第一章 矿山压力理论精选.ppt

不规则垮落带的岩层由于受到各种裂隙的切割而成许多单个岩块，自由地垮落到采空区中，彼此间无多大的力学关系。由于采空区冒落矸石破碎体积膨胀，使位于不规则垮落带上部的岩层自由空间缩小，形成规则的垮落或下沉。同时每—层内的岩块之间互相挤压，构成多环节的铰链系统。 采场支架与围岩的作用关系基本上是由形成两个带的条件和岩层在这两个条带中的特点所决定的。岩块垮落的可能性主要决定于采高m和垮落层的厚度h。根据h和m的比例关系不同，可将直接顶的垮落情况分为三种基本方式，如图17所示： * * 当hm时，见图17，即使岩块发生最大下沉降至底板时，下沉的岩块仍能保持成向上隆起的三铰拱，如图18所示。 库氏认为规则移动的岩层将在采场上方形成三铰拱，这种结构不仅能支持自身的重量，而且能够承担上部传递的载荷而减轻采场支架载荷。随着工作面的推进，这些铰接岩梁将发生周期性的移动和破坏，又不断地形成新的三铰拱。采场支架的受力情况主要取决于规则移动带中的悬梁与其相邻岩块间的相互作用以及它和不规则垮蒋带中的悬梁间的相互作用。支架可能处于两种工作状态，即给定载荷和绐定变形状态。如果工作面采用可缩性支架，直接顶可能因为变形在煤壁处断裂，库氏认为这时支架承受给定载荷；反之，假如老顶为坚硬顶板，且由于老顶弯曲导致直接顶在煤壁处断裂，则此时支架将承受很大的载荷，引起支架很大的压缩变形，这时认为支架处于给定变形的工作状态，如图19所示。 * * 假说还给出了针对两种不同的情况支架强度和可缩性的计算方法。 库兹涅佐夫的假说有别于前人的地方是以围岩的移动变形为前提，避免了早期悬梁等假说用工程力学的论点生硬地解释采场矿压的缺陷。库氏对围岩移动特别是采空区直接顶垮落的分析有助于进一步阐明直接顶与老顶间的相互作用，对支架与围岩间的相互作用的力学分析比较切合实际，已初步涉及到支架作用的实质；对近代矿山压力理论有一定的指导作用。但该假说仅考虑了采场顶板的局部活动，而对岩体中应力重新分布以及对采场的影响等却未加考虑。同时关于岩层铰接关系活动的假说过于理想化了。在计算过程中所做的某些省略或假定并不合理。如在考虑顶板与煤层的相互作用时，假定直接顶不起实质性作用，工作面支架的作用不计等。 * 三、台阶下沉假说 台阶下沉假说是由前苏联学者秦巴列维奇提出的，研究对象只是埋藏较浅的水平及缓倾斜薄及中厚煤层的矿压问题。它与预成裂隙假说有许多共同特点。 假说从巷道周围存在低应力区出发，认为在采场顶板内也存在着三角形的低应力区，且工作面推进，其范围也不断地扩大，如图20所示。 * 当工作面不断推进时，由于三角棱柱体还来不及形成，因此在任一时刻其高度b总小于计算值，但为简化可以认为这三棱柱的高度低于计算值，即 式中，φ——顶板岩石的内摩擦角； 　　a——工作面煤壁至开切眼的距离。 随着工作面的不断推进，低应力区将通达地表，采空区上方的悬露岩体m由于受到裂隙切割将与两侧岩体失去联系。 台阶下沉假说缺乏充分的依据。岩层运动的几何形状过分绝对化，也未能考虑到支架与围岩以及下沉条带间的相互作用。 * 四、楔形假说 前苏联学者鲁宾涅依特总结了前人有关走向长壁开采回采工作面的各种矿压假说，吸取了其中某些较合理的部分，于 1955年提出楔形假说，其实质如下： 从采空区起，采场顶板 岩层可以分为三个区域，即 完全破坏区，半破坏区和未 破坏区。如图21所示。 * 由于工作面前方支承压力作用，煤体将产生一预先下沉值U0。岩层在高应力的作用下则呈半破坏状态而失去了抗拉能力，但仍未丧失连续性，且有抗压能力，半破坏区的岩石由极限平衡状态向弹性状态过渡。再深入岩体则是未破坏的弹性状态区。 鲁宾涅依特的理论在很多方面与实际不符，许多假说与计算明显地缺乏可信的基础。 * 五、松散介质假说 荷兰学者伊尔切松和佐利登拉特提出的松散介质假说，要点如下：将岩体看作松散体，其力学性质基本上可用内摩擦角表示。根据含煤地层的岩石由于古代构造力作用的结果，已被许多裂隙切割破坏了。 假说认为煤及岩体如同松散介质受载向自由空间移动—样也向采空区移动，个别岩块可能很大，但仍能按松散体的应力分布规律取得平衡，因此可用松散静力学方法研究它。 * 六、有关板的假说 老顶的断裂问题以往都是用梁的理论解决的。但事实上，由于边界支承条件不一致，以及工作面长度和来压步距的关系，老顶的来压特征已远非梁理论所能解决，这就有必要引入板的理论，即将采场上覆岩层视为板状的结构。 在我国，板结构首先是由太原理工大学贾喜