h第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析

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1、第三章采场上覆岩层活动规律及其分析§1概述一、基本概念：1．回采工作面（采场）：在煤层或矿床的开采过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:052．顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板。底板：赋存煤层以下的岩层称为底板。3．直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3至0.5m极易垮落的软弱岩层。老顶：位于直接顶上方厚而坚硬的岩层。直接底：直接位于煤层之下的岩层。§1概述一、基本概念第三章采场上覆

2、岩层活动规律及其分析20:05二、采空区处理方法图3–1回采工作空间的形式§1概述第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05图3-2全部垮落法回采工作空间的变化§1概述二、采空区处理方法第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05§2老顶岩层的稳定性一、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三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05Δ＝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，

3、类似板状结构。即所谓“梁”的假说。§2老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05分析这种梁的应力状态老顶岩梁受力分析§2老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05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:§2老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05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。§2老顶岩层的稳

4、定性一、老顶岩层的梁式平衡第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05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：§2老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式平衡第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05二、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，可将老顶岩层假设为：a)四周固支；b)三边固支一边简支；c)两边固支两边简支；d)一边固支及三边简支。§2老顶岩层的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05图3-5老顶岩层支撑条件的简化二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与

5、破断形式§2老顶岩层的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05图3-6各类支撑条件下的弯矩分布二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式§2老顶岩层的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05（1）以四边固支的板为例，老顶岩层X形破坏形成过程：二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式§2老顶岩层的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05（2）当采场处于一边采空的条件下(该边作为简支条件)，其破断规律与四周固支时相近。（3）当老顶岩层处于两边简支两边固支时如下：长边出现裂缝→工作面推进→长边另出现裂缝(

6、原裂缝闭合)→短边出现裂缝→裂缝贯通，板中央出现X形破坏。（4）当工作面处于三边采空时，老顶岩层的破断过程与上述情况相仿。二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式§2老顶岩层的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05§3老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距极限跨距：老顶岩梁达到断裂时的跨距。求解过程：梁内任一点正应力为：M-该点所在断面的弯矩；y-该点离断面中性轴的距离；Jz-对中性轴的断面矩。第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05图3–9岩梁上任意点的应力分析§3老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂

7、时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05取梁单位宽度，则Jz＝h3任意点A：＝，τxy＝最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，即y＝0，∴(τxy)max＝§3老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05①若根据固定梁计算：Ｍmax＝－qＬ2则：当max＝ＲT时，岩层将在该处拉裂。为此，这种梁断裂时的极限跨距为：§3老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05如以最大剪应力作为岩层断裂的依据，最大剪切力发生在梁的两端

8、Qmax＝(τxy)max＝当(τxy)max达到极限强度ＲS时，形成的极限跨距为：§3老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:05②考虑为简支梁：仍然(τxy)max=，与固定梁计算结果相同。因此，