采场上覆 岩层活动规律
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律
砌体梁结构为半拱式平衡结构。块体间依靠水平挤压力产
生的摩擦力平衡岩块的自重和上覆岩层传递的载荷。支架
的载荷（支护强度）：
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第一节 采煤工作面上覆岩层移动规律
四、裂隙带岩层的结构形式（矿压假说） （二）传递岩梁结构
图2-4 传递岩梁 结构模型
山东科大宋振骐院士提出。一组或几组基本顶的断裂岩 块的相互咬合，形成一种能向煤壁前方和采空区矸石上 传递力的结构，称为传递岩梁。支架承担岩梁的作用力 的大小，由其对岩梁运动的控制要求而定。位态方程如 下：
初次来压步距L：由开切眼到基本顶初次垮落时工作面推进的距离。 L与岩性、厚度、载荷有关。
统计数字：10~30m 54%； 30~55m 37.5%； >55m 8.5% 特殊的砂岩、砂砾岩顶板的初次来压步距可达100~160m。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
四、支承压力及其显现
采煤工作面前后 方支承压力对工作面 矿压显现有着很大影 响。采煤工作面前方 支承压力依次为原岩 应力区、应力增高区、 应力降低区和应力稳 定区。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
拱的一个支点在工作面前方的煤壁上，另一支点在采 空区已垮落的矸石上。工作面支架主要承受拱内部分岩石的 重量及拱运动时的附加载荷。
英国学者伊万斯提出了支架载荷计第算二章式采煤：工作面上覆岩层移动及其 矿压显现规律
第二节 采煤工作面矿山压力显现规律
一.工作面矿压显现方式
由于采动作用促使围岩向已采动空间运动的力称为
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律-续三RTF 文件
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。
采煤工作面上覆岩层移动规律
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。
依据顶、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。
通常由炭质页岩等脆弱岩层组成，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，具有肯定的稳定性，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承受长壁采煤法时，随着采工作面的不断向前推动，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。
依据破坏状态不同，上覆岩层可划分为三个带(图3－l)。
冒落带。
指承受全部垮落法治理顶板时，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)。
该局部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、裂开。
在采煤工作面内这局部岩层由支架临时支撑。
裂隙带。
指位于冒落带之上、弯曲带之下的岩层。
这局部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，向上可进展到地表。
此带内的岩层将保持其整体性和层状构造(图3－l，Ⅲ)。
生产实践和争论说明，采煤工作面支架上受到的力远远小于其上覆岩层的重量。
只有接近煤层的一局部岩层的运动才会对工作面四周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掌握，也就是对这局部岩层的掌握。
采场上覆岩层移动规律
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：
PT A m L k k G
2LK
q
Qx
Mx
综上：老顶岩梁破坏形式有两个受弯矩作用拉断受剪力 作用剪断
二、梁式断裂时的极限跨距：
q
（一）固支情况 1、按弯矩计算：
M
任意点A 处正应力： My
Q
其中断面矩
JZ
Jz
1 h3 12
最大拉应力在梁的端部
max
M
max
h 2
Jz
1 ql 2 h 12 2
1 h3
ql 2 2h 2
12
当 max 时Rt，则岩梁被拉断裂。
说明：
1）先计算第一层载荷 q1 1h1
2）计算第二层对第一层的作用；计算至第三层时第一层载荷…… 3）一直计算到第n+1层时，第一层载荷反而小于第n层时的载荷为止 4）取第n层时的计算载荷为 q ，此值为计算过程中得到的最大值。
四、老顶运动规律 1）老顶的初次垮落 由开切眼到老顶初次垮落时工作面推进的距离称为老顶的初 次垮落步距。 2) 老顶的周期性垮落 随工作面的推进将周期性地出现，称为老顶的周期性垮落。
ql 2
ql 2 M1 M 2 12
２）任意截面剪力：（Ｄ—Ｄ’）
Qx
R1
qx
ql 2
qx
ql 1 2
2x l
ql Q |x0 2
Q |xl 0 2
Q
上覆岩层结构及运动规律
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。
煤矿上行开采覆岩运动规律研究
煤矿上行开采覆岩运动规律研究煤矿上行开采是一种特殊的采矿方式，它受到覆岩运动的极大影响，既可能支撑煤矿采掘活动，又可能危害正在采矿的安全。
因此，了解覆岩运动规律对于确定煤矿上行开采的安全性和可行性具有非常重要的意义。
本文着重研究了影响煤矿上行开采覆岩运动规律的主要因素，并从研究的角度指出它们及其相互之间的影响，以期能更准确地预测覆岩的运动规律，为提高煤矿开采的安全性提供参考。
煤矿上行开采覆岩运动规律是由煤矿开采引起的地质构造变化、覆岩的自重和强度特征所决定的。
因此，要研究煤矿上行开采覆岩运动规律，首先需要弄清覆岩的自重和强度特征，以及它们之间的相互关系。
其次，要研究覆岩运动和地质变化之间的关系，以及各种因素如采掘、水土、采掘空腔和其他地质环境对覆岩运动的影响。
覆岩的自重和强度特征是确定覆岩运动的关键因素，其中覆岩的自重是一个重要的参数。
覆岩自重能够表现出其承受的重力、抗拉力和抗压力，同时受到地质环境、地层厚度等多种因素的影响。
覆岩中含有的破碎物含量对覆岩稳定性影响至关重要，从而影响了煤矿开采覆岩运动规律。
覆岩强度特征是指覆岩在抗拉力和抗压力作用下的变形特性。
覆岩强度随覆岩厚度和颗粒粒径的增加而增大，受地质状况的不同、岩石的物理性质的差别也会影响覆岩的强度。
覆岩的强度对煤矿开采覆岩运动规律也有着重要的影响，它直接决定着支护结构的设计及施工方案的选择。
此外，煤矿开采所产生的地质构造变化对覆岩的运动规律也有很大的影响。
煤矿开采带来的采掘空腔及采掘厚度、煤层变形程度和强度变化等都会影响覆岩的运动规律。
采掘厚度增加会让覆岩在受力时处于更大的应力状态，从而加剧覆岩的运动；采掘空腔及采掘空腔形态的变化也会影响覆岩的变形及运动模式等。
本文简要研究了影响煤矿开采覆岩运动规律的主要因素，包括覆岩的自重和强度特征以及煤矿开采所产生的地质构造变化等，同时指出它们之间的影响。
结果表明，要准确地预测覆岩的运动规律，必须综合考虑这些因素及其相互影响，并从多方面、全面地分析，以便更好地推动煤矿上行开采的安全性和可行性。
第三章采场上覆岩层运动的基本规律
3.“砌体梁” 钱鸣高院士提出的砌体梁学说认为，老顶由多块断裂后像 “砌体”一样挤铰而成的结构组成，该学说系统研究了裂隙带岩 层形成结构的可能性以及结构的平衡条件（图c）。从建立该理论 的假说条件可以看出，该理论的结论更适用于坚硬岩层的采场。 4.“传递岩梁” 宋振骐院士提出的“传递岩梁”学说认为，在一定采高、推 进速度和顶板组成的条件下，平衡结构的存在是必然的，因此它 看待平衡结构的重点是从结构向煤壁前方和老塘矸石传递力的方 面考虑的，显然，这种结构在一般的采场均存在。在进行支架围 岩关系研究时事实上加进了“存在坚硬岩层”的前提条件。因此， 该理论所建立的力学模型均以两个岩块组成的结构出现。 “传递岩梁”和“砌体梁”理论都认为，坚硬岩层能在煤壁前 方断裂，因而通过研究岩层运动与支承压力之间的关系，提出了 来压预报的机理和方法，为减少我国恶性顶板事故作出了重大贡 献。“传递岩梁”理论还认为，采场支架可以改变铰接岩梁的位 态，并以两块模型推导出了位态方程，为支护设计定量化提供了 重要思路，其成果也为广大现场所接受。“传递岩梁”还提出了 采场存在多岩梁结构，该观点解释了多岩梁采场较为复杂的矿压 现象。
直接顶厚度的计算方法。（具体方法见宋振骐教授主 编的《实用矿山压力控制》
（三)直接顶的形态及特征
我国主要矿区按组成直接顶岩层的弱面及组份情况将其形态 归纳为颗粒型、膨胀型、团块型、分层裂隙共生型、双向裂隙型、 单向裂隙型、上软下硬型、下软上硬型、分层型及整体性10种 （见下页表）。 直接顶的形态是随其组成岩层的强度、弱面及其组合关系而 变化的，它能从非常软弱一直发展到非常坚硬。 颗粒型直接顶主要存在于顶煤松软的放顶煤工作面及顶板胶 结性差的工作面（包括无顶网且胶结差的假顶）。在放顶煤工作 面，顶煤由于受超前支承压力的预先破坏和支架的“重复”支撑， 一般情况下将很破碎，如果机道上方护顶及护帮不及时，将出现 大范围漏顶及片帮。 在顶板胶结性差的采场，如护顶不及时，机道上方将出现大 的“高冒”空穴，此类采场直接顶厚度一般超过 2～3倍采高，确 切的厚度将由颗粒型岩层的厚度决定。这种顶板现场也称为“豆 腐渣”顶板（见后页图）。
第二章采煤工作面上覆岩层移动及其矿
l
（二）传递岩梁结构
• 山东科大宋振骐院士提出。一组或几组基本顶的断裂岩 块的相互咬合，形成一种能向煤壁前方和采空区矸石上
传递力的结构，称为传递岩梁。支架承担岩梁的作用力
的大小，由其对岩梁运动的控制要求而定。位态方程如 下：
p
1hf 2
2HL
lKT
•
ha hi
（三）悬梁（板）结构
• 坚硬的顶板在初次来压后，可视为一端固定于工作 面前方煤体上的悬臂岩梁（岩板），随工作面推进， 悬臂长度增大，达极限长度时，悬梁破断，工作面 出现来压现象。支架的最大载荷：
1 H 2(L l) p 2 q 6l 2 (L l) Rt
（四）压力拱结构
• 松软顶板形成压力拱。拱的一个支点在工作面前 方的煤壁上，另一支点在采空区已垮落的矸石上。 工作面支架主要承受拱内部分岩石的重量及拱运 动时的附加载荷。
L初 h
2Rt q
• L与岩性、厚度、载荷有关。 统计数字：10~30m 54%
30~55m 37.5%
>55m 8.5% • 2.初次来压的显现
（1）工作面顶板剧烈下沉； （2）支架载荷增加，安全阀开启，活柱下缩； （3）煤壁片帮严重； （4）顶板的断裂声
（三）基本顶的周期来压
三、基本顶的运动规律
• （一）基本顶的运动形式 • 1.基本顶缓慢下沉 • 采高小、直接顶厚度大，采空区充满程度好，基
本顶弯曲断裂后在矸石支撑下缓慢下沉。此时， 基本顶能形成传力结构，将自身的重量和上覆岩 层的部分重量传递到前方煤壁和后方采空区矸石 上，工作面内矿压显现不明显。 • 2.基本的呈长岩梁折断 • 直接顶冒落后不能充满采空区，基本顶按一定的 跨度，周期性折断，岩梁长度较大。
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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。
6/34
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
本章介绍：
采场上覆 岩层活动规律
工作面顶底板划分 采场上覆岩层活动规律假说 直接顶稳定性分析 老顶断裂形式及步距（梁、板） 老顶断裂后的砌体梁结构及其稳定性分析
1/34
第一节
概 述
一、回采工作面顶、底板的划分： 1、顶板： 伪 顶——位于煤层之上，薄而软弱的岩层； 直接顶——位于煤层或伪顶之上一层或几层性质相近岩层； 老 顶——位于直接顶或煤层之上厚而坚硬的岩层（基本顶）； 2、底板： 直接底——位于煤层之下的岩层（为古土壤）； 老 底——直接底之下的岩层。
7/34
四、铰接岩块假说： （1954， 苏，库兹涅佐夫）
上覆岩层分为垮落带和 规则移动带，规则移动带岩 块间相互铰合而形成一条多 环节的岩块铰链。
铰接岩块假说 1.不规则冒落带；2-规则冒落带；3-裂隙带
规则移动带岩层变形小时，其下部岩 层发生离层，工作面支架只承受直接顶因离层而折断岩 层的全部重量（给定载荷），当规则移动带变形大或断 裂时，支架载荷与岩层变形位移有关（给定变形）。 对铰接岩块间力学作用未做说明。
13/34
有支护时由 ymax ymax n
有
4 4 h1 q1 L1 h p L1
384E1 J1
384E2 J 2
且
bh13 J1 12
bh 3 J2 12
q1 h1
从而
E h 2 2 1 不离层最小支撑力 p h 1 E1 h1
）
17/34
2、老顶梁式结构力学分析： （按固定支座） 1）支座反力：（对称）
ql 2 M1 M 2 12
ql R1 R2 2
8/34
五、“砌体梁”理论： （1978，钱鸣高，中国）
在上覆岩层中存在由断裂 岩块组成的“砌体梁”，因岩 块相互挤压，形成承载结构。 认为： 上覆岩层可以硬岩为底划 分若干组，软岩为载荷； 硬岩断裂，岩块间相互挤 压成铰接关系； 铰接岩块在某些条件下可 形成平衡体。
9/34
第三节
直接顶的垮落
顶板事故位置与原因分析
11/34
二、直接顶的离层：
1、离层原因 直接顶较软，易发生弯曲变形 未及时支护或支撑力不足
2、不离层条件：
无支护时：
由挠度计算公式： y max 老顶挠度：ymax
4 h1 q1 L1
qL4 384EJ
384E1 J1
y max n 直接顶挠度：
4 h L1 384E2 J 2
显然： 及时增大支撑力可使顶板不离层。
14/34
直接顶初次垮落后采空区情形
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三、直接顶的初次垮落： 初次垮落——直接顶第一次垮落（初次放顶） （标志：垮落高度＞1~1.5m，长度＞1/2 面长） 初次垮落距——第一次垮落时，直接顶的跨距。 直接顶垮落距受直接顶强度、厚度、节理裂隙影响， 是描述直接顶稳定性的综合指标。 直接顶垮落前，顶板完整性一般较好，支架载荷小， 稳定性差，初次垮落易发生大面积顶板事故。
4/34
第二节
有关采场上覆岩层活动规律的假说
一、压力拱假说： （1928，德国，哈克） 在上覆岩层中，形成一个 “压力拱”，前方煤壁及后方垮落 矸石分别为拱的两脚，工作面处 于拱的保护之下。 “压力拱”将随工作面的推进而前移。
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二、悬臂梁假说： （1916，德国，施托克） 工作面和采空区上覆岩层，可视为一端固定于岩体 内，另一端悬伸的悬臂梁，多岩层可组成组合悬臂梁。
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第四节
一、老顶梁式结构分析： 1、冒落区老顶支撑条件：
老顶的断裂形式
1）全部充填满回采空间
0
h
M K p 1
2）不能充填满回采空间 （老顶悬露，成梁式结构） M 0 h K p 1 （
h M h K P M hK P 1
位置 地点 上、下出 口 放顶线 煤壁区 控顶区 % 57.9 推垮型 19 14.7 71 老顶 直接顶 事故 类型 % 原因 顶板 直接顶 % 80 20 21 79
10/34
压垮型
8.4
29
老顶
一、直接顶岩层破坏离散原因：
1、节理裂隙切割；
2、岩层松软，变形大离层；
3、落煤后顶板支护不及时，支撑力小，促使离层； 4、老顶ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ层平衡结构失稳，岩块回转； 5、支撑力不均衡或支架反复支撑； 6、放顶撤柱，动力冲击。