回采工作面上覆岩层活动规律及其分析

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1、矿山压力与岩层控制第三章采场顶板活动规律第一节几个概念回采工作面（采场）顶板底板采空区在煤层或矿床的开采过程中，直接进行采煤或采有用矿物的工作空间直接顶伪顶老顶直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。随回柱放顶而垮落，页岩、砂页岩等位于煤层和直接顶之间，厚度小于0.3～0.5m，随采随冒。炭质页岩、泥质页岩等。位于直接顶之上，对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层。砂岩、石灰岩及砂砾岩等。序号岩性层厚/m容重/kg·m-3抗压强度/MPa1砂质泥岩32760182泥岩22760183粗砂岩162670504泥岩52260205炭质泥岩0.71850156

2、6#煤41400107砂质泥岩10276021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)全部垮落法根据实测，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层重量的百分之几。这是因为上覆岩层形成了“大结构”，这种大结构能够承担上覆岩层重量，从而起到对回采工作面的保护作用。全部垮落法回采工作空间的变化第二节有关采场上覆岩层“大结构”的假说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。一、压力拱假说该假说认为，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

3、采空区充填体上。前拱角后拱角此假说认为，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。二、悬臂梁假说该假说认为，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。三、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律的水平挤压力的联系，从而相互铰合而形成一条多环节的铰链。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

4、假塑性梁。四、预成裂隙假说“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：五、砌体梁力学模型采动上覆岩层的岩体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。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的过程，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。若曲线下凹，则铰接点位置在岩块断裂面的偏下部；反之，则在偏上部

5、。如果在回采空间以及邻近的采空区上方出现明显的离层区，说明该区内断裂的岩块可以形成悬露结构。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。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杆联结关系。最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化。第三节直接顶的垮落2、直接顶初次垮落距1、直接顶初次垮落3、直接顶垮落后的碎胀特性形成充满采空区所需直接顶厚度为：直接顶的垮落高度超过1～1.5m，范围超过全工作面长度的一半。直接顶的第一次大面

6、积垮落老顶的最大挠度为：直接顶的最大挠度为：不形成离层的条件为：若令q1=γh3，且h3＝α·h1则上式可改写为：4、直接顶初次垮落前的离层若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为：P——支架单位面积初撑力。粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易于形成直接顶与老顶间离层。为了防止直接顶因离层产生推垮事故必须保证支架具有一定的初撑力：直接顶和老顶间发生离层图2-6利用红外钻孔探测仪观测到的顶板离层裂隙切眼钻孔位置图红外钻孔摄像机一、老顶岩层的梁式平衡概念:1．初次垮落距2．膨胀系数KP、残余膨胀系数K'P老顶初次垮落前岩体结构图第四节

7、老顶的断裂形式Δ＝Σh＋M－Kp·Σh＝M－Σh(Kp－1)当Δ＝0时，老顶弯曲下沉较小因此形成充满采空区所需直接顶厚度为：当Δ>0时，老顶呈悬露状态，类似板状结构。即所谓“梁”的假说。分析这种梁的应力状态老顶岩梁受力分析对称梁，所以：R1＝R2，弯矩M1＝M2。取ΣFy＝0，则任意截面D－D'，剪力为：所以:固定梁任意截面D－D'的弯矩为：在梁的两端(x＝0；Ｌ)，Mmax＝；在梁的中部(x＝)，M＝qL2。若为简支梁：此时，剪力相同，但弯矩不同。即：此时，Mmax在梁的中间，即：二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式根据开采条件及采区边界煤柱的大小，可将

8、老顶岩层假设为：a)四周