采场覆岩结构与矿压显现规律
高英豪，阿卜杜，李亚琳
(中国矿业大学 矿业工程学院采矿13-01班，江苏徐州 22116)
摘要：论文综述了采场覆岩结构与矿压显现规律，其中包括采场覆岩结构，采场上部岩层活动规律假说，直接顶的垮落，老顶的断裂形式、初次断裂步距、初次来压以及周期来压，分析了“砌体梁”结构及其稳定性，并对特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响做了一定的介绍。
关键词：采场；覆岩结构；矿压显现规律；特大采高；关键层；砌体梁结构
1采场覆岩结构相关概念
1.1采场覆岩名称及位置关系
首先，需要了解几个专业术语，这样才能更好地了解和掌握其相关知识要点。 在煤层或矿床开采过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为采场或者回采工作面。
回采工作面（采场）所采的有用矿物就是煤炭，我们通过煤炭地质学的学习应该知道煤层是层状分布，那么与煤层相邻的上下层状结构分别叫做顶板、底板。然而根据顶板的性质又可将顶板分为伪顶、直接顶和老顶。
伪顶就是随着煤炭的开采立即冒落的岩层。（一般由炭质页岩、泥质页岩等组成）
直接顶具有一定稳定性且随工作面回柱放顶而垮落的岩层。（一般由页岩、砂页岩或粉砂岩组成）
老顶对矿山采场压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层。（一般由砂岩、石灰岩及砾岩等岩层组成）
由以上定义可知：采场的覆岩结构如下(还未进行采煤）：
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老顶 直接顶 伪顶 煤层 底板 图1-1
1.2回采工作空间形式
采空区简单的来说，就是把煤炭采走之后留下的空间。根据采空区处理方法的不同，回采工作空间的形式可分为：垮落采煤法、刀柱式采煤法和充填采煤法。
垮落采煤法：工作面从开切眼推进一定的距离后，主动撤除采煤工作空间以外的支架，使直接顶自然垮落。
刀柱式采煤法：在采空区内沿走向每隔25～50m留宽5m左右、与工作面等长的煤柱，简称刀柱，用以支撑顶板，使其不致冒落。
充填采煤法：随着工作面的推进，在采空区进行注浆或者利用其他的材料对采空区进行充填以防止顶板垮落。
根据现场实测数据统计分析发现：回采工作空间支护物所承受的力仅为上覆岩层重量的百分之几，那么这个结果说明了什么问题呢？下面我们将对这种现象进行探讨和分析。
1.3采场上覆岩层活动规律假说
这种现象在20世纪初就有相关人员对其做了一些片面的解释。首先是1916年德国的施托克提出了悬臂梁假说：他认为工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它的一端固定于岩体内，另一端处于悬空状态。这个假说在某种程度上解释了支架的荷载比较小的原因。但是这种方法并未查明上覆岩层活动规律，因此计算数据与实际实测相差甚远。
但是对于这种现象，出现了仁者见仁，智者见智。于是在1928年还是由德国人哈克和吉里策尔提出了压力拱假说。他们认为在回采工作空间上方，由于岩层自
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然平衡的结果而形成了一个压力拱。他们的这种的假说在一定程度上也解释了我们提出的问题。此假说也是没有说明上覆岩层的活动规律。
随着时间的推移，前苏联库兹涅佐夫于1950~1954年提出了铰接岩块假说。他提出了工作面支架存在两种不同的工作状态，即“给定载荷状态”和“给定变形状态”。此假说正确的解释了工作面上覆岩层的分带情况，但是未对铰接岩块间的平衡状态进行深入的研究。
20世纪50年代比利时学者提出了预成裂隙假说，假说认为：在回采工作面周围存在着应力降低区、应力增高区和采动影响区。这种假说在一定程度上比前面几种假说更具有说服力。
20世纪70~80年代我国学者在铰接岩块假说和预成裂隙假说的基础上，以及在大量的实践基础上，提出了“砌体梁”力学模型。
“砌体梁”结构是基于采动岩体移动的如下特征而提出的：
①采动上覆岩层的岩体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。
②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的过程，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。若曲线下凹，则铰接点位置在岩块断裂面的偏下部；反之，则在偏上部。如果在回采空间以及邻近的采空区上方出现明显的离层区，说明该区内断裂的岩块可以形成悬露结构。
③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。
④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。
⑤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。
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图1-2
根据图中所示:“砌体梁”力学模型可以分为“横三区”和“竖三带”。 “横三区”：A-煤壁支撑影响区、B-离层区、C-重新压实区。 “竖三带”：I-垮落带、II-断裂带、III-弯曲带。
2采场顶板活动规律
2.1离层现象和老顶的断裂形式 2.1.1离层现象及出现离层现象的条件
通过对采场的顶底板位置的了解，以及对各种假说的认识，我们应该能够对采场上覆岩层的结构有了初步掌握。那么根据采场上覆岩层的结构以及结合我们所学过相关知识我们应该可以想象到一些采场顶板的活动规律。
随着工作面的推进和伪顶的垮落，直接顶的悬露面积逐渐增大，当工作面推到
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一定的距离后，直接顶就会垮落。那么此时的距离就称为直接顶的极限垮距。在直接顶还到达极限跨距期间，那么上覆岩层会处于什么状态呢？
通过上覆岩层的结构我们可以了解到，伪顶上面是直接顶，直接顶上面是老顶，那么在直接顶没有垮落期间，直接顶与老顶的关系应该用两种情况：一是老顶和直接顶之间会出现间隙，二是两者之间没有间隙或者间隙很小。这个间隙给它定义为“离层”。那么问题来了，离层出现的原因是什么？
由于直接顶和老顶的岩性不同，那么他们的挠度也就不同。出现离层的原因就可以这样解释：当老顶的最大挠度大于直接顶的最大挠度时，二者之间发生理离层。反之，二者之间没有间隙或者间隙很小。这样就可以得出结论：粗略地讲，当直接顶厚度小于或等于老顶厚度时，均易形成这种离层现象。
离层现象是直接顶垮落之前与老顶之间的关系，当间隙达到一定程度时，直接顶会垮落，采空区被破碎的岩石充填，由于岩石具有一定的碎胀系数，直接顶垮落后体积变大，但是随着时间的推移，破碎岩石的体积被压实，这样就形成了工作面支承应力分布区：垮落区间被称为应力不变区，待采区被称为应力增高区，两者之间被称为应力降低区。 2.1.2老顶的断裂形式
随着开采进度的推进，直接顶在初次垮落后会出现周期性来压，当直接顶垮落到一定的距离后，直接顶上部的老顶也会出现断裂，由于老顶强度较大，因而继续呈悬露状态。为了更好的了解和掌握老顶的破坏规律以及利用这些规律解决老顶给采煤工作面带来的问题，就需要有一定的方法来研究这些规律。
根据以往的经验总结为:老顶的断裂形式有两种，分别是梁式破断和板破断。 梁式破断根据矿井埋深的深浅，又可将梁式破断划分为简支梁（埋藏较浅）和固定梁（埋藏较深）。当老顶的破断根据梁式结构计算，则可以得知：老顶最容易破断的位置是梁的中间。受力分析如图：
图2-1
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