由于工作面煤层的采出,引起了整个采场上覆岩层的运动,它的这种运动,是以工作面前方煤层上某一位置的实体煤为支点而开始做弯沉运动的。当然该支点就成了覆岩运动与煤层发生三向弹性压缩变形的起始点。该点以内的煤岩层将不发生变形与运动而处于原始应力状态,而该点以外的煤层将处于三向弹性压缩变形的三向应力状态,因此,这个起始点就成了采场上覆岩层运动的第一个固定端。由于该固定端的煤层处于不发生变形的原始应力状态,因此我们将该固定端定义为“原始应力固定端”(图6-1)。

图6-1　强脆性基本顶岩层裂断机理及裂断位置图

1.原始应力区;2.弹力应力区;3.残余应力区;4.塑性破坏区
εd——煤层的极限弹性压缩量;ymax——基本顶岩层的极限挠度

从原始应力固定端向外,伴随离开该固定端距离的增加,绕固定端弯沉的覆岩弯沉量沿推进方向由内向外逐渐增大。它强制其下煤层产生的三向压缩变形沿推进方向也同样由内向外逐渐增大,在其变形初始阶段还属弹性变形,而且是三向弹性压缩变形,当然其所对应的应力状态也为三向应力状态,沿推进方向同样伴随离开原始应力固定端距离的增加而增加。当覆岩弯沉运动强制煤层产生的变形达到三向极限弹性压缩变形时,煤层的应力状态也达到了三向极限应力状态,相应的其抗压强度也达到了三向极限抗压强度,具有三向极限抗压强度煤层就将其内的覆岩的运动给控制住了,该位置以内的覆岩由于得到了其下煤层的控制而停止了弯沉运动。(www.daowen.com)

而具有三向极限抗压强度位置煤层以外的覆岩将以该位置为支点,通过强制其下煤层产生弹塑性变形而继续做它的弯沉运动。由此看出,煤层上达到三向极限弹性变形的位置,就成了采场上覆岩层运动的第二个固定端,因它处在极限弹性变形状态,所以我们定义该固定端为“弹性极限固定端”(图6-2)。

图6-2　脆性基本顶岩层裂断机理及裂断位置图

由于弹性极限固定端煤层的应力为三向极限应力,其强度为三向极限抗压强度,该强度平衡了由运动着的不可控岩层作用在它上面的压力。这个压力就是弹性极限固定端煤体对不可控岩层运动的最大支撑反力,即煤层的三向极限抗压强度。煤层的这个支撑反力就是我们所说的峰值支承压力。

上面我们分析了整个采场上覆岩层,在煤层上因采动而产生弯沉运动的固定端,这就是原始应力固定端、弹性极限固定端,当然它们也是基本顶岩层运动的固定端。整体性强的基本顶岩层就是在其上不可控岩层运动强制下,在绕煤层上某一固定端与不可控岩层做同步弯沉运动过程中,因挠度超限而发生裂断的。因此我们称基本岩层的这种裂断为“强制同步弯沉裂断”,也称采动裂断。这就是采场上方整体强的基本顶岩层裂断的机理。