第三章 采场顶板活动规律

（1）传递岩梁理论正确揭示了老顶岩梁一般在煤壁前方破端的实 际，指导了采场顶板来压预测预报。 （2）但是，该理论关于老顶“传递岩梁”破断以后的结构形式不 明确。这一点也影响了该理论开始提出时没有得到学术界的认可。
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7、关键层理论 （钱鸣高，1996）
理论观点：
（1）在直接顶上方存在厚度不等、强度不同的多层岩层，其中一 层至数层在采场上覆岩层活动中起主要的控制作用。将对采场上覆 岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层称为关键层。 前者称为亚关键层，后者称为主关键层。
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。 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。
矿山压力与岩层控制
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3 采场顶板活动规律
3.1 3.2 概述 有关采场上覆岩层活动规律的假说
3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
直接顶的垮落 老顶的断裂形式 老顶的初次断裂步距 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析 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) 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。
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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。
讨论：
（1）提出了采场顶板水平分区情况。 （2）提出了破裂老顶呈塑性体，类似梁 结构形式。 （3）无具体力学模型，只是定性描述。
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关键层相似材料模拟
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讨论： （1）关键层理论的提出实现了矿山压力、岩层移动与地表沉陷、 采动煤岩体中水与瓦斯流动研究的有机统一，为更全面、深入地解 释采动岩体活动规律和采动损害显现奠定了基础，为煤矿绿色开采 技术研究提供了新的理论平台。 （2）关键层理论是矿山压力控制中的“抓主要矛盾”思想，给予 大家一种研究问题的正确思路。 （3）关键层理论提出之前，研究采动岩层移动学者王金庄教授 （中国矿业大学）曾提出“托板”概念，有关键层的函义。关键层 是托板概念的提升、扩展。
（4）砌体梁、关键层理论力学模型简单是科学简化的结果。
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第三节 直接顶的垮落
煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。 回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当 达到其极限跨距时开始垮落。 直接顶初次垮落：直接顶第一次垮落高度超过1～1.5 m，范围 超过全工作面长度的一半，叫做直接顶初次垮落，此时直接顶的跨 28 距称为“直接顶初次垮落距”。 28
充填回采工作面采空区处理方法
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，
顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。（roof）
直wk.baidu.com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
砌体梁理论提出以后，很快得到煤炭系统广泛认同，对采 场支架选型设计与顶板管理发挥了重要的理论指导作用。
弯曲下沉带
煤壁支承区
离层区 重新压实区
裂缝带
垮落带
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讨论： （1）砌体梁理论关于采场顶板分区、分带特征吸收了预成裂 隙假说、铰接岩块假说的合理内容，得到了孔庄煤矿现场实测 证实，已经成为煤炭系统关于采场顶板分区、分带特征的标准 表述。 实际上底板也要遭受采动破坏，有“下三带”之说。 （2）砌体梁理论建立了比较完善的力学模型，并提出了砌体 梁平衡“准定量”计算，对一系列采场矿山压力现象做出了合 理解释。 （3）关于煤体影响、老顶岩层在煤壁上方破断位臵等缺乏深 入研究。
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3、铰接岩块假说 （前苏联库兹涅佐夫，1950)
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。
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5、砌体梁假说（钱鸣高，1978）
砌体梁理论依据以下观点：
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
上覆岩层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，
载荷，同时也是更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层。
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。岩层移动曲线的形
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。
（2）为了弄清岩层移动由下往上传递的动态过程，岩层移动过程 中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状 态的变化，关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律。
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关键层相似材料模拟
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关键层相似材料模拟
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关键层相似材料模拟
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关键层相似材料模拟
顶区全部直接顶受支架均匀支护作用：则
(h1 h3 ) L 384E1 J1
4 1
4 ( h p) L1
384E2 J 2
实际上直接顶初次垮落距离大于10m，而采场控顶 宽度一般只有5~6m，并不是如上所说，而更接近下图。
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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。
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，由此
决定了断裂岩块间铰接点的位臵。 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。 当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位臵时，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。 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。 15
1 1 2 E1 h1 E2 ( h) 2
h 即： h1
E1 1 E2 1
E1 h 1 直接顶与老顶不离层条件： h1 E2 1
书P71表3-1，可以看出，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度 时，均易形成直接顶与老顶间离层。 31
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为了防止直接顶因离层产生推跨事故必须保证支架具 有一定的初撑力：
roof)
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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直接顶初次垮落前的离层分析
直接顶初次垮落前，相对基本顶而言，其变形大，容 易出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初次垮落前可以 简化为“固支梁”式结构，其离层与变形分析如下。
老
顶
直接顶
直接顶初次垮落前的离层分析
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直接顶最大挠度
老顶最大挠度
不离层条件
ymax ymax n
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若令q1=h3，且h3=h1，J1=bh13/12，J2=b(h)3/12，令b=1，则 上式可改写为：
(h1 h3 ) L ( h p) L 384E1 J1 384E2 J 2
4 1
4 1
E2 h pmin h 1 (1 ) h E1 1
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讨论：书中关于防止直接顶离层的初撑力计算，是按照空
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6、传递岩梁理论 （宋振琪，1978）
理论观点： （1）煤层支承压力分内外应 力场。老顶破断位臵一般位 于煤壁前方，破断位臵到煤 壁这部分支承压力为内应力 场，其大小由下位老顶岩梁 重量决定，与采深没有直接 联系；破断位臵往深部为外 应力场，其大小与开采深度 直接相关。
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（2）老顶破断后，在破断裂隙附近一定范围支承压力明显减 小，在采场煤壁前方的回采巷道顶底变形出现反弹，可以利用 这一特点预报老顶来压和破断位臵。 （3）老顶传递岩梁可以传递水平力。 （4）采场支架支护其上方全部直接顶岩石重量；对老顶根据 采场需要选择“给定变形”还是“限定变形”。 讨论：
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3、为何要研究顶板活动规律
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臵和时间，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。
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。
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。
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。 9
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。