1、之第三章采場上覆巖層運動和開展的根本規(guī)律山東科技大學(xué)資環(huán)學(xué)院資 源 工 程 系本章提要本章特點學(xué)習(xí)難點有較多的根本概念有較多的根本規(guī)律礦巖層運動和破壞方式的判別方法巖層縱向組合運動的分析方法巖層推進方向巖層運動各階段的參數(shù)特點上覆巖層運動和破壞的根本方式上覆巖層在推進方向上的運動規(guī)律 上覆巖層縱向運動開展的根本規(guī)律上覆巖層運動參數(shù)確實定 P1 3.1上覆巖層運動和破壞的根本方式3.1.1上覆巖層運動的兩種根本方式3.1.3上覆巖層破壞方式的判別3.1.2 巖層運動開展至破壞的力學(xué)條件 3.1.4巖層破壞方式的轉(zhuǎn)化3.3上覆巖層在推進方向上的運動規(guī)律 3.4 上覆巖層運動參數(shù)確實定 3.2上覆巖

2、層縱向運動開展的根本規(guī)律P23.1.1上覆巖層運動的兩種根本方式一 彎拉破壞的運動方式1 運動過程上覆巖層懸露如圖3.1a在其重力作用下彎曲如圖3.1b端部開裂如圖3.1c構(gòu)成“假塑性巖梁如圖3.1d自行跨落如圖3.1eP3bacdP4e 巖層運動由彎曲沉降開展至破壞的力學(xué)條件是巖層中的最大彎曲拉應(yīng)力到達其抗拉強度。即： 3.1 2 力學(xué)條件圖3.1彎拉破壞的運動方式P5二 剪切斷破壞的運動方式彎曲變形端部開裂圖3.3a整體切斷跨落圖3.3b1 運動過程P6ab圖3.2 剪切運動的根本方式 P72 剪斷的充要條件當(dāng)采場推進至巖梁端部開裂位置附近，剩余抗剪斷面上的剪應(yīng)力超越限制，雖其中部還未裂開

3、，只需巖層下部有少量運動空間，巖層即被剪斷。3 顯現(xiàn)特點動壓沖擊支架阻力不夠頂板沿煤壁切下如圖3.3a臺階下沉如圖3.3bP8a b 圖3.3 剪斷運動方式對任務(wù)面的要挾P93.1.2 巖層運動開展至破壞的力學(xué)條件 懸跨度到達極限跨度中部裂斷彎拉破壞深化煤壁的兩端部斷裂力學(xué)過程彎壞的力學(xué)過程，就是其支承條件由雙嵌固梁向簡支梁開展的過程。如圖3.4abP10圖3.5 巖梁的支承條件與彎距 a-嵌固形狀; b-簡支形狀P11任務(wù)面推進至巖梁懸跨度達極限值L0時，梁端彎矩MA為： 當(dāng)梁端部的拉應(yīng)力為： 3.12 懸露巖層由彎曲開展至破壞的力學(xué)過程和條件為P123.13 當(dāng)懸露巖層上部存在較為脆弱的巖

4、層時，那么構(gòu)成由不同巖性的巖層組成下硬上軟的組合巖梁，其端部裂斷時的拉應(yīng)力為： 當(dāng)懸露巖層上部無比其脆弱巖層時，該巖層只受本身重力的作用，其端部裂斷時的拉應(yīng)力可按下式計算 3.14 P13式中 m 強度高的下部支托層厚度，m； 隨支托層同時運動上部較脆弱的巖層的厚度，m。 在梁端部開裂開展的過程中，隨著端部彎矩減少，梁的中部彎矩將逐漸添加；隨著支承條件向簡支梁的轉(zhuǎn)化，中部彎矩將向接近 的數(shù)值開展。 P14在嵌固梁向簡支梁轉(zhuǎn)化的過程中，當(dāng)巖梁中部拉應(yīng)力到達 時， 中部必然拉開，巖梁開展至跨落或堅持“假塑性巖梁形狀。 巖梁端部和中部開裂的力學(xué)條件應(yīng)為 = 為了便于運用，其力學(xué)條件可用巖梁懸露的極限

5、跨度L0表示。 3.15 P15當(dāng)=0，即單一巖層彎曲破壞時， 3.16 顯然，L0值隨巖梁厚度m、允許抗拉強度的添加而增大，隨的添加而減小。 支托層上的軟巖厚度 巖梁剪壞的力學(xué)過程 當(dāng)巖梁懸跨度到達極限跨度時，梁端因拉應(yīng)力超限而開裂； 巖層剪壞的力學(xué)過程和條件P16當(dāng)任務(wù)面煤壁推至開裂位置或構(gòu)造斷裂面附近，在梁中部拉應(yīng)力的大小仍未到達超限的情況下，由于懸露巖層端部剩余抗剪斷面缺乏，其剪應(yīng)力超限，呵斥巖層沿任務(wù)面煤壁附近整體切斷而跨落。假設(shè)任務(wù)面支護有較高的支護強度，巖層將沿放頂線切下。 懸露巖層剪壞的力學(xué)條件是：梁端抗剪斷面上的最大剪應(yīng)力為：最大剪應(yīng)力Qmax和抗剪端面面積S分別為：P17整

6、理得以巖層懸露跨度表示的剪壞力學(xué)條件為：實際判別根據(jù)力學(xué)條件分析，實際上判別是很簡單的。 巖層的兩種破壞方式是隨地質(zhì)和采動條件的變化而相互轉(zhuǎn)化的。3.1.3上覆巖層破壞方式的判別L0 E上m上2E下m下2 E上m上2 上下兩巖層同時運動上下兩巖層分開運動且下部巖層先運動P30兩巖層在自重作用下彎曲沉降分析L下= 1.25L上由E下m下2=(1.25)4 E上m上2判別E一樣m下m上E下1.254 m上2時才同時運動下部先運動P31只需當(dāng)E下1.254 E上同時運動m,E都不一樣E下m下21.254 E上m上2同時運動E下m下2 1.254 E上m上2分開運動m一樣E下=E上，m下=m上下部先運

7、動P32巖層縱向運動開展規(guī)律1 隨采場推進，巖層懸露達一定跨度彎曲沉降到一定值后，強度低的脆弱夾層或接觸面在軸向剪應(yīng)力作用下破壞，發(fā)生離層，并為下部巖層的自在沉降和運動向上部巖層開展發(fā)明了條件。4 巖層的厚度較之巖性對巖層的離層和運動組合的影響重要的多。 2 巖層的縱向運動總趨勢大體上是由下而上開展的。3 離層后上下巖層的運動組合情況由巖層的強度差別決議，上部巖層強度較下部巖層越高，下部巖層越先于上部巖層運動，上部巖層運動滯后的時間越長。相反，那么同時運動。P33直接頂所謂直接頂是指在老塘采空區(qū)內(nèi)已跨落，在采場內(nèi)由支架暫時支撐的懸臂梁，其構(gòu)造特點是在采場推進方向上不能一直堅持程度力的傳送。如圖

8、3.11a所示。根本頂是指運動時對采場礦壓顯現(xiàn)有明顯影響的傳送巖梁的總合，在初次來壓后，是一組在推進方向上能一直傳送程度力的不等高裂隙梁。如圖3.11b所示。 a直接頂 b根本頂 3.2.2 直接頂和根本頂P34 3.2.3直接頂和根本頂?shù)南嗷マD(zhuǎn)化 實際證明，能夠呵斥直接頂和根本頂兩部分巖梁轉(zhuǎn)化的緣由，主要有以下幾個方面： 1地質(zhì)條件的變化，主要是巖層厚度和斷層等構(gòu)造的影響。 2采動條件的變化，主要是采高和推進速度的變化。 3改動采空區(qū)頂板處置方法。 4改動開采程序。 P353.1上覆巖層運動和破壞的根本方式3.3上覆巖層在推進方向上的運動規(guī)律 3.2上覆巖層縱向運動開展的根本規(guī)律3.3.1采

9、場上覆巖層運動的兩個開展階段3.3.2巖層運動的開展過程3.3.3影響巖層運動開展的要素3.4 上覆巖層運動參數(shù)確實定 P36圖3.12 采場上覆巖層運動3.3.1采場上覆巖層運動的兩個開展階段初次運動階段從巖層由開切眼開場懸落,到對任務(wù)面有影響的一、二個傳遞巖梁第一次斷裂運動終了為止。如圖3.12a、bP37圖3.12上覆巖層運動周期性運動階段從巖層初次運動終了到任務(wù)面采完，頂板巖層按一定周期有規(guī)律的斷裂運動，稱做周期性運動階段如圖3.12cf。P383.3.2巖層運動的開展過程圖3.12中a 、c、e我們把巖梁運動幅度較小，對采場礦壓影響不明顯的過程稱為巖梁處于相對穩(wěn)定過程。用相對穩(wěn)定運動

10、步距 b表示。即巖梁處于相對穩(wěn)定形狀時任務(wù)面推進的間隔圖3.12中 b、d、f巖梁運動幅度大，對采場礦壓有明顯影響的過程,稱為巖梁處于顯著運動過程,既通常所說的來壓過程。用顯著運動步距a 表示,即巖梁大幅度運動開場,到運動根本終了相對穩(wěn)定階段顯著運動過程P39為止,任務(wù)面推進的間隔。巖梁閱歷一次相對穩(wěn)定過程與顯著運動的全過程就完成了一個周期,描畫巖梁運動周期長短的參數(shù)時周期來壓步距C,是指巖梁完成一次周期性運開任務(wù)面所推過的間隔。 c=a+ba-巖梁的顯著運動步距,b-巖梁的相對穩(wěn)定步距.來壓步距是反映巖梁強度特征和對任務(wù)面影響程度的重要參數(shù)。巖梁來壓步距P403.3.3影響巖層運動開展的要素

11、巖層的強度特征采動條件 采高、推進速度。內(nèi)在要素力學(xué)性質(zhì)厚度節(jié)理裂隙分層厚度t厚薄大小P41強迫放頂、充填全部充填、部分充填。采空區(qū)處置方法3.3.4巖梁運動的根本參數(shù)初次運動階段的根本參數(shù)1 表達巖梁運動過程的根本參數(shù)巖梁的相對穩(wěn)定步距b0巖梁的顯著運動步距a0巖梁初次來壓步距c0P42來壓完成時辰采場頂板下沉量給定變形(支架對巖梁運動不進展限制) ： 2 表達巖梁來壓終了時辰巖梁位置形狀的參數(shù)C0-初次來壓步距, h-采高; -冒高限定變形(支架對巖梁運動進展限制)： 用h0表示，由支護強度PT決議。P43 來壓終了時的巖梁跨度給定：LOA(來壓終了時的巖梁跨度)表示，大小由巖梁運動步距決

12、議。限定：L0表示，由支護強度決議。采場最小頂板下沉量 h0 。3 表達巖梁來壓前夕的位態(tài)參數(shù)巖梁的最大跨度 L0=b0(巖梁的相對穩(wěn)定步距) P44正常推進階段根本參數(shù) 1 表達巖梁運動過程的參數(shù) b、a、c2 表達周期來壓終了時的位態(tài)參數(shù)。 來壓終了時頂板下沉量：給定變形：hA 限定變形: hi來壓終了時的巖梁跨度：給定變形：LA 限定變形：LiP453 表達周期來壓前夕巖梁位態(tài)參數(shù)及其相互關(guān)系極限跨度：巖梁運動步距的力學(xué)分析 1、巖梁第一次來壓步距C0組合梁：單一梁：P462、巖梁周期來壓步距c巖梁為不等高支承的鉸接巖梁。鉸接巖梁由原來曾經(jīng)斷裂的部分c1及可以近似看成是處于懸臂梁受力形狀

13、的部分C2組成。假設(shè)不思索巖梁的撓曲那么C2部分所受的構(gòu)造力包括：巖梁的自重 C1部分經(jīng)過鉸接點 O的推壓力P及相應(yīng)的摩擦力F=Pf。P47圖3.15 根本頂巖梁周期來壓模型 P483.4 上覆巖層運動參數(shù)確實定 3.4.1 直接頂厚度冒高確實定方法開采單一煤層或厚煤層分層的冒高值一不思索巖梁本身沉降的推斷方法巖層冒落至自然接頂，不思索巖層本身沉降的影響。從以下圖中可以推得：對于強度不高，厚度不大的巖層覆蓋采場，普通在初次來壓階段比較準確，而沒有思索巖層都是由沉降而開展的實踐。對于緩沉采場不能解釋觀念P49 圖3.17 不思索巖層彎曲沉降時的冒高 P50除整體切斷采場外，巖層冒落都是由彎曲沉降

14、而來，推斷冒高必需思索巖梁沉降和巖層變形才干及下步運動空間的高度。二思索巖梁沉降的推斷方法1SA與KA的取值一定要在同一地點。 2 SA與KA值的實踐意義是確定的反力中心。觀念留意P51 圖3.18 思索巖層彎曲沉降時的冒高 P52三直接頂厚度的實測推斷方法 利用采場來壓前夕支柱承載值P可以反推直接頂跨落厚度。 圖3.19 采場來壓前夕支柱受力圖 P53采高h 的影響 巖梁的允許沉降值S0及巖梁的實踐沉降 值SA的影響 四影響直接頂厚度的主要要素 五巖梁觸矸處已冒巖層碎脹系數(shù)KA的影響 巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造情況巖層破壞方式六 采空區(qū)頂板處置方法的影響采用充填法可以減少冒高值采用強迫放頂可以將能夠整體跨落的采場向普通采場轉(zhuǎn)化P54七開采程序的影響 在有整體切落危險的鞏固頂板巖層條件下，實行反程序開采，可防止切落危險。 3.4.2 根本頂厚度確實定方法 關(guān)于根本頂?shù)暮穸确秶?，宋振騏院士等曾經(jīng)在開灤范各莊礦巖層運動實測的研討中進展了討論，初步以為根本頂范圍約為采高的56倍。經(jīng)過最近幾年井下實測研討的驗證，在普通巖層條件下，這個結(jié)論比較接近客觀實踐。 P55井下采用巖層動態(tài)觀測研討方法確定根本頂厚度，包括以下兩方面的任務(wù)內(nèi)容：1確定各傳送巖梁的位置及厚度； 2確定影響采場的傳送巖梁的數(shù)目。 P56