第三章采场上覆岩层运动和发展的基本规律2

目录第0章绪论 (1)第1章矿山压力与矿山压力显现 (6)第2章采场上覆岩层运动和发展的基本规律 (7)第3章采场围岩支承压力及矿压显现与上覆岩层运动间的关系 (10)第4章回采工作面顶板控制设计 (14)第5章综采放顶煤采场矿压控制 (16)第6章矿柱支护采矿法的岩体控制 (20)第7章回采巷道矿压理论 (21)第8章冲击地压及其监测 (35)矿山压力与压力控制习题第0章绪论1、顶板事故频繁发生的基本原因是什么?答：顶板事故频繁发生的基本原因是：（1）没有很好地研究和掌握各个具体煤层需要控制的岩层范围及其运动的规律（包括运动发生的时间和条件等），顶板控制设计缺少基础；2）没有深入地研究和掌握各种类型支架的特性，特别是在生产现场所能达到的实际支撑能力。

没有解决好针对具体煤层条件选好和用好支护手段方面的问题；3）没有更好地揭示支架与顶板运动间的关系，达到正确合理的选择控制方案。

2、矿山压力与岩层控制研究的主要任务是什么?答、矿山压力与岩层控制研究的主要任务为：（1）研究随采场推进在其周围煤层及岩层中重新分布的应力（包括应力大小及方向等）及其发展变化的规律。

该应力的存在和变化是煤及岩层变形、破坏和位移的根源，也是采场及周围巷道支架上压力显现的条件。

搞清分布在煤层及各个岩层上的应力状况，揭示它们随采场推进及岩层运动而变化的规律，是采场矿山压力研究的重点。

（2）研究采场支架上显现的压力及其控制方法。

包括压力的来源、压力大小及与上覆岩层运动间的关系、正确的控制设计方法等。

（3）研究在采场周围不同部位开掘和维护的巷道的矿山压力显现及其控制办法。

包括不同时间开掘的巷道压力的来源、巷道支架上显现的压力大小及其影响因素、以及支架与围岩运动间的关系等。

（4）控制采动岩层活动的主要因素分析。

从十分复杂的采动岩层活动中建立采动岩层的结构力学模型，从而展开对采场顶板矿压、采场突水、岩层移动及地表沉陷规律等进行系统描述。

（5）深部开采时采场支承压力分布、岩层结构及运动特点、围岩大变形的控制机制等。

第三章采煤工作面上覆岩层移动规律第一节概述一、煤层顶底板岩层的构成煤层处于各种岩层的包围之中。

处于煤层之上的岩层称为煤层的顶扳；处于煤层之下的岩层称为煤层的底板。

根据顶、底板岩层离煤层的距离及对开采工作的影响程度不同，煤层的顶、底板岩层可分为：(l)伪顶。

紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。

通常由炭质页岩等软弱岩层组成，厚度一般小于0.5m，随采随冒。

(2)直接顶。

位于伪顶或煤层之上，具有一定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层称为直接顶。

通常由泥质页岩、页岩、砂质页岩等不稳定岩层组成，具有随回柱放顶而垮落的特征。

直接顶的厚度一般相当于冒落带内的岩层的厚度。

(3)老顶。

位于直接顶或煤层之上坚硬而难垮落的岩层称为老顶。

常由砂岩、石灰岩、砂砾岩等坚硬岩石组成。

(4)直接底。

直接位于煤层下面的岩层。

如为较坚硬的岩石时，可作为采煤工作面支柱的良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时，则常造成底臌和支柱插入底板等现象。

二、采煤工作面上覆岩层移动及其破坏在采用长壁采煤法时，随着采工作面的不断向前推进，暴露出来的上覆岩层在矿山压力的作用下，将产生变形、移动和破坏。

根据破坏状态不同，上覆岩层可划分为三个带(图3－l)。

冒落带。

指采用全部垮落法管理顶板时，采煤工作面放顶后引起的煤层直接顶的破坏范围(图3－l，Ⅰ)。

该部分岩层在采空区内已经垮落，而且越靠近煤层的岩石就越紊乱、破碎。

在采煤工作面内这部分岩层由支架暂时支撑。

裂隙带。

指位于冒落带之上、弯曲带之下的岩层。

这部分岩层的特点是岩层产生垂直于层面的裂缝或断开，但仍能整齐排列(图3－l，Ⅱ)。

弯曲下沉带。

一般是指位于裂隙带之上的岩层，向上可发展到地表。

此带内的岩层将保持其整体性和层状结构(图3－l，Ⅲ)。

生产实践和研究表明，采煤工作面支架上受到的力远远小于其上覆岩层的重量。

只有接近煤层的一部分岩层的运动才会对工作面附近的支承压力和工作面支架产生明显的影响。

所谓采煤工作面矿山压力控制，也就是对这部分岩层的控制。

上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律(续三）
三、影响岩层运动的因素
影响岩层运动的主要因素包括岩层的强度特征、采动条件和采空区处理方法。

１、岩层的强度特征由岩层的力学性质、厚度和节理裂隙情况决定的岩层强度特征，是影响岩层运动发展的内在因素。

强度高厚度大的岩梁，周期来压步距c将较大，相对稳定步距b也较大，显著运动步距a则较小（即岩梁显著运动发展迅速）。

相反，强度低、厚度小的岩梁，周期来压步距c和相对稳定步距b则较小，显著运动步距a相对而言要较前者大（即显著运动发展较慢）。

如果岩梁在推进方向上裂隙相当发育，不仅周期来压步距c小，而且有时很难找出划分岩梁处于相对稳定和显著运动的界限。

２、采动条件采高和推进速度等采动条件对岩梁的运动发展过程也会产生重要影响。

如加大采高，而工作面垮落高度不变，则岩梁显著运动的空间增加，岩梁的显著运动则会更明显。

当岩层的强度较低时，突然提高推进速度有可能导致岩梁运动步距扩大。

有些矿井在日常推进速度条件下采煤工作面来压不明显，高产后出现大面积来压现象就是这个原因。

此时如不注意加强支护，就容易发生区域性冒顶事故。

３、采空区处理方法采用强制放顶措施处理采空区，可减岩梁厚度及运动步距（包括c值和b值）。

采用充填法处理采空区，可减少岩梁运动空间，使运动不明显。

因此采空区处理方法必须根据所控制的顶板类型和需要加以选择。

第三章采场上覆岩层运动和发展的基本规律第一节上覆岩层运动和破坏的基本形式一、上覆岩层运动的两种基本形式(一) 弯拉破坏的运动形式1、运动过程采场推进→重力作用弯曲→一定跨度、沉降、弯曲、端部开裂→中部开裂→冒落。

2、力学条件岩层运动呈现弯曲沉降发展到破坏的运动形式，其力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。

而破坏后是否冒落，则由其下部运动的空间的高度决定。

即高度大于岩层的允许沉降值冒落，否则不冒落，保持“假塑性岩梁”。

第n个岩层发展之冒落的条件：S n>S0则，保持假塑性岩梁的条件为：S n<S03、显现特点运动由于是逐渐发展，冲击不大，相对（剪切运动）其矿压显现比较缓和。

4、控制要求为保证岩层运动时的采场安全，支架必须承担控顶区上方冒落岩层的全部岩重，并且把“假塑性岩梁”的运动控制在要求的位置上。

当然，当不需要对“假塑性岩梁”沉降进行控制时，支撑这部分岩层的支架阻力可以为零，最大不必要超过岩梁跨度四分之一的岩重。

(二)剪（切）断破坏的运动形式1、发展过程悬露→产生不大弯曲，端部开裂→中部未开裂（或开裂很少），情况下切断塌垮。

2、剪断的充要条件采场推进到岩梁端部开裂的位置附近，由于剩余抗剪断面上的剪应力超过限度，而其中部还未开裂，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。

3、显现特点对采场产生明显的动压冲击，支架阻力不够易产生沿煤壁切下的重大冒顶事故，即使不垮也会出现台阶下沉。

必须有高初撑力，其阻力能抗衡顶板沿煤壁切下，把切断线推至控顶距之外。

支架缩量按照出现台阶下沉而不能压死支架考虑。

出现台阶下沉时支架阻力与缩量分别为：由于两种运动形式的发展与破坏以及对采场控制的要求不同，因此，对其力学条件与现场判断必须进行研究。

二、运动发展至破坏的力学过程及其条件（一）弯拉破坏的力学过程及其条件弯拉破坏是其悬跨度达到极限跨度后，深入煤壁的两端部断裂基础上，于悬跨度的中部裂断而实现的。

弯坏的力学过程，就是其支承条件由双嵌固梁向简支梁发展的过程。

1.2. 2上覆岩层结构及运动规律研究现状自采用长壁开采技术以来，回采工作面上覆岩层的结构及运动规律一直是采矿学科研究的核心问题之一。

许多学者结合现场实测，通过理论分析、实验室模拟和数值分析等方法研究了上覆岩层的结构及运动规律，提出了许多有价值的理论和围岩控制技术。

由于地质条件的差异较大、研究人员切入点的不同，形成了许多的假说和理论体系。

这些研究成果都以不同方式回答了上覆岩层结构的形式问题，用以解释采场各种矿山压力现象，因此，这些假说和理论研究成果对岩层控制都具有一定的指导意义。

1916年德国的K. Stock提出悬臂梁假说，假说认为：工作面和采空区上方的顶板可被视为梁，它是一端固定于岩体内，另一端则处于悬升状态，当顶板由几个岩层组成时，形成组合悬臂梁，弯曲下沉后，受已垮落岩石的支撑，当组合悬臂梁的悬臂长度达到某个极限时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。

此假说可以很好地解释工作面顶板下沉量和支架载荷随煤壁由近及远逐渐增大，同时还可以解释工作面的周期来压现象。

该假说不足之处是计算的顶板下沉量和支架载荷与实际相差较大。

1928年，德国人哈克(w. Hack)和吉果策尔(G. Gilicer)提出了压力拱假说，假说认为：长壁工作面自开切眼起形成了压力拱，前拱脚位于煤壁前方，后拱脚位于采空区，在拱脚处形成应力增高区，拱内为应力降低区。

压力拱随着工作面的推进而向前移动。

压力拱假说能很好的解释围岩的卸载过程和原因，但不能解释上覆岩层的运动、变形和破坏过程。

原苏联的r. H.库兹涅佐夫于1950--1954年提出了铰接岩块假说。

此假说认为：上覆岩层的破坏可分为垮落带和规则移动带。

垮落带又可分为整齐排列的上部分和杂乱无章的下部分，并且垮落带无水平方向有规律的挤压力。

岩块之间相互铰合形成了一个多环节的铰链，并且有规则地在采空区上方逐渐下沉。

该假说认为:工作面支架处于“给定载荷状态”和“给定变形状态”两种工作状态。

《矿山压力与岩层控制》之第三章《矿山压力与岩层控制》之第三章采场上覆岩层运动和发展的基本规律采场上覆岩层运动和发展的基本规律山东科技大学资环学院资源工程系山东科技大学资环学院资源工程系本章提要本章特点学习难点有较多的基本概念有较多的基本规律矿岩层运动和破坏形式的判断方法岩层纵向组合运动的分析方法岩层推进方向岩层运动各阶段的参数特点上覆岩层运动和破坏的基本形式上覆岩层在推进方向上的运动规律上覆岩层纵向运动发展的基本规律上覆岩层运动参数的确定P1§ 3.1上覆岩层运动和破坏的基本形式3.1.1上覆岩层运动的两种基本形式3.1.3上覆岩层破坏形式的判断3.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件3.1.4岩层破坏形式的转化§3.3上覆岩层在推进方向上的运动规律§3.4 上覆岩层运动参数的确定§3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律P23.1.1上覆岩层运动的两种基本形式一弯拉破坏的运动形式1 运动过程上覆岩层悬露如图3.1（a）在其重力作用下弯曲如图3.1（b）端部开裂如图3.1（c）形成“假塑性岩梁”如图3.1（d）自行跨落如图3.1（e）P3（b）（a）（c）（d）P4（e）岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。

即：（3.1）2 力学条件图3.1弯拉破坏的运动形式P5二剪（切）断破坏的运动形式弯曲变形端部开裂（图3.3（a））整体切断跨落（图3.3（b））1 运动过程P6（a）（b）图3.2 剪切运动的基本形式P72 剪断的充要条件当采场推进至岩梁端部开裂位置附近，剩余抗剪断面上的剪应力超过限度，虽其中部还未裂开，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。

3 显现特点动压冲击支架阻力不够顶板沿煤壁切下如图3.3（a）台阶下沉如图3.3（b）P8（a）（b）图3.3 剪断运动形式对工作面的威胁P93.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件悬跨度达到极限跨度中部裂断弯拉破坏深入煤壁的两端部断裂力学过程弯坏的力学过程，就是其支承条件由双嵌固梁向简支梁发展的过程。

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）。

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。

采场上覆岩层运动规律1．采场上覆岩层破坏的基本形式理论与实践的研究结果表明，采场上覆岩层悬露后发展到破坏有二种运动形式：弯拉破坏和剪切破坏。

弯拉破坏的发展过程是：随采场推进，上覆岩层悬露→在重力作用下弯曲→岩层悬露达一定跨度，弯曲沉降发展到一定限度后，在伸入煤壁的端部开裂→中部开裂形成“假塑性岩梁”→当其沉降值超过“假塑性岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自行冒落。

岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。

悬露岩层中部拉开后，是否发展至冒落，则由其下部允许运动的空间高度决定。

只有其下部允许运动的空间高度超过运动岩层的允许沉降值，岩层运动才会由弯曲沉降发展至冒落。

否则，将保持“假塑性岩梁”状态。

由此，煤层上方第n个岩层弯曲破坏发展至冒落的条件为:岩层剪（切）断破坏的发展过程是：岩层悬露后只产生不大的弯曲，悬露岩层端部开裂→在岩层中部未开裂（或开裂很小）的情况下，整体切断塌垮。

2 .采场上覆岩层在纵向上的运动发展规律2.1岩层离层发生的位置和条件采场上方悬露的岩层，可视为在均布载荷作用下的多层嵌固梁。

该岩梁弯曲沉降过程中，必然在平行于轴向的各层面（或接触面）上出现剪应力。

随采场推进，剪应力随岩梁悬跨度和外载的增加而增加，当剪应力值超过层面上（或软弱夹层的接触面上）粘结力和摩擦阻力所允许的限度时，层面或软弱夹层的接触面被剪坏。

岩层的离层随即发生。

因此，离层发生和力学条件为:式中：τ——层面（或软弱夹层接触面）的剪应力；C——层面或接触面上的粘结力；φ——层面或接触面上的磨擦角；σn——层面或接触面上的压应力。

大量理论研究和工程实践表明：（1）离层一般发生于岩层的接触面或软弱夹层上；（2）接触面的破坏，只有在相应接触面上的剪应力超限时才会发生，即悬露岩层的跨度达到极限时，离层才会发生。

（3）离层出现的位置取决于组合岩梁中各岩层的弯曲刚度和各夹层的强度。

当下部岩层弯曲刚度小，夹层（或接触面）强度低时，离层在下部发生；反之，离层可能在上部夹层中出现。

第三章采场顶板活动规律第一节概述基本概念1.回采工作面（简称采场）直接进行采煤或采有用矿物的工作空间。

2.顶板、底扳顶板：赋存在煤层之上的岩层。

底扳：煤层以下的岩层。

直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。

伪顶：煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3～0.5m极易跨落的软弱岩层。

老顶：位于直接顶上方的厚而坚硬的岩层。

直接底：直接位于煤层之下的岩层。

3.采空区处理方法（1）刀柱法（2）顶板缓慢下沉法（3）全部充填或局部充填法（4）全部跨落法刀柱法：煤柱支撑法即在采空区留一定宽度的煤柱以支撑顶板。

此法在难垮顶板中使用，但常常给下部煤层开采带来困难。

顶板缓慢下沉法随着开采顶板弯曲下沉，而后将采空区填实。

一般在采高较小、顶板易于弯曲下沉（如石灰岩顶板）时使用。

充填法随着开采，将采集的充填料用机械或人工将采空区充填以控制顶板，此种方法由于费用很高，因而只是采特厚煤层或者有必要减少地表沉陷时采用。

全部跨落法即让直接顶廓落，利用岩石跨落后的碎胀性使采空区填满以控制老顶的活动。

第二节有关采场上覆岩层活动规律的假说一、有关假说自从采用长壁工作面开采以来，上覆岩层中是否存在着大结构，以及此结构是什么形式，一直是采矿科学研究的重要课题。

1.压力拱假说它是由德国人哈克和吉里策尔于1928年提出的。

该假说认为：长壁采煤工作面自开切眼起就形成压力拱，此后，拱随着工作面的推进而扩大，直至拱顶达到地表为止。

在工作面前后煤体中形成的前拱脚a，后方跨落岩石则形成后拱脚b，a、b 均为应力增高区，工作面则处于应力降低区，支架承受的载荷仅为上覆压力拱内的岩石重量。

优点：能解释围岩卸载的原因；缺点：未能说明岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互关系。

2.悬臂梁假说它是德国的施托克于1916年提出的。

该假说认为：工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它一端固定于岩体内，另一端则处于悬伸状态，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，靠近煤壁处顶板下沉量最小，表现的顶板压力也小。