采场顶板活动规律.ppt

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11柏建彪柏建彪3采场顶板活动规律采场顶板活动规律3.13.13.13.1几个概念几个概念3.23.23.23.2有关采场上覆岩层有关采场上覆岩层有关采场上覆岩层有关采场上覆岩层“大结构大结构大结构大结构”的假说的假说的假说的假说3.33.33.33.3直接顶的垮落直接顶的垮落直接顶的垮落直接顶的垮落3.43.43.43.4基本顶的断裂形式基本顶的断裂形式基本顶的断裂形式基本顶的断裂形式3.53.53.53.5基本顶的初次断裂步距基本顶的初次断裂步距基本顶的初次断裂步距基本顶的初次断裂步距3.63.63.63.6基本顶断裂后的基本顶断裂后的基本顶断裂后的基本顶断裂后的“砌体梁砌体梁砌体梁砌体梁”结构及其结构及其结构及其结构及其S-RS-RS-RS-R稳定稳定稳定稳定3.73.73.73.7本章小本章小本章小本章小结结柏建彪柏建彪223.1几个概念回采工作面（采场）顶板底板采空区采空区处理方法伪顶直接顶老顶33柏建彪柏建彪采采采采场场场场：

直直直直接接接接进进进进行行行行采采采采煤煤煤煤或或或或采采采采有有有有用用用用矿矿矿矿物物物物的的的的工工工工作作作作空空空空间间间间称称称称为为为为回采工作面或简称为采场。

回采工作面或简称为采场。

回采工作面或简称为采场。

回采工作面或简称为采场。

顶顶顶顶板板板板：

赋赋赋赋存存存存在在在在煤煤煤煤层层层层之之之之上上上上的的的的岩岩岩岩层层层层称称称称为为为为顶顶顶顶板板板板或或或或称称称称为为为为上上上上覆覆覆覆岩层。

岩层。

岩层。

岩层。

底板：

位于煤层下方的岩层称为底板。

底板：

位于煤层下方的岩层称为底板。

底板：

位于煤层下方的岩层称为底板。

底板：

位于煤层下方的岩层称为底板。

直直直直接接接接顶顶顶顶：

直直直直接接接接位位位位于于于于煤煤煤煤层层层层上上上上方方方方的的的的一一一一层层层层或或或或几几几几层层层层性性性性质质质质相相相相近近近近的岩层称为直接顶。

的岩层称为直接顶。

的岩层称为直接顶。

的岩层称为直接顶。

伪伪伪伪顶顶顶顶：

在在在在煤煤煤煤层层层层与与与与直直直直接接接接顶顶顶顶之之之之间间间间有有有有时时时时存存存存在在在在厚厚厚厚度度度度小小小小于于于于0.30.30.5m0.5m、极易垮落的软弱岩层，称为伪顶。

、极易垮落的软弱岩层，称为伪顶。

、极易垮落的软弱岩层，称为伪顶。

、极易垮落的软弱岩层，称为伪顶。

基基基基本本本本顶顶顶顶：

位位位位于于于于直直直直接接接接顶顶顶顶之之之之上上上上（有有有有时时时时直直直直接接接接位位位位于于于于煤煤煤煤层层层层之之之之上上上上）对对对对采采采采场场场场矿矿矿矿山山山山压压压压力力力力直直直直接接接接造造造造成成成成影影影影响响响响的的的的厚厚厚厚而而而而坚坚坚坚硬硬硬硬的的的的岩岩岩岩层层层层称称称称为老顶。

为老顶。

为老顶。

为老顶。

柏建彪柏建彪44采空区处理方法采空区处理方法:

（a）刀柱（留煤柱）;（b）顶板缓慢下沉法;（c）充填法;（d）全部垮落法55柏建彪柏建彪采用全部垮落法时，随着工作面推进，回采工作空间形状的变化如图3-2所示。

66柏建彪柏建彪在在煤煤（岩岩）体体内内回回采采工工作作空空间间（巷巷道道）将将引引起起围围岩岩破破碎碎，其其上上方方岩岩体体的的部部分分重重量量则则由由此此空空间间内内的的支支护护物物来来承承担担，从从而而形形成成了了对对支支架架的的压压力力。

岩岩层中中未未破破坏坏的的部部分分（或或未未产生生剧烈烈变形形的的部部分分），或或者者虽然然岩岩层已已破破断断但但仍仍能能整整齐排排列列的的部部分分，有有时能能形形成成岩岩体体内内的的“大大结构构”。

这种种大大结构构能能够承承担担上上覆覆岩岩层重重量量，从而从而对回采工作空回采工作空间起保起保护作用。

作用。

77柏建彪柏建彪根根据据实实测测，回回采采工工作作面面支支架架所所承承受受的的力力仅仅为为上上覆覆岩层重量的百分之几。

岩层重量的百分之几。

这是因为上覆岩层形成了这是因为上覆岩层形成了“大结构大结构”，这种大结，这种大结构能够承担上覆岩层重量。

构能够承担上覆岩层重量。

88柏建彪柏建彪3.23.2有关采场上覆岩层有关采场上覆岩层“大结构大结构”的假说的假说由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂性，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释（即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）称为矿山压力假说。

99柏建彪柏建彪由于岩层自然平衡的结果而形成一个前拱脚（支撑点）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，后在工作面前方煤体，后拱脚（支撑点）在采空区内已拱脚（支撑点）在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。

垮落的矸石上或采空区充填体上。

在前后拱脚间形成了一个减压区，回采工作面的支架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。

只承受压力拱内岩石的重量。

3.2.1压力拱假说1010柏建彪柏建彪压力拱假说对回采工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压范围作出了粗略的但却是经典的解释，而对于此拱的特性、岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用，并没有做任何分析。

1111柏建彪柏建彪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。

3.1.23.1.2悬臂梁假说悬臂梁假说1212柏建彪柏建彪悬臂梁假说悬臂梁假说解释了：

1）工作面近煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越远则两者均大的现象。

2）工作面前方出现的支承压力及工作面出现的周期来压现象。

根据上述观点，提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。

1313柏建彪柏建彪律的水平挤压力的联系，从而相互铰合形成一条多环节的铰链。

三铰拱式的平衡。

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。

3.1.33.1.3铰接岩块假说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1414柏建彪柏建彪此假说认为，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，从而形成假塑性梁。

3.1.43.1.4预成裂隙假说预成裂隙假说1515柏建彪柏建彪被各种裂隙破坏了的假塑性体处于一种彼此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡；在自重及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩层的下沉量大于上部岩层时，就产生离层。

支架应有足够的初撑力和工作阻力1616柏建彪柏建彪“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：

3.1.53.1.5砌体梁假说砌体梁假说

（1）

（1）上覆岩层结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层。

可将上覆岩层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。

是更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层。

1717柏建彪柏建彪

（2）

（2）随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层在裂缝随着工作面的推进，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，开始为下凹、而后随工作面的推进逐渐恢复水平状态，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。

由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。

1818柏建彪柏建彪（3）（3）由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两层骨架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。

间的联结能用可缩性支杆代替。

（4）当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位置时，岩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。

连杆联结关系。

（5）最上层为表土最上层为表土冲积层，可将其视冲积层，可将其视为均布载荷作用于为均布载荷作用于岩体结构上，而骨岩体结构上，而骨架层各岩块上的载架层各岩块上的载荷将随垫层的压实荷将随垫层的压实程度而变化。

程度而变化。

1919柏建彪柏建彪（a）（a）表表表表示示示示回回回回采采采采工工工工作作作作面面面面前前前前后后后后岩岩岩岩体体体体形形形形态态态态，其其其其中中中中，为为为为垮垮垮垮落落落落带带带带，为为为为裂裂裂裂缝缝缝缝带带带带，为为为为弯弯弯弯曲曲曲曲下下下下沉沉沉沉带带带带，AA为为为为煤煤煤煤壁壁壁壁支支支支承承承承区区区区，BB为为为为离离离离层层层层区区区区，CC为为为为重重重重新新新新压压压压实实实实区区区区；（b）（b）为为为为根根根根据据据据观观观观测测测测的的的的岩岩岩岩层层层层形形形形态态态态而而而而推推推推测测测测的的的的岩岩岩岩体体体体结结结结构构构构形形形形态态态态；（c）（c）为为为为此此此此结结结结构构构构中中中中任任任任一一一一组组组组（i）（i）结构的受力状态。

结构的受力状态。

结构的受力状态。

结构的受力状态。

2020柏建彪柏建彪3.33.3直接顶的垮落直接顶的垮落煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。

回采工作面煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。

回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达到其极限跨距时开始垮落。

到其极限跨距时开始垮落。

直接顶初次垮落：

直接顶垮落高度超过直接顶初次垮落：

直接顶垮落高度超过11.5m，范，范围超过全工作面长度的一半。

此时直接顶的跨距称为围超过全工作面长度的一半。

此时直接顶的跨距称为初次垮落距。

初次垮落距。

2121柏建彪柏建彪3.3.13.3.1直接顶初次垮落前的离层分析直接顶初次垮落前的离层分析直接顶初次垮落前，相对基本顶而言，其变形直接顶初次垮落前，相对基本顶而言，其变形大，容易出现直接顶与老顶间的离层。

对直接大，容易出现直接顶与老顶间的离层。

对直接顶初次垮落前的离层与变形分析如下顶初次垮落前的离层与变形分析如下（图图3-8）3-8）：

图图3-83-8直接顶初次垮落前的离层分析直接顶初次垮落前的离层分析2222柏建彪柏建彪直接顶最大挠度直接顶最大挠度老顶最大挠度老顶最大挠度不离层条件不离层条件2323柏建彪柏建彪粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易形成直接顶与老顶间离层。

为厚度时，均易形成直接顶与老顶间离层。

为了防止直接顶因离层产生推跨事故必须保证了防止直接顶因离层产生推跨事故必须保证支架具有一定的初撑力：

支架具有一定的初撑力：

2424柏建彪柏建彪钻孔摄像机2525柏建彪柏建彪切眼钻孔位置图2626柏建彪柏建彪直接顶和老顶间发生离层2727柏建彪柏建彪3.3.23.3.2直接顶垮落后的碎胀特性直接顶垮落后的碎胀特性直接顶初次垮落后，岩石破碎，杂乱堆积直接顶初次垮落后，岩石破碎，杂乱堆积（图图3-9），岩体的总体由于岩层破碎后体积将产生膨胀，堆积的高度岩体的总体由于岩层破碎后体积将产生膨胀，堆积的高度可能大于直接顶岩层原来的厚度。

若直接顶岩层的垮落厚可能大于直接顶岩层原来的厚度。

若直接顶岩层的垮落厚度为度为h，则垮落后堆积的高度为，则垮落后堆积的高度为Kph。

它与老顶之间。

它与老顶之间可能留下的空隙可能留下的空隙为：

为：

2828柏建彪柏建彪当M=h（Kp-1）时，=0，即冒落的直接顶将充满采空区。

此时，一般老顶的