h第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
上行开采上覆岩层运动规律及可行性研究
Ｔ ｅｆ ｓｂｌｙｐｏｌｍ ｏ ａｃｎｉｇｍ ｎｎ ｉｕｃａ ｍｎ ｗ ｒ ｅｍ ａ ｕ ｉ ｒｕｈｔｅｒ ｉ ｍ ｔｏ ， ｔｒ ｅｔ ｉｉｃ ｈ ａｉ ｉ ｒｂｅ ｓｅｄｎ ｉｉｇｏ Ｑｗ ｏ ｅ ｏ ｅ ａ ｓ ｓ ｔｄｅ ｔ ｏｇ ｔ ｅｈｄ “ｈｅ ｂｌ ”ｄ ｔ － ｅ ｉｔ ｆ ｆ ｌｉ ｌ ｓ ｗ ｓ ｄｈ ｈ ａｏ ｅ ｓ ｓｎ
ｔ ｎ ｍｅｈ ｄ，ｔｅ ｓ ｒｏ ｎ ｉ ｇ ｒ ｃ ｑ ｉ ｔ ｏ ｔ ｅ ｍａｈ ｍａｉ ａ ｔ ｏ ｆ ｖ ｒｇ ａ ｄ ｉ ｗａ ｎ ｗｎ ｔ ａ ｅ ａ ｃ ｎ ｉ ｇ ｍ ｎｎ ｓ ｉ ｔｏ ｏ ｈ ｕ ｒ ｕ ｄ ｎ ｏ ｋ ｅ ｕ ｔ ｍｅｈ ｄ， ｔ ｅ ｔ ｌ ｙ ｈ ｃ ｍｅｈ ｄ ｏ ｅａ ｅ， ｎ ｓｋ ｏ ｔｔ ｅ ｄ ｎ ｉ ｇｗａ ａ ｔ ｈ ｈ ｓ ｉ ｆａ ｉ ｌ ．Ｔ ｅ ｉ ｏｔ ｎ ｘ ｅ ｉｎ ｅ ｗ ｕ ｄ ｂ ｒ ｖｄ ｄ ｔ ｈ ｖ ｒ ｕ ｅ ｅ ａ ｉ ｒｌｗ ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ａｙ ｉ ａ ｄ ｔ ｅ ｆａ ｉ ｉ ｔ ｅ ｅ ｒｈ ｏ ｅ ｓｂ ｅ ｈ ｍｐ ｒａ ｔｅ ｐ ｒｅ ｃ ｏ ｌ ｅ ｐ ｏ ｉ ｅ ｔ ｅ ｏ ｅ ｂ ｒ ｎ ｂ ｈ ｖ ｏ ｈ ｏ ｅｉｌ ａ ｌ ｓｓ ｎ ｈ ｅ ｓｂ ｌ ｙ ｒｓ ａｃ ｆ ｏ ｄ ａ ｃ ｎ ｉ ａ ｃ ｎ ｉｇ ｍｉ ｉｇ ｓｅ ｄｎ ｎｎ ． Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｓ ｅ ｄ ｎ ｎ ｎ ；ｏ ｅ ｂ ｒ ｅ ｙ ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｉ ｇ ｍ ｉ ｇ ｖ ｒ ｕ ｄ ｎ；ｂ ｈ ｖ ｏ ａ ｉ ｅ ａ ｉ ｒＬ ｗ；ｔ ｒｅ ｂ ｌ ；ｒｔ ｔ ｏ ｈ ｅ ｅｔ ｓ ａｉ ｍｅｈ ｄ ｏ
行 了研究论证 ， 知上行开采是可行 的； 得 为上行开采的上覆岩层运动规律理 论分析 与可行性研 究论证提供
第三章 回采工作面上覆岩层活动规律及其分析
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：
M·y Jz
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。
此假说认为工作面和采空区顶板可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 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。
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。
取梁单位宽度，则
任意点A：
1 Jz＝ bh3 (b=1) 12
＝ 12 ·M·y ，（y=h/2时， 最大 ）
2 2 3 h 4y τxy＝ Qx 3 2 h 最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，
h
3
即y＝0， ∴
3Qx (τxy)max＝ 2h
① 若根据固定梁计算：
M1 x E1 J1 E1 J1 M1 x E1 J1 ; E2 J 2 M 3 x E3 J 3 M n x En J n
《采场上覆岩层活动规律》获第四次国家自然科学奖三等奖
《采场上覆岩层活动规律》获第四次国家自然科学奖三等奖于铁军
【期刊名称】《煤炭高等教育》
【年(卷),期】1990(000)001
【摘要】由中国矿业大学钱鸣高教授等人研究的《采场上覆岩层活动规律》获第四次国家自然科学奖三等奖。
该项成果系统地研究了采场矿山压力及其控制问题,发现了已破断的岩块互相挤压后形成“砌体梁”平衡的结构,根据老顶所处的各种边界条件,获得了老项作为“板”形式的各种破断方式及规律,提出了弹性板和梁的力学模型,在矿山压力理论上有重要发展,达到国际先进水平,在国内外受到高度评价和承认。
对采矿学科和煤炭工业的发展有重要的指导和推动作用。
【总页数】1页(P58-58)
【作者】于铁军
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】G64
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采场上覆 岩层活动规律
12/34
如果不发生离层，应有 即
ymax ymax n
4 4 h1 q1 L1 h L1
384E1 J1
384E2 J 2
且
bh13 J1 12
h h1
bh 3 J2 12
令 q1 h1
有
E1 1 E2 1
显然：直接顶厚度 ≤ 老顶厚度时，易发生离层。
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。
6/34
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。
（对于反山，顶底板位置发生翻转）
2/34
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——刀柱法或留煤柱开采；
（b）自弯曲空间——顶板缓慢下沉法（顶板塑性大）； （c）充填空间——充填法； （d）垮落空间——全部垮落法。
3/34
三、顶板工作结构：
1、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——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象。 3、顶板结构端部支撑条件： 固定支座——顶板被煤岩层夹持，未断裂，无自由端 ； 简支梁支座——顶板端部断裂或埋深较浅（可转动） ；
第三章
1采煤工作面上覆岩层移动及矿压显现规律 论文
采煤工作面上覆岩层移动及矿压显现规律摘要：在大多数情况下，矿压显现会给地下开采工作造成不同程度的危害。
为了使矿压显现不影响正常开采工作，保证安全生产，必须采用各种技术措施加以控制。
包括对采掘空间进行支护，对松软破碎的煤层进行加固，用各种方法使巷道或回采工作空间得到卸压，对采空区进行处理等。
此外，对矿压的控制不仅在于消除和减轻矿压对开采工作造成的危害，还包括有效地利用矿压为开采服务。
研究矿压显现规律及各种控制方法的基本目的，是为了保证生产安全和取得良好的经济效益。
关键词：采煤工作面支撑压力及其显现地质因素技术因素1.绪论煤炭是我国的主要不可再生资源，它是我国工业生产必不可少的一部分。
因此，研究如何采煤及煤与岩石的关系是十分重要的。
这篇文章主要是介绍采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律，采煤工作面的围岩构成，采动岩体破坏的基本形式，裂隙带岩层的结构形式，工作面得矿压显现方式，直接顶的运动规律，基本顶的运动规律，支撑压力及其显现，地质因素，技术因素。
采煤工作面与矿压是息息相关的，要想安全的采煤，把产量搞上去，我们必须去研究矿山压力，因为在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉、底板鼓起、巷道变形后断面缩小、岩体破坏散离甚至大量冒落、煤被积压产生片帮或突然抛出、支架严重变形或损坏、充填物受压缩以及大量岩层移动、地表发生塌陷等。
2.1采煤工作面的围岩构成在煤层或岩层中开掘巷道和进行回采工作，称为对煤层或岩层的“采动”。
采动后在煤层或岩层中形成的空间，称为“采动空间”。
直接位于煤层上方和下方的岩层分别称为煤层的顶板和底板。
根据顶底板岩层距煤层的距离和对回采工作的影响，煤层的顶、底板岩层可以分为伪顶、直接顶、基本顶和直接底。
2.1.1伪顶位于煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。
2.1.2直接顶直接顶位于伪顶或煤层之上，具有一定的稳定性，移架或回采后能自行垮落的一层或数层岩层。
2.1.3基本顶位于直接顶之上较难垮落的厚层坚硬岩层称为基本顶。
采场上覆岩层移动规律
对采场产生明显的动压冲击，支架阻力不够易产生沿煤 壁切下的重大冒顶事故，即使不垮也会出现台阶下沉。
必须有高初撑力，其阻力能抗衡顶板沿煤壁切下，把 切断线推至控顶距之外。支架缩量按照出现台阶下沉而 不能压死支架考虑。
出现台阶下沉时支架阻力与缩量分别为：
PT A m L k k G
2LK
q
Qx
Mx
综上：老顶岩梁破坏形式有两个受弯矩作用拉断受剪力 作用剪断
二、梁式断裂时的极限跨距：
q
（一）固支情况 1、按弯矩计算：
M
任意点A 处正应力： My
Q
其中断面矩
JZ
Jz
1 h3 12
最大拉应力在梁的端部
max
M
max
h 2
Jz
1 ql 2 h 12 2
1 h3
ql 2 2h 2
12
当 max 时Rt，则岩梁被拉断裂。
说明：
1）先计算第一层载荷 q1 1h1
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。
四、老顶运动规律 1）老顶的初次垮落 由开切眼到老顶初次垮落时工作面推进的距离称为老顶的初 次垮落步距。 2) 老顶的周期性垮落 随工作面的推进将周期性地出现，称为老顶的周期性垮落。
ql 2
ql 2 M1 M 2 12
２）任意截面剪力：（Ｄ—Ｄ’）
Qx
R1
qx
ql 2
qx
ql 1 2
2x l
ql Q |x0 2
Q |xl 0 2
Q
采场上覆岩层运动和发展的基本规律
上覆岩层破坏形式的判断
理论判断
根据力学条件分析，理论上判断是很简单的。
L0<LG 时，岩层在悬跨度的中部被拉坏，形成弯拉破坏形式； L0≥LG时，岩层在端部被剪坏，形成剪切断破坏形式。
现场判断
1、测区布置（井下动态观测测区布置）
借助于井下动态观测研究方法，测
试仪器为0.01mm精度的顶底板相对
2
8
8
嵌固梁端部与中部弯矩之和正好与简支梁中部弯距相等。 梁端开裂后，端部弯矩向中部转移，就是按照这一规律进 行的。
力学过程分析：
(1)工作面推进至岩梁悬跨度达到极限值L0时，梁端弯矩MA为：
MA (q1 q2 ) LO
2
12
梁端的拉应力为：
( q1 q2 ) LO
2
A
MA W
ω
2
>
ω
ω
1
2
< ω
1
L
L
3
=
0 .8 L 2
L 2 = 0 .8 L 1
L1
图3.9 传递岩梁的形成
最大挠度和曲率 对于嵌固梁：
max
L
4 2
max
L
2 2
32 Em
2 Em 3L
2
对于简支梁：
max
5L
4 2
32 Em
max
2 Em
2
可以通式表达为：
L
4 2
m h
li
lo
lo
lo
li+
l
图 3.2
必须有高初撑力，其阻力能抗衡顶板沿煤壁切下，把切断线推 至控顶距之外。支架缩量按照出现台阶下沉而不能压死支架考 虑。 出现台阶下沉时支架阻力与缩量分别为： mL
上覆岩层结构及运动规律
1.2. 2上覆岩层结构及运动规律研究现状自采用长壁开采技术以来，回采工作面上覆岩层的结构及运动规律一直是采矿学科研究的核心问题之一。
许多学者结合现场实测，通过理论分析、实验室模拟和数值分析等方法研究了上覆岩层的结构及运动规律，提出了许多有价值的理论和围岩控制技术。
由于地质条件的差异较大、研究人员切入点的不同，形成了许多的假说和理论体系。
这些研究成果都以不同方式回答了上覆岩层结构的形式问题，用以解释采场各种矿山压力现象，因此，这些假说和理论研究成果对岩层控制都具有一定的指导意义。
1916年德国的K. Stock提出悬臂梁假说，假说认为：工作面和采空区上方的顶板可被视为梁，它是一端固定于岩体内，另一端则处于悬升状态，当顶板由几个岩层组成时，形成组合悬臂梁，弯曲下沉后，受已垮落岩石的支撑，当组合悬臂梁的悬臂长度达到某个极限时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。
此假说可以很好地解释工作面顶板下沉量和支架载荷随煤壁由近及远逐渐增大，同时还可以解释工作面的周期来压现象。
该假说不足之处是计算的顶板下沉量和支架载荷与实际相差较大。
1928年，德国人哈克(w. Hack)和吉果策尔(G. Gilicer)提出了压力拱假说，假说认为：长壁工作面自开切眼起形成了压力拱，前拱脚位于煤壁前方，后拱脚位于采空区，在拱脚处形成应力增高区，拱内为应力降低区。
压力拱随着工作面的推进而向前移动。
压力拱假说能很好的解释围岩的卸载过程和原因，但不能解释上覆岩层的运动、变形和破坏过程。
原苏联的r. H.库兹涅佐夫于1950--1954年提出了铰接岩块假说。
此假说认为：上覆岩层的破坏可分为垮落带和规则移动带。
垮落带又可分为整齐排列的上部分和杂乱无章的下部分，并且垮落带无水平方向有规律的挤压力。
岩块之间相互铰合形成了一个多环节的铰链，并且有规则地在采空区上方逐渐下沉。
该假说认为:工作面支架处于“给定载荷状态”和“给定变形状态”两种工作状态。
第三章采场顶板活动规律
8
3.2.1 压力拱假说
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 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。 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。
9
压力拱假说对回采工作面前后的支承压 力及回采工作空间处于减压范围作出了粗 略的但却是经典的解释，而对于此拱的特 性、岩层变形、移动和破坏的发展过程以 及支架与围岩的相互作用，并没有做任何 分析。
12
3.1.3 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( 带和裂隙带(规则移 动带) 动带)，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，从而相互铰合形成一条 多环节的铰链。三铰拱式的平衡。 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。
23
钻孔摄像机
24
3煤 板 （ 顶 细 岩 中 砂 ） 岩 泥 质 岩 炭 泥 4煤
20m 10m 0.5m 20m 0.5m
25
直接顶和老顶间发生离层
26
3.3.2 直接顶垮落后的碎胀特性 直接顶初次垮落后，岩石破碎，杂乱堆积( 直接顶初次垮落后，岩石破碎，杂乱堆积(图3-9)， ) 岩体的总体由于岩层破碎后体积将产生膨胀， 岩体的总体由于岩层破碎后体积将产生膨胀，堆积的高度 可能大于直接顶岩层原来的厚度。 可能大于直接顶岩层原来的厚度。若直接顶岩层的垮落厚 度为∑ ，则垮落后堆积的高度为K ∑ 。 度为∑h，则垮落后堆积的高度为 p·∑h。它与老顶之间 可能留下的空隙Δ 可能留下的空隙Δ为：
3
采空区处理方法: 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
第三章采场上覆岩层运动的基本规律
3.“砌体梁” 钱鸣高院士提出的砌体梁学说认为，老顶由多块断裂后像 “砌体”一样挤铰而成的结构组成，该学说系统研究了裂隙带岩 层形成结构的可能性以及结构的平衡条件（图c）。从建立该理论 的假说条件可以看出，该理论的结论更适用于坚硬岩层的采场。 4.“传递岩梁” 宋振骐院士提出的“传递岩梁”学说认为，在一定采高、推 进速度和顶板组成的条件下，平衡结构的存在是必然的，因此它 看待平衡结构的重点是从结构向煤壁前方和老塘矸石传递力的方 面考虑的，显然，这种结构在一般的采场均存在。在进行支架围 岩关系研究时事实上加进了“存在坚硬岩层”的前提条件。因此， 该理论所建立的力学模型均以两个岩块组成的结构出现。 “传递岩梁”和“砌体梁”理论都认为，坚硬岩层能在煤壁前 方断裂，因而通过研究岩层运动与支承压力之间的关系，提出了 来压预报的机理和方法，为减少我国恶性顶板事故作出了重大贡 献。“传递岩梁”理论还认为，采场支架可以改变铰接岩梁的位 态，并以两块模型推导出了位态方程，为支护设计定量化提供了 重要思路，其成果也为广大现场所接受。“传递岩梁”还提出了 采场存在多岩梁结构，该观点解释了多岩梁采场较为复杂的矿压 现象。
直接顶厚度的计算方法。（具体方法见宋振骐教授主 编的《实用矿山压力控制》
（三)直接顶的形态及特征
我国主要矿区按组成直接顶岩层的弱面及组份情况将其形态 归纳为颗粒型、膨胀型、团块型、分层裂隙共生型、双向裂隙型、 单向裂隙型、上软下硬型、下软上硬型、分层型及整体性10种 （见下页表）。 直接顶的形态是随其组成岩层的强度、弱面及其组合关系而 变化的，它能从非常软弱一直发展到非常坚硬。 颗粒型直接顶主要存在于顶煤松软的放顶煤工作面及顶板胶 结性差的工作面（包括无顶网且胶结差的假顶）。在放顶煤工作 面，顶煤由于受超前支承压力的预先破坏和支架的“重复”支撑， 一般情况下将很破碎，如果机道上方护顶及护帮不及时，将出现 大范围漏顶及片帮。 在顶板胶结性差的采场，如护顶不及时，机道上方将出现大 的“高冒”空穴，此类采场直接顶厚度一般超过 2～3倍采高，确 切的厚度将由颗粒型岩层的厚度决定。这种顶板现场也称为“豆 腐渣”顶板（见后页图）。
第三章 采场上覆岩层运动和发展的基本规律
《矿山压力与岩层控制》之第三章《矿山压力与岩层控制》之第三章采场上覆岩层运动和发展的基本规律采场上覆岩层运动和发展的基本规律山东科技大学资环学院资源工程系山东科技大学资环学院资源工程系本章提要本章特点学习难点有较多的基本概念有较多的基本规律矿岩层运动和破坏形式的判断方法岩层纵向组合运动的分析方法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P1§ 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§3.3上覆岩层在推进方向上的运动规律§3.4 上覆岩层运动参数的确定§3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律P23.1.1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3.1（e）P3（b）（a）（c）（d）P4（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：（3.1）2 力学条件图3.1弯拉破坏的运动形式P5二剪（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P6（a）（b）图3.2 剪切运动的基本形式P72 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，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。
3 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）P8（a）（b）图3.3 剪断运动形式对工作面的威胁P93.1.2 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。
采场上覆岩层运动规律
采场上覆岩层运动规律1．采场上覆岩层破坏的基本形式理论与实践的研究结果表明，采场上覆岩层悬露后发展到破坏有二种运动形式：弯拉破坏和剪切破坏。
弯拉破坏的发展过程是：随采场推进，上覆岩层悬露→在重力作用下弯曲→岩层悬露达一定跨度，弯曲沉降发展到一定限度后，在伸入煤壁的端部开裂→中部开裂形成“假塑性岩梁”→当其沉降值超过“假塑性岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自行冒落。
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。
悬露岩层中部拉开后，是否发展至冒落，则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冒落。
否则，将保持“假塑性岩梁”状态。
由此，煤层上方第n个岩层弯曲破坏发展至冒落的条件为:岩层剪（切）断破坏的发展过程是：岩层悬露后只产生不大的弯曲，悬露岩层端部开裂→在岩层中部未开裂（或开裂很小）的情况下，整体切断塌垮。
2 .采场上覆岩层在纵向上的运动发展规律2.1岩层离层发生的位置和条件采场上方悬露的岩层，可视为在均布载荷作用下的多层嵌固梁。
该岩梁弯曲沉降过程中，必然在平行于轴向的各层面（或接触面）上出现剪应力。
随采场推进，剪应力随岩梁悬跨度和外载的增加而增加，当剪应力值超过层面上（或软弱夹层的接触面上）粘结力和摩擦阻力所允许的限度时，层面或软弱夹层的接触面被剪坏。
岩层的离层随即发生。
因此，离层发生和力学条件为:式中：τ——层面（或软弱夹层接触面）的剪应力；C——层面或接触面上的粘结力；φ——层面或接触面上的磨擦角；σn——层面或接触面上的压应力。
大量理论研究和工程实践表明：（1）离层一般发生于岩层的接触面或软弱夹层上；（2）接触面的破坏，只有在相应接触面上的剪应力超限时才会发生，即悬露岩层的跨度达到极限时，离层才会发生。
（3）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。
当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，离层可能在上部夹层中出现。
采场上覆岩层移动规律
三、直接顶的初次垮落 初次垮落——直接顶第一次垮落（初次放顶）
（标志：垮落高度＞1～1.5m，长度＞1/2 面长）
初次垮落步距——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，稳 定性差，初次垮落易发生大面积顶板事故。
第三节 老顶的移动规律
一、老顶梁式结构分析：
1、冒落区老顶支撑条件：
1）全部充填满回采空间
0 h M
Kp 1
2）不能充填满回采空间 （老顶悬露，成梁式结构）
0
h M h KP M hKP 1
h M Kp 1
2、老顶梁式结构力学分析： （按固支）
1）支座反力：（对称）
R1
R2
二、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
采场推进→重力作用弯曲→一定跨度、沉降、弯曲、 端部开裂→中部开裂→冒落。
2、力学条件
岩层运动呈现弯曲沉降发展到破坏的运动形式，其力学 条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。
t max [t]
3、显现特点 运动由于是逐渐发展，冲击不大，相对（剪切运动） 其矿压显现比较缓和。 4、控制要求 为保证岩层运动时的采场安全，支架必须承担控顶区 上方冒落岩层的全部岩重，并且把“假塑性岩梁”的 运动控制在要求的位置上。
当不需要对“假塑性岩梁”沉降进行控制时，支撑 这部分岩层的支架阻力可以为零，最大不必要超过岩 梁跨度四分之一的岩重。
A PT A mEEL0
4LK
(二)剪（切）断破坏的运动形式
1、发展过程
悬露→产生不大弯曲，端部开裂→中部未开裂（或开裂 很少） ，情况下切断塌垮。
煤矿开采上覆岩层移动机理
（10） （11）
但根据(11)式计算的φ在(-π/2,π/2)中取值，而倾向 应在(0,2π)中取值，根据A、B的取值确定倾向φ列 成表1。
25
表1 根据A、B值倾向取值一览表
A
B
φ符号
φ倾向取值 φ所在象限
＞0
＞0
＋
3π/2-φ
第三象限
＞0
＜0
－
π/2-φ
1
一、传统的预计理论存在的问题
经典的预计理论对上覆岩层移动规律都存 在这样或那样的假设，也就是说都把实际工 业生产中复杂的地质条件进行了一定程度的 简化，所以在理论计算和现场实际测量值之 间都存在误差，特别是在全盆地地表移动变 形预计中更是高达30%以上。
2
传统的预计公式
ix
பைடு நூலகம்
wmax r(z)
i
若拟合精度达不到工程规定的要求，还可以拟合双三次 多项式曲面，在本文中仅以二次曲面多项式为例论述， 其原理相同。
23
求取倾角
空间曲面的倾角是点位的函数，给定点位的倾角
是曲面上该点的法线方向与垂直方向z之间的夹角α， 对曲面z=f(x,y)，其给定的点(x0,y0,z0)的切平面方程 为：
f x0 (x0 , y0 )(x x0 ) f y0 (x0 , y0 )( y y0 ) (z z0 ) 0 （7）
第二象限
＜0
＞0
－
3π/2-φ
第四象限
＜0
＜0
＋
π/2-φ
第一象限
≈0
＞0
\
3π/2
\
＞0
≈0
\
0
\
≈0
薄基岩浅埋采场上覆岩层运动规律研究
薄基岩浅埋采场上覆岩层运动规律研究摘要：近年来，随着煤矿采掘活动日益增强，采深、采高不断增加，放顶煤开采工艺也得到了飞速发展。
同时，由放顶煤围岩移动诱发的顶板高冒、矿井透水、冲击矿压等灾害越来越严重，给矿井正常生产带来极大威胁。
很多事故用二维平面模型解释顶板岩层运动规律，与真实情况偏差很大，对工程实践指导意义不大。
基于此，本文主要对薄基岩浅埋采场上覆岩层运动规律进行分析探讨。
关键词：薄基岩浅埋采场；覆岩层；运动规律1、前言液压支架处于下位基本顶形成的小结构保护之下，因此，当下位基本顶破断或者破断岩块所形成结构失稳过程，必然会对工作面液压支架有较大的冲击。
为了研究支架顶板载荷，选择下位基本顶作为研究对象，认为上位基本顶对液压支架作用力较小。
基本顶初次断裂后，可简化看作悬臂岩梁，其运动过程经历超前煤壁断裂、旋转、下沉、回转。
2、直接顶运动过程工作面煤层推进过程中，直接顶板的初次垮落距的大小与其岩性、岩体强度、节理裂隙分布等有密切的关系。
随着工作面不断向前推进，直接顶板岩层出现自下而上逐层垮落的现象。
与普通综采工作面相比，大采高综采工作面直接顶的下沉垮落高度明显变大。
随着煤层的不断回采，直接顶的厚度与基本顶的位态一直处于变化过程中，即直接顶的下沉垮落高度和基本顶岩层的稳定程度综合决定了采空区的充填范围和程度。
因此，通过由基本顶初次来压之前的支架监测数据推导而来的直接顶厚度是偏小的，薄的直接顶厚度对采空区充填有限，导致采空区矸石接顶不完全，当基本顶来压时，会有较大的位移才能够平衡。
因此，加剧基本顶破断后形成的冲击载荷。
因此，在顶板载荷估算时应该充分考虑顶板切落形成的动载荷。
3、基本顶的初次来压随着工作面继续推进，基本顶岩层破断，最初形成两个岩块、三个铰接点的“三铰拱”式平衡结构。
随着工作面继续推进，基本顶岩层可能形成三块或更多的块的岩块组成的平衡结构，这种结构表面上似梁、实质上是拱，从宏观上看是“三铰拱”式结构，此时的支撑点是前后拱脚，工作面支架在“三铰拱”式平衡结构的保护之下。
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§3 老顶岩层的稳定性
二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式
老顶板的横“O-X”型破断
12:22
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§4 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。 求解过程：
梁内任一点正应力为：
§4 老顶初次破断时的极限跨距
一、梁式断裂时的极限跨距 ② 考虑为简支梁：
3qL ，与固定梁计算结果相 4h 同。因此，得极限跨距与上述计算也相同。 1 2 6 qL 2 3 qL 8 此时： max 2 h 4h 2 当 max＝RT 时： RT LlT 2h 3q
仍然 (τxy)max =
12:22
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§4 老顶初次破断时的极限跨距
一、梁式断裂时的极限跨距
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：
2 RT LS h n·q
不形ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ离层的条件为：
4 4 h L h1 q1· L1 1
384E1 J 1
384E2 J 2
若令q1=γh3，且h3＝α· h1 则上式可改写为：
1 a 1 2 E1 ·h1 E2 · h 2
12:22
h h1
E1 1 · E2 1 a
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
12:22 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§3 老顶岩层的稳定性
二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式
Marcus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交叉点挠 度相等，从而求出板体内弯矩分布。
图3-6 各类支撑条件下的弯矩分布
12:22 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§4 老顶初次破断时的极限跨距
一、梁式断裂时的极限跨距
每个岩层梁在其自重下形成的曲率不同
ki 1
i
Mi x
Ei J i
(ρi 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：
M1 M2 Mn E1 J1 E2 J 2 En J n
即： M1 x
一、老顶岩层的梁式破断
若为简支梁：
此时，剪力相同，但弯矩不同。即：
Qx
Mx
q
x qx M x R1 ·x qx· L x 2 2
此时，Mmax在梁的中间，即：
M max
12:22
qL2 qL2 qL2 4 8 8
ql 2 M| l x 8 2
ql Q | x 0 2
（顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）
12:22 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§4 老顶初次破断时的极限跨距
一、梁式断裂时的极限跨距
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
qn 1
3 E1h1
1h1 2 h2 n hn
3 3 3 E1h1 E2 h2 En hn
x 2
Q | x l
ql 2
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§3 老顶岩层的稳定性
一、老顶岩层的梁式破断
固定梁任意截面D－D ‘的弯矩为： x M x R· · M1 1 x qx 2 qL q 2 qL2 · x x 2 2 12 q 6 Lx 6 x 2 L2 12
§4 老顶初次破断时的极限跨距
一、梁式断裂时的极限跨距
① 若根据固定梁计算：
Ｍmax＝－ 1 qＬ2
则：
max
1 2 6 qL 2 qL 12 2 2 h 2h
12
当 max＝ ＲT时，岩层将在该处拉裂。为此，这
种梁断裂时的极限跨距为：
2 RT LlT h q
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
老顶初次垮落前岩体结构图
12:22 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§2 直接顶的稳定性
Δ＝Σh＋M－Kp· Σh＝M－Σh(Kp－1)
当Δ＝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：
M h KP 1
当Δ > 0时，老顶呈悬露状态，类似板状结构。 即所谓“梁”的假说。
§3 老顶岩层的稳定性
二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式
（1）以四边固支的板为例，老顶岩层 X型破坏 形成过程：
老顶板的竖“O-X”型破断
12:22 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§3 老顶岩层的稳定性
二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式
（ 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。
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§3 老顶岩层的稳定性
二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式
薄板：长150-200m 宽30m 厚2-4m 根据开采条件及采区边界煤柱大小，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
12:22
M2 x
M1 x E1 J1 E1 J1 M1 x E1 J1 ; E2 J 2 M 3 x E3 J 3 M n x En J n
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§4 老顶初次破断时的极限跨距
一、梁式断裂时的极限跨距 而： M x ( M1 ) x ( M 2 ) x ( M n ) x
E2 J 2 E3 J 3 E n J n M x M 1 x 1 E1 J1
板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板。
底
板：赋存煤层以下的岩层称为底板。
3．直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相
近的岩层称为直接顶。
伪 顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于
0.3至0.5m 极易垮落的软弱岩层。
老 顶：位于直接顶上方厚而坚硬的岩层。
直接底：直接位于煤层之下的岩层。
12:22 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
12:22
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§2 直接顶的稳定性
二、直接顶岩块离散原因分析（部分原因） 1) 节理裂隙的切割。 2) 初次放顶前直接顶所处的状态大部分均可能发生离层。 3) 单体支柱时，第一排刚支设，易使机道上方离层，采 用液压支架，无支护空间宽，前梁支撑力较小，也易离层。
4) 工作面较短时，直接顶的挠度大于老顶形成离层。
一、梁式断裂时的极限跨距
取梁单位宽度，则 任意点A：
1 3 J z＝ h 12
＝ τxy＝
12 ·M·y ， 3 h
3 h2 4 y 2 Qx 3 2 h
最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，即 y＝0，
∴
12:22
(τxy)max＝
3Qx 2h
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
M·y Jz
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。
12:22 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§4 老顶初次破断时的极限跨距
一、梁式断裂时的极限跨距
图 3 –9
12:22
岩梁上任意点的应力分析
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§4 老顶初次破断时的极限跨距
§1 概 述
二、采空区处理方法
(a)
(b)
(c)
∑h
(d)
图3–1
12:22
回采工作空间的形式
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§1 概 述
二、采空区处理方法
图3-2
全部垮落法回采工作空间的变化
12:22
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§2 直接顶的稳定性
一、概念
1．初次垮落距
2．碎胀系数KP 、残余碎胀系数 K'P
一、老顶岩层的梁式破断
对称梁，所以：R1＝R2，弯矩M1＝M2。 取ΣFy＝0，则 R R qL 1 2
2
任意截面D－D '，剪力为：
qL 2 x Qx R1 qx 1 2 L
所以:
Qmax
12:22
qL R1 R2 2
ql Q | x 0 2 Q| l 0
5) 分层开采，第一分层采出后，在以后各分层减压区域 内易形成离散状态。 6) 由于放顶回撤支柱导致直接顶岩块的离散。
12:22 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§2 直接顶的稳定性
12:22
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§2 直接顶的稳定性
三、初次放顶前直接顶的离层与断裂 以工作面中部为例分析。
12:22 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§2 直接顶的稳定性
表 3－2 顶板事故位置与原因分析表 位置 地点 上、下出口 放顶线 煤壁区 控顶区 % 57.9 19 14.7 8.4 推垮型 压垮型 71 29 事故类型 % 原因 直接顶或老顶 % 80 20 21 79