第三章+回采工作面上覆岩层活动规律及其分析.ppt

矿山压力与岩层控制 第三章采场顶板活动规律 第一节几个概念 回采工作面 采场 顶板底板 采空区 在煤层或矿床的开采过程中 直接进行采煤或采有用矿物的工作空间 直接顶伪顶老顶 直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层 随回柱放顶而垮落 页岩 砂页岩等 位于煤层和直接顶之间 厚度小于0 3 0 5m 随采随冒 炭质页岩 泥质页岩等 位于直接顶之上 对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层 砂岩 石灰岩及砂砾岩等 采空区处理方法 a 刀柱 留煤柱 b 顶板缓慢下沉法 c 充填法 d 全部垮落法 根据实测 回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层重量的百分之几 这是因为上覆岩层形成了 大结构 这种大结构能够承担上覆岩层重量 从而起到对回采工作面的保护作用 全部垮落法回采工作空间的变化 第二节有关采场上覆岩层 大结构 的假说 在前后拱脚间形成了一个减压区 回采工作面的支架只承受压力拱内岩石的重量 一 压力拱假说 该假说认为 由于岩层自然平衡的结果而形成一个前拱脚 支撑点 在工作面前方煤体 后拱脚 支撑点 在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上 前拱角 后拱角 此假说认为 工作面和采空区顶板可视为一端固定于煤壁前方岩体内 另一端处于悬伸状态的梁 悬臂梁弯曲下沉后 受到已垮落岩石的支撑 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 二 悬臂梁假说 该假说认为 工作面支架存在两种工作状态 给定载荷状态 给定变形状态 三 铰接岩块假说 此假说认为 采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带 二者的差别在于 裂隙带岩块间存在有规律的水平挤压力的联系 从而相互铰合而形成一条多环节的铰链 此假说认为 在采场周围存在应力降低区 应力增高区和采动影响区 并随工作面推进而向前移动 采动岩体形成各种裂隙 从而形成假塑性梁 四 预成裂隙假说 砌体梁 结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的 五 砌体梁力学模型 采动上覆岩层的岩体结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层 可将上覆岩层划分为若干组 每组以坚硬岩层为底层 其上部的软弱岩层可视为直接作用于骨架上的载荷 同时也是更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层 随着工作面的推进 采空区上方坚硬岩层在裂缝带内将断裂成排列整齐的岩块 岩块间将受水平推力作用而形成铰接关系 岩层移动曲线的形态经实测呈开始为下凹 而后随工作面的推进逐渐恢复水平状态的过程 由此决定了断裂岩块间铰接点的位置 若曲线下凹 则铰接点位置在岩块断裂面的偏下部 反之 则在偏上部 如果在回采空间以及邻近的采空区上方出现明显的离层区 说明该区内断裂的岩块可以形成悬露结构 由于垫层传递剪切力的能力较弱 因而两层骨架间的联结能用可缩性支杆代替 当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位置时 岩块间的剪切力趋近于零 此时的铰接关系可转化为水平连杆联结关系 最上层为表土冲积层 可将其视为均布载荷作用于岩体结构上 而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化 第三节直接顶的垮落 2 直接顶初次垮落距 1 直接顶初次垮落 3 直接顶垮落后的碎胀特性 形成充满采空区所需直接顶厚度为 直接顶的垮落高度超过1 1 5m 范围超过全工作面长度的一半 直接顶的第一次大面积垮落 老顶的最大挠度为 直接顶的最大挠度为 不形成离层的条件为 若令q1 h3 且h3 h1则上式可改写为 4 直接顶初次垮落前的离层 若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为 P 支架单位面积初撑力 粗略地讲 当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时 均易于形成直接顶与老顶间离层 为了防止直接顶因离层产生推垮事故必须保证支架具有一定的初撑力 直接顶和老顶间发生离层 图2 6利用红外钻孔探测仪观测到的顶板离层裂隙 切眼钻孔位置图 红外钻孔摄像机 一 老顶岩层的梁式平衡概念 1 初次垮落距2 膨胀系数KP 残余膨胀系数K P 老顶初次垮落前岩体结构图 第四节老顶的断裂形式 h M Kp h M h Kp 1 当 0时 老顶弯曲下沉较小因此形成充满采空区所需直接顶厚度为 当 0时 老顶呈悬露状态 类似板状结构 即所谓 梁 的假说 分析这种梁的应力状态 老顶岩梁受力分析 对称梁 所以 R1 R2 弯矩M1 M2 取 Fy 0 则任意截面D D 剪力为 所以 固定梁任意截面D D 的弯矩为 在梁的两端 x 0 Mmax 在梁的中部 x M qL2 若为简支梁 此时 剪力相同 但弯矩不同 即 此时 Mmax在梁的中间 即 二 老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式 根据开采条件及采区边界煤柱的大小 可将老顶岩层假设为 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 图3 5老顶岩层支撑条件的简化 图3 6各类支撑条件下的弯矩分布 1 以四边固支的板为例 老顶岩层X形破坏形成过程 2 当采场处于一边采空的条件下 该边作为简支条件 其破断规律与四周固支时相近 3 当老顶岩层处于两边简支两边固支时如下 长边出现裂缝 工作面推进 长边另出现裂缝 原裂缝闭合 短边出现裂缝 裂缝贯通 板中央出现X形破坏 4 当工作面处于三边采空时 老顶岩层的破断过程与上述情况相仿 老顶板横 O X 型破断形式 3老顶初次破断时的极限跨距 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 初次断裂步距 图3 9岩梁上任意点的应力分析 求解过程 梁内任一点正应力为 M 该点所在断面的弯矩 y 该点离断面中性轴的距离 Jz 对中性轴的断面矩 取梁单位宽度 则Jz bh3 b 1 任意点A y h 2时 最大 xy 最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上 即y 0 xy max 若根据固定梁计算 max q 2则 当 max T时 岩层将在该处拉裂 为此 这种梁断裂时的极限跨距为 如以最大剪应力作为岩层断裂的依据 最大剪切力发生在梁的两端Qmax xy max 当 xy max达到极限强度 S时 形成的极限跨距为 考虑为简支梁 仍然 xy max 与固定梁计算结果相同 因此 得极限跨距与上述计算也相同 此时 当 max RT时 在一般情况下 由于弯矩形成的极限跨距LlT要比剪切应力形成的极限跨距LlS小 因此常常按弯矩来计算极限跨距 当使用刀柱法或房柱法开采时 老顶岩层的安全跨距Ls 固定梁 简支梁 两端固支梁极限跨距 按抗拉强度 按抗剪强度 两端简支梁极限跨距 按抗拉强度 按抗剪强度 举例 设h 4 Rs 33Mpa RT 7Mpa q 174Kpa 按抗拉 按抗剪 固支梁破断距为36m 破断距为1005m 简支梁破断距为29m 确定岩层梁所承受的载荷q n层岩层对第一层影响所形成的载荷 qn 1当计算到 qn 1 1 qn 1时 则以 qn 1作为作用于第一层岩层的单位面积上的载荷 证明 Q Q1 Q2 QnM M1 M2 Mn图3 10多层梁的载荷计算图 每个岩层梁在其自重下形成的曲率不同 i为曲率半径 各岩层组合在一起 曲率必然趋于一致 于是形成了如下的关系 即 而 由于 两边求积分 同理求积分 其中qx q1 x即为考虑到n层对第一层影响时形成的载荷 即 4裂隙体梁的平衡 破断的岩块形成水平力 从而形成摩擦力 上 下两区圆弧形破坏形成立体咬合关系 工作面中部形成外表似梁 实质是拱的裂隙体梁式平衡 这种结构称之为 砌体梁 图3 11老顶断裂的一般状态 图3 12破断岩块的拱式平衡及其受力分析 B 1 结构的滑落失稳 由三铰拱的平衡 使岩块保持平衡则 岩块咬合而形成的裂隙体梁 最大剪切力在两端支座为 1 当剪切力与摩擦力相等 呈极限平衡状态 如剪切力大于摩擦力将失稳 岩块相互间的内摩擦角 将及代入上式 则可得失稳的条件为 可见是否产生滑落失稳主要取决于老顶破断岩块的高长比 高长比越小 结构抗滑落失稳的能力越大 一般情况下 38 45 tan 0 8 1 0 因此 要防止老顶初次破断后 砌体梁 结构产生滑落失稳岩块的高长比要小于0 4 0 5 即岩块长度要大于2 2 5倍岩块厚度 2 若考虑老顶岩层断裂时 断裂面与垂直面成一断裂角 图3 13岩块咬合点处的平衡 对a Tcos Rsin tg R cos T sin T sin Rcos tg 当 时 T多大都不能平衡 一般情况下tg 0 8 1 38 45 当节理面与层面交角 当 时 不论水平推力T有多大 都不能取得平衡 对b分析 tg 2 结构的变形失稳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 图3 14回转岩块的分析 对a取 M0 0 可近似地取l sin 对b可求得a值 当a较小时 而 因此 咬合处形成的挤压应力 p为 i l h 令岩块间的挤压强度 p与抗压强度 c 的比值为 则允许承受的载荷q为 而梁在折裂时 达到极限跨度 q与抗拉强度 t的关系为 t K q l2 h2 6 6 K i2 q q t 6 K i2 在一般岩石中抗压强度 t与抗拉强度的比值为n 即 t c n因此 可求得 而 l sin 所以 二 裂隙带岩层的岩体结构模型 可以将开采中的上覆岩层作如下的分析 1 上覆岩体结构由每个坚硬岩层组成 2 每个分组中的软岩层则可视为坚硬岩层上的载荷 3 由于开采 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 上下层组之间没有垂直力的传递关系 在水平方向上形成了铰接关系 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 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 以后的岩块可以用一水平连杆来代替 三 岩体结构的受力分析 图3 33某一个岩层分组的结构模型自由度 3 结点数 2单铰数 链杆数 3 n 2 n 1 n 2 0为静定结构 可列力的矩阵表 i Fi i 式中 i 为力矩列阵 Fi 为矩阵系数 i 为力列阵 解此方程组 并令 i1 i2 则可得 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 可见 水平推力的大小与悬露岩块的破断长度Li0 层厚hi0载荷Qi0和下沉量Si0有关 而与采空区内的应力分布状态无关 还可求得 ir 由于 ir趋近于零 ir ir ir 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 i与 i间的剪切力接近于零 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 它等于岩块Bi本身的重量及其载荷 四 形成岩体结构的平衡条件 岩块咬合可能有两种情况导致失稳 1 水平压力过大 超过岩块在该处强度 导致变形失稳 2 岩块间剪切力超过岩块间摩擦力 形成错动 导致滑落失稳 所以 形成结构须具有一水平推力 i 其次 从岩块间的滑落失稳分析 则要求结构的平衡必须满足下列条件 即 根据对岩体结构分析所得的结论 可对以下的矿山压力现象作出解释 1 老顶岩块的滑落失稳 是工作面顶板出现台阶以及有时地表出现下沉台阶的原因 2 煤壁上方老顶剪切力最大 是工作面顶板沿煤壁切落的原