第5章_回采工作面上覆岩层活动规律及其分析[1]

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1、70《矿山压力与岩层控制》教案（第二版，王家臣，2007-12-20）第五章回采工作面顶板岩层活动规律及其分析5.1概述在煤层或矿床开采过程中，一般把直接进行采煤或开采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。老顶底板直接顶煤层伪顶直接底顶板：位于煤层之上的岩层称为顶板。分为：（1）直接顶（immediateroof）：直接顶位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层；通常由具有一定稳定性且易于随工作面回柱放顶而垮落的页岩或砂页岩等岩层组成。也有人认为采空区冒落带内的岩层统属于直接顶。（2）伪顶（falsero

2、of）：直接顶与煤层间厚度小于0.5m极易垮落的软弱岩层，它随采随冒。（3）老顶（基本顶，mainroof）：直接顶上方（有时直接位于煤层之上）的厚而坚硬的岩层。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。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。工作面回采过程中，必须对回采工作面进行支护，保证工作面有足够的作业空间和形态。同时对采空区要进行处理，目前对采空区的处理方法主要有以下几种。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

3、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。70《矿山压力与岩层控制》教案（第二版，王家臣，2007-12-20）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。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“结构”。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

4、护作用。根据实际测定，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层的百分之几。但当工作空间维护的时间较长时，有时由于岩体内所受的力超过了其弹性极限，或由于煤岩的蠕变特性，则使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“挤、压、臌”现象。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“结构”。5.2直接顶的稳定性直接顶是工作面直接维护的对象，直接顶经常处于破断状态，且无水平力的挤压作用，因而它难以形成结构，它的重量全由工作面支架来承担。从岩体形成结构的

5、观点来分析，对于老顶形成的大结构，支架是通过直接顶对其起支撑作用。因此，直接顶的完整情况，将首先影响到工作面生产的安全，同时也是保证支护能否全部发挥其性能的重要保证。从顶板事故的现场统计看，许多顶板事故是由于直接顶与老顶产生离层，然后由直接顶引起推垮型事故（单体柱），因此应研究直接顶与老顶间形成离层的条件。5.2.1直接顶岩块离层原因分析（1）节理、裂隙的切割：见下图。一旦支护工作出现疏忽，均可导致直接顶局部冒落。（2）岩性原因：初次放顶前，由于直接顶的挠度大于老顶，此时老顶处于板的悬露状态。直接顶强度较弱，岩

6、层较薄，而产生二者离层。70《矿山压力与岩层控制》教案（第二版，王家臣，2007-12-20）（3）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，此减压区内将形成直接顶岩层的离散状态。5

7、.2.2初次放顶前直接顶的离层与断裂以工作面中部为例，采用平面梁进行分析,见图3-16。由材料力学，可解出图3-16力学模型老顶的最大挠度为直接顶的最大挠度为（认为老顶对直接顶无作用，老顶以上力由老顶承担）E1、E2、J1、J2分别为老顶、直接顶的弹模和断面惯性矩。显然，老顶与直接顶之间不形成离层的条件为：i.e简化为：α—系数令，且。则70《矿山压力与岩层控制》教案（第二版，王家臣，2007-12-20），则即：此即为老顶与直接顶不形成离层的理论条件粗略地讲，当直接顶厚度小于老顶厚度，均易形成这种离层。当然这

8、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。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：式中p为支架单位面积的支撑力。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。5.3老顶岩层的稳定性5.3.1老