采场上覆岩层运动和发展的基本规律
矿压课件(2采场上覆岩层运动和发展的基本规律)山科
层的坚硬顶板可能整体切断，威胁生产。同时，跨落的大块造成中底分 层假顶管理困难。为此可采用上行式开采程序。若先采底分层，一方面 坚硬岩层离采场位置较高，又有较大的残余厚度作为垫层，可防止坚硬 岩层剪断；另一方面，最后采顶分层时，坚硬岩层受重复采动影响，已 形成裂缝，突然剪断的可能性较小。
2014-5-10
Ground Pressure and Strata Control
(a)
弯拉破坏的发展过程：随采场推进，上覆岩层悬露（a）→在其重 力作用下弯曲（b）→岩层悬露达到一定跨度，弯曲沉降发展至一定限 度后，在伸入煤壁的端部开裂（c）→中部开裂形成“假塑性岩梁” (b) (a) （d）→当其沉降值超过“假塑性岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自 行跨落（e）。
(a)
(b)
(a)
(c)
(b)
（a）
(a)
(c)
(b) （b）
(d)
(b)
(c)
(c) （ c）
2014-5-10
(d) （d）
(e) （e）
矿业与安全工程学院-资源工程1系
4
采场上覆岩层运动和发展的基本规律
Ground Pressure and Strata Control
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：
矿业与安全工程学院-资源工程1系
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采场上覆岩层运动和发展的基本规律
Ground Pressure and Strata Control
2.1.4 岩层破坏形式的转化
岩层破坏的弯拉破坏和剪切破坏两种形式是随地质条件和采动条件 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 呈弯拉破坏运动的岩层转变为剪断破坏。这就是在日常来压较均匀的采 场，高产后往往出现切顶事故的原因。 （2）改变开采程序。坚硬岩层覆盖的厚煤层，下行式开采时，顶分
带目录完美版《矿山压力与压力控制》课后习题答案
目录第0章绪论 (1)第1章矿山压力与矿山压力显现 (6)第2章采场上覆岩层运动和发展的基本规律 (7)第3章采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系 (10)第4章回采工作面顶板控制设计 (14)第5章综采放顶煤采场矿压控制 (16)第6章矿柱支护采矿法的岩体控制 (20)第7章回采巷道矿压理论 (21)第8章冲击地压及其监测 (35)矿山压力与压力控制习题第0章绪论1、顶板事故频繁发生的基本原因是什么?答：顶板事故频繁发生的基本原因是：（1）没有很好地研究和掌握各个具体煤层需要控制的岩层范围及其运动的规律（包括运动发生的时间和条件等），顶板控制设计缺少基础；2）没有深入地研究和掌握各种类型支架的特性，特别是在生产现场所能达到的实际支撑能力。
没有解决好针对具体煤层条件选好和用好支护手段方面的问题；3）没有更好地揭示支架与顶板运动间的关系，达到正确合理的选择控制方案。
2、矿山压力与岩层控制研究的主要任务是什么?答、矿山压力与岩层控制研究的主要任务为：（1）研究随采场推进在其周围煤层及岩层中重新分布的应力（包括应力大小及方向等）及其发展变化的规律。
该应力的存在和变化是煤及岩层变形、破坏和位移的根源，也是采场及周围巷道支架上压力显现的条件。
搞清分布在煤层及各个岩层上的应力状况，揭示它们随采场推进及岩层运动而变化的规律，是采场矿山压力研究的重点。
（2）研究采场支架上显现的压力及其控制方法。
包括压力的来源、压力大小及与上覆岩层运动间的关系、正确的控制设计方法等。
（3）研究在采场周围不同部位开掘和维护的巷道的矿山压力显现及其控制办法。
包括不同时间开掘的巷道压力的来源、巷道支架上显现的压力大小及其影响因素、以及支架与围岩运动间的关系等。
（4）控制采动岩层活动的主要因素分析。
从十分复杂的采动岩层活动中建立采动岩层的结构力学模型，从而展开对采场顶板矿压、采场突水、岩层移动及地表沉陷规律等进行系统描述。
（5）深部开采时采场支承压力分布、岩层结构及运动特点、围岩大变形的控制机制等。
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律-续三RTF 文件
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律(续三）
三、影响岩层运动的因素
影响岩层运动的主要因素包括岩层的强度特征、采动条件和采空区处理方法。
１、岩层的强度特征由岩层的力学性质、厚度和节理裂隙情况决定的岩层强度特征，是影响岩层运动发展的内在因素。
强度高厚度大的岩梁，周期来压步距c将较大，相对稳定步距b也较大，显著运动步距a则较小（即岩梁显著运动发展迅速）。
相反，强度低、厚度小的岩梁，周期来压步距c和相对稳定步距b则较小，显著运动步距a相对而言要较前者大（即显著运动发展较慢）。
如果岩梁在推进方向上裂隙相当发育，不仅周期来压步距c小，而且有时很难找出划分岩梁处于相对稳定和显著运动的界限。
２、采动条件采高和推进速度等采动条件对岩梁的运动发展过程也会产生重要影响。
如加大采高，而工作面垮落高度不变，则岩梁显著运动的空间增加，岩梁的显著运动则会更明显。
当岩层的强度较低时，突然提高推进速度有可能导致岩梁运动步距扩大。
有些矿井在日常推进速度条件下采煤工作面来压不明显，高产后出现大面积来压现象就是这个原因。
此时如不注意加强支护，就容易发生区域性冒顶事故。
３、采空区处理方法采用强制放顶措施处理采空区，可减岩梁厚度及运动步距（包括c值和b值）。
采用充填法处理采空区，可减少岩梁运动空间，使运动不明显。
因此采空区处理方法必须根据所控制的顶板类型和需要加以选择。
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。
依据顶、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。
通常由炭质页岩等脆弱岩层组成，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，具有肯定的稳定性，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承受长壁采煤法时，随着采工作面的不断向前推动，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。
依据破坏状态不同，上覆岩层可划分为三个带(图3－l)。
冒落带。
指承受全部垮落法治理顶板时，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)。
该局部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、裂开。
在采煤工作面内这局部岩层由支架临时支撑。
裂隙带。
指位于冒落带之上、弯曲带之下的岩层。
这局部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，向上可进展到地表。
此带内的岩层将保持其整体性和层状构造(图3－l，Ⅲ)。
生产实践和争论说明，采煤工作面支架上受到的力远远小于其上覆岩层的重量。
只有接近煤层的一局部岩层的运动才会对工作面四周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掌握，也就是对这局部岩层的掌握。
采场上覆 岩层活动规律
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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）
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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。
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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
采场上覆岩层运动和发展的基本规律
第三章采场上覆岩层运动和发展的基本规律第一节上覆岩层运动和破坏的基本形式一、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。
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：S n>S0则，保持假塑性岩梁的条件为：S n<S03、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。
(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。
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。
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：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。
二、运动发展至破坏的力学过程及其条件（一）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。
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。
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律RTF 文件
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律随着采煤工作面的推进，煤壁前方的支承压力及支架上显现的压力都在不断的变化，采煤工作面矿压显现的发展变化规律是由对其有影响的上覆各岩层的运动发展规律决定的，除岩层运动的纵向发展规律影响外，还受推进方向的发展规律所影响，因此必须进一步研究岩层运动在推进方向上的发展规律。
一、采煤工作面上覆岩层运动的发展阶段采煤工作面在推进过程中，由于上覆各岩层承受的矿山压力大小不同支承（约束）条件的差别，就其运动发展状态来说可分为初次运动和周期性运动阶段。
1、初次动动阶段从岩层由开切眼开始悬露，到对工作面矿山压力显现有明显影响的一两个传递岩梁初次裂断运动结束为止为初次运动阶段（图2-a、图2-b）。
其中包括直接顶岩层初次垮落和基本顶的初次来压。
该阶段岩层两端由煤壁支撑，其受力状态可视为两端嵌固梁。
采煤工作面各岩层初次运动在采煤工作面的压力显现称为初次来压。
由于任何岩层初次运动步距相对正常情况下的运动步距要大得多，因此初次来压运动来压面积大，强度高，并且可能伴随有动压冲击，在控制岩层运动和矿压显现时，一定要十分注意动压的冲击，以保证采煤工作面在初次来压期间的安全。
2、周期性运动阶段从岩层初次运动结束到工作面采完，顶板岩层按一定周期有规律的断裂运动，称为周期性运动阶段（图2-c、图2f)。
在此发展阶段，岩层的约束条件发生了根本性变化，直接顶岩层在采煤工作面里为一端固定的悬壁梁，直接顶上方各岩梁为一端由煤壁支承，另一端则为由采空区矸石支承的不等高的传递岩梁。
此时，运动步距较初次运动步距小得多。
岩层周期性运动在采煤工作面引起的矿压显现称为采煤工作面的周期来压。
这个阶段岩层的完整性比初次运动前差，运动步距又比较小，因此控制岩层运动和矿压显现和要求也不同。
当两种运动来压强度差别很大时，不仅要尽可能扩大推进方向上的距离，而且支架的选型和设计必须分别处虑。
显然，如果按初次来压设计和选择支架，周期来压阶段支架的阻力不能充分发挥，将带来较大浪费。
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）。
第二章 传递岩梁理论
[ ]
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 S n h m i( K A 1 )
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 m E E L 0 岩重。
二、岩层运动的发展过程
1、相对稳定阶段 图中a 、c、e 岩梁运动幅度较小，对采场矿压影响不明显的过程。 用相对稳定运动步距 b表示。 2、显著运动过程 图中 b、d、f 岩梁运动幅度大，对采场矿压有明显影响的过程。 用显著运动步距a 表示。 3、岩梁来压步距 岩梁经历一次相对稳定过程与显著运动过程所推过的距离。 c=a+b 来压步距是反映岩梁强度特征和对工作面影响程度的重要 参数。
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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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：
m k k L G P T A 2 L K
m m i ) L G ( q q ) L G ( 1 2 Q max 2 2
S 1 m c m c
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。
6第四章 采场上覆岩层运动和发展的基本规律(吴缺图)7.30解析
弄清采场矿山压力显现和上覆岩层运动之间的关系是进行矿山压力控制的关键之一。
本章介绍了煤层上支承压力分布的基本形式和参数；根据岩梁超前断裂的力学机制，讨论了煤壁上存在内外应力场的力学条件，内外应力场力源分析及理论的应用；给出一般采场推进过程中支承压力发展三阶段模型以及和上覆运动特征之间的关系，从工作面顶板初次垮落，初次来压和周期来压不同的运动特点和要求，指出了各自条件下以支架工作阻力为代表的矿压显现和岩层运动之间复杂的关系；最后，提出了支承压力2种现场观测方法。
采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系§4.1 采场围岩支承压力分布形态4.1.1 支承压力基本概念4.1.2 采场支承压力分布的基本规律4.1.3 关于两个应力场的理论§4.2 采场支承压力分布与上覆岩层运动间的关系4.2.1 采场推进过程中前方支承压力分布与上覆岩层运动间的关系4.2.2 工作面两侧支承压力分布与上覆岩层运动间的关系§4.3 采场支承压力分布与矿山压力显现间的关系 §4.4采场矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系 4.4.1 围岩变形、破坏与跨落 4.4.2 采场支架上的压力显现与上覆岩层运动间的关系 §4.5 采场支承压力分布监测方法 4.5.1 支承压力分布与显现的动态变化规律 4.5.2 监测方法 采场矿山压力研究的基本任务，一是为回采工作面顶板控制服务，解决顶板控制方案及支护选型计算等方面的问题；二是为回采工作面周围巷道矿山压力控制服务，解决巷道布置和维护方面的问题。
这些问题的解决均以采场围岩支承压力、矿山压力显现与上覆岩层运动之间关系理论为基础。
第 四 章4.1.1 支承压力基本概念煤层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤层、岩层和矸石上的垂直压力称为“支承压力”。
显然由此定义的支承压力分布范围将包括高于和低于原岩应力的整个区域。
(a )(b ) 图4.1 上覆岩层运动状态与支承压力分布在单一自重应力场条件下，采场周围岩体上的支承压力来源于上覆岩层的重量。
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。
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：
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律-续四Microsoft Word 文档
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律（续四）
四、岩梁运动的基本参数
为了深入细致地研究岩层运动的发展规律，必须建立一套既符合岩层运动客观实际，又易于生产中标记的参数，对岩梁在各个运动阶段的运动状态进行描述。
（一）初次运动阶段的基本参数
１、表达岩梁运动过程的基本参数这些基本参数包括岩梁的相对稳定步距b0、岩梁的显著运动步距a０和岩梁的初次来压步距c0其相互关系为
C0=a0+b0
２、表达来压结束时刻（显著运动结束时）岩梁位置状态的参数１）来压结束时的采煤工作面下沉量△h0A
该下沉量取决于支架对顶板的工作状态（控制程度）。
当支架对岩梁运动不进行限制（即采取“给定变形”工作状态）时，来压结束时的采煤工作面顶板下沉量以△h0A表示，其大小与岩梁的初来压步距c0、采高、直接顶厚度等有关。
当支架对岩梁来压结束时的位置进行限制（即采取“限定变形”要作状态）时，以△h0表示，其大小由工作面支护强度决定。
２）来压结束时的岩梁跨度
来压结束时的岩梁跨度同样也是由支架对顶板的工作状态决定。
在“给定变形”条件下，来压结束时的岩梁跨度以L 0A 表示，其大小由岩梁运动步距决定；在“限定变形”条件下以 L ０表示，其大小由支护强度决定。
在”给定变形”条件下，来压结束时采煤工作面顶板下沉量△h 0A 和岩梁跨度L 0A 存在下列关系，即
△h 0A =
A L kA mz h Lk 0)]1([--≈0)]1([2C kA mz h Lk --
式中 h-采高，m
m z -直接顶厚度，m
3)表达来压前夕岩梁的位态参数
包括初次来压前夕岩梁的最大跨度（L 0′=b 0′)和初次来压前夕采煤工作面最小顶板下沉量h 0′。
采煤工作面上覆岩层移动规律
第一节
一、回采工作面顶、底板的划分：
概
述
1、顶板： 伪 顶—位于煤层之上，薄而软弱的岩层； 直接顶— 直接顶—位于煤层或伪顶之上一层或几层性质相近岩层； 老 顶—位于直接顶或煤层之上厚而坚硬的岩层（基本顶）； 2、底板： 直接底——位于煤层之下的岩层（为古土壤）； 直接底——位于煤层之下的岩层（为古土壤）； 老 底——直接底之下的岩层。 ——直接底之下的岩层。
第三节 老顶的移动规律
1、老顶的缓慢下沉 若采高小，直接顶厚度大，直接顶可能呈不规则垮 落而充满采空区。此时，老顶可以以缓慢下沉的形式运 动。 2、老顶呈长岩梁断裂 当直接顶厚度较小或工作面采高较大时，直接顶冒 落后不能充满采空区，在已冒落矸石与老顶岩层之间有 一定的自由空间。自由空间的高度可由公式计算：
一、压力拱假说： （1928，德国，哈克） 1928，德国，哈克） 压力拱假说：
在上覆岩层中，形成一个 在上覆岩层中， 压力拱” “压力拱”，前方煤壁及后方垮 落矸石分别为拱的两脚， 落矸石分别为拱的两脚，工作面 处于拱的保护之下。 处于拱的保护之下。 “压力拱”将随工作面的推 压力拱” 进而前移。 进而前移。
五、“砌体梁”理论： （1978，钱鸣高，中国） 1978，钱鸣高，中国）
在上覆岩层中存在由断裂岩块组 成的“砌体梁”，因岩块相互挤压， 形成承载结构。 上覆岩层可以硬岩为底划分若 干组，软岩为载荷； 硬岩断裂，岩块间相互挤 压成铰接关系； 铰接岩块在某些条件下可 形成平衡体。
ห้องสมุดไป่ตู้
六、传递岩梁（宋振骐） 煤矿重大事故预测和控制决策体系建设的 指导思想应当以控制事故发生的岩层运动 条件和应力场应力大小分布条件为核心。 解决以岩层运动和应力场应力大小分布为 核心的相关信息采集（包括理论计算和现 场实测）问题。 煤矿重大事故的发生及其有效控制几乎都 同时与岩层运动和应力场应力的大小和分 布条件有机的联系在一起。与应力条件直 接相关的事故，包括瓦斯事故、冲击地压、 底板突水等，其应力条件的实现都是一定 采动条件下岩层运动和破坏的结果。
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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