采场上覆大厚度坚硬岩层破断规律的力学分析
第三章 回采工作面上覆岩层活动规律及其分析
老顶板横“O-X”型破断形式
§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。(初次断 裂步距）
图3–9 岩梁上任意点的应力分析
求解过程：
M·y Jz
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。
此假说认为工作面和采空区顶板可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 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。
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。
取梁单位宽度，则
任意点A：
1 Jz＝ bh3 (b=1) 12
＝ 12 ·M·y ，（y=h/2时， 最大 ）
2 2 3 h 4y τxy＝ Qx 3 2 h 最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，
h
3
即y＝0， ∴
3Qx (τxy)max＝ 2h
① 若根据固定梁计算：
M1 x E1 J1 E1 J1 M1 x E1 J1 ; E2 J 2 M 3 x E3 J 3 M n x En J n
采场覆岩结构与顶板破断规律
采场覆岩结构与顶板破断规律说到采场覆岩结构和顶板破断规律，你可能会想，“这到底是啥？”别急，咱慢慢聊。
其实啊，采场这个词听起来有点像是个工地的专业术语，其实就是咱们平常说的矿井，或者矿场。
而覆岩结构就是矿井上面那些岩石层，顶板破断规律呢，就是这些岩石是怎么破裂的，什么时候破裂，破裂后会发生什么。
这些都关系着矿工的安全和矿井的稳定性，听起来有点吓人，但其实弄明白了，不难理解。
我们从岩层说起。
你可别小瞧了这些岩石，它们就像一堆老实巴交的守门员，静静地待在上面，照顾着下面的矿井。
它们的结构有时候很简单，像一块块平铺的砖头；有时候复杂得像拼图，层层叠叠，错综复杂。
矿井上面的这些岩层，就是我们所说的覆岩，它们的稳定性直接决定了矿井的安全。
如果这些岩石出问题了，顶板塌了，矿工就得面临巨大的风险。
所以我们得好好研究这些岩层的“脾气”，看看它们什么时候会“翻脸”。
说说顶板的破断规律。
你想想，如果这些岩石层就像个盖子一样压在矿井上，时间一长，压力大了，岩层就可能会裂开，或者直接崩塌。
矿井的顶板一旦破裂，就好比是顶上的“天塌了”，下面的矿工怎么办？说白了，顶板破断规律就是研究岩石什么时候、怎么裂开，裂开之后又会怎样。
它其实是一个非常复杂的过程，不仅仅和岩层的性质有关，还和地下的压力、温度等等多种因素有关系。
就像你去登山，山路很陡，气候变化无常，踩错一步，就有可能摔个大跟头。
再说说，为什么要搞清楚这个规律。
矿井地下那么深，光靠经验和直觉，谁敢轻易冒险？得有科学依据，有了这些规律的研究，我们才能预测出哪些地方容易发生崩塌，哪些地方比较安全。
换句话说，就是要有个“预警系统”，提前知道哪里可能出问题。
想象一下，如果你在玩一个迷宫游戏，提前知道有个地方有陷阱，当然能避开，避免掉进坑里。
所以，研究顶板破断规律就像是给矿井加个安全网，能最大程度保护矿工的生命安全。
顶板破裂的原因可不止是岩层问题，还有一个因素就是咱们的采矿方式。
矿工们开采时，往往会不小心扰动到岩层的稳定性。
厚层坚硬顶板破断规律及深孔预裂爆破弱化技术的研究与应用
厚层坚硬顶板破断规律及深孔预裂爆破弱化技术的研究与应用为解决长壁综采工作面厚层坚硬顶板条件下采空区大面积悬顶问题,根据塬林煤矿东一采区101首采的综采工作面厚层坚硬顶板物理力学特征,对综采工作面厚层坚硬顶板破断规律及深孔预裂爆破弱化技术进行了研究。
采用弹性力学解析方法和数值模拟方法分析了综采工作面回采过程中厚层坚硬顶板初次来压步距、周期来压步距及顶板岩层塑性区、应力及煤体超前支承压力分布规律,提出了基本顶初次断裂前的弱化方案,计算出预裂弱化顶板合理步距。
基于质点峰值振动速度(PPV)理论,分析计算了超前深孔爆破岩石损伤范围,通过有限元分析软件ABAQUS对不同时刻、不同炮孔间(垂)距爆破作用下岩体应力变化情况进行分析比较,确定了合理的炮孔间(垂)距,提出了厚层坚硬顶板深孔预裂爆破弱化技术参数。
上述研究工作和成果如下:(1)101综采工作面厚层坚硬顶板初次来压步距范围为55~60m,周期来压步距范围为30~35m;基本顶初次断裂前采用端部拉槽弱化技术,基本顶周期预裂弱化爆破循环步距控制在30m。
(2)101综采工作面基本顶深孔爆破能够对11m范围内岩石造成不同程度的损伤,数值模拟计算确定了炮孔间(垂)距为2m。
(3)通过计算和工程类比,确定了爆破炮孔布置方式、直径、长度、垂深、封孔长度与一次最大起爆药量等技术参数。
在101综采工作面进行了厚层坚硬顶板深孔预裂爆破弱化工业试验,工作面矿压观测与分析结果表明:101综采工作面自弱化顶板回采以来,周期来压步距为10~22m,采空区顶板跟随支架冒落充分,工作面上部、中部和下部液压支架工作阻力基本处于正常工作范围,超前深孔预裂爆破顶板减小了采空区悬顶面积,厚层坚硬顶板得到了有效控制。
采场上覆 岩层活动规律
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如果不发生离层，应有 即
ymax ymax n
4 4 h1 q1 L1 h L1
384E1 J1
384E2 J 2
且
bh13 J1 12
h h1
bh 3 J2 12
令 q1 h1
有
E1 1 E2 1
显然：直接顶厚度 ≤ 老顶厚度时，易发生离层。
悬臂梁平时承担岩层载荷，当其变形下沉时，一端压在
垮落矸石上，当跨度增大，断裂形成周期来压。
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三、预成裂隙假说：( 1954，比利时，拉巴斯）
顶板岩层受支承压力作 用，产生相互平行的裂隙， 成为“假塑性体”，在工作面 推进过程中，产生塑性弯曲， 由相互挤压形成类似梁的平衡 结构。 顶板分为应力降低区、应 力升高区、采动影响区，三区 随工作面而移动。 工作面支架应具有足够的初 撑力和工作阻力，以阻止岩块滑 落或离层。
（对于反山，顶底板位置发生翻转）
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二、回采工作空间类型： （依据采空区处理方法不同划分）
（a）完整空间——刀柱法或留煤柱开采；
（b）自弯曲空间——顶板缓慢下沉法（顶板塑性大）； （c）充填空间——充填法； （d）垮落空间——全部垮落法。
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三、顶板工作结构：
1、梁式结构——将顶板视为沿工作面推进方向的梁，按照 梁式结构承载变形破坏理论分析顶板破坏现象。 2、板式结构——将顶板岩层视为一个板或经断层、裂隙切 割后，多块板相互咬合组成的板，按板式结构承载变形及强 度理论分析顶板破坏现象。 3、顶板结构端部支撑条件： 固定支座——顶板被煤岩层夹持，未断裂，无自由端 ； 简支梁支座——顶板端部断裂或埋深较浅（可转动） ；
第三章
综采放顶煤采场厚层坚硬顶板稳定性分析及应用
综采放顶煤采场厚层坚硬顶板稳定性分析及应用一、本文概述本文旨在深入研究综采放顶煤采场厚层坚硬顶板的稳定性问题，探讨其在实际工程中的应用。
随着煤炭开采技术的不断发展，综采放顶煤技术已成为煤炭行业的一种重要开采方式。
在综采放顶煤采场，厚层坚硬顶板的稳定性问题一直是制约安全生产和技术进步的关键问题。
本文通过分析厚层坚硬顶板的稳定性因素，提出相应的控制措施，以期提高综采放顶煤采场的安全性和生产效率。
本文首先介绍了综采放顶煤采场厚层坚硬顶板的特点和稳定性问题，阐述了顶板稳定性的重要性和研究意义。
通过对国内外相关文献的综述，总结了目前关于综采放顶煤采场厚层坚硬顶板稳定性研究的现状和进展。
在此基础上，本文重点分析了影响综采放顶煤采场厚层坚硬顶板稳定性的主要因素，包括地质因素、开采因素、支护因素等。
同时，结合工程实例，对厚层坚硬顶板的稳定性进行了深入的分析和研究。
本文还提出了一些针对综采放顶煤采场厚层坚硬顶板稳定性控制的措施和建议，包括优化开采布局、改进支护技术、加强顶板监测等。
这些措施和建议可以为实际工程提供有益的参考和指导，有助于提高综采放顶煤采场的安全性和生产效率。
本文总结了研究成果和结论，指出了研究中存在的不足和需要进一步研究的问题，为今后的研究提供了方向和思路。
本文旨在深入分析综采放顶煤采场厚层坚硬顶板的稳定性问题，提出相应的控制措施，为实际工程提供有益的参考和指导，促进煤炭行业的安全生产和技术进步。
二、综采放顶煤采场厚层坚硬顶板的特点综采放顶煤采场厚层坚硬顶板是一种特殊的采煤工作环境，具有一系列独特的特点。
这种顶板的厚度较大，往往超过常规的采煤工作面顶板，这使得在采煤过程中需要面临更大的顶板压力。
这种压力不仅来源于顶板的自重，还来源于采煤机械作业对顶板的扰动。
厚层坚硬顶板的强度高，不易变形。
这种特性使得在采煤过程中，顶板能够保持较好的稳定性，但同时也增加了采煤的难度。
因为在采煤过程中，必须采取适当的措施来防止顶板突然垮落，以免对采煤工人和设备造成危害。
采场上覆岩层运动和发展的基本规律
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。
第三章采场上覆岩层运动的基本规律
2.铰接岩梁 由于“拱”结构难以解释采场周期来压等现象，
现场也难以找到定量描述拱结构的参数，所以“拱” 假说只停留在对一些矿压现象的一般解释的水平上， 不能很好地应用于实际，为生产服务。因此，诞生了 以T· 库茨佐涅夫为代表的铰接岩块学说，这是定量 H· 地研究矿压现象的一个重大突破。 库氏认为，需要控制的顶板由冒落带和其上的铰 接岩梁组成，冒落带给予支架的是“给定载荷”，它 的作用力必须由支架全部承担。而铰接岩块在水平推 力的作用下，构成一个梁式的平衡结构，这个结构与 支架之间存在“给定变形”的关系（如图所示）。
也有学者把直接顶与老顶定义为：直接在煤层上面、有一定
强度、并会随回柱放顶而冒落的岩层叫直接顶；常见的直接 顶岩层有页岩、砂页岩等。直接在直接顶上面、强度比较大、 厚度在1.5m以上，大面积暴露后才冒落的岩层叫老顶。常见 的老顶岩层有砂岩、砂砾岩、石灰岩等。这是从地质角度来 定 义 的 。
第二节 上覆岩层的基本运动规律
墩柱切顶示意图
四、老顶的基本运动规律
（一）老顶的初次来压与周期来压 随着采场的继续推进，直接顶进入正常垮落阶段，老顶此刻 开始发生离层、弯曲沉降、断裂，最后回转下沉，引起工作面压 力的急增，这个阶段称为老顶初次来压阶段，初次来压步距用L0 表示。 初次来压完成后，采场进入正常推进阶段。此阶段老顶岩梁 将随跨度的不断增加而发生断裂、回转下沉和引起工作面来压， 此阶段的来压称为周期来压。周期来压的强度一般较初次来压此 阶段的来压称为周期来压。周期来压的强度一般较初次来压小， 它由直接顶的厚度和岩梁本身的力学、几何参数决定。此阶段的 一个重要参数是老顶的周期来压步距L。 三个推进过程如图所示。 在一般情况下，周期来压步距为初次来压步距的1/2～1/4， 1 1 L 即 ( 2 ～ 4 ) L 。
厚而坚硬顶板破断诱发冲击地压的机理及其防治方法
厚而坚硬顶板破断诱发冲击地压的机理及其防治方法郭力【摘要】Based on the mechanism of static and dynamic load superimposed induced rock burst,taking a thick and hard roof above the coal seam.As the research object,the mechanical model that working face recovery and roadway along the roof breaking induced rock burst was established,deduced the theoretical formula that the increase of average stress and dynamic load caused by roof breakage,and the formula of judgment of roof tensile failure and shear failure. The comparison between the monitoring results of borehole stress meter and the theoretical calculation results showed that the dynamic load and stress increment can be calculated accurately by using this mechanical model,the roof thickness,support width and fracture line is the key factor affecting the dynamic load.Through the discussion of this mechanical model,several effective methods for preventing and controlling impact pressure were pointed out.The construction of the mechanical model provided a new way to identify and prevent the impact of rock burst.%基于动静载荷叠加诱发冲击地压机理,以开采煤层上方厚而坚硬顶板为研究对象,建立了工作面回采和沿空巷道顶板破断诱发冲击地压力学模型,并推导出顶板破断引起平均应力和动载荷增加的理论计算公式,以及顶板张拉破坏和剪切破坏判定公式.现场钻孔应力计监测结果和理论计算结果对比表明,利用该力学模型可以比较准确地计算动载荷和应力增量,且顶板厚度、支撑宽度和断裂线在煤体内深度是影响动载荷大小的关键因素.通过对该力学模型的讨论,指出多种有效防治冲击地压的方法.该力学模型的构建为冲击地压危险程度的判别和防治提供了一种新的思路.【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷),期】2018(045)002【总页数】5页(P54-58)【关键词】冲击地压;动载荷;应力增量;顶板破断;钻孔应力计【作者】郭力【作者单位】辽源职业技术学院,吉林辽源136201【正文语种】中文【中图分类】TD324冲击地压是煤矿开采过程中典型的煤岩动力灾害，对矿井的安全生产造成了严重的影响[1-4]。
特厚煤层综放开采上覆岩层破坏规律研究
特厚煤层综放开采上覆岩层破坏规律研究随着中国经济的快速发展，特厚煤层的综放开采成为了煤炭行业的重要发展方向。
然而，特厚煤层开采过程中，上覆岩层的破坏成为了一个关键的问题。
因此，对特厚煤层综放开采上覆岩层的破坏规律进行研究具有重要的理论和实践意义。
特厚煤层的开采对上覆岩层施加了巨大的压力，这会导致岩层发生破裂、位移和坍塌等现象。
岩层破裂的形式包括岩石的断裂和节理的扩展。
岩层位移主要表现为岩体的下沉和滑动。
岩层坍塌则是指岩体的崩塌和塌陷。
这些破坏过程相互作用，共同影响着矿井的稳定性和安全性。
研究表明，上覆岩层的破坏与多种因素密切相关。
首先，岩层的力学性质是影响破坏规律的关键因素。
岩层的强度、刚度和韧性等参数会直接影响岩层的承载能力和变形能力。
其次，开采方法和工艺也会对上覆岩层的破坏产生影响。
采煤工艺的合理选择和优化可以减少对岩层的破坏。
此外，地质条件和水文地质条件也会对上覆岩层的破坏产生重要影响。
不同地区的地质构造和水文地质条件不同，因此需要根据实际情况进行破坏规律的研究。
针对特厚煤层综放开采上覆岩层的破坏规律，需要进行深入的研究和探索。
首先，可以通过实地调查和野外观察来获取破坏现象的数据和信息。
然后，可以利用数值模拟和物理模型实验等方法进行破坏规律的分析和研究。
最后，可以结合实际工程案例进行验证和应用，为特厚煤层综放开采上覆岩层的破坏规律提供科学依据和技术支持。
特厚煤层综放开采上覆岩层的破坏规律研究对于确保矿井的安全高效运营具有重要意义。
通过深入研究上覆岩层的破坏规律，可以为特厚煤层开采提供科学的指导和技术支持，减少矿井事故的发生，提高煤炭资源的利用率，促进煤炭行业的可持续发展。
因此，特厚煤层综放开采上覆岩层的破坏规律研究具有重要的现实意义和发展前。
采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析
第24卷第8期岩石力学与工程学报V ol.24 No.8 2005年4月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2005采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析缪协兴，陈荣华，浦海，钱鸣高(中国矿业大学理学院，江苏徐州 221008)摘要：具有良好分层性的采场覆岩破断规律已被基本掌握，但对于厚关键层(特厚层砂岩老顶)覆岩的采场矿压规律还需深入研究。
运用岩体破裂过程分析系统，结合某矿区实际覆岩构造特征，分析了具有厚关键层的采场覆岩的破断与冒落规律。
研究表明：厚关键层的破断、垮落规律与长梁(或薄板)矿压理论存在根本差异，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈不等长的短块状。
厚关键层来压具有多样性和随机性，不同形式的采场来压对支架的作用不同，大块滑落失稳对采场支架的威胁最大，对采场矿压控制提出了严峻的挑战。
该研究成果为实际采矿设计与矿压控制提供了理论依据。
关键词：采矿工程；厚关键层；关键层理论；破断分析；采场矿压中图分类号：TV 641.2 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)08–1289–07ANALYSIS OF BREAKAGE AND COLLAPSE OFTHICK KEY STRATA AROUND COAL FACEMIAO Xie-xing，CHEN Rong-hua，PU Hai，QIAN Ming-gao(School of Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou221008，China)Abstract：The regular behavior of weighting and caving of well-layered strata around coal face，with many thin overlying layers，is studied，and the rock pressure caused by the caving is relatively easy to control. But the caving and rock pressure of very thick sand overlying strata，the thick key strata，is very complicated and needs further study. The breakage and collapse of thick key strata(super thick roof of sand rock ) around coal face，with real geological conditions from a coal mine borehole columnar section，is studied by a computer grogram，rock fracture process analysis(RFPA). The results show that there are basic differences of the breakage and collapse between thick key strata and thin strata (or long beams). The shape of the first breakage and collapse of thick key strata is an arch，and the periodic breakage and collapse is in short blocks with different lengths. The roof of thick key strata weights stochastically，and the effects on the coal face support are different. The sliding of large blocks，which is the most dangerous of rock weighting to the support observed in this paper，is a new and severe challenge to the rock pressure control. The results can provide theoretical reference for mining design and strata control.Key words：mining engineering；thick key strata；key strata theory；breakage analysis；rock pressure around coal face收稿日期：2003–07–19；修回日期：2003–09–17基金项目：国家杰出青年科学基金项目(50225414)；国家自然科学基金重大项目(50490270)；博士点基金项目(20010290003)作者简介：缪协兴(1960–)，男，博士，1993年于中国矿业大学(北京)工程力学专业获博士学位，现任教授，主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。
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第23卷 第18期岩石力学与工程学报 23(18)：3066～30692004年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept .，20042003年2月17日收到初稿，2003年4月30日收到修改稿。
* 国家自然科学基金(50074021)与重大国际合作基金(50320120001)资助课题。
作者 史 红 简介：女，34岁，1993年毕业于同济大学结构工程专业，现为讲师、在读博士研究生，主要研究方向为岩层运动及其控制。
E-mail ：shi_hong@ 。
采场上覆大厚度坚硬岩层破断规律的力学分析*史 红1，2姜福兴1(1山东科技大学资源与环境工程学院 泰安 271019) (2山东农业大学水利土木工程学院 泰安 271018)摘要 利用两端嵌固梁考虑体积力的力学模型，对厚层坚硬顶板的破断规律进行分析。
利用岩层中应力场的分布，提出了大厚度坚硬岩层3种破坏方式的力学判断方法，分别为：(1) 大厚度坚硬岩层中存在弱面和不存在弱面时两种状态下的剪开，从而导致其“关键性”下降；(2) 全厚度范围内的压剪破坏；(3) 紧靠端面的拉断破坏。
从而为煤矿控制大厚度坚硬岩层的破断规律提供理论依据。
现场实例检验表明，此方法可用于老顶初次断裂形态和步距的预测。
关键词 岩石力学，煤层长壁工作面，大厚度坚硬岩层，力学模型，破断方式，判断方法分类号 TU 452，TD 325 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)18-3066-04MECHANICAL ANALYSIS OF RUPTURE REGULARITY OF HARD ANDMASSIVE OVERLYING STRATA OF LONGWALL FACEShi Hong 1，2，Jiang Fuxing 1(1College of Natural Resources and Environmental Engineering ，Shandong University of Science and Technology ，Tai ′an 271019 China )(2College of Hydraulic and Civil Engineering ，Shandong Agricultural University ， Tai ′an 271018 China )Abstract Based on the mechanical model of fixed beam with gravity in account ，the rupture reqularity of hard and massive roof of longwall face is analyzed. In this paper ，the structure of the main roof before its initial rupture is considered as the fixed beam ，and the gravity of hard roof is considered as the centralizing force. By using elastic theory and analyzing the stress field of fixed beam under gravity ，the mechanics judgement model of the overlying strata in three kinds of possible movement is suggested ，which are that (1) the shearing with and without the weak interbedding to directly cause the key falling of strata ，(2) rupture resulting from pressure and shearing in the whole strata ，and (3) rupture of the strata close to two ends of beam. The suggested mechanics judgement model has been tested by field experiments ，and it is useful for the prediction of the initial rupture and span of the main roof of the hard and massive strata.Key words rock mechanics ，longwall face of coal stratum ，hard and massive overlying strata ，mechanical model ，rupture pattern ，judgement method1 引 言近年来，许多综采工作面支架被压垮的事实表明，大厚度坚硬顶板的稳定性[1]是决定采场安全的主要因素[2，3]。
关键层理论[4～6]指出，对岩层总体或局部运动起控制作用的岩层称为关键层。
在工程实践中，大厚度坚硬岩层起关键作用的程度(即关键层第23卷 第18期 史 红等. 采场上覆大厚度坚硬岩层破断规律的力学分析 • 3067 •的“关键性”)取决于它的运动方式。
大厚度坚硬岩层在沉降过程中的运动方式可能是：弯沉过程中沿某一层面剪开，厚岩层转化成2个或更多的岩层分开运动[7]；在全厚度范围内沿岩石破裂面压剪破坏；两端拉断后形成铰接结构[8]。
岩层运动方式的不同，将带来顶板控制策略的变化。
本文拟在考虑岩梁体积力的条件下，通过力学分析，给出岩层运动方式的力学判据，从而为煤矿控制大厚度坚硬岩层的破断规律提供理论依据，并丰富了“关键层”理论体系。
2 力学模型及岩层中应力场的分布为了分析采场大厚度坚硬岩层的破断规律，对老顶初次断裂前的结构作如下基本假定：不考虑梁支承端垫层的作用，将坚硬岩层两端的可变夹支简化成两端嵌固梁模型[8]；坚硬岩层上部的软岩视为均布载荷，坚硬岩层受体积力作用，如图1所示，岩梁的重度为γ，工作面方向取单位宽度，接近于平面应变问题，可得两端嵌固梁应力函数为−++++++=)()(223232Gy Fy Ey x D Cy By Ay xϕ 2345610Ky Hy y B y A ++− (1)图1 大厚度坚硬岩层力学模型Fig.1 Mechanical model of hard and massive strata应力函数满足双调和方程，考虑两端嵌固梁的边界条件后可得大厚度岩层在体积力作用下的应力场分布的表达式为()⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−=xxy h y h y h y y x l y h xy y x γγτγσγγσ23641253426222222222 (2) 式中：γ为大厚度岩层岩石重度(kN/m 3)，h 为大厚度岩层的厚度(m)，l 为岩层极限跨度的一半(m)。
3 采场上覆大厚度坚硬岩层的破断规律及力学分析由于覆岩属于沉积岩的层状结构，大厚度岩层在受力状态下，可存在3种破坏形式：(1) 沿岩体破裂面的开裂；(2) 沿岩层某一层面的剪切破坏；(3) 在支座负弯矩区岩层被拉裂，从而使嵌固梁模型变为简支梁模型等不同破坏形式的可能性。
究竟坚硬岩层以何种形式破坏，或以某种形式破坏后是否会继续以其他的形式破坏，可利用上面根据双嵌梁力学模型求得的应力场，得到大厚度岩层上述3种破坏形式的力学判断。
3.1 大厚度坚硬岩层沿某一层面剪开形成2个或更多岩层的力学判断对双嵌梁力学模型，如图2所示，其较大的剪应力应在梁的两嵌固端支座处，即工作面和开切眼上方两个部位，即当l x ±=时，有⎟⎠⎞⎜⎝⎛−±=x xy h xy γγτ23622(3)图2 剪应力作用下岩层分开运动的力学模型 Fig.2 Mechanical model of strata separated by shearstress3.1.1 大厚度坚硬岩层存在弱面或软弱夹层时的力学判断尽管柱状图参数显示出十几米乃至几十米的厚层坚硬岩层，但实际上坚硬顶板在厚度方向上往往存在结构面或软弱夹层，顶板有可能沿结构面或软弱夹层剪开。
故顶板剪切破坏的位置与大厚度坚硬岩层中的弱面或软弱夹层在岩层厚度方向上的位置有关。
设结构面或弱面的位置为y ，其力学判断为1212236l y l h xy γγτ−=≤][τ (4)分离的极限跨度为1l ≤)4(3][2312][2222222h y h gh y h −=−γτργτ (5)式中：1l 为剪开后分层运动的极限跨度之半(m)，y• 3068 • 岩石力学与工程学报 2004年为岩层中弱面或软弱夹层的位置坐标(m)，][τ为岩层中弱面或软弱夹层的容许抗剪强度(MPa)。
3.1.2 大厚度坚硬岩层不存在弱面时的力学判断当坚硬岩层比较完整，并且不存在弱面或软弱夹层时，根据前面得到的应力分量，当l x ±=时，沿岩层厚度方向上的最大剪应力应在岩层的中间层面，即=y 0时，l γτ5.1max −=。
要使顶板不产生沿中间层面的剪切破坏，则应满足：max τ≤][τ，其分离运动的极限跨度为2l ≤γτ3][2 (6) 式中：][τ为大厚度岩层的容许抗剪强度(MPa)，2l 为沿中间层面剪开后分层运动的极限跨度之半(m)。
当γτ3/][22>l 时，岩层在中心层位置上剪开，分成两部分运动，于是其“关键”作用下降。
由此可见，随着工作面推进，当上述条件不满足时，大厚度坚硬岩层从中间或某一弱面(软弱夹层)被剪开，从而形成2层岩层分开运动，此时顶板的变形及破断规律较完整岩层时大为不同，即对上覆岩层运动的控制能力减弱，亦即“关键性”降低。
3.2 全厚度范围内沿岩石破裂面的压剪破坏的力学判断对于两端嵌固梁模型，梁体嵌固端下部(=y 2h，l x ±=)处于受压状态，最大主应力为=σ γγσ51322+=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=±=l h h y l x x ，，根据库仑强度准则可知，岩石破裂面的方向与最大主应力方向的夹角为245ϕθ−=o (如图3所示)，则破坏面上的应力为 ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=γγϕτγγϕσθθ5132cos 5132sin 122h l h l (7) 则剪切破坏准则为图3压剪破坏岩层断裂的力学模型Fig.3 Mechanical model of strata rupture by pressure andshear stressc +=θθϕστtan式中：ϕ为内摩擦角，c 为粘聚力。