第三章_采场顶板活动规律
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矿山压力与岩层控制
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3 采场顶板活动规律
3.1 概述 3.2 有关采场上覆岩层活动规律的假说 3.3 直接顶的垮落 3.4 老顶的断裂形式 3.5 老顶的初次断裂步距 3.6 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析 3.7 老顶断裂时在岩体内引起的扰动
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第一节 概述
1、基本概念
➢回采工作面/采场：直接进行采煤或采其它矿物的工作空间称为回 采工作面或简称为采场。（coal face, working face) ➢顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。（roof） ➢底板：位于煤层下方的岩层称为底板。（floor) ➢直接顶：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。 （immediate roof)，由于它们在推进方向上不能够始终 保持传递力的联系，因此一旦运动，其重量将由支架全部承担。
对于一个回采工作面，如果不知道顶板中那些岩层需要控制， 不知道这些岩层大面积运动发生的时间、范围以及可能的运动方向， 控制设计将是盲目的。同样，如果不了解支承压力分布随上覆岩层 运动发生的变化规律，不能根据具体的条件，包括时间、地点及上 覆岩层运动的发展情况等，搞清楚回采工作面四周压力的真实分布 情况，要正确选择巷道合理的开掘位置和时间，解决好巷道所必须 的阻力和缩量等方面的问题也是不可能的。
煤矿安全生产最关心的是如何才能够确保回采工作面工人、设备 安全！这需要研究掌握回采过程中顶板岩层移动破坏规律，需要研 究直接顶、老顶对采场矿山压力显现的影响和对支架的要求，需要 研究各种条件下设计加工什么样的支架才能够保证支护安全。煤与 瓦斯共采还需要研究掌握瓦斯在采空区内的运移规律。
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3、为何要研究顶板活动规律
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。
（2）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。
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。
老顶破断以后，破裂岩块始终能保持向煤壁前方和采空区矸石上 传递力的联系，它的运动对回采工作面矿山压力显现有明显影响， 但是其作用力无须由支架全部承担。
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2、回采工作面采空区处理方法
图3-1 回采工作面采空区常见处理方法
a 刀柱(留煤柱)；b 顶板缓慢下沉法；c 充填法 ；d 全部垮落法
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充填回采工作面采空区处理方法
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。
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1、 压力拱假说 （德国哈德克等，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。
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（3）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及时支撑住 顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，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。
煤体
采空区
支架
充填体 充填体
发展膏体充填采煤技术的目的
解放“三下一上”压煤，提高采出率，延长矿井服务年限；
保水采煤；
固体废物资源化利用；
沿空留巷、煤-瓦斯共采。
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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。
讨论：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 压范围作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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2 、悬臂梁假说 （德国施托克，1916）
假说观点：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。
本章重点学习采场顶板岩层移动破坏规律。
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第二节 有关采场上覆岩层活动规律的假说
“假说”就是用已有的事实材料和科学原理为依据，关于未知事 实（如现象之间的规律性联系、事物的存在或原因、未来事件的出 现等）的假设性解释。
形成假说是科学研究活动中的基本程序之一，也是研究工作十 分重要的手段。假说指导我们理解新的情况、启发我们做新的实验 从而发现新的现象和规律。经过实践检验和验证，证明是正确的， 就上升为理论和规律。
直接顶指采空区已经冒落岩层的总合。
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➢伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3～0.5 m、极易 垮落（随采随冒）的软弱岩层，称为伪顶。（false roof) ➢基本顶：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基本顶/老顶。 （main roof)
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4、预成裂隙假说(比利时 拉巴斯，1950）
假说观点： （1）在采场周围存在应力降低区(Ⅰ)，应力增高区(Ⅱ)和采动
影响区(Ⅲ)，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。
（2）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，其在彼 此被挤紧的状态时，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。
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、铰接岩块假说 （前苏联库兹涅佐夫，19ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0)
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3 采场顶板活动规律
3.1 概述 3.2 有关采场上覆岩层活动规律的假说 3.3 直接顶的垮落 3.4 老顶的断裂形式 3.5 老顶的初次断裂步距 3.6 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析 3.7 老顶断裂时在岩体内引起的扰动
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第一节 概述
1、基本概念
➢回采工作面/采场：直接进行采煤或采其它矿物的工作空间称为回 采工作面或简称为采场。（coal face, working face) ➢顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。（roof） ➢底板：位于煤层下方的岩层称为底板。（floor) ➢直接顶：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。 （immediate roof)，由于它们在推进方向上不能够始终 保持传递力的联系，因此一旦运动，其重量将由支架全部承担。
对于一个回采工作面，如果不知道顶板中那些岩层需要控制， 不知道这些岩层大面积运动发生的时间、范围以及可能的运动方向， 控制设计将是盲目的。同样，如果不了解支承压力分布随上覆岩层 运动发生的变化规律，不能根据具体的条件，包括时间、地点及上 覆岩层运动的发展情况等，搞清楚回采工作面四周压力的真实分布 情况，要正确选择巷道合理的开掘位置和时间，解决好巷道所必须 的阻力和缩量等方面的问题也是不可能的。
煤矿安全生产最关心的是如何才能够确保回采工作面工人、设备 安全！这需要研究掌握回采过程中顶板岩层移动破坏规律，需要研 究直接顶、老顶对采场矿山压力显现的影响和对支架的要求，需要 研究各种条件下设计加工什么样的支架才能够保证支护安全。煤与 瓦斯共采还需要研究掌握瓦斯在采空区内的运移规律。
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3、为何要研究顶板活动规律
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。
（2）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。
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。
老顶破断以后，破裂岩块始终能保持向煤壁前方和采空区矸石上 传递力的联系，它的运动对回采工作面矿山压力显现有明显影响， 但是其作用力无须由支架全部承担。
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2、回采工作面采空区处理方法
图3-1 回采工作面采空区常见处理方法
a 刀柱(留煤柱)；b 顶板缓慢下沉法；c 充填法 ；d 全部垮落法
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充填回采工作面采空区处理方法
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。
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1、 压力拱假说 （德国哈德克等，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。
1313
（3）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及时支撑住 顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，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。
煤体
采空区
支架
充填体 充填体
发展膏体充填采煤技术的目的
解放“三下一上”压煤，提高采出率，延长矿井服务年限；
保水采煤；
固体废物资源化利用；
沿空留巷、煤-瓦斯共采。
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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。
讨论：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 压范围作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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2 、悬臂梁假说 （德国施托克，1916）
假说观点：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。
本章重点学习采场顶板岩层移动破坏规律。
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第二节 有关采场上覆岩层活动规律的假说
“假说”就是用已有的事实材料和科学原理为依据，关于未知事 实（如现象之间的规律性联系、事物的存在或原因、未来事件的出 现等）的假设性解释。
形成假说是科学研究活动中的基本程序之一，也是研究工作十 分重要的手段。假说指导我们理解新的情况、启发我们做新的实验 从而发现新的现象和规律。经过实践检验和验证，证明是正确的， 就上升为理论和规律。
直接顶指采空区已经冒落岩层的总合。
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➢伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3～0.5 m、极易 垮落（随采随冒）的软弱岩层，称为伪顶。（false roof) ➢基本顶：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基本顶/老顶。 （main roof)
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4、预成裂隙假说(比利时 拉巴斯，1950）
假说观点： （1）在采场周围存在应力降低区(Ⅰ)，应力增高区(Ⅱ)和采动
影响区(Ⅲ)，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。
（2）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，其在彼 此被挤紧的状态时，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。
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、铰接岩块假说 （前苏联库兹涅佐夫，19ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0)