回采工作面上覆岩层活动规律及其分析

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。
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
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
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。
中细砂岩（3煤顶板
）
泥岩
炭质泥岩 4煤
20m 0.5m
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
384E1 J 1
384E2 J 2
若令q1=γh3，且h3＝α·h1 则上式可改写为：
1 a
1
E1·h12 E2 · h2
h E1 · 1
h1
E2 1 a
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：
h1 h3 L14 ( h· p)L14
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
因此形成充满采空区所需直接顶厚度为：
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：
Qx

R1
qx

qL 2
1

2x L

所以:
qL Qmax R1 R2 2
固定梁任意截面D－D '的弯矩为：
M
x

R1·x

qx·x 2

M1
qL·x q x2 qL2 2 2 12
q 6Lx 6x2 L2
12 在梁的两端(x＝0；Ｌ)，Mmax＝
qL2
；
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。
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
前说
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
384E1 J 1
384E2 J 2
P——支架单位面积初撑力。
p
h
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
直接顶的垮落高度超过1～ 1.5m，范围超过全工作面长度
Baidu Nhomakorabea
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 h31 84qE11J·1 L14
直接顶的最大挠度为：
( ymax )n

h··L14
384E2 J2
不形成离层的条件为： h1 q1·L14 h L14
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：
Mx

R1·x
qx·
x 2

qx 2
L
x
• 此时，Mmax在梁的中间，即：
qL2 qL2 qL2 M max 4 8 8
二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式 根据开采条件及采区边界煤柱的大小，可
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。