第三章 采场顶板活动规律
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3采煤工作面上覆岩层移动规律
第三章采煤工作面上覆岩层移动规律第一节概述一、煤层顶底板岩层的构成煤层处于各种岩层的包围之中。
处于煤层之上的岩层称为煤层的顶扳；处于煤层之下的岩层称为煤层的底板。
根据顶、底板岩层离煤层的距离及对开采工作的影响程度不同，煤层的顶、底板岩层可分为：(l)伪顶。
紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。
通常由炭质页岩等软弱岩层组成，厚度一般小于0.5m，随采随冒。
(2)直接顶。
位于伪顶或煤层之上，具有一定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层称为直接顶。
通常由泥质页岩、页岩、砂质页岩等不稳定岩层组成，具有随回柱放顶而垮落的特征。
直接顶的厚度一般相当于冒落带内的岩层的厚度。
(3)老顶。
位于直接顶或煤层之上坚硬而难垮落的岩层称为老顶。
常由砂岩、石灰岩、砂砾岩等坚硬岩石组成。
(4)直接底。
直接位于煤层下面的岩层。
如为较坚硬的岩石时，可作为采煤工作面支柱的良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时，则常造成底臌和支柱插入底板等现象。
二、采煤工作面上覆岩层移动及其破坏在采用长壁采煤法时，随着采工作面的不断向前推进，暴露出来的上覆岩层在矿山压力的作用下，将产生变形、移动和破坏。
根据破坏状态不同，上覆岩层可划分为三个带(图3－l)。
冒落带。
指采用全部垮落法管理顶板时，采煤工作面放顶后引起的煤层直接顶的破坏范围(图3－l，Ⅰ)。
该部分岩层在采空区内已经垮落，而且越靠近煤层的岩石就越紊乱、破碎。
在采煤工作面内这部分岩层由支架暂时支撑。
裂隙带。
指位于冒落带之上、弯曲带之下的岩层。
这部分岩层的特点是岩层产生垂直于层面的裂缝或断开，但仍能整齐排列(图3－l，Ⅱ)。
弯曲下沉带。
一般是指位于裂隙带之上的岩层，向上可发展到地表。
此带内的岩层将保持其整体性和层状结构(图3－l，Ⅲ)。
生产实践和研究表明，采煤工作面支架上受到的力远远小于其上覆岩层的重量。
只有接近煤层的一部分岩层的运动才会对工作面附近的支承压力和工作面支架产生明显的影响。
所谓采煤工作面矿山压力控制，也就是对这部分岩层的控制。
3 采场顶板活动规律
第一、二方面的内容是假说的基本前提，多由现场中观测的实际资
料和已知的科学原理提供；第三方面的内容则是假说的核心部分，是在第一、二方面 的基础上，用已有科学原理，按逻辑思维方法推得。
二、几种主要矿压假说
由于开采方法的局限性，采场矿压 基本建立在巷道矿（地）压理论基础上， 两者无本质区别。
矿压理论的建立，起初是以经验为 基础，较多地偏重于矿山压力显现方面 的描述，由于测试手段不完善，所以假 说具有片面性和局限性。
该假说在前人研究成果及现场实测的基础上，对开采层采场上 覆岩层进行了分析认为： 1)在划分的岩层组中，每组中的软岩层或断裂的岩层可
视为坚硬岩层上的载荷，或者传递垂直力的媒介．
2)由于开采的影响，坚硬岩层已经断裂成为排列较整齐的
岩块．由于离层，在离层区域内，上下岩层组之间没有垂直力的 传递。在水平方向由于有水平推力，形成了铰接关系．铰接点的 位置取决于岩层移动曲线的形状，若曲线下凹，则铰接点位于断 裂面的下部，反之则在上部，离层区视为无支撑区．
成各种层理、节理、裂隙及断层等破坏了岩体的连续性，因而属于非粘 结性的不连续体，因此岩体虽然由脆性及刚性岩块组成，但它却象塑性 体那样产生很大的变形，称之为“假塑性”体。这种特性在采空区中表 现得更为明显，岩层移动导致围岩变形，岩层压力则引起支架受压。由 于采掘工作的不断进行，在采空区周围岩体中形成破坏区．
承压力分布范围和应力集中程度的影响以及解释老顶的二次垮落 现象等。
悬臂梁假说在一定条件下能对许多矿山压力现象进行解
该假说仍存在严重缺点，表现在：
释．并可以采用材料力学的方法进行粗略的计算．但不难看出，
第三章 采场顶板活动规律
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 采场顶板活动规律
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课件制作：曹云钦
④通过一定方式检验。
第三章 采场顶板活动规律
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一、压力拱假说：
德国，哈克）
（1928，
认为：回采空间上方形成自然平衡
拱（压力拱）。由松散体自然冒落拱得 出。工作面始终处于拱的保护之下。 “压力拱”将随工作面的推进而前移。
评价：可解释免压现象；但对岩层
移动过程中各层之间的力学联系未作分 析。
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老顶按梁式结构计算其极限跨度为： 固定梁 简支梁
按弯矩计算
LLT
2 Rt h q
LLT
Rt 2h 3q
按剪力计算
LLS
结论：
4hRs 3q
LLS
4hRs 3q
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。 （顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）
第三章
采场顶板活动规律
本章介绍：本章主要介绍全部垮落法开采，回采工作面顶板下沉、断
裂、移动规律，使学生建立顶板移动的空间概念。在基本假设的条件下， 对顶板破坏进行定量分析。
重点：顶板划分及其移动规律、工作面顶板来压产生及其过程。 难点：顶板力学结构分析
第三章 采场顶板活动规律
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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）。
第三章采场顶板活动规律
按抗剪： 破断距为1005m
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；
老顶承受载荷计算
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·ω
lm 老顶的步距准数
ω 边－长系数
对四周固支板
λ＝a / b
b 工作面长度
1.支”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。
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。
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。
若考虑老顶断裂面与垂直面成一断裂角θ，
2. 采动后顶板活动的一般规律
直接顶初次垮落：当直接顶垮落高度超过0.5m，
沿工作面方向垮落长度超过工作面总长度的 50%时。
直接顶初次垮落距：接顶初次垮落时工作面煤壁
至开切眼煤帮之间的距离。
图 5-5 直接顶初次垮落
图 5-6 直接顶垮落后的岩石充填情况
图 5-7 基本顶呈双固定支点梁状态
初次来压：工作面回采以来老顶第一次大规模来压。 基本顶初次来压步距：开切眼到初次来压时工作面
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 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。
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。
矿山压力及岩层控制第三章
2：实际测得的不同类型覆岩开采后的破坏情况
上覆松软岩层
上覆中硬岩层
1—冒落带；
2—裂隙带
上覆坚硬岩层
3、工作面附近顶板移动观测曲线：
上覆岩层移动实测曲线
4、上覆岩层随工作面推采位移路径：
开采后上覆岩层沿走向方向水平与垂直移动轨迹图
5、倾角对顶板位移的影响：
观测点在沿煤层倾斜剖面上的移动
6、顶板移动一般规律：
第五节 回采工作面上覆岩层活动规律假说 一、压力拱假说： （1928，德国，哈克）
在上覆岩层中，形成一个 “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： （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
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）；
2） q 的计算公式：
由材力知曲率与弯矩关系为： ki
(M i )x Ei Ji
且 k1 k2 kn
即 M1 M2 Mn
E1 J1 E2 J 2
En Jn
故有：(M 1 ) x E1J1
(M 2 )x E2 J2
(M 1 ) x
；(M 3 ) x
E1 J1
E3 J 3；…
；(M 1 ) x E1 J1
二、直接顶的离层：
采场顶板移动规律.ppt
LLS
4hRs 3q
弯矩与固定梁不同，最大弯矩在梁中部
ql2 Mmax 8
故最大拉应力为： max
Mmax Jz
h 2
ql2 h 82 1 h3
3ql2 4h2
12
当 max Rt 时，岩梁被拉断裂。
此时由
Rt
3q l 2 4h2
有：
简支梁按弯矩计算的极限跨距： LLT 2h
Rt 3q
老顶按梁式结构计算其极限跨度为：
2Rt q
2、按剪力计算：
最大剪切力发生在梁的两端
ql Qmax 2
最大剪应力为：
max
3 h2 2 QX (
4y2 h3 )
max
3ql 4h
当 max Rs 时，岩梁被剪断。
此时由
3ql Rs 4h
有：
固定梁按剪力计算的极限跨距：
LLS
4hRs 3q
3、按简支梁计算：
剪力与固支梁同，跨距相同
（O—X型破断）
量，其上必然有一层距离较近的坚硬岩层，可将起上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： （P79例题）
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。
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）；
2、老顶梁式结构力学分析： （按固定支座）
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。
h第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
；
qL2 在梁的两端(x＝0；Ｌ)，Mmax＝ 12
在梁的中部(x＝ L 2
12:02
)，M＝ 1 qL2。 24
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§2 老顶岩层的稳定性
一、老顶岩层的梁式平衡
若为简支梁：
此时，剪力相同，但弯矩不同。即：
x qx M x R1 ·x qx· L x 2 2
图3–10 多层梁的载荷计算图
12:02 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§3 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
(Hale Waihona Puke i 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
12:02 第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§2 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形破坏 形成过程：
12:02
第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析
§2 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。
种梁断裂时的极限跨距为：
第三章 采场顶板活动规律
顶区全部直接顶受支架均匀支护作用：则
(h1 h3 ) L 384E1 J1
4 1
4 ( h p) L1
384E2 J 2
实际上直接顶初次垮落距离大于10m，而采场控顶 宽度一般只有5~6m，并不是如上所说，而更接近下图。
11
3、铰接岩块假说 （前苏联库兹涅佐夫，1950)
假说观点： （1）采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者差别在于，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。 （2）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。
讨论：
（1）正确解释了顶板分带情况。 （2）提出了老顶铰接岩块结构形 式。 （3）没有解决结构平衡条件。
（4）砌体梁、关键层理论力学模型简单是科学简化的结果。
27 27
第三节 直接顶的垮落
煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。 回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当 达到其极限跨距时开始垮落。 直接顶初次垮落：直接顶第一次垮落高度超过1～1.5 m，范围 超过全工作面长度的一半，叫做直接顶初次垮落，此时直接顶的跨 28 距称为“直接顶初次垮落距”。 28
直接顶初次垮落前的离层分析
直接顶初次垮落前，相对基本顶而言，其变形大，容 易出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初次垮落前可以 简化为“固支梁”式结构，其离层与变形分析如下。
老
顶
直接顶
直接顶初次垮落前的离层分析
29
29
直接顶最大挠度
老顶最大挠度
不离层条件
ymax ymax n
30
若令q1=h3，且h3=h1，J1=bh13/12，J2=b(h)3/12，令b=1，则 上式可改写为：
采场顶板活动规律
由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复 杂性，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解 释（即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）称为矿 山压力假说，它们丰富和促进了矿山压力理论的发展。
12
3.2.1 压力拱假说
（德国哈克等，1928）
假说观点：
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。
讨论：悬臂梁假说解释了：
（1）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁 越远则两者均大的现象。
（2）采场出现前支承压力、周期来压现象。 该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆 岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和 支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。
14
3.2.3 铰接岩块假说
（前苏联库兹涅佐夫，1950)
讨论：
（1）正确解释了顶板分带情 况。 （2）提出了老顶铰接岩块结 构形式。 （3）没有解决结构平衡条件。
假说观点：（1）采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者 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。
矿膏体充填工业化试验项目。
8
3.1 概述
太平煤矿站
小屯煤矿站
朱村煤矿站
岱庄煤矿站
中国矿业大学设计建立的部分膏体充填站 9
3.1 概述
需要指出的是，我国煤矿目前普遍采用的是全部垮落 法管理顶板，在回采工作面从开切眼回采一定宽度出现顶板 破断冒落以后，回采工作面便是处于一侧是待采的煤壁，另 一侧是冒落破坏的采空区。
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3.2.1 压力拱假说
（德国哈克等，1928）
假说观点：
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。
讨论：悬臂梁假说解释了：
（1）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁 越远则两者均大的现象。
（2）采场出现前支承压力、周期来压现象。 该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆 岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和 支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。
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3.2.3 铰接岩块假说
（前苏联库兹涅佐夫，1950)
讨论：
（1）正确解释了顶板分带情 况。 （2）提出了老顶铰接岩块结 构形式。 （3）没有解决结构平衡条件。
假说观点：（1）采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者 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。
矿膏体充填工业化试验项目。
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3.1 概述
太平煤矿站
小屯煤矿站
朱村煤矿站
岱庄煤矿站
中国矿业大学设计建立的部分膏体充填站 9
3.1 概述
需要指出的是，我国煤矿目前普遍采用的是全部垮落 法管理顶板，在回采工作面从开切眼回采一定宽度出现顶板 破断冒落以后，回采工作面便是处于一侧是待采的煤壁，另 一侧是冒落破坏的采空区。
采场顶板活动规律
（1）
8
对（1）式，当 取得平衡。
不论水平推力T有多大，都不能
9
2．受力、稳定性分析 • 该假说在前人研究成果及现场实测的基础上，对开采层采场上
• 覆岩层进行了分析认为： 1)、在划分的岩层组中，每组中的软岩层或断裂的岩层可视为坚硬 岩层上的载荷，或者传递垂直力的媒介． 2)．由于开采的影响，坚硬岩层已经断裂成为排列较整齐的岩 块．由于离层，在离层区域内，上下岩层组之间没有垂直力的传递。 在水平方向由于有水平推力，形成了铰接关系．铰接点的位置取决 于岩层移动曲线的形状，若曲线下凹，则铰接点位于断裂面的下部， 反之则在上部，离层区视为无支撑区． 3)．由于层间不能阻挡水平错动，因而视软岩层或碎裂岩层为支承 链杆，即只能传递垂直力，不能阻止水平力． 4)、当岩块恢复到水平位置时，破碎岩块间的剪切力为零，故以后 的岩块可以用一水平直杆代之． 5)．最上岩层组的坚硬岩层，由于其上只是软岩层及冲积层；因此 可视为均布载荷作用于最上组的坚硬岩层上，而下面的岩层组则不 然． 6)，最上的坚硬岩层，随着回采工作面的推进．由于载荷条件一致， 因而该岩层断裂后各岩块可视为等长．但下面各组岩层由于相互作 用，破碎后的长度未必相等．
Titg ( ) ( Ri )0 0
13
要求形成的破碎岩块长度必须满足：
(hi Si 0) Li 0 2 tg ( )
14
第三章 采场顶板活动规律
本节介绍：
老顶的初次断裂步距 老顶初次断裂后的砌体梁结构及其稳 定性分析
1
第六节 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析
• 砌体梁假说是 中国矿业大学钱鸣高 教授在前苏联学者库 兹涅佐夫教授的铰接 岩块假说的基础上根 据相似模型实验和现 场实测，运用结构力学的方法得到了采场上覆岩层的平 衡和失稳 条件，从而提出了“砌体梁”假说。 • 砌体梁假说认为，在老顶岩梁达到断裂步距之后， 随着工作面的继续推进，岩梁将会折断，但断裂后的 岩块由于排列整齐．在相互回转时能形成挤压，由于 岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力的作用，在 一定条件下能够形成外 表似梁实则为半拱的结构。这 2 种平衡结构形如砌体，故称之为砌体梁。
第三章 采场顶板活动规律
第三章采场顶板活动规律第一节概述基本概念1.回采工作面（简称采场）直接进行采煤或采有用矿物的工作空间。
2.顶板、底扳顶板：赋存在煤层之上的岩层。
底扳：煤层以下的岩层。
直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。
伪顶：煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3～0.5m极易跨落的软弱岩层。
老顶：位于直接顶上方的厚而坚硬的岩层。
直接底：直接位于煤层之下的岩层。
3.采空区处理方法（1）刀柱法（2）顶板缓慢下沉法（3）全部充填或局部充填法（4）全部跨落法刀柱法：煤柱支撑法即在采空区留一定宽度的煤柱以支撑顶板。
此法在难垮顶板中使用，但常常给下部煤层开采带来困难。
顶板缓慢下沉法随着开采顶板弯曲下沉，而后将采空区填实。
一般在采高较小、顶板易于弯曲下沉（如石灰岩顶板）时使用。
充填法随着开采，将采集的充填料用机械或人工将采空区充填以控制顶板，此种方法由于费用很高，因而只是采特厚煤层或者有必要减少地表沉陷时采用。
全部跨落法即让直接顶廓落，利用岩石跨落后的碎胀性使采空区填满以控制老顶的活动。
第二节有关采场上覆岩层活动规律的假说一、有关假说自从采用长壁工作面开采以来，上覆岩层中是否存在着大结构，以及此结构是什么形式，一直是采矿科学研究的重要课题。
1.压力拱假说它是由德国人哈克和吉里策尔于1928年提出的。
该假说认为：长壁采煤工作面自开切眼起就形成压力拱，此后，拱随着工作面的推进而扩大，直至拱顶达到地表为止。
在工作面前后煤体中形成的前拱脚a，后方跨落岩石则形成后拱脚b，a、b 均为应力增高区，工作面则处于应力降低区，支架承受的载荷仅为上覆压力拱内的岩石重量。
优点：能解释围岩卸载的原因；缺点：未能说明岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互关系。
2.悬臂梁假说它是德国的施托克于1916年提出的。
该假说认为：工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它一端固定于岩体内，另一端则处于悬伸状态，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，靠近煤壁处顶板下沉量最小，表现的顶板压力也小。
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4、预成裂隙假说(比利时 拉巴斯，1950）
假说观点： （1）在采场周围存在应力降低区(Ⅰ)，应力增高区(Ⅱ)和采动
影响区(Ⅲ)，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。
（2）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，其在彼 此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡。在自重及上覆岩层的 作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩层的下沉量大于上部 岩层时，就产生离层。
假说观点：
（1）采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者差别在于，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。
（2）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。
讨论：
（1）正确解释了顶板分带情况。 （2）提出了老顶铰接岩块结构形 式。 （3）没有解决结构平衡条件。
煤矿安全生产最关心的是如何才能够确保回采工作面工人、设备 安全！这需要研究掌握回采过程中顶板岩层移动破坏规律，需要研 究直接顶、老顶对采场矿山压力显现的影响和对支架的要求，需要 研究各种条件下设计加工什么样的支架才能够保证支护安全。煤与 瓦斯共采还需要研究掌握瓦斯在采空区内的运移规律。
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3、为何要研究顶板活动规律
由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂 性，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释 （即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）称为矿山压 力假说，它们丰富和促进了矿山压力理论的发展。
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1、 压力拱假说 （德国哈德克等，1928）
假说观点：
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。
对于一个回采工作面，如果不知道顶板中那些岩层需要控制， 不知道这些岩层大面积运动发生的时间、范围以及可能的运动方向， 控制设计将是盲目的。同样，如果不了解支承压力分布随上覆岩层 运动发生的变化规律，不能根据具体的条件，包括时间、地点及上 覆岩层运动的发展情况等，搞清楚回采工作面四周压力的真实分布 情况，要正确选择巷道合理的开掘位置和时间，解决好巷道所必须 的阻力和缩量等方面的问题也是不可能的。
讨论：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。
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2 、悬臂梁假说 （德国施托克，1916）
假说观点：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。
讨论：悬臂梁假说解释了： （1）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越
远则两者均大的现象。 （2）采场出现前支承压力、周期来压现象。 该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层
活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷 与实际所测得的数据相差甚远。
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3、铰接岩块假说 （前苏联库兹涅佐夫，1950)
直接顶指采空区已经冒落岩层的总合。
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➢伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3～0.5 m、极易 垮落（随采随冒）的软弱岩层，称为伪顶。（false roof) ➢基本顶：位于直接顶之上(有时直接位于煤层之上)对采场矿山压 力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为基本顶/老顶。 （main roof)
本章重点学习采场顶板岩层移动破坏规律。
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第二节 有关采场上覆岩层活动规律的假说
“假说”就是用已有的事实材料和科学原理为依据，关于未知事 实（如现象之间的规律性联系、事物的存在或原因、未来事件的出 现等）的假设性解释。
形成假说是科学研究活动中的基本程序之一，也是研究工作十 分重要的手段。假说指导我们理解新的情况、启发我们做新的实验 从而发现新的现象和规律。经过实践检验和验证，证明是正确的， 就上升为理论和规律。
老顶破断以后，破裂岩块始终能保持向煤壁前方和采空区矸石上 传递力的联系，它的运动对回采工作面矿山压力显现有明显影响， 但是其作用力无须由支架全部承担。
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2、回采工作面采空区处理方法
图3-1 回采工作面采空区常见处理方法
a 刀柱(留煤柱)；b 顶板缓慢下沉法；c 充填法 ；d 全部垮落法
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充填回采工作面采空区处理方法
煤体
采空区
支架
充填体 充填体
发展膏体充填采煤技术的目的
解放“三下一上”压煤，提高采出率，延长矿井服务年限；
保水采煤；
固体废物资源化利用；
沿空留巷、煤-瓦斯共采。
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需要指出的是，我国煤矿目前普遍采用的是全部垮落法管理顶 板，在回采工作面从开切眼回采一定宽度出现顶板破断冒落以后， 回采工作面便是处于一侧是待采的煤壁，另一侧是冒落破坏的采空 区。
矿山压力与岩层控制
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3 采场顶板活动规律
3.1 概述 3.2 有关采场上覆岩层活动规律的假说 3.3 直接顶的垮落 3.4 老顶的断裂形式 3.5 老顶的初次断裂步距 3.6 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析 3.7 老顶断裂时在岩体内引起的扰动
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第一节 概述
1、基本概念
➢回采工作面/采场：直接进行采煤或采其它矿物的工作空间称为回 采工作面或简称为采场。（coal face, working face) ➢顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。（roof） ➢底板：位于煤层下方的岩层称为底板。（floor) ➢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。 （immediate roof)，由于它们在推进方向上不能够始终 保持传递力的联系，因此一旦运动，其重量将由支架全部承担。
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（3）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及时支撑住 顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，借助于彼此之间的摩 擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对滑移、张裂与离层。
4、预成裂隙假说(比利时 拉巴斯，1950）
假说观点： （1）在采场周围存在应力降低区(Ⅰ)，应力增高区(Ⅱ)和采动
影响区(Ⅲ)，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。
（2）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，其在彼 此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡。在自重及上覆岩层的 作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩层的下沉量大于上部 岩层时，就产生离层。
假说观点：
（1）采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者差别在于，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。
（2）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。
讨论：
（1）正确解释了顶板分带情况。 （2）提出了老顶铰接岩块结构形 式。 （3）没有解决结构平衡条件。
煤矿安全生产最关心的是如何才能够确保回采工作面工人、设备 安全！这需要研究掌握回采过程中顶板岩层移动破坏规律，需要研 究直接顶、老顶对采场矿山压力显现的影响和对支架的要求，需要 研究各种条件下设计加工什么样的支架才能够保证支护安全。煤与 瓦斯共采还需要研究掌握瓦斯在采空区内的运移规律。
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3、为何要研究顶板活动规律
由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂 性，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释 （即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）称为矿山压 力假说，它们丰富和促进了矿山压力理论的发展。
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1、 压力拱假说 （德国哈德克等，1928）
假说观点：
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。
对于一个回采工作面，如果不知道顶板中那些岩层需要控制， 不知道这些岩层大面积运动发生的时间、范围以及可能的运动方向， 控制设计将是盲目的。同样，如果不了解支承压力分布随上覆岩层 运动发生的变化规律，不能根据具体的条件，包括时间、地点及上 覆岩层运动的发展情况等，搞清楚回采工作面四周压力的真实分布 情况，要正确选择巷道合理的开掘位置和时间，解决好巷道所必须 的阻力和缩量等方面的问题也是不可能的。
讨论：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。
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2 、悬臂梁假说 （德国施托克，1916）
假说观点：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。
讨论：悬臂梁假说解释了： （1）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越
远则两者均大的现象。 （2）采场出现前支承压力、周期来压现象。 该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层
活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷 与实际所测得的数据相差甚远。
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3、铰接岩块假说 （前苏联库兹涅佐夫，1950)
直接顶指采空区已经冒落岩层的总合。
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➢伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3～0.5 m、极易 垮落（随采随冒）的软弱岩层，称为伪顶。（false roof) ➢基本顶：位于直接顶之上(有时直接位于煤层之上)对采场矿山压 力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为基本顶/老顶。 （main roof)
本章重点学习采场顶板岩层移动破坏规律。
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第二节 有关采场上覆岩层活动规律的假说
“假说”就是用已有的事实材料和科学原理为依据，关于未知事 实（如现象之间的规律性联系、事物的存在或原因、未来事件的出 现等）的假设性解释。
形成假说是科学研究活动中的基本程序之一，也是研究工作十 分重要的手段。假说指导我们理解新的情况、启发我们做新的实验 从而发现新的现象和规律。经过实践检验和验证，证明是正确的， 就上升为理论和规律。
老顶破断以后，破裂岩块始终能保持向煤壁前方和采空区矸石上 传递力的联系，它的运动对回采工作面矿山压力显现有明显影响， 但是其作用力无须由支架全部承担。
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2、回采工作面采空区处理方法
图3-1 回采工作面采空区常见处理方法
a 刀柱(留煤柱)；b 顶板缓慢下沉法；c 充填法 ；d 全部垮落法
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充填回采工作面采空区处理方法
煤体
采空区
支架
充填体 充填体
发展膏体充填采煤技术的目的
解放“三下一上”压煤，提高采出率，延长矿井服务年限；
保水采煤；
固体废物资源化利用；
沿空留巷、煤-瓦斯共采。
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需要指出的是，我国煤矿目前普遍采用的是全部垮落法管理顶 板，在回采工作面从开切眼回采一定宽度出现顶板破断冒落以后， 回采工作面便是处于一侧是待采的煤壁，另一侧是冒落破坏的采空 区。
矿山压力与岩层控制
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3 采场顶板活动规律
3.1 概述 3.2 有关采场上覆岩层活动规律的假说 3.3 直接顶的垮落 3.4 老顶的断裂形式 3.5 老顶的初次断裂步距 3.6 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析 3.7 老顶断裂时在岩体内引起的扰动
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第一节 概述
1、基本概念
➢回采工作面/采场：直接进行采煤或采其它矿物的工作空间称为回 采工作面或简称为采场。（coal face, working face) ➢顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。（roof） ➢底板：位于煤层下方的岩层称为底板。（floor) ➢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。 （immediate roof)，由于它们在推进方向上不能够始终 保持传递力的联系，因此一旦运动，其重量将由支架全部承担。
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（3）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及时支撑住 顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，借助于彼此之间的摩 擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对滑移、张裂与离层。