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
PT A
k k G
2 LK
h mz ( K 1)
A
由于两种运动形式的发展与破坏以及对采场控制的要求不 同，因此，对其力学条件与现场判断必须进行研究。 运动发展至破坏的力学过程及其条件 弯拉破坏的力学过程及其条件 弯拉破坏是其悬跨度达到极限跨度后，深入煤壁的两端部断裂 基础上，于悬跨度的中部裂断而实现的。 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。
i 1
则，保持假塑性岩梁的条件为：
Sn S0
(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。当然，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。 mL
和中部弯矩分别为： 中部： 端部： 2 2 2
MA qL0 12 (q1 q2 ) L 12
O
MO
QLo 24

(q1 q2 ) LO
2
24
而简支梁其端部和中部弯距为： 中部： 端部：
M 0 A
MO ql
2

(q1 q2 ) LO
C A A
n -1 n
A-冒落带
H m2 m1 m2
B A A
¦ 1 ¦ 3 ¦ 1 ¦ 3
1 2
A
3
B-裂隙带
C-缓沉带
A
m
L
k
L
1
L
2
L
3 n -1
L
L
n
图3.8
上覆岩层运动情况
相邻的两岩层是同时运动组成一个岩梁，还是分开运 动形成两个岩梁呢？ 回答是：用两个岩层沉降中最大曲率和最大挠度判断。 准则： ω上≥ ω下 组合 ω上< ω下 离层
m h A 1 O B
L
2
o
o
qL 12
(a )
qL 24
2
o n
q 2=
i= 1
m ir 1
q A
1
=m
O
1
r1 B
qL 8
2
o
(b )
图3.3
岩梁的支承条件与弯距 a-嵌固状态; b-简支状态
梁由边界煤柱及工作面煤壁支承。分析力学过程: 在上覆均布载荷和本身自重的作用下，岩梁中部O点开裂的条 件是其弯矩达到使拉应力超限的值。
(m mi )LG 2
[ ]

max

3Q 2
max
最大剪应力Qmax和抗剪端面面积S分别为：
Q max (q1 q2 ) LG 2
S 1 mc mc
G
整理得以岩层悬露跨度表示的剪坏力学条件为： L 剪坏的力学过程如下：

4mc[ ] 3(m mi )
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夹
层的强度。
(2)岩层纵向运动的总趋势 下部岩层将首先暴露，愈靠上部的岩层悬露愈晚,下部岩层的总跨 度是上部岩层的1.25倍，由于岩梁的悬跨度由下而上依次减小， 而剪应力大小又与岩梁悬跨度成正比，则剪应力大小亦由下而上 递减。岩层的运动发展趋势是由下而上的。 (3)传递岩梁形成的力学原理 传递岩梁——把每一组同时运动（或近乎同时运动）的岩层看成 一个运动整体，称为传递力的岩梁，简称“传递岩梁”。
第三章 采场上覆岩层运动和发 展的基本规律

本章提要
上覆岩层运动和破坏的基本形式、纵向 运动发展的基本规律、在推进方向上的 运动规律； 直接顶厚度的确定方法、老 顶范围及其确定方法

本章特点 学习难点
•
基本概念、基本规律较多

• 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与特点；上覆 岩层运动参数确定方法
(1)当岩梁悬露跨度达到极限跨度L0时，梁端因拉应力超限而开 裂。 (2)当工作面煤壁推至开裂位置或构造断裂面附近，在梁中的拉 应力还未达到极限的情况下，由于悬露岩层端部残余抗剪端面不 足，其剪应力超限，造成岩层沿工作面煤壁附近整体切断而塌垮。 如果工作面支护有较高的初撑力和足够的阻力，岩层将沿放顶线 切下。
N 3 ----4
40
N 1 ----2 20 l3
N 2 ----3
m
mE
1 .5 m
Ⅲ
n
m
Ⅱ
2 1
c a' c'
Ⅱ
Ⅰ
1 .5 m
m
Ⅰ
L
h
L
a c
¦Σ
¦ n
b d a' c'
¦Σ ¦ n '
b' d'
(d )
¦ Σ¦ n
(c )
¦Σ '
¦ n
图3.7
层间剪应力与离层
离层发生的位置和条件可简单归纳如下:
1)离层将发生在岩层的接触面或软弱夹层上。
2)接触面的破坏，只有在相应接触面的剪应力超限时才发
用岩梁悬跨度表示为：
2
O [ ]
A T
LO
2m [t ] (m
m )
i
显然，L0值随岩梁厚度m、允许抗拉强度[σt]的增加而增加，随 支托层上的软岩层厚度∑mi的增加而减小。

岩层剪坏的力学过程和条件
max
悬露岩层剪坏的力学条件是： 梁端抗剪断面上的最大剪应力为：
3)当m,E都不相同 则E下m下2>1.254 E上m上2同时运动； E下m下2< 1.254 E上m上2分开运动。 (4) E下=E上，m下=m上 下部先运动
实测研究的例证 1、开滦范各庄矿钻孔观测的结果
4 3 2 1
A1 A2 A3 A4
l1 l2 l3
A1 60 l1 A2 l2 A3
(a )
E下m下2< E上m上2分开运动。
(2) 两岩层在自重作用下弯曲沉降。
L下= 1.25L上 则由E下m下2=(1.25)4 E上m上2判断。 1)当 E相同，由岩层厚度判断
①m下<m上，则下部先运动； ②m下>m上，则只有当m下2>1.254 m上2时才同时运动。 2)当m相同，由弹性模量E决定 ①E下<E上，则下部先运动； ②E下>E上，则只有当E下>1.254 E上同时运动。
(2)强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体切断塌垮 的危险，从而使破坏形式转化为弯拉破坏的形式。 (3)改变开采程序。（上行开采，厚煤层恒底开采等） (4)在推进方向上，遇到图示 的断层构造，使运动形式由 弯坏转变为剪坏。
L LG
图3.6 工作面前方构造断裂面对岩层运动形式的影响
3.2 采场上覆岩层纵向运动发展的基本规律
c tg
n
σn ---接触面或层面上的压应力 当夹层上下各层刚度E相同，或上部弯曲刚度小， σn>0, 相反，下层弯曲刚度小时， σn≤0。
m /2
M +dM M
q a a c b c d
¦ n ¦Σ
b
m /2
¦Σ
¦Σ
d
¦ n
¦ Σ ax m
L (a ) (b )
Ⅲ
a n b d b' d'
岩层运动和组合的力学分析
(1)离层发生的位置与条件 采场上方悬露的上覆岩层，可视为在均布荷载作用下的多层 嵌固梁，（图b为两个高强度岩层夹持低强度岩层组合的嵌 固梁），该梁弯曲沉降过程中，在平行于轴向的各层面上出 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，当剪应力增加值超过层面上粘结力和摩擦力所允许 的限度时，层面或软弱夹层的接触面即被剪坏，岩层的离层 即发生，因此发生的力学条件为

A
(m
m )
i
(2)在梁断开裂发展的过程中， 随着端部弯矩减小，梁的中部弯 矩将逐渐增加，随着支承条件向简支梁的转化，中部弯矩将接 近下值： 3( m m )
n
i
2m
2
LO
2
O
i 1
4m
2
LO
2
(3)在嵌固梁向简支梁转化的过程中，当岩梁中部弯矩达到上值时， 中部必然拉开，岩梁发展至冒落或保持“假塑性岩梁”状态。 (4)岩梁端部和中部开裂的力学条件为：
A PT A
E E 0
4 LK

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。 (2)剪断的充要条件 采场推进到岩梁端部开裂的位置附近，由于剩余抗剪断面上的 剪应力超过限度，而其中部还未开裂，只要岩层下部有少量运 动空间，岩层即被剪断。 (3)显现特点 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。
32Em

L
2 2
2Em
在岩梁的支承条件一定时，曲率和挠度与岩梁的跨度L、 厚度m及弹性模量E有关。其中厚度m是关键因素。
(1) 两岩层在外载（上部岩重）作用下开始运动。 L上=L下=L(两岩层的悬露跨度相同时)
两岩层是组合成一个梁运动还是形成两个梁分开运动,主 要由弹性模量和岩层厚度决定. 1)当 E相同，由岩层厚度判断。 ①m下<m上，则下部先运动； ②m下>m上，则同时运动。 2)当m相同，由弹性模量E决定。 ①E下<E上，则下部先运动； ②E下>E上，则同时运动。 3)当m,E都不相同, 则E下m下2> E上m上2同时运动；
12 m
2

q1 q2 2m
2
LO [T ]
2
6
当悬露岩层上部无比其软弱的岩层时,该岩层只受本岩 层重力的作用，其端部裂断时的拉应力可按下式计算：

A
LO
2
[t ]
2m
当悬露岩层上部存在较其软弱的岩层时，则形成由不同岩性的 岩层组成下硬上软的组合岩梁，其端部裂断时的拉应力为：
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

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
由于上覆岩层距采场高度不同,各自的岩性和厚度不同,其 充分运动的范围和对采场的影响也不同,为了控制对采场由明 显影响的岩层运动,必须从纵向和推进方向来研究岩层的运动 规律. 岩层纵向运动一般是：在重力作用下弯曲沉降-------发生 离层后在运动中重新组合成同时运动（或近乎同时运动）的假 塑性岩梁--------沉降值超过允许的限度后，即发生冒落。 弄清下列问题：每一岩层什么时候开始运动？离层在什么 情况下发生？什么情况下运动逐层发展？什么情况下几个岩层 组合在一起同时运动？
[t ]
m h
i
li
lo
lo
lo
若
sn> so
若
sn< so
若
sn> so
若
sn< so
图3.1 弯拉运动的基本形式
而破坏后是否冒落，则由其下部运动的空间的高度决定。即高度 大于岩层的允许沉降值冒落，否则不冒落，保持“假塑性岩梁”。 第 n个岩层发展之冒落的条件：n 1
Sn S0 Sn h mi ( KA 1)
采 空 区
移近速度的变化情况就可对岩层运
动形式进行判断。
2、典型曲线（顶底板移动速度示意图）
图3.4
工作面 巷道
O lo l1 l2 lo l1 l2
O lo l1 l2
(a)
图3.5
(b)
岩层破坏形式的转化 岩层两种破坏形式是随地质和采动条件的变化而相互转化的。
(1)当工作面推至端部开裂位置附近，提高推进速度可能会 使原来呈弯拉破坏的岩层运动转变为剪断破坏的运动形式。