采场上覆岩层运动和发展的基本规律

第三章采场上覆岩层运动和发展的基本规律第一节上覆岩层运动和破坏的基本形式一、上覆岩层运动的两种基本形式（一）弯拉破坏的运动形式1、 运动过程采场推进f重力作用弯曲f一定跨度、沉降、弯曲、端部开裂f中部开裂f冒落。2、 力学条件岩层运动呈现弯曲沉降发展到破坏的运动形式，其力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。而破坏后是否冒落，则由其下部运动的空间的高度决定。即高度大于岩层的允许沉降值冒落，否则不冒落，保持“假塑性岩梁”。第n个岩层发展之冒落的条件：Sn>S0贝0，保持假塑性岩梁的条件为：Sn<S03、 显现特点运动由于是逐渐发展，冲击不大，相对（剪切运动）其矿压显现比较缓和。4、 控制要求为保证岩层运动时的采场安全，支架必须承担控顶区上方冒落岩层的全部岩重，并且把“假塑性岩梁”的运动控制在要求的位置上。当然，当不需要对“假塑性岩梁”沉降进行控制时，支撑这部分岩层的支架阻力可以为零，最大不必要超过岩梁跨度四分之一的岩重。（二）剪（切）断破坏的运动形式1、发展过程悬露f产生不大弯曲，端部开裂f中部未开裂（或开裂很少），情况下切断塌垮。2、剪断的充要条件采场推进到岩梁端部开裂的位置附近，由于剩余抗剪断面上的剪应力超过限度，而其中部还未开裂，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。3、显现特点对采场产生明显的动压冲击，支架阻力不够易产生沿煤壁切下的重大冒顶事故，即使不垮也会出现台阶下沉。必须有高初撑力，其阻力能抗衡顶板沿煤壁切下，把切断线推至控顶距之外。支架缩量按照出现台阶下沉而不能压死支架考虑。出现台阶下沉时支架阻力与缩量分别为：由于两种运动形式的发展与破坏以及对采场控制的要求不同，因此，对其力学条件与现场判断必须进行研究。二、运动发展至破坏的力学过程及其条件（一）弯拉破坏的力学过程及其条件弯拉破坏是其悬跨度达到极限跨度后，深入煤壁的两端部断裂基础上，于悬跨度的中部裂断而实现的。弯坏的力学过程，就是其支承条件由双嵌固梁向简支梁发展的过程。梁由边界煤柱及工作面煤壁支承。分析力学过程：在上覆均布载荷和本身自重的作用下，岩梁中部O点开裂的条件是其弯矩达到使拉应力超限的值。对于嵌固梁来说，其端部和中部弯矩分别为:中部:端部:中部:而简支梁其端部和中部弯距为：端部： 中部：嵌固梁端部与中部弯矩之和正好与简支梁中部弯距相等。梁端开裂后，端部弯矩向中部转移，就是按照这一规律进行的。力学过程分析：1）工作面推进至岩梁悬跨度达到极限值L0时，梁端弯矩MA为：梁端的拉应力为：当悬露岩层上部无比其软弱的岩层时，该岩层只受本岩层重力的作用，其端部裂断时的拉应力可按下式计算：当悬露岩层上部存在较其软弱的岩层时，则形成由不同岩性的岩层组成下硬上软的组合岩梁，其端部裂断时的拉应力为：2）在梁断开裂发展的过程中，随着端部弯矩减小，梁的中部弯矩将逐渐增加，随着支承条件向简支梁的转化，中部弯矩将接近下值：3）在嵌固梁向简支梁转化的过程中，当岩梁中部弯矩达到上值时，中部必然拉开，岩梁发展至冒落或保持“假塑性岩梁”状态。4）岩梁端部和中部开裂的力学条件为：用岩梁悬跨度表示为：显然，L0值随岩梁厚度m、允许抗拉强度［%］的增加而增加，随支托层上的软岩层厚度£m.的增加而减小。1（二）岩层剪坏的力学过程和条件悬露岩层剪坏的力学条件是：梁端抗剪断面上的最大剪应力为：最大剪应力Qmax和抗剪端面面积S分别为：整理得以岩层悬露跨度表示的剪坏力学条件为：剪坏的力学过程如下：1） 当岩梁悬露跨度达到极限跨度L0时，梁端因拉应力超限而开裂。2） 当工作面煤壁推至开裂位置或构造断裂面附近，在梁中的拉应力还未达到极限的情况下，由于悬露岩层端部残余抗剪端面不足，其剪应力超限，造成岩层沿工作面煤壁附近整体切断而塌垮。如果工作面支护有较高的初撑力和足够的阻力，岩层将沿放顶线切下。三、上覆岩层破坏形式的判断（一）理论判断根据力学条件分析，理论上判断是很简单的。l0<lg时，沿层在悬跨度的中部被拉坏，形成弯曲破坏形式；L03LG时，沿层在端部被剪坏，形成切断破坏形式。

2、典型曲线（二）现场判断2、典型曲线1、测区布置四、岩层破坏形式的转化岩层的两种破坏形式是随地质和采动条件的变化而变化的。1） 当工作面推至端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯坏的岩层运动转变为剪断破坏的的运动形式。2） 强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体切断塌垮的危险，从而使破坏形式转化为弯坏形式。3） 改变开采程序。（上行开采，厚煤层恒底开采等）4） 在推进方向上，遇到图示的断层构造，使运动形式由弯坏转变为剪坏。第二节采场上覆岩层纵向运动发展的基本规律一、岩层运动和组合的力学分析岩层纵向运动的过程：1、离层发生的位置与条件当夹层上下各层刚度EJ相同，或上部弯曲刚度小，On>0,下层弯曲刚度小时，OnW0。1） 离层将发生在岩层的接触面或软弱夹层上。2） 接触面的破坏，只有在相应接触面的剪应力超限时才发生。3） 离层出现的位置取决于组合岩梁中各岩层的弯曲刚度和夹层的强度。2、 岩层纵向运动的总趋势下部岩层将首先暴露，下部岩层的总跨度是上部岩层的1.25倍，由于岩梁的悬跨度由下而上依次减小，而剪应力大小又与岩梁悬跨度成正比，则剪应力大小亦由下而上递减。岩层的运动发展趋势是由下而上的。3、 传递岩梁形成的力学原理传递岩梁一一把每一组同时运动（或近乎同时运动）的岩层看成一个运动整体，称为传递力的岩梁，简称“传递岩梁”。回答是：用两个岩层沉降中最大曲率和最大挠度判断。准则： W上<W下离层3上N3下组合对于嵌固梁：对于简支梁：可以通式表达为：在岩梁的支承条件一定时，曲率和挠度与岩梁的跨度1、厚度m及弹性模量E有关。其中厚度是关键因素。两岩层在外载(上部岩重)作用下开始运动。L±=Lt=L(1)当E相同，由岩层厚度判断。mT<m上，则下部先运动；m^>m上，则同时运动。⑵当m相同，由弹性模量E决定。Et<E上，则下部先运动；Et>E上，则同时运动。(3)当m,E都不相同，则E下m下2>E上m上2同时运动；E下m下2<E上m上2分开运动。两岩层在自重作用下弯曲沉降。L下=1.25L上则E下m下2=(1.25)4E上m上2判断。(1)当E相同，由岩层厚度判断。mT<m上，则下部先运动；m^>m上，则只有当m下2>1.254m上2时才同时运动。⑵当m相同，由弹性模量E决定。Et<E上，则下部先运动；Et>E上，则只有当E下>1.254E上同时运动。当m,E都不相同，则E下m下2>1.254E上m上2同时运动；E下m下2<1.254E上m上2分开运动。E下=£上，m下=皿上下部先运动。二、 实测研究的例证1、开滦范各庄矿钻孔观测的结果2、淮南谢一矿2912工作面3、兖州南屯矿8302工作面三、 岩层纵向运动发展规律随采场推进，岩层悬露达一定跨度弯曲沉降到一定值后，强度低的软弱夹层或接触面在轴向剪应力作用下破坏，发生离层，并为下部岩层的自由沉降和运动向上部岩层发展创造了条件。岩层的纵向运动总趋势大体上是由下而上发展的。离层后上下岩层的运动组合情况由岩层的强度差别决定，上部岩层强度较下部岩层越高，下部岩层越先于上部岩层运动，上部岩层运动滞后的时间越长。相反，则同时运动。岩层的厚度较之岩性对岩层的离层和运动组合的影响重要的多。第二章上覆岩层运动和发展的基本规律第三节上覆岩层运动在推进方向上的发展规律一、采场上覆岩层运动的两个发展阶段1、 第一次运动阶段包括直接顶初次垮落，老顶初次来压。受力状态为固定梁。特点：运动来压面积大，强度高，并可能伴随发生冲击地压。2、 周期性运动阶段第一次来压完成到工作面采完。(直接顶为悬臂梁，直接顶之上为一端由煤壁支承另一端由老塘矸石支承的不等高传递岩梁。)采场矿压显现为周期来压。特点：岩层的完整性比第一次运动前差，运动步距小。控制设计：要区分两个阶段分别考虑。二、 岩层运动的发展过程1、 相对稳定阶段 图中a、c、e岩梁运动幅度较小，对采场矿压影响不明显的过程。用相对稳定运动步距b表示。2、 显著运动过程 图中b、d、f岩梁运动幅度大，对采场矿压有明显影响的过程。用显著运动步距a表示。3、 岩梁来压步距岩梁经历一次相对稳定过程与显著运动过程所推过的距离。c=a+b来压步距是反映岩梁强度特征和对工作面影响程度的重要参数。三、 影响岩层运动发展的因素1、岩层的强度特征2、 采动条件采高、推进速度。3、 采空区处理方法强制放顶、充填（全部充填、局部充填）。四、岩梁运动的基本参数（一）第一次运动阶段的基本参数1、表达岩梁运动过程的基本参数1）岩梁的相对稳定步距bU。2）岩梁的显著运动步距a。。3）岩梁初次来压步距c。。2、表达岩梁来压结束时刻岩梁位置状态的参数1）来压完成时刻采场顶板下沉量给定变形：限定变形：用△«表示，由支护强度PT决定。2）来压结束时的岩梁跨度由支架对顶板的工作状况决定。给定：loa表示，大小由岩梁运动步距决定。限定：L0表示，由支护强度决定。3、表达岩梁来压前夕的位态参数1）岩梁的最大跨度 Lo=b02） 采场最小顶板下沉量△、。（二）正常推进阶段基本参数1、表达岩梁运动过程的参数 b、a、c2、 表达周期来压结束时的位态参数。1）来压结束时顶板下沉量给定变形：* 限定变形：△hi2）来压结束时的岩梁跨度给定变形：LA 限定变形：L.3、表达周期来压前夕岩梁位态参数及其相互关系极限跨度：（三）岩梁运动步距的力学分析1、岩梁第一次来压步距c0组合梁： 单一梁:2、岩梁周期来压步距c岩梁为不等高支承的铰接岩梁。铰接岩梁由原来已经断裂的部分C1及可以近似看成是处于悬臂梁受力状态的部分C2组成。如果不考虑岩梁的挠曲则c2部分所受的结构力包括：1）岩梁的自重2） C1部分通过铰接点O的推压力P及相应的摩擦力F=Pf。3） 将铰接点O的偏心力P移至岩梁中心（厚度方向）所产生的附加力偶矩：4） 支架反力RT。由于支架对岩梁采取等压工作状态，因此在岩梁端部未裂断前可以不加考虑。根据力的平衡条件，可以推得周期来压步距C2为：研究证明，忽略根号中的负数项（即认为p点对B点的压应力与移动该力至岩梁中部后，附加力偶矩产生的拉应力相抵消），并不影响计算结果。则C2计算可简化为：周期来压步距一大一小交替变化，则取其平均值作为来压步距。3、周期来压步距C与第一次来压步距C0的比例关系1） 岩梁的运动步