采场上覆岩层运动规律.docx

采场上覆岩层运动规律1采场上覆岩层破坏的基本形式理论与实践的研究结果表明，采场上覆岩层悬露后发展到破坏有二种运动形式：弯拉破坏和剪切破坏。 弯拉破坏的发展过程是：随采场推进，上覆岩层悬露T在重力作用下弯曲T岩层悬露达一定跨度，弯曲沉降发展到一定限度后，在伸入煤 壁的端部开裂T中部开裂形成 假塑性岩梁”-当其沉降值超过 假塑性 岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自行冒落。 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。悬 露岩层中部拉开后，是否发展至冒落，则由其下部允许运动的空间高 度决定。只有其下部允许运动的空间高度超过运动岩层的允许沉降值， 岩层运动才会由弯曲沉降发展至冒落。 否则，将保持“假塑性岩梁 ”状态。 由此，煤层上方第 n 个岩层弯曲破坏发展至冒落的条件为 :岩层剪（切）断破坏的发展过程是： 岩层悬露后只产生不大的弯曲， 悬露岩层端部开裂T在岩层中部未开裂（或开裂很小）的情况下，整 体切断塌垮。 2.采场上覆岩层在纵向上的运动发展规律 2.1岩层离层发 生的位置和条件采场上方悬露的岩层，可视为在均布载荷作用下的多 层嵌固梁。该岩梁弯曲沉降过程中，必然在平行于轴向的各层面（或 接触面）上出现剪应力。随采场推进，剪应力随岩梁悬跨度和外载的增加而增加，当剪应力值超过层面上（或软弱夹层的接触面上）粘结 力和摩擦阻力所允许的限度时，层面或软弱夹层的接触面被剪坏。岩 层的离层随即发生。因此，离层发生和力学条件为 :式中：T启面（或软弱夹层接触面）的剪应力；C层面或接触面 上的粘结力；©面或接触面上的磨擦角；（T n!面或接触面上的压应力。大 量理论研究和工程实践表明：（ 1）离层一般发生于岩层的接触面或软弱夹层上；（2）接触面的破坏，只有在相应接触面上的剪应力超限时 才会发生，即悬露岩层的跨度达到极限时，离层才会发生。 （ 3）离层 出现的位置取决于组合岩梁中各岩层的弯曲刚度和各夹层的强度。当 下部岩层弯曲刚度小， 夹层（或接触面） 强度低时， 离层在下部发生； 反之，离层可能在上部夹层中出现。 （4）各岩层受采场推进的影响， 其悬露时间、悬露跨度和所受外载由下而上是不相同的。一般来说最 下部的岩层最先悬露，愈靠近上部的岩层，悬露愈晚。各岩层的悬露 跨度由下而上是依次递减的。研究证明，如果下部岩层端部断裂前悬 跨度为L换行1,则上部岩层的反弯点将由两端向采场方向移动， 约从 0.1L1处开始，其实际悬跨度L2将比下部岩层小0.2倍，即L2=0.8Lt（5）由于岩梁的悬露跨度由下而上依次减小，而剪应力大小又与岩梁 悬露跨度成比例，因此剪应力大小也是由下而上递减的。因此，即使 各岩层的岩性、厚度均相同，各接触面的抗剪强度也相同，离层将从 下开始往上逐步发展，故岩层的运动发展趋势是由下而上的。 2.2 传递 岩梁形成的力学机理 “以岩层运动为中心的矿山压力理论体系 ”认为，采 场上覆岩层中除临近煤层的采空区已冒落岩层外，其它岩层保持 “假塑 性”状态，两端由煤体支承，或一端由工作面前方煤体支承，一端由采 空区矸石支承，在推进方向上保持传递力的联系。把每一组同时运动 （或近乎同时运动）的岩层看成一个运动整体，称为 “传递力的岩梁 ”， 简称“传递岩梁 ”。对于相邻的两岩层，是同时运动组成一个传递岩梁， 还是分开运动形成两个传递岩梁， 可用两岩层沉降中的最大曲率 （ Pmax） 和最大挠度（Wmax）来判断。当p maxh>p ma下或 Wmax上Wmax下时，两岩层组合成一个传递 岩梁同时运动。当p max上v p max下或 Wmax上v Wmax下时，两岩层将形成两个传 递岩梁分别单独运动。2.3上覆岩层“三带”划分 采场上覆岩层运动过程中，根据各岩层运动性质的不同可以划分为三 部分（ “三带 ”） :垮落带、裂隙带和缓沉带。如图示。垮落带：也称冒落带，该部分岩层在老塘已经垮落，在采场由支架暂 时支撑，在推进方向上不能始终保持传递水平力的联系。裂隙带：该部分岩层在推进方向上裂隙较发育，各岩层的裂隙浓度已扩展到（或接近扩展到）全部厚度。在采场推进过程中能够以 “传递岩 梁”的形式周期性断裂运动，在推进方向上能始终保持传递水平力的联 系。该部分岩层也是内应力场的主要压力来源。 缓沉带：缓沉带的岩层在采场推进很长一段距离后才会开始运动，其 运动缓慢，运动结束后在推进方向上形成的裂隙，无论在数量上还是 在深度上都比裂隙带少和小。缓沉带运动的最终结果是在地表形成沉 降盆地。其中，对采场矿压显现有明显影响的是垮落带和裂隙带中的下位 1-2 个传递岩梁。一般情况下，我们把垮落带称为直接顶；对采场矿压显 现有明显影响的 1-2 个下位传递岩梁称为老顶， 直接顶与老顶的全部岩 层为采场需控岩层范围。 换行 理论研究和相似材料模拟实验的结果表 明，在采场推进过程中，采场上覆岩层中会形成一个压力拱。正是由 于该压力拱的存在，使得工作面支架上所受的压力大大小于采场上覆 岩层的总重量，该压力拱的拱迹线为裂隙带中各传递岩梁的端部断裂 线和裂隙带与缓沉带的分界线。垮落带和裂隙带中已发生明显运动的 岩层位于压力拱内，而垮落带和裂隙带中尚未发生明显运动的部分岩 层及缓沉带岩层位于压力拱外。垮落带（冒落带）的范围（厚度）参照下图和公式求出。式中：SA裂隙带中下位岩梁（老顶）的实际沉降值,m；H 米咼，m;KA-垮落后岩层的碎胀系数；Mz垮落带高度，m。研究结果表明：垮落带咼度一般为米咼的 2-3倍。 开米厚煤层下部分层时，冒落高度计算模型如下图所示。计算开米下分层时可能的冒落高度的公式为：显然mz值与上分层采高me、本分层工作面所在位置上部原冒 落岩层碎胀系数Ke及本分层采高hg的大小有关。当两分层采高相同， 并忽略两个分层岩梁沉降值及碎胀系数间的差别时，开采本分层新增 采高及冒落岩层总厚度分别为：换行裂隙带的高度是随着采场的推进而逐渐扩展的。当工作面推进距离大约为工作面长度时， 裂隙带高度发展到最大， 压力拱扩展到最高， 此时，拱高约为工作面长度的 1/2。因此，裂隙带高度为：实践证明，裂隙带中对采场矿压显现有明显影响的 1-2 个下位岩梁厚度， 也即老顶厚度大约为采高的 4-6 倍。缓沉带的高度就是采深范围中自压力拱拱顶部位（裂隙带上部）开始一直到地表的所有岩层；计算公式为：m；式中： mhc-缓沉带高度， H-工作面采深， m； mlx-裂隙带高度， m； mz-垮落带高度， m。123 下一页