采場上覆巖層運動規律
1．采場上覆巖層破壞的基本形式 理論與實踐的研究結果表明，采場上覆巖層懸露后發展到破壞有二種運動形式：彎拉破壞和剪切破壞。 彎拉破壞的發展過程是：隨采場推進，上覆巖層懸露→在重力作用下彎曲→巖層懸露達一定跨度，彎曲沉降發展到一定限度后，在伸入煤壁的端部開裂→中部開裂形成“假塑性巖梁”→當其沉降值超過“假塑性巖梁”允許沉降值時，懸露巖層即自行冒落。 巖層運動由彎曲沉降發展至破壞的力學條件是巖層中的最大彎曲拉應力達到其抗拉強度。 懸露巖層中部拉開后，是否發展至冒落，則由其下部允許運動的空間高度決定。只有其下部允許運動的空間高度超過運動巖層的允許沉降值，巖層運動才會由彎曲沉降發展至冒落。否則，將保持“假塑性巖梁”狀態。由此，煤層上方第n個巖層彎曲破壞發展至冒落的條件為:
巖層剪（切）斷破壞的發展過程是：巖層懸露后只產生不大的彎曲，懸露巖層端部開裂→在巖層中部未開裂（或開裂很小）的情況下，整體切斷塌垮。 2 .采場上覆巖層在縱向上的運動發展規律 2.1巖層離層發生的位置和條件 采場上方懸露的巖層，可視為在均布載荷作用下的多層嵌固梁。該巖梁彎曲沉降過程中，必然在平行于軸向的各層面（或接觸面）上出現剪應力。隨采場推進，剪應力隨巖梁懸跨度和外載的增加而增加，當剪應力值超過層面上（或軟弱夾層的接觸面上）粘結力和摩擦阻力所允許的限度時，層面或軟弱夾層的接觸面被剪壞。巖層的離層隨即發生。因此，離層發生和力學條件為:
式中：τ——層面（或軟弱夾層接觸面）的剪應力； C——層面或接觸面上的粘結力；
φ——層面或接觸面上的磨擦角； σn——層面或接觸面上的壓應力。 大量理論研究和工程實踐表明： （1）離層一般發生于巖層的接觸面或軟弱夾層上； （2）接觸面的破壞，只有在相應接觸面上的剪應力超限時才會發生，即懸露巖層的跨度達到極限時，離層才會發生。 （3）離層出現的位置取決于組合巖梁中各巖層的彎曲剛度和各夾層的強度。當下部巖層彎曲剛度小，夾層（或接觸面）強度低時，離層在下部發生；反之，離層可能在上部夾層中出現。 （4）各巖層受采場推進的影響，其懸露時間、懸露跨度和所受外載由下而上是不相同的。一般來說最下部的巖層最先懸露，愈靠近上部的巖層，懸露愈晚。各巖層的懸露跨度由下而上是依次遞減的。研究證明，如果下部巖層端部斷裂前懸跨度為L1，則上部巖層的反彎點將由兩端向采場方向移動，約從0.1L1處開始，其實際懸跨度L2將比下部巖層小0.2倍，即L2=0.8 L1。 （5）由于巖梁的懸露跨度由下而上依次減小，而剪應力大小又與巖梁懸露跨度成比例，因此剪應力大小也是由下而上遞減的。因此，即使各巖層的巖性、厚度均相同，各接觸面的抗剪強度也相同，離層將從下開始往上逐步發展，故巖層的運動發展趨勢是由下而上的。 2.2傳遞巖梁形成的力學機理 “以巖層運動為中心的礦山壓力理論體系”認為，采場上覆巖層中除臨近煤層的采空區已冒落巖層外，其它巖層保持“假塑性”狀態，兩端由煤體支承，或一端由工作面前方煤體支承，一端由采空區矸石支承，在推進方向上保持傳遞力的聯系。把每一組同時運動（或近乎同時運動）的巖層看成一個運動整體，稱為“傳遞力的巖梁”，簡稱“傳遞巖梁”。 對于相鄰的兩巖層，是同時運動組成一個傳遞巖梁，還是分開運動形成兩個傳遞巖梁，可用兩巖層沉降中的最大曲率（Pmax）和最大撓度（Wmax）來判斷。
當ρmax上≥ρmax下或Wmax上≥Wmax下時，兩巖層組合成一個傳遞巖梁同時運動。
當ρmax上＜ρmax下或Wmax上＜Wmax下時，兩巖層將形成兩個傳遞巖梁分別單獨運動。
2.3 上覆巖層“三帶”劃分
采場上覆巖層運動過程中，根據各巖層運動性質的不同可以劃分為三部分（“三帶”）:垮落帶、裂隙帶和緩沉帶。如圖示。
垮落帶：也稱冒落帶，該部分巖層在老塘已經垮落，在采場由支架暫時支撐，在推進方向上不能始終保持傳遞水平力的聯系。
裂隙帶：該部分巖層在推進方向上裂隙較發育，各巖層的裂隙濃度已擴展到（或接近擴展到）全部厚度。在采場推進過程中能夠以“傳遞巖梁”的形式周期性斷裂運動，在推進方向上能始終保持傳遞水平力的聯系。該部分巖層也是內應力場的主要壓力來源。
緩沉帶：緩沉帶的巖層在采場推進很長一段距離后才會開始運動，其運動緩慢，運動結束后在推進方向上形成的裂隙，無論在數量上還是在深度上都比裂隙帶少和小。緩沉帶運動的最終結果是在地表形成沉降盆地。
其中，對采場礦壓顯現有明顯影響的是垮落帶和裂隙帶中的下位1-2個傳遞巖梁。一般情況下，我們把垮落帶稱為直接頂；對采場礦壓顯現有明顯影響的1-2個下位傳遞巖梁稱為老頂，直接頂與老頂的全部巖層為采場需控巖層范圍。
理論研究和相似材料模擬實驗的結果表明，在采場推進過程中，采場上覆巖層中會形成一個壓力拱。正是由于該壓力拱的存在，使得工作面支架上所受的壓力大大小于采場上覆巖層的總重量，該壓力拱的拱跡線為裂隙帶中各傳遞巖梁的端部斷裂線和裂隙帶與緩沉帶的分界線。垮落帶和裂隙帶中已發生明顯運動的巖層位于壓力拱內，而垮落帶和裂隙帶中尚未發生明顯運動的部分巖層及緩沉帶巖層位于壓力拱外。
垮落帶（冒落帶）的范圍（厚度）參照下圖和公式求出。
式中：SA－－－裂隙帶中下位巖梁（老頂）的實際沉降值，m；
H－－采高，m；
KA－－垮落后巖層的碎脹系數；
Mz－－垮落帶高度，m。
研究結果表明：垮落帶高度一般為采高的2-3倍。
開采厚煤層下部分層時，冒落高度計算模型如下圖所示。
計算開采下分層時可能的冒落高度的公式為：
顯然mz值與上分層采高mc、本分層工作面所在位置上部原冒落巖層碎脹系數Kc及本分層采高hg的大小有關。當兩分層采高相同，并忽略兩個分層巖梁沉降值及碎脹系數間的差別時，開采本分層新增采高及冒落巖層總厚度分別為：
裂隙帶的高度是隨著采場的推進而逐漸擴展的。當工作面推進距離大約為工作面長度時，裂隙帶高度發展到最大，壓力拱擴展到最高，此時，拱高約為工作面長度的1/2。因此，裂隙帶高度為：
實踐證明，裂隙帶中對采場礦壓顯現有明顯影響的1-2個下位巖梁厚度，也即老頂厚度大約為采高的4-6倍。
緩沉帶的高度就是采深范圍中自壓力拱拱頂部位（裂隙帶上部）開始一直到地表的所有巖層；計算公式為：
式中： mhc--緩沉帶高度，m；
H--工作面采深，m；
mlx--裂隙帶高度，m；
mz--垮落帶高度，m。
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