第5章+回采工作面上覆岩层活动规律及其分析.doc

70矿山压力与岩层控制教案（第二版，王家臣，2007-12-20）第五章 回采工作面上覆岩层活动规律及其分析5.1 概述 在煤层或矿床开采过程中，一般把直接进行采煤或开采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。老顶底板直接顶煤层伪顶直接底顶板：位于煤层之上的岩层称为顶板。分为：（1）直接顶（immediate roof）：直接顶位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层；通常由具有一定稳定性且易于随工作面回柱放顶而垮落的页岩或砂页岩等岩层组成。也有人认为采空区冒落带内的岩层统属于直接顶。（2）伪顶（false roof）：直接顶与煤层间厚度小于0.5m极易垮落的软弱岩层，它随采随冒。（3）老顶（基本顶，main roof）：直接顶上方（有时直接位于煤层之上）的厚而坚硬的岩层。一般由砂岩、石灰岩、砂砾岩等岩层组成。也有人认为冒落带以上的裂隙带岩层统属老顶。底板：位于煤层以下的岩层。直接底：直接位于煤层之下的岩层。工作面回采过程中，必须对回采工作面进行支护，保证工作面有足够的作用空间和形态。同时对采空区要进行处理，目前对采空区的处理方法主要有以下几种。其中全部垮落法具有回采率高、成本低、简单的优点，在条件适宜时，尽量采用这种方法。采用全部垮落法时，随着工作面推进，回采工作面空间形状变化见下图。 在煤体内形成回采空间，其上方的岩体部分重量则有支架承担，同时前方煤壁和采空区冒落的矸石也要承担部分压力。有时由于上位岩层的变化对支架也会产生压力。将这些原因对支架产生的压力常称为顶板压力或矿山压力。回采空间或巷道上方岩层中未破坏部分或未产生剧烈变形部分，或虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分，有时能形成岩体内的大“结构”。这种大结构能够承担上覆岩层重量，从而对巷道及回采空间起保护作用。根据实际测定，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层的百分之几。但当工作空间维护的时间较长时，有时由于岩体内所受的力超过了其弹性极限，或由于煤岩的蠕变特性，则使围岩不易形成稳定性结构。这种现象在巷道中极易出现，从而导致巷道围岩的“挤、压、臌”现象。对于回采工作空间，尤其是工作面推进较快时，这种时间影响因素就会变得次要，上覆岩层极易形成大“结构”。5.2 老顶岩层的稳定性5.2.1老顶岩层的梁式平衡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，直接顶开始垮落，此时直接顶的跨距称为初次垮落距，初次垮落距的大小与直接顶岩层强度、分层厚度、直接顶内节理裂隙的发育程度有关。岩层破碎后，体积将产生膨胀，破碎膨胀后的体积与破碎前的体积之比称为碎胀系数。岩石破碎后，在其自重及外载作用下，渐趋压实，碎胀系数变小，压实后的体积与原体积之比称为残余碎胀系数。Kp碎涨系数M煤层厚度设直接顶岩层的垮落厚度为h，则它冒落后堆积的高度为Kph，它与老顶之间可能留下的空隙为：当时，则，即冒落的直接顶将充满采空区。此时，假设，则老顶呈悬露状态。类似板状结构，它的一边由工作面煤壁支承，另外三边则由煤柱支撑。当工作面倾斜长一般老顶沿走向的悬露长，所以可将老顶视为一端由工作面煤壁，另一端由边界煤柱支撑的两端固定的“梁”，即所谓梁的假说。此时若老顶之上的岩层强度较低，则上覆岩层的重量将通过老顶“梁”传递至两端的支点上，即煤壁和煤柱上。见下图分析。由于对称原因，。，岩梁内任一截面上的剪切力为：则最大剪力发生在梁的两端：固定岩梁任意截面的弯距为：由材料力学可解得M1，可直接由材料力学解当x=0，L处（两端），。在梁的中部处，。上面是按固定梁的计算结果，实际上两端的支承条件也有差异。如一侧的采空区已采完时，见下图，隔离煤柱上方的顶板已处于自由状态。因而更接近于简支梁支座。有些国家已将浅部矿井老顶按简支梁计算，认为浅部矿井岩层顶板由于两端煤体上集中压力较小，因而可视为简支梁支座，但在深部应视为固定梁。若为简支梁时，梁内的剪力分布与固定梁同，但弯距则不同。最大弯距发生在梁的中间，。隔离煤柱5.2.2 老顶岩层的板式结构分析随着回采工作面自开切眼开始推进，根据已采空面积的情况，如华北地区的一般条件，回采工作面长150200m，推进30m左右，老顶岩层初次断裂。一般老顶岩层厚24m。按照薄板的假设，其厚度（h）与宽度（a）的比值。因此，可视老顶岩层为薄板，当老顶与上部岩层离层时更是如此。根据开采条件及边界煤柱大小，又可将老顶岩层假设为下图所示四种情况：（a）四周固支：（b）三边固支一边简支；（c）两边固支两边简支；（d）一边固支及三边简支。通过近似解法，可获得岩层板破断地一般规律。以四周边固支的板为例，在长边的中心部位，弯距的绝对值最大。随着工作面推进，当达到一定值时，首先在此形成断裂，而后在外边的中央形成裂缝，待四周裂缝贯通后，板中央的弯距又达到最大值，超过强度极限而形成裂缝，最后形成X形破坏，见下图。 对于其它支承条件时，其破裂过程与上述相近。5.3 老顶初次破断时的极限跨距（梁式分析）老顶岩梁达到断裂时的跨距称为极限跨距，可由材料力学方法求得。 梁内任意点的正应力为：where: M该点所在截面的弯距；y该点离断面中性轴的距离；Jz对中性轴的断面矩。若取梁为单位宽度，则梁的端面矩，（h为老顶岩层的单层厚度）。任意点A的正应力，该点的剪应力，其中为A点断面的剪切力。最大剪应力发生在矩形断面梁的中心轴上，即，。h单层梁的厚度根据固定梁的计算，最大弯距发生在梁的两端，因此，该处的最大拉应力为：当时，即岩层该处的拉应力达到该处抗拉强度极限时，岩层将在该处发生断裂。为此，这种岩梁断裂时的极限跨距为：按抗拉原则确定的极限跨距若以最大剪应力作为岩梁断裂的判据，最大剪切力发生在梁的两端，因此，最大剪应力：当达到岩梁的极限抗剪强度Rs时，形成的极限跨距为：按抗剪原则确定的极限跨距。按简支梁计算时，其最大剪应力仍为，因此按抗剪原则计算出的极限跨距与固定梁的相同。但简支梁与固定梁的最大弯距却不同，因而由弯距产生的拉应力也不同，此时：当时，L达到极限跨距显然，在同样条件下，由简支梁计算所得的极限跨距要比固定梁计算所得的小。在一般情况下，由于弯距形成的极限跨距要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。在什么条件下应按简支梁计算或按固定梁计算，需根据煤层赋存深度及边界煤柱两侧采空的情况来定。在采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距，此时，取岩层趋向断裂的安全系数为n，以顶板岩层的安全跨距为：一般取 n=6固定梁时 简支梁时 上述计算中，可由试验确定，h可由钻孔资料获得。关键是如何确定岩梁所受载荷q，一般煤层上方的岩层是由好几层岩层组成。因此，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n层岩层对第一层（最下面的岩层为第一层）影响所形成的载荷（）。式中，E1，E2，En各层岩层的弹模，n为岩层数；h1，h2，hn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的单位面积上的载荷。具体推导如下，见下图，多层梁示意图。根据组合梁原理，组合梁上每一截面x上的剪力Q和弯距M，都由n层各层的小截面来负担，其关系为:；每层岩层梁在其自重作用下，形成的曲率不同。由材料力学知，i岩梁曲率（为第i层岩梁的曲率半径），与弯距(Mi)x关系如下： i岩层x截面的弯距；、i岩层的弹模和断面矩。认为各岩层梁组合在一起，没有明显离层。当岩层的曲率半径较大时，则上下层曲率趋于一致，则有：，而由于 （g），代入(g)式，得：即为考虑到n层对第一层影响时形成的荷载，即。该式计算结果为均布载荷 当计算到时，说明再向上计算无意义，其n+1层自身可承载，取作为作用于第一层岩梁上的载荷集度。5.4 裂隙体梁的平衡当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面继续推进，老顶即发生断裂，断裂后的一般状态见下图。 整个顶板的破断方式可分为三个明显的区域，上、下区为圆弧形破坏，岩块间呈立体咬合关系。中部呈似梁的咬合关系，见A-A断面。但由于破断的岩块相互挤压，产生了水平力，这使中部又呈现出能传递水平力的拱的关系。这种表面似梁，实质是拱的裂隙体梁的平衡关系结构，称为“砌体梁”。由于岩层的抗拉强度很小，老顶岩梁很可能先在两侧支座的上端裂开，而后在梁的中间底部开裂，随着岩块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。见下图。 根据实验及力学分析，若破断岩块较多，则成拱的条件主要取决于原岩应力及岩块转动过程中所形成的水平挤压力的大小。水平挤压力较大时，仍然能使多个岩块挤压在一起，呈悬露状态。因此，并不是老顶岩梁刚达到断裂极限跨距，即发生垮落，它还决定于以下平衡条件。（1）结构的滑落失稳咬合处摩擦力的大小，即水平挤压力与该处摩擦系数的乘积，此力的作用方向与岩块滑落的方向相反，因而起防止岩块间相互滑落的作用。由三铰拱的平衡原理，成拱且使岩块保持平衡的水平推力T为：RT(qn)1FT where ：q：裂隙体梁的载荷集度；L：跨距；H：老顶岩层的厚度。在裂隙体梁两端支座处的剪切力最大，其值为。当剪力与摩擦力F相等时，呈极限平衡状态。i.e 岩块间的摩擦角if ：剪力大于摩擦力，结构将失稳。 将按抗拉准则确定的极限跨距代入上式，则： 该式是三铰拱老顶岩块失稳的力学条件 若考虑到老顶岩层断裂时，断裂面与垂直面成一断裂角，则咬合点的关系见下图。见上图，沿滑动面a-a建立力的平衡方程： 当时，上式不易满足。所以此时不论水平推力T有多大，岩块都会失稳。一般情况下，。因此当节理面与层面交角小于450520时，都将发生老顶岩块的失稳和滑落。当断裂如下图（b）时，岩块的平衡条件为：。这种岩块的平衡要比上一种情况好。（2）结构的变形失稳这是指在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。见下图表示的岩块回转状态。图中鉴于咬合点处于塑性状态，因而T力的作用点取a/2处。取，则 当较小时：where ： 较小时： 由 有： 咬合处形成的挤压应力为： 其中 为岩块的长宽比。令岩块间的挤压强度与抗压强度的比值为，则允许承受的载荷q为： 而梁在断裂时（达到极限跨距）荷载q与岩梁抗拉强度的关系为： （由极限跨距公式而来的近似计算结果）式中 K根据梁的固支或简支等状态而定，一般为1/21/3。因此，在一般岩石中抗拉强度与抗压强度的比值为n，即 。因此可求得： 而由此可求得在岩梁破断后互相咬合中间下沉量达时，即形成了岩块结构的变形失稳。由上述分析可知，岩梁在破断成岩块后，只要有一定的条件，它仍能形成外形如梁，实质是拱的平衡结构，保持着回采空间，使其不受上覆岩层的全部载荷。5.5 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，因而它难以形成结构，它的重量全由工作面支架来承担。从岩体形成结构的观点来分析，对于老顶形成的大结构，支架是通过直接顶对其起支撑作用。因此，直接顶的完整情况，将首先影响到工作面生产的安全，同时也是保证支护能否全部发挥其性能的重要保证。从顶板事故的现场统计看，许多顶板事故是由于直接顶与老顶产生离层，然后由直接顶引起推垮型事故（单体柱），因此应研究直接顶与老顶间形成离层的条件。5.5.1 直接顶岩块离层原因分析（1）节理、裂隙的切割：见3-15图。一旦支护工作出现疏忽，均可导致直接顶局部冒落。（2）岩性原因：初次放顶前，由于直接顶的挠度大于老顶，此时老顶处于板的悬露状态。直接顶强度较弱，岩层较薄，而产生二者离层。（3）采用单体支护时，第一排支柱刚支设时，初撑力较低，液压支架时，由于无支护空间较宽，又由于前梁的支撑力较小，因而常常形成机道上方顶板离层。（4）工作面较短时，老顶常处于悬露状态，挠度甚小，直接顶的挠度常大于老顶而形成离层。类似于初次放顶前。（5）分层开采工作面，第一分层采出后，冒落的顶板将重新压实。根据采空区内垂直应力重新分布的规律，在采空区四周将形成减压区，从而在采下分层时，此减压区内将形成直接顶岩层的离散状态。5.5.2 初次放顶前直接顶的离层与断裂以工作面中部为例，采用平面梁进行分析,见图3-16。由材料力学，可解出图3-16力学模型老顶的最大挠度为 直接顶的最大挠度为 （认为老顶对直接顶无作用，老顶以上力由老顶承担）E1、E2、J1、J2分别为老顶、直接顶的弹模和断面惯性矩。显然，老顶与直接顶之间不形成离层的条件为： i.e 简化为： 系数令，且。则 ，则 即： 此即为老顶与直接顶不形成离层的理论条件粗略地讲，当直接顶厚度小于老顶厚度，均易形成这种离层。当然这种离层分析的条件：直接顶必须有一定强度，并不是随开切眼推进而冒落，其次是冒落后的直接顶不能填满采空区。这样直接顶岩块间无水平力联系，从而形不成结构。这些均是形成直接顶初次放顶时失稳的条件。考虑到初次放顶前支架支撑力的作用，则不致于形成离层的条件改为： 式中 p为支架单位面积的支撑力。通过类似前述的推导，有： 即支架支撑力达到上述条件可保证直接顶与老顶不离层。5.6 回采工作面上覆岩层岩体结构分析5.6.1 有关的假说自从采用长壁工作面开采以来，上覆岩层中是否存在“大结构”以及此“结构”是什么形式，一直引起人们关注和研究，是采矿科学研究中的重要课题。在研究这个问题的过程中，曾提出过各种采场矿山压力假说。（1）压力拱假说。此假说认为：在回采工作面空间上方由于岩层自然平衡的结果而形成了一个“压力拱”，拱的前拱脚在工作面前方煤体内，后拱脚在采空区已垮落的矸石上，或采空区的充填体上，这样就形成了前拱脚和后拱脚，见下图。随着工作面的推进，前后拱脚也将向前移动。在前后拱脚之间，无论在顶板或底板中都形成了一个减压区，回采工作面的支架只承受压力拱内的岩石重量。此假说对回采工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压范围作了粗略的但却是经典的解释，而对于此拱的特性、岩层移动时各层的力学关系并没有作任何分析。实际上，工作面的矿压现象远远不能用简单的拱就能全部解释清楚。见下图。ab顶板内压力拱轴线（2）悬梁假说这个假说认为：顶板岩层是一种连续介质。在初次垮落以后，可以看作一端固定在工作面前方煤体上的悬臂梁。当顶板由多层岩层组成时，就形成了组合悬梁。当岩梁悬伸长度较长时，将发生有规律的周期性折断，因而对回采工作面造成了周期性来压。此假说认为，靠近煤帮处顶板下沉量最小，表现的顶板压力也小。（3）预成裂隙假说（由比利时学者A.拉巴斯提出）此假说认为：由于开采影响，回采工作面上覆岩层的连续性被破坏，从而成为非连续体。在回采工作面周围存在着应力降低区、应力升高区和采动影响区。随着工作面的推进，三个区域同时相应地向前移动。应力降低区应力升高区采动影响区由于工作面前方支承压力的作用，使顶板岩体中形成了矿压裂隙（张裂隙或剪裂隙），一般随工作面推进而成组地出现。由于开采后上覆岩层中存在有各种裂隙，这些岩层将似塑性体那样可以发生很大的变形。因此可以将其视为“假塑性体”，这种被各种裂隙破坏了的假塑性体处于一种彼此被挤紧的状态时，形成了预应力梁。若下部煤层被采空后，“梁”在自重及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲，此时原来被挤紧的裂隙有可能张开，被裂隙分割开的岩块之间产生相对滑移，致使顶板发生下沉以至于垮落。当下部岩层的下沉量大于上部岩层时，就产生离层，见图3-30。该假说还认为，为了有效地控制顶板，应保证支架具有足够的初撑力和工作阻力。并应及时支撑住顶板岩层，使各岩层岩块之间保持彼此挤紧状态。借助于彼此之间的高摩擦力，阻止它们之间的相对滑移、张裂与离层。（4）绞接岩块假说苏联学者库兹涅佐夫于19501954年间，根据相似材料模型的试验研究，并结合井下实际观测后提出的。认为采空区上覆岩层的破坏可分为不规则冒落带M1，规则冒落带M2和裂隙带ML。不规则冒落带内的岩层，由于受到破断裂隙的分割，分成许多单个岩块，这些岩块可以自由地在采空区垮落，且互不阻碍。在不规则冒落带上的岩层会呈现出规则整齐的冒落，但相互间没有足够的水平力使之成为一体，即M2区。在规则冒落带以上为裂隙带ML，各岩块间相互咬合，运动下沉过程中彼此受到牵制。岩层的规则移动和不规则垮落，取决于岩块之间是否保持上述的绞接连续，形成绞接的条件取决于顶板垮落岩层的厚度H和该岩层垮落时的自由空间高度。该假说认为，铰接岩块间的平衡关系为三铰拱式的平衡。绞接岩块假说正确地阐明了工作面上覆岩层的分带情况。并初步涉及到岩层内部的力学关系及其可能形成的“结构”。但此假说未能对绞接岩块间的平衡条件作进一步探讨。呈现出规则整齐的冒落，但相互间没有足够的水平力使之成为一体，即M2区。在规则冒落带以上为裂隙带ML，各岩块间相互咬合，运动下沉过程中彼此受到牵制。5.6.2 裂隙带岩层的岩体结构分析由上述各种假说及其发展过程的分析可知，在一定程度上，这些假说都是从上覆岩层可能形成的结构出发，来研究回采工作面可能出现的矿山压力。从这个意义上讲，这些假说都包含有某种合理的成分。其中，特别是预成裂隙假说，提出了工作面上覆岩层形成了“假塑性体”，并且它是处于一种“被挤紧的预应力梁”状态。铰接岩块假说则把这种被挤压紧的裂隙体视为一种“三铰拱”式的结构。这些观点对于进一步研究采场矿山压力理论都具有十分重要的意义。统观上述前人的研究成果及现场实测资料，可以将开采中的上覆岩层作如下 分析：1） 上覆岩层的岩体结构主要是由每个坚硬岩层组成。为此，可以将上覆岩层划分为若干分组，每组以坚硬岩层为底层；2）每个分组中的软岩层则可视为坚硬岩层上的荷载，在很多场合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。由于离层，在离层区域内，上下岩层组之间没有垂直力的传递关系。在水平方向上由于有水平推力，形成了铰接关系。铰接点的位置决定于岩层移动曲线的形状。若曲线凹面向下则铰接点位置在断裂面的下部，反之则在上部；4）由于层间的摩擦力无法阻挡岩块的转动及水平移动，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。因此，以后的岩块可以用一水平连杆来代替。这样，根据实测所得到的岩层破坏状况（图3-25），可以提出如图3-32所示的岩体结构模型。图3-32 开采后上覆岩层岩体结构模型由于最上层的表土层是冲积层，所以可将最上一个分组的岩层结构体所承受的载荷视为均布载荷。而以下各分组岩层则不可能受均布载荷作用。7.6.3 岩体结构的受力分析从图3-31所示的结构中任选一组，并将此结构模型示于图3-33中。现在分析此结构的受力特点。此处假设有一岩块B处于悬露状态。此结构的自由度为： （3-30）式中 n岩块的块数，(n-1)为铰链数，(n+2)为链杆数。由此可知，此结构为静定结构。又由于有水平推力，所以此结构是属于几何不变体系。图3-33 某一个岩层分组的结构模型图3-33中所表示的符号为：T水平推力；R下位岩层对上位岩层的阻力及块间的剪切力；Q每一岩块的重量；L每一岩块的长度；S及S每一岩块的下沉量；每一岩块的斜率；h岩层厚度；m载荷系数。每个符号有两个脚标，第一个脚标表示岩层的层位，第二个脚标表示沿走向方向岩块的位置。例如Li0，即表示此岩块是第i分组中第C块岩块的长度。现以一个分组中取7个岩块为例（考虑到垂直移动已基本稳定的距离），可将图3-33中所受的力列出一方程组，用矩阵表示如下：若任意取岩块数，则此方程组可用下列关系式表示。 （3-31）式中为力矩列阵；为矩阵系数；为力列阵。解此方程组，并令则可得：为了对此结构间力的关系作一粗略的估算，根据岩层移动曲线的特点，可将相邻两块岩块的斜率近似地视为相等。则可求得形成此结构所需的水平推力Ti为： （3-32）由此可知，此水平推力的大小与悬露岩块的破断长度Li0、层厚hi0、荷载Qi0和下沉量Si0有关。而与采空区内的应力分布状态无关。同理，在平衡条件下，由此方程组可求得其它各个力的大小为 （3-33） （3-34） （3-35） （3-36） （3-37） （3-38） （3-39）显然，由于趋近于零，因此。由上述分析可知，此结构的特征为：1） 悬露岩块的重量几乎全由前支承点承担；2） 岩块Bi与Ci间的剪切力接近与零。因而，此处相当于岩块咬合形成半拱的拱顶；3） 此结构的最大剪切力发生在岩块Ai与Bi之间，它相当于岩块Bi本身的重量及其载荷。5