因此计算数据与实际实测相差甚远。但是对于这种现象，出现了仁者见仁，智者见智。于是在1928年还是由德国人哈克和吉里策尔提出了压力拱假说。他们认为在回采工作空间上方，由于岩层自然平衡的结果而形成了一个压力拱。他们的这种的假说在一定程度上也解释了我们提出的问题。此假说也是没有说明上覆岩层的活动规律。随着时间的推移，前

5、苏联库兹涅佐夫于19501954年提出了铰接岩块假说。他提出了工作面支架存在两种不同的工作状态，即“给定载荷状态”和“给定变形状态”。此假说正确的解释了工作面上覆岩层的分带情况，但是未对铰接岩块间的平衡状态进行深入的研究。20世纪50年代比利时学者提出了预成裂隙假说，假说认为：在回采工作面周围存在着应力降低区、应力增高区和采动影响区。这种假说在一定程度上比前面几种假说更具有说服力。20世纪7080年代我国学者在铰接岩块假说和预成裂隙假说的基础上，以及在大量的实践基础上，提出了“砌体梁”力学模型。“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：采动上覆岩层的岩体结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层，

6、可将上覆岩层划分为若干组，每组以坚硬岩层为底层，其上部的软弱岩层可视为直接作用于骨架上的载荷，同时也是更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层。随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层在裂缝带内将断裂成排列整齐的岩块，岩块间将受水平推力作用而形成铰接关系。岩层移动曲线的形态经实测呈开始为下凹、而后随工作面的推进逐渐恢复水平状态的过程，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。若曲线下凹，则铰接点位置在岩块断裂面的偏下部；反之，则在偏上部。如果在回采空间以及邻近的采空区上方出现明显的离层区，说明该区内断裂的岩块可以形成悬露结构。由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两层骨架间的联结能用可缩性支杆代替。当骨架层的断裂岩

7、块回转恢复到近水平位置时，岩块间的剪切力趋近于零，此时的铰接关系可转化为水平连杆联结关系。最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化。图1-2根据图中所示:“砌体梁”力学模型可以分为“横三区”和“竖三带”。“横三区”：A-煤壁支撑影响区、B-离层区、C-重新压实区。“竖三带”：I-垮落带、II-断裂带、III-弯曲带。2采场顶板活动规律2.1离层现象和老顶的断裂形式2.1.1离层现象及出现离层现象的条件通过对采场的顶底板位置的了解，以及对各种假说的认识，我们应该能够对采场上覆岩层的结构有了初步掌握。那么根据采场上覆岩层的结构以及结合我

8、们所学过相关知识我们应该可以想象到一些采场顶板的活动规律。随着工作面的推进和伪顶的垮落，直接顶的悬露面积逐渐增大，当工作面推到一定的距离后，直接顶就会垮落。那么此时的距离就称为直接顶的极限垮距。在直接顶还到达极限跨距期间，那么上覆岩层会处于什么状态呢？通过上覆岩层的结构我们可以了解到，伪顶上面是直接顶，直接顶上面是老顶，那么在直接顶没有垮落期间，直接顶与老顶的关系应该用两种情况：一是老顶和直接顶之间会出现间隙，二是两者之间没有间隙或者间隙很小。这个间隙给它定义为“离层”。那么问题来了，离层出现的原因是什么？由于直接顶和老顶的岩性不同，那么他们的挠度也就不同。出现离层的原因就可以这样解释：当老顶

9、的最大挠度大于直接顶的最大挠度时，二者之间发生理离层。反之，二者之间没有间隙或者间隙很小。这样就可以得出结论：粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易形成这种离层现象。离层现象是直接顶垮落之前与老顶之间的关系，当间隙达到一定程度时，直接顶会垮落，采空区被破碎的岩石充填，由于岩石具有一定的碎胀系数，直接顶垮落后体积变大，但是随着时间的推移，破碎岩石的体积被压实，这样就形成了工作面支承应力分布区：垮落区间被称为应力不变区，待采区被称为应力增高区，两者之间被称为应力降低区。2.1.2老顶的断裂形式随着开采进度的推进，直接顶在初次垮落后会出现周期性来压，当直接顶垮落到一定的距离后，直接顶上部的

10、老顶也会出现断裂，由于老顶强度较大，因而继续呈悬露状态。为了更好的了解和掌握老顶的破坏规律以及利用这些规律解决老顶给采煤工作面带来的问题，就需要有一定的方法来研究这些规律。根据以往的经验总结为:老顶的断裂形式有两种，分别是梁式破断和板破断。梁式破断根据矿井埋深的深浅，又可将梁式破断划分为简支梁（埋藏较浅）和固定梁（埋藏较深）。当老顶的破断根据梁式结构计算，则可以得知：老顶最容易破断的位置是梁的中间。受力分析如图：图2-1板式破断根据开采条件及采区边界煤柱的大小，又可将老顶岩层假设为以下四种结构：(a)四周固支、(b)三边固支一边简支、(c)两边固支两边简支、(d)一边固支三边简支。图2-2“O

11、-X”型破断的条件：工作面长度b与推进距a满足a/b1，基本顶板的破断呈竖“O-X”型破断形式，如下图所示：图2-32.2老顶的初次断裂步距老顶不会一直的悬露于采空区，而是在一段时间后，出现破断，此时初次断裂的跨距被叫做老顶的初次断裂步距。上面我们提到了老顶的破断形式梁式破断和板破断。而根据不同的形式，我们可以计算老顶的极限跨距。梁式断裂的极限跨距：两端固支梁极限跨距：按抗拉强度：L1t=h（2Rt/q)按抗剪强度：L1s=4hRs/3q两端简支梁极限跨距：按抗拉强度：L1t=2h(Rt/3q)板断裂的极限跨距：通示：a=l其中l为自身稳定性的步距准数 为“边-长”系数通过一些总结得出了一系列

12、结论：（1） b3lm时，alm 。说明工作面长度对破断步距影响甚微。（2） （2）3lm b 1.414Lm 时，则lm a 1.414Lm。说明随工作面长度缩短，步距显著增大。老顶破断呈横“ox”型。（3） （3）b1.414Lm 时，则a1.414Lm b。基本顶呈正“ox”破断，即“见方垮落”。（4） （4）lm b 1.414Lm b。初次破断步距大于工作面长度，基本顶呈竖“ox”型破断。（5） （5）b lm时，基本顶稳定不垮落，即形成短壁开采工作面或巷道的情形。当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面的推进，老顶就会发生初次断裂。图2-4从剖面可以看出这种结构就是“砌体梁”结构。由于

13、岩层抗拉强度较小，老顶岩梁先在两侧支座的上端裂开，而后在梁的中部开裂。随着岩块的转动形成强大的水平挤压力，使岩块间形成三铰拱式的平衡。2.3老顶断裂后的“砌体梁”结构及稳定性分析2.3.1老顶断裂后的“砌体梁”结构 老顶形成砌体梁结构，此结构平衡的关键在于咬合点处的挤压力是否超过该咬合点接触面处的强度极限。而根据这个关键点可将老顶的失稳分为：滑落失稳和变形失稳。结构的滑落失稳：咬合点处的摩擦力小于剪切力。结构的变形失稳：岩块在回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。2.3.2“砌体梁”全结构模型的受力分析

14、随着回采面连续推进，引起了覆岩基本顶的初次断裂与周期断裂，首先是第1层基本顶的断裂，接着上覆第2、3、层坚硬岩层相继发生断裂。断裂成块体的坚硬岩层形成 “砌体梁”结构。取覆岩中任一组结构来分析“砌体梁”结构的受力特点。图2-5此结构的特征为： 离层区悬露岩块的重量几乎全由前支承点承担； 岩块B与C间剪切力接近于零，因而此处相当于岩块咬合形成半拱的拱顶； 此结构的最大剪切力发生在岩块A与B之间，等于岩块B本身的重量及其载荷； 此结构中第一、二断裂岩块即B与C对结构平衡起关键作用，是结构中的关键块。2.3.3“砌体梁”结构的稳定性分析根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下矿山压力现象做出解释：（1

15、） 基本顶岩块的滑落失稳是工作面顶板出现台阶以及有时地表下沉出现台阶的原因；（2） 煤壁上方基本顶剪切力最大，是工作面顶板沿煤壁切落的原因；（3）上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆盖层重量的原因，得到工作面支架工作阻力必须平衡的顶板压力大小；（4）采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采空区是工作面顶板压力比较小的原因；（5）工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。2.3.4“砌体梁”结构的“S-R”理论上覆岩层岩层形成的“砌体梁”结构稳定性主要受关键块体所控制。要保持结构稳定必须防止滑落失稳（S）和防止回转变形失稳（R）。此时，根据采区岩层柱状图分层性质及其采高，就可对结构稳定性做出判断：当

16、h+h1不能满足（3-44）时，应防止工作面沿煤壁的顶板切落，加强支柱的初撑力以防止工作面出现压垮型事故。当最终回转角超出变形稳定范围时，例如h/M过小或采高过大等，则应注意支柱刚度的调节，以及保证支架有足够的稳定性，防止工作面发生推跨型事故。3 矿压显现基本规律3.1 常见的矿山压力现象顶板下沉：一般是指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移近量。顶板下沉速度：指单位时间内的顶底板的移近量，常用mm/h计算。支柱变形与折损：随着顶板的下沉，回采工作面支柱受载逐渐增加，一般可以用肉眼观察到木柱的变形，剧烈时可以看到支柱的折损。顶板的破碎情况：通常用单位面积中冒落面积所占的百分数来表示顶板的破碎情况

17、。局部冒顶：指回采工作面顶板形成局部坍塌，影响回采工作面的正常进行。大面积冒顶：指工作面由于顶板来压而导致顶板沿工作面切落。除了以上所说的一些矿山压力现象，还有煤壁片帮、巷道断面变形、底板底鼓等一系列现象。3.2 老顶的初次来压在采场推移过程中，直接顶垮落后，老顶直接悬露，当采煤工作面推进到一定程度时，老顶就会垮落。前面我们已经提到老顶的破断形式以及老顶破断后形成的砌体梁结构的力学模型。老顶的初次来压是指老顶到达极限跨距是发生断裂。老顶初次来压是工作面的液压支架受力普遍加大的时间点。老顶初次来压的力学模型，如下图：图3-1由于支架反力（支撑力）P形成的反力矩难以平衡由基本顶初次来压载荷Q2所形

18、成的力矩，因而基本顶岩块的回转在一定程度上是不可避免的，工作面顶板必然随之发生下沉。只有当基本顶岩块在采空区触矸形成反力后，其回转下沉才会缓和和停止。为了不使基本顶沿工作面切落，支架工作阻力应等于Q1与Q2之和。3.3 老顶的周期来压基本顶初次来压后，随着回采工作面的推进，基本顶岩层将发生周期性破断，基本顶破断岩块形成的“砌体梁”结构的稳定性将随之发生周期性变化.基本顶岩层的周期性破断而引起“砌体梁”结构的周期性失稳而引起的顶板来压现象称为采场周期来压。周期来压的主要表现形式是：顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉量变大；支柱载荷普遍增加；有时还可能引起煤壁片帮、顶板台阶下沉、支柱折损，甚至工作面

19、冒顶事故。预防基本顶来压造成的事故的措施：来压的预测预报；加强支护；工作面与开切眼斜交，使基本顶悬板呈梯形，让工作面呈局部来压。4 特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响4.1特大采高综采工作面所面临的问题特大采高综采工作面的矿压显现与控制主要面临 2 个方面的问题：一方面，由于采高很大，工作面煤壁片帮问题会越来越严重，但由于神东矿区煤层埋藏浅，采动支承压力相对较小，煤壁片帮问题目前并不很严重，这是浅埋煤层采用特大采高综采开采技术的优势；另一方面，由于采高很大，采空区顶板垮落高度增大，对工作面矿压显现产生影响的覆岩范围增大，导致工作面矿压显现强烈，顶板压力和支架载荷明显增大。4.2特

20、大采高综采面关键层结构形态关键层“悬臂梁”结构。 依据采场上覆岩层移动的“三带”理论，工作面采高的大小决定了覆岩“三带”的分布状态。覆岩中的关键层处于上述“三带”中的位置，其决定了关键层破断时所能形成的结构形态。特大采高综采面覆岩垮落带高度较大，在一般采高中能形成铰接平衡结构的关键层，在特大采高情况下将会因较大的回转量而无法形成稳定的“砌体梁”结构形态，取而代之的是以“悬臂梁”结构形态直接垮落运动，而处于更高层位的关键层才能铰接形成稳定的“砌体梁”结构形态。 图4-1 不同采高覆岩关键层结构形态的试验结果显然，工作面的采高越大、关键层所处的层位越低，越易形成关键层的“悬臂梁”结构。因此，特大采

21、高综采面亚关键层 1 在满足一定的条件下才能形成“悬臂梁”结构。关键层“悬臂梁”结构的形成条件从以上的分析可以看出，关键层以何种结构形态出现主要受工作面采高以及关键层所处的层位这2 个因素共同制约。而关键层之所以会以“悬臂梁”结构形态垮落，是由于其破断块体的回转量超过了维持其结构稳定的最大回转量。因此，判断关键层是否呈现“悬臂梁”结构形态，可从其破断块体的回转量入手。4.3特大采高综采面关键层结构形态对矿压的影响众所周知，工作面的矿压显现是由采动覆岩破断运动引起的，其显现的强烈程度与覆岩结构的运动特征密切相关。作为对岩层运动起着主要控制作用的关键层，它的破断运动直接控制着工作面的矿压显现。因此

22、，关键层在覆岩中的赋存状态及其破断后形成的结构形态必然会对工作面的矿压显现产生影响。对于特大采高综采面，顶板垮落的范围会大幅增大，覆岩关键层的结构形态也可能随之改变，从而造成工作面的矿压显现异于一般采高工作面。下面针对特大采高综采面关键层的不同结构形态分析其对矿压的影响。4.3.1关键层“悬臂梁”结构对矿压的影响根据前面的理论分析以及图 1 所示的模拟试验结果可知，关键层“悬臂梁”结构与“砌体梁”结构的最大差别在于其失去了后方已破断块体的约束力。因此，相比而言，“悬臂梁”结构破断后其回转空间更大，工作面支架顶梁需完全推过关键层破断线之外，其破断块体的回转运动才不会对支架产生作用，此时工作面的来压才会停止，如图 2 所示。图 4-2关键层“悬臂梁”结构来压持续长度示意图4.3.2亚关键层2对矿压的影响 一般情况下，由于特大采高采场覆岩垮落带高度较大，处于下位的亚关键层 1 一般会进入垮落带中，而上位邻近的亚关键层 2 则一般会处于裂隙带中。若上、下位亚关键层之间的位置满足一定条件时，上部亚关键层 2 的破断运动将会对