礦山采場(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律教學(xué)資料

礦山采場(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律教學(xué)知識(shí)第一節(jié)概述基本概念1.回采工作面（簡(jiǎn)稱采場(chǎng)）直接進(jìn)行采煤或采有用礦物的工作空間。2.頂板、底扳頂板：賦存在煤層之上的巖層。底扳：煤層以下的巖層。直接頂：直接位于煤層上方的一層或幾層性質(zhì)相近的巖層。偽頂：煤層與直接頂之間有時(shí)存在厚度小于0.3～0.5m極易跨落的軟弱巖層。老頂：位于直接頂上方的厚而堅(jiān)硬的巖層。直接底：直接位于煤層之下的巖層。3.采空區(qū)處理方法（1）刀柱法（2）頂板緩慢下沉法（3）全部充填或局部充填法（4）全部跨落法刀柱法：煤柱支撐法即在采空區(qū)留一定寬度的煤柱以支撐頂板。此法在難垮頂板中使用，但常常給下部煤層開采帶來困難。頂板緩慢下沉法隨著開采頂板彎曲下沉，而后將采空區(qū)填實(shí)。一般在采高較小、頂板易于彎曲下沉（如石灰?guī)r頂板）時(shí)使用。充填法隨著開采，將采集的充填料用機(jī)械或人工將采空區(qū)充填以控制頂板，此種方法由于費(fèi)用很高，因而只是采特厚煤層或者有必要減少地表沉陷時(shí)采用。全部跨落法即讓直接頂廓落，利用巖石跨落后的碎脹性使采空區(qū)填滿以控制老頂?shù)幕顒?dòng)。第二節(jié)有關(guān)采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的假說一、有關(guān)假說自從采用長(zhǎng)壁工作面開采以來，上覆巖層中是否存在著大結(jié)構(gòu)，以及此結(jié)構(gòu)是什么形式，一直是采礦科學(xué)研究的重要課題。1.壓力拱假說它是由德國(guó)人哈克和吉里策爾于1928年提出的。該假說認(rèn)為：長(zhǎng)壁采煤工作面自開切眼起就形成壓力拱，此后，拱隨著工作面的推進(jìn)而擴(kuò)大，直至拱頂達(dá)到地表為止。在工作面前后煤體中形成的前拱腳a，后方跨落巖石則形成后拱腳b，a、b均為應(yīng)力增高區(qū)，工作面則處于應(yīng)力降低區(qū)，支架承受的載荷僅為上覆壓力拱內(nèi)的巖石重量。優(yōu)點(diǎn)：能解釋圍巖卸載的原因；缺點(diǎn)：未能說明巖層變形、移動(dòng)和破壞的發(fā)展過程以及支架與圍巖的相互關(guān)系。2.懸臂梁假說它是德國(guó)的施托克于1916年提出的。該假說認(rèn)為：工作面和采空區(qū)上方的頂板可視為梁，它一端固定于巖體內(nèi)，另一端則處于懸伸狀態(tài)，當(dāng)懸伸長(zhǎng)度很大時(shí)，發(fā)生有規(guī)律的周期性折斷，從而引起周期來壓，靠近煤壁處頂板下沉量最小，表現(xiàn)的頂板壓力也小。3.預(yù)成裂隙假說由比利時(shí)學(xué)者A·拉巴斯于1850年提出的。認(rèn)為：（1）由于開采的影響，破壞了回采工作面上覆巖層的連續(xù)性，從而成為非連續(xù)體。（2）在回采工作面周圍存在著應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力增高區(qū)和采動(dòng)影響區(qū)。（3）假塑性體，支架應(yīng)具有足夠的支撐力和工作阻力。4.鉸接巖塊假說由蘇聯(lián)學(xué)者庫(kù)茲涅佐夫于1950~1954年提出。認(rèn)為：（1）工作面上覆巖層的破壞可分為垮落帶和其上的規(guī)則移動(dòng)帶。（2）垮落帶分上下兩部分，下部垮落時(shí)，巖塊雜亂無章，上部垮落時(shí)，則呈規(guī)則的排列，但與規(guī)則移動(dòng)帶的差別無水平方向有規(guī)律的水平擠壓力的聯(lián)系。規(guī)則移動(dòng)帶巖塊間可以相互鉸合而形成一多環(huán)節(jié)的鉸鏈，并規(guī)則地在采空區(qū)上山下沉。（3）工作面支架在兩種不同的狀態(tài)，“給定載荷”、“給定變形”。二、裂隙帶巖層的巖體結(jié)構(gòu)模型我國(guó)學(xué)者在總結(jié)上述假說的基礎(chǔ)上，以及在大量生產(chǎn)實(shí)踐及對(duì)巖層內(nèi)部移動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，于70年代末80年代初提出了巖體結(jié)構(gòu)的“砌體梁”力學(xué)模型，從而發(fā)展了上述有關(guān)假說。假說認(rèn)為：采場(chǎng)上覆巖層除形成“三帶”（垮落帶、規(guī)則移動(dòng)帶及彎曲下沉帶）外，在規(guī)則移動(dòng)帶及其以上巖層內(nèi)，已斷裂的巖塊相互咬合有可能形成外形如梁實(shí)則是拱的結(jié)構(gòu)體。由于巖塊排列如“砌體”，故可稱之為砌體梁。此結(jié)構(gòu)是由“煤壁—支架—采空區(qū)已垮落矸石”所支撐，由于這種結(jié)構(gòu)的存在，因此沿開采方向上覆巖層可分為三個(gè)區(qū)：煤壁支撐影響區(qū)，離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。并假設(shè)：1.上覆巖層的巖體結(jié)構(gòu)主要是由每個(gè)堅(jiān)硬巖層所組成。為此，可將上覆巖層劃分為若干組，每組以堅(jiān)硬巖層為底層。2.每個(gè)分組中的軟巖層可視為堅(jiān)硬巖層的載荷，在很多情況下它將跟隨硬巖層運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。3.由于開采的影響，堅(jiān)硬巖層已斷裂成排列較整齊的巖塊。4.由于層間的摩擦力無法阻擋巖塊的轉(zhuǎn)動(dòng)和水平移動(dòng)，為此可假設(shè)將軟巖層視為無數(shù)垂直的桿，即只能傳遞垂直載荷，而無法阻止水平力。5.當(dāng)巖塊由回轉(zhuǎn)而恢復(fù)到水平位置時(shí)，塊間的剪切力又變?yōu)榱?。為此，以后的巖塊可以用一水平連桿來代替。第三節(jié)直接頂?shù)姆€(wěn)定性直接頂是工作面直接維護(hù)的對(duì)象，直接頂經(jīng)常處于破斷狀態(tài)，且無水平力的擠壓作用，因而它難于形成結(jié)構(gòu)，它的重量全應(yīng)由工作面支架來承擔(dān)。從巖體形成結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)分析，對(duì)于老頂形成的大結(jié)構(gòu)，支架是通過直接頂對(duì)其起支撐作用。因此，直接頂?shù)耐暾闆r，將首先影響到工作面的安全，同時(shí)也是支護(hù)能否發(fā)揮其性能的重要保證。一、直接頂巖塊離散原因分析直接頂?shù)姆€(wěn)定性取決于直接頂本身的力學(xué)性質(zhì)及老頂運(yùn)動(dòng)對(duì)它的影響，同時(shí)也受支架架型及力學(xué)性質(zhì)的影響。1.節(jié)理裂隙的切割在我國(guó)生產(chǎn)實(shí)踐中早已注意到弱面對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響，有些礦區(qū)將這些弱面簡(jiǎn)稱為“劈”而其中有些劈的組織形式對(duì)直接頂?shù)姆€(wěn)定性影響較大，如人字劈與升斗劈如下圖。這種劈理常使單體支柱工作面在毫無預(yù)兆的情況下發(fā)生局部冒頂。2.初次放頂前直接頂所處的狀態(tài)大部分均可能發(fā)生離層。原因：老頂此時(shí)尚處于板的懸露狀態(tài)，因而撓度較小，而直接頂則由于強(qiáng)度較弱，或由于巖層較薄，使直接頂?shù)膿隙扔锌赡艽笠饫享數(shù)膿隙榷l(fā)生離層。3.支柱的影響，支架架型的影響單體支柱：前排支柱剛支設(shè)，初撐力較低。液壓支架：無支護(hù)工作空間較寬。常常形成頂板離層。4.工作面長(zhǎng)度較小時(shí)，老頂常處于懸露狀態(tài)。5.分層工作面6.回柱放頂二、初次放頂前直接頂?shù)碾x層與斷裂在頂板分類中常以直接頂初次跨落步距作為衡量其穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)。由于直接頂本身難于形成結(jié)構(gòu)，因而常受老頂巖層形成的結(jié)構(gòu)形態(tài)所影響，現(xiàn)以老頂初次來壓前直接頂初次放頂時(shí)進(jìn)行分析。此時(shí)，老頂?shù)淖畲髶隙葹橹苯禹數(shù)淖畲髶隙葹槭街校海杭佑诶享數(shù)妮d荷； ：老頂自身單位長(zhǎng)度的載荷；：初次放頂步距；：直接頂厚度； 、：直接頂彈性模量及斷面慣矩；、：老頂彈性模量及斷面慣矩。直接頂與老頂之間自身不形成離層的條件為：即：令且，則上式可寫成即：即：直接頂?shù)某醮慰缇啵寒?dāng)工作面自開切眼推進(jìn)一段距離后，直接頂懸露達(dá)到一定跨度。采空區(qū)進(jìn)行初次放頂，直接頂開始跨落，此時(shí)直接頂?shù)目缇喾Q為初次跨落距。若直接頂巖層的厚度為，則它冒落后堆積的高度為，它與老頂之間所可能留下的空隙為：當(dāng)時(shí)，則，即冒落的直接頂將充滿采空區(qū)，此時(shí)，老頂一般彎曲下沉量很小，可以忽略不計(jì)，因此，形成充填采空區(qū)所需直接頂?shù)暮穸葹椋旱谒墓?jié)老頂?shù)臄嗔研问揭弧⒗享攷r層的梁式平衡假設(shè)﹥0，則老頂呈懸露狀態(tài)，可將老頂視為一端由工作面煤壁支撐，另一端由邊界煤柱支撐的兩端固定的梁，即“梁”的假設(shè)?，F(xiàn)在分析這種梁的應(yīng)力狀態(tài)。因?yàn)槭菍?duì)稱梁，所以梁兩端的反力，彎距取，則：取巖層內(nèi)任意截面，其剪力為這樣，就可以作出剪力圖，如下最大剪力發(fā)生在固定梁的兩端及處，其值為彎距為： 根據(jù)材料力學(xué)解為：在梁的中部，若為簡(jiǎn)支梁梁中間處，彎距最大第五節(jié)老頂?shù)某醮纹茢嗖骄嘁?、梁式斷裂時(shí)的極限跨距極限跨距：老頂巖梁達(dá)到斷裂時(shí)的跨距。[解算]：已知梁內(nèi)任意點(diǎn)的正應(yīng)力為：式中：：該點(diǎn)所在斷面的彎距；：該點(diǎn)離斷面中性軸的距離； ：截面對(duì)中性軸的慣矩；若取梁為單位寬度，如下圖則梁的斷面矩（為老頂巖層的單層厚度）因而，任意點(diǎn)A的正應(yīng)力為：矩形截面梁的剪應(yīng)力為：為距中性軸的面距因而：最大剪應(yīng)力發(fā)生在矩形斷面梁的中性軸上，即，因此根據(jù)固定梁的計(jì)算，最大彎距發(fā)生在梁的兩端。因此，該處的最大拉應(yīng)力為：當(dāng)（抗拉強(qiáng)度）則：若以最大剪應(yīng)力作為巖層斷裂的依據(jù)，由于最大剪切力發(fā)生在梁的兩端，所以，令（抗剪強(qiáng)度）則：所求極限跨距為注意：1.由于彎距形成的極限跨距比剪切應(yīng)力形成的極限跨距小，因此，常常按彎距來計(jì)算極限跨距。2.在什么情況下應(yīng)按簡(jiǎn)支梁或按固定梁計(jì)算需根據(jù)煤層賦存深度及邊界煤柱兩側(cè)采空的程度來定。3.在使用刀柱法或房柱法開采時(shí)，為了保證工作空間頂板的完整性，刀柱或煤柱的間距應(yīng)采用巖層梁的安全跨距。固定梁簡(jiǎn)支梁式中，。4.在上述各關(guān)系中，關(guān)鍵是確定巖層梁所承受的載荷。一般煤層上方的巖層是由好幾層巖層組成。因此，第一層巖層的極限跨距所應(yīng)考慮載荷的大小須根據(jù)各層之間的相互影響來定。下式表示層巖層對(duì)第一層影響所形成的載荷式中：、、…、：各層巖層的彈性模量，n為巖層數(shù)； 、、…、：各層巖層的厚度；、、…：各層巖層的容重。當(dāng)計(jì)算到＜時(shí)，則以作為作用于第一層巖層單位面積上的載荷。第六節(jié)老頂斷裂后“砌體梁”結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性當(dāng)老頂達(dá)到極限跨距后，隨著回采工作面的繼續(xù)推進(jìn)，老頂即發(fā)生斷裂。破斷的巖塊，由于互相擠壓而形成水平推力，從而在巖塊間產(chǎn)生摩擦力，形成裂隙體梁。這種結(jié)構(gòu)是由排列整齊的巖塊互相擠壓而形成，它屬于形式是梁，實(shí)質(zhì)是拱的結(jié)構(gòu)，如同受擠壓的砌體一樣，因而也稱之為砌體梁。由于巖層抗拉強(qiáng)度較小，老頂巖梁很可能先在兩側(cè)支座的上端裂開，而后在梁的中間底部裂開，隨著巖塊的轉(zhuǎn)動(dòng)形成強(qiáng)大的水平擠壓力，使巖塊間形成了三鉸拱式的平衡。成拱的條件取決于原巖應(yīng)力及水平擠壓力的大小，因此，并不是老頂巖梁剛達(dá)到斷裂極限跨距即發(fā)生跨落，它還取決于以下的平衡條件。1.結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)根據(jù)三鉸拱的平衡原理，成拱且使巖塊保持平衡的水平推力為：由，得：式中：：裂隙體梁的載荷集度； ：跨距； ：老頂巖層的厚度。梁的剪切力在兩端支座處為最大，其值為，若剪切力與摩擦力相等時(shí)，呈極限平衡狀態(tài)，若剪切力大于摩擦力，此結(jié)構(gòu)將失穩(wěn)。式中：：巖塊相互間的摩擦角。將及代入得﹥上式即失穩(wěn)條件。若考慮老頂巖塊破斷時(shí)，斷裂面與垂直面成一斷裂角，則咬合點(diǎn)的關(guān)系有兩種情況。第一種情況：則平衡條件為：當(dāng)時(shí)，則不論水平推力有多大，都不能取得平衡，只有在時(shí)，才有可能取得平衡。一般情況下，＝°～°。因此，當(dāng)﹤°～°，即節(jié)理面與層面的夾角大于°～°時(shí)，才有可能取得平衡。第二種情況：平衡條件：則：第七節(jié)回采工作面上覆巖層移動(dòng)概況一、礦區(qū)巖層移動(dòng)的典型圖式1.在近似水平或緩傾斜煤層埋藏條件下，煤層上方的巖層以層狀彎曲的形式出現(xiàn)。這種移動(dòng)，一般不會(huì)引起由于巖石自重作用下的沿層面的錯(cuò)動(dòng)。這種形式發(fā)生的主要條件是：：煤層傾角；：沿巖層中最軟弱層面上的摩擦角。2.煤層上方的巖層以層狀作法向彎曲的同時(shí)，有微小的沿層面方向的移動(dòng)。其產(chǎn)生的條件是：此時(shí)，在充分移動(dòng)區(qū)A1OD1內(nèi)，移動(dòng)矢量在巖石自重作用下，由巖層的法線方向偏向下山方向，巖層的下部A1B1附近，隨著巖層傾角的增大，沿巖層層面方向的壓縮變形亦增加，而在上部C3D1附近，沿巖層層面拉伸變形增加，同時(shí)，在C3D1以外，將有沿層面方向的移動(dòng)。3.在急傾斜煤層開采過程中，在煤層下盤巖層內(nèi)將產(chǎn)生移動(dòng)，下盤巖層移動(dòng)的條件為 ：巖石的內(nèi)摩擦角。對(duì)于沉積巖來說，角為26°~36°，一般煤層的傾角為50°~60°時(shí)，下盤巖層才移動(dòng)，而與公式相適應(yīng)的煤層傾角為58°~63°。4.開采急傾斜煤層時(shí)，煤層上盤巖層以懸臂梁彎曲形式移動(dòng)。巖層各分層的下端固定于AB線以下未移動(dòng)的巖體中，其上端位于移動(dòng)范圍內(nèi)，因此，各個(gè)分層產(chǎn)生彎曲移動(dòng)時(shí)，沿各分層層面的最弱面將產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，由于這種錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果，在巖層露頭處就產(chǎn)生了臺(tái)階狀的移動(dòng)。二、地表移動(dòng)盆地的形成在采煤工作面開始回采后，上覆巖層從采空區(qū)頂板開始，由下而上以冒落、斷裂、離層彎曲的形式移動(dòng)，當(dāng)工作面與開切眼的位置為平均采深H0的1/4~1/2時(shí)，這種移動(dòng)開始波及到地表，這個(gè)洼地面通常叫做地表移動(dòng)盆地。三、地表移動(dòng)與變形分析地表傾斜變形由于地表相鄰點(diǎn)的下沉量不等，產(chǎn)生兩點(diǎn)之間傾斜，其傾斜度通常用字母i表示，如上圖，2、3兩點(diǎn)之間的傾斜為