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1、矿山压力与岩层控制之第三章,采场上覆岩层运动和发展的基本规律,山东科技大学资环学院资 源 工 程 系,本章提要,本章特点,学习难点,有较多的基本概念有较多的基本规律,矿岩层运动和破坏形式的判断方法岩层纵向组合运动的分析方法岩层推进方向岩层运动各阶段的参数特点,上覆岩层运动和破坏的基本形式,上覆岩层在推进方向上的运动规律,上覆岩层纵向运动发展的基本规律,上覆岩层运动参数的确定,P1,3.1上覆岩层运动和破坏的基本形式,上覆岩层运动的两种基本形式,上覆岩层破坏形式的判断,3.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件,岩层破坏形式的转化,3.3上覆岩层在推进方向上的运动规律,3.4 上覆岩层运动参数的确
2、定,3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律,P2,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,上覆岩层悬露如图3.1（a）,在其重力作用下弯曲如图3.1（b）,端部开裂如图3.1（c）,形成“假塑性岩梁”如图3.1（d）,自行跨落如图3.1（e）,P3,（b）,（a）,（c）,（d）,P4,（e）,岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。即：,（3.1）,2 力学条件,图3.1弯拉破坏的运动形式,P5,二 剪（切）断破坏的运动形式,弯曲变形,端部开裂（图3.3（a）,整体切断跨落（图3.3（b）,1 运动过程,P6,（a）,（b）,图3
3、.2 剪切运动的基本形式,P7,2 剪断的充要条件,当采场推进至岩梁端部开裂位置附近，剩余抗剪断面上的剪应力超过限度，虽其中部还未裂开，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。,3 显现特点,动压冲击,支架阻力不够,顶板沿煤壁切下如图3.3（a）,台阶下沉如图3.3（b）,P8,（a）,（b）,图3.3 剪断运动形式对工作面的威胁,P9,3.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件,悬跨度达到极限跨度,中部裂断,弯拉破坏,深入煤壁的两端部断裂,力学过程,弯坏的力学过程，就是其支承条件由双嵌固梁向简支梁发展的过程。如图3.4（a）（b）,P10,图3.5 岩梁的支承条件与弯距 a-嵌固状态;b-简
4、支状态,P11,工作面推进至岩梁悬跨度达极限值L0时，梁端弯矩MA为：,当梁端部的拉应力,为：,（3.12）,悬露岩层由弯曲发展至破坏的力学过程和条件为,P12,（3.13）,当悬露岩层上部存在较为软弱的岩层时，则形成由不同岩性的岩层组成下硬上软的组合岩梁，其端部裂断时的拉应力,为：,当悬露岩层上部无比其软弱岩层时，该岩层只受本身重力的作用，其端部裂断时的拉应力可按下式计算,（3.14）,P13,式中 m 强度高的下部支托层厚度，m；,随支托层同时运动上部较软弱的岩层的厚度，m。,在梁端部开裂发展的过程中，随着端部弯矩减少，梁的中部弯矩将逐渐增加；随着支承条件向简支梁的转化，中部弯矩将向接近,
5、的数值发展。,P14,在嵌固梁向简支梁转化的过程中，当岩梁中部拉应力达到,时，,中部必然拉开，岩梁发展至跨落或保持“假塑性岩梁”状态。,岩梁端部和中部开裂的力学条件应为,=,为了便于应用，其力学条件可用岩梁悬露的极限跨度L0表示。,（3.15）,P15,当=0，即单一岩层弯曲破坏时，,（3.16）,显然，L0值随岩梁厚度m、允许抗拉强度,的增加而增大，随,的增加而减小。,支托层上的软岩厚度,岩梁剪坏的力学过程,当岩梁悬跨度达到极限跨度,时，梁端因拉应力超限而开裂；,岩层剪坏的力学过程和条件,P16,当工作面煤壁推至开裂位置或构造断裂面附近，在梁中部拉应力的大小仍未达到超限的情况下，由于悬露岩层
6、端部残余抗剪断面不足，其剪应力超限，造成岩层沿工作面煤壁附近整体切断而跨落。如果工作面支护有较高的支护强度，岩层将沿放顶线切下。,悬露岩层剪坏的力学条件是：,梁端抗剪断面上的最大剪应力为：,最大剪应力Qmax和抗剪端面面积S分别为：,P17,整理得以岩层悬露跨度表示的剪坏力学条件为：,理论判断,根据力学条件分析，理论上判断是很简单的。,岩层的两种破坏形式是随地质和采动条件的变化而相互转化的。,上覆岩层破坏形式的判断,L0LG,中部被拉坏,形成弯拉破坏,L0LG,端部被剪坏,形成剪切断破坏,岩层破坏形式的转化,P18,1 工作面推至端部开裂位置附近,弯拉破坏转变为剪断破坏,提高推进速度,2 强制
7、放顶,剪断破坏转化为弯拉破坏,排除整体切断塌垮的危险,P19,3 改变开采程序,4 在推进方向上,运动形式由弯坏转变为剪坏,遇到图示的断层构造,图3.6 工作面前方构造断裂面对岩层运动形式的影响,P20,3.1上覆岩层运动和破坏的基本形式,3.3上覆岩层在推进方向上的运动规律,3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律,岩层运动和组合的力学分析,3.2.2 直接顶和基本顶,直接顶和基本顶的相互转化,3.4 上覆岩层运动参数的确定,P21,岩层纵向运动：,弯曲沉降,形成假塑性岩梁,发生冒落,重新组合,离层,什么情况下发生？,什么情况下几个岩层组合在一起同时运动？,岩层运动和组合的力学分析,P22,离层
8、发生的位置与条件,岩层的接触面或软弱夹层上,取决于组合岩梁中各岩层的弯曲刚度和各夹层的强度,离层位置,剪应力超限,P23,岩层纵向运动的基本趋势,岩层的运动发展趋势是由下而上的,传递岩梁形成的力学原理,传递岩梁,把每一组同时运动（或近乎同时运动）的岩层看成一个运动整体，称为传递力的岩梁，简称“传递岩梁”。,P24,图3.9 上覆岩层运动情况,A-冒落带 B-裂隙带 C-缓沉带,P25,思考,相邻的两岩层是同时运动组成一个岩梁，还是分开运动形成两个岩梁呢？,回答,用两个岩层沉降中最大曲率和最大挠度判断。,准则：,两岩层组合成一个传递岩梁同时运动，如图3.10（a）所示,P26,两岩层将形成两个传
9、递岩梁分别单独运动，如图3.10（b）所示,P27,图3.10 传递岩梁的形成,（a）,（b）,P28,最大挠度和曲率,嵌固梁,简支梁,通式表达,P29,两岩层在外载（上部岩重）作用下的运动组合分析,L上=L下=L,E下m下2 E上m上2,E下m下2 E上m上2,上下两岩层同时运动,上下两岩层分开运动且下部岩层先运动,P30,两岩层在自重作用下弯曲沉降分析,L下=1.25L上,由E下m下2=(1.25)4 E上m上2判断,E相同,m下m上,m下m上,E下E上,下部先运动,只有当m下21.254 m上2时才同时运动,下部先运动,P31,只有当E下1.254 E上同时运动,m,E都不相同,E下m下
10、21.254 E上m上2,同时运动,E下m下2 1.254 E上m上2,分开运动,m相同,E下=E上，m下=m上,下部先运动,P32,岩层纵向运动发展规律,1 随采场推进，岩层悬露达一定跨度弯曲沉降到一定值后，强度低的软弱夹层或接触面在轴向剪应力作用下破坏，发生离层，并为下部岩层的自由沉降和运动向上部岩层发展创造了条件。,4 岩层的厚度较之岩性对岩层的离层和运动组合的影响重要的多。,2 岩层的纵向运动总趋势大体上是由下而上发展的。,3 离层后上下岩层的运动组合情况由岩层的强度差别决定，上部岩层强度较下部岩层越高，下部岩层越先于上部岩层运动，上部岩层运动滞后的时间越长。相反，则同时运动。,P33
11、,直接顶所谓直接顶是指在老塘（采空区）内已跨落，在采场内由支架暂时支撑的悬臂梁，其结构特点是在采场推进方向上不能始终保持水平力的传递。如图3.11（a）所示。,基本顶是指运动时对采场矿压显现有明显影响的传递岩梁的总合，在初次来压后，是一组在推进方向上能始终传递水平力的不等高裂隙梁。如图3.11（b）所示。,（a）直接顶,（b）基本顶,3.2.2 直接顶和基本顶,P34,直接顶和基本顶的相互转化,实践证明，可能造成直接顶和基本顶两部分岩梁转化的原因，主要有以下几个方面：,（1）地质条件的变化，主要是岩层厚度和断层等构造的影响。,（2）采动条件的变化，主要是采高和推进速度的变化。,（3）改变采空区
12、顶板处理方法。,（4）改变开采程序。,P35,3.1上覆岩层运动和破坏的基本形式,3.3上覆岩层在推进方向上的运动规律,3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律,采场上覆岩层运动的两个发展阶段,岩层运动的发展过程,影响岩层运动发展的因素,3.4 上覆岩层运动参数的确定,P36,图3.12 采场上覆岩层运动,采场上覆岩层运动的两个发展阶段,初次运动阶段,从岩层由开切眼开始悬落,到对工作面有影响的一、二个传递岩梁第一次断裂运动结束为止。（如图3.12（a）、（b）,P37,图3.12上覆岩层运动,周期性运动阶段,从岩层初次运动结束到工作面采完，顶板岩层按一定周期有规律的断裂运动，称做周期性运动阶段（如
13、图3.12（c）（f）。,P38,岩层运动的发展过程,图3.12中a、c、e,我们把岩梁运动幅度较小，对采场矿压影响不明显的过程称为岩梁处于相对稳定过程。用相对稳定运动步距 b表示。即岩梁处于相对稳定状态时工作面推进的距离,图3.12中 b、d、f,岩梁运动幅度大，对采场矿压有明显影响的过程,称为岩梁处于显著运动过程,既通常所说的来压过程。用显著运动步距a 表示,即岩梁大幅度运动开始,到运动基本结束,相对稳定阶段,显著运动过程,P39,为止,工作面推进的距离。,岩梁经历一次相对稳定过程与显著运动的全过程就完成了一个周期,描述岩梁运动周期长短的参数时周期来压步距C,是指岩梁完成一次周期性运动工作
14、面所推过的距离。,c=a+b,a-岩梁的显著运动步距,b-岩梁的相对稳定步距.来压步距是反映岩梁强度特征和对工作面影响程度的重要参数。,岩梁来压步距,P40,影响岩层运动发展的因素,岩层的强度特征,采动条件,采高、推进速度。,内在因素,力学性质,厚度,节理裂隙,分层厚度,t,厚,薄,大,小,P41,强制放顶、充填（全部充填、局部充填）。,采空区处理方法,岩梁运动的基本参数,初次运动阶段的基本参数,1 表达岩梁运动过程的基本参数,岩梁的相对稳定步距b0,岩梁的显著运动步距a0,岩梁初次来压步距c0,P42,来压完成时刻采场顶板下沉量给定变形(支架对岩梁运动不进行限制)：,2 表达岩梁来压结束时刻
15、岩梁位置状态的参数,C0-初次来压步距,h-采高;-冒高,限定变形(支架对岩梁运动进行限制)：,用h0表示，由支护强度PT决定。,P43,来压结束时的岩梁跨度,给定：LOA(来压结束时的岩梁跨度)表示，大小由岩梁运动步距决定。,限定：L0表示，由支护强度决定。,采场最小顶板下沉量 h0。,3 表达岩梁来压前夕的位态参数,岩梁的最大跨度 L0=b0(岩梁的相对稳定步距),P44,正常推进阶段基本参数,1 表达岩梁运动过程的参数 b、a、c,2 表达周期来压结束时的位态参数。,来压结束时顶板下沉量：,给定变形：hA 限定变形:hi,来压结束时的岩梁跨度：,给定变形：LA 限定变形：Li,P45,3
16、 表达周期来压前夕岩梁位态参数及其相互关系,极限跨度：,岩梁运动步距的力学分析,1、岩梁第一次来压步距C0,组合梁：,单一梁：,P46,2、岩梁周期来压步距c,岩梁为不等高支承的铰接岩梁。,铰接岩梁由原来已经断裂的部分c1及可以近似看成是处于悬臂梁受力状态的部分C2组成。如果不考虑岩梁的挠曲则C2部分所受的结构力包括：,岩梁的自重,C1部分通过铰接点 O的推压力P及相应的摩擦力F=Pf。,P47,图3.15 基本顶岩梁周期来压模型,P48,3.4 上覆岩层运动参数的确定,直接顶厚度（冒高）的确定方法,开采单一煤层或厚煤层分层的冒高值,（一）不考虑岩梁本身沉降的推断方法,岩层冒落至自然接顶，不考
17、虑岩层本身沉降的影响。,从下图中可以推得：,对于强度不高，厚度不大的岩层覆盖采场，一般在初次来压阶段比较准确，而没有考虑岩层都是由沉降而发展的实际。（对于缓沉采场不能解释）,观点,P49,图3.17 不考虑岩层弯曲沉降时的冒高,P50,除整体切断采场外，岩层冒落都是由弯曲沉降而来，推断冒高必须考虑岩梁沉降和岩层变形能力及下步运动空间的高度。,（二）考虑岩梁沉降的推断方法,（1）SA与KA的取值一定要在同一地点。（2）SA与KA值的实际意义是确定的（反力中心）。,观点,注意,P51,图3.18 考虑岩层弯曲沉降时的冒高,P52,（三）直接顶厚度的实测推断方法,利用采场来压前夕支柱承载值P可以反推
18、直接顶跨落厚度。,图3.19 采场来压前夕支柱受力图,P53,采高h 的影响,岩梁的允许沉降值S0及岩梁的实际沉降 值SA的影响,（四）影响直接顶厚度的主要因素,（五）岩梁触矸处已冒岩层碎胀系数KA的影响,岩层的岩石力学性质及结构情况,岩层破坏形式,（六）采空区顶板处理方法的影响,采用充填法可以减少冒高值,采用强制放顶可以将可能整体跨落的采场向一般采场转化,P54,（七）开采程序的影响,在有整体切落危险的坚硬顶板岩层条件下，实行反程序开采，可避免切落危险。,3.4.2 基本顶厚度的确定方法,关于基本顶的厚度范围，宋振骐院士等曾经在开滦范各庄矿岩层运动实测的研究中进行了探讨，初步认为基本顶范围约
19、为采高的56倍。经过最近几年井下实测研究的验证，在一般岩层条件下，这个结论比较接近客观实际。,P55,井下采用岩层动态观测研究方法确定基本顶厚度，包括以下两方面的工作内容：,（1）确定各传递岩梁的位置及厚度；,（2）确定影响采场的传递岩梁的数目。,P56,采场覆岩运动和破坏规律的研究是矿山压力与岩层控制研究的最主要问题。本章首先介绍了采场上覆岩层运动的两种基本形式，即岩层的拉（弯）运动和剪（切）运动，分析了各自力学条件及判断形式，进一步讨论了以直接顶和基本顶为主的影响采场矿压显现的主要岩层的组成及识别方法；考虑采场推进，讨论了直接顶和基本顶在推进方向存在初次运动和正常推进二个发展阶段，以及每个阶段内岩层运动又存在相对稳定和显著运动两个过程；研究了对采场矿压显现有明显影响的传递岩梁基本参数预计表达方式。,小结,P57,谢 谢！,
