第三章采场上覆岩层运动和发展的基本规律2
矿压课件(2采场上覆岩层运动和发展的基本规律)山科
层的坚硬顶板可能整体切断，威胁生产。同时，跨落的大块造成中底分 层假顶管理困难。为此可采用上行式开采程序。若先采底分层，一方面 坚硬岩层离采场位置较高，又有较大的残余厚度作为垫层，可防止坚硬 岩层剪断；另一方面，最后采顶分层时，坚硬岩层受重复采动影响，已 形成裂缝，突然剪断的可能性较小。
2014-5-10
Ground Pressure and Strata Control
(a)
弯拉破坏的发展过程：随采场推进，上覆岩层悬露（a）→在其重 力作用下弯曲（b）→岩层悬露达到一定跨度，弯曲沉降发展至一定限 度后，在伸入煤壁的端部开裂（c）→中部开裂形成“假塑性岩梁” (b) (a) （d）→当其沉降值超过“假塑性岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自 行跨落（e）。
(a)
(b)
(a)
(c)
(b)
（a）
(a)
(c)
(b) （b）
(d)
(b)
(c)
(c) （ c）
2014-5-10
(d) （d）
(e) （e）
矿业与安全工程学院-资源工程1系
4
采场上覆岩层运动和发展的基本规律
Ground Pressure and Strata Control
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：
矿业与安全工程学院-资源工程1系
20
采场上覆岩层运动和发展的基本规律
Ground Pressure and Strata Control
2.1.4 岩层破坏形式的转化
岩层破坏的弯拉破坏和剪切破坏两种形式是随地质条件和采动条件 的变化而相互转化的。 （1）当工作面推至端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来 呈弯拉破坏运动的岩层转变为剪断破坏。这就是在日常来压较均匀的采 场，高产后往往出现切顶事故的原因。 （2）改变开采程序。坚硬岩层覆盖的厚煤层，下行式开采时，顶分
带目录完美版《矿山压力与压力控制》课后习题答案
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。
3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。
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。
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。
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 。
采煤工作面上覆岩层移动及其矿压显现规律32页PPT
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
3 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2020/12/8
第三章采场上覆岩层运动和发展的基 本规律2
本章提要
本章特点 学习难点
•上覆岩层运动和破坏的基本形式 •上覆岩层纵向运动发展的基本规律 •上覆岩层在推进方向上的运动规律
•上覆岩层运动参数的确定
• 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
当梁端部的拉应力 为：
（3.12） P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 12
本规律2
当悬露岩层上部无比其软弱岩层时，该岩层只受本身重力的作用， 其端部裂断时的拉应力可按下式计算
（3.13）
当悬露岩层上部存在较为软弱的岩层时，则形成由不同岩性的 岩层组成下硬上软的组合岩梁，其端部裂断时的拉应力 为：
形成弯拉破坏
L0≥LG
端部被剪坏
形成剪切断破坏
➢3.1.4岩层破坏形式的转化 岩层的两种破坏形式是随地质和采动条件的变化而相互转化的。
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 18 本规律2
1 工作面推至端部开裂位置附近 弯拉破坏转变为剪断破坏 2 强制放顶 剪断破坏转化为弯拉破坏
提高推进速度
排除整体 切断塌垮 的危险
中部裂断
弯拉破坏
深入煤壁的两端部断裂
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。如图3.4（a）（b）
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 10 本规律2
图3.5 岩梁的支承 条件与弯距 a-嵌固状态; b-简支状态
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 11 本规律2
悬露岩层由弯曲发展至破坏的力学过程和条件为 ①工作面推进至岩梁悬跨度达极限值L0时，梁端弯矩MA为：
弯曲变形
端部开裂（图3.3（a））
整体切断跨落（图3.3（b））
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 本规律2
6
（a）
（b）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图3.2 剪切运动的基本形式
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 本规律2
7
2 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。
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
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 本规律2
1
§ 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 ➢3.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件
➢3.1.3上覆岩层破坏形式的判断
➢3.1.4岩层破坏形式的转化 §3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律 §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在嵌固梁向简支梁转化的过程中，当岩梁中部拉应力达到
时，中部必然拉开，岩梁发展至跨落或保持“假塑性岩梁”状态 ④岩梁端部和中部开裂的力学条件应为
=≥ 为了便于应用，其力学条件可用岩梁悬露的极限跨度L0表示。
（3.15） P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 15
本规律2
当=0，即单一岩层弯曲破坏时，
3
（a） （c）
（b）
（d）
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 本规律2
4
2 力学条件
（e）
图3.1弯拉破坏的运动形式
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）
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 本规律2
5
二 剪（切）断破坏的运动形式
1 运动过程
（3.16）
显然，L0值随岩梁厚度m、允许抗拉强度
支托层上的软岩厚度
的增加而减小。
岩层剪坏的力学过程和条件
的增加而增大，随
岩梁剪坏的力学过程 ①当岩梁悬跨度达到极限跨度 时，梁端因拉应力超限而开裂；
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 16 本规律2
②当工作面煤壁推至开裂位置或构造断裂面附近，在梁中部拉应 力的大小仍未达到超限的情况下，由于悬露岩层端部残余抗剪 断面不足，其剪应力超限，造成岩层沿工作面煤壁附近整体切 断而跨落。如果工作面支护有较高的支护强度，岩层将沿放顶 线切下。
悬露岩层剪坏的力学条件是： 梁端抗剪断面上的最大剪应力为： 最大剪应力Qmax和抗剪端面面积S分别为：
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 17 本规律2
整理得以岩层悬露跨度表示的剪坏力学条件为： ➢3.1.3上覆岩层破坏形式的判断
理论判断
根据力学条件分析，理论上判断是很简单的。
L0<LG
中部被拉坏
➢3.2.1岩层运动和组合的力学分析 ➢3.2.2 直接顶和基本顶 ➢3.2.3直接顶和基本顶的相互转化
§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
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 21 本规律2
➢3.2.1岩层运动和组合的力学分析
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）
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 本规律2
8
（a）
（b）
图3.3 剪断运动形式对工作面的威胁
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 9 本规律2
➢3.1.2 岩层运动发展至破坏的力学条件 力学过程
悬跨度达到极限跨度
（3.14）
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 13 本规律2
式中 m —强度高的下部支托层厚度，m；
—随支托层同时运动上部较软弱的岩层的厚度，m。
②在梁端部开裂发展的过程中，随着端部弯矩减少，梁的中 部弯矩将逐渐增加；随着支承条件向简支梁的转化，中部弯 矩将向接近
的数值发展。
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 14 本规律2
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 19 本规律2
3 改变开采程序 4 在推进方向上
遇到图示 的断层构
造
运动形式由弯坏转变为剪坏
图3.6 工作面前方构造断裂面对岩 层运动形式的影响
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 20 本规律2
§3.1上覆岩层运动和破坏的基本形式√
§3.2上覆岩层纵向运动发展的基本规律
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 本规律2
2
3.1.1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）
P 第三章采场上覆岩层运动和发展的基 本规律2