頂板災害防治技術0

1、頂板災害防治技術0序 論 （由于沒有開設礦壓課，需要增加一些礦壓的基礎知識。）兩個重要概念： 1、礦山壓力由于開采影響，作用在開采空間煤巖體內和支護物上的力。 2、礦山壓力顯現(xiàn)在礦壓作用，開采空間煤巖體及支護物產生的各種力學現(xiàn)象。 （變形、破壞、垮落、折損、沖擊） 2、課程任務： 礦壓部分主要了解：3個規(guī)律應力分布規(guī)律；巖層移動規(guī)律；礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。第二節(jié) 應力分布規(guī)律一、原始應力：1、原始應力概念： 原始應力未受采動影響的巖體內，由于巖體自重和構造運動等原因引起的應力。原巖應力包含：自重應力、構造應力、地溫應力、膨脹應力、流體壓應力等（地溫0.5Mpa）（1Pa=1kgf/m2, 0.1MPa

2、=100000kgf/m2=10kgf/cm2=10atm）原巖應力賦存特點： 普遍存在，分布不均，趨于平衡 （以自重應力為主，局部區(qū)域呈現(xiàn)以構造應力或其它應力為主）2、自重應力： 自重應力由巖體自重原因在巖體內部引起的應力垂直應力： MPa （）水平應力：受外部環(huán)境影響：變形不受限水平應力為0變形受限制水平應力不為0當各向同性時：關于側壓系數(shù)：海姆認為，因長時蠕變及應力均化作用，金尼克認為，仍處于彈性狀態(tài)，符合虎克定律，一般，=0.20.3，最大=0.5，=0.250.43，最大為0.5 。 應用中：淺部堅硬巖體用金尼克公式，深部塑性大巖體用海姆公式。例：計算H=800m，=25 kN/m3

3、,=0.2時的自重應力。答：（2000tf/m2）（500tf/m2）3、構造應力： 實測發(fā)現(xiàn)：許多地方水平應力大于垂直應力；按自重應力計算不會出現(xiàn)，應該有另外的應力存在。構造應力由于地質構造運動在巖體中產生或殘留的應力。產生原因：構造應力學說地球自轉角速度變化東西擠壓形成南北走向山脈（太行、巫山） 橢球離心力變化南北擠壓 形成東西山脈（天山、燕山） 板塊學說地殼分成幾大板塊，這些板塊受地球自轉變化、地幔運動及星際引力作用發(fā)生橫向移動，產生水平方向的擠壓， 產生水平擠壓應力，并使地殼巖層發(fā)生褶皺及斷裂。構造應力分布特點：1）分布不均，在構造區(qū)域附近最大；2）水平應力為主，淺部尤為明顯；3）具有

4、明顯的方向性；4）堅硬巖層中明顯，軟巖中不明顯；5）目前尚難計算，只能實測。4、原巖應力分布的基本規(guī)律： 受構造應力影響，原始應力分布具有明顯的特點：1）實測鉛直應力基本等于上覆巖層重量；2）水平應力普遍大于鉛直應力；（一般0.55.5，有的達到30，普遍為2）3）平均水平應力與鉛直應力比值隨深度增加而減小；4）最大主應力與最小主應力一般相差較大。（0.20.8，多為0.40.8）二、應力集中概念： 應力集中受力體內，孔周圍局部區(qū)域應力高于其它區(qū)域應力的現(xiàn)象。應力集中特點：集中應力大小與所受應力大小有關（應力分攤、轉移）；與孔的曲率有關，曲率大，集中程度大；集中是局部的，影響范圍與孔徑有關。研

5、究“孔”周圍應力分布，實際上就是定量描述集中應力的大小及分布規(guī)律，最簡單的可用彈性力學方法。三、圓孔周圍彈性應力分布： 1、應力分布：1）徑向應力2）切向應力 3）在園孔內3倍直徑以遠，應力接近原始應力（影響半徑）。4）雙向等壓園孔應力集中系數(shù)最大為 2 。2、影響半徑：影響半徑孔心至應力增減量±5%處。3、圍巖內沿主應力方向（=00，=900）應力分布：4、圓孔周邊（r=R0）應力分布：K=3 k=2.7 k=25、應力疊加當兩孔相距較近時，應力分布受到相鄰孔的影響，局部應力再次升高。應力疊加特點：1）兩孔相互影響時，曲率大的孔應力疊加程度高；2）兩孔間距越小，應力疊加程度越高；3

6、）應力疊加滿足總荷載不變原則只改變分布狀態(tài)，不增加荷載總量；4）凡空間交匯處，均要產生應力疊加。6、回采空間周圍應力重新分布： 不同方向臨空，應力疊加； 在拐角處應力集中程度高； 按臨空自由面多少，應力集中程度有如下關系： 孤島 > 半島 > 拐角 > 單面四、回采空間圍巖內應力狀態(tài)及“三區(qū)”的形成： 1、圍巖穩(wěn)定性及應力狀態(tài)：周邊最大應力彈性極限自穩(wěn)圍巖穩(wěn)定性判定 周邊最大應力彈性極限進入塑性階段，產生塑性區(qū)周遍最大應力強度極限進入破壞階段，產生松散破碎區(qū)應力狀態(tài)轉化：2、圍巖“三區(qū)”的形成：由里向外分別為：1）極限平衡區(qū) = 破裂區(qū) + 塑性區(qū)形成：周邊切向應力高，承載能

7、力低，極易破壞，破壞后應力向內部轉移，直至等于強度極限，形成破碎區(qū)邊界。破碎區(qū)以內，應力高于彈性極限的區(qū)域，圍巖處于塑性狀態(tài)，彈性極限圈定了塑性區(qū)邊界。為研究方便，將破碎區(qū)與塑性區(qū)合并稱為極限平衡區(qū)，認為該區(qū)內圍巖處處處于極限破壞狀態(tài)。特點：處處滿足屈服條件或強度條件2）彈性區(qū)外部以彈性極限為界，內部以集中應力增量不超過±5%為界集中應力低于圍巖彈性極限，處于彈性變形階段。特點：處處滿足虎克定律3）原始應力區(qū)外部以±5%應力增量為界，內部支無限遠。特點：幾乎不受開采影響，滿足虎克定律3、園孔極限平衡區(qū)應力分布：4、回采工作面前方極限平衡區(qū)應力分布： 應力及圍巖分區(qū)：極限平衡

8、區(qū) D圍巖分區(qū) 彈性區(qū) E原始應力區(qū) F減壓區(qū) A二者有交叉應力分區(qū) 增壓區(qū) B穩(wěn)壓區(qū) C一般以高于原巖應力5%為集中應力影響范圍，以遠可以認為是原始應力區(qū)。 五、支承壓力及其分布： 1、支承壓力回采空間周圍煤巖體內應力增高區(qū)的切向應力。（支承壓力是礦山壓力的一部分）2、支承壓力的類型：固定支承壓力（固定邊界）移動支承壓力（移動邊界）3、工作面前后方支承壓力分布： 煤壁和跨落矸石承擔了絕大部分頂板載荷；前方支承壓力遠遠大于后方；前方支承壓力影響范圍可達5080米，劇烈影響范圍為820米；后方矸石壓實，支承壓力達到原始應力范圍約100米。 4、影響支承壓力分布的主要因素：1）回采空間尺寸及形狀；

9、2）回采空間頂板管理方法（支撐狀態(tài)）；3）頂板巖層及煤層巖性；4）采深；5）周圍回采空間分布。不同開采方法移動支承壓力分布不同：5、支承壓力在底板巖層中的傳播： 壓力傳遞角第三節(jié) 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律礦壓顯現(xiàn)在礦山壓力作用下，煤巖體及支護物所表現(xiàn)出的種種力學現(xiàn)象。一、礦壓顯現(xiàn)指標及意義： 1、頂板下沉 S（mm）煤壁到采空區(qū)邊緣范圍內頂、底板間相對位移。 （反映頂板變形、位移的規(guī)模） 2、頂板下沉速度V（mm/h）單位時間頂板下沉量。 （反映頂板活動的劇烈程度）3、支柱變形與折損觀察噴液、下縮、壓裂、折斷等。 （反映頂板壓力的大?。?、頂板破碎度單位面積中頂板冒落面積所占百分比。 （反映支撐力對頂板的

10、管理效果） 5、局部冒頂小范圍頂板垮落。 6、大面積冒頂頂板沿工作面煤壁切落。7、煤壁片幫煤壁因支承壓力作用發(fā)生的剪切坍塌破壞。（反映煤體內應力高低） 8、底臌底板塑性變形。 9、支柱插入底板底板松軟，對頂板管理很不利。 頂板絕對下沉不易得到，一般以距煤壁4米處下沉量為工作面頂板下沉量。可以每米采高每米推進度下沉量S/L/M為比較標準。二、直接頂初次垮落： 1、形成：切眼亮面推采回柱直接頂?shù)谝淮蚊奥洌ǜ?.0米，長1/2面長）2、初次垮落步距直接頂?shù)谝淮未蠓秶奥洌从硯r層的堅硬程度。3、初次放頂是造成事故的重要階段（支柱無力，頂板未受到充分破壞，切眼頂板離層，垮落矸石塊度大，危險性較大）。實

11、際生產時，初次放頂備受重視。（液壓支架情況要好許多）三、老頂?shù)某醮蝸韷?、初次來壓的形成： 初采初次放頂老頂懸露跨度增大老頂斷裂形成平衡結構失穩(wěn)初次來壓初次來壓老頂平衡結構第一次失穩(wěn)而施加給工作面以大型壓力的過程。初次來壓步距第一次來壓時，工作面距開切眼的距離（推進距離）。2、初次來壓時礦壓顯現(xiàn)特點： 1）來壓前，頂板壓力無明顯增大； 2）煤壁內部支承壓力增高，煤壁片幫嚴重； 3）頂板有板炮聲響； 4）頂板下沉速度急劇增加，由1mm/h 到 520mm/h； 5）支柱載荷急劇增加；6）頂板出現(xiàn)拉綹現(xiàn)象（直接頂沿煤壁切斷）。3、預防措施： 初次來壓前無明顯征兆，頂板壓力不大，致使支架穩(wěn)定性差，來

12、壓猛，易造成頂板事故。 1）增大支撐力 2）增加穩(wěn)定性 3）加強礦壓觀測及地質、開采資料 4）加強日常支護質量管理。來壓期間重點措施是：增加支護強度；增強支架穩(wěn)定性；保護煤壁，減少片幫。4、來壓條件： 1）有老頂存在； 2）直接頂垮落后不能充填滿采空區(qū)。四、老頂周期來壓： 1、周期來壓的形成：有初次來壓必有周期來壓。 初次來壓老頂懸頂跨度增大老頂斷裂平衡結構失穩(wěn)周期來壓。周期來壓老頂平衡結構周期性失穩(wěn)而施加給工作面以大型壓力的過程。 周期來壓步距兩次來壓期間工作面推進距離。期來壓步距 = 1/2 初次來壓步距）2、周期來壓時的礦壓顯現(xiàn)： 1）頂板下沉量急劇增加； 2）支柱載荷普遍增加； 3）煤

13、壁片幫嚴重； 4）當支撐力不足時，工作面回出現(xiàn)臺階下沉； 5）如果支護參數(shù)選擇不合理，回發(fā)生冒頂、切頂。 （周期來壓顯現(xiàn)一般較初次來壓時有所緩和）3、預防措施： 同初次來壓，同時加強統(tǒng)計觀測。第三節(jié) 巖層移動規(guī)律一、頂板工作結構： 1、回采工作空間類型：回采工作空間類型依據(jù)開采方法不同而異。1、完整空間刀柱法；2、自彎曲空間頂板塑性，緩慢下沉閉合；3、充填空間充填法；4、垮落空間全部垮落法。2、頂板的工作結構：工作結構將頂板視為何種受力體，進行力學分析。梁式結構頂板沿傾斜方向較長，變形相差不大，約束條件相同。故可將頂板視為沿走向的梁（組合梁）。按梁式結構承載、變形、破壞理論進行定量分析。（誤差

14、較大）板式結構將頂板巖層視為一個板（多塊板咬合），按板式結構的變形、強度分析。（計算較為復雜）目前，提出關鍵層理論，更加接近實際。無論何種結構，采用全部垮落法，其邊界支撐條件發(fā)生很大的變化，一側為固定支撐，另一側或為垮落矸石柔軟支撐，從而使頂板的原有結構發(fā)生變化，形成形形色色的破壞類型。二、老頂巖層的力學分析： 1、老頂梁式結構分析：1）老頂?shù)闹螚l件：開切眼后，直接頂冒落依kP及冒落厚度有如下等式：2）當全部充填滿回采空間時： 此時，老頂受到冒落堆積矸石的支撐，老頂變形受阻，穩(wěn)定性增強，對開采有利。全部充填滿回采空間，要求冒落直接頂厚度應滿足 條件。若則3）當不能充填滿回采空間時： 此時，老

15、頂在回采空間上方懸露，似梁承受上覆巖層載荷，變形甚至斷裂，為最不利情況。老頂變形無阻，發(fā)生斷裂引起工作面來壓的條件為 ，即直接頂冒落后不能充填滿回采空間。4）老頂梁式結構力學分析：假設老頂為梁式結構，梁兩端支撐條件為固定支撐，由結構力學知其內部各截面的剪應力、彎矩分布如圖示：（剪力符號：截面左段向上為 +，反之為）（彎矩符號：截面處下凸時為 +，上凸為）最大剪力發(fā)生在梁的兩端，最大彎矩也在梁的兩端，次彎矩在梁的中央。 危險截面剪應力與拉應力：兩端固支梁危險截面在兩端，此時最大剪應力：最大拉應力：老頂巖層的極限跨距：極限跨距老頂巖層在無支撐條件下，所能懸露的最大跨度。一般情況 ，故常用作為極限跨

16、距。梁的極限跨距為： 固定梁： 簡支梁：老頂?shù)钠茢噙^程：達到極限跨距時，固定梁兩端由彎矩產生的拉應力超過巖層抗拉強度，兩端先發(fā)生斷裂，斷裂后成為兩端簡支梁，由于簡支梁極限跨距小于固定梁，而此時的跨距已超過簡支梁的極限跨距，簡支梁必然會在中間部位，由于最大彎矩形成的拉應力作用而斷裂。斷裂巖層可發(fā)生垮落，也可由于巖塊之間存在相互擠壓力，而形成咬合結構，暫時平衡。實際中，由于巖層被裂隙切割，斷裂部位有一定的隨機性。2、老頂板式結構分析： 工作面一層頂板一般長150200米，寬30米，厚24米，可視為薄板。1）板式結構邊界支撐條件：P81圖35四面固支初采工作面三固一簡一面為已采區(qū)（老塘）二固二簡一面

17、為已采區(qū)，一面為工作面采空區(qū)（工作面推采中）一固三簡三面臨空（回采半島區(qū)）2）板式結構破斷過程：（以四面固定板為例）長端中央首裂、延展，改變了邊界支撐條件，短端彎矩加大；短端中央斷裂；四周斷裂延展，在角端勾通，改固支為四周簡支；四面簡支板長軸中間彎矩最大，中間斷裂，形成咬合結構或垮落。受裂隙影響，板結構破斷或垮落具有一定的隨機性。三、采場上覆巖層移動規(guī)律: 1、沿層面垂直方向移動： 沿層面垂直方向移動產生三帶（豎三帶）冒落帶垮落帶，分為不規(guī)則垮落帶、規(guī)則垮落帶裂縫帶冒落帶之上，巖層間產生離層、拉伸裂隙。整體聯(lián)系較好，范圍廣位移小，一般高1570m。彎曲下沿帶巖層基本上不發(fā)生離層和斷裂，而是大面積緩慢下沉。三帶的形成基本上是由下向上逐層進行的。不同的巖性，對三帶區(qū)域的影響也不同，軟巖高度小。如P99圖3-18三帶的高度除對頂板有指導意義外，對水下采煤影響很大。頂板移動自工作面前方3040m開始，且水平移動較大，垂直移動較小，甚至垂直位移出現(xiàn)負值。P100圖319在工作面后48m，垂直位移增加，位移速度下大上小，出現(xiàn)離層。斷裂巖層受垮落矸石支護后，位移趨于緩和，位移速度下小上大，重新壓合。傾斜煤層頂板移動基本沿層面法線方向。2、沿推進方向移動狀況：形成橫三區(qū)：煤壁支撐影響區(qū)壁支撐，垂直移動小，水平移動大 離層區(qū)垂直位移下大上小形成離層。