回采工作面上覆岩层活动规律.pptx

（2）伪顶（）伪顶（false roof）：直接顶与煤层间厚度小于）：直接顶与煤层间厚度小于0.5m极易垮落的软弱岩层（随采随冒）。极易垮落的软弱岩层（随采随冒）。（3）老顶（基本顶，）老顶（基本顶，main roof）：直接顶上方（有时直）：直接顶上方（有时直接位于煤层之上）厚（接位于煤层之上）厚（2m）而且坚硬（）而且坚硬（Rc6080Mpa）的岩石。一般由砂岩、石灰岩、砂砾岩等岩层组成。也有人的岩石。一般由砂岩、石灰岩、砂砾岩等岩层组成。也有人认为冒落带以上的裂隙带岩层统属老顶。认为冒落带以上的裂隙带岩层统属老顶。位于直接顶之上（有时直接位于煤层之上）一般由砂岩，位于直接顶之上（有时直接位于煤层之上）一般由砂岩，石灰岩，砂砾岩等组成，也有人认为冒落带以上的裂隙带岩石灰岩，砂砾岩等组成，也有人认为冒落带以上的裂隙带岩层统属于老顶。层统属于老顶。底板：位于煤层以下的岩层。底板：位于煤层以下的岩层。直接底：直接位于煤层之下的岩层。直接底：直接位于煤层之下的岩层。采空区的处理方法采空区的处理方法disposal method for gob煤柱支撑法（刀柱法）煤柱支撑法（刀柱法）:pillar propping method缓慢下沉法缓慢下沉法:lentitude subsidence method充填法充填法:filling method垮落法垮落法:caving method工艺中是如工艺中是如何实现的？何实现的？其中全部垮落法具有回采率高、成本低、简单的优点，其中全部垮落法具有回采率高、成本低、简单的优点，在条件适宜时，尽量采用这种方法。采用全部垮落法时，在条件适宜时，尽量采用这种方法。采用全部垮落法时，随着工作面推进，回采工作面空间形状变化见下图。随着工作面推进，回采工作面空间形状变化见下图。在煤体内形成回采空间，其上方的岩体部分重量则有支架在煤体内形成回采空间，其上方的岩体部分重量则有支架承担，同时前方煤壁和采空区冒落的矸石也要承担部分压力。承担，同时前方煤壁和采空区冒落的矸石也要承担部分压力。有时由于上位岩层的变化对支架也会产生压力。将这些原因有时由于上位岩层的变化对支架也会产生压力。将这些原因对支架产生的压力常称为对支架产生的压力常称为顶板压力或矿山压力顶板压力或矿山压力。回采空间或巷道上方岩层中未破坏部分或未产生剧烈变形回采空间或巷道上方岩层中未破坏部分或未产生剧烈变形部分，或虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分，有时能形部分，或虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分，有时能形成岩体内的大成岩体内的大“结构结构”。这种大结构能够承担上覆岩层重量，。这种大结构能够承担上覆岩层重量，从而对巷道及回采空间起保护作用。根据实际测定，从而对巷道及回采空间起保护作用。根据实际测定，回采工回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层的百分之几。作面支架所承受的力仅为上覆岩层的百分之几。但当工作空但当工作空间维护的时间较长时，围岩不易形成稳定性结构。这种现象间维护的时间较长时，围岩不易形成稳定性结构。这种现象在巷道中极易出现，从而导致巷道围岩的在巷道中极易出现，从而导致巷道围岩的“挤、压、臌挤、压、臌”现现象。对于回采工作空间，尤其是工作面推进较快时，这种时象。对于回采工作空间，尤其是工作面推进较快时，这种时间影响因素就会变得次要，上覆岩层极易形成大间影响因素就会变得次要，上覆岩层极易形成大“结构结构”。v矿山压力假说是采矿科学发展的重要形式，是弄清矿山压力假说是采矿科学发展的重要形式，是弄清矿山压力及其显现规律的有效途径。矿山压力及其显现规律的有效途径。v假说建立的步骤：假说建立的步骤：v观察和收集实际资料观察和收集实际资料 v分析整理所积累的资料，提出假设的基本观点；分析整理所积累的资料，提出假设的基本观点；v建立分析模型，进行数学力学分析推演，一方面为确定建立分析模型，进行数学力学分析推演，一方面为确定假说中各个基本参数间的关系；另一方面为矿山生产提供指假说中各个基本参数间的关系；另一方面为矿山生产提供指导；导；v通过一定方式检验。通过一定方式检验。4.2矿山压力理论矿山压力理论采场结构采场结构一、压力拱假说一、压力拱假说(1928,德国哈克、吉里策尔德国哈克、吉里策尔)v松散介质松散介质v自然平衡的自然平衡的“压力拱压力拱”v前、后拱角的形成与移动（支承前、后拱角的形成与移动（支承压力的初始描述）压力的初始描述）v减压区的形成与经典描述减压区的形成与经典描述v问题：问题：层状岩体？层状岩体？拱内岩层如何运动？拱内岩层如何运动？拱的几何特征？拱的几何特征？后拱脚存在？后拱脚存在？支架和围岩的相互作用？支架和围岩的相互作用？前拱角前拱角后拱角后拱角压力拱假说压力拱假说v压力拱假说认为：压力拱假说认为：开掘在任何岩层中的巷道，开掘在任何岩层中的巷道，由于重力作用，顶板岩层发生破坏变形，形由于重力作用，顶板岩层发生破坏变形，形成一稳定的卸载拱。拱承受拱面以上全部岩成一稳定的卸载拱。拱承受拱面以上全部岩石的重量，并将全部载荷经压力拱的拱脚传石的重量，并将全部载荷经压力拱的拱脚传递到巷道两帮岩石而引起巷道两帮鼓出以及递到巷道两帮岩石而引起巷道两帮鼓出以及底板隆起等围岩变形，巷道支架所承受的载底板隆起等围岩变形，巷道支架所承受的载荷是拱面以下已经破碎的有限断面内的岩石荷是拱面以下已经破碎的有限断面内的岩石总重量。总重量。压力拱假说的评价压力拱假说的评价1 1）压力拱假力拱假说比比较简明地明地阐述了采述了采场围岩卸岩卸载的原因，的原因，探讨了探讨了围岩平衡状态及其范围，对回采工作面前后支承压力的形围岩平衡状态及其范围，对回采工作面前后支承压力的形成及回采工作空间处于卸压区做出了一些解释。成及回采工作空间处于卸压区做出了一些解释。2)2)压力拱在巷道中并不是唯一的表力拱在巷道中并不是唯一的表现形式，支架形式，支架压力取力取决于一决于一系列的矿山地质条件及技术条件，其中起主要作用的是巷系列的矿山地质条件及技术条件，其中起主要作用的是巷道围岩性质，支架特性及结构形式。在回采工作面，由于道围岩性质，支架特性及结构形式。在回采工作面，由于煤层顶底板岩性不同，顶板管理方法，支架形式及特性以煤层顶底板岩性不同，顶板管理方法，支架形式及特性以及回采工艺的差异，可能形成不同的复杂的力学结构。这及回采工艺的差异，可能形成不同的复杂的力学结构。这远非压力拱理论所能概括与阐明的。远非压力拱理论所能概括与阐明的。3)3)压力拱假说认为：支架压力源于拱内岩石的重量，与支架特压力拱假说认为：支架压力源于拱内岩石的重量，与支架特性及采深无关，这显然与实际情况不符。性及采深无关，这显然与实际情况不符。4)4)对坚硬的层状岩石，无论在巷道还是在采场，都不可能形成对坚硬的层状岩石，无论在巷道还是在采场，都不可能形成拱，这对压力拱假说是不适合的。拱，这对压力拱假说是不适合的。二、悬臂梁假说二、悬臂梁假说(1916.德德.施托克施托克)v将顶板视为叠合弹性梁将顶板视为叠合弹性梁v双固梁双固梁悬臂梁式的平衡及与外部悬臂梁式的平衡及与外部岩梁的联系等岩梁的联系等v可以解释可以解释:周期来压与来压步距关周期来压与来压步距关系系;顶板下沉与支架受力关系顶板下沉与支架受力关系v存在问题存在问题:弹性梁过于简化（弱面等）弹性梁过于简化（弱面等）未查明覆岩活动规律未查明覆岩活动规律 计算顶板下沉量与支架荷载与计算顶板下沉量与支架荷载与实际相差甚远实际相差甚远 v用悬臂梁理论可以解释，用悬臂梁理论可以解释，在靠近工作面煤壁的地方，在靠近工作面煤壁的地方，顶板下沉量最小，因而压力最小，由工作面煤壁向采空区。顶板下沉量最小，因而压力最小，由工作面煤壁向采空区。顶板下沉量和压力则逐渐增加。顶板下沉量和工作面支架载顶板下沉量和压力则逐渐增加。顶板下沉量和工作面支架载荷的最大值通常总是在沿采场倾斜方向的中部，这和现场实荷的最大值通常总是在沿采场倾斜方向的中部，这和现场实际是吻合。际是吻合。v悬臂梁假说还可以悬臂梁假说还可以解释工作面前方煤体中存在支解释工作面前方煤体中存在支承压力，承压力，能说明煤层和顶板岩层的物理力学性质对煤体能说明煤层和顶板岩层的物理力学性质对煤体中支承压力分布范围和应力集中程度的影响以及解释老顶的中支承压力分布范围和应力集中程度的影响以及解释老顶的二次垮落现象等。二次垮落现象等。v 悬臂梁假说在一定条件下能悬臂梁假说在一定条件下能对许多矿山压力现象进对许多矿山压力现象进行解释。行解释。并可以采用材料力学的方法进行粗略的计算。并可以采用材料力学的方法进行粗略的计算。但不难看出，该假说仍存在严重缺点，但不难看出，该假说仍存在严重缺点，表现在：表现在：1)、直接顶岩层由于地质构造和采动的影响，通常被许多裂隙、直接顶岩层由于地质构造和采动的影响，通常被许多裂隙切割破坏丧失了连续性，因此不能视其为弹性的连续岩梁切割破坏丧失了连续性，因此不能视其为弹性的连续岩梁 2)、利用材料力学公式计算岩梁时，通常把问题过于简化而使、利用材料力学公式计算岩梁时，通常把问题过于简化而使计算结果与实际情况相差甚远与一些实际情况的对比表明，计算结果与实际情况相差甚远与一些实际情况的对比表明，采场顶板实际下沉量比按悬臂梁或悬板公式计算出来的弯曲采场顶板实际下沉量比按悬臂梁或悬板公式计算出来的弯曲挠度要大几倍挠度要大几倍 3)、悬臂梁假说同压力拱假说一样，未能考虑顶板岩层与采场、悬臂梁假说同压力拱假说一样，未能考虑顶板岩层与采场支架间的作用关系，只是孤立地研究岩梁的变形状态，不可支架间的作用关系，只是孤立地研究岩梁的变形状态，不可能反映出采场上覆岩层运动的真实规律，从而降低了假说的能反映出采场上覆岩层运动的真实规律，从而降低了假说的实用价值。实用价值。4)、悬臂梁假说不可能从数量上对矿山压力进行计算，这是因、悬臂梁假说不可能从数量上对矿山压力进行计算，这是因为该假说脱离了整个岩体为该假说脱离了整个岩体 而只研究了个别岩层的运动规律。而只研究了个别岩层的运动规律。三、铰接岩块假说三、铰接岩块假说(1950-1954.原苏联原苏联.库兹涅佐夫库兹涅佐夫)岩块铰接状态岩块铰接状态v铰接岩块活动是顶板运动的基铰接岩块活动是顶板运动的基本形式本形式v垮落带（规则垮落带与不规则垮落带（规则垮落带与不规则垮落带）垮落带）规则移动带（基本顶规则移动带（基本顶）的水平挤压铰接作用）的水平挤压铰接作用v给定荷载状态给定荷载状态给定变形状态给定变形状态v以围岩变形为前提以围岩变形为前提,正确地对覆正确地对覆岩进行了分带岩进行了分带,重视支架与围岩重视支架与围岩的相互作用的相互作用v存在问题存在问题:岩块间的力学关系岩块间的力学关系 及平衡机理及平衡机理v“给定变形给定变形”条件下工作。在条件下工作。在该条件下工作的支架，其压力显该条件下工作的支架，其压力显现是采场顶板下沉量的函数。其现是采场顶板下沉量的函数。其下沉量下沉量hA在既定控顶距（在既定控顶距（L k）条件下由折断的岩块长度条件下由折断的岩块长度L m+1和和触矸后的倾斜角度触矸后的倾斜角度m+1所给定，所给定，即：即：“给定载荷给定载荷”条件下工作。在该条件下工作的支架，其压力条件下工作。在该条件下工作的支架，其压力显现由采空区已垮落的那一部分岩层的重力所决定。显现由采空区已垮落的那一部分岩层的重力所决定。假说还给出了针对两种不同的情况支架强度和可假说还给出了针对两种不同的情况支架强度和可缩性的计算方法。缩性的计算方法。库兹涅佐夫的库兹涅佐夫的假说有别于前人的地方假说有别于前人的地方是以围岩的移动是以围岩的移动变形为前提，避免了早期悬臂梁等假说用工程力学的论点生硬变形为前提，避免了早期悬臂梁等假说用工程力学的论点生硬地解释采场矿压的缺陷。库氏对围岩移动特别是采空区直接顶地解释采场矿压的缺陷。库氏对围岩移动特别是采空区直接顶垮落的分析有助于进一步阐明直接顶与老顶间的相互作用，对垮落的分析有助于进一步阐明直接顶与老顶间的相互作用，对支架与围岩间的相互作用的力学分析比较切合实际，已初步涉支架与围岩间的相互作用的力学分析比较切合实际，已初步涉及到支架作用的实质；对近代矿山压力理论有一定的指导作用。及到支架作用的实质；对近代矿山压力理论有一定的指导作用。但该假说仅考虑了采场顶板的局部活动，而对岩体中应力重新但该假说仅考虑了采场顶板的局部活动，而对岩体中应力重新分布以及对采场的影响等却未加考虑。同时关于岩层铰接关系分布以及对采场的影响等却未加考虑。同时关于岩层铰接关系活动的假说过于理想化了。在计算过程中所做的某些省略或假活动的假说过于理想化了。在计算过程中所做的某些省略或假定并不合理。定并不合理。如在考虑顶板与煤层的相互作用时，假定直接顶如在考虑顶板与煤层的相互作用时，假定直接顶不起实质性作用，工作面支架的作用不计等（不起实质性作用，工作面支架的作用不计等（这不符合实际）这不符合实际）。四、预成裂隙假说四、预成裂隙假说(1954.比利时比利时.拉巴斯拉巴斯)v假塑性梁假塑性梁(非连续体非连续体)的形成及准的形成及准梁式平衡结构梁式平衡结构v应力降低区应力降低区(塑性弯曲塑性弯曲,离层离层)v应力升高区应力升高区(最初产生预成裂隙最初产生预成裂隙)v采动影响区采动影响区v随工作面推进随工作面推进,三区同时移动三区同时移动v支架要有足够的初撑力和工作阻支架要有足够的初撑力和工作阻力力,以靠挤压摩擦作用阻止张裂、以靠挤压摩擦作用阻止张裂、离层和相对滑移离层和相对滑移v存在问题存在问题:岩块之间的平衡岩块之间的平衡 支架受力关系不明确支架受力关系不明确 拉巴斯的预成裂隙假说拉巴斯的预成裂隙假说视岩体为层状非连续体，特别提视岩体为层状非连续体，特别提出出“假塑性假塑性”变形特征是具有独创性的，因此阐明了采场周变形特征是具有独创性的，因此阐明了采场周围岩体内应力分布、变形及破坏等，具有一定的实际意义，围岩体内应力分布、变形及破坏等，具有一定的实际意义，比悬臂梁假说和压力拱假说都具有进一步的发展。比悬臂梁假说和压力拱假说都具有进一步的发展。但拉巴斯的但拉巴斯的学说并不能概括采场中的所有情况，学说并不能概括采场中的所有情况，如完整坚硬岩石往往不能形成预成裂隙梁，而极其破碎的软如完整坚硬岩石往往不能形成预成裂隙梁，而极其破碎的软弱岩层又因过于破碎以至使顶板中难以形成假塑性弯曲的岩弱岩层又因过于破碎以至使顶板中难以形成假塑性弯曲的岩梁。此外拉巴斯也缺乏充分的实际资料证明其假说中提出的梁。此外拉巴斯也缺乏充分的实际资料证明其假说中提出的三个区的分界线，所提出的支架载荷计算方法也由于引入了三个区的分界线，所提出的支架载荷计算方法也由于引入了不少难以获得的修正系数而使该假说的应用受到限制。不少难以获得的修正系数而使该假说的应用受到限制。五、砌体梁力学模型五、砌体梁力学模型(79-82.中中.钱鸣高等钱鸣高等)v上覆岩层的冒落移动上覆岩层的冒落移动“三带三带”(I,II,III)v支撑覆岩的三区支撑覆岩的三区(a,b,c)v砌体梁结构体砌体梁结构体(梁梁拱式结构拱式结构)v运动特征运动特征(分组一致下沉分组一致下沉,且受支配层制约且受支配层制约)v力的传递关系力的传递关系(水平力与垂直力水平力与垂直力)v结构特征结构特征(半拱式结构与关键块半拱式结构与关键块)v平衡条件平衡条件(S-R平衡平衡,滑落失稳显现为台阶滑落失稳显现为台阶,回转失稳显现为顶板下沉量增大回转失稳显现为顶板下沉量增大)Titan(-)(Ri)0-0v解释解释:工作面支承压力集中在前拱脚工作面支承压力集中在前拱脚;下沉量小（如采高小下沉量小（如采高小,直接顶厚直接顶厚,充充 填法处理采空区填法处理采空区,远离煤层的岩远离煤层的岩 层等）易形成结构层等）易形成结构;结构保护使支架受力小于覆岩重量结构保护使支架受力小于覆岩重量v问题问题:顶板下沉量的估计顶板下沉量的估计;支架与围岩的相互作用关系支架与围岩的相互作用关系n岩层控制的关键层理论（后续章节讲解）岩层控制的关键层理论（后续章节讲解）n关键层：对采场上覆岩层局部或直至地表关键层：对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起主要控制作用的岩层的全部岩层活动起主要控制作用的岩层 n关键层的特征：几何、岩性、变形、破断、关键层的特征：几何、岩性、变形、破断、承载承载 n覆岩关键层位置的判别覆岩关键层位置的判别反弹现象反弹现象v反弹：老顶断裂时，老顶部分区域将发生上升现象反弹：老顶断裂时，老顶部分区域将发生上升现象v老顶岩层断裂时在岩体中形成了反弹区和压缩区老顶岩层断裂时在岩体中形成了反弹区和压缩区v垫层系数越大，反弹区域及反弹值越小垫层系数越大，反弹区域及反弹值越小v利用反弹信息可预测预报老顶岩层的断裂位置利用反弹信息可预测预报老顶岩层的断裂位置六、传递岩梁假说六、传递岩梁假说宋振骐宋振骐v起源于对老顶的定义起源于对老顶的定义:老顶是由对采场矿压老顶是由对采场矿压显现有明显影响的一组或几显现有明显影响的一组或几组组“岩梁岩梁”组成。对于老顶组成。对于老顶中的每一岩梁中的每一岩梁,由于裂断岩由于裂断岩块之间的相互咬合，始终能块之间的相互咬合，始终能向煤壁前方和采空区矸石上向煤壁前方和采空区矸石上传递作用力，因此，运动时传递作用力，因此，运动时的作用力无需由支架全部承的作用力无需由支架全部承担。支架承担作用力的大小，担。支架承担作用力的大小，由对其运动的控制要求决定。由对其运动的控制要求决定。v内外应力场的观点（作业）内外应力场的观点（作业）ABCv“给定变形给定变形”工作方式：工作方式：在该方式下，岩梁的位态是在该方式下，岩梁的位态是由其力学性质和两端支承情祝所决定。支架的阻力只由其力学性质和两端支承情祝所决定。支架的阻力只起到降低岩梁运动速度的作用。支柱起到降低岩梁运动速度的作用。支柱“给定变形给定变形”工工作方式如图所示。作方式如图所示。位位态态方方程程式式v采场顶板最大下沉量为采场顶板最大下沉量为hA，因而支柱载荷，因而支柱载荷 RT为：为：RTEThA式中：式中：ET支柱的综合刚度支柱的综合刚度kN/mv在该方式下，顶板可能显现的压力范围是在该方式下，顶板可能显现的压力范围是（岩梁位态与支架无关）：（岩梁位态与支架无关）：v APT（A+hEELA/2LK）位态方程式位态方程式v“限定变形限定变形”工作方式：工作方式：支柱与顶板的作用结果，使岩梁在支柱与顶板的作用结果，使岩梁在图中所示的虚线位置接触。此时，图中所示的虚线位置接触。此时，支柱受力大小由限定的岩支柱受力大小由限定的岩梁位态（用对应的采场顶板下沉量梁位态（用对应的采场顶板下沉量hT表示）决定，而与支表示）决定，而与支柱的刚度无关柱的刚度无关。在该方式条件下，顶板施予支架的作用力由。在该方式条件下，顶板施予支架的作用力由岩梁的位态方程得出，即：岩梁的位态方程得出，即：PT=A+PEhT PE=B/hT B=(hEELA/2LK)hA砌体梁模型与传递岩梁模型的对比砌体梁模型与传递岩梁模型的对比 比比 较较 砌体梁模型砌体梁模型 传递岩梁模型传递岩梁模型 相同点相同点v考虑成层性考虑成层性,假定分组一致下沉假定分组一致下沉v垮落步距采用梁假说垮落步距采用梁假说v认为岩梁可以传递水平力认为岩梁可以传递水平力 不同点不同点v岩块的受力与平岩块的受力与平衡（推断）衡（推断）v给定荷载与给定给定荷载与给定变形工作状态变形工作状态v顶板压力估算应顶板压力估算应防止台阶下沉防止台阶下沉v梁的几何特征（双梁的几何特征（双曲线关系曲线关系,实测）实测）v给定变形与限定变给定变形与限定变形工作状态形工作状态v顶板压力取决于岩顶板压力取决于岩梁的位态（控制）梁的位态（控制）v前面所介绍的一些主要的矿压假说都是前面所介绍的一些主要的矿压假说都是从经验事实、现场实测以及数学力学的从经验事实、现场实测以及数学力学的一般原理出发，在假定岩体基本属性的一般原理出发，在假定岩体基本属性的前提下，采用某些分析手段来阐述采场前提下，采用某些分析手段来阐述采场矿压的基本问题，每种假说都有其合理矿压的基本问题，每种假说都有其合理成分，有些观点是基本普遍公认可以肯成分，有些观点是基本普遍公认可以肯定的，如：定的，如：采场矿压假说总结采场矿压假说总结1）采场支架所受载荷仅是采场支架所受载荷仅是上覆岩层的重量中的一小部分。上覆岩层的重量中的一小部分。根据支架与围岩的作用关系，支架可能处于给定载荷或根据支架与围岩的作用关系，支架可能处于给定载荷或给定变形工作状态；给定变形工作状态；2）煤层煤层（矿体矿体）开采后，开采后，在采场周围的岩在采场周围的岩（煤煤）体中将体中将产生应力重新分布、变形乃至破坏，应力重新分布的结产生应力重新分布、变形乃至破坏，应力重新分布的结果是在邻近采场的岩体内形成卸压区，而在工作面前后果是在邻近采场的岩体内形成卸压区，而在工作面前后方及两侧煤体方及两侧煤体（或冒落矸石、充填物或冒落矸石、充填物）上形成应力升高上形成应力升高区，远离采场则为未受采动影响的原岩应力区；区，远离采场则为未受采动影响的原岩应力区；3）尽管对开采层上覆岩层的认识千差万别，尽管对开采层上覆岩层的认识千差万别，但有一点是但有一点是共同的，那就是都承认在采场上方岩层中存在某种力的共同的，那就是都承认在采场上方岩层中存在某种力的结构结构（拱、梁，板等拱、梁，板等），这种结构承担着上覆岩层的重，这种结构承担着上覆岩层的重量，使工作面支架仅承受少部分上覆岩层的重量，并且量，使工作面支架仅承受少部分上覆岩层的重量，并且这种结构的平衡与失稳会给采场带来严重影响。这种结构的平衡与失稳会给采场带来严重影响。但各种假说对一些基本问题存在很大的分歧，主但各种假说对一些基本问题存在很大的分歧，主要表现为：要表现为：1）对于岩体尤其是采场附近岩体的基本属性问题；对于岩体尤其是采场附近岩体的基本属性问题；2）所采用的力学观点和方法方面；所采用的力学观点和方法方面；3）支架对围岩应力分布、变形破坏所起的作用问题。支架对围岩应力分布、变形破坏所起的作用问题。总之，矿山压力假说是矿山压力理论发展的重要途径。总之，矿山压力假说是矿山压力理论发展的重要途径。随着科学技术的进步，各种研究手段的完善，人们将能随着科学技术的进步，各种研究手段的完善，人们将能够弄清矿山压力这个复杂的自然现象，从而使矿压假说够弄清矿山压力这个复杂的自然现象，从而使矿压假说不断地完善和发展，形成完整的科学理论不断地完善和发展，形成完整的科学理论 4.3 直接顶的稳定性直接顶的稳定性 直直接接顶顶是是工工作作面面直直接接维维护护的的对对象象，直直接接顶顶经经常常处处于于破破断断状状态态，且且无无水水平平力力的的挤挤压压作作用用，因因而而它它难难以以形形成成结结构构，它它的的重重量量全全由由工工作作面面支支架架来来承承担担。从从岩岩体体形形成成结结构构的的观观点点来来分分析析，对对于于老老顶顶形形成成的的大大结结构构，支支架架是是通通过过直直接接顶顶对对其其起起支支撑撑作作用用。因因此此，直直接接顶顶的的完完整整情情况况，将将首首先先影影响响到到工工作作面面生生产产的的安安全全，同时也是保证支护能否全部发挥其性能的重要保证。同时也是保证支护能否全部发挥其性能的重要保证。从从顶顶板板事事故故的的现现场场统统计计看看，许许多多顶顶板板事事故故是是由由于于直直接接顶顶与与老老顶顶产产生生离离层层，然然后后由由直直接接顶顶引引起起推推垮垮型型事事故故（单单体体柱柱），因此应研究直接顶与老顶间形成离层的条件。因此应研究直接顶与老顶间形成离层的条件。4.3.1 直接顶岩块离层原因分析直接顶岩块离层原因分析（1）节节理理、裂裂隙隙的的切切割割：一一旦旦支支护护工工作作出出现现疏疏忽忽，均均可可导导致直接顶局部冒落。致直接顶局部冒落。（2）岩性原因：初次放顶前，由于直接顶的挠度大于老顶）岩性原因：初次放顶前，由于直接顶的挠度大于老顶,此时老顶处于板的悬露状态。直接顶强度较弱，岩层较薄，此时老顶处于板的悬露状态。直接顶强度较弱，岩层较薄，而产生二者离层。而产生二者离层。（3）采用单体支护时，第一排支柱刚支设时，初撑力较低，）采用单体支护时，第一排支柱刚支设时，初撑力较低，液压支架时，由于无支护空间较宽，又由于前梁的支撑力较液压支架时，由于无支护空间较宽，又由于前梁的支撑力较小，因而常常形成机道上方顶板离层。小，因而常常形成机道上方顶板离层。（4）工作面较短时，老顶常处于悬露状态，挠度甚小，直）工作面较短时，老顶常处于悬露状态，挠度甚小，直接顶的挠度常大于老顶而形成离层。类似于初次放顶前。接顶的挠度常大于老顶而形成离层。类似于初次放顶前。（5）分层开采工作面，第一分层采出后，冒落的顶板将重）分层开采工作面，第一分层采出后，冒落的顶板将重新压实。根据采空区内垂直应力重新分布的规律，在采空区新压实。根据采空区内垂直应力重新分布的规律，在采空区四周将形成减压区，从而在采下分层时，此减压区内将形成四周将形成减压区，从而在采下分层时，此减压区内将形成直接顶岩层的离散状态。直接顶岩层的离散状态。4.3.2 初次放顶前直接顶的离层与断裂初次放顶前直接顶的离层与断裂 粗略地讲，当直接顶厚度小于老顶厚度，均易形成这种离粗略地讲，当直接顶厚度小于老顶厚度，均易形成这种离层。当然这种离层分析的条件：直接顶必须有一定强度，并层。当然这种离层分析的条件：直接顶必须有一定强度，并不是随开切眼推进而冒落，其次是冒落后的直接顶不能填满不是随开切眼推进而冒落，其次是冒落后的直接顶不能填满采空区。这样直接顶岩块间无水平力联系，从而形不成结构。采空区。这样直接顶岩块间无水平力联系，从而形不成结构。这些均是形成直接顶初次放顶时失稳的条件。这些均是形成直接顶初次放顶时失稳的条件。考虑到初次放顶前支架支撑力的作用，则不致于形成离层考虑到初次放顶前支架支撑力的作用，则不致于形成离层的条件改为：的条件改为：式中式中 p为支架单位面积的支撑力，即支护强度。为支架单位面积的支撑力，即支护强度。通过类似前述的推导，有：通过类似前述的推导，有：即支架支撑力达到上述条件可保证直接顶与老顶不离层即支架支撑力达到上述条件可保证直接顶与老顶不离层4.4 老顶岩层的稳定性老顶岩层的稳定性 4.4.1 老顶岩层的梁式平衡老顶岩层的梁式平衡 当当工工作作面面自自开开切切眼眼推推进进一一段段距距离离后后，直直接接顶顶悬悬露露达达到到一一定定跨跨度度，采采空空区区进进行行初初次次放放顶顶，直直接接顶顶开开始始垮垮落落，此此时时直直接接顶顶的的跨距称为跨距称为初次垮落距初次垮落距L。v标志：标志：冒高冒高1 11.51.5米米,长度大于工作面长度的一半长度大于工作面长度的一半vL L由直接顶岩层强度，分层厚度，节理裂隙发育程度而决定，由直接顶岩层强度，分层厚度，节理裂隙发育程度而决定，它是直接顶稳定性的重要指标。它是直接顶稳定性的重要指标。岩岩层层破破碎碎后后，体体积积将将产产生生膨膨胀胀，破破碎碎膨膨胀胀后后的的体体积积与与破破碎碎前前的的体体积积之之比比称称为为碎碎胀胀系系数数。岩岩石石破破碎碎后后，在在其其自自重重及及外外载载作作用用下下，渐渐趋趋压压实实，碎碎胀胀系系数数变变小小，压压实实后后的的体体积积与与原原体体积积之之比称为比称为残余碎胀系数残余碎胀系数Kp。影响碎胀系数因素：影响碎胀系数因素：坚硬岩层成大块破断坚硬岩层成大块破断且排列整齐，因而碎且排列整齐，因而碎胀系数较小；若岩石胀系数较小；若岩石破碎后块度较小且排破碎后块度较小且排列较乱，则碎胀系数列较乱，则碎胀系数较大。较大。影响残余碎胀系数因影响残余碎胀系数因素？素？假假设设0，则则老老顶顶呈呈悬悬露露状状态态。类类似似板板状状结结构构，它它的的一一边边由由工工作作面面煤煤壁壁支支承承，另另外外三三边边则则由由煤煤柱柱支支撑撑。当当工工作作面面倾倾斜斜长长一一般般老老顶顶沿沿走走向向的的悬悬露露长长，所所以以可可将将老老顶顶视视为为一一端端由由工工作作面面煤煤壁壁，另另一一端端由由边边界界煤煤柱柱支支撑撑的的两两端端固固定定的的“梁梁”，即即所所谓谓梁梁的的假假说说。此此时时若若老老顶顶之之上上的的岩岩层层强强度度较较低低，则则上上覆覆岩岩层层的的重重量量将将通通过过老老顶顶“梁梁”传传递递至至两两端端的的支支点点上上，即即煤煤壁壁和和煤柱上。见下图分析。煤柱上。见下图分析。上上面面是是按按固固定定梁梁的的计计算算结结果果，实实际际上上两两端端的的支支承承条条件件也也有有差差异异。如如一一侧侧的的采采空空区区已已采采完完时时，见见下下图图，隔隔离离煤煤柱柱上上方方的的顶顶板板已已处处于于自自由由状状态态。因因而而更更接接近近于于简简支支梁梁支支座座。有有些些国国家家已已将将浅浅部部矿矿井井老老顶顶按按简简支支梁梁计计算算，认认为为浅浅部部矿矿井井岩岩层层顶顶板板由由于于两两端端煤煤体体上上集集中中压压力力较较小小，因因而而可可视视为为简简支支梁梁支支座座，但但在在深深部部应应视视为为固固定定梁梁。若若为为简简支支梁梁时时，梁梁内内的的剪剪力力分分布布与与固固定定梁梁同，但弯距则不同。同，但弯距则不同。隔离煤柱隔离煤柱4.4.2 老顶岩层的板式结构分析老顶岩层的板式结构分析 随随着着回回采采工工作作面面自自开开切切眼眼开开始始推推进进，根根据据已已采采空空面面积积的的情情况况，如如华华北北地地区区的的一一般般条条件件，回回采采工工作作面面长长150200m，推推进进30m左左右右，老老顶顶岩岩层层初初次次断断裂裂。一一般般老老顶顶岩岩层层厚厚24m。按按照照薄薄板板的的假假设设，其其厚厚度度（h）与与宽宽度度（a）的的比比值值h/a=1/71/15。因因此此，可可视视老老顶顶岩岩层层为为薄薄板板，当当老老顶顶与与上上部部岩岩层层离离层层时时更更是是如如此此。根根据据开开采采条条件件及及边边界界煤煤柱柱大大小小，又又可可将将老老顶顶岩层假设为四种情况：岩层假设为四种情况：（a）四周固支：）四周固支：（b）三边固支一边简支；）三边固支一边简支；（c）两边固支两边简支；（）两边固支两边简支；（d）一边固支及三边简支。）一边固支及三边简支。通过近似解法，可获得岩层板破断地一般规律。通过近似解法，可获得岩层板破断地一般规律。板的支承条件板的支承条件弯距分布弯距分布v以四周边固支的板为例，在以四周边固支的板为例，在长边的中心部位，弯距的绝对长边的中心部位，弯距的绝对值最大。随着工作面推进，当值最大。随着工作面推进，当达到一定值时，首先在此形成达到一定值时，首先在此形成断裂，而后在外边的中央形成断裂，而后在外边的中央形成裂缝，待四周裂缝贯通后，板裂缝，待四周裂缝贯通后，板中央的弯距又达到最大值，超中央的弯距又达到最大值，超过强度极限而形成裂缝，最后过强度极限而形成裂缝，最后形成形成X形破坏，见下图。形破坏，见下图。v对于其它支承条件时，其破对于其它支承条件时，其破裂过程与上述相近。裂过程与上述相近。v模型试验的验证模型试验的验证(初次来压为初次来压为X形破断，周期来压时为半形破断，周期来压时为半X形形破断破断)v四周基础视为弹性基础，则四周基础视为弹性基础，则板的破裂线将深入煤壁内。板的破裂线将深入煤壁内。岩板的破断与工作面来压岩板的破断与工作面来压v工作面长度工作面长度a与推进距与推进距b影响断影响断裂形式：裂形式：v图图(a):a/b1，呈为竖，呈为竖“O-X”形断裂。中部可用形断裂。中部可用“砌体梁砌体梁”结构来加以解释结构来加以解释;而上下两侧应而上下两侧应该用该用“弧三角板弧三角板”说明说明.显现不显现不同同v图图(b):a/b1，为横，为横“O-X”形断裂。沿工作面推进方向不形断裂。沿工作面推进方向不能应用能应用“砌体梁砌体梁”的概念的概念.v应用应用:工作面支架工作阻力工作面支架工作阻力 的分布规律的分布规律 沿空掘巷的围岩结构沿空掘巷的围岩结构 原理原理4.5 老顶初次破断时的极限跨距老顶初次破断时的极限跨距(梁式分析梁式分析)一、老顶岩梁达到断裂时的跨距称为一、老顶岩梁达到断裂时的跨距称为极限跨距极限跨距，可由材料力学方法求得。，可由材料力学方法求得。显然，在同样条件下，由简支梁计算所得的极限跨距显然，在同样条件下，由简支梁计算所得的极限跨距LlT要比固定梁计要比固定梁计算所得的小。算所得的小。在一般情况下，由于弯距形成的极限跨距在一般情况下，由于弯距形成的极限跨距LlT要比剪切应力形成的极限要比剪切应力形成的极限跨距跨距Lls小，因此常常按弯距来计算极限跨距。小，因此常常按弯距来计算极限跨距。注：注：在什么条件下应按简支梁计算或按固定梁计算，需根据煤层赋存深在什么条件下应按简支梁计算或按固定梁计算，需根据煤层赋存深度及边界煤柱两侧采空的情况来定。度及边界煤柱两侧采空的情况来定。在采用刀柱法或房柱法开采时，为了保证工作空间顶板的完整性，在采用刀柱法或房柱法开采时，为了保证工作空间顶板的完整性，刀柱或煤柱的间距应采用岩层梁的安全距刀柱或煤柱的间距应采用岩层梁的安全距Ls，此时，取岩层趋向断裂的，此时，取岩层趋向断裂的安全系数为安全系数为n，以顶板岩层的安全跨距，以顶板岩层的安全跨距Ls为：为：固定梁时固定梁时 简支梁时简支梁时一般取一般取 n=6。工作面推进距离为工作面推进距离为a远小于工作面长度远小于工作面长度b时时，当，当a/b0.7时，可按梁的时，可按梁的关系求算；当关系求算；当a/b0.7时，应按板修正。时，应按板修正。上上述述计计算算中中，RT可可由由试试验验确确定定，h可可由由钻钻孔孔资资料料获获得得。关关键键是是如如何何确确定定岩岩梁梁所所受受载载荷荷q，一一般般煤煤层层上上方方的的岩岩层层是是由由好好几几层层岩岩层层组组成成。因因此此，第第一一层层岩岩层层的的极极限限跨跨距距所所应应考考虑虑载载荷荷的的大大小小，须须根根据据各各层层之之间间的的相相互互影影响响来来定定。下下式式表表示示n层层岩岩层层对对第第一层（最下面的岩层）影响所形成的载荷（一层（最下面的岩层）影响所形成的载荷（qn）。）。v二、老项板断裂的极限路距二、老项板断裂的极限路距v但根据前面分析，显然老项应视为板，而若视为梁但根据前面分析，显然老项应视为板，而若视为梁在一定条件下如工作面长度与来压步距接近时，则在一定条件下如工作面长度与来压步距接近时，则将形成误差。将形成误差。v初次来压前者顶岩层呈矩形板状悬露于采空区上方，初次来压前者顶岩层呈矩形板状悬露于采空区上方，其四周边界的支承条件常见的有以下四种形式：其四周边界的支承条件常见的有以下四种形式：v(1)四周均为实体煤固支的板；四周均为实体煤固支的板；v(2)一边采空区或断层简支、三边固支的板一边采空区或断层简支、三边固支的板v(3)两邻边简支、两邻边固支的板；两邻边简支、两邻边固支的板；v(4)三边简支、一边固支，即俗称弧岛工作面条件下三边简支、一边固支，即俗称弧岛工作面条件下的板。的板。v根据根据Marcus修正解可求得各种边界条件下老顶修正解可求得各种边界条件下老顶初次断裂步距的关系式：初次断裂步距的关系式：四周固支：四周固支：三边固支一边简支：三边固支一边简支：两边固支两边简支：两边固支两边简支：一边固支及三边简支：一边固支及三边简支：见方易垮见方易垮工作面长度与断裂步距和极限悬露面积关系曲线如图所示工作面长度与断裂步距和极限悬露面积关系曲线如图所示由此可见，工作面长度对老顶断裂步距及其极限悬露面积的影响均呈由此可见，工作面长度对老顶断裂步距及其极限悬露面积的影响均呈W形曲线关系，且以形曲线关系，且以l lm为渐近线。这表明，在顶板性质和开采边界条件一定的为渐近线。这表明，在顶板性质和开采边界条件一定的情况下，断裂步距总是随工作面长度增减而在同一条情况下，断裂步距总是随工作面长度增减而在同一条W形曲线上变化。这就形曲线上变化。这就从顶板岩性角度，为确定合理工作面长度提供了科学依据，同时也说明了工从顶板岩性角度，为确定合理工作面长度提供了科学依据，同时也说明了工作面推进距离接近工作面长度时，坚硬顶板极易出现初次垮落的原因，这个作面推进距离接近工作面