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资源描述：3 采场顶板活动规律3.1 概述3.2 有关采场上覆岩层活动规律的假说3.3 直接顶的垮落3.4 老顶的断裂形式3.5 老顶的初次断裂步距3.6 老顶断裂后的 “ 砌体梁 ” 结构及其稳定性分析3.7 老顶断裂时在岩体内引起的扰动? 回采工作面 /采场： 直接进行采煤或采其它矿物的工作空间称为 回采工作面 或简称为 采场 。 （ coal face, working face)? 顶板 ：赋存在煤层之上的岩层称为 顶板 或称为 上覆岩层 。（ roof）? 底板 ：位于煤层下方的岩层称为 底板 。 （ floor)? 直接顶 ：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为 直接顶 。 （ immediate roof)由于它们在推进方向上不能够始终保持传递力的联系 ，因此一旦运动 ， 其重量将由支架全部承担 。直接顶指采空区已经冒落岩层的总合 。 23.1 概述? 伪顶 ：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于 0.3～ 0.5 m、极易垮落 （ 随采随冒 ） 的软弱岩层 ， 称为 伪顶 。 （ falseroof)? 基本顶 ：位于直接顶之上 (有时直接位于煤层之上 )对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为 基本顶 /老顶 。 （ main roof)老顶破断以后 ， 破裂岩块始终能保持向煤壁前方和采空区矸石上传递力的联系 ， 它的运动对回采工作面矿山压力显现有明显影响 ， 但是其作用力无须由支架全部承担 。33.1 概述3.1 概述4图 3-1 回采工作面采空区常见处理方法a 刀柱 (留煤柱 )； b 顶板缓慢下沉法； c 充填法 ； d 全部垮落法3.1.1 回采工作面采空区处理方法3.1 概述5图 3-23.1.2 全部垮落法回采工作面采空区空间的演化过程初采 直接顶垮落后 老顶垮落后3.1 概述63.1.3 全部膏体充填回采工作面采空区处理方法支架煤体 采空区充填体 充填体3.1 概述7?膏体充填采煤方法指的是把物料制作成 “ 无临界流速 、 不需脱水 ” 的膏状浆体 ， 通过泵压和 /或重力作用 ， 经过 “ 管道输送 ” 到采场 ，适时充填采空区 ， 用膏体充填材料形成的支撑体系控制回采工作面采空区顶底板移动和地表沉陷的采煤方法 。? 发展膏体充填采煤技术的目的? 解放“三下一上”压煤，提高采出率，延长矿井服务年限；? 保水采煤；? 固体废物资源化利用；? 沿空留巷煤 -瓦斯共采。中国矿业大学在国内最早研究煤矿膏体充填开采 ， 利用 “ 211工程 ” ， 建立了专门充填采矿实验室 ， 其已成为国家重点实验室的重要组成部分 ， 承担完成了我国第一批煤矿膏体充填工业化试验项目 。3.1 概述83.1 概述9太平煤矿站 小屯煤矿站朱村煤矿站 岱庄煤矿站? 中国矿业大学设计建立的部分膏体充填站3.1 概述10需要指出的是，我国煤矿目前普遍采用的是全部垮落法管理顶板，在回采工作面从开切眼回采一定宽度出现顶板破断冒落以后，回采工作面便是处于一侧是待采的煤壁，另一侧是冒落破坏的采空区。煤矿安全生产最关心的是如何才能够确保回采工作面工人、设备安全 ！这需要研究掌握回采过程中顶板岩层移动破坏规律，需要研究直接顶板、老顶对采场矿山压力显现的影响和对支架的要求，需要研究各种条件下设计加工什么样的支架才能够保证支护安全。煤与瓦斯共采还需要研究掌握瓦斯在采空区内的运移规律。3.1 概述11对于一个回采工作面 ， 如果不知道顶板中那些岩层需要控制 ， 不知道这些岩层大面积运动发生的时间 、 范围以及可能的运动方向 ， 控制设计将是盲目的 。 同样 ， 如果不了解支承压力分布随上覆岩层运动发生的变化规律 ， 不能根据具体的条件 ， 包括时间 、 地点及上覆岩层运动的发展情况等 ，搞清楚回采工作面四周压力的真实分布情况 ， 要正确选择巷道合理的开掘位置和时间 ， 解决好巷道所必须的阻力和缩量等方面的问题也是不可能的 。本章重点学习采场顶板 岩层移动破坏规律。3.2 有关采场上覆岩层活动规律的假说12“ 假说 ” 就是用已有的事实材料和科学原理为依据 ， 关于未知事实 （ 如现象之间的规律性联系 、 事物的存在或原因 、 未来事件的出现等 ） 的假设性解释 。形成假说是科学研究活动中的基本程序之一 ， 也是研究工作十分重要的手段 。 假说指导我们理解新的情况 、 启发我们做新的实验从而发现新的现象和规律 。 经过实践检验和验证 ， 证明是正确的 ， 就上升为理论和规律 。由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂性，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释（即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）称为矿山压力假说，它们丰富和促进了矿山压力理论的发展。13假说观点：由于岩层自然平衡的结果而形成一个前拱脚 （ 支撑点 ） 在工作面前方煤体 ， 后 拱脚 （ 支撑点 ） 在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上 。 在前后拱脚间形成了一个减压区 ， 回采工作面的支架只承受压力拱内岩石的重量 。3.2.1 压力拱假说（德国哈克等， 1928）讨论： 压力拱假说对回采工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压范围作出了粗略的但却是经典的解释 ， 而对于此拱的特性 、 岩层变形 、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用 ， 并没有做任何分析 。14假说观点： 工作面和采空区顶板可视为一端固定于煤壁前方岩体内 、 另一端处于悬伸状态的梁 ， 悬臂梁弯曲下沉后 ， 受到已垮落岩石的支撑 ， 当悬伸长度很大时 ， 发生有规律的周期性折断 ， 从而引起周期来压 。3.2.2 悬臂梁假说（德国施托克， 1916）讨论： 悬臂梁假说 解释了：（ 1）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越远则两者均大的现象。（ 2）采场出现前支承压力、周期来压现象。该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。153.2.3 铰接岩块假说（前苏联库兹涅佐夫， 1950)假说观点： （ 1） 采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带 ， 二者差别在于 ， 裂隙带岩块间 存在有规 律的水平挤压力的联系 ，从而相互铰合形成一条多环节的铰链 。 三铰拱式的平衡 。（ 2） 工作面支架存在两种工作状态： 给定载荷状态；给定变形状态 。讨论：（ 1）正确解释了顶板分带情况。（ 2）提出了老顶铰接岩块结构形式。（ 3）没有解决结构平衡条件。假说观点： （ 1）在采场周围存在应力降低区 (Ⅰ )，应力增高区(Ⅱ )和采动影响区 (Ⅲ )，并随工作面推进而向前移动。采动岩体形成各种裂隙，从而形成假塑性梁。（ 2）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的 假塑性体，其在彼此被挤紧的状态时，可以形成 类似梁 的平衡。在自重及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩层的下沉量大于上部岩层时，就产生离层。163.2.4 预成裂隙假说 (比利时拉巴斯， .4 预成裂隙假说 (比利时拉巴斯， 1950）讨论：（ 1）提出了采场顶板水平分区情况。（ 2）提出了破裂老顶呈塑性体，类似梁结构形式。（ 3）无具体力学模型，只是定性描述。假说观点： （ 3）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及时支撑住顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，借助于彼此之间的摩擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对滑移、张裂与离层。18垮落带裂缝带弯曲下沉带煤壁支承区 离层区重新压实区3.1.5 砌体梁假说（钱鸣高， 1978）理论观点：（ 1）采场围岩分区性特征砌体梁理论提出以后，很快得到煤炭系统广泛认同，对采场支架选型设计与顶板管理发挥了重要的理论指导作用。193.1.5 砌体梁理论（钱鸣高， 1978）理论观点：（ 2） 力学简化模型：软硬岩分组性；软岩处理；硬岩砌体梁结构；支护 — 顶板相互作用关系 。203.1.5 砌体梁理论（钱鸣高， 1978）理论 本观点：（ 2） 力学简化模型：?上覆岩层结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层 。 可将上覆岩层划分为若干组 ， 每组以坚硬岩层为底层 ， 其上部的软弱岩层可视为直接作用于骨架上的载荷 ， 同时也是更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层 。? 随着工作面的推进 ， 采空区上方坚硬岩层在裂缝带内将断裂成排列整齐的岩块 ， 岩块间将受水平推力作用而形成铰接关系 。岩层移动曲线的形态经实测呈开始为下凹 、 而后随工作面的推进逐渐恢复水平状态 ， 由此决定了断裂岩块间铰接点的位置 。213.1.5 砌体梁理论（钱鸣高， 1978）理论 本观点：（ 2） 力学简化模型：? 由于垫层传递剪切力的能力较弱 ， 因而两层骨架间的联结能用可缩性支杆代替 。? 当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位置时 ， 岩块间的剪切力趋近于零 ， 此时的铰接关系可转化为水平连杆联结关系 。? 最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化。223.1.5 砌体梁理论（钱鸣高， 1978）讨论 ：（ 1） 砌体梁理论关于采场顶板分区 、 分带特征吸收了预成裂隙假说 、 铰接岩块假说的合理内容 ， 得到了孔庄煤矿现场实测证实 ， 已经成为煤炭系统关于采场顶板分区 、 分带特征的标准表述 。实际上底板也要遭受采动破坏 ， 有 “ 下三带 ” 之说 。（ 2） 砌体梁理论建立了比较完善的力学模型 ， 并提出了砌体梁平衡 “ 准定量 ” 计算 ， 对一系列采场矿山压力现象做出了合理解释 。（ 3） 关于煤体影响 、 老顶岩层在煤壁上方破 相关资源
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[机械/制造]3 采场顶板活动规律第三章 采场顶板活动规律第一节 概述几个基本概念在煤层或矿床的开采过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的工作 空间称为回采工作面或简称为采场。 一般把直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。伪顶、老顶根据采宰区的处理方法，目前主要有如图所示的几种工 作空间形式。围岩压力或顶板压力的概念&..
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针对综放开采过程中煤层易自然发火问题,提出采用错层位巷道布置采全厚开采方案.该方案可达到完全控制采空区漏风,提高煤炭回采率,消除易自燃浮煤,从根源上解决煤自然发火问题的目的.根据影响煤炭自燃危险性的因素,建立层次结构模型及相关因素的各层次判断矩阵,并应用定性与定量相结合的层次分析法进行分析,结果表明,采用新型巷道布置体系能够有效防止煤层自然发火事故的发生.
针对华丰煤矿冲击地压事故频繁发生情况,从改善巷道布置方式出发,提出错层位巷道采全厚采煤法,即华丰煤矿1410工作面采用错层位巷道布置。通过对首采面和接续面进行支承应力分析,确定了巷道有利位置,减少巷道承受压力。运用相似模拟实验研究错层位巷道布置下巷道所受支承压力。
地表沉陷是煤矿开采后的主要地质灾害之一,其危害性严重。为减轻地表沉陷对地面建筑物的破坏,提出了充填开采的方法,然而煤矿采用充填开采经济成本大。从优化巷道布置、改善巷道布置系统角度出发,由传统巷道布置的平面系统到错层位巷道布置的立体化转化来减少地表沉陷的危害。从理论上分析了采用错层位巷道系统使多个工作面形成单一超长工作面,地表沉陷为平底状,相异于传统的波浪状。并运用数值模拟方法验证了错层位布置系统从一定程度减轻了地表沉降危害,对煤矿开采具有一定的指导意义。
以关键层理论为基础,采用理论分析、相似模拟和数值模拟相结合的方法,对错层位无煤柱开采工作面上覆岩层运移规律进行了系统研究分析。错层位首采工作面开采与传统开采相类似,而由于错层位取消了区段煤柱的留设,接续工作面开采与传统留煤柱开采有较大差别。
针对某矿井深部倾斜煤层综采中存在的主要问题，进行巷道布置合理优化，引入错层位巷道布置采全厚采煤法．进一步发展完善错层位巷道布置体系，根据实际情况，将进风巷完全布置在顶板稳定的岩层中，将回风巷布置成半煤岩巷，并结合具体问题进行技术分析，运用有限差分软件FLAC3D进行了模拟验证．结果表明：这种布置方式能保证煤矿的安全生产，提高采出率，降低巷道维护成本，并有效防治冲击地压等一系列问题．
为解决厚煤层错层位巷道布置下夹矸对顶煤冒放性的影响问题,采用理论推导和数值模拟的方法,研究在错层位巷道布置下工作面支承压力对夹矸破坏程度的影响以及夹矸对顶煤冒放性的影响导致顶煤冒放的难易程度.结果表明：厚煤层错层位巷道布置取消了区段保护煤柱,首采工作面和接续工作工作面连接成整体.随着接续工作面的不断增加导致发挥作用的关键层位置提高,使工作面支承压力增大,同时使夹矸的承载增大.与传统巷道布置相比,错层位巷道布置下工作面支承压力对夹矸破坏剧烈,夹矸破坏充分,顶煤冒放性较易,进一步推出错层位巷道布置下煤层中夹矸的断裂步距缩小,煤层中夹矸的临界厚度增大.
矿井盘区准备巷道布置形式多种多样,合理选取其布置形式直接影响着生产矿井的长远利益。通过对白家庄矿业公司盘区准备巷道＂错层位＂、同煤层＂托夹石层＂开掘的两种布置形式进行研究,分析了两种布置形式存在的差异,对巷道开掘＂全锚＂支护、生产条件、经济情况进行对比,总结了两种布置形式的利弊,优化盘区及工作面设计,为类似矿井盘区开掘提供实践经验及理论依据。
目前错层位巷道布置在工作面矿压显现方面的理论研究甚多,但是对接续工作面沿空巷道的支护鲜有研究。以西山矿区镇城底矿错层位巷道布置开采8#煤层为工程依托,重点研究18111-1接续工作面进风巷道围岩变形失稳机理,进而探讨其合理的巷道支护形式,得出＂支顶先护帮,护帮先治底,采用支架支护顶板同时采用锚杆支护加固巷道＂的两帮围岩结论。
基于错层位内错式巷道布置采场＂三带＂的合理划分对工作面安全、经济的重要性,提出了以关键层理论为基础,综合考虑包括工作面回采范围、岩层断裂角等影响因素在内的新方法。通过实验研究了沿工作面推进方向上、下关键层之间以及关键层与工作面之间的几何关系;垮落带、裂隙带高度的运动特点以及错层位内错式巷道布置沿工作面方向上覆岩层的运动特点,并结合关键层的悬露尺寸与采场之间的空间关系,建立了相应的空间几何模型。结果表明,采场范围、岩层断裂角、岩层的物理力学性质、厚度均是采场＂三带＂划分的影响因素;另外,划分错层位内错式巷道布置＂三带＂时,在考虑采场范围因素时需要按照形成搭接工作面的总体个数确定。
在分析巷道侧向煤体破裂区、塑性区及弹性应力升高区外力功表达式的基础上,根据热力学第一定律,分别得到了对应分区的耗散能理论计算公式。根据围岩能量耗散值与外力对系统做功的比值确定了损伤变量,得出了破裂区损伤值〉塑性区损伤值〉弹性应力升高区损伤值的结论;对应于能量耗散,又得出了破裂区能量耗散〉塑性区能量耗散〉弹性应力升高区能量耗散的结论。镇城底矿错层位巷道布置工作面实测表明,布置于破裂区的巷道支承压力较小,巷道较易维护;当巷道上方为松散矸石,在支承压力作用下,松散矸石发生压密变形和塑性变形,其能量耗散更大,巷道更易维护。
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文档介绍：
任务《矿山压力及岩层控制》是研究煤矿开采过程中矿山压力分布及其显现规律, 探讨矿山压力控制措施和控制方法的一门工程技术学科,是采矿工程专业学生的主要专业课,也是其它井下工程类专业的专业基础课程。通过对本门课程的学习, 要求对煤矿中采场和采区巷道周围煤(岩)体内矿山压力分布及其显现有比较完整的认识和了解,基本掌握控制采场和井下巷道矿山压力的方法和措施。结合实验课和实践性教学,使学生得到有关研究和解决煤矿生产现场矿山压力问题基本技能的训练。 2. 通过教学达到下列基本要求通过本课程的教学,一方面使学生掌握有关矿山压力及其控制的基本概念、巷道围岩变形、应力、破坏的分布规律、采场周围的应力分布状态、采场顶底板的变形破坏规律、工作面来压规律及确定方法、巷道与采场的围岩控制理论与控制方法、煤矿动压现象、矿山压力测试技术;另一方面使学生达到能够根据具体条件, 进行采场和巷道围岩控制设计、解决有关矿山压力控制方面问题的能力。 3. 专业和学时数采矿工程专业、矿井通风与安全专业、岩土工程专业,共 36学时 4. 与其它课程的关系⑴《煤矿地质学》、《矿山岩体力学》、《煤矿通风与安全》、《采掘机械》在本课程之前教授; ⑵本课程应在《开采方法》、《井巷工程》之前或同时讲授; 5. 教材与参考资料(1) 《矿山压力及岩层控制》钱鸣高、石平五等编(2) 《矿山压力及岩层控制》姜福兴等编(3) 《中国煤矿采场围岩控制》陈炎光、钱鸣高编(4) 《中国煤矿巷道围岩控制》陈炎光、陆士良编 6、教学方法本课程以课堂讲授为主,部分内容配合实验课程和实践性教学环节进行,并辅以课外作业,课堂答疑等形式进行。二、各章教学内容和要求 1. 基本要求: 要求教师在授课过程中阐述明确有关矿山压力及其控制的基本概念;巷道及采场周围的应力分布规律;巷道与采场围岩的移动变形规律;矿山压力控制的基本原理与控制方法;矿压控制的设计方法;煤矿动压现象的致因与防治措施;矿压测试技术与相关测试仪器的原理与具体应用。要求学生对以上知识内容必须明确,并能牢固掌握,学习后达到具备能够独立解决相关矿山压力控制方面的技术问题。重点:巷道及采场周围的应力分布规律;巷道与采场围岩的移动变形规律;矿山压力控制的基本原理与控制方法;矿压控制的设计方法。难点:巷道及采场周围的应力分布规律;巷道与采场围岩的移动变形规律;矿山压力控制的基本原理与控制方法;矿压控制的设计方法。 2. 课程的教学内容包括第一章绪论矿山、矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制等基本概念,本课程的主要研究对象、发展历史、研究方法等,本课程的体系。第三章采场顶板活动规律分析回采工作面初次来压及其周期来压的机理,特征;回采工作面前、后方支承压力的分布规律及特点,介绍采场初次来压以后上覆岩层的移动规律及裂隙带岩层的结构假说,着重分析砌体梁结构的力学模型和平衡条件。。讨论回采工作面顶板岩层的组成对采场矿山压力显现的影响,介绍近期我国缓倾斜煤层顶板的分类方法和分类指标。第四章采场矿山压力显现基本规律介绍采场初次来压、周期来压的的主表现,介绍常用的顶板压力的估算的方法分析影响采场矿压显现的矿山地质因素及开采技术因素。第五章采场顶板支护方法分析采场顶板与底板特征,并进行分类;介绍单体柱、液压支架等的采场支架类型与力学特性;采场支架与围岩相互作用原理;重点掌握综合机械化采煤工作面顶板控制设计和单体液压支柱工作面顶板控制原则;能够科学地进行采场来压预报与支护质量监测。第六章采场岩层移动与控制岩层控制是采矿工程中的重要一环,本章要求掌握岩层控制的关键层理论,能够进行关键层判别,并能正确分析采场围岩的移动规律;熟悉采场围岩移动控制技术。第七章巷道矿压显现规律分析巷道开挖产生的孔洞效应;重点是受采动影响巷道矿压显现规律;在此基础上了解应该从多方面着手进行巷道围岩控制原理。第八章巷道维护原理和支护技术分析了无煤柱护巷、巷道围岩卸压等工作原理;常用巷道金属支架的类型和受力特性;巷道锚杆支护的原理和实践;软岩巷道围岩变形规律及其支护技术;锚杆支护质量监测第十一章煤矿动压现象及其控制冲击地压的表现形式,形成原因及过程影响冲击地压发生的地质因素及开采技术因素,冲击地压的预测预报及防治措施;顶板大面积来压的现象及特征,顶板大面积来压的形成原因及防治方法。 3. 学生作业基本要求《矿山压力与岩层控制》课程是一门理论性和应用性较强的专业技术基础课程, 为帮助学生掌握好课堂教学内容、训练思维方式,必须进行一些课后练习,领会、巩固所学内容。 4. 授课计划及学时分配本课程总共 36学时(其中理论课 30学时,实验课 6学时) 岩体力学理论课授课计划表名称内容学时数第一章绪论矿山、矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制等基本概念,本课程的主要研究对象、发展历史、研究方法等 2 第二章矿山岩体的原岩应力及其重新分布第一节概述第二节有关采场上覆岩层活动规律的假说 2 第三节直接顶的垮落第四节老顶的断裂形式 2 第五节老顶的初次断裂步距 2 第六节老顶断裂后的“砌体梁”结构及其稳定性分析 2 第四章采场矿山压力显现基本规律第一节概述第二节老顶的初次来压第三节老顶的周期来压第四节顶板压力的估算 2 第五节回采工作面前后支承压力的分布第六节影响采场矿山压力显现的主要因素 2 第五章采场顶板支护方法第一节顶板分类与底板特征第二节采场支架类型与支架力学特性 2 第三节采场支架与围岩相互作用原理第四节综合机械化采煤工作面顶板控制设计 2 第五节单体液压支柱工作面顶板控制原则第六节采场来压预报与支护质量监测 2 第七章巷道矿压显现规律第一节巷道围岩应力及变形规律第二节受采动影响巷道矿压显现规律 2 第三节巷道围岩控制原理 2 第八章巷道维护原理和支护技术第一节无煤柱护巷第二节巷道围岩卸压 2 第三节巷道金属支架第四节巷道锚杆支护第五节软岩巷道围岩变形规律及其支护技术第六节锚杆支护质量监测 2 第十一章煤矿动压现象及其控制第一节冲击矿压现象形成特点及分类第五节顶板大面积来压 2 合计30 三、实践教学内容与要求矿山压力与岩层控制课程要十分注重学生的实践能力,培养基本的实验技能。教学实验在整个教学过程中起着十分重要的作用。实验名称实验类型学时备注实验一、顶底板相对移近量及巷道两帮移近量观测实验演示 1 实验二、支柱载荷观测实验演示 1 实验三、立柱下缩观测实验演示 1 实验四、支撑压力分布观测实验演示 1 实验五、支柱载荷标定综合 2 总学时 62
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