3采场顶板活动规律10.pptx
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、。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
9、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
10、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
11、)(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。
12、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
13、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 3
14、.3.1 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
15、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
16、),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
17、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
18、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
19、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
20、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
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