采场上覆岩层运动和发展的基本规律VIP

2020/6/7,1,矿山压力与岩层控制电子教案,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,2,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,采动后，促使围岩运动的矿山压力取决于悬露岩层的面积、厚度及压力传递情况。随采场不断推进，矿山压力的大小和分布不断变化。巷道和采场支架上的受力是围岩运动的结果，受力的性质、大小和发展变化的规律与上覆岩层运动更是不可分割。,3.1上覆岩层运动和破坏的基本形式,3.1.1上覆岩层运动的两种形式,（1）弯拉破坏的运动形式,（c）,（d）,（a）,（b）,（e）,2020/6/7,3,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,弯拉破坏的发展过程：随采场推进，上覆岩层悬露（a）在其重力作用下弯曲（b）岩层悬露达到一定跨度，弯曲沉降发展至一定限度后，在伸入煤壁的端部开裂（c）中部开裂形成“假塑性岩梁”（d）当其沉降值超过“假塑性岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自行跨落（e）。,岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。即：,2020/6/7,4,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,悬露岩层中部拉开以后，是否会发生跨落，由其下部允许运动的空间高度决定。只有其下部允许运动的空间高度超过运动岩层的允许沉降值，岩层运动才会由弯曲沉降发展至跨落。否则，将保持“假塑性岩梁”状态，如图所示。,图3.2岩层弯曲破坏形成“假塑性岩梁”结构,2020/6/7,5,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,煤层上方第n个岩层弯曲破坏发展至跨落的条件可表示为：,2020/6/7,6,（2）剪（切）断破坏的运动形式,岩层剪（切）断破坏的发展过程：岩层悬露后产生很小的弯曲变形，悬露岩层端部开裂（图（a）在岩层中部未开裂（或开裂很少）的情况下，突发性整体切断跨落（图（b）。,（a）（b）,悬露岩层剪断的充分必要条件是：当采场推进至岩梁端部开裂位置附近，剩余抗剪断面上的剪应力超过限度，虽然中部还未裂开，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,7,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,该破坏形式，由于岩层剪断运动迅猛，采场将受到明显的动压冲击。此时如果支架阻力不足，极易发生顶板沿煤壁切下的重大冒顶事故（图3.4a）。即使采场顶板不垮落，也会发生顶板台阶下沉（图3.4b），使支柱回撤或支架前移工作非常困难。,图3.4剪断运动形式对工作面的威胁,（a）（b）,2020/6/7,8,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,要控制采场顶板整体切断，采场支架必须具有高初撑力，其工作阻力能防止顶板沿煤壁切断，而把切断线推至控顶距之外。支架缩量可按在煤壁处出现台阶下沉而支柱又不致被压死考虑。,两种岩层破坏形式在运动发展过程，采场矿压显现特点以及控制要求方面存在重要差别。研究这两种破坏形式形成的力学条件及其在生产实践中的判断方法，十分必要。,2020/6/7,9,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,3.1.2岩层运动发展至破坏的力学条件,（1）弯拉破坏的力学过程及其条件,岩层弯拉破坏的力学过程，是其支承条件由嵌固梁向简支梁发展的过程。回采工作面的倾斜长度通常较悬露岩层的极限跨度大得多，悬露岩层简化为一端由工作面煤体支承，另一端由边界煤体支承的两端嵌固“梁”。其上覆岩层重量可通过该“梁”传递至两端支承点（即工作面前、后方煤体）上。,(a)嵌固状态,(b)简支状态,2020/6/7,10,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,岩梁在上覆均布载荷和本身自重的作用下，岩梁中部O点开裂的条件是其弯矩达到使拉应力超限的数值。,对于嵌固梁来说，其端部和中部弯矩分别为：,端部,中部,2020/6/7,11,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,而简支梁其端部和中部弯矩则为：,端部,中部,比较嵌固梁与简支梁的弯矩，可看出，嵌固梁端部与中部弯矩之和正好与简支梁中部弯矩相等。梁端开裂后，端部弯矩向中部转移。只要梁端部拉开后，支承条件迅速向简支梁转化，且中部拉开导致弯拉破坏是必然的。,2020/6/7,12,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,悬露岩层由弯曲发展至破坏的力学过程和条件，可归纳为：,工作面推进至岩梁悬跨度达极限值L0时，梁端弯矩MA为：,2020/6/7,13,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,14,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,15,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（2）岩层剪坏的力学过程和条件,2020/6/7,16,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,以岩层悬露跨度表示的剪坏力学条件为：,2020/6/7,17,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,18,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,3.1.3上覆岩层破坏形式的判断,2020/6/7,19,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,3.1.4岩层破坏形式的转化,岩层破坏的弯拉破坏和剪切破坏两种形式是随地质条件和采动条件的变化而相互转化的。,（1）当工作面推至端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯拉破坏运动的岩层转变为剪断破坏。这就是在日常来压较均匀的采场，高产后往往出现切顶事故的原因。,（2）改变开采程序。坚硬岩层覆盖的厚煤层，下行式开采时，顶分层的坚硬顶板可能整体切断，威胁生产。同时，跨落的大块造成中底分层假顶管理困难。为此可采用上行式开采程序。若先采底分层，一方面坚硬岩层离采场位置较高，又有较大的残余厚度作为垫层，可防止坚硬岩层剪断；另一方面，最后采顶分层时，坚硬岩层受重复采动影响，已形成裂缝，突然剪断的可能性较小。,2020/6/7,20,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（4）在推进方向遇到如图3.6所示的岩层，弯拉破坏的岩层可能向整体切断的运动形式转化。因为断层破坏了岩层的延续性。当工作面推进到断层部位，岩层悬露尚未达到中部裂断所必需的跨度，可能出现整体切断的危险。,图3.6工作面前方构造断裂面对岩层运动形式的影响,（3）强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体切断跨落的威胁，从而使破坏形式转化为弯拉破坏形式。,2020/6/7,21,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律,2020/6/7,22,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,岩层的纵向运动：在重力作用下弯曲沉降发生离层后在运动中重新组合成同时运动（或近乎同时运动）的“假塑性”传递岩梁沉降值超过允许的限度，发生跨落。,3.2.1岩层运动和组合的力学分析,（1）离层发生的位置和条件,离层出现的位置取决于组合岩梁中各岩层的弯曲刚度和各夹层的强度。下部岩层弯曲刚度小，夹层（或接触面）强度低时，离层在下部发生；反之，离层可能先在上部夹层出现。,离层将发生在岩层的接触面或软弱夹层上。,接触面的破坏条件为接触面上的剪应力超限。悬露岩层的跨度达到极限跨度，离层才会发生，控制岩梁的悬跨度是控制离层发生的重要方法。,2020/6/7,23,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（2）岩层纵向运动的基本趋势,各岩层受采场推进的影响，其悬露时间、悬露跨度和所受外载由下而上是不相同的。最下部的岩层先悬露，各岩层的悬露跨度由下往上是依次递减的。,（3）传递岩梁形成的力学原理,采场上覆岩层中除临近煤层的采空区已跨落岩层外，其它岩层保持“假塑性”状态，两端由煤体支承，(或一端由工作面前方煤体支承，一端由采空区矸石支承)在推进方向上保持传递力的联系。因此，可把每一组同时运动（或近似同时运动）的岩层看成一个运动的整体，称为“传递力的岩梁”，简称“传递岩梁”。,2020/6/7,24,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,图3.10传递岩梁的形成,（a）,（b）,2020/6/7,25,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,两岩层在外载（上部岩重）作用下的运动组合分析,两岩层的悬露跨度相同（如图），即,此时，两岩层是组成一个岩梁同时运动，还是形成两个梁分开运动，主要由弹性模量E和岩层厚度m决定。,2020/6/7,26,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,两岩层在自重作用下弯曲沉降分析（如图）,否则，两岩层分开运动。,2020/6/7,27,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,岩层的厚度（m）较之岩性（E）对岩层的离层和运动组合的影响更重要。,岩层纵向运动发展规律：,随采场推进，岩层悬露达一定跨度弯曲沉降到一定值后，强度低的软弱夹层或接触面在轴向剪应力作用下破坏，发生离层，并为下部岩层的自由沉降和运动向上部岩层发展创造了条件。,岩层的纵向运动总趋势大体上是由下而上逐步发展的。,离层后上下岩层的运动组合情况由岩层的强度（包括岩性、厚度等）差别决定。上部岩层强度较下部岩层高，下部岩层先于上部岩层运动，上部岩层运动滞后的时间越长。相反，强度低的上部岩层将随高强度的下部岩层同时运动。,2020/6/7,28,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,3.2.2直接顶和基本顶,直接顶是指在老塘（采空区）内已跨落，在采场内由支架暂时支撑的悬臂梁，其结构特点是在采场推进方向上不能始终保持水平力的传递。,直接顶控制的基本要求：当其运动时，支架应能承担其全部岩重。,（a）直接顶（b）基本顶图3.11直接顶、基本顶示意图,基本顶是指运动时对采场矿压显现有明显影响的传递岩梁的总合。在初次来压后，是一组在推进方向上能始终传递水平力的不等高裂隙梁。,2020/6/7,29,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,对于基本顶各岩梁控制要求：防止由于基本顶运动对采场产生动压冲击和大面积切顶事故发生，把基本顶岩梁运动结束时在采场形成的顶板下沉量控制在要求的范围。,3.2.3直接顶和基本顶的相互转化,对同一采场，当地质条件和采动条件等发生变化或改变采空区顶板的处理方法时，直接顶和基本顶之间有可能相互转化。原属直接顶的岩层可能变成基本顶，同样，原属基本顶的岩层也可以转化为直接顶。,可能造成直接顶和基本顶两部分岩梁转化的原因：,（1）地质条件的变化，主要是岩层厚度和断层等构造的影响。,2020/6/7,30,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（2）采动条件的变化，主要是采高和推进速度的变化。,改变推进速度到一定限度，也可能造成两者间的转化。,（3）改变采空区顶板处理方法。,（4）改变开采程序,2020/6/7,31,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,3.3上覆岩层在采场推进方向上的运动发展规律,随采场推进，煤壁前方的支承压力及支架上的压力显现都在不断的变化。采场矿压显现的发展变化规律更重要的是受推进方向的发展规律所影响。,3.3.1采场上覆岩层运动的两个发展阶段,在采场推进过程中，上覆各岩层运动发展可分为两个阶段。,（1）初次运动阶段,从岩层由开切眼开始悬露，到对工作面矿压显现有明显影响的一、二个传递岩梁初次裂断运动结束为止，为初次运动阶段（图（a）、（b）。其中包括直接顶岩层初次垮落。该阶段基本顶岩层两端由煤壁支撑，其受力状态可视为两端嵌固梁。,采场各岩层初次运动在采场的压力显现称为初次来压。,2020/6/7,32,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,33,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,初次运动来压面积大，强度高，并且可能伴随发生动压冲击。在控制岩层运动和矿压显现时，要注意这一特点，以保证采场在初次来压期间的安全。,（2）周期性运动阶段,从岩层初次运动结束到工作面采完，顶板岩层按一定周期有规律的断裂运动（周期性运动阶段）（图（c）（f）。,在该阶段，岩层的约束条件发生了根本性变化；直接顶岩层在采场里为一端固定的“悬臂梁”。直接顶上方各岩梁则为一端由煤壁支承，另一端由老塘矸石支撑的不等高的传递岩梁。此时，运动步距较初次运动步距小得多。,岩层周期性运动在采场的矿压显现称为采场周期来压。,2020/6/7,34,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,35,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,这个阶段岩层的完整性比初次运动前差，运动步距较小，控制岩层运动和矿压显现的要求也不相同。,3.3.2岩层运动发展过程,在上述两个发展阶段中，岩层运动都将经历两个发展过程。,（1）相对稳定过程,岩梁相对稳定过程：岩梁运动幅度小，对采场矿压的影响不明显的过程。,相关参数：岩梁的相对稳定步距（岩梁处于相对稳定状态时工作面推进的距离，b表示），图（a）、（c）、（e）所示。,当两个运动压力强度差别很大时，应在周期运动阶段加快推进速度，同时支架的选型和设计必须分别考虑。,2020/6/7,36,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（2）显著运动过程,岩梁显著运动过程：岩梁运动幅度较大，对采场矿压影响极为明显的过程（来压过程）。,相关参数：岩梁的显著运动步距（从岩梁大幅度运动开始，到运动基本结束为止，工作面推进的距离，用a表示），图（b）、（d）、（f）所示。,岩梁经历了一次相对稳定和显著运动的全过程，就完成了一个运动周期，描述岩梁运动周期长短的参数是周期来压步距c，它是指岩梁完成一次周期性运动工作面推进的距离。,c岩梁的周期来压步距，m；a岩梁的显著运动步距，m；b岩梁的相对稳定步距，m。,2020/6/7,37,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,岩梁的来压步距，是反映岩梁强度特征和对工作面影响程度的重要参数，是顶板分类的重要指标。,3.3.3影响岩层运动的因素,（1）岩层的强度特征,强度高、厚度大的岩梁，周期运动步距c将较大，相对稳定步距b也较大，显著运动步距a则较小（即岩梁显著运动发展迅速）；强度低、厚度小的岩梁，周期来压步距c和相对稳定步距b则较小，显著运动步距a要大些（即显著运动发展较缓慢）。,若裂隙相当发育，有时很难划分岩梁处于相对稳定和显著运动的界限。,2020/6/7,38,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（2）采动条件,采高、推进速度等采动条件对岩梁的运动过程会产生重要影响。,加大采高，而工作面跨落高度不变，则增加了岩梁显著运动时运动空间，岩梁的显著运动更明显。,当岩层的强度较低时，突然提高推进速度到某定值后，有可能导致岩梁运动步距扩大。,有些矿井在日常推进速度条件下采场来压不明显，高产后出现大面积来压现象，就是这个原因。此时应加强支护，否则易冒顶。,（3）采空区处理方法,采用强制放顶减小岩梁厚度，可减小运动步距（c值、b值）。采空区充填减小岩梁运动空间，可使其运动不明显。,2020/6/7,39,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,3.3.4岩梁运动的基本参数,（1）初次运动阶段的基本参数,表达岩梁运动过程的基本参数,表达显著运动结束时岩梁位态的参数,2020/6/7,40,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（b）来压结束时的岩梁跨度,（c）表达来压前夕岩梁的位态参数,2020/6/7,41,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（2）正常推进阶段的基本参数,采场正常推进阶段，表达周期来压过程及来压前后岩梁位态的参数：,表达岩梁运动过程的参数,岩梁的相对稳定步距b，岩梁的显著运动步距a，岩梁的周期来压步距c，且有c=a+b。,表达周期来压结束时的采场顶板下沉量,（）来压结束时的采场顶板下沉量,2020/6/7,42,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（）来压结束时的岩梁跨度,各位态参数满足如下关系：,2020/6/7,43,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（）表达周期来压前夕岩梁位态参数及其相互关系为：,无论采场支架对顶板采取哪种工作状态，岩梁来压前的极限跨度：,2020/6/7,44,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（3）岩梁运动步距的力学分析,岩梁初次来压前夕力学模型,岩梁初次来压步距c0,岩梁初次显著运动前夕，处于两端等高嵌固状态。,岩梁开始显著运动（采场开始来压）的前提是在端部拉开，其力学条件为：,2020/6/7,45,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,梁端部实际拉应力可表示为：,式中,表示梁端弯矩；,将上式代入给定的力学条件，即可近似求得梁端拉开的极限跨度：,2020/6/7,46,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,因L0=b0c0，有：,若为单一岩层组成的岩梁，此时有：,由此可得直接顶、传递岩梁初次来压步距表达式：,2020/6/7,47,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,若岩梁初次来压步距过大，对工作面安全生产造成威胁，则可以通过强制放顶方法减小来压步距。,（a）循环放顶,（b）中部拉槽,（c）端部切断,2020/6/7,48,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,岩梁周期来压步距c,岩梁初次来压结束后，其受力条件和支承条件发生根本性变化。,变化后的岩梁受力状态可简化成一个不等高支承的铰接岩梁，其力学模型如图所示。,2020/6/7,49,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,各次周期来压步距依次用c1、c2、c2n表示，则有:,2020/6/7,50,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,各次周期来压步距并非都完全相等，而是呈一大一小的周期性变化。这个变化将随来压次数的增加，差值愈来愈小。,计算及实践结果证明，经过两、三个周期以后，步距的差别实际上已很小。因此采场进入正常推进阶段后，把周期来压步距看成基本相同是可行的。,对于同一岩梁，初次来压和周期来压的力学条件是相同的。即,2020/6/7,51,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,一般情况下，周期来压步距为初次来压步距的0.5-0.25倍。,2020/6/7,52,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（4）岩梁运动步距的实测研究,在现场确定岩层运动的步距，通常采用顶底板相对移近量和移近速度为主体的岩层动态观测研究方法。,分析研究各动态曲线，对岩梁的运动步距（a、b、c）进行标定。,2020/6/7,53,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,54,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,55,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,3.4上覆岩层运动参数的确定,3.4.1直接顶厚度(冒高)的确定方法,（1）不考虑岩梁本身沉降的推断方法,这种推断方法认为：悬空岩层的跨落由下而上，一直发展到自然接顶为止。在这个自然跨落的发展过程中，不考虑岩层本身沉降的影响。,2020/6/7,56,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,冒高表达式及推导过程：,这种推断方法对于厚度不大，强度不高的岩层覆盖的采场，特别是在初次来压阶段，计算的结果可能与实际情况比较接近。,2020/6/7,57,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,这种方法没有考虑岩层跨落多数都是由弯曲沉降发展而来的实际情况，没有考虑未跨落岩层本身的沉降。因此，还没有能完善的解释和表达冒高变化的各种情况，没有考虑未跨落岩层本身的沉降。,（2）考虑岩梁本身沉降的推断方法,除了整体切断的岩层以外，所有岩层的跨落都是由弯曲沉降运动发展而来的。因此，确定冒高值必须考虑岩梁的沉降和岩层变形能力的影响，以及下部允许运动空间的高度。,2020/6/7,58,2020/6/7,59,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,2020/6/7,60,2020/6/7,61,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（3）直接顶厚度的实测推断方法,2020/6/7,62,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,（4）影响直接顶厚度的主要因素,采高h的影响,从直接顶计算公式可看出：如果上覆岩层厚度都不大，强度和变形能力基本相同，则可以得出冒高与采高近似成正比的结论。,岩梁触矸处已冒岩层碎胀系数KA的影响,采空区顶板处理方法的影响,采用充填法可以减少冒高值；采用强制放顶可以将可能整体跨落的采场向一般采场转化。,开采程序的影响,现场把改变采高看做控制采场矿压和上覆岩层破坏范围的手段是正确的。,2020/6/7,63,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,3.4.2基本顶厚度的确定方法,采用岩层动态观测方法确定基本顶厚度，包括：,（1）确定各传递岩梁的位置及厚度；（2）确定影响采场的传递岩梁的数目。,图3.22岩层分布情况,根据图3.22所示的岩层分布情况确定出传递岩梁位置和厚度分别为：第一岩梁（m1）：由3.5m的中砂岩及0.9m的页岩组成。全部厚度为4.4m。第二岩梁（m2）：由1.1m厚的中砂岩和3.0m厚的页岩及0.4m厚的煤层组成，总厚度为4.5m。第三岩梁（m3）：由8m厚的砂岩页岩组成。,2020/6/7,64,采场上