顶板事故力学原理

2.悬臂梁假说
(1916.德.施托克)
• 将顶板视为叠合弹性梁 • 双固梁\悬臂梁式的平衡及与外部岩梁的联系等 • 可以解释:周期来压与来压步距关系 顶板下沉与支架受力关系 • 存在问题:弹性梁过于简化（弱面等） 未查明覆岩活动规律 计算顶板下沉量与支架荷载与实际相差甚远
3. 铰接岩块假说
(1950-1954.原苏联.库兹涅佐夫)
•关键层理论在岩层移动控制中的应用 建筑物下采煤 ,对地表移动变形量控制极为严 格 ,用关键层理论指导开采设计的基本原则为 :保 证主关键层不破断 ,并限制其弯曲变形量 .当采深 较深 ,覆岩中存在多层或多组坚硬岩层时 ,根据关 键层理论分析 ,主关键层下部将产生较为显著的 离层变形 ,并且主关键层的破断将引起地表较大 幅度的沉降 .因此 ,主关键层下部将是离层注浆的 最佳层位 .另外 ,亚关键层下部也能形成较为明显 的离层区 ,在其下部注浆既能起到保护主关键层 作用 ,又能起到地表减沉的效果 .
• 关键层理论在岩层移动裂隙分布中的应用 在工作面初次采动后 ,采场覆岩中关键层未破 断前 ,关键层将以弹性地基板或梁的结构形式产生 挠曲下沉变形 .此时 ,关键层下部将产生离层 ,离层 的大小取决于采高及软弱岩层的松散系数 .如有亚 关键层 ,则破断后的亚关键层将形成砌体梁结构 , 并也将在主关键层下部产生离层 .亚关键层与主关 键层都破断成砌体梁结构后 ,在覆岩中将形成不整 合性离层 ,这种离层将发生在开采边界的四周 ,而 并非在中部.
• 关键层理论在煤层瓦斯抽放中的应用 1)运用关键层破断移动规律 ,建立了卸压瓦斯抽放“O”形圈理论 ,它 是指导卸压瓦斯抽放钻孔布置的理论依据 ,并已在淮北、淮南、 阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功应用 . 2 )理论与实测研究证明 ,覆岩远距离煤层能充分卸压 ,其卸压煤层气 可通过“O”形圈大面积抽放出来 .首次在桃园进行了覆岩远距离 卸压煤层气抽放的工业性试验 ,取得了较好的抽放效果 ,为我国低 透气性煤田煤层气开采开辟了一条新途径 .同时 ,该方法扩展了开 采下解放层的应用范围 ,为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 .该 方法在我国许多矿区具备推广应用前景 . 3 )试验研究表明 ,邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对“导气” 裂隙发育的动态过程起控制作用 .邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 “导气”裂隙发育的动态过程 ,对阳泉五矿 1 5煤综放面而言 ,在 初采期 ,其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 . 4)根据“导气”裂隙发育规律 ,上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置 应遵循如下原则 :高抽巷沿倾向位置 ,在初采期应位于采空区中 部 ,而在正常回采期间 ,应位于“O”形圈内 .据此提出了阳泉五矿 1 5煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案 .
5.4 岩板的破断与工作面来压
• 图(a):中部可用“砌体梁” 结构来加以解释;而上下两 侧应该用“弧三角板”说 明.显现不同 • 图(b):为横O-X形断裂.沿 工作面推进方向不能应用 “砌体梁”的概念. • 应用:工作面支架工作阻力 的分布规律 沿空掘巷的围岩结构 原理
5.5 岩板断裂引起的地基扰动
岩性与围岩压力的关系
6. 巷道围岩压力控制方法
6.1 煤柱护巷的矿压显现
煤柱宽度与围岩变形的关系
6.2 沿空掘巷与上覆岩层的结构关系
沿空掘巷的矿压显现
（沿已稳定的采空区掘巷）
窄煤柱沿空掘巷
• 窄煤柱不起支撑作用 • 隔离作用不明显（影响带内 透气性比其它大17%~32%， 瓦斯自然释放率高达 80%~90%，且易于自燃）
• 假塑性梁(非连续体)的形成及准 梁式平衡结构 • 应力降低区(塑性弯曲,离层) • 应力升高区(最初产生预成裂隙) • 采动影响区 • 随工作面推进,三区同时移动 • 支架要有足够的初撑力和工作阻 力,以靠挤压摩擦作用阻止张裂、 离层和相对滑移 • 存在问题:岩块之间的平衡 支架受力关系不明确
5.砌体梁力学模型系统 (79-2000.中.钱鸣高等) 5.1 砌体梁模型
剖面图
2. 煤柱荷载在底板岩层中的传播
在荷载作用下岩石向无荷载部分对称挤凸
3. 采动影响巷道围岩变形规律
• U=u0+v0t0+u1+v1t1+u2(5个阶段)
4. 围岩压力类别
• 松动围岩压力 • 变形围岩压力:弹性变形压力 塑性变形压力 流变压力 • 膨胀围岩压力
5. 支架性能与围岩压力的关系
• 岩板的断裂将引起四周 弹性基础的“压缩”与 “反弹” • 波动不仅在工作面中部 前后有反应,而且在上、 下两巷中同样有反应. • 可从回风巷或运输巷测 定到老顶断裂信息,从而 利用老顶断裂与工作面 来压的时间差,预报工作 面的来压.
5.6 采场矿压整体力学模型
顶板岩层失稳与控制
控顶区顶板失稳类型
• • • • • • • 上覆岩层的冒落移动“三带”(I,II,III) 支撑覆岩的三区(a,b,c) 砌体梁结构体(梁-拱式结构) 运动特征(分组一致下沉,且受支配层制约) 力的传递关系(水平力与垂直力) 结构特征(半拱式结构与关键块) 平衡条件(S-R平衡,滑落失稳显现为台阶, 回转失稳显现为顶板下沉量增大) Titg(φ-θ)＞ (Ri)0-0 • 解释:工作面支承压力集中在前拱角; 下沉量小(如采高小,直接顶厚,充 填法处理采空区,远离煤层的岩 层等)易形成结构; 结构保护使支架受力小于覆岩重量 • 问题:顶板下沉量的估计; 支架与围岩的相互作用关系
位态方程式
• 给定变形工作方式(岩梁位 态与支架无关) A≤PT≤A++hEγELA/2LK • 限定变形工作状态(支柱受 力大小由限定的岩梁位态决 定) PT=A+PE△hT PE=B/ △hT B=(hEγELA/2LK) △hA
砌体梁模型与传递岩梁模型的对比
比 较 砌体梁模型 传递岩梁模型
岩块铰接状态
• 铰接岩块活动是顶板运动的基 本形式 • 垮落带(规则垮落带与不规则 垮落带)\规则移动带(基本顶) 的水平挤压铰接作用 • 给定荷载状态\给定变形状态 • 正确地对覆岩进行了分带,重视 支架与围岩的相互作用 • 存在问题:岩块间的力学关系 及平衡机理
4. 预成裂隙假说
(1954.比利时.拉巴斯)
“O”形圈岩移理论及“O”型圈形成过程
根据岩层移动理论，开切眼与工作面和上下顺槽构成的几何图形为矩形， 矩形周围及上覆岩层受采动的影响发生移动破坏，破坏的机理是在矩形 的四边岩层破坏裂缝呈下面咬合，矩形四角破坏裂缝呈上面咬合，采空 区形成了如图所示岩层移动形状。
裂隙 区 回风巷 A A
A 压 实 区
A 裂隙 区 裂隙 区 压实 区
工 作 面
开 切 眼
进风巷
“O”型圈的形成及顶板“O-X”破断过程
关键层理Hale Waihona Puke Baidu的应用
• 关键层理论在采场矿压控制中的应用 关键层理论可对采场矿压控制机理作出更为 系统和准确的分析 ,因而可对传统矿压估算公式作 全面的修正 .传统采场矿压理论是以老顶作为采场 来压主体 ,老顶上部覆岩均简化为载荷作用于老 顶 .而关键层理论是将在整个覆岩活动中起主要控 制作用的岩层作为采场来压的主体 ,同时考虑关键 层的复合效应.
相同点
不同点
•考虑成层性,假定分组一致下沉 •垮落步距采用梁假说 •认为岩梁可以传递水平力 •岩块的受力与平衡 •梁的几何特征(双曲 (推断) 线关系,实测) •给定荷载与给定变 •给定变形与限定变 形工作状态 形工作状态 •顶板压力估算应防 •顶板压力取决于岩 止台阶下沉 梁的位态(控制)
覆岩注浆减沉的作用机理
顶板事故的力学原理及防治
刘桥培训部 李晓辉 2006年1月
一、采场矿山压力力学模型
对采场围岩属性的认识 开采后岩体结构及平衡机理的解释与分析 建立力学模型及相应的支架受力关系式
1.压力拱假说
(1928,德.哈克,吉里策尔)
• 松散介质 • 自然平衡的“压力拱” • 前、后拱角的形成与移动 （支承压力的初始描述） • 减压区的形成与经典描述 • 问题：层状岩体？ 拱内岩层如何运动？ 拱的几何特征？ 后拱脚存在？
覆岩破坏与离层发展示意图
覆岩注浆技术的工艺过程图
O形圈的概念
二、巷道围岩控制技术
1. 回采引起的支承压力分布
• 工作面前后应力分布 • 煤柱侧的应力分布
回采引起的支承压力分布参数
回采空间周围三维垂直应力分布
• I-运输巷 • II-回风巷 • III-煤柱护 巷 • IV-跨上山 回采后 • V- -跨上山 回采前
5.2 反弹现象
• • • •
反弹：老顶断裂时，老顶部分区域将发生上升现象 老顶岩层断裂时在岩体中形成了反弹区和压缩区 垫层系数越大，反弹区域及反弹值越小 利用反弹信息可预测预报老顶岩层的断裂位置
5.3 岩板的断裂模型（O-X形破断)
• 弹性薄板理论:厚跨比=1/7~1/15＜ 1/4 • 破断过程:四周固支板形成O形破 断(长边形成裂缝→裂缝沿长边延 伸→短边裂缝的形成与延伸→裂 缝在四角形成圆弧形贯通)→四周 简支板再形成X形破断(板中央沿 长边裂缝形成与延伸→板形成X 形断裂) • 模型试验的验证(初次来压为X形 破断,周期来压时为半X形破断) • 四周基础视为弹性基础,则板的破 裂线将深入煤壁内
5.6 关键层的概念
• 在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时 ,对岩体活动 全部或局部起决定作用的岩层称为关键层 , 前者可称为 岩层运动的关键层 ,后者可称为亚关键层 。 • 关键层有如下特征 : • 几何特征 相对其它相同岩层厚度较厚 ; • 岩性特性 相对其它岩层较为坚硬 ,即弹性模量较大 ,强 度较高 ; • 变形特征 在关键层下沉变形时 ,其上覆全部或局部岩层 的下沉量与它是同步协调的 ; • 破断特征 关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的 破断 ,引起较大范围内的岩层移动 ; • 支承特征 关键层破坏前以板 (或简化为梁 )的结构形式 , 作为全部岩层或层部岩层的承载主体 ,断裂后若满足岩 块结构的Ｓ Ｒ稳定，则成为砌体梁结构 ,继续成为承载 主体 .
• 支撑作用。通过地面钻孔向覆岩离层空间高压注入混 合浆液 ,水将固体充填物质输送到离层空间中 ,固体充 填物质脱水沉淀 ,体积和密实程度不断增加 ,支撑上覆 岩层 ,阻止或减小其弯曲下沉 ,控制最大离层位置不再 向上发展。 • 压实作用。注入在离层空间内的高压浆液 ,作用于四周 的围岩 ,挤压其下部岩层 ,使岩层移动过程中所形成的 裂隙和碎裂空间被压实 ,在设计注浆层位置形成更大的 可注浆离层空间 ,有利于充分充填 ,减小二次沉降量 ,提 高减沉效果。 • 控制和减缓地表破坏程度。实施覆岩离层注浆技术 , 不仅可以减小开采引起的地表沉降和各种变形的绝对 值 ,而且可以降低沉降速度 ,使地表下沉盆地平缓 ,从 而降低对地面建筑设施的破坏程度。
沿尚未稳定的采空区掘巷
• 比沿已稳定的采空区开 掘的窄煤柱巷道围岩移 近量大1倍； • 比完全沿空掘巷（沿已 稳定的采空区）巷道的 围岩移近量大5倍
6.3 沿空留巷的矿压显现
沿空留巷的受力状况
采空区 顶板岩 层的沉 降规律
沿空留巷的围岩变形
7. 巷道围岩开槽（孔）卸压
•巷道围岩开槽（孔）及松动爆破卸压
• 岩块分离失稳 • 岩拱滑移失稳 • 岩梁转动失稳
控制措施
• • • • • • 开采设计上减轻高应力作用 减少控顶宽度，保持足够初撑力 足够切均匀的支护强度250-300kPa 保持有效的支撑系统刚度 保持支架纵向和横向稳定性 支护技术的改进
岩层控制的主要内容
• 采场上覆岩层结构形态及其对“支架 围岩” 的影响 ; • 开采引起岩体的裂隙及离层分布状态及其对 水与瓦斯流动的影响 ; • 岩层移动规律和地表沉陷对建筑物的影响。
6. 传递岩梁的概念
• 起源于对老顶的定义: 老顶是由对采场矿压显 现有明显影响的一组或几组 “岩梁”组成.对于老顶中 的每一岩梁,由于裂断岩块 之间的相互咬合,始终能向 煤壁前方和采空区矸石上传 递作用力,因此,运动时的作 用力无需由支架全部承担. 支架承担作用力的大小,由 对其运动的控制要求决定. • 内外应力场的观点..