采场顶板活动规律

矿山压力与岩层控制第三章 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 (采场) 顶板在煤层或矿床的开采过程中， 直接进行采煤或采有用矿物的 工作空间 直接位于煤层上方的一层或几 层性质相近的岩层。 直接顶 位于煤层和直接顶之间，厚度 随回柱放顶而垮落，页岩、砂 伪顶 小于0.3~0.5m,随采随冒。 页岩等 老顶 位于直接顶之上，对采场矿山 炭质页岩、泥质页岩等。 压力直接造成影响的厚而坚硬 的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾 岩等。

底板采空区

序号

岩性

层厚/m

容重/kg·m-3

抗压强度 /MPa

1 2 3 4 5 6

砂质泥岩 泥岩 粗砂岩 泥岩 炭质泥岩 6#煤

3 2 16 5 0.7 4

2760 2760 2670 2260 1850 1400

18 18 50 20 15 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

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 说一、压力拱假说前 拱 角

该假说认为，由于岩层自然 后 平衡的结果而形成一个前拱 拱 脚(支撑点)在工作面前方 角 煤体，后拱脚(支撑点)在 采空区内已垮落的矸石上或 在前后拱脚间形成了一个 采空区充填体上。 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。

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。

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。 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

直接顶的垮落直接顶的第一次大面积垮落

1、直接顶初次垮落

直接顶的垮落高度超过1~ 2、直接顶初次垮落距 1.5m,范围超过全工作面长度 的一半。 3、直接顶垮落后的碎胀特性

形成充满采空区所需直接顶厚度为：

4、直接顶初次垮落前的离层 老顶的最大挠度为： y max

4 h q · L 1 1 1

384 E1 J1

4 h· ·L1 直接顶的最大挠度为： ( y max ) n 384 E2 J 2

不形成离层的条件为：

h1 q1· L384E1 J 1

4 1

h L 384E 2 J 2

4 1

若令q1=γh3,且h3=α·h1 则上式可改写为：

1 a 1 2 2 E1 ·h1 E2 · h

h h1

E1 1 · E2 1 a