礦山采場頂板活動規(guī)律教學資料

礦山采場頂板活動規(guī)律教學知識第一節(jié)概述基本概念1.回采工作面（簡稱采場）直接進行采煤或采有用礦物的工作空間。2.頂板、底扳頂板：賦存在煤層之上的巖層。底扳：煤層以下的巖層。直接頂：直接位于煤層上方的一層或幾層性質相近的巖層。偽頂：煤層與直接頂之間有時存在厚度小于0.3～0.5m極易跨落的軟弱巖層。老頂：位于直接頂上方的厚而堅硬的巖層。直接底：直接位于煤層之下的巖層。3.采空區(qū)處理方法（1）刀柱法（2）頂板緩慢下沉法（3）全部充填或局部充填法（4）全部跨落法刀柱法：煤柱支撐法即在采空區(qū)留一定寬度的煤柱以支撐頂板。此法在難垮頂板中使用，但常常給下部煤層開采帶來困難。頂板緩慢下沉法隨著開采頂板彎曲下沉，而后將采空區(qū)填實。一般在采高較小、頂板易于彎曲下沉（如石灰?guī)r頂板）時使用。充填法隨著開采，將采集的充填料用機械或人工將采空區(qū)充填以控制頂板，此種方法由于費用很高，因而只是采特厚煤層或者有必要減少地表沉陷時采用。全部跨落法即讓直接頂廓落，利用巖石跨落后的碎脹性使采空區(qū)填滿以控制老頂?shù)幕顒?。第二?jié)有關采場上覆巖層活動規(guī)律的假說一、有關假說自從采用長壁工作面開采以來，上覆巖層中是否存在著大結構，以及此結構是什么形式，一直是采礦科學研究的重要課題。1.壓力拱假說它是由德國人哈克和吉里策爾于1928年提出的。該假說認為：長壁采煤工作面自開切眼起就形成壓力拱，此后，拱隨著工作面的推進而擴大，直至拱頂達到地表為止。在工作面前后煤體中形成的前拱腳a，后方跨落巖石則形成后拱腳b，a、b均為應力增高區(qū)，工作面則處于應力降低區(qū)，支架承受的載荷僅為上覆壓力拱內的巖石重量。優(yōu)點：能解釋圍巖卸載的原因；缺點：未能說明巖層變形、移動和破壞的發(fā)展過程以及支架與圍巖的相互關系。2.懸臂梁假說它是德國的施托克于1916年提出的。該假說認為：工作面和采空區(qū)上方的頂板可視為梁，它一端固定于巖體內，另一端則處于懸伸狀態(tài)，當懸伸長度很大時，發(fā)生有規(guī)律的周期性折斷，從而引起周期來壓，靠近煤壁處頂板下沉量最小，表現(xiàn)的頂板壓力也小。3.預成裂隙假說由比利時學者A·拉巴斯于1850年提出的。認為：（1）由于開采的影響，破壞了回采工作面上覆巖層的連續(xù)性，從而成為非連續(xù)體。（2）在回采工作面周圍存在著應力降低區(qū)，應力增高區(qū)和采動影響區(qū)。（3）假塑性體，支架應具有足夠的支撐力和工作阻力。4.鉸接巖塊假說由蘇聯(lián)學者庫茲涅佐夫于1950~1954年提出。認為：（1）工作面上覆巖層的破壞可分為垮落帶和其上的規(guī)則移動帶。（2）垮落帶分上下兩部分，下部垮落時，巖塊雜亂無章，上部垮落時，則呈規(guī)則的排列，但與規(guī)則移動帶的差別無水平方向有規(guī)律的水平擠壓力的聯(lián)系。規(guī)則移動帶巖塊間可以相互鉸合而形成一多環(huán)節(jié)的鉸鏈，并規(guī)則地在采空區(qū)上山下沉。（3）工作面支架在兩種不同的狀態(tài)，“給定載荷”、“給定變形”。二、裂隙帶巖層的巖體結構模型我國學者在總結上述假說的基礎上，以及在大量生產實踐及對巖層內部移動進行現(xiàn)場觀測的基礎上，于70年代末80年代初提出了巖體結構的“砌體梁”力學模型，從而發(fā)展了上述有關假說。假說認為：采場上覆巖層除形成“三帶”（垮落帶、規(guī)則移動帶及彎曲下沉帶）外，在規(guī)則移動帶及其以上巖層內，已斷裂的巖塊相互咬合有可能形成外形如梁實則是拱的結構體。由于巖塊排列如“砌體”，故可稱之為砌體梁。此結構是由“煤壁—支架—采空區(qū)已垮落矸石”所支撐，由于這種結構的存在，因此沿開采方向上覆巖層可分為三個區(qū)：煤壁支撐影響區(qū)，離層區(qū)和重新壓實區(qū)。并假設：1.上覆巖層的巖體結構主要是由每個堅硬巖層所組成。為此，可將上覆巖層劃分為若干組，每組以堅硬巖層為底層。2.每個分組中的軟巖層可視為堅硬巖層的載荷，在很多情況下它將跟隨硬巖層運動而運動。3.由于開采的影響，堅硬巖層已斷裂成排列較整齊的巖塊。4.由于層間的摩擦力無法阻擋巖塊的轉動和水平移動，為此可假設將軟巖層視為無數(shù)垂直的桿，即只能傳遞垂直載荷，而無法阻止水平力。5.當巖塊由回轉而恢復到水平位置時，塊間的剪切力又變?yōu)榱?。為此，以后的巖塊可以用一水平連桿來代替。第三節(jié)直接頂?shù)姆€(wěn)定性直接頂是工作面直接維護的對象，直接頂經常處于破斷狀態(tài)，且無水平力的擠壓作用，因而它難于形成結構，它的重量全應由工作面支架來承擔。從巖體形成結構的觀點分析，對于老頂形成的大結構，支架是通過直接頂對其起支撐作用。因此，直接頂?shù)耐暾闆r，將首先影響到工作面的安全，同時也是支護能否發(fā)揮其性能的重要保證。一、直接頂巖塊離散原因分析直接頂?shù)姆€(wěn)定性取決于直接頂本身的力學性質及老頂運動對它的影響，同時也受支架架型及力學性質的影響。1.節(jié)理裂隙的切割在我國生產實踐中早已注意到弱面對頂板穩(wěn)定性的影響，有些礦區(qū)將這些弱面簡稱為“劈”而其中有些劈的組織形式對直接頂?shù)姆€(wěn)定性影響較大，如人字劈與升斗劈如下圖。這種劈理常使單體支柱工作面在毫無預兆的情況下發(fā)生局部冒頂。2.初次放頂前直接頂所處的狀態(tài)大部分均可能發(fā)生離層。原因：老頂此時尚處于板的懸露狀態(tài)，因而撓度較小，而直接頂則由于強度較弱，或由于巖層較薄，使直接頂?shù)膿隙扔锌赡艽笠饫享數(shù)膿隙榷l(fā)生離層。3.支柱的影響，支架架型的影響單體支柱：前排支柱剛支設，初撐力較低。液壓支架：無支護工作空間較寬。常常形成頂板離層。4.工作面長度較小時，老頂常處于懸露狀態(tài)。5.分層工作面6.回柱放頂二、初次放頂前直接頂?shù)碾x層與斷裂在頂板分類中常以直接頂初次跨落步距作為衡量其穩(wěn)定性的綜合指標。由于直接頂本身難于形成結構，因而常受老頂巖層形成的結構形態(tài)所影響，現(xiàn)以老頂初次來壓前直接頂初次放頂時進行分析。此時，老頂?shù)淖畲髶隙葹橹苯禹數(shù)淖畲髶隙葹槭街校海杭佑诶享數(shù)妮d荷； ：老頂自身單位長度的載荷；：初次放頂步距；：直接頂厚度； 、：直接頂彈性模量及斷面慣矩；、：老頂彈性模量及斷面慣矩。直接頂與老頂之間自身不形成離層的條件為：即：令且，則上式可寫成即：即：直接頂?shù)某醮慰缇啵寒敼ぷ髅孀蚤_切眼推進一段距離后，直接頂懸露達到一定跨度。采空區(qū)進行初次放頂，直接頂開始跨落，此時直接頂?shù)目缇喾Q為初次跨落距。若直接頂巖層的厚度為，則它冒落后堆積的高度為，它與老頂之間所可能留下的空隙為：當時，則，即冒落的直接頂將充滿采空區(qū)，此時，老頂一般彎曲下沉量很小，可以忽略不計，因此，形成充填采空區(qū)所需直接頂?shù)暮穸葹椋旱谒墓?jié)老頂?shù)臄嗔研问揭?、老頂巖層的梁式平衡假設﹥0，則老頂呈懸露狀態(tài)，可將老頂視為一端由工作面煤壁支撐，另一端由邊界煤柱支撐的兩端固定的梁，即“梁”的假設?，F(xiàn)在分析這種梁的應力狀態(tài)。因為是對稱梁，所以梁兩端的反力，彎距取，則：取巖層內任意截面，其剪力為這樣，就可以作出剪力圖，如下最大剪力發(fā)生在固定梁的兩端及處，其值為彎距為： 根據材料力學解為：在梁的中部，若為簡支梁梁中間處，彎距最大第五節(jié)老頂?shù)某醮纹茢嗖骄嘁?、梁式斷裂時的極限跨距極限跨距：老頂巖梁達到斷裂時的跨距。[解算]：已知梁內任意點的正應力為：式中：：該點所在斷面的彎距；：該點離斷面中性軸的距離； ：截面對中性軸的慣矩；若取梁為單位寬度，如下圖則梁的斷面矩（為老頂巖層的單層厚度）因而，任意點A的正應力為：矩形截面梁的剪應力為：為距中性軸的面距因而：最大剪應力發(fā)生在矩形斷面梁的中性軸上，即，因此根據固定梁的計算，最大彎距發(fā)生在梁的兩端。因此，該處的最大拉應力為：當（抗拉強度）則：若以最大剪應力作為巖層斷裂的依據，由于最大剪切力發(fā)生在梁的兩端，所以，令（抗剪強度）則：所求極限跨距為注意：1.由于彎距形成的極限跨距比剪切應力形成的極限跨距小，因此，常常按彎距來計算極限跨距。2.在什么情況下應按簡支梁或按固定梁計算需根據煤層賦存深度及邊界煤柱兩側采空的程度來定。3.在使用刀柱法或房柱法開采時，為了保證工作空間頂板的完整性，刀柱或煤柱的間距應采用巖層梁的安全跨距。固定梁簡支梁式中，。4.在上述各關系中，關鍵是確定巖層梁所承受的載荷。一般煤層上方的巖層是由好幾層巖層組成。因此，第一層巖層的極限跨距所應考慮載荷的大小須根據各層之間的相互影響來定。下式表示層巖層對第一層影響所形成的載荷式中：、、…、：各層巖層的彈性模量，n為巖層數(shù)； 、、…、：各層巖層的厚度；、、…：各層巖層的容重。當計算到＜時，則以作為作用于第一層巖層單位面積上的載荷。第六節(jié)老頂斷裂后“砌體梁”結構及其穩(wěn)定性當老頂達到極限跨距后，隨著回采工作面的繼續(xù)推進，老頂即發(fā)生斷裂。破斷的巖塊，由于互相擠壓而形成水平推力，從而在巖塊間產生摩擦力，形成裂隙體梁。這種結構是由排列整齊的巖塊互相擠壓而形成，它屬于形式是梁，實質是拱的結構，如同受擠壓的砌體一樣，因而也稱之為砌體梁。由于巖層抗拉強度較小，老頂巖梁很可能先在兩側支座的上端裂開，而后在梁的中間底部裂開，隨著巖塊的轉動形成強大的水平擠壓力，使巖塊間形成了三鉸拱式的平衡。成拱的條件取決于原巖應力及水平擠壓力的大小，因此，并不是老頂巖梁剛達到斷裂極限跨距即發(fā)生跨落，它還取決于以下的平衡條件。1.結構的滑落失穩(wěn)根據三鉸拱的平衡原理，成拱且使巖塊保持平衡的水平推力為：由，得：式中：：裂隙體梁的載荷集度； ：跨距； ：老頂巖層的厚度。梁的剪切力在兩端支座處為最大，其值為，若剪切力與摩擦力相等時，呈極限平衡狀態(tài)，若剪切力大于摩擦力，此結構將失穩(wěn)。式中：：巖塊相互間的摩擦角。將及代入得﹥上式即失穩(wěn)條件。若考慮老頂巖塊破斷時，斷裂面與垂直面成一斷裂角，則咬合點的關系有兩種情況。第一種情況：則平衡條件為：當時，則不論水平推力有多大，都不能取得平衡，只有在時，才有可能取得平衡。一般情況下，＝°～°。因此，當﹤°～°，即節(jié)理面與層面的夾角大于°～°時，才有可能取得平衡。第二種情況：平衡條件：則：第七節(jié)回采工作面上覆巖層移動概況一、礦區(qū)巖層移動的典型圖式1.在近似水平或緩傾斜煤層埋藏條件下，煤層上方的巖層以層狀彎曲的形式出現(xiàn)。這種移動，一般不會引起由于巖石自重作用下的沿層面的錯動。這種形式發(fā)生的主要條件是：：煤層傾角；：沿巖層中最軟弱層面上的摩擦角。2.煤層上方的巖層以層狀作法向彎曲的同時，有微小的沿層面方向的移動。其產生的條件是：此時，在充分移動區(qū)A1OD1內，移動矢量在巖石自重作用下，由巖層的法線方向偏向下山方向，巖層的下部A1B1附近，隨著巖層傾角的增大，沿巖層層面方向的壓縮變形亦增加，而在上部C3D1附近，沿巖層層面拉伸變形增加，同時，在C3D1以外，將有沿層面方向的移動。3.在急傾斜煤層開采過程中，在煤層下盤巖層內將產生移動，下盤巖層移動的條件為 ：巖石的內摩擦角。對于沉積巖來說，角為26°~36°，一般煤層的傾角為50°~60°時，下盤巖層才移動，而與公式相適應的煤層傾角為58°~63°。4.開采急傾斜煤層時，煤層上盤巖層以懸臂梁彎曲形式移動。巖層各分層的下端固定于AB線以下未移動的巖體中，其上端位于移動范圍內，因此，各個分層產生彎曲移動時，沿各分層層面的最弱面將產生錯動，由于這種錯動的結果，在巖層露頭處就產生了臺階狀的移動。二、地表移動盆地的形成在采煤工作面開始回采后，上覆巖層從采空區(qū)頂板開始，由下而上以冒落、斷裂、離層彎曲的形式移動，當工作面與開切眼的位置為平均采深H0的1/4~1/2時，這種移動開始波及到地表，這個洼地面通常叫做地表移動盆地。三、地表移動與變形分析地表傾斜變形由于地表相鄰點的下沉量不等，產生兩點之間傾斜，其傾斜度通常用字母i表示，如上圖，2、3兩點之間的傾斜為