矿山压力与岩层控制3(高教书苑)课件

第三章采场顶板活动规律第一节几个概念第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说第三节直接顶的垮落第四节老顶的断裂形式第五节老顶的初次断裂步距第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其S-R稳定第七节老顶断裂时在岩体内引起的扰动1高级教育第三章采场顶板活动规律第一节几个概念1高级教育第一节几个概念回采工作面（采场）顶板底板采空区采空区处理方法伪顶直接顶老顶2高级教育第一节几个概念回采工作面（采场）顶板底板采空区伪顶2高级教采空区处理方法:(a)刀柱(留煤柱);(b)顶板缓慢下沉法;(c)充填法;(d)全部垮落法3高级教育采空区处理方法:3高级教育

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。4高级教育根据实测，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层重第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说拱脚（支撑点）在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。 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5高级教育第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说拱脚（支撑点）在采

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6高级教育 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。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7高级教育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。三

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8高级教育 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

“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：五、砌体梁假说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。9高级教育 “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。10高级教育随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层在裂缝带内将断裂成排列整3.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。4.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。11高级教育3.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12高级教育12高级教育传递岩梁假说传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振骐教授根据现场实测资料提出的。该假说首先与众不同地建立了直接顶与老顶两个基本概念。

直接顶：在采空区已经冒落的岩层总和，由于它们不能长久地保持向煤壁前方传递力的联系，因此其作用力必须由支架全部承担

老顶：由邻近采场的一部分传递岩梁组成，该部分岩梁的运动对采场矿压显现有明显的影响。老顶岩梁的结构采用了“传递岩梁”的概念，它包括下列含义：a）该岩梁是由同时运动（或近似于同时运动）因而对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。

b）该岩梁在采场推进过程中，无论是在相对稳定阶段，还是进入显著运动的阶段，都能在工作面推进方向上始终保持传递力的联系，从而能将其作用力传递到煤壁前方和采空区已冒落的矸石之上。由于采场不断推进，采场矿山压力及其显现总是在不断发展变化之中因此宋振骐教授建议研究的重点不仅是某一时刻瞬间值的大小，而是矿压的发展变化规律及其与上覆岩层运动的关系。解决了这个问题，则能通过矿压显现推测上覆岩层的运动，预测采场来压的时刻和强度，解决开采设计，生产管理等问题。

13高级教育传递岩梁假说传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振14高级教育14高级教育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：15高级教育第三节直接顶的垮落2、直接顶初次垮落距1、直接顶初4、直接顶初次垮落前的离层

直接顶最大扰度

老顶最大扰度

不离层条件16高级教育4、直接顶初次垮落前的离层 直接顶最大扰度

老顶最大扰度

4、直接顶初次垮落前的离层

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跨事故必须保证支架具有一定的初撑力：17高级教育4、直接顶初次垮落前的离层 粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于第四节老顶的断裂形式一、老顶的梁式断裂老顶两端固支梁受力分析18高级教育第四节老顶的断裂形式一、老顶的梁式断裂老顶两端固支梁受力二、老顶的板破断

一般老顶岩层可视为薄板，按薄板的Marcus简算法对板的破断进行分析。19高级教育二、老顶的板破断 一般老顶岩层可视为薄板，按薄板的Marcu老顶板的竖o-x型破断20高级教育老顶板的竖o-x型破断20高级教育老顶板的横O-X型破断21高级教育老顶板的横O-X型破断21高级教育第五节老顶的初次断裂步距两端固支梁极限跨距：

老顶达到初次断裂时的跨距称为初次断裂步距。

按材料力学方法可求得老顶梁式断裂步距。一、梁式断裂时的极限跨距22高级教育第五节老顶的初次断裂步距两端固支梁极限跨距： 老顶岩梁上任意点的应力分析23高级教育岩梁上任意点的应力分析23高级教育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：24高级教育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1011.5m简支梁破断距为29m弯矩形成的极限跨距比剪切力形成的极限跨距小；简支梁的抗弯极限跨距比固支梁的小；25高级教育举例：设h＝4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174老顶承受载荷计算26高级教育老顶承受载荷计算26高级教育二、老顶板断裂的极限跨距

老顶板断裂步距与边界支撑条件有关。a＝lm·ωlm老顶的步距准数ω

边－长系数

对四周固支板支撑条件对断裂步距影响：λ＝a/bb

工作面长度

ω1≥ω2≥ω3

≥ω4

>27高级教育二、老顶板断裂的极限跨距 老顶板断裂步距与边界支撑条件有关。工作面长度对断裂步距影响：

以四边固支为例，

b>3lm时，a≈lm

。说明工作面长度对破断步距影响甚微。3lm≥b>√2lm时，则lm<a<√2lm

。说明随工作面长度缩短，步距显著增大。老顶破断呈竖“o－x”型。28高级教育工作面长度对断裂步距影响： 以四边固支为例，b>3lm时，b＝√2lm时，则a＝√2lm

＝b。老顶呈正“o－x”破断，即“见方垮落”。

lm<b<√2lm时，则a>√2lm>

b。初次破断步距大于工作面长度，老顶呈横“o－x”型破断。b<

lm时，老顶稳定不垮落，即形成短壁开采工作面或巷道的情形。29高级教育b＝√2lm时，则a＝√2lm＝b。老顶呈正“o－x”第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析一.老顶初次断裂后的“砌体梁”平衡30高级教育第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析一.老1、结构的滑落失稳若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：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。31高级教育1、结构的滑落失稳若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：3一般情况下，φ=38°~45°，tanφ=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。32高级教育一般情况下，φ=38°~45°，tanφ=0.8~1.0。因若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角θ，满足不滑落失稳的条件为：对于图3-24(a)，当θ≥φ时，不论水平推力T有多大，都不能取得平衡。33高级教育若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角θ，满足不滑落失稳的条件为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。34高级教育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二.“砌体梁”全结构模型的受力分析35高级教育二.“砌体梁”全结构模型的受力分析35高级教育由上述分析可知，此结构的特征为：离层区悬露岩块的重量几乎全由前支承点承担；岩块B与C间剪切力接近于零，因而此处相当于岩块咬合形成半拱的拱顶；此结构的最大剪切力发生在岩块A与B之间，等于岩块B本身的重量及其载荷；此结构中第一、二断裂岩块即B与C对结构平衡起关键作用，是结构中的关键块。36高级教育由上述分析可知，此结构的特征为：36高级教育

形成“砌体梁”结构必须具有的水平力为：可见，hi越厚，si0越小，则形成此结构所要求的Ti力也越小。当si0=hi时，Ti→∞。这种结构无法形成。因此，上覆岩层中，只有具有一定厚度的岩层(大于下沉量Si0）才能形成此结构。37高级教育形成“砌体梁”结构必须具有的水平力为：可见，hi越厚，si0小的含义反映了以下几种情况：直接顶较厚；采空区采用充填法处理；采高较小的煤层；离开煤层距离较远的岩层。按滑落失稳条件，得到岩块长度与厚度的关系为：38高级教育si0小的含义反映了以下几种情况：直接顶较厚；按滑落失稳条件根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下矿山压力现象做出解释：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下沉出现台阶的原因；煤壁上方老顶剪切力最大是工作面顶板沿煤壁切落的原因；上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆盖层重量的原因，并由此可以分析工作面支架工作阻力必须平衡的顶板压力大小；采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采空区是工作面顶板压力比较小的原因；工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。39高级教育根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下矿山压力现象做出解释：第七节老顶断裂时在岩体内引起的扰动老顶岩层可视为夹持在上下软岩层间的弹性地基梁或弹性地基板，近似满足Winkler弹性地基假定。通过老顶弹性地基梁求解发现，在岩层断裂时，老顶在部分区域岩层将发生“上升”，而在另一部分区域老顶岩层对直接顶进一步“压缩”。前者称为“反弹”现象，其区域称“反弹”区；后者则称为“压缩”现象，其区域称为“压缩”区。40高级教育第七节老顶断裂时在岩体内引起的扰动老顶岩层可视为夹持在上

老顶破断前后的力学模型41高级教育 老顶破断前后的力学模型41高级教育42高级教育42高级教育老顶破断的“反弹”与“压缩”现象的意义：利用在工作面上下巷道中的“反弹”与“压缩”信息来预测老顶岩层的断裂和来压。43高级教育老顶破断的“反弹”与“压缩”现象的意义：43高级教育第三章采场顶板活动规律第一节几个概念第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说第三节直接顶的垮落第四节老顶的断裂形式第五节老顶的初次断裂步距第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其S-R稳定第七节老顶断裂时在岩体内引起的扰动44高级教育第三章采场顶板活动规律第一节几个概念1高级教育第一节几个概念回采工作面（采场）顶板底板采空区采空区处理方法伪顶直接顶老顶45高级教育第一节几个概念回采工作面（采场）顶板底板采空区伪顶2高级教采空区处理方法:(a)刀柱(留煤柱);(b)顶板缓慢下沉法;(c)充填法;(d)全部垮落法46高级教育采空区处理方法:3高级教育

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。47高级教育根据实测，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层重第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说拱脚（支撑点）在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。 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48高级教育第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说拱脚（支撑点）在采

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49高级教育 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。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50高级教育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。三

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51高级教育 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

“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：五、砌体梁假说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。52高级教育 “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。53高级教育随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层在裂缝带内将断裂成排列整3.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。4.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。54高级教育3.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55高级教育12高级教育传递岩梁假说传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振骐教授根据现场实测资料提出的。该假说首先与众不同地建立了直接顶与老顶两个基本概念。

直接顶：在采空区已经冒落的岩层总和，由于它们不能长久地保持向煤壁前方传递力的联系，因此其作用力必须由支架全部承担

老顶：由邻近采场的一部分传递岩梁组成，该部分岩梁的运动对采场矿压显现有明显的影响。老顶岩梁的结构采用了“传递岩梁”的概念，它包括下列含义：a）该岩梁是由同时运动（或近似于同时运动）因而对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。

b）该岩梁在采场推进过程中，无论是在相对稳定阶段，还是进入显著运动的阶段，都能在工作面推进方向上始终保持传递力的联系，从而能将其作用力传递到煤壁前方和采空区已冒落的矸石之上。由于采场不断推进，采场矿山压力及其显现总是在不断发展变化之中因此宋振骐教授建议研究的重点不仅是某一时刻瞬间值的大小，而是矿压的发展变化规律及其与上覆岩层运动的关系。解决了这个问题，则能通过矿压显现推测上覆岩层的运动，预测采场来压的时刻和强度，解决开采设计，生产管理等问题。

56高级教育传递岩梁假说传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振57高级教育14高级教育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：58高级教育第三节直接顶的垮落2、直接顶初次垮落距1、直接顶初4、直接顶初次垮落前的离层

直接顶最大扰度

老顶最大扰度

不离层条件59高级教育4、直接顶初次垮落前的离层 直接顶最大扰度

老顶最大扰度

4、直接顶初次垮落前的离层

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跨事故必须保证支架具有一定的初撑力：60高级教育4、直接顶初次垮落前的离层 粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于第四节老顶的断裂形式一、老顶的梁式断裂老顶两端固支梁受力分析61高级教育第四节老顶的断裂形式一、老顶的梁式断裂老顶两端固支梁受力二、老顶的板破断

一般老顶岩层可视为薄板，按薄板的Marcus简算法对板的破断进行分析。62高级教育二、老顶的板破断 一般老顶岩层可视为薄板，按薄板的Marcu老顶板的竖o-x型破断63高级教育老顶板的竖o-x型破断20高级教育老顶板的横O-X型破断64高级教育老顶板的横O-X型破断21高级教育第五节老顶的初次断裂步距两端固支梁极限跨距：

老顶达到初次断裂时的跨距称为初次断裂步距。

按材料力学方法可求得老顶梁式断裂步距。一、梁式断裂时的极限跨距65高级教育第五节老顶的初次断裂步距两端固支梁极限跨距： 老顶岩梁上任意点的应力分析66高级教育岩梁上任意点的应力分析23高级教育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：67高级教育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1011.5m简支梁破断距为29m弯矩形成的极限跨距比剪切力形成的极限跨距小；简支梁的抗弯极限跨距比固支梁的小；68高级教育举例：设h＝4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174老顶承受载荷计算69高级教育老顶承受载荷计算26高级教育二、老顶板断裂的极限跨距

老顶板断裂步距与边界支撑条件有关。a＝lm·ωlm老顶的步距准数ω

边－长系数

对四周固支板支撑条件对断裂步距影响：λ＝a/bb

工作面长度

ω1≥ω2≥ω3

≥ω4

>70高级教育二、老顶板断裂的极限跨距 老顶板断裂步距与边界支撑条件有关。工作面长度对断裂步距影响：

以四边固支为例，

b>3lm时，a≈lm

。说明工作面长度对破断步距影响甚微。3lm≥b>√2lm时，则lm<a<√2lm

。说明随工作面长度缩短，步距显著增大。老顶破断呈竖“o－x”型。71高级教育工作面长度对断裂步距影响： 以四边固支为例，b>3lm时，b＝√2lm时，则a＝√2lm

＝b。老顶呈正“o－x”破断，即“见方垮落”。

lm<b<√2lm时，则a>√2lm>

b。初次破断步距大于工作面长度，老顶呈横“o－x”型破断。b<

lm时，老顶稳定不垮落，即形成短壁开采工作面或巷道的情形。72高级教育b＝√2lm时，则a＝√2lm＝b。老顶呈正“o－x”第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析一.老顶初次断裂后的“砌体梁”平衡73高级教育第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析一.老1、结构的滑落失稳若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：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。74高级教育1、结构的滑落失稳若三铰拱式结构不产生滑落失稳，必须满足：3一般情况下，φ=38°~45°，tanφ=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。75高级教育一般情况下，φ=38°~45°，tanφ=0.8~1.0。因若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角θ，满足不滑落失稳的条件为：对于图3-24(a)，当θ≥φ时，不论水平推力T有多大，都不能取得平衡。76高级教育若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角θ，满足不滑落失稳的条件为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。77高级教育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二.“砌体梁”全结构模型的受力分析78高级教育二.“砌体梁”