第三章采場(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律

第三章采場(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律第1頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述一、回采工作面（采場(chǎng)）二、頂板：賦存在煤層之上的鄰近巖層。頂板根據(jù)其與煤層的相對(duì)位置和巖性又分為：偽頂、直接頂和基本頂。①偽頂：位于煤層之上隨采隨冒落的極不穩(wěn)定巖層，其厚度一般在0.5m以下，巖性多為炭質(zhì)頁(yè)巖。②直接頂：位于煤層或偽頂之上有一定的穩(wěn)定性，移架或回柱后能自行垮落的巖層，巖性多為砂頁(yè)巖、頁(yè)巖③基本頂：又稱老頂。位于直接頂或煤層之上，通常厚度及巖石強(qiáng)度較大、難以垮落的巖層。第2頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、底板：賦存在煤層之下的鄰近巖層。第3頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、工作空間形式：根據(jù)采空區(qū)的處理方法，分為幾種工作空間形式：(a)刀柱(留煤柱);(b)頂板緩慢下沉法;(c)充填法;(d)全部垮落第4頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、大結(jié)構(gòu)：巖層未破壞的部分，或者雖然已破斷但仍能整齊排列的部分，有時(shí)能形成大結(jié)構(gòu)。這種大結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)上覆巖層重量，從而對(duì)巷道及回采空間起保護(hù)作用。

但隨著時(shí)間的延續(xù)，由于煤巖的蠕變特性，使圍巖不易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致圍巖的“擠、壓、鼓”現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)測(cè)，回采空間支護(hù)物所承受的力僅為上覆巖層重量的百分之幾。證明：？第5頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)有關(guān)采場(chǎng)上覆巖層“大結(jié)構(gòu)”的假說(shuō)拱腳（支撐點(diǎn)）在采空區(qū)內(nèi)已垮落的矸石上或采空區(qū)充填體上。在前后拱腳間形成了一個(gè)減壓區(qū)，回采工作面的支架只承受壓力拱內(nèi)巖石的重量。一、壓力拱假說(shuō)該假說(shuō)認(rèn)為，由于巖層自然平衡的結(jié)果而形成一個(gè)前拱腳（支撐點(diǎn)）在工作面前方煤體，后第6頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

此假說(shuō)認(rèn)為，工作面和采空區(qū)頂板可視為一端固定于煤壁前方巖體內(nèi)，另一端處于懸伸狀態(tài)的梁，懸臂梁彎曲下沉后，受到已垮落巖石的支撐，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(lái)壓。二、懸臂梁假說(shuō)第7頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月律的水平擠壓力的聯(lián)系，從而相互鉸合而形成一條多環(huán)節(jié)的鉸鏈。該假說(shuō)認(rèn)為，工作面支架存在兩種工作狀態(tài)：給定載荷狀態(tài)；給定變形狀態(tài)。三、鉸接巖塊假說(shuō)此假說(shuō)認(rèn)為，采場(chǎng)上覆巖層分為垮落帶和裂隙帶，二者的差別在于，裂隙帶巖塊間存在有規(guī)第8頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

此假說(shuō)認(rèn)為，在采場(chǎng)周圍存在應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力增高區(qū)和采動(dòng)影響區(qū)，并隨工作面推進(jìn)而向前移動(dòng)。采動(dòng)巖體形成各種裂隙，從而形成假塑性梁。四、

預(yù)成裂隙假說(shuō)第9頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

“砌體梁”結(jié)構(gòu)是基于采動(dòng)巖體移動(dòng)的如下特征而提出的：五、砌體梁假說(shuō)采動(dòng)上覆巖層的巖體結(jié)構(gòu)的骨架是覆巖中的堅(jiān)硬巖層，可將上覆巖層劃分為若干組，每組以堅(jiān)硬巖層為底層，其上部的軟弱巖層可視為直接作用于骨架上的載荷，同時(shí)也是更上層堅(jiān)硬巖層與下部骨架聯(lián)結(jié)的墊層。

第10頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上方堅(jiān)硬巖層在裂縫帶內(nèi)將斷裂成排列整齊的巖塊，巖塊間將受水平推力作用而形成鉸接關(guān)系。巖層移動(dòng)曲線的形態(tài)經(jīng)實(shí)測(cè)呈開始為下凹、而后隨工作面的推進(jìn)逐漸恢復(fù)水平狀態(tài)的過程，由此決定了斷裂巖塊間鉸接點(diǎn)的位置。若曲線下凹，則鉸接點(diǎn)位置在巖塊斷裂面的偏下部；反之，則在偏上部。如果在回采空間以及鄰近的采空區(qū)上方出現(xiàn)明顯的離層區(qū)，說(shuō)明該區(qū)內(nèi)斷裂的巖塊可以形成懸露結(jié)構(gòu)。第11頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于墊層傳遞剪切力的能力較弱，因而兩層骨架間的聯(lián)結(jié)能用可縮性支桿代替。當(dāng)骨架層的斷裂巖塊回轉(zhuǎn)恢復(fù)到近水平位置時(shí)，巖塊間的剪切力趨近于零，此時(shí)的鉸接關(guān)系可轉(zhuǎn)化為水平連桿聯(lián)結(jié)關(guān)系。最上層為表土沖積層，可將其視為均布載荷作用于巖體結(jié)構(gòu)上，而骨架層各巖塊上的載荷將隨墊層的壓實(shí)程度而變化。第12頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第13頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)直接頂?shù)目迓?、直接頂初次垮落距1、直接頂初次垮落3、直接頂垮落后的碎脹特性形成充滿采空區(qū)所需直接頂厚度為：第14頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、直接頂初次垮落前的離層

直接頂最大擾度

老頂最

大擾度

不離層

條件第15頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、直接頂初次垮落前的離層 粗略地講，當(dāng)直接頂厚度小于或等于老頂厚度時(shí)，均易于形成直接頂與老頂間離層。為了防止直接頂因離層產(chǎn)生推跨事故必須保證支架具有一定的初撐力：第16頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月紅外鉆孔攝像機(jī)第17頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

切眼鉆孔位置圖第18頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直接頂和老頂間發(fā)生離層第19頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第20頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)老頂?shù)臄嗔研问揭?、老頂?shù)牧菏綌嗔牙享攦啥斯讨Я菏芰Ψ治龅?1頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、老頂?shù)陌迤茢?/p>

一般老頂巖層可視為薄板，按薄板的Marcus簡(jiǎn)算法對(duì)板的破斷進(jìn)行分析。第22頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第23頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第24頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)老頂?shù)某醮螖嗔巡骄鄡啥斯讨Я簶O限跨距：老頂達(dá)到初次斷裂時(shí)的跨距稱為初次斷裂步距。

按材料力學(xué)方法可求得老頂梁式斷裂步距。一、梁式斷裂時(shí)的極限跨距第25頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第26頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月兩端固支梁極限跨距：按抗拉強(qiáng)度：按抗剪強(qiáng)度：兩端簡(jiǎn)支梁極限跨距：按抗拉強(qiáng)度：第27頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月舉例：設(shè)h＝4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174Kpa按抗拉：按抗剪：固支梁破斷距為36m破斷距為1005m簡(jiǎn)支梁破斷距為29m彎矩形成的極限跨距比剪切力形成的極限跨?。缓?jiǎn)支梁的抗彎極限跨距比固支梁的??；第28頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月老頂承受載荷計(jì)算第29頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、老頂板斷裂的極限跨距 老頂板斷裂步距與邊界支撐條件有關(guān)。a＝lm·ωlm老頂?shù)牟骄鄿?zhǔn)數(shù)ω邊－長(zhǎng)系數(shù)對(duì)四周固支板支撐條件對(duì)斷裂步距影響：

λ＝a/bb

工作面長(zhǎng)度

ω1≥ω2≥ω3

≥ω4

>√2/3第30頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工作面長(zhǎng)度對(duì)斷裂步距影響：以四邊固支為例，b>3lm時(shí)，a≈lm。說(shuō)明工作面長(zhǎng)度對(duì)破斷步距影響甚微。3lm≥b>√2lm時(shí)，則lm<a<√2lm

。說(shuō)明隨工作面長(zhǎng)度縮短，步距顯著增大。老頂破斷呈橫“o－x”型。第31頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b＝√2lm時(shí)，則a＝√2lm

＝b。老頂呈正“o－x”破斷，即“見方垮落”。lm<b<√2lm時(shí)，則a>√2lm>

b。初次破斷步距大于工作面長(zhǎng)度，老頂呈豎“o－x”型破斷。

b<

lm時(shí)，老頂穩(wěn)定不垮落，即形成短壁開采工作面或巷道的情形。第32頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)老頂斷裂后的“砌體梁”結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析一.老頂初次斷裂后的“砌體梁”平衡第33頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)若三鉸拱式結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，必須滿足：可見是否產(chǎn)生滑落失穩(wěn)主要取決于老頂破斷巖塊的高長(zhǎng)比。高長(zhǎng)比越小，結(jié)構(gòu)抗滑落失穩(wěn)的能力越大。第34頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一般情況下，φ=38°~45°，tanφ=0.8~1.0。因此，要防止老頂初次破斷后“砌體梁”結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑落失穩(wěn)巖塊的高長(zhǎng)比要小于0.4~0.5，即巖塊長(zhǎng)度要大于2~2.5倍巖塊厚度。第35頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若考慮老頂斷裂面與垂直面成一斷裂角θ，滿足不滑落失穩(wěn)的條件為：對(duì)于圖3-24(a)，當(dāng)θ≥φ時(shí)，不論水平推力T有多大，都不能取得平衡。第36頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、結(jié)構(gòu)的變形失穩(wěn)在巖塊的回轉(zhuǎn)過程中，由于擠壓處局部應(yīng)力集中，致使該處進(jìn)入塑性狀態(tài)，甚至局部受拉而使咬合處破壞造成巖塊回轉(zhuǎn)進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。第37頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.“砌體梁”全結(jié)構(gòu)模型的受力分析第38頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由上述分析可知，此結(jié)構(gòu)的特征為：離層區(qū)懸露巖塊的重量幾乎全由前支承點(diǎn)承擔(dān)；巖塊B與C間剪切力接近于零，因而此處相當(dāng)于巖塊咬合形成半拱的拱頂；此結(jié)構(gòu)的最大剪切力發(fā)生在巖塊A與B之間，等于巖塊B本身的重量及其載荷；此結(jié)構(gòu)中第一、二斷裂巖塊即B與C對(duì)結(jié)構(gòu)平衡起關(guān)鍵作用，是結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵塊。第39頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)必須具有的水平力為：可見，hi越厚，si0越小，則形成此結(jié)構(gòu)所要求的Ti力也越小。當(dāng)si0=hi時(shí)，Ti→∞。這種結(jié)構(gòu)無(wú)法形成。因此，上覆巖層中，只有具有一定厚度的巖層(大于下沉量Si0）才能形成此結(jié)構(gòu)。第40頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月si0小的含義反映了以下幾種情況：直接頂較厚；采空區(qū)采用充填法處理；采高較小的煤層；離開煤層距離較遠(yuǎn)的巖層。按滑落失穩(wěn)條件，得到巖塊長(zhǎng)度與厚度的關(guān)系為：第41頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)分析所得的結(jié)論，可對(duì)以下礦山壓力現(xiàn)象做出解釋：老頂巖塊的滑落失穩(wěn)是工作面頂板出現(xiàn)臺(tái)階以及有時(shí)地表下沉出現(xiàn)臺(tái)階的原因；煤壁上方老頂剪切力最大是工作面頂板沿煤壁切落的原因；第42頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上覆巖層結(jié)構(gòu)的存在是支架受力小于覆蓋層重量的原因，并由此可以分析工作面支架工作阻力必須平衡的頂板壓力大小；采高小、直接頂較厚和采用充填法處理采空區(qū)是工作面頂板壓力比較小的原因；工作面形成的支承壓力主要集中于前拱腳的原因。第43頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七節(jié)老頂斷裂時(shí)在巖體內(nèi)引起的擾動(dòng)老頂巖層可視為夾持在上下軟巖層間的彈性地基梁或彈性地基板，近似滿足Winkler彈性地基假定。