采场上覆岩层运动和发展的基本规律概述(PPT 59页)
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
20
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
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律
砌体梁结构为半拱式平衡结构。块体间依靠水平挤压力产
生的摩擦力平衡岩块的自重和上覆岩层传递的载荷。支架
的载荷（支护强度）：
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第一节 采煤工作面上覆岩层移动规律
四、裂隙带岩层的结构形式（矿压假说） （二）传递岩梁结构
图2-4 传递岩梁 结构模型
山东科大宋振骐院士提出。一组或几组基本顶的断裂岩 块的相互咬合，形成一种能向煤壁前方和采空区矸石上 传递力的结构，称为传递岩梁。支架承担岩梁的作用力 的大小，由其对岩梁运动的控制要求而定。位态方程如 下：
初次来压步距L：由开切眼到基本顶初次垮落时工作面推进的距离。 L与岩性、厚度、载荷有关。
统计数字：10~30m 54%； 30~55m 37.5%； >55m 8.5% 特殊的砂岩、砂砾岩顶板的初次来压步距可达100~160m。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
四、支承压力及其显现
采煤工作面前后 方支承压力对工作面 矿压显现有着很大影 响。采煤工作面前方 支承压力依次为原岩 应力区、应力增高区、 应力降低区和应力稳 定区。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
拱的一个支点在工作面前方的煤壁上，另一支点在采 空区已垮落的矸石上。工作面支架主要承受拱内部分岩石的 重量及拱运动时的附加载荷。
英国学者伊万斯提出了支架载荷计第算二章式采煤：工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
一.工作面矿压显现方式
由于采动作用促使围岩向已采动空间运动的力称为
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。
第二章 采煤工作面上覆岩层移动及其矿
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
• 一.工作面矿压显现方式 • 由于采动作用促使围岩向采动空间运动的力叫矿山压力。 以围岩运动和支架受力表现出的现象叫矿山压力显现。 • 显现的形式： • （一）顶底板移近 • （二）支架的变形与损坏 • （三）顶板破碎 • （四）局部冒顶 • （五）煤壁片帮 • （六）台阶下沉 • （七）大面积冒顶和垮落
三、基本顶的运动规律
• • • • （二）基本顶的初次来压 1.初次来压的形成 基本顶视为四周固支的板，当工作面由切眼向前推进，直接顶垮落后，悬空面积越来越 大，达到极限跨度时，岩板发生断裂破坏，进一步岩块要发生下沉垮落。在这过程中，采 煤工作面有明显的矿压显现。 基本顶初次折断或初次垮落前后工作面的普遍来压现象叫基本顶的初次来压。 初次来压步距L：由开切眼到基本顶初次垮落时工作面推进的距离。
L初 h 2Rt q
•
•
L与岩性、厚度、载荷有关。 统计数字：10~30m 54% 30~55m 37.5% >55m 8.5% 2.初次来压的显现 （1）工作面顶板剧烈下沉； （2）支架载荷增加，安全阀开启，活柱下缩； （3）煤壁片帮严重； （4）顶板的断裂声
（三）基本顶的周期来压
• • 1.周期来压的形成 基本顶初次断裂后，随工作面推进，工作面上方的基本顶呈悬梁状态，当悬臂长度 达到极限值时在煤壁或在煤壁前方折断下沉，工作面出现来压现象，这种折断周期性 出现，工作面呈现周期性来压，称基本顶周期来压。 步距 L周=（1/2~1/4)L初 2.周期来压的表现形式 下沉速度增大，下沉量增加； 支架载荷增加； 煤壁片帮； 顶板台阶下沉，切顶。
第二章 采煤工作面上覆岩层移 动及其矿压显现规律
第一节 采煤工作面上覆岩层移动规律 • 一、采煤工作面 围岩构成
煤矿开采上覆岩层移动机理PPT课件
（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。
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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
通过上覆岩层移动理论的研究，可以定量的预计出覆岩裂隙的发育高度，从 而为保水开采、瓦斯治理等提供理论依据和技术参数。
通过上覆岩层移动理论的研究，可以立体的预计出上覆岩层至地表的移动变 形值，为保护地面建筑物和地下构筑物提供重要的数据。
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二、采用曲面拟合技术减小预计误差
在以前的开采沉陷地表移动变形预计方法中，提到采用煤层等倾角或分段等倾角来近似计算地表的移 形值，这种方法会带来理论上的预计误差，有时这种误差随着煤层产状的起伏变化会大大增加。
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1 以往预计中存在的问题
① 在以前的开采沉陷地表移动变形预计方法中，提到采用煤层等倾角或分段等倾角来近似计算地表的移形 值，这种方法会带来理论上的预计误差，有时这种误差随着煤层产状的起伏变化会大大增加。
② 采用曲面拟合技术会消除这种理论上的预计误差。
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2 曲面拟合理论
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0
-50
-100
-150
r(z)
H
z
n
r
-200
H
-250
n=1 n=5 n=0.1
-300 -100 -80 -60 -40 -20 0
20 40 60 80 100
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。
第三章采场上覆岩层运动的基本规律
2.铰接岩梁 由于“拱”结构难以解释采场周期来压等现象，
现场也难以找到定量描述拱结构的参数，所以“拱” 假说只停留在对一些矿压现象的一般解释的水平上， 不能很好地应用于实际，为生产服务。因此，诞生了 以T· 库茨佐涅夫为代表的铰接岩块学说，这是定量 H· 地研究矿压现象的一个重大突破。 库氏认为，需要控制的顶板由冒落带和其上的铰 接岩梁组成，冒落带给予支架的是“给定载荷”，它 的作用力必须由支架全部承担。而铰接岩块在水平推 力的作用下，构成一个梁式的平衡结构，这个结构与 支架之间存在“给定变形”的关系（如图所示）。
也有学者把直接顶与老顶定义为：直接在煤层上面、有一定
强度、并会随回柱放顶而冒落的岩层叫直接顶；常见的直接 顶岩层有页岩、砂页岩等。直接在直接顶上面、强度比较大、 厚度在1.5m以上，大面积暴露后才冒落的岩层叫老顶。常见 的老顶岩层有砂岩、砂砾岩、石灰岩等。这是从地质角度来 定 义 的 。
第二节 上覆岩层的基本运动规律
墩柱切顶示意图
四、老顶的基本运动规律
（一）老顶的初次来压与周期来压 随着采场的继续推进，直接顶进入正常垮落阶段，老顶此刻 开始发生离层、弯曲沉降、断裂，最后回转下沉，引起工作面压 力的急增，这个阶段称为老顶初次来压阶段，初次来压步距用L0 表示。 初次来压完成后，采场进入正常推进阶段。此阶段老顶岩梁 将随跨度的不断增加而发生断裂、回转下沉和引起工作面来压， 此阶段的来压称为周期来压。周期来压的强度一般较初次来压此 阶段的来压称为周期来压。周期来压的强度一般较初次来压小， 它由直接顶的厚度和岩梁本身的力学、几何参数决定。此阶段的 一个重要参数是老顶的周期来压步距L。 三个推进过程如图所示。 在一般情况下，周期来压步距为初次来压步距的1/2～1/4， 1 1 L 即 ( 2 ～ 4 ) L 。
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
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿
l
（二）传递岩梁结构
• 山东科大宋振骐院士提出。一组或几组基本顶的断裂岩 块的相互咬合，形成一种能向煤壁前方和采空区矸石上
传递力的结构，称为传递岩梁。支架承担岩梁的作用力
的大小，由其对岩梁运动的控制要求而定。位态方程如 下：
p
1hf 2
2HL
lKT
•
ha hi
（三）悬梁（板）结构
• 坚硬的顶板在初次来压后，可视为一端固定于工作 面前方煤体上的悬臂岩梁（岩板），随工作面推进， 悬臂长度增大，达极限长度时，悬梁破断，工作面 出现来压现象。支架的最大载荷：
1 H 2(L l) p 2 q 6l 2 (L l) Rt
（四）压力拱结构
• 松软顶板形成压力拱。拱的一个支点在工作面前 方的煤壁上，另一支点在采空区已垮落的矸石上。 工作面支架主要承受拱内部分岩石的重量及拱运 动时的附加载荷。
L初 h
2Rt q
• L与岩性、厚度、载荷有关。 统计数字：10~30m 54%
30~55m 37.5%
>55m 8.5% • 2.初次来压的显现
（1）工作面顶板剧烈下沉； （2）支架载荷增加，安全阀开启，活柱下缩； （3）煤壁片帮严重； （4）顶板的断裂声
（三）基本顶的周期来压
三、基本顶的运动规律
• （一）基本顶的运动形式 • 1.基本顶缓慢下沉 • 采高小、直接顶厚度大，采空区充满程度好，基
本顶弯曲断裂后在矸石支撑下缓慢下沉。此时， 基本顶能形成传力结构，将自身的重量和上覆岩 层的部分重量传递到前方煤壁和后方采空区矸石 上，工作面内矿压显现不明显。 • 2.基本的呈长岩梁折断 • 直接顶冒落后不能充满采空区，基本顶按一定的 跨度，周期性折断，岩梁长度较大。
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。
回采工作面上覆岩层活动规律PPT学习教案
五、砌体梁力学模型
(79-82.中.钱鸣高等)
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,
压力拱假说的评价
1）压力拱假说比较简明地阐述了采场围岩卸载的原因，探讨 了围岩平衡状态及其范围，对回采工作面前后支承压力 的形成及回采工作空间处于卸压区做出了一些解释。
2) 压力拱在巷道中并不是唯一的表现形式，支架压力取决于 一系列的矿山地质条件及技术条件，其中起主要作用的 是巷道围岩性质，支架特性及结构形式。在回采工作面 ，由于煤层顶底板岩性不同，顶板管理方法，支架形式 及特性以及回采工艺的差异，可能形成不同的复杂的力 学结构。这远非压力拱理论所能概括与阐明的。
支架受力关系不明确
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拉巴斯的预成裂隙假说视岩体为层状非连续体 ，特别提出“假塑性”变形特征是具有独创性的，因此阐
明了采场周围岩体内应力分布、变形及破坏等，具有一定 的实际意义，比悬臂梁假说和压力拱假说都具有进一步的 发展。
采场上覆岩层运动和发展的基本规律概述(PPT 59页)
4 岩层的厚度较之岩性对岩层的离层和运动组合的影响重要的多。
《矿山压力与岩层控制》精品课程
P33
➢3.2.2 直接顶和基本顶 直接顶——所谓直接顶是指在老塘（采空区）内已跨落，在采 场内由支架暂时支撑的悬臂梁，其结构特点是在采场推进方向 上不能始终保持水平力的传递。如图3.11（a）所示。
(a)
（a）直接顶
2Em2
《矿山压力与岩层控制》精品课程
P29
两岩层在外载（上部岩重）作用下的运动组合分析
E下m下2> E上m上2
上下两岩层同时运动
L上=L下=L
E下m下2< E上m上2
上下两岩层分开运动 且下部岩层先运动
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P30
两岩层在自重作用下弯曲沉降分析
L下= 1.25L上
由E下m下2=(1.25)4 E上m上2判断
深入煤壁的两端部断裂
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。如图3.4（a）（b）
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P10
图3.5 岩梁的支承 条件与弯距 a-嵌固状态; b-简支状态
m h
q L 2 o 1 2
A
1O
L o
B
( a )
q L 2 o
2 4
n
q 2 =m ir 1
i= 1
t
（3.12）
6
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P12
当悬露岩层上部无比其软弱岩层时，该岩层只受本身重力的作用， 其端部裂断时的拉应力可按下式计算
L2
0
A 2m
t
（3.13）
当悬露岩层上部存在较为软弱的岩层时，则形成由不同岩性的
开采引起的岩层移动PPT课件
煤层倾角对两带的影响
垮落岩块随倾角加大在采空区发生运动。 采空区垮落的岩块有三种状态： 倾角小于35时，岩块就地堆积。同一采 区内，各个部位的垮落带和断裂带上边界 离煤层的高度基本上相等 倾角35 54时，垮落岩块下滑。 倾角大于54时，岩块下滚，下部垮落的 发展很小，上部发展很高
20
采高及厚煤层分层次数对两带的影响
9
（1）垮落带
垮落带内岩块之间的间隙随着时间延续和采动程 度加大，在一定程度上可得到压实，压实后的 碎胀系数仍然要大于1。
③高度 :通常为采出高度的3～5倍，取决于采 出厚度、上覆岩层的岩性、碎胀系数和煤层倾 角，可由下式计算：
Hk
M
(k 1)cos
10
3
（2）断裂带
曾称：裂隙带。 断裂带特点： ①各分层岩层弯曲，整体断裂，大 致垂直于层面的裂隙； ②各岩层之间离层 ③断裂带中的岩层一般情况下能够 导水 ，又称导水断裂带
④厚煤层第一分层以后的分层开采时，断裂带高p1-2度上升，但 上升的幅度较初次采动大为减小
11
2
1
3
12
（3）弯曲带
断裂带之上至地表 又称：弯曲下沉带或整体 移动带
特点：保持整体性和层状结构，不存在或p1-极2 少存 在离层裂隙。 隔水，岩性较软时，隔水性能更好。
采深较大，弯曲带的高度可能大大超过垮落带和断 裂带高度之和
12
3
12
不出现三带的可能性
浅部无弯曲下沉带 p1-2 充填开采无垮落带
13
三带的空间轮廓形状
（1）0 35
垮落带
开采期间，垮落带的高度 基本上是相同
开采完毕，中间较低，两 端较高的枕形轮廓
断裂带
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律
岩梁两端先裂开，然后中部裂开下沉，两块相互咬合形成铰接岩梁结构。
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
三、基本顶的运动规律
（一）基本顶的运动形式
1.基本顶缓慢下沉 采高小、直接顶厚度大且直接顶节理发育时，直 接顶呈现缓慢下沉的运动形式。 采空区充满程度好，基本顶弯曲断裂后在矸石支 撑下缓慢下沉。此时，基本顶能形成传力结构，将 自身的重量和上覆岩层的部分重量传递到前方煤壁 和后方采空区矸石上，工作面内矿压显现不明显。 2.基本的呈长岩梁折断 直接顶冒落后不能充满采空区，基本顶按一定的 跨度，周期性折断，岩梁长度较大。
直接顶垮落步距——从切眼到直接顶初次垮落的距离。是判断 直接顶稳定性的指标，可作为直接顶分类的依据。
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
二、直接顶的运动规律
（二）直接顶的运动形式
2.直接顶不规则垮落 直接顶冒落高度的确定 采空区充满程度的判断
h m hkp m h(kp 1)
充满条件
四、支承压力及其显现
采煤工作面前后 方支承压力对工作面 矿压显现有着很大影 响。采煤工作面前方 支承压力依次为原岩 应力区、应力增高区、 应力降低区和应力稳 定区。
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
四、支承压力及其显现
（二）支承压力在底板中的传播
分布规律
（1）随深度增加，支承压力逐渐减小，影响范围扩大；影响角φ
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
三、基本顶的运动规律
（二）基本顶的初次来压
1.初次来压的形成
基本顶视为四周固支的板，当工作面由切眼向前推进，直接顶垮落 后步，岩悬块空要面发积生越下来沉L初越垮 h大落2，。qRt 达在到这极过限程跨中度，时采，煤岩工板作发面生有断明裂显破的坏矿，压进显一现。
采场上覆岩层运动和发展的基本规律共69页
Байду номын сангаас
采场上覆岩层运动和发展的基本规律
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
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➢3.1.1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）
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mi
h
li
岩梁剪坏的力学过程
①当岩梁悬跨度达到极限跨度 L 0 时，梁端因拉应力超限而开裂；
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P16
②当工作面煤壁推至开裂位置或构造断裂面附近，在梁中部拉应
力的大小仍未达到超限的情况下，由于悬露岩层端部残余抗剪
断面不足，其剪应力超限，造成岩层沿工作面煤壁附近整体切
断而跨落。如果工作面支护有较高的支护强度，岩层将沿放顶
t
（3.12）
6
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当悬露岩层上部无比其软弱岩层时，该岩层只受本身重力的作用， 其端部裂断时的拉应力可按下式计算
L2
0
A 2m
t
（3.13）
当悬露岩层上部存在较为软弱的岩层时，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 A 为：
n
(mmi)γ
A
i1
2m2
L2 0
（3.14）
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式中 m —强度高的下部支托层厚度，m；
m —随支托层同时运动上部较软弱的岩层的厚度，m。 i
②在梁端部开裂发展的过程中，随着端部弯矩减少，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 矩将向接近
n
3(mmi )
支架阻力不够 顶板沿煤壁切下如图3.3（a）
动压冲击
台阶下沉如图3.3（b）
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(a)
（a）
(a)
（(bb）)
图3.3 剪断运动形式对工作面的威胁
(b)
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➢3.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件 力学过程
悬跨度达到极限跨度
中部裂断
弯拉破坏
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
➢3.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件
➢3.1.3上覆岩层破坏形式的判断
➢3.1.4岩层破坏形式的转化 §3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律 §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
4mc[ ]
n
➢3.1.3上覆岩层破坏形式的判断
3(mmi )
理论判断
i1
根据力学条件分析，理论上判断是很简单的。
L0<LG
中部被拉坏
形成弯拉破坏
L0≥LG
端部被剪坏
形成剪切断破坏
➢3.1.4岩层破坏形式的转化 岩层的两种破坏形式是随地质和采动条件的变化而相互转化的。
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深入煤壁的两端部断裂
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。如图3.4（a）（b）
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图3.5 岩梁的支承 条件与弯距 a-嵌固状态; b-简支状态
m h
q L 2 o 1 2
A
1O
L o
B
( a )
q L 2 o
2 4
n
q 2 =m ir 1
i= 1
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q 1 = m 1 r 1
A
O
B
q L 2 o 8
( b )
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悬露岩层由弯曲发展至破坏的力学过程和条件为
①工作面推进至岩梁悬跨度达极限值L0时，梁端弯矩MA为：
MA
q1
q2 L20
12
当梁端部的拉应力 为：
A
(qq)L2
1
20
M A
8
AW
m2
q 1
q 2
L2
2m2 0
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1 工作面推至端部开裂位置附近 弯拉破坏转变为剪断破坏 2 强制放顶 剪断破坏转化为弯拉破坏
提高推进速度
排除整体 切断塌垮 的危险
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3 改变开采程序 4 在推进方向上
遇到图示 的断层构
造
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
线切下。
悬露岩层剪坏的力学条件是：
[ max ]
梁端抗剪断面上的最大剪应力为：
3Q max
max
最大剪应力Qmax和抗剪端面面积S分别为：
2S
n
Qmax(q1q2)LG(mi1mi)LG S1m cm c
2
2
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整理得以岩层悬露跨度表示的剪坏力学条件为：LG
（a）
lo
（b）
（c）
（d）
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P4
2 力学条件
（e）
图3.1弯拉破坏的运动形式
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：
tma xt
（3.1）
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P5
二 剪（切）断破坏的运动形式
1 运动过程
弯曲变形
端部开裂（图3.3（a））
L0
2m2[ t ]
n
(m mi )
i 1
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（3.15） P15
当=0，即单一岩层弯曲破坏时，
L0
2m[ t ]
（3.16）
显然，L0值随岩梁厚度m、允许抗拉强度 [ t ] 的增加而增大，随
n
支托层上的软岩厚度 m i 的增加而减小。 i1 岩层剪坏的力学过程和条件
➢本章提要
•上覆岩层运动和破坏的基本形式 •上覆岩层纵向运动发展的基本规律
•上覆岩层在推进方向上的运动规律
•上覆岩层运动参数的确定
➢本章特点 • 有较多的基本概念
• 有较多的基本规律
➢学习难点 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
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o
i1
4m2
L2o
的数值发展。
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P14
③在嵌固梁向简支梁转化的过程中，当岩梁中部拉应力达到
n
(m mi )γ
i 1
2m 2
L20
时，中部必然拉开，岩梁发展至跨落或保持“假塑性岩梁”状态
④岩梁端部和中部开裂的力学条件应为
A = 0 ≥ [ t ]
为了便于应用，其力学条件可用岩梁悬露的极限跨度L0表示。
整体切断跨落（图3.3（b））
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P6
lo
（a）
（b）
图3.2 剪切运动的基本形式
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P7
2 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