第三章_采场上覆岩层运动和发展的基本规律 2

1、矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制之第三章之第三章 采场上覆岩层运动和采场上覆岩层运动和 发展的基本规律发展的基本规律 山东科技大学资环学院山东科技大学资环学院 资资 源源 工工 程程 系系 本章提要本章提要 本章特点本章特点 学习难点学习难点 有较多的基本概念 有较多的基本规律 l矿岩层运动和破坏形式的判断方法 l岩层纵向组合运动的分析方法 l岩层推进方向岩层运动各阶段的参 数特点 上覆岩层运动和破坏的基本形式 上覆岩层在推进方向上的运动规律 上覆岩层纵向运动发展的基本规律 上覆岩层运动参数的确定 P P1 1 3.13.1上覆岩层运动和破坏的基本形式上覆岩层运动和破坏的基本形式 3.1.

2、1上覆岩层运动的两种基本形式 3.1.3上覆岩层破坏形式的判断 3.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件 3.1.4岩层破坏形式的转化 3.33.3上覆岩层在推进方向上的运动规律上覆岩层在推进方向上的运动规律 3.4 3.4 上覆岩层运动参数的确定上覆岩层运动参数的确定 3.23.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律上覆岩层纵向运动发展的基本规律 P P2 2 3.1.1上覆岩层运动的两种基本形式上覆岩层运动的两种基本形式 一 弯拉破坏的运动形式 1 运动过程上覆岩层悬露如图3.1（a） 在其重力作用下弯曲如图3.1（b） 端部开裂如图3.1（c） 形成“假塑性岩梁”如图3.1（d） 自行跨落如图

3、3.1（e） P P3 3 m i l i h lo （b） （a） （c） （d） P P4 4 （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： tt max （3.1） 2 力学条件力学条件 图3.1弯拉破坏的运动形式 P P5 5 二 剪（切）断破坏的运动形式 弯曲变形 端部开裂（图3.3（a） 整体切断跨落（图3.3（b） 1 运动过程 P P6 6 lo （a） （b） 图3.2 剪切运动的基本形式 P P7 7 2 剪断的充要条件剪断的充要条件 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，虽其中部还未裂开， 只要

4、岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。 3 显现特点显现特点 动压冲击 支架阻力不够 顶板沿煤壁切下如图3.3（a） 台阶下沉如图3.3（b） P P8 8 (a) (b) （a） (a) (b) （b） 图3.3 剪断运动形式对工作面的威胁 P P9 9 3.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件岩层运动发展至破坏的力学条件 悬跨度达到极限跨度中部裂断弯拉破坏 深入煤壁的两端部断裂 力学过程 弯坏的力学过程，就是其支承条件由双嵌固梁向简支梁发展的过 程。如图3.4（a）（b） P P10 10 q1=m1r1 q Lo 2 1 2 2 4 2 q Lo q Lo 2 8 h1 A B Lo (

5、 a )q2= mir1 AOB ( b ) n i= 1 O m 图3.5 岩梁的支承 条件与弯距 a-嵌固状态; b-简支状态 P P11 11 工作面推进至岩梁悬跨度达极限值L0时，梁端弯矩MA为： 12 2 021 Lqq M A 当梁端部的拉应力 A 为： （3.12） F悬露岩层由弯曲发展至破坏的力学过程和条件为 t A A L m qq m Lqq W M 2 0 2 21 2 2 021 2 6 8 )( P P12 12 tA m L 2 2 0 （3.13） 当悬露岩层上部存在较为软弱的岩层时，则形成由不同岩性的 岩层组成下硬上软的组合岩梁，其端部裂断时的拉应力 A 为：

6、2 0 2 1 2 )( L m mm n i i A 当悬露岩层上部无比其软弱岩层时，该岩层只受本身重力的作用， 其端部裂断时的拉应力可按下式计算 （3.14） P P13 13 式中 m 强度高的下部支托层厚度，m； i m 随支托层同时运动上部较软弱的岩层的厚度，m。 在梁端部开裂发展的过程中，随着端部弯矩减少，梁的中 部弯矩将逐渐增加；随着支承条件向简支梁的转化，中部弯 矩将向接近 2 2 1 4 )( 3 o n i i o L m mm 的数值发展。 P P14 14 在嵌固梁向简支梁转化的过程中，当岩梁中部拉应力达到 2 0 2 1 2 )( L m mm n i i 时， 中部

7、必然拉开，岩梁发展至跨落或保持“假塑性岩梁”状态。 岩梁端部和中部开裂的力学条件应为 A 0 t = 为了便于应用，其力学条件可用岩梁悬露的极限跨度L0表示。 （3.15） )( 2 1 2 0 n i i t mm m L P P15 15 当=0，即单一岩层弯曲破坏时， 2 0 t m L （3.16） t n i i m 1 显然，L0值随岩梁厚度m、允许抗拉强度的增加而增大，随 的增加而减小。 支托层上的软岩厚度 岩梁剪坏的力学过程 当岩梁悬跨度达到极限跨度 0 L 时，梁端因拉应力超限而开裂； F岩层剪坏的力学过程和条件 P P16 16 当工作面煤壁推至开裂位置或构造断裂面附近，在

8、梁中部拉应 力的大小仍未达到超限的情况下，由于悬露岩层端部残余抗剪 断面不足，其剪应力超限，造成岩层沿工作面煤壁附近整体切 断而跨落。如果工作面支护有较高的支护强度，岩层将沿放顶 线切下。 悬露岩层剪坏的力学条件是： max 梁端抗剪断面上的最大剪应力为： S Q 2 3max max 最大剪应力Qmax和抗剪端面面积S分别为： 2 )( 2 )( 121 max n i Gi Lmm Lqq Q G ccmmS 1 P P17 17 整理得以岩层悬露跨度表示的剪坏力学条件为： n i i c mm m LG 1 )(3 4 F理论判断理论判断 根据力学条件分析，理论上判断是很简单的。 岩层的

9、两种破坏形式是随地质和采动条件的变化而相互转化的。 3.1.3上覆岩层破坏形式的判断上覆岩层破坏形式的判断 L0LG中部被拉坏形成弯拉破坏 L0LG端部被剪坏 形成剪切断破坏 3.1.4岩层破坏形式的转化岩层破坏形式的转化 P P18 18 1 工作面推至端部开裂位置附近 弯拉破坏转变为剪断破坏 提高推进速度 2 强制放顶 剪断破坏转化为弯拉破坏 排除整体 切断塌垮 的危险 P P19 19 3 改变开采程序 4 在推进方向上 L LG 运动形式由弯坏转变为剪坏 遇到图示 的断层构 造 图3.6 工作面前方构造断裂面对岩 层运动形式的影响 P P20 20 3.13.1上覆岩层运动和破坏的基本

10、形式上覆岩层运动和破坏的基本形式 3.33.3上覆岩层在推进方向上的运动规律上覆岩层在推进方向上的运动规律 3.23.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律上覆岩层纵向运动发展的基本规律 3.2.1岩层运动和组合的力学分析岩层运动和组合的力学分析 3.2.2 直接顶和基本顶直接顶和基本顶 3.2.3直接顶和基本顶的相互转化直接顶和基本顶的相互转化 3.4 3.4 上覆岩层运动参数的确定上覆岩层运动参数的确定 P P21 21 岩层纵向运动： 弯曲沉降 形成假塑性岩梁 发生冒落 重新组合离层 什么情 况下发 生？ 什么情况下 几个岩层组 合在一起同 时运动？ 3.2.1岩层运动和组合的力学分析岩层运动

11、和组合的力学分析 P P22 22 F离层发生的位置与条件 岩层的接触面或软弱夹层上 取决于组合岩梁中各 岩层的弯曲刚度和各 夹层的强度 离层位置 剪应 力超 限 tannc P P23 23 F 岩层纵向运动的基本趋势 岩层的运动发展趋势是由下而上的 F传递岩梁形成的力学原理 传递岩梁传递岩梁 把每一组同时运动（或近乎同时运动）的岩层看 成一个运动整体，称为传递力的岩梁，简称“传递岩 梁”。 P P24 24 3 3 1 1 m H m1m2m2 A B C Lk L1 L2 L3 Ln Ln - 1 A1 A2 A3 An - 1 An 图3.9 上覆岩层运动情况 A-冒落带 B-裂隙带

12、C-缓沉带 P P25 25 思考思考 相邻的两岩层是同时运动组成一个岩梁，还是分 开运动形成两个岩梁呢？ 准则：准则： 下上maxmax 下上maxmax 两岩层组合成一个传递岩梁同时运动，如图3.10（a）所示 P P26 26 下上maxmax 下上maxmax 两岩层将形成两个传递岩梁分别单独运动， 如图3.10（b）所示 P P27 27 L1 L2 = 0.8 L1 L 3 = 0.8 L2 L 2 1 图3.10 传递岩梁的形成 （a） （b） P P28 28 F最大挠度和曲率 2 4 32 max Em L 2 2 2 max Em L 嵌固梁 简支梁 2 4 32 5 ma

13、x Em L 2 2 2 3 max Em L 通式表达 2 4 32 Em L 2 2 2 Em L P P29 29 H 两岩层在外载（上部岩重）作用下的运动组合分析 L上=L下=L E下m下2 E上m上2 E下m下2 E上m上2 上下两岩层同时运动 上下两岩层分开运动 且下部岩层先运动 P P30 30 H两岩层在自重作用下弯曲沉降分析 L下= 1.25L上由E下m下2=(1.25)4 E上m上2判断 E相同相同 m下m上 E下1.254 m上2时 才同时运动 下部先运动 P P31 31 只有当E下1.254 E上同时运动 m,E都不相同都不相同 E下m下21.254 E上m上2同时运

14、动 E下m下2 1.254 E上m上2分开运动 m相同相同 E下=E上，m下=m上下部先运动 P P32 32 v岩层纵向运动发展规律岩层纵向运动发展规律 1 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。 4 岩层的厚度较之岩性对岩层的离层和运动组合的影响重要的多。 2 岩层的纵向运动总趋势大体上是由下而上发展的。 3 离层后上下岩层的运动组合情况由岩层的强度差别决定，上 部岩层强度较下部岩层越高，下部岩层越先于上部岩层运动， 上部岩层运动滞后的时间越长。相反，则同时运动。

15、 P P33 33 直接顶所谓直接顶是指在老塘（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。如图3.11（a）所示。 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。如图3.11（b）所示。 () (a) （a）直接顶 （b）基本顶 3.2.2 直接顶和基本顶直接顶和基本顶 P P34 34 3.2.3直接顶和基本顶的相互转化直接顶和基本顶的相互转化 实践证明，可能造成直接顶和基本顶两部分岩梁转化的原因， 主要有以下几个方面： （1）地质条件的变化，主要

16、是岩层厚度和断层等构造的影响。 （2）采动条件的变化，主要是采高和推进速度的变化。 （3）改变采空区顶板处理方法。 （4）改变开采程序。 P P35 35 3.13.1上覆岩层运动和破坏的基本形式上覆岩层运动和破坏的基本形式 3.33.3上覆岩层在推进方向上的运动规律上覆岩层在推进方向上的运动规律 3.23.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律上覆岩层纵向运动发展的基本规律 3.3.1采场上覆岩层运动的两个发展阶段 3.3.2岩层运动的发展过程 3.3.3影响岩层运动发展的因素 3.4 3.4 上覆岩层运动参数的确定上覆岩层运动参数的确定 P P36 36 (a) h mZ mE bo ?ho L

17、K (b) SA Co LoA = Loi ?ho1 ao ?ho 图3.12 采场上覆岩层运动 3.3.1采场上覆岩层运动的两个发展阶段采场上覆岩层运动的两个发展阶段 初次运动阶段 从岩层由开切眼开始悬落,到对工作面有影响的一、二个传 递岩梁第一次断裂运动结束为止。（如图3.12（a）、（b） P P37 37 (e) (f) (d) (c) c1b2 ?h c2 ?hA a2 L1 LA = C1 ?hA a1 ?hi L b1 ?h 图3.12上覆岩层运动 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，称做周期性运动阶段（如图3.12（c）（f）。

18、 P P38 38 3.3.2岩层运动的发展过程岩层运动的发展过程 图3.12中a 、c、e 我们把岩梁运动幅度较小，对采场矿压影响不明显的过程称为 岩梁处于相对稳定过程。 用相对稳定运动步距 b表示。即岩梁处于相对稳定状态时工作 面推进的距离 图3.12中 b、d、f 岩梁运动幅度大，对采场矿压有明显影响的过程,称为岩梁处于 显著运动过程,既通常所说的来压过程。 用显著运动步距a 表示,即岩梁大幅度运动开始,到运动基本结束 相对稳定阶段 显著运动过程显著运动过程 P P39 39 为止,工作面推进的距离。 岩梁经历一次相对稳定过程与显著运动的全过程就完成了一 个周期,描述岩梁运动周期长短的参

19、数时周期来压步距C,是指 岩梁完成一次周期性运动工作面所推过的距离。 c=a+b a-岩梁的显著运动步距,b-岩梁的相对稳定步距.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。 岩梁来压步距岩梁来压步距 P P40 40 3.3.3影响岩层运动发展的因素影响岩层运动发展的因素 F岩层的强度特征岩层的强度特征 F采动条件采动条件 采高、推进速度。 内在因素 力学性质 厚度 节理裂隙 分层厚度 t 厚 薄 大 小 P P41 41 强制放顶、充填（全部充填、局部充填）。 F采空区处理方法采空区处理方法 3.3.4岩梁运动的基本参数岩梁运动的基本参数 F初次运动阶段的基本参数 000 b

20、ac 1 表达岩梁运动过程的基本参数 岩梁的相对稳定步距b0 岩梁的显著运动步距a0 岩梁初次来压步距c0 P P42 42 来压完成时刻采场顶板下沉量给定变形(支架对岩梁运动 不进行限制) ： 有关与 zm h C hA 0 0 0 Az OA AzK A 1)-Km-h2 L 1)-Km-hL C L h K o （ 2 表达岩梁来压结束时刻岩梁位置状态的参数 C0-初次来压步距, h-采高; -冒高 z m 限定变形(支架对岩梁运动进行限制)： 用h0表示，由支护强度PT决定。 P P43 43 0 Az OA AzK A 1)-Km-h2 L 1)-Km-hL C L h K o （

21、来压结束时的岩梁跨度 给定：LOA(来压结束时的岩梁跨度)表示，大小由岩梁运 动步距决定。 限定：L0表示，由支护强度决定。 采场最小顶板下沉量 h0 。 3 表达岩梁来压前夕的位态参数 岩梁的最大跨度 L0=b0(岩梁的相对稳定步距) P P44 44 F正常推进阶段基本参数正常推进阶段基本参数 iL 1)-Km-hLAzK（ ih A AzK L 1)-Km-hL（ Ah A A L h h Li i 1 表达岩梁运动过程的参数 b、a、c 2 表达周期来压结束时的位态参数。 来压结束时顶板下沉量： 给定变形：hA 限定变形: hi 来压结束时的岩梁跨度：给定变形：LA 限定变形：Li P

22、 P45 45 3 表达周期来压前夕岩梁位态参数及其相互关系 L 1)-Km-hLAzK （ h bcbLLA )( 2 21 0 2 1 mm m L 2 0 m L 极限跨度： F岩梁运动步距的力学分析岩梁运动步距的力学分析 1、岩梁第一次来压步距C0 组合梁： 单一梁： P P46 46 2、岩梁周期来压步距c 岩梁为不等高支承的铰接岩梁。 铰接岩梁由原来已经断裂的部分c1及可以近似看成是处于悬臂 梁受力状态的部分C2组成。如果不考虑岩梁的挠曲则C2部分所 受的结构力包括： 岩梁的自重 C1部分通过铰接点 O的推压力P及相应的摩擦力F=Pf。 P P47 47 C2 C1 BO A XB

23、 YB MB G2 P F P F G1 XA YA XA YA MB XB YB G2 P F MP = P mg 2 P F G1 XA YA 图3.15 基本顶岩梁周期来压模型 P P48 48 3.4 3.4 上覆岩层运动参数的确定上覆岩层运动参数的确定 3.4.1 直接顶厚度（冒高）的确定方法直接顶厚度（冒高）的确定方法 （一）不考虑岩梁本身沉降的推断方法 岩层冒落至自然接顶，不考虑岩层本身沉降的影响。 zzkmhm 1 A z k h m 从下图中可以推得： 对于强度不高，厚度不大的岩层覆盖采场，一般在初次来压阶 段比较准确，而没有考虑岩层都是由沉降而发展的实际。（对 于缓沉采场不能解释） 观观 点点 P P49 49 m7 m6 m1 m2 m3 m4 m5m5 m4 m3 m2 m1 h m6 m7 图3.17 不考虑岩层弯曲沉降时的冒高 P P50 50 除整体切断采场外，岩层冒落都是由弯曲沉降而来，推断冒高 必须考虑岩梁沉降和岩层变形能力及下步运动空间的高度。 0) 1(SKmhSAzA 1 A A z k Sh m （1）SA与KA的取值一定要在同一地点。 （2） SA与KA值的实际意义是确定的（反力中心）。 观点观点 注意注意 P P51 51 hhmLmE mLmE L s SA Lh LA Lh LA L s SA 图3.18 考虑岩层弯曲沉降时的冒