第三章采场顶板的活动规律

1、第三章第三章 采场顶板的活动规律采场顶板的活动规律 本章介绍：本章介绍： 工作面顶底板划分工作面顶底板划分 老顶破断分析（梁、板）老顶破断分析（梁、板） 直接顶稳定性分析直接顶稳定性分析 上覆岩层上覆岩层活动规律活动规律 上覆岩层平衡结构上覆岩层平衡结构 第一节第一节 概概 述述一、回采工作面顶、底板的划分：一、回采工作面顶、底板的划分： 1、顶板：、顶板： 伪伪 顶顶位于煤层之上，薄而软弱的岩层； 直接顶直接顶位于煤层或伪顶之上一层或几层性质相近岩层； 老老 顶顶位于直接顶或煤层之上厚而坚硬的岩层（基本顶）； 2、底板：、底板： 直接底直接底位于煤层之下的岩层（为古土壤）； 老老 底底直接底

2、之下的岩层。 二、回采工作空间类型：二、回采工作空间类型： （依据采空区处理方法不同划分）（a）完整空间）完整空间刀柱法或留煤柱开采；刀柱法或留煤柱开采；（b）自弯曲空间）自弯曲空间顶板缓慢下沉法（顶板塑性大）；顶板缓慢下沉法（顶板塑性大）；（c）充填空间）充填空间充填法；充填法；（d）垮落空间）垮落空间全部垮落法。全部垮落法。三、顶板工作结构：三、顶板工作结构： 1、梁式结构、梁式结构将顶板视为沿工作面推进方向的梁，按照梁式结构承载变形破坏理论分析顶板破坏现象。 2、板式结构、板式结构将顶板岩层视为一个板或经断层、裂隙切割后，多块板相互咬合组成的板，按板式结构承载变形及强度理论分析顶板破坏现

3、象。 3、顶板结构端部支撑条件：、顶板结构端部支撑条件： 固定支座固定支座顶板被煤岩层夹持，未断裂，无自由端； 简支梁支座简支梁支座顶板端部断裂或埋深较浅（可转动）； 第二节第二节 直接顶的稳定性分析直接顶的稳定性分析位置位置原因原因地点地点%事故事故类型类型%顶板顶板%上、下出上、下出口口57.9推垮型推垮型71直接顶直接顶80放顶线放顶线19老顶老顶20煤壁区煤壁区14.7压垮型压垮型29直接顶直接顶21控顶区控顶区8.4老顶老顶79顶板事故位置与原因分析顶板事故位置与原因分析 一、直接顶岩层破坏离散原因：一、直接顶岩层破坏离散原因：1、节理裂隙切割；、节理裂隙切割；2、岩层松软，变形大离

4、层；、岩层松软，变形大离层；3、落煤后顶板支护不及时，支撑力小，促使离层；、落煤后顶板支护不及时，支撑力小，促使离层；4、老顶岩层平衡结构失稳，岩块回转；、老顶岩层平衡结构失稳，岩块回转；5、支撑力不均衡或支架反复支撑；、支撑力不均衡或支架反复支撑；6、放顶撤柱，动力冲击。、放顶撤柱，动力冲击。二、直接顶的离层：二、直接顶的离层：1、离层原因、离层原因2、不离层条件：、不离层条件： 无支护时：无支护时： 由挠度计算公式：由挠度计算公式： 老顶挠度：老顶挠度： 直接顶挠度：直接顶挠度：直接顶较软，易发生弯曲变形直接顶较软，易发生弯曲变形未及时支护或支撑力不足未及时支护或支撑力不足EJqLy384

5、4max11411max384JELqhy2221max384JELhyn 如果不发生离层，应有 即 且 令 有 粗略的：直接顶厚度直接顶厚度 老顶厚度时，易发生离层。老顶厚度时，易发生离层。nyymaxmax224111411384384JELhJELqh12311bhJ 1232hbJ1hq11211EEhh有支护时由 有 且 从而 显然： 及时增大支撑力可使顶板不离层。及时增大支撑力可使顶板不离层。224111411384384JELphJELqh1232hbJnyymaxmax12311bhJ 1hq112112hhEEhp不离层最小支撑力不离层最小支撑力三、直接顶的初次垮落：三、直接

6、顶的初次垮落： 初次垮落初次垮落直接顶第一次垮落（初次放顶）直接顶第一次垮落（初次放顶） （标志：垮落高度11.5m，长度1/2 面长） 初次垮落距初次垮落距第一次垮落时，直接顶的跨距。第一次垮落时，直接顶的跨距。 直接顶垮落距受直接顶强度、厚度、节理裂隙影响，是描述直接顶稳定性的综合指标。 直接顶垮落前，顶板完整性一般较好，支架载荷小，直接顶垮落前，顶板完整性一般较好，支架载荷小，稳定性差，初次垮落易发生大面积顶板事故。稳定性差，初次垮落易发生大面积顶板事故。 第三节第三节 老顶岩层力学分析老顶岩层力学分析一、老顶梁式结构分析：一、老顶梁式结构分析： 1、冒落区老顶支撑条件：、冒落区老顶支撑

7、条件： 1）全部充填满回采空间）全部充填满回采空间 2）不能充填满回采空间）不能充填满回采空间 （老顶悬露，成梁式结构（老顶悬露，成梁式结构） （ ）01pKMh01pKMh1PPKhMKhMh2、老顶梁式结构力学分析：、老顶梁式结构力学分析： （按固定支座） 1）支座反力）支座反力：（对称）任意截面剪力：）任意截面剪力：（）221qlRR12221qlMMlxqlqxqlqxRQx212212|0|2|20qlQQqlQlxlxx 3）任意截面弯矩：）任意截面弯矩：222211661212222lxlxqMqlxqxqlMxqxxRMxx12|24|12|220qlMqlMqlMlxlxx可

8、见：可见：最大弯矩、最大剪力发生在煤壁两端最大弯矩、最大剪力发生在煤壁两端4）简支支座时老顶的力学分析：）简支支座时老顶的力学分析： 剪力剪力 弯矩弯矩 最大弯矩在梁中间最大弯矩在梁中间 最大剪力在梁的两端最大剪力在梁的两端 受弯矩作用拉断受弯矩作用拉断 受剪力作用剪断受剪力作用剪断qxqlqxRQx2121222xqxqlxqxxRMx8|22qlMlx2|0qlQxxMxQq综上：综上：老顶岩梁破坏形式有两个老顶岩梁破坏形式有两个二、梁式断裂时的极限跨距：二、梁式断裂时的极限跨距： 1、按弯矩计算：、按弯矩计算： 任意点A 处正应力： 其中断面矩 最大拉应力在梁的端部ZJMyqMQ3121

9、hJz2232maxmax212121212hqlhhqlJhMz 当 时，则岩梁被拉断裂。 此时由 有： 固定梁按弯矩计算的极限跨距：固定梁按弯矩计算的极限跨距： 2、按剪力计算：、按剪力计算： 最大剪切力发生在梁的两端 最大剪应力为：tRmax222hqlRtqRhLtLT22maxqlQhql43max 当 时，岩梁被剪断。 此时由 有： 固定梁按剪力计算的极限跨距：固定梁按剪力计算的极限跨距： 3、按简支梁计算：、按简支梁计算： 剪力与固支梁同，跨距相同剪力与固支梁同，跨距相同 弯矩与固定梁不同，最大弯矩在梁中部弯矩与固定梁不同，最大弯矩在梁中部sRmaxhqlRs43qhRLsLS3

10、4qhRLsLS3482maxqlM 故最大拉应力为： 当 时，岩梁被拉断裂。 此时由 有： 简支梁按弯矩计算的极限跨距：简支梁按弯矩计算的极限跨距：2232maxmax43121282hqlhhqlJhMztRmax2243hqlRtqRhLtLT32老顶按梁式结构计算其极限跨度为：老顶按梁式结构计算其极限跨度为： 固定梁固定梁 简支梁简支梁 按弯矩计算按弯矩计算 按剪力计算按剪力计算qRhLtLT2qhRLsLS34qRhLtLT32qhRLsLS34对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小于剪力极限跨度；对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小于剪力极限跨度；简支梁弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度。简支梁

11、弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度。 （顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）（顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）结论：结论：4、q 的确定：的确定： 1）组合梁原理：）组合梁原理： 整体整体Q =Qi 整体整体M =Mi 整体曲率较单一分层为小整体曲率较单一分层为小 各分层曲率一致各分层曲率一致（否则要离层） 2） q 的计算公式：的计算公式： 由材力知曲率与弯矩关系为：iixiiJEMk)( 且 即 故有： ； ； ； 由 M =Mi 有：有：nkkk 21nnnJEMJEMJEM 222111221121)()(JEJEMMxx331131)()(JEJEMMxxnnxnxJEJ

12、EMM111)()( 11332211JEJEJEJEMMnnxxnnxxJEJEJEMJEM 2211111QdxdMqdxdQ故有： 式中： 而 即为考虑到 n 层对第一层的影响时形成的载荷， 记为 故得：xnnxQJEJEJEJEQ 2211111)(xnnxqJEJEJEJEq 2211111)(nnxhhhq 2211123iibhJ xq )(11)(nq332231122113111)(nnnnnhEhEhEhhhhEq q 的计算公式：的计算公式：公式原理：公式原理： 当开采空间形成后，第一层岩层并非承受其上直至地表的全部岩层重量，其上必然有一层距离较近的近的坚硬岩层，可将起上

13、部岩层载荷通过本身的强度或抵抗变形能力传递到空间两侧实体支撑点上，而第一层岩层仅承受其上直至第一层坚硬岩层间各岩层因弯矩施加的载荷。公式应用：公式应用： （P79例题） 1）先计算第一层载荷 2）计算第二层对第一层的作用；计算至第三层时第一层载荷 3）一直计算到第n+1层时，第一层载荷反而小于第n层时的载荷为止 4）取第n层时的计算载荷为 q ，此值为计算过程中得到的最大值。111hq三、老顶的板式破断：三、老顶的板式破断： 1、板式结构边界支撑条件：、板式结构边界支撑条件： 薄板：薄板：长150-200m 宽30m 厚24m 边界支撑条件：边界支撑条件： （a）四边固支始采工作面； （b）三

14、固一简一面为已采区（老塘）； （c）二固二简一面为已采区，一面为工作面采空区； （d）一固三简三面临空，回采半岛区域。2、板式结构体弯矩分布：、板式结构体弯矩分布： 1）Marcus简算法原理：简算法原理： 将板分为若干横纵条梁，求每一条梁弯矩并考虑将板分为若干横纵条梁，求每一条梁弯矩并考虑交叉点挠度相等，从而求出板体内弯矩分布。交叉点挠度相等，从而求出板体内弯矩分布。 2）板体内弯矩分布图：）板体内弯矩分布图： 由于由于 且且 由图可见：由图可见： 固定端边界处弯矩比其它地方为大；固定端边界处弯矩比其它地方为大； 顶板支撑条件由顶板支撑条件由“四固四固三简三简”转变时，煤壁处弯矩转变时，煤壁

15、处弯矩增大；增大； 上述四种支撑条件下，最大弯矩位于工作面煤壁中段；上述四种支撑条件下，最大弯矩位于工作面煤壁中段； 当板式结构四面临空时，最大弯矩在板的中间。当板式结构四面临空时，最大弯矩在板的中间。 3、板式结构破断过程：、板式结构破断过程： 长边长边短边短边沟沟通通中间中间 （OX型破断）第四节第四节 回采工作面上覆岩层移动规律回采工作面上覆岩层移动规律 老顶垮落后，其上覆岩层将依次发生断裂、离层和移动，其破坏移动的程度与开采形成的自由空间大小有关，一般讲，随时间的推移，上覆岩层移动将一直波及到地表。岩层内部破坏情况推测图岩层内部破坏情况推测图 A煤壁支撑影响区煤壁支撑影响区(ab)；B

16、离层区离层区(bc)；C重新压实区重新压实区(cd) 冒落带冒落带 裂隙带裂隙带 弯曲下沉带弯曲下沉带 1、横三区、竖三带的形成：、横三区、竖三带的形成： 上覆松软岩层上覆松软岩层 上覆中硬岩层上覆中硬岩层 上覆坚硬岩层上覆坚硬岩层2：实际测得的不同类型覆岩开采后的破坏情况：实际测得的不同类型覆岩开采后的破坏情况 1冒落带； 2裂隙带 上覆岩层移动实测曲线上覆岩层移动实测曲线 3、工作面附近顶板移动观测曲线：、工作面附近顶板移动观测曲线：开采后上覆岩层沿走向方向水平与垂直移动轨迹图开采后上覆岩层沿走向方向水平与垂直移动轨迹图 4、上覆岩层随工作面推采位移路径：、上覆岩层随工作面推采位移路径：观

17、测点在沿煤层倾斜剖面上的移动观测点在沿煤层倾斜剖面上的移动 5、倾角对顶板位移的影响：、倾角对顶板位移的影响：6、顶板移动一般规律：、顶板移动一般规律：岩层移动由下而上形成三带，直至地表（冒落、 裂隙、 弯曲下沉）；在工作面附近，顶板形成三区（煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区）；裂隙带可行成某种平衡结构；顶板移动在工作面前方30-40m开始（水平为主、垂直为小）；顶板（移动轨迹）位移基本垂直层面；移动影响范围，由下向上逐渐扩大，形状由方到圆。 第五节第五节 回采工作面上覆岩层活动规律假说回采工作面上覆岩层活动规律假说一、压力拱假说：一、压力拱假说： （1928，德国，哈克） 在上覆岩层中，形

18、成一个“压力拱”，前方煤壁及后方垮落矸石分别为拱的两脚，工作面处于拱的保护之下。 “压力拱”将随工作面的推进而前移。二、悬臂梁假说：二、悬臂梁假说： （1916，德国，施托克） 工作面和采空区上覆岩层，可视为一端固定于岩体内，另一端悬伸的悬臂梁，多岩层可组成组合悬臂梁。悬臂梁平时承担岩层载荷，当其变形下沉时，一端压在垮落矸石上，当跨度增大，断裂形成周期来压。三、预成裂隙假说：三、预成裂隙假说：( 1954，比利时，拉巴斯） 顶板岩层受支承压力作用，产生相互平行的裂隙，成为“假塑性体”，在工作面推进过程中，产生塑性弯曲，由相互挤压形成类似梁的平衡结构。 顶板分为应力降低区、应力升高区、采动影响区，三区随工作面而移动。 工作面支架应具有足够的初撑力和工作阻力，以阻止岩块滑落或离层。 四、铰接岩块假说：四、铰接岩块假说： （1954，苏，库兹