3采场顶板活动规律10.pptx

1 1柏建彪柏建彪 3 采场顶板活动规律采场顶板活动规律3.1 3.1 几个概念几个概念3.2 3.2 3.2 3.2 有关采场上覆岩层有关采场上覆岩层“大结构大结构大结构大结构”的假说的假说3.3 3.3 直接顶的垮落直接顶的垮落直接顶的垮落直接顶的垮落3.4 3.4 3.4 3.4 基本顶的断裂形式基本顶的断裂形式3.5 3.5 基本顶的初次断裂步距基本顶的初次断裂步距基本顶的初次断裂步距基本顶的初次断裂步距3.6 3.6 3.6 3.6 基本顶断裂后的基本顶断裂后的“砌体梁砌体梁”结构及其结构及其结构及其结构及其S-RS-RS-RS-R稳定稳定稳定稳定3.7 3.7 3.7 3.7 本章小本章小结结第一页，共七十页。柏建彪柏建彪 2 23.1 几个概念回采工作面（采场）顶板底板采空区采空区处理方法伪顶直接顶老顶第二页，共七十页。3 3柏建彪柏建彪 采采场场：直直接接进进行行采采煤煤或或采采有有用用矿矿物物的的工工作作空空间间称称为为回回采工作面或简称为采场。采工作面或简称为采场。顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。底板：位于煤层下方的岩层称为底板。底板：位于煤层下方的岩层称为底板。底板：位于煤层下方的岩层称为底板。底板：位于煤层下方的岩层称为底板。直直接接顶顶：直直接接位位于于煤煤层层上上方方的的一一层层或或几几层层性性质质相相近近的的岩层称为直接顶。岩层称为直接顶。伪伪顶顶：在在煤煤层层与与直直接接顶顶之之间间有有时时存存在在厚厚度度小小于于0.30.5 m0.5 m、极易垮落的软弱岩层，称为伪顶。、极易垮落的软弱岩层，称为伪顶。基基本本顶顶：位位于于直直接接顶顶之之上上(有有有有时时时时直直直直接接接接位位位位于于于于煤煤煤煤层层层层之之之之上上上上)对对采采场场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为老顶。矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为老顶。第三页，共七十页。柏建彪柏建彪 4 4采空区处理方法采空区处理方法:(a)刀柱(留煤柱);(b)顶板缓慢下沉法;(c)充填法;(d)全部垮落法第四页，共七十页。5 5柏建彪柏建彪 采用全部垮落法时，随着工作面推进，回采工作空间形状的变化如图3-2所示。第五页，共七十页。6 6柏建彪柏建彪 在在煤煤(岩岩)体体内内回回采采工工作作空空间间(巷巷道道)将将引引起起围围岩岩破破碎碎，其其上上方方岩岩体体的的部部分分重重量量则则由由此此空空间间内内的的支支护护物物来来承承担担，从从而而形形成成了了对对支支架架的的压压力力。岩岩层层中中未未破破坏坏的的部部分分(或或未未产产生生剧剧烈烈变变形形的的部部分分)，或或者者虽虽然然岩岩层层已已破破断断但但仍仍能能整整齐齐排排列列的的部部分分，有有时时能能形形成成岩岩体体内内的的“大大结结构构”。这这种种大大结结构构能能够够承担上覆岩承担上覆岩层层重量，从而重量，从而对对回采工作空回采工作空间间起保起保护护作用。作用。第六页，共七十页。7 7柏建彪柏建彪 根根据据实实测测，回回采采工工作作面面支支架架所所承承受受的的力力仅仅为为上上覆覆岩岩层重量的百分之几。层重量的百分之几。这是因为上覆岩层形成了这是因为上覆岩层形成了“大结构大结构”，这种大结构能，这种大结构能够承担上覆岩层重量。够承担上覆岩层重量。第七页，共七十页。8 8柏建彪柏建彪 3.2 3.2 有关采场上覆岩层有关采场上覆岩层“大结构大结构”的假说的假说由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂性，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释（即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）称为矿山压力假说。第八页，共七十页。9 9柏建彪柏建彪 由于岩层自然平衡的结果而形成一个前拱脚（支撑点）在工作面前方煤体，后拱脚（支撑点）在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。在前后拱脚间形成了一个减压区，回采工作面的支架只承受压力拱内岩石的重量。3.2.1 压力拱假说第九页，共七十页。1010柏建彪柏建彪 压力拱假说对回采工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压范围作出了粗略的但却是经典的解释，而对于此拱的特性、岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用，并没有做任何分析。第十页，共七十页。1111柏建彪柏建彪 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。3.1.2 3.1.2 悬臂梁假说悬臂梁假说第十一页，共七十页。1212柏建彪柏建彪 悬臂梁假说悬臂梁假说解释了：1）工作面近煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越远则两者均大的现象。2）工作面前方出现的支承压力及工作面出现的周期来压现象。根据上述观点，提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。第十二页，共七十页1313柏建彪柏建彪 律的水平挤压力的联系，从而相互铰合形成一条多环节的铰链。三铰拱式的平衡。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。3.1.3 3.1.3 铰接岩块假说铰接岩块假说 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第十三页，共七十页。1414柏建彪柏建彪 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。3.1.43.1.4 预成裂隙假说预成裂隙假说第十四页，共七十页。1515柏建彪柏建彪 被各种裂隙破坏了的假塑性体处于一种彼此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡；在自重及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩层的下沉量大于上部岩层时，就产生离层。支架应有足够的初撑力和工作阻力第十五页，共七十页。1616柏建彪柏建彪 “砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：3.1.53.1.5 砌体梁假说砌体梁假说 (1)(1)上覆岩层结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层。可将上覆岩层上覆岩层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。架联结的垫层。第十六页，共七十页。1717柏建彪柏建彪 (2)(2)随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层在裂缝带随着工作面的推进，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，由此决下凹、而后随工作面的推进逐渐恢复水平状态，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。定了断裂岩块间铰接点的位置。第十七页，共七十页。1818柏建彪柏建彪 (3)(3)由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两层骨架间的联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。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。杆联结关系。(5)最上层为表土冲积最上层为表土冲积层，可将其视为均布层，可将其视为均布载荷作用于岩体结构载荷作用于岩体结构上，而骨架层各岩块上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的上的载荷将随垫层的压实程度而变化。压实程度而变化。第十八页，共七十页。1919柏建彪柏建彪 (a)表表表表示示示示回回回回采采采采工工工工作作作作面面面面前前前前后后后后岩岩岩岩体体体体形形形形态态态态，其其其其中中中中，为为为为垮垮垮垮落落落落带带带带，为为裂裂缝缝带带，为为弯弯曲曲下下沉沉带带，A为为煤煤壁壁支支承承区区，B为为为为离离离离层层层层区区区区，C C为为重重新新压压实实区区；(b)(b)为为为为根根根根据据据据观观观观测测测测的的的的岩岩岩岩层层层层形形形形态态态态而而而而推推推推测测测测的的的的岩岩岩岩体体体体结结结结构构构构形形形形态态态态；(c)为为为为此此此此结结结结构构构构中中中中任任任任一一一一组组组组(i)结结结结构构构构的受力状态。的受力状态。的受力状态。的受力状态。第十九页，共七十页。2020柏建彪柏建彪 3.33.3 直接顶的垮落直接顶的垮落煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。回采工作面从开切煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达到其极限跨距眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达到其极限跨距时开始垮落。时开始垮落。直接顶初次垮落：直接顶垮落高度超过直接顶初次垮落：直接顶垮落高度超过11.5 m，范围超过，范围超过全工作面长度的一半。此时直接顶的跨距称为初次垮落全工作面长度的一半。此时直接顶的跨距称为初次垮落距。距。第二十页，共七十页。2121柏建彪柏建彪 33.1 3.3.1 直接顶初次垮落前的离层分析直接顶初次垮落前的离层分析直接顶初次垮落前，相对基本顶而言，其变形大直接顶初次垮落前，相对基本顶而言，其变形大，容易出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初，容易出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初次垮落前的离层与变形分析如下次垮落前的离层与变形分析如下(图图3-8)3-8)：图图3-8 3-8 直接顶初次垮落前的离层分析直接顶初次垮落前的离层分析 第二十一页，共七十页。2222柏建彪柏建彪 直接顶最大挠度直接顶最大挠度老顶最大挠度老顶最大挠度不离层条件不离层条件第二十二页，共七十页。2323柏建彪柏建彪 粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易形成直接顶与老顶间离层。为了防度时，均易形成直接顶与老顶间离层。为了防止直接顶因离层产生推跨事故必须保证支架具止直接顶因离层产生推跨事故必须保证支架具有一定的初撑力：有一定的初撑力：第二十三页，共七十页。2424柏建彪柏建彪 钻孔摄像机第二十四页，共七十页。2525柏建彪柏建彪 切眼钻孔位置图第二十五页，共七十页。2626柏建彪柏建彪 直接顶和老顶间发生离层第二十六页，共七十页。2727柏建彪柏建彪 3.3.2 3.3.2 直接顶垮落后的碎胀特性直接顶垮落后的碎胀特性 直接顶初次垮落后，岩石破碎，杂乱堆积直接顶初次垮落后，岩石破碎，杂乱堆积(图图3-9)，岩体的总体由于岩层破碎后体积将产生膨胀，堆积的高度岩体的总体由于岩层破碎后体积将产生膨胀，堆积的高度可能大于直接顶岩层原来的厚度。若直接顶岩层的垮落厚可能大于直接顶岩层原来的厚度。若直接顶岩层的垮落厚度为度为h，则垮落后堆积的高度为，则垮落后堆积的高度为Kph。它与老顶之间。它与老顶之间可能留下的空隙可能留下的空隙为：为：第二十七页，共七十页。2828柏建彪柏建彪 当M=h(Kp-1)时，=0，即冒落的直接顶将充满采空区。此时，一般老顶的弯曲下沉量较小，常可忽略不计。第二十八页，共七十页。2929柏建彪柏建彪 3.4 3.4 老顶的断裂形式老顶的断裂形式3.4.13.4.1 老顶的梁式断裂老顶的梁式断裂 随着工作面自开切眼开始推进，直接顶发生初次垮落。由随着工作面自开切眼开始推进，直接顶发生初次垮落。由于老顶强度较大，因而继续呈悬露状态。此时，可视老顶为一于老顶强度较大，因而继续呈悬露状态。此时，可视老顶为一悬露的悬露的“板板”。第二十九页，共七十页。3030柏建彪柏建彪 由于回采工作面长度（由于回采工作面长度（由于回采工作面长度（由于回采工作面长度（200m200m左右）远大于老顶悬露的跨距左右）远大于老顶悬露的跨距左右）远大于老顶悬露的跨距左右）远大于老顶悬露的跨距（40m40m40m40m左右）。因此可将老顶视为一端由工作面煤壁、另一左右）。因此可将老顶视为一端由工作面煤壁、另一端由边界煤柱支撑的固定梁，即所谓端由边界煤柱支撑的固定梁，即所谓“梁梁梁梁”的假说。此时，的假说。此时，的假说。此时，的假说。此时，若老顶之上的岩层强度较低，则上覆岩层的重量将通过老顶岩若老顶之上的岩层强度较低，则上覆岩层的重量将通过老顶岩若老顶之上的岩层强度较低，则上覆岩层的重量将通过老顶岩若老顶之上的岩层强度较低，则上覆岩层的重量将通过老顶岩“梁梁梁梁”传递至两端的支承点上，即煤壁和煤柱上。传递至两端的支承点上，即煤壁和煤柱上。第三十页，共七十页。3131柏建彪柏建彪 老顶两端固支梁受力分析老顶两端固支梁受力分析梁的应力状态梁的应力状态第三十一页，共七十页。3232柏建彪柏建彪 因因为为是是对对称称梁梁，所所以以梁梁两两端端的的反反力力R R1 1=R=R2 2，弯矩M M1 1=M2。取取Fy=0Fy=0，则，则 取岩梁内任意截面D-D，其剪切力为：，其剪切力为：最大剪切力发生在固定梁的两端R R1与R2处，其值为：处，其值为：第三十二页，共七十页。3333柏建彪柏建彪 任意截面D-D的弯矩为：式中M1根据材料力学的解，其值为 。故 。在固定梁的两端(x=0，L),；在梁的中部 ，。第三十三页，共七十页。3434柏建彪柏建彪 两两两两端端端端支支支支承承承承的的的的条条条条件件件件可可可可能能能能有有有有差差差差异异异异。例例例例如如如如，当当当当一一一一侧侧侧侧的的的的采采采采区区区区已已已已采采采采完完完完时时时时，隔隔隔隔离离离离煤煤煤煤柱柱柱柱上上上上方方方方的的的的顶顶顶顶板板板板已已已已处处处处于于于于自自自自由由由由端端端端状状状状态态态态，因因因因而而而而此此此此时时时时更更更更接接接接近近近近于于于于简简简简支支支支梁梁梁梁支支支支座座座座。有有有有些些些些国国国国家家家家把把把把浅浅浅浅部部部部的的的的矿矿矿矿井井井井老老老老顶顶顶顶按按按按简简简简支支支支梁梁梁梁计计计计算算算算，认认认认为为为为浅浅浅浅部部部部矿矿矿矿井井井井岩岩岩岩层层层层顶顶顶顶板板板板由由由由于于于于两两两两端端端端煤煤煤煤体体体体上上上上集集集集中中中中压压压压力力力力较较较较小小小小，因因因因而而而而可可可可视视视视为为为为简简简简支支支支梁梁梁梁支支支支座座座座，但在深部可应视为固定梁。，但在深部可应视为固定梁。，但在深部可应视为固定梁。，但在深部可应视为固定梁。第三十四页，共七十页。3535柏建彪柏建彪 由此可知，最大弯矩发生在梁的中间，即 若为简支梁，剪切力分布与图3-113-11相似，但弯矩则不同，即第三十五页，共七十页。3636柏建彪柏建彪 二、老顶的板破断二、老顶的板破断 老顶岩层初次断裂。一般老顶岩层厚老顶岩层初次断裂。一般老顶岩层厚24m，按照薄板的，按照薄板的假设，其厚度假设，其厚度(h)与宽度与宽度(a)的比值的比值h/a=1/71/15，因此，可，因此，可视老顶岩层为薄板，当老顶与上部岩层形成离层后更是如此。视老顶岩层为薄板，当老顶与上部岩层形成离层后更是如此。第三十六页，共七十页。3737柏建彪柏建彪 根据开采条件及采区边界煤柱的大小，又可将老顶岩层根据开采条件及采区边界煤柱的大小，又可将老顶岩层假设为：假设为：(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，三边简支。一边固支，三边简支。第三十七页，共七十页。3838柏建彪柏建彪 采采用用板板的的MarcusMarcus简简算算法法，即即视视“板板”为为分分条条的的梁梁，对对中中部部来来说说即即为为交交叉叉的的条条梁梁，按按挠挠度度相相等等的的原原则则可可求求得得板板中中部部及及边边界界上上的的弯弯矩及其分布矩及其分布图图。其其中中，(a)为为四四边边固固支支；(b)为为三三边边固固支支，一一边边简简支支；(c)为为两两边边固支，固支，两边简支；两边简支；(d)(d)为一边固支，三边简支。为一边固支，三边简支。第三十八页，共七十页。3939柏建彪柏建彪 随着弯矩的增长，老顶岩层达到强度极限时，将形成断裂。四随着弯矩的增长，老顶岩层达到强度极限时，将形成断裂。四周裂缝贯通而呈周裂缝贯通而呈“O O”形。板中央破断形成形。板中央破断形成“X X”型破坏。型破坏。第三十九页，共七十页。4040柏建彪柏建彪 工工作作面面长长度度b b与与推推进进距距a a满满足足a/b1a/b1，老老顶顶板板的的破破断断呈呈竖竖“O-X”O-X”型型破破断断形形式式。如如工工作作面面长长度度b b较较小小，导导致致老老顶顶初初次次破破断断时时a/ba/b1 1，老老顶顶的的破破断断将将呈呈图图3-153-15所所示示的的横横“O-X”O-X”型型破破断断形形式式。此此时时，仅仅在在A-AA-A剖剖面面上上满满足足“砌体梁砌体梁”结构。结构。图3-15 老顶板的横“O-X”型破断 第四十页，共七十页。4141柏建彪柏建彪 3.53.5 老顶的初次断裂步距老顶的初次断裂步距 老顶达到初次断裂时的跨距称为老顶达到初次断裂时的跨距称为初次断裂步距。初次断裂步距。老顶梁式断裂时的极限跨距可以用材料力学方法求得。老顶梁式断裂时的极限跨距可以用材料力学方法求得。图图3-163-16为两端固支梁的受力分析图。为两端固支梁的受力分析图。图3-16 岩梁上任意点的应力分析 第四十一页，共七十页。4242柏建彪柏建彪 第四十二页，共七十页。4343柏建彪柏建彪 已知梁内任意点的正应力为：式中 M该点所在断面的弯矩；y该点离断面中性轴的距离；Jz对称中性轴的断面矩。若取梁单位宽度，则梁的断面矩（断面惯性矩）(h为老顶岩层的单层厚度)。因而任意点A的正应力 ，该点的剪应力 ，第四十三页，共七十页。4444柏建彪柏建彪 两端固支梁极限跨距：按抗拉强度：按抗剪强度：两端简支梁极限跨距：按抗拉强度：第四十四页，共七十页。4545柏建彪柏建彪 计算老顶承受载荷。考虑到n层对第1层影响时形成的载荷，即(qn)1可得：图3-17 岩层载荷计算图 第四十五页，共七十页。4646柏建彪柏建彪 举例：假设图3-17所示第1层岩层控制的岩层为两层，即n=3。各岩层的厚度、体积力及弹性模量见表3-1，试求此岩层所受载荷大小。第四十六页，共七十页。4747柏建彪柏建彪 第1层本身的载荷q1为：考虑第2层对第1层的作用则：计算到第3层，则第1层的载荷为：第四十七页，共七十页。4848柏建彪柏建彪 同理计算到第4层，第1层的载荷为：由此可知，应考虑第一、二、三层对第一层载荷的影响。第四层由于本身强度大、岩层厚，对第一层载荷不起作用。因此，图3-17所示的第1层岩层所受载荷大小为174.7kPa 第四十八页，共七十页。4949柏建彪柏建彪 设h4，Rs=33Mpa，RT=7Mpa，q=174Kpa按抗拉强度：固支梁破断距为 36m 简支梁破断距为 29m按抗剪强度：破断距为1005m 显然，在同样条件下，由简支梁计算所得的极限跨距LLt要比由固定梁计算所得的小。在一般情况下，由于拉应力控制的极限跨距LLt要比剪切应力形成的极限跨距LLt小，因此常常按拉应力计算极限跨距。第四十九页，共七十页。50503.6 3.6 老顶断裂后的老顶断裂后的“砌体梁砌体梁”结构及其稳定性分析结构及其稳定性分析3.6.1 3.6.1 老顶初次断裂后的老顶初次断裂后的“砌体梁砌体梁”平衡平衡 当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面继当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面继续推进，老顶即发生初次断裂。断裂后的一般续推进，老顶即发生初次断裂。断裂后的一般状态可用图状态可用图3-183-18表示。表示。图3-18 老顶断裂的一般状态 第五十页，共七十页。5151柏建彪柏建彪 对于工作面中部，老顶的对于工作面中部，老顶的“X”型破坏特点则可能形成外型破坏特点则可能形成外表似梁，实质是拱的砌体梁的平衡关系。这种结构称之为表似梁，实质是拱的砌体梁的平衡关系。这种结构称之为“砌体梁砌体梁”。滑落失稳和回转变形失稳。滑落失稳和回转变形失稳。第五十一页，共七十页。5252柏建彪柏建彪 (1)(1)结构的滑落失稳结构的滑落失稳 咬咬合合点点处处的的摩摩擦擦力力，等等于于水水平平挤挤压压力力与与摩摩擦擦系系数数的的乘乘积，防止岩块间滑落的作用。积，防止岩块间滑落的作用。根根根根据据据据三三三三铰铰铰铰拱拱拱拱的的的的平平平平衡衡衡衡原原原原理理理理，成成成成拱拱拱拱且且且且使使使使岩岩岩岩块块块块保保保保持持持持平平平平衡衡衡衡的的的的水水水水平平平平推推推推力力力力T T T T为为为为：式中式中 qq裂隙体梁的裂隙体梁的载载荷集度；荷集度；LL跨距；跨距；h h老顶岩层的厚度。老顶岩层的厚度。第五十二页，共七十页。5353柏建彪柏建彪 当剪切力与摩擦力相等时，呈极限平衡状态。如果剪切力大于摩擦力，此结构将出现滑落失稳。要此结构不产生滑落失稳，必须满足：式中 岩块间的摩擦角；h岩块厚度；L/2破断岩块长度。第五十三页，共七十页。5454柏建彪柏建彪 三铰拱岩块结构是否产生滑落失稳主要取决于老顶破断岩块的高长比。一般情况下，=38 45，tan=0.81。因此，要防止老顶初次破断后“砌体梁”结构产生滑落失稳岩块的高长比要小于0.40.5，即岩块长度要大于22.5倍岩块厚度。第五十四页，共七十页。5555柏建彪柏建彪 若考虑老顶岩层断裂时，断裂面与垂直面成一断裂角，则咬合点的关系如图所示。第五十五页，共七十页。5656柏建彪柏建彪 相互间力的关系及平衡条件为（图相互间力的关系及平衡条件为（图a)：对于图(b)(b)的情况,平衡条件为：平衡条件为：第五十六页，共七十页。5757柏建彪柏建彪 (2)(2)结构的变形失稳结构的变形失稳在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。失稳。图3-20 回转岩块的分析 第五十七页，共七十页。5858柏建彪柏建彪 按图按图3-20(b)3-20(b)可求得可求得可求得可求得值值值值 (3-8)(3-8)式式中中 nnnn岩岩岩岩石石石石中中中中抗抗抗抗拉拉拉拉强强强强度度度度t t与与与与抗抗抗抗压压压压强强强强度度度度c c c c的的的的比比比比值值值值；K K 根根据据梁梁的的固固支支或或简简支支等等状状态态而而定定，一一般般 为为1/21/21/21/21/31/31/31/3；岩岩块块间间的的挤挤压压强强度度p p p p与与抗抗压压强强度度c c c cc c c c的的的的比比比比值值值值。由由由由此此此此可可可可以以以以求求求求得得得得在在在在岩岩岩岩梁梁梁梁破破破破断断断断后后后后互互互互相相相相咬咬咬咬合合合合中中中中间间间间下下下下沉沉沉沉量量量量达达达达时时，即即形形成成了了岩岩块块结结构构的的变变形失稳。形失稳。第五十八页，共七十页。5959柏建彪柏建彪 3.6.23.6.2 “砌体梁砌体梁”全结构模型的受力分析全结构模型的受力分析 随随着着回回采采面面连连续续推推进进，引引起起了了覆覆岩岩老老顶顶的的初初次次断断裂裂与与周周期期断断裂裂，首首先先是是第第1 1层层老老顶顶的的断断裂裂，接接着着上上覆覆第第2 2、3 3、层层老老顶顶相相继继发发生生断断裂裂。断断裂裂成成块块体体的的老老顶顶将将形形成成图图3-73-7所所示示的的“砌砌体体梁梁”结结构构。现现以以下下图图所所示示的的覆覆岩岩中中任任一一组组结结构构来来分分析析“砌体梁砌体梁”结构的受力特点。结构的受力特点。第五十九页，共七十页。6060柏建彪柏建彪 Q表示岩块自重及其载荷，Ri表示支承力，R0-i等则表示岩块间的铅直作用力，T为水平推力。第六十页，共七十页。6161柏建彪柏建彪 第六十一页，共七十页。6262柏建彪柏建彪 T水平推力；水平推力；R 下位岩层对上位岩层的阻力及块间的剪切力；Q Q每一岩块的重量；每一岩块的重量；L 每一岩块的长度；每一岩块的长度；s s，ss 每一岩块的下沉量；每一岩块的下沉量；每一岩块的斜率；每一岩块的斜率；h h 岩层厚度；岩层厚度；m m载荷系数，mQmQ表示岩块所承受载荷。表示岩块所承受载荷。第一个脚标表示岩层的层位，第二个脚标表示沿走向方向岩块的位置。例如Li1i1即即表表示示此此岩岩块块是是第第i分组中第C C块岩块的长度。第六十二页，共七十页。6363柏建彪柏建彪 若任意取岩块数，则此方程组可用下列关系式表示。式中,Mi为力矩列阵；Fi为矩阵系数；Ri为力列阵 第六十三页，共七十页。6464柏建彪柏建彪 同理，在平衡条件下，由此方程组可求得其它各个力的大小为：第六十四页，共七十页。6565柏建彪柏建彪 此结构的特征为：此结构的特征为：离层区悬露岩块的重量几乎全由前支承点承担；岩块岩块B B与与C间剪切力接近于零，因而此处相当于岩块咬合形成半拱的拱顶；此结构的最大剪切力发生在岩块此结构的最大剪切力发生在岩块A与与B之间，等于岩块之间，等于岩块B B本身的本身的重量及其载荷；重量及其载荷；此结构中第一、二断裂岩块即此结构中第一、二断裂岩块即B B与与C对结构平衡起关键作用，对结构平衡起关键作用，是结构中的关键块。是结构中的关键块。第六十五页，共七十页。6666柏建彪柏建彪 3.6.3 “砌体梁”结构的稳定性分析根据对岩体结构分析所得的结论，可对以下矿山压力现象做出解释：(1)老顶岩块的滑落失稳是工作面顶板出现台阶以及有时地表下沉出现台阶的原因；(2)煤壁上方老顶剪切力最大，是工作面顶板沿煤壁切落的原因；第六十六页，共七十页。6767柏建彪柏建彪 (3)上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆盖层重量的原上覆岩层结构的存在是支架受力小于覆盖层重量的原因，并由此可以分析工作面支架工作阻力必须平衡的顶板压因，并由此可以分析工作面支架工作阻力必须平衡的顶板压力大小；力大小；(4)(4)采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采空区是工采高小、直接顶较厚和采用充填法处理采空区是工作面顶板压力比较小的原因；作面顶板压力比较小的原因；(5)(5)工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。工作面形成的支承压力主要集中于前拱脚的原因。第六十七页，共七十页。6868柏建彪柏建彪 3.7本章小结 工工工工作作作作面面面面上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层有有有有时时时时能能能能形形形形成成成成岩岩岩岩体体体体内内内内的的的的“大大大大结结结结构构构构”，这这这这种种种种大大大大结结结结构构构构能能能能够够够够承承承承担担担担上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层重重重重量量量量，从从从从而而而而对对对对回回回回采采采采工工工工作作作作空空空空间间间间起起起起保保保保护护护护作作作作用用用用。因因因因此此此此分分分分析析析析上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层形形形形成成成成结结结结构构构构的的的的可可可可能能能能性性性性，研研研研究究究究其其其其破破破破断断断断规规规规律律律律及及及及其其其其形形形形成成成成结构的稳定性，是这一章的主要内容。结构的稳定性，是这一章的主要内容。结构的稳定性，是这一章的主要内容。结构的稳定性，是这一章的主要内容。本本本本章章章章首首首首先先先先提提提提出出出出直直直直接接接接顶顶顶顶、伪伪伪伪顶顶顶顶、老老老老顶顶顶顶的的的的概概概概念念念念和和和和采采采采空空空空区区区区的的的的几几几几种种种种处处处处理理理理方法。方法。方法。方法。概概述述采采场场上上覆覆岩岩层层活活动动规规律律的的压压力力拱拱假假说说、悬悬臂臂梁梁假假说说、铰铰接接岩岩块块假假说说、预预成成裂裂隙隙假假说说；详详细细介介绍绍了了我我国国学学者者在在此此基基础础上上提提出出的的岩岩体体结结构构的的“砌砌砌砌体体体体梁梁梁梁”力力力力学学学学模模模模型型型型，发发发发展展展展了了了了上上上上述述述述有有有有关关关关假说。假说。假说。假说。第六十八页，共七十页。6969柏建彪柏建彪 依次分析直接顶板的离层、垮落，老顶岩层以“梁”的模式和以“板”的模式破断形式，计算老顶岩层以“梁”模式断裂的极限跨距。老顶初次断裂后的“砌体梁”平衡状态以及结构的滑落失稳和变形失稳。最后分析研究“砌体梁”全结构模型的受力状况和保持稳定的条件。第六十九页，共七十页。内容总结1。柏建彪 。底板：位于煤层下方的岩层称为底板。伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.30.5 m、极易垮落的软弱岩层，称为伪顶。取岩梁内任意截面D-D，其剪切力为：。任意截面D-D的弯矩为：。(c)两边固支，两边简支。(c)为两边固支，两边简支。此时，仅在A-A剖面上满足“砌体梁”结构。若取梁单位宽度，则梁的断面矩（断面惯性矩）第七十页，共七十页。