03第三章 回采工作面上覆岩层活动规律

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1、第三章回采工作面上覆岩层活动规律本章为矿压主要规律之一。介绍全部垮落法开采，回采工作面顶板下沉、断裂、移动规律，使学生建立顶板移动的空间概念。在基本假设的条件下，对顶板破坏进行定量分析。重点：顶板划分及其移动规律、工作面顶板来压产生及其过程。难点：顶板力学结构分析第一节概述本节介绍：工作面顶底板及其力学结构一、工作面顶底板的划分：1、顶板——位于煤层上方的岩层。伪顶——位于煤层与直接顶之间、厚度较小，随落煤而垮落的岩层（页岩、炭质页岩）；直接顶——接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层（页岩、砂质页岩）；老顶（基本顶）——位于直接顶或煤层之上厚而坚硬的岩层（砂岩、砾岩、石灰岩

2、）。三顶赋存状态对顶板管理有直接影响。伪顶影响煤质，直接顶影响顶板管理，老顶影响来压。顶板划分主要依据岩性（强度、垮落性），与厚度关系不大（伪顶除外）。2、底板——位于煤层之下的岩层。直接底——直接位于煤层之下的岩层（泥岩、泥质页岩、砂页岩）（古土壤）；老底——直接底以下的岩层。直接底的强度对顶板管理形成影响。二、回采工作空间类型：回采工作空间类型依据开采方法不同而异。1、完整空间——刀柱法；2、自弯曲空间——顶板塑性，缓慢下沉闭合；3、充填空间——充填法；4、垮落空间——全部垮落法。三、顶板的工作结构：1、梁式结构——顶板沿倾斜方向较长，变形相差不大，约束条件相同。故可将顶板

3、视为沿走向的梁（组合梁）。按梁式结构承载、变形、破坏理论进行定量分析。（误差较大）2、板式结构——将顶板岩层视为一个板（多块板咬合），按板式结构的变形、强度分析。（计算较为复杂，误差小）目前，提出关键层理论，更加接近实际。无论何种结构，采用全部垮落法，其边界支撑条件发生很大的变化，一侧为固定支撑，另一侧为垮落矸石柔软支撑，从而使顶板的原有结构发生变化，形成形形色色的破坏类型。第二节老顶岩层的力学分析本节介绍老顶的梁式、板式力学分析，了解老顶破坏机理及过程。一、老顶梁式结构分析：1、老顶的支撑条件：开切眼后，直接顶冒落依kP及冒落厚度有如下等式：1}当全部充填满回采空间时：此时，

4、老顶受到冒落堆积矸石的支撑，老顶变形受阻，稳定性增强，对开采有利。全部充填满回采空间，要求冒落直接顶厚度应满足条件。若则2）当不能充填满回采空间时：此时，老顶在回采空间上方悬露，似梁承受上覆岩层载荷，变形甚至断裂，为最不利情况。老顶变形无阻，发生断裂引起工作面来压的条件为，即直接顶冒落后不能充填满回采空间。2、老顶梁式结构力学分析：假设老顶为梁式结构，，梁两端支撑条件为固定支撑，由结构力学知其内部各截面的剪应力、弯矩分布如图示：（剪力符号：截面左段向上为+，反之为—）（弯矩符号：截面处下凸时为+，上凸为—）最大剪力发生在梁的两端，最大弯矩也在梁的两端，次弯矩在梁的中央。1）剪力

5、与弯矩分布：截面上剪力：当x=l、x=0时，剪应力最大。X=l/2时，剪应力为0。截面上弯矩：当x=0,x=l时，当x=l/2时，最大弯矩发生在梁的两端，次大弯矩在梁的中央。若为简支梁，则最大弯矩发生在梁的中央，此时。2）危险截面剪应力与拉应力：两端固支梁危险截面在两端，此时最大剪应力：最大拉应力：3、老顶岩层的极限跨距：极限跨距——老顶岩层在无支撑条件下，所能悬露的最大跨度。1）按危险截面最大拉应力（弯矩）确定：两端固定梁：当时，有两端简支梁：当时，有可见，两端简支时极限跨距小。2）按危险截面最大剪应力（剪力）确定：两端固定梁：当时，两端简支梁：剪力分布与两端固定梁相同，由剪

6、力确定的跨距相同。一般情况，故常用作为极限跨距。梁的极限跨距为：固定梁：简支梁：老顶的破断过程：达到极限跨距时，固定梁两端由弯矩产生的拉应力超过岩层抗拉强度，两端先发生断裂，断裂后成为两端简支梁，由于简支梁极限跨距小于固定梁，而此时的跨距已超过简支梁的极限跨距，简支梁必然会在中间部位由于最大弯矩形成的拉应力作用而断裂。断裂岩层可发生垮落，也可由于岩块之间存在相互挤压力，而形成咬合结构，暂时平衡。实际中，由于岩层被裂隙切割，断裂部位有一定的随机性。4、q的确定：由于各岩层之间具有相互影响，岩层中存在强度较高的“关键层”可以传递、转移载荷，所以q不是上覆岩层的平均载荷。理论分析表明

7、，从下向上第一个“关键层”以下岩层的载荷为q。1）组合梁理论：组合梁各分层变形形成曲率一致（否则会离层）；组合梁整体剪力、弯矩由各分层分担（总合相等）；组合梁曲率半径较大。2）q计算公式：式中——各层岩层的弹性模量；n——岩层序号；——各岩层厚度；——各岩层容重。此公式需逐层计算，当<时，则以作为作用于第一层岩层上的载荷。例：P81二、老顶板式结构分析：工作面一层顶板一般长150—200米，宽30米，厚2—4米，可视为薄板。1、板式结构边界支撑条件：P81图3—51）四面固支——初采工作面2