【精品课件】采场顶板活动规律
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采煤工作面顶板管理基本知识 ppt课件
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(二)压垮型冒顶的机理及预防措施 1.冒顶机理及预防措施
压垮型冒顶的顶板条件：
（1）直接顶薄，厚度小于采高的2~3倍。 （2）直接顶上面老顶分层厚度小于5~6m。
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冒顶的前兆：
（1）煤壁片帮。 （2）顶板下沉速度急剧增加。 （3）支柱载荷急剧增加。 （4）靠煤壁顶板断裂。 （5）靠煤壁顶板掉渣。 （6）摩擦支柱放炮。
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6
三、采煤工作面顶板管理
多数采煤工作面直接顶是呈不规则跨落的。
当工作面自开切眼推进后，直接顶一般并不立即跨落下 来，而是待工作面推进一定距离以后，才会大面积跨落， 这称为直接顶初次跨落。直接顶初次跨落时，工作面放 顶线与开切眼之间的距离称为直接顶初次跨落步距，它 是反映直接顶稳定程度的一个综合指标，对顶板事故有 着直接影响。直接顶初次跨落后，就要进行第一次放顶， 称为工作面的初次放顶。由于初次放顶是直接顶的大面 积跨落，容易发生冒顶事故。为此《煤矿安全规程》规 定了采煤工作面的初次放顶必须制定安全措施，报矿总 工程师批准。
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4.老顶来压的两个问题：
（1）当初撑力较低时，老顶往往断裂在煤壁之内。（剪切力 为零点在煤壁内，对应弯矩最大点。）
当老顶在采空区受剪力时；当老顶上位岩层对老顶施加力时；老顶 的断裂性质不变，而且位置更深入煤体内。
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（2）老顶，若位于垮落带中，则在采空区中多以悬臂梁状态存在；若在 裂隙带中，则以砌体梁结构存在。
有些煤层同时存在伪顶、直接顶和老顶；也有些煤层上面， 没有伪顶，只有直接顶和老顶；有的缺少伪顶、直接顶， 煤层上面就是老顶。这样也就增加了顶板管理的难度，判 断和处理不对，就会造成顶板事故的隐患，严重影响了采 场支护质量，易造成顶板事故。
采场上覆岩层移动规律
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：
PT A m L k k G
2LK
q
Qx
Mx
综上：老顶岩梁破坏形式有两个受弯矩作用拉断受剪力 作用剪断
二、梁式断裂时的极限跨距：
q
（一）固支情况 1、按弯矩计算：
M
任意点A 处正应力： My
Q
其中断面矩
JZ
Jz
1 h3 12
最大拉应力在梁的端部
max
M
max
h 2
Jz
1 ql 2 h 12 2
1 h3
ql 2 2h 2
12
当 max 时Rt，则岩梁被拉断裂。
说明：
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。
四、老顶运动规律 1）老顶的初次垮落 由开切眼到老顶初次垮落时工作面推进的距离称为老顶的初 次垮落步距。 2) 老顶的周期性垮落 随工作面的推进将周期性地出现，称为老顶的周期性垮落。
ql 2
ql 2 M1 M 2 12
２）任意截面剪力：（Ｄ—Ｄ’）
Qx
R1
qx
ql 2
qx
ql 1 2
2x l
ql Q |x0 2
Q |xl 0 2
Q
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：
PT A m L k k G
2LK
q
Qx
Mx
综上：老顶岩梁破坏形式有两个受弯矩作用拉断受剪力 作用剪断
二、梁式断裂时的极限跨距：
q
（一）固支情况 1、按弯矩计算：
M
任意点A 处正应力： My
Q
其中断面矩
JZ
Jz
1 h3 12
最大拉应力在梁的端部
max
M
max
h 2
Jz
1 ql 2 h 12 2
1 h3
ql 2 2h 2
12
当 max 时Rt，则岩梁被拉断裂。
说明：
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。
四、老顶运动规律 1）老顶的初次垮落 由开切眼到老顶初次垮落时工作面推进的距离称为老顶的初 次垮落步距。 2) 老顶的周期性垮落 随工作面的推进将周期性地出现，称为老顶的周期性垮落。
ql 2
ql 2 M1 M 2 12
２）任意截面剪力：（Ｄ—Ｄ’）
Qx
R1
qx
ql 2
qx
ql 1 2
2x l
ql Q |x0 2
Q |xl 0 2
Q
煤层顶板活动规律
第三节
一、老顶梁式结构分析：
老顶岩层力学分析
1、冒落区老顶支撑条件：
1）全部充填满回采空间
0
h
M K p 1
2）不能充填满回采空间 （老顶悬露，成梁式结构） M 0 h K p 1 h M h K P M hK P 1 （ ）
2、老顶梁式结构力学分析： （按固定支座） 1）支座反力：（对称）
且
384E2 J 2
bh13 J1 12
bh 3 J2 12
q h1
从而
E h 2 2 1 不离层最小支撑力 p h 1 E1 h1
显然： 及时增大支撑力可使顶板不离层。
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。
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。
三、老顶的板式破断：
1、板式结构边界支撑条件： 薄板：长150-200m
宽30m 厚2—4m
边界支撑条件： （a）四边固支——始采工作面； （b）三固一简——一面为已采区（老塘）； （c）二固二简——一面为已采区，一面为工作面采空区； （d）一固三简——三面临空，回采半岛区域。
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
- 4-
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
- 5-
课件制作：曹云钦
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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采场顶板支护方法最新课件.ppt
•首先确定煤层的最大采高Mmax及最小采高Mmin ①确定顶板在最大控顶距处的平均最大下沉量SL, 支架最大可缩量必采须场顶大板支于护方法此最新值课件。
顶板最大下沉量可用下式估算：
SL＝η·M·L SL －工作面顶板下沉量； η －下沉系数，一般为0.025～0.05；
M －煤层采高；
L －控顶距。
系统中各部分可近似看成变刚度的弹簧，
各弹簧成串联结构，各自受力相等，总变形按
各自刚度进行分配采场。顶板支护方法最新课件
可见：
1 1 1 1
K Kr
Ks
Kf
（1）在顶板下沉量△S一定时，K越大，支架的
载荷越大。
（2）K小于Kr,Ks,Kf，为了提高系统刚度，必须同 时提高Kr,Ks,Kf 。相同支柱，由于Kr,Kf不同，且 受力大小也不同。
（3）支架变形量在系统总体变形中所占比重，
取决于顶底板刚度与支架刚度的相对大小，支架
刚度相对越小，则采支场顶架板支的护方法变最新形课件量越大。
第四节 采场支护设计
一、支架规格的选定 确定支架类型: 单体支架 支撑式 液压支架 掩护式 支撑掩护式 确定架型后主要是选定支架高度和可缩量。
1.单体支架规格选定的方法及步骤:
采场顶板支护方法最新课件
图5－7 支柱的几种典型特性曲线
工 作 阻 力
P0' －初撑力 P0 －始动阻力 P1 －初工作阻力 P2 －额定工作阻力
增 阻 特 性
急增阻式 微增阻式 恒阻式
或最大工作阻力 采场顶板支护方法最新课件
二、单体液压支柱的结构与特性
按注液方式分为
内注式 外注式
单体支架的优点：轻便、价格便宜，适用性强 缺点：支设、回柱劳动强度大，稳 定性差；支回柱跟不上采煤.
顶板最大下沉量可用下式估算：
SL＝η·M·L SL －工作面顶板下沉量； η －下沉系数，一般为0.025～0.05；
M －煤层采高；
L －控顶距。
系统中各部分可近似看成变刚度的弹簧，
各弹簧成串联结构，各自受力相等，总变形按
各自刚度进行分配采场。顶板支护方法最新课件
可见：
1 1 1 1
K Kr
Ks
Kf
（1）在顶板下沉量△S一定时，K越大，支架的
载荷越大。
（2）K小于Kr,Ks,Kf，为了提高系统刚度，必须同 时提高Kr,Ks,Kf 。相同支柱，由于Kr,Kf不同，且 受力大小也不同。
（3）支架变形量在系统总体变形中所占比重，
取决于顶底板刚度与支架刚度的相对大小，支架
刚度相对越小，则采支场顶架板支的护方法变最新形课件量越大。
第四节 采场支护设计
一、支架规格的选定 确定支架类型: 单体支架 支撑式 液压支架 掩护式 支撑掩护式 确定架型后主要是选定支架高度和可缩量。
1.单体支架规格选定的方法及步骤:
采场顶板支护方法最新课件
图5－7 支柱的几种典型特性曲线
工 作 阻 力
P0' －初撑力 P0 －始动阻力 P1 －初工作阻力 P2 －额定工作阻力
增 阻 特 性
急增阻式 微增阻式 恒阻式
或最大工作阻力 采场顶板支护方法最新课件
二、单体液压支柱的结构与特性
按注液方式分为
内注式 外注式
单体支架的优点：轻便、价格便宜，适用性强 缺点：支设、回柱劳动强度大，稳 定性差；支回柱跟不上采煤.
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。
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。
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。
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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。
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。
采场顶板支护方法优秀课件.ppt
采场顶板支护方法优秀课件
二、对直接顶的分类
直接顶是支架直接维护的对象，支架通过 它对老顶进行控制。直接顶的完整程度直接影响 工作面安全和支护方式的选择。 影响直接顶完整性的两个因素：
• 岩层的力学性质：抗拉、抗压强度，弹模等 ①岩层内节理裂隙的发育情况：原生裂隙、构
造裂隙、压裂裂隙。
采场顶板支护方法优秀课件
•级 0.3<N≤3～5, L > 50m
来压强烈
N≤0.3 , L=25～50m
•级 N≤0.3 , L > 50m 来压极强烈
采场顶板支护方法优秀课件
Pe= 241.3ln(L0)-15.5N+52.6m 式中， Pe,老顶初次来压当量；
L0，老顶初次来压步距；
N=∑h/m，直接顶厚度与采高之比。 距，提高对机道上方顶板支撑力。 （2）在顶板局部冒顶情况下，可考虑不勾顶。 （3）移架时，其结构在一定程度上允许承载前移。 （4）挡矸性好，采空区矸石不可涌入回采空间。
缺点： 支架工作空间小，通风断面小，行人不便。
采场顶板支护方法优秀课件
一、单铰式支架受力分析
MO 0
Ql cos a p cos (l l1 ) sin a P sin (l l1 ) cos a Qfl sin a
→ 外注
采场顶板支护方法优秀课件
三、液压支架的分类 从支架结构及其支撑特点出发，我国将液
压支架分为三类： •支撑式：结构上没有掩护梁，对顶板的作用是 支撑。
采场顶板支护方法优秀课件
支撑式支架支护性能： 支撑力大，作用点在支架中后部，切顶性能 好；对顶板重复支撑次数多，易把完整的顶 板压碎；抗水平载荷能力差，稳定性差；护 矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架工作 空间和通风断面大。 适应于缓倾斜、顶板采场稳顶板定支护的方法薄优秀与课件中厚煤层。
二、对直接顶的分类
直接顶是支架直接维护的对象，支架通过 它对老顶进行控制。直接顶的完整程度直接影响 工作面安全和支护方式的选择。 影响直接顶完整性的两个因素：
• 岩层的力学性质：抗拉、抗压强度，弹模等 ①岩层内节理裂隙的发育情况：原生裂隙、构
造裂隙、压裂裂隙。
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•级 0.3<N≤3～5, L > 50m
来压强烈
N≤0.3 , L=25～50m
•级 N≤0.3 , L > 50m 来压极强烈
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Pe= 241.3ln(L0)-15.5N+52.6m 式中， Pe,老顶初次来压当量；
L0，老顶初次来压步距；
N=∑h/m，直接顶厚度与采高之比。 距，提高对机道上方顶板支撑力。 （2）在顶板局部冒顶情况下，可考虑不勾顶。 （3）移架时，其结构在一定程度上允许承载前移。 （4）挡矸性好，采空区矸石不可涌入回采空间。
缺点： 支架工作空间小，通风断面小，行人不便。
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一、单铰式支架受力分析
MO 0
Ql cos a p cos (l l1 ) sin a P sin (l l1 ) cos a Qfl sin a
→ 外注
采场顶板支护方法优秀课件
三、液压支架的分类 从支架结构及其支撑特点出发，我国将液
压支架分为三类： •支撑式：结构上没有掩护梁，对顶板的作用是 支撑。
采场顶板支护方法优秀课件
支撑式支架支护性能： 支撑力大，作用点在支架中后部，切顶性能 好；对顶板重复支撑次数多，易把完整的顶 板压碎；抗水平载荷能力差，稳定性差；护 矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架工作 空间和通风断面大。 适应于缓倾斜、顶板采场稳顶板定支护的方法薄优秀与课件中厚煤层。
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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。
若曲线下凹，则铰接点位置在岩块断裂面的偏下部； 反之，则在偏上部。
如果在回采空间以及邻近的采空区上方出现明显的离
3.由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两 层骨架间的联结能用可缩性支杆代替。
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。
5.最上层为表土冲积层，可将其视为均布载 荷作用于岩体结构上，而骨架层各岩块上 的载荷将随垫层的压实程度而变化。
第三节 直接顶的垮落
1、直接顶初次垮落 直接顶的第一次大面积垮落
2、直接顶初次垮落距
10m
0.5m 20m
切眼钻孔位置图
红外钻孔摄像机
第四节 老顶的断裂形式
一、老顶岩层的梁式平衡 概念:
1．初次垮落距 2．膨胀系数KP 、残余膨胀系数 K'P
老顶初次垮落前岩体结构图
Δ＝Σh＋M－Kp·Σh＝M－Σh(Kp－1) 当Δ＝0时，老顶弯曲下沉较小
因此形成充满采空区所需直接顶厚度为：
三、铰接岩块假说
此假说认为，采场 上覆岩层分为垮落带 和裂隙带，二者的差 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 相互铰合而形成一条 多环节的铰链。
该假说认为，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。
四、 预成裂隙假说
此假说认为，在采场周围存在应力降低区， 应力增高区和采动影响区，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。
全部垮落法回采工作空间的变化
根据实测，回采工作面支架所承受的力 仅为上覆岩层重量的百分之几。
这是因为上覆岩层形成了“大结构”， 这种大结构能够承担上覆岩层重量，从而起 到对回采工作面的保护作用。
第二节 有关采场上覆岩层“大结构”的假
说
前
一、压力拱假说
拱 角
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
五、砌体梁力学模型
“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的 如下特征而提出的：
1. 采动上覆岩层的岩体结构的骨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。
2. 随着工作面的推进，采空区上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。
第三章 采场顶板活动规律
目录
第一节 几个概念 第二节 有关采场上覆岩层“大结构”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 第六节 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定 第七节 老顶断裂时在岩体内引起的扰动
第一节 几个概念
回采工作面
在煤层或矿床的开采过程中，
（采场）
直接进行采煤或采有用矿物的 直接位工于作煤空层间上方的一层或几
顶板 底板
直接顶 伪顶 老顶
层性质相近的岩层。 位小位随于于于炭回直0煤质柱接.3层页放～顶和岩顶0之直、.页而5上接泥m垮岩，顶质，落等对之页随，采间岩采页场，等随岩矿厚。冒、山度。砂
压力直接造成影响的厚而坚硬
的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾
M
x
R 1·x
qx· x 2
M
1
qL·x q x 2 qL 2 2 2 12
q 6 Lx 6 x 2 L2
12
在梁的两端(x＝0；Ｌ)，Mmax＝
qL2
；
12
在梁的中部(x＝ L )，M＝ 1 qL2。
2
24
若为简支梁：
此时，剪力相同，但弯矩不同。即：
M xR 1· xq x· 2 xq 2 xLx
h M KP 1
当Δ>0时，老顶呈悬露状态，类似板状结
构。即所谓“梁”的假说。
分析这种梁的应力状态
老顶岩梁受力分析
对称梁，所以：R1＝R2，弯矩M1＝M2。
取ΣFy＝0，则
qL R1 R2 2
任意截面D－D '，剪力为：
所以:
Qx R1qxq2L12Lx
Qmax
R1
R2
qL 2
固定梁任意截面D－D '的弯矩为：
h p
h1 h3
E1 J1
E2 J2
粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老 顶厚度时，均易于形成直接顶与老顶间离层。 为了防止直接顶因离层产生推垮事故必须保 证支架具有一定的初撑力：
直接顶和老顶间发生离层
图2-6 利用红外钻孔探测仪观测到的顶板离层裂隙
中细砂岩（3煤顶板
）
泥岩
炭质泥岩 4煤
20m 0.5m
38E41J1 38E42J2
若令q1=γh3，且h3＝α·h1 则上式可改写为：
1a E1·h12
E2· 1h2
h E1 · 1
h1
E2 1a
若考虑到初次放顶前支架支撑力的作用， 则不致于形成离层的条件为：
h1h3L1 4(h · p)L1 4
38E14 J1
38E24 J2
P——支架单位面积初撑力。
此时，Mmax在梁的中间，即：
Mmax
qL2 4
qL2 8
qL2 8
后 拱 角
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。
采空区
岩等。
序号
岩性
层厚/m
容重/kg·m-3
抗压强度 /MPa
1
砂质泥岩
3
2760
18
2
泥岩
2
2760
18
3
粗砂岩
16
2670
50
4
泥岩
5
2260
20
5
炭质泥岩
0.7
1850
15
6
6#煤
4
1400
10
7
砂质泥岩
10
2760
21
采空区处理方法: (a)刀柱(留煤柱); (b)顶板缓慢下沉法; (c)充填法; (d)全部垮落法
直接顶的垮落高度超过1～ 1.5m，范围超过全工作面长度
3、直接顶垮落后的碎胀特性
的一半。
形成充满采空区所需直接顶厚度为：
4、老直顶接的最顶大初挠次度垮为落：前的ym离ax 层h3184qE11J· 1L14
直接顶的最大挠度为：
(ymax)n
h··L14
384E2J2
不形成离层的条件为： h1q1· L14 hL14
若曲线下凹，则铰接点位置在岩块断裂面的偏下部； 反之，则在偏上部。
如果在回采空间以及邻近的采空区上方出现明显的离
3.由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两 层骨架间的联结能用可缩性支杆代替。
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。
5.最上层为表土冲积层，可将其视为均布载 荷作用于岩体结构上，而骨架层各岩块上 的载荷将随垫层的压实程度而变化。
第三节 直接顶的垮落
1、直接顶初次垮落 直接顶的第一次大面积垮落
2、直接顶初次垮落距
10m
0.5m 20m
切眼钻孔位置图
红外钻孔摄像机
第四节 老顶的断裂形式
一、老顶岩层的梁式平衡 概念:
1．初次垮落距 2．膨胀系数KP 、残余膨胀系数 K'P
老顶初次垮落前岩体结构图
Δ＝Σh＋M－Kp·Σh＝M－Σh(Kp－1) 当Δ＝0时，老顶弯曲下沉较小
因此形成充满采空区所需直接顶厚度为：
三、铰接岩块假说
此假说认为，采场 上覆岩层分为垮落带 和裂隙带，二者的差 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 相互铰合而形成一条 多环节的铰链。
该假说认为，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。
四、 预成裂隙假说
此假说认为，在采场周围存在应力降低区， 应力增高区和采动影响区，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。
全部垮落法回采工作空间的变化
根据实测，回采工作面支架所承受的力 仅为上覆岩层重量的百分之几。
这是因为上覆岩层形成了“大结构”， 这种大结构能够承担上覆岩层重量，从而起 到对回采工作面的保护作用。
第二节 有关采场上覆岩层“大结构”的假
说
前
一、压力拱假说
拱 角
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
五、砌体梁力学模型
“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的 如下特征而提出的：
1. 采动上覆岩层的岩体结构的骨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。
2. 随着工作面的推进，采空区上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。
第三章 采场顶板活动规律
目录
第一节 几个概念 第二节 有关采场上覆岩层“大结构”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 第六节 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定 第七节 老顶断裂时在岩体内引起的扰动
第一节 几个概念
回采工作面
在煤层或矿床的开采过程中，
（采场）
直接进行采煤或采有用矿物的 直接位工于作煤空层间上方的一层或几
顶板 底板
直接顶 伪顶 老顶
层性质相近的岩层。 位小位随于于于炭回直0煤质柱接.3层页放～顶和岩顶0之直、.页而5上接泥m垮岩，顶质，落等对之页随，采间岩采页场，等随岩矿厚。冒、山度。砂
压力直接造成影响的厚而坚硬
的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾
M
x
R 1·x
qx· x 2
M
1
qL·x q x 2 qL 2 2 2 12
q 6 Lx 6 x 2 L2
12
在梁的两端(x＝0；Ｌ)，Mmax＝
qL2
；
12
在梁的中部(x＝ L )，M＝ 1 qL2。
2
24
若为简支梁：
此时，剪力相同，但弯矩不同。即：
M xR 1· xq x· 2 xq 2 xLx
h M KP 1
当Δ>0时，老顶呈悬露状态，类似板状结
构。即所谓“梁”的假说。
分析这种梁的应力状态
老顶岩梁受力分析
对称梁，所以：R1＝R2，弯矩M1＝M2。
取ΣFy＝0，则
qL R1 R2 2
任意截面D－D '，剪力为：
所以:
Qx R1qxq2L12Lx
Qmax
R1
R2
qL 2
固定梁任意截面D－D '的弯矩为：
h p
h1 h3
E1 J1
E2 J2
粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老 顶厚度时，均易于形成直接顶与老顶间离层。 为了防止直接顶因离层产生推垮事故必须保 证支架具有一定的初撑力：
直接顶和老顶间发生离层
图2-6 利用红外钻孔探测仪观测到的顶板离层裂隙
中细砂岩（3煤顶板
）
泥岩
炭质泥岩 4煤
20m 0.5m
38E41J1 38E42J2
若令q1=γh3，且h3＝α·h1 则上式可改写为：
1a E1·h12
E2· 1h2
h E1 · 1
h1
E2 1a
若考虑到初次放顶前支架支撑力的作用， 则不致于形成离层的条件为：
h1h3L1 4(h · p)L1 4
38E14 J1
38E24 J2
P——支架单位面积初撑力。
此时，Mmax在梁的中间，即：
Mmax
qL2 4
qL2 8
qL2 8
后 拱 角
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。
采空区
岩等。
序号
岩性
层厚/m
容重/kg·m-3
抗压强度 /MPa
1
砂质泥岩
3
2760
18
2
泥岩
2
2760
18
3
粗砂岩
16
2670
50
4
泥岩
5
2260
20
5
炭质泥岩
0.7
1850
15
6
6#煤
4
1400
10
7
砂质泥岩
10
2760
21
采空区处理方法: (a)刀柱(留煤柱); (b)顶板缓慢下沉法; (c)充填法; (d)全部垮落法
直接顶的垮落高度超过1～ 1.5m，范围超过全工作面长度
3、直接顶垮落后的碎胀特性
的一半。
形成充满采空区所需直接顶厚度为：
4、老直顶接的最顶大初挠次度垮为落：前的ym离ax 层h3184qE11J· 1L14
直接顶的最大挠度为：
(ymax)n
h··L14
384E2J2
不形成离层的条件为： h1q1· L14 hL14