矿山压力与岩层控制(2013版).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,绪 论,矿山压力有关概念,（要点内容）,矿山压力教学内容,学习矿压的意义,（要点内容）,采矿工程矿压特点,1,绪论,矿山压力,：,由于矿山开采活动的影响，在周围岩体中形成的，及作用于支护物上的力,，,简称“矿压,”。,在相关学科把其称为,地层压力,（简称“,地压,”）、,岩石压力,（简称“,岩压,”）、,二次应力,、,工程扰动力,等。,包括原岩对围岩作用力，围岩体内之间作用力（如支承压力）和围岩对支护物作用力,（,狭义矿压,，如巷道,围岩压力,、采场,顶板压力,）,。,矿山压力显现,：,指在矿山压力作用下引起的一系列力学现象,。,简称“,矿压显现,”或“,地压现象,”,等。例如巷道围岩变形和破裂，顶板下沉、冒落，煤岩帮片落，底板鼓胀，支架载荷、变形与损坏，顶板来压等等。,矿山压力控制,：,指人为地减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法,。,简称“矿压控制”、“岩层控制”或“地压控制”,。例如：在巷道位置上避开高应力区，处于高应力区巷道选择合理支护或钻孔（或切槽）卸压，掘前预采等。,矿山压力与岩层控制是研究矿山岩体力学现象的机理、控制理论，以及控制所采用的人工构筑物的学科，属于岩石力学的分支，是矿山采掘工程的基础学科。,一、矿山压力有关概念,2,二、矿山压力教学内容,1、,巷道地压,：包括第二章矿山岩体的原岩应力及其重新分布、第七章巷道矿压显现规律和第八章巷道维护原理和支护技术。,2、,采场矿压,：包括第三章采场顶板活动规律、第四章采场矿山压力显现规律、第五章采场顶板支护方法、第六章采场岩层移动及其控制、第九章厚煤层综放开采岩层控制、第十章浅埋煤层开采岩层控制和第十二章非煤矿山岩层控制与边坡稳定等。,3、,冲击地压,：第七章煤矿动压现象及其控制。,4、,矿压研究方法,：第十三章矿山岩层控制研究方法（包括矿山现场研究、实验室研究和数学力学分析）。,矿山压力及其岩层控制，主要讨论矿山压力的形成及其分布特征，矿山压力的显现规律，及其对矿山压力的控制措施。按研究的地点和显现特征，包括采场矿压、巷道地压、冲击地压和矿压研究方法等内容。,3,四、采矿工程矿压特点,1）岩体是特殊的工程结构。,与地面岩石工程不同地下采矿涉及的岩石工程的围岩是一种特殊的结构体。它承受外部载荷，有时又把部分荷载转嫁到巷硐内部的支撑物上。,2）场所移动，受埋藏条件影响大。,由于采矿地点多变的特点，对于矿压研究、设计和生产管理增加了难度。,3）开采深度大，波及范围广，,产生的应力大，控制难度大。,4）存在矿山动力现象。,如岩爆、矿震、煤岩瓦斯突出、顶板大面积来压。,5）,坑洞服务年限变化大，控制方法复杂。,6）矿体赋存状况和开采方法不同，导致不同的矿压特点。,如煤矿围岩软巷硐变形破坏严重，矿压理论和采场支护设备独特。,6,思 考 题,1、请指出下列词组中不属于矿山压力有（）,A、支承压力 B、支架载荷 C、围岩压力D、变形地压,E、周期来压F、顶板压力G、顶板下沉H、松动地压,2、矿山压力就是（）,A指现场观测的支架阻力。,B指由于人为工程活动影响岩体内及作用于支护物上的各种应力。,C指人为工程活动影响后岩体内及作用于支护物上的压力。,D指支护物对围岩的抗力。,3、下列词组中不属于矿山压力显现的有（）,A、支架初撑力B、煤壁片邦 C、顶板下沉 D、支架载荷,4、举例说明煤矿常用岩层控制方法。,7,第二章 矿山岩体内应力的重新分布,2-1 原岩应力,原岩应力,：,指天然存在于岩体内而与任何人为因素无关的应力,。,即,在矿山尚未进行采掘工程以前，岩体内存在着应力。,主要,构成,一、原岩应力构成,第二讲,自重应力：,指由地质构造作用产生的应力和,地壳中存在的一种促进地质构造运动发生和发展的内在应力,。,构造应力：,指,地壳上部各种岩体由于受到地心引力的作用而产生的应力,。,另外还包括岩体内水或气体压力，岩石遇水后因物理化学变化引起的膨胀应力，温度引起的热应力和地形起伏导致的应力波动与变化等。同时受岩体力学性质（强度、弹性模量、泊松比、流变性），岩体内断裂和褶皱情况（性质、产状、密度等）分布，以及地层剥蚀等因素的影响。,8,二、原岩应力的分布规律,1、,地壳是一个相对稳定的非稳定应力场,2、铅直应力基本等于上覆岩层的重量,铅直应力,v,距离地表深度 Z,0,v,=0.027 Z,3、岩体中的水平天然应力复杂多变,4、天然应力的比值系数的变化有一定规律,靠近地表,较大，随深度增加而减小；,随着深度增大，,值的分散度减小。,以水平挤压力为主，很少见到拉应力。,大部分岩体中水平应力大于铅直应力。,在单薄的山体、谷坡附近以及未受构造变动的岩体中水平应力小于铅直应力。,岩体中两个水平应力通常不相等，各向异性明显，方向、大小在不同地点而有所变化。,一般来说，水平应力不水平。,9,三、原岩应力的估算,z,z,x,y,x,y,H,原岩体内应力状态,一、铅直应力的估算,二、水平应力估算,在原岩应力中，构造应力分布和大小变化很大，多存在于地壳上升地区，只有实测才可确定；而自重应力可由计算确定。,1、静水应力学说（海姆假说）,2、线弹性学说（金尼克假说）,10,2-2 岩体中的弹性变形能,地下赋存的煤或岩体在应力作用下，必产生其体积和形状的变化。当煤岩体尚处于弹性状态，且变形不能解除时，外力（压力）做的功将以能量的形式贮存于岩体内，即岩体内贮存有弹性变形能。,在原岩应力场弹性变形能包括体变弹性能、形变弹性能两种，由前苏联阿维尔申计算为,体变弹性能,形变弹性能,常由于塑性变形被吸收或转化，而消失。,弹性变形能与开采深度的平方成正比。,11,2-3 “孔”周围的应力分布,1时圆孔周围应力分布,r,a,1,圆孔周边全处于压缩应力状态。,孔周边的最大应力集中系数为2，且与孔径的大小无关，其它各处均与孔径大小有关。,若以应力变化5为界，其影响圈（围岩）半径为,圆孔周围任意点的切向应力与径向应力之和为2倍的原岩应力，即,一、双向等压应力场内的圆形孔,1、无压圆孔,围岩：人为工程扰动后，应力发生明显改变的岩体。,应力集中系数：改变后的次生应力与原岩应力的比值。,12,2、有压圆孔,在地下巷道内壁施加的径向力所产生附加应力有利于减小巷道围岩应力集中,。当这个切向应力很大时，常导致围岩产生放射状裂隙。,当孔内有液体（或巷内支护）时，液体（或支护物）对孔壁产生附加应力。此时，围岩将受孔内应力影响进行应力的重新分布。根据弹性厚壁筒理论得：,厚壁圆筒受力图,q,r,M,x,p,a,b,y,增加了由,q,引起的应力（公式中的后一项）。我们把由于巷内作用力导致围岩内改变的应力称附加应力。,13,二、双向不等压应力场内的圆形孔,3,H,2,H,H,0,2,H,H 0 -,H,a 2a 3a 4a,a,红色线,=1/7,蓝色线,=1/2,黑色线,=1,绿色线,=0,圆孔周围岩体中应力分布不仅与孔径大小和原岩应力场有关以外，还受极角不同而不同；最大应力集中发生在孔的周边极角为0,、180，9,0、270位置,。,14,圆孔周边顶底板中点切向应力集中系数大小随,增大而增大；当,=0,时，巷道周边切向应力出现极小值，k=-1。,当,=1/3时，k=0。位于构造应力场的巷道顶底板存在很多压应力。,=0,和,180,圆孔周边两帮中点切向应力集中系数随,增大而减小。当,=0，k=3（最大值）；当,3时，巷道两帮中点周边也会出现拉应力情况。,双向不等压应力场圆孔周边切向应力集中系数,k,0,1,1,2,3,4,5,2,3,4,-1,-2,=0,180,构造应力场,重力场,15,三、椭圆形孔周边应力分布,1、,=0和180,根据弹性力学无限大平面内椭圆孔周边应力解得,b,b,a,a,在重力场中,k的大小不仅受原岩应力场影响外，还与孔轴比有关，宽高比愈大，k愈大；反之愈小。,椭圆孔m=1/2时围岩切向应力分布,=0,=0,=1,=1,3,2,1,0,5,4,3,2,1,0,a,2a,3a,2a,2b,k,v,v,2 1 0 -1,无拉应力条件,1,16,2、,=90和270,重力场中,无拉应力条件,=1时，选圆孔；=1/2时，选高为宽2倍；=2时，选,宽为高2倍,。,等应力轴比,（巷道周边应力均匀分布时椭圆轴半径之比）,6080MPa，节理裂隙不发育，节理间距和分层厚度均大于1m，其运动常给采场带来严重的矿压显现。一般认为，该岩层内可以形成结构层，上方岩层重量可通过该层把力传递到工作面的前方煤壁和后方煤柱或采空区。老顶的结构分析和运动规律是矿压研究主要内容。,见P51,35,思 考 题,特征,伪顶,直接顶,老顶（基本顶）,垮冒,随采随冒,常随放顶冒落,有一定步距,岩性,炭质页岩、炭质泥岩,页岩、泥岩、粉砂岩,砂岩、砾岩、石灰岩,抗压强度,很低,6080MPa,层厚,0.30.5m,2m,节理、层理,发育,不发育,2、填写顶板特征表,1、直接顶和老顶的含义？,36,3-2 有关采场上覆岩层活动规律的假说,一、经典学说,该假说,解释了增压区、减压区的存在，以及其范围；说明了减小采场支架受载，应尽可能缩小两拱脚之间距离,，如充填采空区、降低采高、采用煤柱支撑法等方法可减小拱跨，从而减轻采场支架载荷。,b,a,1,2,图3-2 回采工作面压力拱假说,1、压力拱假说,见P53图33,德国人哈克和吉里策尔于1928年提出的压力拱假说认为，在回采空间上方，由于岩层自然平衡（岩块扭转挤压的结果），形成一个“,压力拱”，前拱脚位于采面前方煤体内，后拱脚位于采空区冒落矸石上（或充填物上），两拱脚之间形成一个减压区，采场处于减压区内，其支架仅承受拱内岩石重量。随采面推进，压力拱也不断前移,。,研究发现当前后拱脚岩性一样时，压力拱为对称拱，否则为非对称拱，拱的转化导致采场来压。,见P52,第二讲,37,2、悬臂梁假说,该学说,解释了采场周期来压现象；,解释了超前支承压力大的原因,；也,解释,了工作面煤壁处顶板下沉量比采空区侧小、压力小的原因；正确估算周期来压步距,。它的不足之处在于一是对上覆岩层共同作用考虑不足；二是对老顶在工作面前方断裂无法解释。,德国人施托克于1916年 提出的悬梁学说，该假说,假设顶板为连续的弹性介质，顶板初次破坏后，可以看作一端固定在采面前方煤体内的悬臂梁，当顶板为多层时组成组合梁，随着工作面推进悬梁周期性折断，形成工作面周期性压力增大现象,。折断后的岩梁一端作用于采场支架，另一端作用于采空区冒落矸石上，采场支架所承受的最大载荷（给定载荷）是直接顶重量和老顶重量的一半。,38,3、预成裂隙假说,回采空间周围存在三个区，即应力降低区、应力增高区和采动影响区，且随着采面推进而前进。,在应力增高区的移动中，覆岩的连续性被破坏，形成了非连续的裂隙体。,这非连续的矿压裂隙体，因裂隙存在可以产生很大的变形，其特征如同塑性体，在压紧的情况下形成“预应力梁”。,这个梁在自重及上方载荷作用下发生“塑性弯曲”，原挤紧的裂隙有可能张开或出现块间相对滑动，导致下沉到垮落，当上下层下沉量不同时产生离层。,支架要有足够强度促使顶板形成预应力梁，阻止裂隙张开、滑动，防止产生离层和垮落。,比利时学者阿拉巴斯20世纪50年代提出预成裂隙，如下：,该假说,突出贡献是,采用非连续介质理论，说明了岩层的稳定、下沉、离层和垮落等现象。同时提出了提高支架阻力的必要性,。,假说不足之处有三：一是对于坚硬或松软岩层不可能形成预应力梁；二是对采场周期来压现象未做解释；三是支架阻力多大合理未做说明。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,I,S,E,S,V,见P54图35和36,39,4、铰接岩块假说（库兹涅佐夫，1950）,i,（22.5）h,i,，在采空区形成不规则冒落带，K,P,=1.251.50；,h,i,i,2 h,i,时，在采空区形成规则冒落带,K,P,=1.051.25；,i,h,i,时，形成的岩块之间相互咬合，运动相互牵制的整层移动带（裂隙带）。在该带内形成结构，其形式为“三铰拱”式平衡。,煤层开采后，顶板自下而上呈分层垮落。若取顶板的i分层厚度为h,i,，采空区内剩余的空间高度为,i,(i为分层序号，当i1时，即全陷法采煤的采高m)，则,见P53图34,40,该,学说,对上覆岩层进行了细致准确地分带，并提出了裂隙带内形成三铰拱式结构,。,学说的不足在于对结构未做平衡条件的分析，未对采场来压进行解释，对采空区上覆岩层运动过程及产生的原因考虑不足。,m,不规则冒落带,规则冒落带,裂隙带,41,二、国内著名采场矿压理论,1、砌体梁理论(钱鸣高）,见P54五、我国学者在岩体结构力学模型上的发展,老顶岩梁断裂后，由于岩块排列整齐，回转时岩块相互挤压，在块间产生的水平力和摩擦力作用下，形成的外表似梁实际是拱的岩块梁结构，叫做砌体梁,（一般指工作面顶板呈X形断裂的中部区）。由于砌体梁形成于裂隙带故又称裂隙体梁。,回采工作面在砌体梁的保护下，当结构稳定时，上方载荷通过该梁传递到前方煤壁和后方采空区矸石或煤柱上，采场支架仅承受岩梁下直接顶载荷。当岩梁不能自身稳定时，采场支架需要提供一定撑力维持结构平衡。当结构失稳时，结构将对支架产生冲击载荷（顶板来压）。,分析了导致结构失稳的条件，提出了减小顶板压力的措施,。,A,B,C,42,2、传递岩梁理论,主要贡献是,利用矿压实测数值指导生产,；存在不足，缺少力学基础的支持。,该理论认为，采场支架可以改变岩梁的位态，即,在一定顶板条件下，顶板下沉量与采场支护反力的乘积为一常数,，调节采场支护强度可以改变采场的顶板下沉量。,为此，现场可根据实测顶板下沉量和支护阻力做为依据，通过增大或缩小支架的初撑力，改变采场矿压显现。,该理论中科院院士宋振骐提出的，该学说认为在长壁回采工作面上方存在着一个能够传递其上方载荷的岩层，由于该岩层跨度一般远小于工作面长度，故可视为平面问题讨论的梁，即所谓传递岩梁。,S（mm),p,顶板下沉,支护强度,43,3、弹性地基梁理论,上世纪80年代，原山东矿院宋振骐等人在枣庄矿务局柴里煤矿矿压观测中发现，老顶来压前，在工作面上下出口处，顶板出现上升，即“回弹”或“反弹”现象。为了解释该现象有的学者提出了“弹性地基梁假说”。,该学说把位于回采工作面上方的一层或多层老顶视为在煤层走向方向上被较松软的岩层夹支在其中的平面应变梁，梁的长度在采面推进方向可以认为是无限长，在采空区方向则为已经断裂的岩块所支撑。满足Winkler弹性地基假定，即,式中 p由于采动作用于老顶的扰动压力；,y老顶竖向位移；,k弹性地基系数，其大小与软层性质有关。,见P113 第六节 采场来压预报,44,在断裂处附近产生很大弯矩，导致顶板很大下沉；当岩梁断裂后，在断裂处前面岩梁（板）所受弯矩变小，导致具有弹性顶板“反弹”。当工作面前方的顺槽以及中巷均监测到顶板“反弹”信息，说明反弹处后面顶板已经断裂，当工作面推近断裂处有可能来压，必须做好防止来压灾害工作。,在断裂处出现反弹的同时在前方一定区域内会出现压缩现象。要加强巷道超前支护质量，减小巷道变形或防止破坏。,断裂处,反弹区,压缩区,破断前弯距,破断后弯距,破断前下沉,破断后下沉,M,L,y,老顶的扰动,解释顶板反弹的原因，同时为来压预报的可行性提供了理论依据。,当岩梁存在于上下均为软岩层时，岩梁的最大弯距位于回采工作面前方，根据弹性力学推导，得到了岩梁断裂前和岩梁断裂后的弯矩和下沉如图所示。由该图可以看出,45,4、关键层理论,采场上方存在着,对采场上覆全部岩层或局部岩层活动起控制作用的岩层，前者称为主关键层，后者为亚关键层。,关键层有如下特点：,几何特征,，相对其他同类岩层单层厚度较厚；,岩性特征,，相对其他岩层较为坚硬，即弹性模量大，强度高；,变形特征,，关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量同步谐调；,破断特征,，关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的同步破断，引起较大范围的岩层移动。当上部关键层破断距大于下部时，由下而上顺序断裂，反之一起断裂。,承载特征,，关键层破断前以“板”或“梁”的结构形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体，破断后成为砌体梁结构，继续承载。,见P122 第六章 第二节 岩层控制的关键层理论,主要贡献,：,解释了采场顶底板岩层破坏规律，为煤层气开采和防止瓦斯突出和突水的措施提供了理论依据,。,46,5、拱梁结构理论,该学说认为，采场上方的结构是随着采场上方岩体强度而变化的。为此，该学说根据覆岩强度划分为3个具有代表意义的区间，形成三个力学模型，以便于针对性矿压控制和解释其现象。,第一模型描述的强度低的结构岩层，结构为小岩块挤压而成，其传递力迹线像一个半拱，称之为“类拱”结构。,第二模型描述的强度中等的结构岩层，结构为多个岩块规则排列、挤压而成的，其传递力迹线呈折线状，结构中岩块个数随岩体强度和厚度而变化，位于“类拱”和“梁式”结构之间，称之为“拱梁”结构。,第三模型描述的强度很高的结构岩层，结构为23岩块挤压而成，称之为“梁式”结构。,基于梁拱结构的观点，开发了“采场顶板控制设计专家系统”。,利用计算机根据输入的柱状图自动识别结构层的结构形式和预计其运动规律，从而作出科学的控制措施。,除了上述假说以外，有影响的采场假说还有固定梁假说、简支梁假说、板假说、组合梁假说等等。此内容将在后面介绍。,47,思 考 题,假说,主要贡献,压力拱,1、进行了准确的应力分区,2、提出减小拱跨可减小顶板压力,悬梁,1、解释了采场周期来压现象；,2、解释了超前支承压力大的原因；,3、解释了工作面煤壁处顶板下沉量比采空区侧小、压力小的原因；,4、正确估算周期来压步距。,预成裂隙,1、采用非连续介质理论，说明了岩层的稳定、下沉、离层和垮落等现象；,2、提出了提高支架阻力的必要性。,铰接岩块,1、对采场上覆岩层进行了细致准确地分带；,2、提出了裂隙带内形成三铰拱式结构,。,1、填写采场矿压四个经典假说及其主要贡献,48,假说,主要贡献,砌体梁,1、分析了导致结构失稳的条件,2、提出了减小顶板压力的措施,传递岩梁,1、提出了提高采场支架支护强度可改变顶板位态；,2、提出了依据顶板下沉确定支架的支护强度。,弹性地基梁,1、解释了工作面前方顶板反弹现象；,2、实现了利用顶板反弹进行采场来压预报。,关键层,1、提出了关键层含义及五个特征；,2、推动了防止采场突水和开采解放层研究的进展。,梁拱,1、对采场不同围岩结构进行分类；,2、利用计算机技术和专家系统指导生产,。,2、填写我国采场矿压主要理论及其主要贡献,49,3-4 老顶的断裂前形式,该假说认为，当相邻采区未开采或不受断裂影响，工作面处于初采阶段，其长度远大于跨度时，位于工作面中部的悬空顶板，可视为插入前后方岩体中的无数个单位宽度的固支梁。固支梁及其以上载荷在其破断前由该梁传递到采场前方和后方煤体上，采场支架仅承受梁下岩层载荷。,1、固支梁受力分析,一、梁式结构,由材料力学解得,见P57,第三讲,x,y,q,l,D,D,x,A,B,M,A,M,B,R,A,R,B,固定梁受力状态,50,剪力方程,最大剪力,弯矩方程,在梁内任取一截面D-D，得,可以看出，最大剪力发生在梁的两端，,整理，得,最大弯矩也发生在梁的两端，,在梁的中部,Q,固定梁剪力和弯矩图,（）,（）,M,l,岩梁下面受压，上面受拉。,51,2、简支梁受力分析,由静力平衡可解得,剪力方程，与固定梁相同，最大剪力位于岩梁两端，大小,弯矩方程,该假说认为，当相邻采区采空或受倾向或斜交断裂切割，工作面处于初采阶段，其长度远大于跨度时，位于工作面中部的悬空顶板，可视为无数个单位宽度的简支梁。简支梁及其以上载荷在其垮落前由该梁传递到采场前方煤体和后方煤柱上，采场支架仅承受梁下岩层载荷。,岩梁上面受压，下面受拉。,最大弯矩位于梁的中央，大小,l,q,R,A,R,B,简支梁受力图,M,l,52,二、岩板的结构,按周围采空情况分类,四边固支板,：采场周围未开采，且无断层切割。,三边固支板一边简支板,：工作面一边采空。,二边固支二边简支板,：工作面两边采空。,一边固支三边简支板,：工作面如“孤岛煤柱”，三侧采空。,按板的厚宽比（h/a）分为：,薄板,（弯曲破坏）,：h/a1/5=0.2，极少见，多为剪切破坏。,a,b,h,1、岩板的类型,53,3、,薄板的弯矩,采用薄板理论计算的应力状态是非常复杂的，对于定性分析，常采用marcus简算法。该方法实质是把板看成分条的梁，板的中部则为交叉的梁，按交叉点挠度相等的原则可解得板所受弯矩。如图所示，最大弯矩均位于长边中点的固定端，尤其三边采空时更为突出。,见P75 图313,(a)(b)(c)(d),“板”弯矩图,M,x1,M,x2,M,x3,M,x4,M,y3,M,y2,M,y12,54,四边固支板弯矩（Marcus修正解）,长边中部边界处最大弯矩,式中,岩层的泊松比；,q,岩层自重及其上方载荷；,a,1,回采工作面推进距离；,b,回采工作面长度。,在上式中，当b，0时，,即固支梁的最大弯距。,在煤矿一般工作面长度（100200米）与跨度（30米左右），悬露老顶的宽长比（a/b），约为1/31/5，取1/4，泊松比取0.2，代入上式，得,对于一般回采工作面，用梁计算跨距与板计算跨距差别不大，然而对于a,1,/b1/3时则有较大差别。,55,一、老顶初断时的极限跨距,最大弯矩位于岩梁两端，,在垂直方向最危险部位是岩梁上面,得,由材料力学纯弯曲梁上任一点的正应力公式,设顶板岩梁厚度为,h，岩梁宽度为单位宽度，则岩,梁断面惯矩,当最大正应力达到岩梁的抗拉强度，,时，,由拉应力确定的固定梁极限跨距，为,3-5 老顶的初次断裂,即,，代入,见P60,1、固定梁的极限跨距,56,再根据梁纯弯曲时，岩梁上任一点剪应力为,最大剪应力位于固定梁两端的中性轴,，,当最大剪应力达到抗剪强度时，,，,，,由剪应力确定的,固定梁极限跨距，,为,57,2、简支梁的极限跨距,简支梁与固定梁极限跨距比,代入梁弯曲公式，,解得,简支梁的极限跨距,代入上式,取,对于天然的岩体形成结构，是不同于材料力学上讲的梁，从岩层连续性看，若没有断裂，类似于固定梁；然而，从岩梁两端支撑点看，由于岩石有较大变形，也就是说岩梁在两端产生转角，则更加象简支梁。一般来说，两端支撑岩体刚度大时，可近似按固定梁估算，反之按简支梁估算与实际情况更接近。另外，天然岩体，可能有时并不是连续的，有裂隙存在，此时岩梁跨度将会缩短。,58,由光弹模拟研究获得，简支板中央最大拉应力，为,矩形板应力计算系数 表-1,b/a,1,1.5,2,3,k,0.28,0.487,0.610,0.713,0.750,简支板的极限跨距，为,式中 k矩形板应力计算系数，大小与板的长宽比（b/a）有关。,3、板的极限跨距,，与梁形式相同。,注：固支梁k=0.5，简支梁k=0.75。,K,b/a,1,2,3,0,0.5,当b/a,1.5时，极限跨距与梁理论计算结果误差不大。,59,1）岩性及组成：,一是反映岩梁强度，承载层强度越高，跨度越大；二是反映岩梁上载荷大小，附加载荷越大，跨度越小；三是支撑端性质，支撑刚度越小，跨度增大。,2）周围采空情况：,四边固支与三边固支一边简支极限跨距相差不大，两边固支两边简支与一边固支三边简支极限跨度接近，但上述两种极限跨距差异较大。,3）工作面推进速度,：由于蠕变原因，推进速度越慢，暴露时间愈长，跨度愈小。,4）工作面长度,：工作面长度愈短，跨度愈大，当工作面长度大于极限跨度三倍时，面长再增加，对跨度无影响。,5）断裂构造：,当断裂小于极限跨距时，跨度缩小；反之断裂位置略大于极限跨距时，垮落步距将增大。据邢台的实测资料老顶受断裂影响时的极限跨距约缩短四分之一。,6）岩层倾角,：随岩层倾角增大顶板多由弯曲破坏，逐渐变为剪切破坏，即倾角随倾角增大，跨度增大。,7）采空区处理方式,：对巨厚老顶采用挑顶或切落可减小极限跨距。,4、影响老顶极限跨距的主要因素,60,1、顶板的弯曲拉伸破坏,二、老顶的初次断裂类型,见P57,对于层状矿体开采，覆岩可看做厚度不同的岩板组成，即“板”理论。岩板初次垮落前采场和采空区在其,保护之下，岩板及其以上载荷，通过这个板传递到回采空区周围的矿体或矿柱上去，采场和采空区位于减压区。,研究表明岩板的破坏形态为OX破坏，O形裂缝在上面，而X裂缝在下面。裂缝的发展顺序随极限跨距和工作面长度变化而变化。,a,l,61,顶板的弯曲破坏过程,62,2、顶板的剪切破坏,当顶板厚度大强度高、弯曲变形小，若工作面支护力不能撑起上方岩层重量时，顶板岩层破坏主要表现为剪切破坏形态，即沿煤壁切落。,顶板的剪切破坏过程,63,3、顶板的破坏形式的转化,2）强制放顶，使顶板厚度变小，抗弯刚度降低，顶板由剪切向弯曲破坏转化。,3）开采顺序逆行，顶板岩层受到反复的采动影响，顶板由剪切向弯曲破坏转化。,4）工作面推进速度过慢，顶板由剪切向弯曲破坏转化。,5）煤壁软和控顶距大或采空区充填，顶板由剪切向弯曲破坏转化。,1）沿工作面的断裂构造，当跨距小于不受断裂影响时的极限跨距，使得顶板由弯曲向剪切破坏转化；反之，断裂位于极限跨距前则顶板由剪切向弯曲破坏转化。,断层对顶板破坏的影响,64,h,4,h,3,h,2,h,1,岩层载荷计算图,三、顶板载荷计算,该理论认为，由不同性质的n个梁组合在一起后，任一截面x上的剪力Q,x,和弯矩M,x,，都由各层小截面共同来负担。按n层组成的组合梁，有,(a),(b),组合后，有,，即,对于单一层梁，单独存在时，由于各岩梁的刚度不同，载荷不一，各个梁的形成的曲率都不一样。然而，各个梁组合在一起后，上下层的曲率又必须趋于一致。由材料力学可知，某层的曲率与其弯矩的关系为,见P6162,组合梁理论认为，强度高的岩层与其上较软岩层形成组合梁结构。上部较软岩层对其下部关键层形成的载荷，可以由组合梁理论求解。,第四讲,65,再根据，,(c),(d),由(c)得,式中,，,，,再由(b)式，得,采用该公式计算对底层岩梁形成的载荷，要从下逐渐向上计算，即顺序为(,q,1,),1,、(,q,2,),1,、(,q,n,),1,，当计算得出(,q,i+1,),1,(,q,i,),1,时计算停止。说明,i,+1层没有对底层产生附加载荷，此时(,q,n,),1,=(,q,i,),1,。,代入(d)式，整理得,考虑覆岩,n,层对底层影响，用(,q,n,),1,代替(,q,1,),x,，有,或,66,思 考 题,1、填写采场上方老顶断裂前梁结构假说类型和特征,类型,适用条件,最大弯矩,最大剪力,极限跨距,位置,大小,位置,大小,固定梁,处于初采阶段的工作面，且相邻采区未开采或不受断裂影响，其长度远大于跨度时，位于工作面中部的悬空顶板,梁的两端，上面受拉下面受压,梁两端,简支梁,当相邻采区采空或受倾向或斜交断裂切割，工作面处于初采阶段，其长度远大于跨度时，位于工作面中部的悬空顶板,梁的中部，上面受压下面受拉,梁两端,67,2、填写采场上方老顶断裂前板结构假说类型和特征,类型,适用条件,极限跨距,破坏类型,薄板,h/a,0.2,远大于梁计算结果,剪切破坏,3、顶板载荷计算采用的理论是（,C,）。,A、悬臂梁B、固定梁C、组合梁D、简支梁,4、顶板载荷计算方法是从底层岩层开始，依次由下逐渐向上分别按一层、两层、三层 组合计算，同时比较计算结果，当计算结果多一层组合后载荷（,BC,）时计算停止，表明该层未予下面岩层组合，故顶板载荷仅为下面岩层所形成。,A增大B减小C不变,68,3-3 直接顶的垮落,由材料力学知道，梁的挠度,按固支梁求解,根据边界条件，,挠度方程,最大挠度,(,x=l/2,）,一、顶板的挠度,见P56,初次放顶前覆岩结构,直接顶,老 顶,69,二、直接顶的稳定性分析,式中：,h,直接顶厚度；,顶板岩层的重度；,E,0,直接顶岩层的弹性模量；,J,0,断面惯矩，可按单位宽度承载层计算，；,l,直接顶岩梁的跨度；,直接顶的离层是导致初采阶段顶板事故的主要原因，顶板不产生离层的首要条件是下部岩层的挠度（下沉量）不大于上部岩层的挠度。即直接顶的挠度小于老顶的挠度。,当采场支护强度为p时，直接顶的最大挠度,(,y,max)0,：,70,对于老顶最大挠度计算，设老顶厚度为h,1,，弹性模量取E,1,，岩梁宽度取单位1，断面惯矩，,当老顶岩梁的附加荷载为q,1,，取q,1,=,h,3,，且h,3,=,h,1,，,则老顶的最大挠度,顶板不产生离层条件为,整理，得,71,对于采用煤柱支撑法开采，则需要确定安全跨距，由固定梁拉应力确定的安全跨距,由剪应力确定的安全跨距，为,三、直接顶的安全跨距,式中：n安全系数，一般取6；,h直接顶下位岩层的分层厚度。,72,四、直接顶的垮落,直接顶垮落后覆岩结构,h,m,1、直接顶的初次垮落,：,指,从开切眼开始，工作面推进一定距离后，在采空区上方顶板第一次大范围垮落,。,2、直接顶初次垮落距：,在直接顶初次垮落中，当顶板垮落高度超过11.5m，垮落范围大于采面长度的一半时，从开切眼煤壁到工作面放顶线的距离。,当采空区充填满时,整理，得,当直接顶全部垮落后，采空区内充填体与老顶间的空隙高度为,73,思 考 题,1、顶板产生离层的条件是下部岩层的挠度（,A,）上部岩层的挠度。,A、大于B、小于C、等于,2、防止直接顶离层的有效措施是支架的(,A,)不小于直接顶载荷。,A、初撑力B、平均支撑力C、最大支撑力,3、直接顶的初次垮落的含义是指从（,C,）开始，工作面推进一定距离后，在采空区上方顶板第一次（,F,）垮落。,A、回风巷B、运输巷C、开切眼,D、局部E、全部F、大范围,4、直接顶初次垮落距的含义是回采工作面从开切眼开始推进，当顶板垮落高度超过（,11.5,）m，垮落范围大于（,采面长度的一半,）时，从开切眼煤壁到（,工作面放顶线,）的距离。,74,3-6 老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析,一、老顶初次断裂后的砌体梁平衡,砌体梁受力分析,q,A,B,。,q,A,T,0,T,1,R,1,L,1,/2,h,见初采阶段砌体梁结构的受力图。取分离体A，由静力平衡,，有,得,，得,由,，得,由,式中：,q,离层岩块受到的荷载；,L,l,老顶断裂的跨度；,h,离层岩块的厚度。,1、受力分析,(a),(b),见P63,75,（1）冒落角=90时，失稳条件为,把(a)和(b)代入上式，有,或,一般岩石的内摩擦角，=3845,tg=0.81.0，则,2、结构平衡分析,1）滑落失稳：,由于岩块间摩擦力不足，相对位置错动造成结构的失稳叫做砌体梁结构的滑落失稳,。,(c),(d),(e),再分别把固定梁、简支梁确定的极限跨距代入上式，有,固支梁,简支梁,解得,这里k1/23/4,结论,：,当=90时，砌体梁稳定条件，一是岩块长厚比大于4，二是承受载荷小于岩石抗拉强度的十分之一。,例如神府煤田大柳塔煤矿C202工作面（22煤层），老顶厚17.3m，老顶初次来压步距24m，形成厚度大，块度短，形不成砌体梁结构，导致来压强烈，增载系数大。,L,l,(45)h,76,O,A,T,1,sin,T,1,T,1,cos,R,1,sin,R,1,R,1,cos,90,结构分析,下滑力,无支护时结构失稳条件,若考虑采场支护对老顶阻力p,1,时，失稳条件为,结论：,a.岩石的冒落角愈小，结构愈易失稳；,b.增大采场支护力，从而减小下滑力，有利于结构平衡。,摩擦力,（2）,冒落角90,B,A,77,q,R,1,p,1,T,h,L,l,/2,a,a,T,悬空岩块受力分布,或,式中：L采场支架合理作用点到老顶破断点距离；,老顶下沉量；,p,1,采场支架对岩梁作用力。,减小,岩块间挤压力，可采取措施有：,减小老顶初垮步距和载荷大小，方法是对于坚硬难冒顶板采用深孔爆破或高压注水软化顶板。,减少老顶下沉量，如充填采空区；浅孔爆破，增加垮落带高度，减小结构层岩块下沉量；必要时降低采高，从而减小老顶下沉。,增大控制力矩，如在放顶线增设切顶支架。,由于岩块咬合部分破坏产生的形状改变或塑性变形，造成砌体梁结构失稳,。,影响变形失稳的主要因素是岩梁强度性质和,块间,挤压力T的大小。如图所示，结构处于极限平衡状态的条件，为,2）变形失稳,78,假说认为结构形成于坚硬岩层，由硬岩层把覆岩分为若干组，每组底层为坚硬岩层结构层（关键层）。,在每组中，由于硬岩层以上的软岩层，随硬岩层运动，故可以视为载荷。,由于工作面后方48米处有离层区的存在，因而可以认为在该区域上下岩层间无垂直力的联系。,采用铰接岩块理论，裂隙带岩层断裂后岩块排列整齐，相互牵制，力学关系为三铰拱式平衡。,因为结构层间均为软岩层，主要起支撑作用，故可以用“杆”代替。,工作面后方5060米处，岩块排列整齐，又变为原岩层状态（复位），故可以忽略岩块间的剪切力，用“杆”代替。,岩块间以铰链式连接，铰链位置按覆岩运动轨迹确定。曲线下凹处铰链位于块的下部，否则位于块的上部。,最上面结构层以上，均为软岩，按均布载荷考虑。,底部结构层下面的采空区为冒落矸石，其力学性质为虎克体或马科斯维尔体。,二、砌体梁全结构模型受力分析,1、砌体梁全结构模型的假设,79,正常回采砌体梁结构模型,A,3,A,2,A,1,B,3,B,1,B,2,C,1,C,2,C,3,D,3,D,2,D,1,E,3,E,2,E,1,F,3,F,2,F,1,R,11,R,12,R,13,R,14,80,从结构模型中任抽出一组（例如第i组）来讨论，如下图所示。图中m,ij,为载荷系数，m,ij,Q,ij,为第i结构层第j岩块上受到的载荷值。,2、全结构模型的自由度,式中n岩块数目。,可以看出，该结构为静定问题。,正常回采时砌体梁结构图,A,i,B,i,C,i,D,i,E,i,F,i,R,i1,R,i2,R,i3,R,i4,T,i,m,i4,Q,i4,m,i3,Q,i3,m,i2,Q,i2,m,i1,Q,i1,Q,i0,81,3、受力分析,把结构中各个岩块分离，并绘出各个块的受力状况，分别建立平衡方程。,L,i0,B,i,（R,i,）,0-1,Q,i0,（R,i,）,0-0,（T,i,）,0-1,（T,i,）,0-0,i0,h,i0,m,i1,Q,i1,C,i,（R,i,）,1-2,（R,i,）,0-1,（T,i,）,1-2,（T,i,）,0-1,h,i1,i1,L,i1,R,i1,由,，得到,为此，各个岩块受到的水平力均用T,i,表示。另外同一结构层的坚硬岩层在不大的范围内厚度变化不大，故可以视厚度不变，即h,i,代替。,在B块中，,时，,时，,在C块中，,时，,时，,82,即 力矩列阵=矩阵系数力列阵，表达式为，,以此类推,D块、E块、F块的静力平衡方程，整理得到如下矩阵。,83,用高斯消元法变换矩阵，再根据实测中发现14各个岩块的倾斜状态基本一致，故可以近似认为斜率相等，即,解矩阵得,，,，,悬空岩块的重量全部作用于前铰点。,三铰拱式结构，拱顶为0-1点，2-3点。每隔一块压力增大，即压力波。,形成砌体梁时，其结构的水平挤压力与悬空岩块重量、长度、厚度和下沉量有关。,A,B,C,砌体梁结构简图,当岩块的斜率为0时，各岩块支撑反力等于岩块的所受载荷（自身重量和上方附加载荷）。因而砌体梁结构可以简化为A、B和C三块组成。,84,4、全结构模型的稳定性分析,因,故,减小,块间,挤压力T,i,的措施：,缩短岩块的长度和重量，例如高压注水软化顶板，间隔一定距离深孔爆破人工强制切断老顶；,减小岩块的倾斜率，例如人工充填采空区、浅孔爆破顶板充填采空区或必要时降低采高等措施。,（1）变形失稳,影响砌体梁的变形失稳的主要因素，除岩石的强度外就是块间挤压力大小，挤压力越小越有利。,85,（2）滑落失稳,考虑采场支架的作用的平衡条件,为促使结构平衡，一是增大沿层方向的挤压力,T,i,，二是增大摩擦系数,f(,),，三是减小,下滑,力,。由于块间压应力过大将导致变形失稳，因此我们应从其他两方面着手。,增大摩擦系数的措施,：,选择合理的工作面推进方向，使tg(-)tg(+)。,减小下滑力的措施,：