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1、第四章 回采工作面上覆岩层活动规律 4.1 概述 在煤层或矿床开采过程中，一般把直接进行采煤或开采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。顶板：位于煤层之上的岩层称为顶板。分为：（1）直接顶（immediate roof）：直接顶位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层；通常由具有一定稳定性且易于随工作面回柱放顶而垮落的页岩或砂页岩等岩层组成。也有人认为采空区冒落带内的岩层统属于直接顶。老顶老顶底板底板直接顶直接顶煤层煤层伪顶伪顶直接底直接底第1页/共55页（2）伪顶（false roof）：直接顶与煤层间厚度小于0.5m极易垮落的软弱岩层，它随采随冒。（3）老顶（基本顶，main roo
2、f）：直接顶上方（有时直接位于煤层之上）的厚而坚硬的岩层。一般由砂岩、石灰岩、砂砾岩等岩层组成。也有人认为冒落带以上的裂隙带岩层统属老顶。底板：位于煤层以下的岩层。直接底：直接位于煤层之下的岩层。第2页/共55页 工作面回采过程中，必须对回采工作面进行支护，保证工作面有足够的作用空间和形态。同时对采空区要进行处理，目前对采空区的处理方法主要有以下几种。第3页/共55页 其中全部垮落法具有回采率高、成本低、简单的优点，在条件适宜时，尽量采用这种方法。采用全部垮落法时，随着工作面推进，回采工作面空间形状变化见下图。第4页/共55页 在煤体内形成回采空间，其上方的岩体部分重量则在煤体内形成回采空间，
3、其上方的岩体部分重量则有支架承担，同时前方煤壁和采空区冒落的矸石也要承有支架承担，同时前方煤壁和采空区冒落的矸石也要承担部分压力。有时由于上位岩层的变化对支架也会产生担部分压力。有时由于上位岩层的变化对支架也会产生压力。将这些原因对支架产生的压力常称为顶板压力或压力。将这些原因对支架产生的压力常称为顶板压力或矿山压力。矿山压力。回采空间或巷道上方岩层中未破坏部分或未产生剧回采空间或巷道上方岩层中未破坏部分或未产生剧烈变形部分，或虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分，烈变形部分，或虽然岩层已破断但仍能整齐排列的部分，有时能形成岩体内的大有时能形成岩体内的大“结构结构”。这种大结构能够承担。这种大结
4、构能够承担上覆岩层重量，从而对巷道及回采空间起保护作用。根上覆岩层重量，从而对巷道及回采空间起保护作用。根据实际测定，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层据实际测定，回采工作面支架所承受的力仅为上覆岩层的百分之几。但当工作空间维护的时间较长时，围岩不的百分之几。但当工作空间维护的时间较长时，围岩不易形成稳定性结构。这种现象在巷道中极易出现，从而易形成稳定性结构。这种现象在巷道中极易出现，从而导致巷道围岩的导致巷道围岩的“挤、压、臌挤、压、臌”现象。对于回采工作空现象。对于回采工作空间，尤其是工作面推进较快时，这种时间影响因素就会间，尤其是工作面推进较快时，这种时间影响因素就会变得次要，上覆岩层
5、极易形成大变得次要，上覆岩层极易形成大“结构结构”。第5页/共55页4.2 老顶岩层的稳定性 4.2.1 老顶岩层的梁式平衡 当工作面自开切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度，采空区进行初次放顶，直接顶开始垮落，此时直接顶的跨距称为初次垮落距，初次垮落距的大小与直接顶岩层强度、分层厚度、直接顶内节理裂隙的发育程度有关。第6页/共55页 岩层破碎后，体积将产生膨胀，破碎膨胀后的体积与破碎前的体积之比称为碎胀系数。岩石破碎后，在其自重及外载作用下，渐趋压实，碎胀系数变小，压实后的体积与原体积之比称为残余碎胀系数Kp。第7页/共55页第8页/共55页 假假设设00，则则老老顶顶呈呈悬悬露露状状
6、态态。类类似似板板状状结结构构，它它的的一一边边由由工工作作面面煤煤壁壁支支承承，另另外外三三边边则则由由煤煤柱柱支支撑撑。当当工工作作面面倾倾斜斜长长一一般般老老顶顶沿沿走走向向的的悬悬露露长长，所所以以可可将将老老顶顶视视为为一一端端由由工工作作面面煤煤壁壁，另另一一端端由由边边界界煤煤柱柱支支撑撑的的两两端端固固定定的的“梁梁”，即即所所谓谓梁梁的的假假说说。此此时时若若老老顶顶之之上上的的岩岩层层强强度度较较低低，则则上上覆覆岩岩层层的的重重量量将将通通过过老老顶顶“梁梁”传传递至两端的支点上，即煤壁和煤柱上。见下图分析。递至两端的支点上，即煤壁和煤柱上。见下图分析。第9页/共55页
7、第10页/共55页第11页/共55页第12页/共55页 上上面面是是按按固固定定梁梁的的计计算算结结果果，实实际际上上两两端端的的支支承承条条件件也也有有差差异异。如如一一侧侧的的采采空空区区已已采采完完时时，见见下下图图，隔隔离离煤煤柱柱上上方方的的顶顶板板已已处处于于自自由由状状态态。因因而而更更接接近近于于简简支支梁梁支支座座。有有些些国国家家已已将将浅浅部部矿矿井井老老顶顶按按简简支支梁梁计计算算，认认为为浅浅部部矿矿井井岩岩层层顶顶板板由由于于两两端端煤煤体体上上集集中中压压力力较较小小，因因而而可可视视为为简简支支梁梁支支座座，但但在在深深部部应应视视为为固固定定梁梁。若若为为简简
8、支支梁时，梁内的剪力分布与固定梁同，但弯距则不同。梁时，梁内的剪力分布与固定梁同，但弯距则不同。第13页/共55页隔离煤柱隔离煤柱第14页/共55页4.2.2 老顶岩层的板式结构分析 随随着着回回采采工工作作面面自自开开切切眼眼开开始始推推进进，根根据据已已采采空空面面积积的的情情况况，如如华华北北地地区区的的一一般般条条件件，回回采采工工作作面面长长150150200m200m，推推进进30m30m左左右右，老老顶顶岩岩层层初初次次断断裂裂。一一般般老老顶顶岩岩层层厚厚2 24m4m。按按照照薄薄板板的的假假设设，其其厚厚度度（h h）与与宽宽度度（a a）的的比比值值h/a=1/71/15
9、h/a=1/71/15。因因此此，可可视视老老顶顶岩岩层层为为薄薄板板，当当老老顶顶与与上上部部岩岩层层离离层层时时更更是是如如此此。根根据据开开采采条条件件及及边边界界煤煤柱大小，又可将老顶岩层假设为四种情况：柱大小，又可将老顶岩层假设为四种情况：（a a）四周固支：）四周固支：（b b）三边固支一边简支；）三边固支一边简支；（c c）两边固支两边简支；（）两边固支两边简支；（d d）一边固支及三边简支。）一边固支及三边简支。通过近似解法，可获得岩层板破断地一般规律。通过近似解法，可获得岩层板破断地一般规律。第15页/共55页 以四周边固支的板为例，在长边的中心部位，弯距的绝对值最大。随着工
10、作面推进，当达到一定值时，首先在此形成断裂，而后在外边的中央形成裂缝，待四周裂缝贯通后，板中央的弯距又达到最大值，超过强度极限而形成裂缝，最后形成X形破坏，见下图。对于其它支承条件时，其破裂过程与上述相近。第16页/共55页4.3 老顶初次破断时的极限跨距(梁式分析)老顶岩梁达到断裂时的跨距称为极限跨距，可由材料力学方法求得。第17页/共55页第18页/共55页第19页/共55页第20页/共55页 显然，在同样条件下，由简支梁计算所得的极限跨距LlT要比固定梁计算所得的小。在一般情况下，由于弯距形成的极限跨距LlT要比剪切应力形成的极限跨距Lls小，因此常常按弯距来计算极限跨距。在什么条件下应
11、按简支梁计算或按固定梁计算，需根据煤层赋存深度及边界煤柱两侧采空的情况来定。在采用刀柱法或房柱法开采时，为了保证工作空间顶板的完整性，刀柱或煤柱的间距应采用岩层梁的安全距Ls，此时，取岩层趋向断裂的安全系数为n，以顶板岩层的安全跨距Ls为：固定梁时 简支梁时一般取 n=6。第21页/共55页上述计算中，RT可由试验确定，h可由钻孔资料获得。关键是如何确定岩梁所受载荷q，一般煤层上方的岩层是由好几层岩层组成。因此，第一层岩层的极限跨距所应考虑载荷的大小，须根据各层之间的相互影响来定。下式表示n层岩层对第一层（最下面的岩层）影响所形成的载荷（qn）。第22页/共55页第23页/共55页第24页/共
12、55页第25页/共55页第26页/共55页第27页/共55页4.4 裂隙体梁的平衡 当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面继续推进，老顶即发生断裂，断裂后的一般状态见下图。第28页/共55页 整个顶板的破断方式可分为三个明显的区域，上、下区为圆弧形破坏，岩块间呈立体咬合关系。中部呈似梁的咬合关系，见A-A断面。但由于破断的岩块相互挤压，产生了水平力，这使中部又呈现出能传递水平力的拱的关系。这种表面似梁，实质是拱的裂隙体梁的平衡关系结构，称为“砌体梁”。第29页/共55页 由于岩层的抗拉强度很小，老顶岩梁很可能先在两侧支座的上端裂开，而后在梁的中间底部开裂，随着岩块转动形成强大的水平挤压力，使岩块
13、间形成了三铰拱式的平衡。见下图。第30页/共55页 根据实验及力学分析，若破断岩块较多，则成拱的条件主要取决于原岩应力及岩块转动过程中所形成的水平挤压力的大小。水平挤压力较大时，仍然能使多个岩块挤压在一起，呈悬露状态。因此，并不是老顶岩梁刚达到断裂极限跨距，即发生垮落，它还决定于以下平衡条件。（1）结构的滑落失稳 咬合处摩擦力的大小，即水平挤压力与该处摩擦系数的乘积，此力的作用方向与岩块滑落的方向相反，因而起防止岩块间相互滑落的作用。第31页/共55页第32页/共55页第33页/共55页若考虑到老顶岩层断裂时，断裂面与垂直面成一断裂角，则咬合点的关系见下图。第34页/共55页第35页/共55页
14、（2）结构的变形失稳 这是指在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。见下图表示的岩块回转状态。第36页/共55页第37页/共55页第38页/共55页第39页/共55页 由此可求得在岩梁破断后互相咬合中间下沉量达时，即形成了岩块结构的变形失稳。由上述分析可知，岩梁在破断成岩块后，只要有一定的条件，它仍能形成外形如梁，实质是拱的平衡结构，保持着回采空间，使其不受上覆岩层的全部载荷。第40页/共55页4.5 直接顶的稳定性 直接顶是工作面直接维护的对象，直接顶经常处于破断状态，且无水平力的挤压作用，因而
15、它难以形成结构，它的重量全由工作面支架来承担。从岩体形成结构的观点来分析，对于老顶形成的大结构，支架是通过直接顶对其起支撑作用。因此，直接顶的完整情况，将首先影响到工作面生产的安全，同时也是保证支护能否全部发挥其性能的重要保证。从顶板事故的现场统计看，许多顶板事故是由于直接顶与老顶产生离层，然后由直接顶引起推垮型事故（单体柱），因此应研究直接顶与老顶间形成离层的条件。第41页/共55页4.5.1 直接顶岩块离层原因分析（1）节理、裂隙的切割：一旦支护工作出现疏忽，均可导致直接顶局部冒落。（2）岩性原因：初次放顶前，由于直接顶的挠度大于老顶,此时老顶处于板的悬露状态。直接顶强度较弱，岩层较薄，而
16、产生二者离层。（3）采用单体支护时，第一排支柱刚支设时，初撑力较低，液压支架时，由于无支护空间较宽，又由于前梁的支撑力较小，因而常常形成机道上方顶板离层。第42页/共55页（4）工作面较短时，老顶常处于悬露状态，挠度甚小，直接顶的挠度常大于老顶而形成离层。类似于初次放顶前。（5）分层开采工作面，第一分层采出后，冒落的顶板将重新压实。根据采空区内垂直应力重新分布的规律，在采空区四周将形成减压区，从而在采下分层时，此减压区内将形成直接顶岩层的离散状态。第43页/共55页4.5.2 初次放顶前直接顶的离层与断裂第44页/共55页第45页/共55页 粗略地讲，当直接顶厚度小于老顶厚度，均易形成这种离层
17、。当然这种离层分析的条件：直接顶必须有一定强度，并不是随开切眼推进而冒落，其次是冒落后的直接顶不能填满采空区。这样直接顶岩块间无水平力联系，从而形不成结构。这些均是形成直接顶初次放顶时失稳的条件。考虑到初次放顶前支架支撑力的作用，则不致于形成离层的条件改为：式中 p为支架单位面积的支撑力。通过类似前述的推导，有：即支架支撑力达到上述条件可保证直接顶与老顶不离层第46页/共55页4.6 回采工作面上覆岩层移动概况 老顶垮落后，采空区上方的岩层一般都要产生移动,见下图为典型的地表岩层移动图。第47页/共55页 认为，断裂面上任意一点C所处的应力状态均为极限应力状态。岩层移动主要是研究开采后引起的地
18、表变形与破坏规律。由于煤层开采后形成的采空区大多数为长方形，而老顶岩层的破坏因长方形的角效应影响而呈椭圆形，因而地表移动盆地均为椭圆形，且比采空区面积要大。地下采空区地下采空区地表移动边界线地表移动边界线第48页/共55页 开采水平或近水平煤层时，移动盆地位于采空区正上方，而且盆地中心对应着采空区中心，即中心点是垂直下落的。对于倾斜煤层，见下图。最大下沉点有下滑落趋势。地表移动曲线地表移动曲线采空区采空区00第49页/共55页 采空区面积相当大时，盆地形成平底“盆状”，盆地内最大下沉处不是一条线而是一个面。当采空区宽度导致地表最大下沉处由线变为面的临界值称为开采的临界宽度，此时地表得到了充分采
19、动。反之，如果开采面积不够大，盆地呈尖底“碗状”。此时说明地表没有得到充分采动。随着开采宽度增加，地表下沉值还将继续增加。随着开采宽度增加，地表下沉值会相应增加。见下图。123123第50页/共55页 回采工作面矿山压力显现主要研究开采后煤层上方顶板的活动规律。通过钻孔观测，可了解到回采工作面上覆岩层的破坏与移动情况。通常将上覆岩层按破坏和移动的情况分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。见下图所示。第51页/共55页 冒落带：破断后的岩块呈不规则垮落，排列极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.31.5。但经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右，很多情况下为直接顶岩层冒落后形成。裂隙带：岩层破断后，
20、岩块仍然排列整齐的区域。它位于冒落带之上，由于其排列比较整齐，因此碎胀系数比较小。为了研究上覆岩层情况，尤其是在煤层开采后裂隙带岩层的运动规律，在我国阳泉、开滦范各庄及大屯孔庄等矿进行了深基点观测，所得结果大同小异。右图是推测图。弯曲下沉带：位于裂隙带之上，一般主要是由弯曲变形而形成。对于埋深较浅煤层而言，可延伸到地表。第52页/共55页 为了研究上覆岩层情况，尤其是在煤层开采后裂隙带岩层的运动规律，在我国阳泉、开滦范各庄及大屯孔庄等矿进行了深基点观测，所得结果大同小异。右图是推测图。第53页/共55页 同时也可将上覆岩层沿推进方向进行分成三个区：见右图A煤壁支撑影响区;B离层区;C重新压实区。第54页/共55页感谢您的欣赏第55页/共55页