1、矿山采场顶板活动规律教学知识第一节 概述基本概念1.回采工作面（简称采场）直接进行采煤或采有用矿物的工作空间。2.顶板、底扳顶板：赋存在煤层之上的岩层。底扳：煤层以下的岩层。直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。伪顶：煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.30.5m极易跨落的软弱岩层。老顶：位于直接顶上方的厚而坚硬的岩层。直接底：直接位于煤层之下的岩层。3.采空区处理方法（1）刀柱法（2）顶板缓慢下沉法（3）全部充填或局部充填法（4）全部跨落法刀柱法：煤柱支撑法即在采空区留一定宽度的煤柱以支撑顶板。此法在难垮顶板中使用，但常常给下部煤层开采带来困难。顶板缓慢下沉法随着开采顶板弯曲下
2、沉，而后将采空区填实。一般在采高较小、顶板易于弯曲下沉（如石灰岩顶板）时使用。充填法随着开采，将采集的充填料用机械或人工将采空区充填以控制顶板，此种方法由于费用很高，因而只是采特厚煤层或者有必要减少地表沉陷时采用。全部跨落法即让直接顶廓落，利用岩石跨落后的碎胀性使采空区填满以控制老顶的活动。 第二节 有关采场上覆岩层活动规律的假说一、有关假说自从采用长壁工作面开采以来，上覆岩层中是否存在着大结构，以及此结构是什么形式，一直是采矿科学研究的重要课题。 1.压力拱假说 它是由德国人哈克和吉里策尔于1928年提出的。 该假说认为： 长壁采煤工作面自开切眼起就形成压力拱，此后，拱随着工作面的推进而扩大
3、，直至拱顶达到地表为止。在工作面前后煤体中形成的前拱脚a，后方跨落岩石则形成后拱脚b，a、b均为应力增高区，工作面则处于应力降低区，支架承受的载荷仅为上覆压力拱内的岩石重量。 优点：能解释围岩卸载的原因； 缺点：未能说明岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互关系。2.悬臂梁假说它是德国的施托克于1916年提出的。该假说认为：工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它一端固定于岩体内，另一端则处于悬伸状态，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，靠近煤壁处顶板下沉量最小，表现的顶板压力也小。3.预成裂隙假说由比利时学者A拉巴斯于1850年提出的。认为：（1）由于开采的影
4、响，破坏了回采工作面上覆岩层的连续性，从而成为非连续体。（2）在回采工作面周围存在着应力降低区，应力增高区和采动影响区。（3）假塑性体，支架应具有足够的支撑力和工作阻力。4.铰接岩块假说由苏联学者库兹涅佐夫于19501954年提出。认为：（1）工作面上覆岩层的破坏可分为垮落带和其上的规则移动带。（2）垮落带分上下两部分，下部垮落时，岩块杂乱无章，上部垮落时，则呈规则的排列，但与规则移动带的差别无水平方向有规律的水平挤压力的联系。规则移动带岩块间可以相互铰合而形成一多环节的铰链，并规则地在采空区上山下沉。（3）工作面支架在两种不同的状态，“给定载荷”、“给定变形”。二、裂隙带岩层的岩体结构模型我
5、国学者在总结上述假说的基础上，以及在大量生产实践及对岩层内部移动进行现场观测的基础上，于70年代末80年代初提出了岩体结构的“砌体梁”力学模型，从而发展了上述有关假说。假说认为：采场上覆岩层除形成“三带”（垮落带、规则移动带及弯曲下沉带）外，在规则移动带及其以上岩层内，已断裂的岩块相互咬合有可能形成外形如梁实则是拱的结构体。由于岩块排列如“砌体”，故可称之为砌体梁。此结构是由“煤壁支架采空区已垮落矸石”所支撑，由于这种结构的存在，因此沿开采方向上覆岩层可分为三个区：煤壁支撑影响区，离层区和重新压实区。并假设：1.上覆岩层的岩体结构主要是由每个坚硬岩层所组成。为此，可将上覆岩层划分为若干组，每组
6、以坚硬岩层为底层。2.每个分组中的软岩层可视为坚硬岩层的载荷，在很多情况下它将跟随硬岩层运动而运动。3.由于开采的影响，坚硬岩层已断裂成排列较整齐的岩块。4.由于层间的摩擦力无法阻挡岩块的转动和水平移动，为此可假设将软岩层视为无数垂直的杆，即只能传递垂直载荷，而无法阻止水平力。5.当岩块由回转而恢复到水平位置时，块间的剪切力又变为零。为此，以后的岩块可以用一水平连杆来代替。第三节 直接顶的稳定性直接顶是工作面直接维护的对象，直接顶经常处于破断状态，且无水平力的挤压作用，因而它难于形成结构，它的重量全应由工作面支架来承担。从岩体形成结构的观点分析，对于老顶形成的大结构，支架是通过直接顶对其起支撑
7、作用。因此，直接顶的完整情况，将首先影响到工作面的安全，同时也是支护能否发挥其性能的重要保证。一、直接顶岩块离散原因分析直接顶的稳定性取决于直接顶本身的力学性质及老顶运动对它的影响，同时也受支架架型及力学性质的影响。 1.节理裂隙的切割在我国生产实践中早已注意到弱面对顶板稳定性的影响，有些矿区将这些弱面简称为“劈”而其中有些劈的组织形式对直接顶的稳定性影响较大，如人字劈与升斗劈如下图。这种劈理常使单体支柱工作面在毫无预兆的情况下发生局部冒顶。2.初次放顶前直接顶所处的状态大部分均可能发生离层。原因：老顶此时尚处于板的悬露状态，因而挠度较小，而直接顶则由于强度较弱，或由于岩层较薄，使直接顶的挠度
8、有可能大意老顶的挠度而发生离层。3.支柱的影响，支架架型的影响单体支柱：前排支柱刚支设，初撑力较低。液压支架：无支护工作空间较宽。常常形成顶板离层。4.工作面长度较小时，老顶常处于悬露状态。5.分层工作面6.回柱放顶二、初次放顶前直接顶的离层与断裂在顶板分类中常以直接顶初次跨落步距作为衡量其稳定性的综合指标。由于直接顶本身难于形成结构，因而常受老顶岩层形成的结构形态所影响，现以老顶初次来压前直接顶初次放顶时进行分析。此时，老顶的最大挠度为直接顶的最大挠度为 式中： ：加于老顶的载荷； ：老顶自身单位长度的载荷； ：初次放顶步距；：直接顶厚度；、：直接顶弹性模量及断面惯矩； 、：老顶弹性模量及断
9、面惯矩。直接顶与老顶之间自身不形成离层的条件为： 即： 令且，则上式可写成 即： 即： 直接顶的初次跨距：当工作面自开切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度。采空区进行初次放顶，直接顶开始跨落，此时直接顶的跨距称为初次跨落距。若直接顶岩层的厚度为，则它冒落后堆积的高度为，它与老顶之间所可能留下的空隙为： 当时，则，即冒落的直接顶将充满采空区，此时，老顶一般弯曲下沉量很小，可以忽略不计，因此，形成充填采空区所需直接顶的厚度为： 第四节 老顶的断裂形式一、老顶岩层的梁式平衡假设0，则老顶呈悬露状态，可将老顶视为一端由工作面煤壁支撑，另一端由边界煤柱支撑的两端固定的梁，即“梁”的假设。现在分析这
10、种梁的应力状态。因为是对称梁，所以梁两端的反力，弯距取，则：取岩层内任意截面，其剪力为 这样，就可以作出剪力图，如下最大剪力发生在固定梁的两端及处，其值为 弯距为： 根据材料力学解为： 在梁的中部，若为简支梁 梁中间处，弯距最大 第五节 老顶的初次破断步距一、梁式断裂时的极限跨距极限跨距：老顶岩梁达到断裂时的跨距。解算：已知梁内任意点的正应力为：式中：该点所在断面的弯距；：该点离断面中性轴的距离；：截面对中性轴的惯矩；若取梁为单位宽度，如下图则梁的断面矩（为老顶岩层的单层厚度）因而，任意点A的正应力为：矩形截面梁的剪应力为：为距中性轴的面距 因而： 最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，即，因
11、此 根据固定梁的计算，最大弯距发生在梁的两端。 因此，该处的最大拉应力为： 当（抗拉强度） 则： 若以最大剪应力作为岩层断裂的依据，由于最大剪切力发生在梁的两端， 所以， 令（抗剪强度）则：所求极限跨距为注意：1.由于弯距形成的极限跨距比剪切应力形成的极限跨距小，因此，常常按弯距来计算极限跨距。2.在什么情况下应按简支梁或按固定梁计算需根据煤层赋存深度及边界煤柱两侧采空的程度来定。3.在使用刀柱法或房柱法开采时，为了保证工作空间顶板的完整性，刀柱或煤柱的间距应采用岩层梁的安全跨距。 固定梁 简支梁式中，。4.在上述各关系中，关键是确定岩层梁所承受的载荷。一般煤层上方的岩层是由好几层岩层组成。因
12、此，第一层岩层的极限跨距所应考虑载荷的大小须根据各层之间的相互影响来定。下式表示层岩层对第一层影响所形成的载荷 式中：、：各层岩层的弹性模量，n为岩层数； 、：各层岩层的厚度； 、：各层岩层的容重。当计算到时，则以作为作用于第一层岩层单位面积上的载荷。第六节 老顶断裂后“砌体梁”结构及其稳定性当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面的继续推进，老顶即发生断裂。破断的岩块，由于互相挤压而形成水平推力，从而在岩块间产生摩擦力，形成裂隙体梁。这种结构是由排列整齐的岩块互相挤压而形成，它属于形式是梁，实质是拱的结构，如同受挤压的砌体一样，因而也称之为砌体梁。由于岩层抗拉强度较小，老顶岩梁很可能先在两侧支座
13、的上端裂开，而后在梁的中间底部裂开，随着岩块的转动形成强大的水平挤压力，使岩块间形成了三铰拱式的平衡。成拱的条件取决于原岩应力及水平挤压力的大小，因此，并不是老顶岩梁刚达到断裂极限跨距即发生跨落，它还取决于以下的平衡条件。1.结构的滑落失稳根据三铰拱的平衡原理，成拱且使岩块保持平衡的水平推力为： 由， 得： 式中：裂隙体梁的载荷集度；：跨距； ：老顶岩层的厚度。梁的剪切力在两端支座处为最大，其值为，若剪切力与摩擦力相等时，呈极限平衡状态，若剪切力大于摩擦力，此结构将失稳。 式中：岩块相互间的摩擦角。将及代入得 上式即失稳条件。若考虑老顶岩块破断时，断裂面与垂直面成一断裂角，则咬合点的关系有两种
14、情况。第一种情况：则平衡条件为：当时，则不论水平推力有多大，都不能取得平衡，只有在时，才有可能取得平衡。一般情况下，。因此，当，即节理面与层面的夹角大于时，才有可能取得平衡。第二种情况：平衡条件：则： 第七节 回采工作面上覆岩层移动概况一、矿区岩层移动的典型图式1.在近似水平或缓倾斜煤层埋藏条件下，煤层上方的岩层以层状弯曲的形式出现。这种移动，一般不会引起由于岩石自重作用下的沿层面的错动。这种形式发生的主要条件是： ：煤层倾角；：沿岩层中最软弱层面上的摩擦角。2.煤层上方的岩层以层状作法向弯曲的同时，有微小的沿层面方向的移动。其产生的条件是： 此时，在充分移动区A1OD1内，移动矢量在岩石自重
15、作用下，由岩层的法线方向偏向下山方向，岩层的下部A1B1附近，随着岩层倾角的增大，沿岩层层面方向的压缩变形亦增加，而在上部C3D1附近，沿岩层层面拉伸变形增加，同时，在C3D1以外，将有沿层面方向的移动。 3.在急倾斜煤层开采过程中，在煤层下盘岩层内将产生移动，下盘岩层移动的条件为 ：岩石的内摩擦角。 对于沉积岩来说，角为2636，一般煤层的倾角为5060时，下盘岩层才移动，而与公式相适应的煤层倾角为5863。 4.开采急倾斜煤层时，煤层上盘岩层以悬臂梁弯曲形式移动。岩层各分层的下端固定于AB线以下未移动的岩体中，其上端位于移动范围内，因此，各个分层产生弯曲移动时，沿各分层层面的最弱面将产生错
16、动，由于这种错动的结果，在岩层露头处就产生了台阶状的移动。 二、地表移动盆地的形成在采煤工作面开始回采后，上覆岩层从采空区顶板开始，由下而上以冒落、断裂、离层弯曲的形式移动，当工作面与开切眼的位置为平均采深H0的1/41/2时，这种移动开始波及到地表，这个洼地面通常叫做地表移动盆地。 三、地表移动与变形分析1. 地表倾斜变形由于地表相邻点的下沉量不等，产生两点之间倾斜，其倾斜度通常用字母i表示，如上图，2、3两点之间的倾斜为 2. 地表曲率变形按照上式计算出相邻两线段的倾斜变化由于地表变形很小，所以平均倾斜变化可理解为地表弯曲的平均曲率，在实际工作中，观测线上测点之间距一般都是等距离的，所以上
17、式可改为：若以曲率半径表示，则。3.地表水平变形 三种变形及两种移动是研究地表变形的重要内容。四、煤层开采后上覆岩层的运动规律1.根据观测，岩层移动曲线符合负指数函数关系 式中：岩层移动基本稳定后的位移量； ：离以工作面位置为原点的走向距离为处的位移量； ：为基本稳定点离工作面距离，可取5060m左右； 、：系数。2.煤层上方的岩层在开采的影响下，一般在回采工作面前方3040m处就开始变形。特点：水平移动较为剧烈，但垂直移动甚微。在有些场合垂直位移量还会出现负值（即岩层有上升现象）。当工作面推过次区域，才引起垂直位移急剧增加。 3.回采工作面推过钻孔48m后，垂直位移急剧增加，但各层位移速度不尽相同，其特点为越向上越缓慢。 此时必然在此区域内形成层间离层。 4.当已断裂的岩层重新受到已冒落矸石支撑时，变形曲线又趋于缓和。 特点：邻近煤层的岩层，其运动速度要缓于其上覆岩层。 根据上述特点，可将上覆岩层沿工作面推进方向分为三个区： A：煤壁支撑影响区； B：离层区； C：重新压实区。沿垂直方向可分为三个带：冒落带；：裂缝带；：弯曲下沉带。
