顶板灾害防治技术0文档格式.docx

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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。

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。

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）

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