顶板灾害防治技术0.docx
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顶板灾害防治技术0
《顶板灾害防治技术》0
序论
（由于没有开设矿压课，需要增加一些矿压的基础知识。
）
两个重要概念：
1、矿山压力——由于开采影响，作用在开采空间煤岩体内和支护物上的力。
2、矿山压力显现——在矿压作用，开采空间煤岩体及支护物产生的各种力学现象。
（变形、破坏、垮落、折损、冲击）
2、课程任务：
矿压部分主要了解：
3个规律——应力分布规律；
岩层移动规律；
矿压显现规律。
第二节应力分布规律
一、原始应力：
1、原始应力概念：
原始应力——未受采动影响的岩体内，由于岩体自重和构造运动等原因引起的应力。
原岩应力包含：
自重应力、构造应力、地温应力、膨胀应力、流体压应力等
（地温
~0.5Mpa）
（1Pa=1kgf/m2,0.1MPa=100000kgf/m2=10kgf/cm2=10atm）
原岩应力赋存特点：
普遍存在，分布不均，趋于平衡
（以自重应力为主，局部区域呈现以构造应力或其它应力为主）
2、自重应力：
自重应力——由岩体自重原因在岩体内部引起的应力
垂直应力：
MPa（
）
水平应力：
受外部环境影响：
变形不受限——水平应力为0
变形受限制——水平应力不为0
当各向同性时：
关于侧压系数
：
海姆认为，因长时蠕变及应力均化作用，
金尼克认为，仍处于弹性状态，符合虎克定律，
一般，μ=0.2—0.3，最大μ=0.5，λ=0.25—0.43，最大为0.5。
应用中：
浅部坚硬岩体用金尼克公式，深部塑性大岩体用海姆公式。
例：
计算H=800m，γ=25kN/m3,μ=0.2时的自重应力。
答：
（2000tf/m2）
（500tf/m2）
3、构造应力：
实测发现：
许多地方水平应力大于垂直应力；
按自重应力计算不会出现，应该有另外的应力存在。
构造应力——由于地质构造运动在岩体中产生或残留的应力。
产生原因：
构造应力学说
地球自转角速度变化东西挤压形成南北走向山脉（太行、巫山）
椭球离心力变化南北挤压形成东西山脉（天山、燕山）
板块学说
地壳分成几大板块，这些板块受地球自转变化、地幔运动及星际引力作用发生横向移动，产生水平方向的挤压，产生水平挤压应力，并使地壳岩层发生褶皱及断裂。
构造应力分布特点：
1）分布不均，在构造区域附近最大；
2）水平应力为主，浅部尤为明显；
3）具有明显的方向性；
4）坚硬岩层中明显，软岩中不明显；
5）
目前尚难计算，只能实测。
4、原岩应力分布的基本规律：
受构造应力影响，原始应力分布具有明显的特点：
1）实测铅直应力基本等于上覆岩层重量；
2）水平应力普遍大于铅直应力；（一般0.5—5.5，有的达到30，普遍为2）
3）平均水平应力与铅直应力比值随深度增加而减小；
4）最大主应力与最小主应力一般相差较大。
（0.2—0.8，多为0.4—0.8）
二、应力集中概念：
应力集中——受力体内，孔周围局部区域应力高于其它区域应力的现象。
应力集中特点：
集中应力大小与所受应力大小有关（应力分摊、转移）；
与孔的曲率有关，曲率大，集中程度大；
集中是局部的，影响范围与孔径有关。
研究“孔”周围应力分布，实际上就是定量描述集中应力的大小及分布规律，最简单的可用弹性力学方法。
三、圆孔周围弹性应力分布：
1、应力分布：
1）径向应力
2）切向应力
3）在园孔内3倍直径以远，应力接近原始应力（影响半径）。
4）双向等压园孔应力集中系数最大为2。
2、影响半径：
影响半径——孔心至应力增减量±5%处。
3、围岩内沿主应力方向（θ=00，θ=900）应力分布：
4、圆孔周边（r=R0）应力分布：
K=3k=2.7k=2
5、应力叠加——当两孔相距较近时，应力分布受到相邻孔的影响，局部应力再次升高。
应力叠加特点：
1）两孔相互影响时，曲率大的孔应力叠加程度高；
2）两孔间距越小，应力叠加程度越高；
3）应力叠加满足总荷载不变原则——只改变分布状态，不增加荷载总量；
4）凡空间交汇处，均要产生应力叠加。
6、回采空间周围应力重新分布：
不同方向临空，应力叠加；
在拐角处应力集中程度高；
按临空自由面多少，应力集中程度有如下关系：
孤岛>半岛>拐角>单面
四、回采空间围岩内应力状态及“三区”的形成：
1、围岩稳定性及应力状态：
周边最大应力
＜弹性极限——自稳
围岩稳定性判定周边最大应力
≥弹性极限——进入塑性阶段，产生塑性区
周遍最大应力
≥强度极限——进入破坏阶段，产生松散破碎区
应力状态转化：
2、围岩“三区”的形成：
由里向外分别为：
1）极限平衡区=破裂区+塑性区
形成：
周边切向应力高，承载能力低，极易破坏，破坏后应力向内部转移，直至等于强度极限，形成破碎区边界。
破碎区以内，应力高于弹性极限的区域，围岩处于塑性状态，弹性极限圈定了塑性区边界。
为研究方便，将破碎区与塑性区合并称为极限平衡区，认为该区内围岩处处处于极限破坏状态。
特点：
处处满足屈服条件或强度条件
2）弹性区
外部以弹性极限为界，内部以集中应力增量不超过±5%为界
集中应力低于围岩弹性极限，处于弹性变形阶段。
特点：
处处满足虎克定律
3）原始应力区
外部以±5%应力增量为界，内部支无限远。
特点：
几乎不受开采影响，满足虎克定律
3、园孔极限平衡区应力分布：
4、回采工作面前方极限平衡区应力分布：
应力及围岩分区：
极限平衡区D
围岩分区弹性区E
原始应力区F
减压区A二者有交叉
应力分区增压区B
稳压区C
一般以高于原岩应力5%为集中应力影响范围，以远可以认为是原始应力区。
五、支承压力及其分布：
1、支承压力——回采空间周围煤岩体内应力增高区的切向应力。
（支承压力是矿山压力的一部分）
2、支承压力的类型：
固定支承压力（固定边界）
移动支承压力（移动边界）
3、工作面前后方支承压力分布：
煤壁和跨落矸石承担了绝大部分顶板载荷；
前方支承压力远远大于后方；
前方支承压力影响范围可达50—80米，剧烈影响范围为8—20米；
后方矸石压实，支承压力达到原始应力范围约100米。
4、影响支承压力分布的主要因素：
1）回采空间尺寸及形状；
2）回采空间顶板管理方法（支撑状态）；
3）顶板岩层及煤层岩性；
4）采深；
5）周围回采空间分布。
不同开采方法移动支承压力分布不同：
5、支承压力在底板岩层中的传播：
压力传递角
第三节矿压显现规律
矿压显现——在矿山压力作用下，煤岩体及支护物所表现出的种种力学现象。
一、矿压显现指标及意义：
1、顶板下沉S（mm）——煤壁到采空区边缘范围内顶、底板间相对位移。
（反映顶板变形、位移的规模）
2、顶板下沉速度V（mm/h）——单位时间顶板下沉量。
（反映顶板活动的剧烈程度）
3、支柱变形与折损——观察喷液、下缩、压裂、折断等。
（反映顶板压力的大小）
4、顶板破碎度——单位面积中顶板冒落面积所占百分比。
（反映支撑力对顶板的管理效果）
5、局部冒顶——小范围顶板垮落。
6、大面积冒顶——顶板沿工作面煤壁切落。
7、煤壁片帮——煤壁因支承压力作用发生的剪切坍塌破坏。
（反映煤体内应力高低）
8、底臌——底板塑性变形。
9、支柱插入底板——底板松软，对顶板管理很不利。
顶板绝对下沉不易得到，一般以距煤壁4米处下沉量为工作面顶板下沉量。
可以每米采高每米推进度下沉量S/L/M为比较标准。
二、直接顶初次垮落：
1、形成：
切眼—亮面—推采回柱—直接顶第一次冒落（高1.0米，长1/2面长）
2、初次垮落步距——直接顶第一次大范围冒落，反映岩层的坚硬程度。
3、初次放顶是造成事故的重要阶段（支柱无力，顶板未受到充分破坏，切眼顶板离层，垮落矸石块度大，危险性较大）。
实际生产时，初次放顶备受重视。
（液压支架情况要好许多）
三、老顶的初次来压
1、初次来压的形成：
初采—初次放顶—老顶悬露跨度增大—老顶断裂—形成平衡结构—失稳—初次来压
初次来压——老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面以大型压力的过程。
初次来压步距——第一次来压时，工作面距开切眼的距离（推进距离）。
2、初次来压时矿压显现特点：
1）来压前，顶板压力无明显增大；
2）煤壁内部支承压力增高，煤壁片帮严重；
3）顶板有板炮声响；
4）顶板下沉速度急剧增加，由1mm/h到5~20mm/h；
5）支柱载荷急剧增加；
6）顶板出现拉绺现象（直接顶沿煤壁切断）。
3、预防措施：
初次来压前无明显征兆，顶板压力不大，致使支架稳定性差，来压猛，易造成顶板事故。
1）增大支撑力
2）增加稳定性
3）加强矿压观测及地质、开采资料
4）加强日常支护质量管理。
来压期间重点措施是：
增加支护强度；增强支架稳定性；保护煤壁，减少片帮。
4、来压条件：
1）有老顶存在；
2）直接顶垮落后不能充填满采空区。
四、老顶周期来压：
1、周期来压的形成：
有初次来压必有周期来压。
初次来压——老顶悬顶跨度增大——老顶断裂——平衡结构——失稳——周期来压。
周期来压——老顶平衡结构周期性失稳而施加给工作面以大型压力的过程。
周期来压步距——两次来压期间工作面推进距离。
期来压步距=1/2初次来压步距）
2、周期来压时的矿压显现：
1）顶板下沉量急剧增加；
2）支柱载荷普遍增加；
3）煤壁片帮严重；
4）当支撑力不足时，工作面回出现台阶下沉；
5）如果支护参数选择不合理，回发生冒顶、切顶。
（周期来压显现一般较初次来压时有所缓和）
3、预防措施：
同初次来压，同时加强统计观测。
第三节岩层移动规律
一、顶板工作结构：
1、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。
2、顶板的工作结构：
工作结构——将顶板视为何种受力体，进行力学分析。
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）
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）
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，另一侧或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。
二、老顶岩层的力学分析：
1、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：
2）当全部充填满回采空间时：
此时，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
3）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。
4）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。
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：
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。
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。
2、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—5
四面固支——初采工作面
三固一简——一面为已采区（老塘）
二固二简——一面为已采区，一面为工作面采空区（工作面推采中）
一固三简——三面临空（回采半岛区）
2）板式结构破断过程：
（以四面固定板为例）
长端中央首裂、延展，改变了边界支撑条件，短端弯矩加大；
短端中央断裂；
四周断裂延展，在角端勾通，改固支为四周简支；
四面简支板长轴中间弯矩最大，中间断裂，形成咬合结构或垮落。
受裂隙影响，板结构破断或垮落具有一定的随机性。
三、采场上覆岩层移动规律:
1、沿层面垂直方向移动：
①沿层面垂直方向移动产生三带（竖三带）
冒落带—垮落带，分为不规则垮落带、规则垮落带
裂缝带—冒落带之上，岩层间产生离层、拉伸裂隙。
整体联系较好，范围广位移小，一般高15～70m。
弯曲下沿带—岩层基本上不发生离层和断裂，而是大面积缓慢下沉。
三带的形成基本上是由下向上逐层进行的。
不同的岩性，对三带区域的影响也不同，软岩高度小。
如P99图3-18
三带的高度除对顶板有指导意义外，对水下采煤影响很大。
②顶板移动自工作面前方30～40m开始，且水平移动较大，垂直移动较小，甚至垂直位移出现负值。
P100图3—19
③在工作面后4～8m，垂直位移增加，位移速度下大上小，出现离层。
④断裂岩层受垮落矸石支护后，位移趋于缓和，位移速度下小上大，重新压合。
⑤倾斜煤层顶板移动基本沿层面法线方向。
2、沿推进方向移动状况：
形成横三区：
煤壁支撑影响区——壁支撑，垂直移动小，水平移动大
离层区——————垂直位移下大上小形成离层。
重新压实区————垂直位移上大下小，重新压实。
三区中以离层区岩层移动程度剧烈，其工作特点，对工作面顶板推护影响极大，该区断裂岩层形成咬合的平衡结构，可减轻工作面压力，平衡结构失稳，工作面将承受大型压力作用。
四、关键层运动对岩层移动的影响：
关键层——对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层。
主关键层——对直至地表全部岩层起控制作用；
亚关键层——对局部岩层起控制作用。
关键层特征：
单层厚度大；弹性摸量大，强度高
关键层作用：
下位岩层离层后，能承担上覆软岩的载荷；
与上覆岩层同步变形；
折断时将导致上覆软岩同步折断和移动。
关键层位置确定：
依据岩层所受载荷q确定
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