第三章采场顶板活动规律

第三章采场顶板活动规律第1页，课件共46页，创作于2023年2月第一节概述一、回采工作面（采场）二、顶板：赋存在煤层之上的邻近岩层。顶板根据其与煤层的相对位置和岩性又分为：伪顶、直接顶和基本顶。①伪顶：位于煤层之上随采随冒落的极不稳定岩层，其厚度一般在0.5m以下，岩性多为炭质页岩。②直接顶：位于煤层或伪顶之上有一定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层，岩性多为砂页岩、页岩③基本顶：又称老顶。位于直接顶或煤层之上，通常厚度及岩石强度较大、难以垮落的岩层。第2页，课件共46页，创作于2023年2月三、底板：赋存在煤层之下的邻近岩层。第3页，课件共46页，创作于2023年2月四、工作空间形式：根据采空区的处理方法，分为几种工作空间形式：(a)刀柱(留煤柱);(b)顶板缓慢下沉法;(c)充填法;(d)全部垮落第4页，课件共46页，创作于2023年2月五、大结构：岩层未破坏的部分，或者虽然已破断但仍能整齐排列的部分，有时能形成大结构。这种大结构能够承担上覆岩层重量，从而对巷道及回采空间起保护作用。

但随着时间的延续，由于煤岩的蠕变特性，使围岩不易形成稳定的结构，从而导致围岩的“挤、压、鼓”现象。根据实测，回采空间支护物所承受的力仅为上覆岩层重量的百分之几。证明：？第5页，课件共46页，创作于2023年2月第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说拱脚（支撑点）在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。在前后拱脚间形成了一个减压区，回采工作面的支架只承受压力拱内岩石的重量。一、压力拱假说该假说认为，由于岩层自然平衡的结果而形成一个前拱脚（支撑点）在工作面前方煤体，后第6页，课件共46页，创作于2023年2月

此假说认为，工作面和采空区顶板可视为一端固定于煤壁前方岩体内，另一端处于悬伸状态的梁，悬臂梁弯曲下沉后，受到已垮落岩石的支撑，当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。二、悬臂梁假说第7页，课件共46页，创作于2023年2月律的水平挤压力的联系，从而相互铰合而形成一条多环节的铰链。该假说认为，工作面支架存在两种工作状态：给定载荷状态；给定变形状态。三、铰接岩块假说此假说认为，采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者的差别在于，裂隙带岩块间存在有规第8页，课件共46页，创作于2023年2月

此假说认为，在采场周围存在应力降低区，应力增高区和采动影响区，并随工作面推进而向前移动。采动岩体形成各种裂隙，从而形成假塑性梁。四、

预成裂隙假说第9页，课件共46页，创作于2023年2月

“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：五、砌体梁假说采动上覆岩层的岩体结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层，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。

第10页，课件共46页，创作于2023年2月随着工作面的推进，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。第11页，课件共46页，创作于2023年2月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。第12页，课件共46页，创作于2023年2月第13页，课件共46页，创作于2023年2月第三节直接顶的垮落2、直接顶初次垮落距1、直接顶初次垮落3、直接顶垮落后的碎胀特性形成充满采空区所需直接顶厚度为：第14页，课件共46页，创作于2023年2月4、直接顶初次垮落前的离层

直接顶最大扰度

老顶最

大扰度

不离层

条件第15页，课件共46页，创作于2023年2月4、直接顶初次垮落前的离层 粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易于形成直接顶与老顶间离层。为了防止直接顶因离层产生推跨事故必须保证支架具有一定的初撑力：第16页，课件共46页，创作于2023年2月红外钻孔摄像机第17页，课件共46页，创作于2023年2月

切眼钻孔位置图第18页，课件共46页，创作于2023年2月直接顶和老顶间发生离层第19页，课件共46页，创作于2023年2月第20页，课件共46页，创作于2023年2月第四节老顶的断裂形式一、老顶的梁式断裂老顶两端固支梁受力分析第21页，课件共46页，创作于2023年2月二、老顶的板破断

一般老顶岩层可视为薄板，按薄板的Marcus简算法对板的破断进行分析。第22页，课件共46页，创作于2023年2月第23页，课件共46页，创作于2023年2月第24页，课件共46页，创作于2023年2月第五节老顶的初次断裂步距两端固支梁极限跨距：老顶达到初次断裂时的跨距称为初次断裂步距。

按材料力学方法可求得老顶梁式断裂步距。一、梁式断裂时的极限跨距第25页，课件共46页，创作于2023年2月第26页，课件共46页，创作于2023年2月两端固支梁极限跨距：按抗拉强度：按抗剪强度：两端简支梁极限跨距：按抗拉强度：第27页，课件共46页，创作于2023年2月举例：设h＝4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174Kpa按抗拉：按抗剪：固支梁破断距为36m破断距为1005m简支梁破断距为29m弯矩形成的极限跨距比剪切力形成的极限跨小；简支梁的抗弯极限跨距比固支梁的小；第28页，课件共46页，创作于2023年2月老顶承受载荷计算第29页，课件共46页，创作于2023年2月二、老顶板断裂的极限跨距 老顶板断裂步距与边界支撑条件有关。a＝lm·ωlm老顶的步距准数ω边－长系数对四周固支板支撑条件对断裂步距影响：

λ＝a/bb

工作面长度

ω1≥ω2≥ω3

≥ω4

>√2/3第30页，课件共46页，创作于2023年2月工作面长度对断裂步距影响：以四边固支为例，b>3lm时，a≈lm。说明工作面长度对破断步距影响甚微。3lm≥b>√2lm时，则lm<a<√2lm

。说明随工作面长度缩短，步距显著增大。老顶破断呈横“o－x”型。第31页，课件共46页，创作于2023年2月b＝√2lm时，则a＝√2lm

＝b。老顶呈正“o－x”破断，即“见方垮落”。lm<b<√2lm时，则a>√2lm>

b。初次破断步距大于工作面长度，老顶呈竖“o－x”型破断。

b<

lm时，老顶稳定不垮落，即形成短壁开采工作面或巷道的情形。第32页，课件共46页，创作于2023年2月第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析一.老顶初次断裂后的“砌体梁”平衡第33页，课件共46页，创作于2023年2月1、结构的滑落失稳若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：可见是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，结构抗滑落失稳的能力越大。第34页，课件共46页，创作于2023年2月一般情况下，φ=38°~45°，tanφ=0.8~1.0。因此，要防止老顶初次破断后“砌体梁”结构产生滑落失稳岩块的高长比要小于0.4~0.5，即岩块长度要大于2~2.5倍岩块厚度。第35页，课件共46页，创作于2023年2月若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角θ，满足不滑落失稳的条件为：对于图3-24(a)，当θ≥φ时，不论水平推力T有多大，都不能取得平衡。第36页，课件共46页，创作于2023年2月2、结构的变形失稳在岩块的回转过程中，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。第37页，课件共46页，创作于2023年2月二.“砌体梁”全结构模型的受力分析第38页，课件共46页，创作于2023年2月由上述分析可知，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。第39页，课件共46页，创作于2023年2月形成“砌体梁”结构必须具有的水平力为：可见，hi越厚，si0越小，则形成此结构所要求的Ti力也越小。当si0=hi时，Ti→∞。这种结构无法形成。因此，上覆岩层中，只有具有一定厚度的岩层(大于下沉量Si0）才能形成此结构。第40页，课件共46页，创作于2023年2月si0小的含义反映了以下几种情况：直接顶较厚；采空区采用充填法处理；采高较小的煤层；离开煤层距离较远的岩层。按滑落失稳条件，得到岩块长度与厚度的关系为：第41页，课件共46页，创作于2023年2月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：老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；煤壁上方老顶剪切力最大是工作面顶板沿煤壁切落的原因；第42页，课件共46页，创作于2023年2月上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆盖层重量的原因，并由此可以分析工作面支架工作阻力必须平衡的顶板压力大小；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；工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。第43页，课件共46页，创作于2023年2月第七节老顶断裂时在岩体内引起的扰动老顶岩层可视为夹持在上下软岩层间的弹性地基梁或弹性地基板，近似满足Winkler弹性地基假定。