矿压第三章

第二节 采场上覆岩层活动规律的假说
二、悬臂梁假说 • 此假说可以解释工作面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。同时也可以解释工 作面前方出现的支承压力及工作面出现的周期来压现象。
• 据此，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。
承受压力拱内的岩石重量。
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 做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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第二节 采场上覆岩层活动规律的假说
二、悬臂梁假说 • 德国人施托克于1916年提出，得到英国的弗里德和前苏联
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第一节 概述
• 上覆岩层的“大结构”作用分析
回采空间或巷道上方岩层中未破坏部分或未产生剧烈变形
部分，或虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分，有时能 形成岩体内的“大结构”。这种“大结构”能够承担上覆 岩层重量，从而对巷道及回采空间起保护作用。根据实际 测定，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层的百分之 几。
铰接岩块间的平衡关系为三铰拱式平衡。 该假说正确地阐明了工作面上覆岩层的分带情况，并初步
涉及岩层内部的力学关系及其可能形成的“结构”。但此 假说未能对铰接岩块间的平衡条件做进一步探讨。
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第二节 采场上覆岩层活动规律的假说
四、预成裂隙假说
• 比利时学者A.拉巴斯于20世纪50年
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第二节 采场上覆岩层活动规律的假说
一、压力拱假说
• 德国人哈克和吉里策尔于1928年
提出压力拱假说。
• wk.baidu.com假说认为，在回采工作空间上
方，由于岩层自然平衡的结果而 形成了一个“压力拱”。
• 拱的一个支撑点是在工作面前方
煤体内，形成了前拱脚a，另一 个支撑点是在采空区内已垮落的
第一节 概述
• 回采工作面（采场）：在煤层或矿床开采过程中，一般把
直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为回采工作面。
• 顶板与底板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆
岩层，位于煤层下方的岩层称为底板。
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第一节 概述
• 直接顶：一般把直接位
于煤层上方的一层或几 层性质相近的岩层称为 直接顶。通常为页岩、 砂页岩或粉砂岩等组成。
证工作面支架具有足够的初撑力 和工作阻力，并应及时支撑住顶 板岩层，使各岩层及岩块之间保 持挤紧状态，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。
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五、“砌体梁”理论（1978，钱 鸣高，中国）
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第一节 概述
• 上覆岩层的“大结构”作用分析
但当工作空间维护的时间较长时，有时由于岩体内所受的
力超过了其弹性极限，或由于煤岩的蠕变特性，则使围岩 不易形成稳定性结构。这种现象在巷道中极易出现，从而 导致巷道围岩的“挤、压、臌”现象。对于回采工作空 间，尤其是工作面推进较快时，这种时间影响因素就会变 得次要，上覆岩层将极易形成“大结构”。
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第一节 概述
• 根据采空区的处理方法，目前主要有如图3-1所示的四种工
作空间形式。其中全部垮落法具有回采率高、成本低、简单 的优点，在条件适宜时，尽量采用这种方法。
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第一节 概述
• 采用全部垮落法时，随着工作面推进，回采工作
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三、铰接岩块假说 • 此假说对支架和围岩的相互作用
做了较详细的分析。
• 假说认为：工作面支架存在“给
定载荷状态”和“给定变形状态” 两种不同的工作状态。
给定载荷状态：当规则移动带（老顶）下部岩层变形小而不
发生折断时，垮落带岩层（直接顶）和老顶间就可能发生离
方坚硬岩层在裂缝带内将断裂成排列
整齐的岩块，岩块间将受水平推力作
用而形成铰接关系。岩层移动曲线的
形态经实测呈开始为下凹、而后随工
作面的推进逐渐恢复水平状态的过程，
由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。
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第二节 采场上覆岩层活动规律的假说
五、 “砌体梁”理论 （1978，钱鸣高，中国）
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三、铰接岩块假说
• 前苏联库兹涅佐夫于1950～1954
年提出。
• 此假说认为，工作面上覆岩层的
破坏可分为垮落带和其上的规则 移动带。垮落带分上下两部分， 下部垮落时，岩块杂乱无章；
上部垮落时，则呈规则的排列，但与规则移动带的差别在于， 无水平方向有规律的水平挤压力的联系。规则移动带岩块间 可以互相铰合而形成一条多环节的铰链，并规则地在采空区 上方下沉。如图3-4。
矿山压力与岩层控制
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作 者：王 超 单 位：矿煤学院 日 期：19.3.20
第三章 采场顶板活动规律
主要内容
• 第一节 概述
• 第二节 采场上覆岩层活动规律的假说
• 第三节 直接顶的垮落
• 第四节 老顶的断裂形式
• 第五节 老顶的初次断裂步距
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的，因而称之为“砌体梁” 。
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五、 “砌体梁”理论 • 此假说具体地给出了破断岩块的咬合方式及平衡条件，
同时还讨论了老顶破断时在岩体中引起的扰动；很好地 解释了采场矿山压力显现规律，为采场矿山压力的控制 及支护设计提供了理论依据。
的格尔曼等的支持。
• 此假说认为，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。当顶板由几个 岩层组成时，形成组合悬臂梁。在悬臂梁弯曲下沉后，受 到已垮落岩石的支承，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。
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弱，因而两层骨架间的联结能用可缩
性支杆代替。
• 特征4.当骨架层的断裂岩块回转恢复
到近水平位置时，岩块间的剪切力趋
近于零，此时的铰接关系可转化为水
平连杆联结关系。
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五、 “砌体梁”理论（1978，钱鸣高，中国） • 特征5.最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作
代初提出，几乎与铰接岩块假说同 时提出。
• 假塑性梁是假说的主要组成部分。
从另一侧面解释了破断岩块的相互
作用关系。
观点1：由于开采的影响，回采工作面上覆岩层的连续性
遭到破坏，从而成为非连续体。在回采工作面周围存在着
应力降低区（Ⅰ）、应力增高区（Ⅱ）和采动影响区
（Ⅲ）。随着工作面推进，三个区域同时相应地向前移动，
面空间形状变化见下图。
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第一节 概述
• 顶板压力:在煤（岩）体内形成回采空间，其上方的岩体部
分重量则由支护物承担（同时前方煤壁和采空区冒落的矸 石也要承担部分压力），从而形成了对支架的压力（有时 是由于围岩变形而形成对支架的压力），由于这些原因对 支架造成的压力不同于岩体内的矿山压力。将这些原因对 支架产生的压力常称为顶板压力或围岩压力。
矸石上或采空区的充填体上，形成了后拱脚b。随着工作 面的推进，前、后拱脚也将向前移动。
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一、压力拱假说
• a、b拱脚处为应力增高区，工作面
则处于应力降低区。在前后拱脚之
间，无论在顶板或底板中都形成了
一个减压区，回采工作面的支架只
这种被各种裂隙破坏了的假塑性体处于一种彼此被挤紧的 状态，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。如图3-6所示。
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四、预成裂隙假说 • 观点2：为有效控制顶板，应保
用于岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层 的压实程度而变化。
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五、 “砌体梁”理论（1978， 钱鸣高，中国）
• 采场上覆岩层的砌体梁结构模型如
图3-7所示。（a）表示回采工作面 前后岩体形态，其中Ⅰ为垮落带， Ⅱ为裂缝带，Ⅲ为弯曲下沉带，A 为煤壁支撑区，B为离层区，C为重 新压实区；
(或近似于同时运动)，且对矿 压显现同时有明显影响的岩 层组合而成。
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五、 “砌体梁”理论
• （b）为根据观测的岩层形态而推测
的岩体结构形态；（c）为此结构中 任一组结构的受力状态。图中Q表示 岩块自重及其载荷，Ri表示支撑力， R0-i等则表示岩块间的铅直作用力，T 为水平推力。
• 鉴于此结构是似砌体一样排列而组成
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第一节 概述
• 伪顶：在煤层与直接顶之
间有时存在厚度小于0.3～ 0.5m、极易垮落的软弱岩 层，称为伪顶，一般为炭 质页岩、泥质页岩等。
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第一节 概述
• 老顶(基本顶)：通常把位
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 而坚硬的岩层称为老顶。 一般是由砂岩、石灰岩及 砂砾岩等组成。
2019如/11/图27 3-5。
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四、预成裂隙假说
• 假塑性体：由于开采后上覆岩层中存
在各种裂隙，这些裂隙有可能是由于 支承压力作用而形成的，它可能是平 行于正压应力的张开裂隙，也可能是 与正压应力成一定交角的剪切裂隙， 从而使岩体发生很大的类似塑性体的 变形，因而可将其视为“假塑性体”。
架是覆岩中的坚硬岩层，可将上覆岩 层划分为若干组，每组以坚硬岩层为 底层，其上部的软弱岩层可视为直接 作用于骨架上的载荷，同时也是更上 层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层。
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五、 “砌体梁”理论（1978，钱 鸣高，中国）
• 特征2.随着工作面的推进，采空区上
层，支架最多只承受直接顶折断岩层的全部重量，这种情况
称为支架处于“给定载荷状态”。
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三、铰接岩块假说
• 给定变形状态：当直接顶受老顶影响
折断时，支架所承受的载荷和变形取 决于规则移动带下部岩块的相互作用 ，载荷和变形将随岩块的下沉不断增 加，直到岩块受已垮落岩石的支撑达 到平衡为止，这种情况称为支架的“ 给定变形状态”。
• 此假说结合现场观测和生产实践的验证已得到公认，对
我国煤矿采场矿压理论研究与指导生产实践都起到了重 要作用。
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第二节 采场上覆岩层活动规律的假说
六、传递岩梁理论（1978， 宋振骐，中国）
老顶岩梁结构的“传递岩梁”
概念(如图)，它包括下列含义：
（1）该岩梁是由同时运动
• 若曲线下凹，则铰接点位置
在岩块断裂面的偏下部；反 之，则在上部。如果在回采 空间以及邻近的采空区上方 出现明显的离层区，说明该 区内断裂的岩块可以形成悬 露结构。
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五、 “砌体梁”理论（1978，钱 鸣高，中国）
• 特征3.由于垫层传递剪切力的能力较
• 总结铰接岩块与预成裂隙假说，在大
量生产实践及对岩层内部移动进行现 场观测的基础上提出的，发展了有关 假说。
• “砌体梁”结构是基于采动岩体移动
的特征而提出。
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五、 “砌体梁”理论（1978，钱 鸣高，中国）
• 特征1.采动上覆岩层的岩体结构的骨