礦山壓力與巖層控制[知識(shí)概要].doc

說(shuō)明：1、每道題答案后面的數(shù)字表示其在教材中的位置；2、答案以教材為主，部分題參考張志文編寫(xiě)的礦壓習(xí)題集；3、本答案僅供復(fù)習(xí)參考；4、其中顯而易見(jiàn)的錯(cuò)誤文字和符號(hào)是由于超星文字識(shí)別工具造成，請(qǐng)自行予以修正；5、其中的部分圖是便于理解和記憶的輔助資料6、臨近考試，請(qǐng)同學(xué)們抓緊時(shí)間復(fù)習(xí)記憶。 一、重要概念礦山壓力：地下巖體在受到開(kāi)挖以前，原巖應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。開(kāi)掘巷道或進(jìn)行回采工作時(shí)，破壞了原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，直至形成新的平衡狀態(tài)。這種由于礦山開(kāi)采活動(dòng)的影響，在巷道周?chē)鷰r體中形成的和作用在巷道支護(hù)物上的力定義為礦山壓力，在相關(guān)學(xué)科中也稱為二次應(yīng)力或工程擾動(dòng)力。（1）礦山壓力顯現(xiàn)：在礦山壓力作用下，會(huì)引起各種力學(xué)現(xiàn)象，如巖體的變形、破壞、塌落，支護(hù)物的變形、破壞、折損，以及在巖體中產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象。這些由于礦山壓力作用使巷道周?chē)鷰r體和支護(hù)物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為礦山壓力顯現(xiàn)。（1）礦山壓力控制：所有減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力作用的各種方法叫礦山壓力控制。（1）巖石：巖石是組成地殼的基本物質(zhì)，有各種造巖礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律組合而成。為于自然狀態(tài)下的巖體有所區(qū)別，多數(shù)巖石力學(xué)文獻(xiàn)中，巖石是從巖體中取出的、尺寸不大的塊狀物質(zhì)，有時(shí)又稱為巖塊。原巖應(yīng)力：存在于地層中未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力，也稱為巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或地應(yīng)力。（40）支承壓力：在巖體內(nèi)開(kāi)掘巷道后，巷道圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，一般將巷道兩側(cè)改變后的切向應(yīng)力增高部分稱為支承壓力。(58)回采工作面（采場(chǎng)）：在煤層或礦床的開(kāi)采過(guò)程中，一般把直接進(jìn)行采煤或采有用礦物的工作空間稱為回采工作面或簡(jiǎn)稱采場(chǎng)。頂板（上覆巖層）：賦存在巖層之上的巖層稱為頂板或稱為上覆巖層。底板：位于煤層下方的巖層稱為底板。老頂：通常把位于直接頂之上(有時(shí)直接位于煤層之上)對(duì)采場(chǎng)礦山壓力直接造成影響的厚而堅(jiān)硬的巖層稱為老頂。一般是由砂巖、石灰?guī)r及砂礫巖等巖層組成。（65）直接頂：一般把直接位于煤層上方的一層或幾層性質(zhì)相近的巖層稱為直接頂。（65）直接頂初次垮落：煤層開(kāi)采后，將首先引起直接頂?shù)目迓?回采工作面從開(kāi)切眼開(kāi)始向前推進(jìn)，直接頂懸露面積增大,當(dāng)達(dá)到其極限垮距時(shí)開(kāi)始垮落。直接頂?shù)牡谝淮未竺娣e垮落稱為直接頂初次垮落。（70）頂板下沉量：一般指煤壁到采空區(qū)邊緣裸露的頂?shù)装逑鄬?duì)移近量。（98）老頂初次來(lái)壓：當(dāng)老頂懸露達(dá)到極限跨距時(shí)，老頂斷裂形成三鉸拱式的平衡，同時(shí)發(fā)生已破斷的巖塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)(變形失穩(wěn))，有時(shí)可能伴隨滑落失穩(wěn)(頂板的臺(tái)階下沉)，如圖43所示，從而導(dǎo)致工作面頂板的急劇下沉。此時(shí)，工作面支架呈現(xiàn)受力普遍加大現(xiàn)象，即稱為老頂?shù)某醮蝸?lái)壓。（99）周期來(lái)壓：隨著回采工作面的推進(jìn)，在老頂初次來(lái)壓以后，裂隙帶巖層形成的結(jié)構(gòu)將始終經(jīng)歷“穩(wěn)定一失穩(wěn)一再穩(wěn)定”的變化，這種變化將呈現(xiàn)周而復(fù)始的過(guò)程。出于結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)導(dǎo)致了工作面頂板的來(lái)壓，這種來(lái)壓也將隨著工作面的推進(jìn)而呈周期性出現(xiàn)。因此，由于裂隙帶巖層周期性失穩(wěn)而引起的頂板來(lái)壓現(xiàn)象稱之為工作面頂板的周期來(lái)壓。（101）關(guān)鍵層：將對(duì)采場(chǎng)上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動(dòng)起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層。（174）沿空留巷：如果通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)或采用其他有效方法，將相鄰區(qū)段巷道保留下來(lái)，供本區(qū)段工作面回采時(shí)使用的巷道，稱為沿空保留(煤體無(wú)煤柱)巷道。（203）沿空掘巷：巷道一側(cè)為煤體，另一側(cè)為采空區(qū)，如果采空區(qū)一側(cè)采動(dòng)影響已經(jīng)穩(wěn)定后，沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)的巷道稱為沿空掘進(jìn)(煤體無(wú)煤柱)巷道（203） 錨固力：為錨桿對(duì)圍巖的約束力。（242）軟巖：分為地質(zhì)軟巖和工程軟巖。（256）地質(zhì)軟巖：指強(qiáng)度低，孔隙度大，膠結(jié)程度差，受結(jié)構(gòu)面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層的總稱。工程軟巖：指在巷道工程力作用下，能產(chǎn)生顯著變形的工程巖體。巷道工程力是指作用在巷道工程巖體上的力總和，工程軟巖的定義揭示了軟巖的相對(duì)性質(zhì)。煤礦動(dòng)壓現(xiàn)象：煤礦開(kāi)采過(guò)程中，在高應(yīng)力狀態(tài)下積聚有大量彈性能的煤或巖體，在一定的條件下突然發(fā)生破壞、冒落或拋出，使能量突然釋放，呈現(xiàn)聲響、震動(dòng)以及氣浪等明顯的動(dòng)力效應(yīng)。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為煤礦動(dòng)壓現(xiàn)象。（294）沖擊礦壓：沖擊礦壓是聚積在礦井巷道和采場(chǎng)周?chē)簬r體中的能量突然釋放，在井巷發(fā)生爆炸性事故，產(chǎn)生的動(dòng)力將煤巖拋向巷道，同時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈聲響，造成煤巖體振動(dòng)和煤巖體破壞，支架與設(shè)備損壞，人員傷亡，部分巷道垮落破壞等。沖擊礦壓還會(huì)引發(fā)或可能引發(fā)其他礦井災(zāi)害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)，干擾通風(fēng)系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)造成地面震動(dòng)和建筑物破壞等。因此，沖擊礦壓是煤礦重大災(zāi)害之一。（294）沖擊能指數(shù)：在單軸壓縮狀態(tài)下，煤樣全“應(yīng)力一應(yīng)變”曲線峰值c前所積聚的變形能Es與峰值后所消耗的變形能Ex之比值。它是包含試件“應(yīng)力一應(yīng)變”全部變化過(guò)程的曲線，直觀和全面地反映了蓄能、耗能的全過(guò)程，顯示了沖擊傾向的物理本質(zhì)。（298）頂板大面積來(lái)壓：頂板大面積來(lái)壓主要是由于堅(jiān)硬頂板被采空的面積超過(guò)一定的極限值，引起大面積冒落而成的劇烈動(dòng)壓現(xiàn)象。淺埋煤層：根據(jù)實(shí)測(cè)，淺埋煤層可分為兩種類型：典型的淺埋煤層，近淺埋煤層。對(duì)于基巖比較薄、松散載荷層厚度比較大的淺埋煤層，其頂板破斷運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為整體切落形式，易于出現(xiàn)頂板臺(tái)階下沉。此類厚松散層淺埋煤層稱為典型的淺埋煤層，其特征可以概括為埋藏淺、基載比小、老頂為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤層。對(duì)于基巖厚度較大、松散載荷層厚度較小的淺埋煤層，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律介于普通工作面與淺埋煤層工作面之間，頂板結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)兩組關(guān)鍵層，存在輕微的臺(tái)階下沉現(xiàn)象，可稱為近淺埋煤層。（283）巖石的分類：1）按巖石成因可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類。煤田是地質(zhì)歷史上沉積運(yùn)動(dòng)形成的，煤礦絕大多數(shù)遇到的是沉積巖。 2）按巖石固體礦體顆粒間的結(jié)合特征，可分為固結(jié)性、粘結(jié)性、散粒狀和流動(dòng)性巖石四大類。煤礦中多遇到固結(jié)性巖石，即造巖礦物的固體顆粒間為剛性連接，破碎后認(rèn)可保持一定形狀的巖石，常見(jiàn)的有砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、石灰?guī)r、泥巖等。 3）按巖石力學(xué)強(qiáng)度和堅(jiān)實(shí)性，可分為堅(jiān)硬巖石和松軟巖石。天然巖體與巖石試件有顯著不同：巖體賦存于一定地質(zhì)環(huán)境之中，地應(yīng)力、地溫、地下水等因素物理力學(xué)性質(zhì)有很大影響；而巖石試件只是為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)而加工的巖塊，已完全脫離了原有的地質(zhì)環(huán)境。巖體在自然狀態(tài)下經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用過(guò)程，其中存在著各種地質(zhì)構(gòu)造和弱面，如不整合、褶皺、斷層、節(jié)理、裂隙等等。一定數(shù)量的巖石組成巖體，且?guī)r體五特定的自然邊界，只能根據(jù)解決問(wèn)題的需要來(lái)圈定范圍。根據(jù)上訴特征，將巖體定義為地質(zhì)體的一部分，并且是由處于一定地質(zhì)環(huán)境中的各種巖性和結(jié)構(gòu)特征巖石所組成的集合體，也可以看成是由結(jié)構(gòu)面所包圍的結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面共同組成的。巖體的基本特征：巖體的非均質(zhì)性；巖體的各向異性；巖體的非連續(xù)性。巖體的結(jié)構(gòu)的類型：整體結(jié)構(gòu)；塊狀結(jié)構(gòu)；層狀結(jié)構(gòu)；碎裂結(jié)構(gòu)；松散結(jié)構(gòu)。構(gòu)造應(yīng)力的基本特點(diǎn)：構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，具有明顯的區(qū)域性和方向性。有以下基本特點(diǎn)：一般情況下地殼運(yùn)動(dòng)一水平運(yùn)動(dòng)為主，構(gòu)造應(yīng)力主要是水平應(yīng)力；而且地殼總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是相互擠壓，所以水平應(yīng)力以壓應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。構(gòu)造應(yīng)力分布不均勻，在地質(zhì)構(gòu)造變化比較劇烈的地區(qū)，最大主應(yīng)力的大小和方向往往有很大變化。巖體中的構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力一般相差較大。構(gòu)造巖層在堅(jiān)硬巖層中出現(xiàn)一般比較普遍，在軟巖中儲(chǔ)存構(gòu)造應(yīng)力很少。礦山壓力顯現(xiàn)的指標(biāo)：頂板下沉量：一般指煤壁到采空區(qū)邊緣裸露的頂?shù)装逑鄬?duì)移近量；頂板下沉速度；支柱變形與折損；頂板破碎情況；局部冒頂；工作面頂板沿煤壁切落（或稱大面積冒頂）；影響采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素：采高與控頂距的影響；工作面推進(jìn)速度的影響；開(kāi)采深度的影響；煤層傾角的影響；分層開(kāi)采對(duì)礦山壓力顯現(xiàn)的影響；底板比壓（底板載荷集度）：將支架底座對(duì)單位面積底板上所造成的壓力稱為底板載荷集度，即底板比壓。支柱撐力、阻力：支柱對(duì)頂板的主動(dòng)作用力稱為支柱的撐力（主動(dòng)力）；支柱受頂板壓力作用而反映出來(lái)的力稱為支柱的阻力，又稱為工作阻力。支柱的工作特性類型：急增阻式微增阻式恒阻式。單體支架：木支架木柱+木梁；摩擦金屬支架摩擦木柱+鉸接金屬梁；單體液壓支架液壓柱+鉸接金屬梁。架設(shè)金屬單體支架的技術(shù)要求：確保金屬支柱的工作性能，失效支柱應(yīng)及時(shí)運(yùn)至地面檢查；在支設(shè)金屬支柱時(shí)，應(yīng)采用升柱器，使之具有一定的初撐力；嚴(yán)禁在一個(gè)工作面使用兩種或兩種以上不同性能的基本支柱；金屬支柱必須與金屬鉸接頂梁配套使用；不宜讓支柱受偏心載荷；必須保證支柱的支設(shè)質(zhì)量，不能將支柱打在浮矸上。相鄰巷道間合理距離：我國(guó)煤礦在目前采深條件下，大巷間的距離以2040m為宜，圍巖較穩(wěn)定時(shí)取小值，不穩(wěn)定時(shí)取大值；在淺部和堅(jiān)硬圍巖以及在急傾斜煤層條件下，大巷間距可減小10m；在深部和松軟圍巖條件下，大巷間距可增大至50m。上下山及集中巷間距以1530m為宜，圍巖較穩(wěn)時(shí)取小值，不穩(wěn)定時(shí)取大值；在淺部和堅(jiān)硬圍巖以及在急傾斜煤層條件下，上述距離減小到10m，在深部和松軟圍巖以及厚煤層內(nèi)，間距應(yīng)擴(kuò)大到4050m。 巷道的合理間距D由巷道寬度、巷道埋深、圍巖強(qiáng)度、巖層傾角、巷道與巖層走向的夾角五個(gè)因素決定，并按下式計(jì)算：D = (a1+a2)K1 式中，a1+a2相互影響的巷道總寬度，m；K1巷道相互影響系數(shù)，由表確定。構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道為穩(wěn)定性的影響：主要是水平應(yīng)力的影響，水平應(yīng)力是影響巷道頂板冒落、底板鼓起、兩幫內(nèi)擠的主要因素。頂板巖層在水平應(yīng)力作用下可能出現(xiàn)兩種破壞形式：一是薄層頁(yè)巖類巖層沿層面滑移，二是厚層的砂巖類巖層以小角度或沿小斷層產(chǎn)生剪切，頂板失穩(wěn)冒落。在軟巖和厚煤層中，底板巖層在水平應(yīng)力作用下，與形成褶曲構(gòu)造相類似，向巷道空間鼓起。如果底板巖層呈粘-塑性變形，底板巖層進(jìn)入蠕變狀態(tài)。因此，高水平應(yīng)力是造成底板巖層破壞和強(qiáng)烈底鼓的主要原因。水平應(yīng)力在巷道兩幫引起較大的拉應(yīng)力，造成兩幫破裂、鼓出和塌落，破壞深度較大。巷道圍巖變形規(guī)律：采準(zhǔn)巷道從開(kāi)掘到報(bào)廢，經(jīng)歷采動(dòng)造成的圍巖應(yīng)力重新分布過(guò)程，圍巖變形會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)和變化。以受到相鄰區(qū)段回采影響的工作面回風(fēng)巷為例，圍巖變形要經(jīng)歷五個(gè)階段-掘巷影響區(qū)；-掘巷影響穩(wěn)定區(qū)；-回采影響區(qū)；-回采影響穩(wěn)定區(qū)；-下區(qū)段回采影響區(qū)（二次采動(dòng)階段）。巖石質(zhì)量指標(biāo)：用直徑為75mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進(jìn)，連續(xù)取芯，回次鉆進(jìn)所取巖芯中，長(zhǎng)度大于10cm的巖芯段長(zhǎng)度之和與該回次進(jìn)尺的比值，以百分比表示。影響巖石變形和強(qiáng)度的因素：巖石的性質(zhì)；巖石的生成條件；巖石的構(gòu)造特征；風(fēng)化、水和溫度的作用；巖石試件的形狀和尺寸；加載速率及次數(shù)；巖石的受載狀態(tài)。彈性后效現(xiàn)象：在外力到達(dá)屈服應(yīng)力時(shí)，開(kāi)始卸載初期，應(yīng)力應(yīng)變曲線比較陡，但當(dāng)卸載接近結(jié)束時(shí)則較平緩，甚至當(dāng)完全除去應(yīng)力后，還有部分變形恢復(fù)，此即彈性后效現(xiàn)象。后效彈性變形：變形卸載后需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才恢復(fù)。莫爾強(qiáng)度理論：莫爾于1900年提出了莫爾強(qiáng)度理論，認(rèn)為材料發(fā)生破壞是由于材料的某一面上剪應(yīng)力達(dá)到一定的限度，而這個(gè)剪應(yīng)力與材料本身性質(zhì)和正應(yīng)力在破壞面上所造成的摩擦阻力有關(guān)。即材料發(fā)生破壞除了取決于該點(diǎn)的剪應(yīng)力，還與該點(diǎn)正應(yīng)力相關(guān)。這是目前巖石力學(xué)中應(yīng)用最廣泛的理論。巖石沿某一面上的剪應(yīng)力和該面上的正應(yīng)力理論可表述為三部分：一、表示材料上一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的莫爾應(yīng)力圓；二、強(qiáng)度曲線；三、將莫爾應(yīng)力圓和強(qiáng)度曲線聯(lián)系起來(lái)，建立莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則。強(qiáng)度曲線的主要用途：在強(qiáng)度曲線橫軸上，受拉區(qū)為由原點(diǎn)向左的區(qū)域，受壓區(qū)為由原點(diǎn)向右的區(qū)域。利用強(qiáng)度曲線可預(yù)測(cè)破壞面的方向。直接判斷巖石是否破壞。圓孔周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)分布：在雙向等壓應(yīng)力場(chǎng)中，圓孔周邊全處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)，即t0，r0；應(yīng)力大小與彈性常數(shù)E、無(wú)關(guān)；t、r的分布和角度無(wú)關(guān)，皆為主應(yīng)力，即切向和徑向平面均為主平面；雙向等壓應(yīng)力場(chǎng)中孔周邊的切向應(yīng)力為最大應(yīng)力，其最大應(yīng)力系數(shù)K=2，且與孔徑的大小無(wú)關(guān)，當(dāng)t=2H超過(guò)周邊圍巖的彈性極限時(shí)，圍巖將進(jìn)入塑性狀態(tài)；其他各點(diǎn)的應(yīng)力大小則與孔徑有關(guān)，若定義以r高于1.051或r低于0.951為巷道影響圈的邊界，則t的影響半徑Rt=r15r1，工程上有時(shí)以10%作為影響半徑則t的影響半徑Rt3r1。有限元計(jì)算常去5 r1的范圍作為計(jì)算域；在雙向等壓應(yīng)力場(chǎng)中圓孔周?chē)我恻c(diǎn)的切向應(yīng)力t與徑向應(yīng)力r之和為常數(shù)，且等于21。采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律假說(shuō):1、研究意義：由于采礦工程涉及到巖層內(nèi)的原巖應(yīng)力場(chǎng)以及巖體性質(zhì)的復(fù)雜性，因而從一開(kāi)始人們就對(duì)采場(chǎng)的礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象提出了各種不同的解釋，這種解釋是揭示礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象內(nèi)在聯(lián)系的推測(cè)或科學(xué)的概括，故稱為礦山壓力假說(shuō)。因此，礦山壓力假說(shuō)對(duì)巖層控制具有指導(dǎo)意義。 2、研究?jī)?nèi)容：1）壓力拱假說(shuō)：認(rèn)為：回采空間上方形成自然平衡拱（壓力拱）；工作面始終處于拱的保護(hù)之下；工作面前進(jìn)，拱腳隨之前進(jìn)。評(píng)價(jià)：可解釋免壓現(xiàn)象；但對(duì)拱的特性、巖層移動(dòng)時(shí)各層的力學(xué)關(guān)系未作分析。2）懸臂梁假說(shuō)：認(rèn)為：頂板垮落后，煤壁上方巖層以懸臂梁形式存在（含組合梁），隨工作面推進(jìn)周期性垮落，產(chǎn)生周期性來(lái)壓。評(píng)價(jià)：可解釋工作面前方出現(xiàn)支承壓力、周期來(lái)壓及下沉量和支架載荷近煤幫處小現(xiàn)象；但懸臂梁本身計(jì)算頂板下沉量和支架載荷與實(shí)際所測(cè)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，同時(shí)該假說(shuō)沒(méi)有對(duì)層位間的力學(xué)關(guān)系進(jìn)行解釋。3）預(yù)成裂隙假說(shuō)：認(rèn)為：由于開(kāi)采的影響，回采工作面上覆巖層的連續(xù)性遭到破壞，從而成為非連續(xù)體，在回采工作面周?chē)嬖谥鴳?yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和采動(dòng)影響區(qū)，隨著工作面的推進(jìn)，三個(gè)區(qū)域同時(shí)相應(yīng)前移；由于工作面前方支承壓力作用，導(dǎo)致頂板巖體破壞，形成礦壓裂隙，使巖體塑性增大，可將其視為“假塑性體”；在變形移動(dòng)的過(guò)程中，各巖塊間相互擠壓，形成“預(yù)應(yīng)力梁”；在自重及載荷作用下，產(chǎn)生假塑性彎曲（巖塊間相對(duì)滑移），發(fā)生頂板下沉和垮落；要管好頂板，必須加大支架初撐力和工作阻力，并及時(shí)支撐頂板巖層。評(píng)價(jià)：預(yù)成裂隙是否普遍存在，有待考證。4）鉸接巖塊假說(shuō)：鉸接巖塊假說(shuō)由原蘇聯(lián)的rH庫(kù)茲涅佐夫于19501954年提出，他認(rèn)為上覆巖層的破壞可分為垮落帶和其上的規(guī)則移動(dòng)帶，垮落帶分上下兩部分，下部分巖塊雜亂無(wú)章，上部分整齊排列，但無(wú)水平方向有規(guī)律的水平擠壓力聯(lián)系，規(guī)則巖塊間可以相互鉸合而形成一多環(huán)節(jié)的鉸鏈并規(guī)則地在采空區(qū)上方下沉，該假說(shuō)認(rèn)為工作面支架存在兩種不同的工作狀態(tài)，當(dāng)規(guī)則移動(dòng)帶下部巖層變形小而不發(fā)生折斷時(shí)，垮落帶巖層和規(guī)則移動(dòng)帶就可能發(fā)生離層，在這種情況下，支架最多只承受折斷的垮落帶巖層（相當(dāng)于直接頂）的全部重量，稱為支架處于“給定載荷狀態(tài)”；當(dāng)直接頂受老頂影響折斷時(shí)，支架所受載荷和變形取決于規(guī)則移動(dòng)帶下部巖塊的相互作用，載荷和變形將隨巖塊的下沉不斷增加，直至巖塊受已垮落巖石的支承達(dá)到平衡為止，這種情況稱為支架的“給定變形狀態(tài)”。鉸接巖塊間的平衡關(guān)系為三鉸拱式的平衡。該假說(shuō)已接近現(xiàn)代礦壓理論的主要觀點(diǎn)，但缺乏巖塊間的力學(xué)分析。認(rèn)為：采空區(qū)冒落矸石在規(guī)則冒落帶以上，已斷裂的巖塊在下移過(guò)程中，互相咬合，彼此牽制，當(dāng)水平力較大時(shí)，可形成三鉸拱平衡。評(píng)價(jià)：正確地闡明了工作面上覆巖層的分帶情況，并初步涉及到巖層內(nèi)部的力學(xué)關(guān)系及其可能形成的“結(jié)構(gòu)”；但此假說(shuō)未能對(duì)接巖塊間的平衡條件作進(jìn)一步探討，因而不能對(duì)各類不同強(qiáng)度的頂板巖層中所出現(xiàn)的不同力學(xué)現(xiàn)象做出正確的解釋。5）我國(guó)學(xué)者在巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型上的發(fā)展：認(rèn)為：上覆巖層可以劃分為若干組，每組以堅(jiān)硬巖層為底層，兩堅(jiān)硬巖層間的軟巖視為下層硬巖上的載荷和更上層堅(jiān)硬巖層與下部骨架聯(lián)結(jié)的墊層，與硬巖同步移動(dòng)，受開(kāi)采影響，堅(jiān)硬巖層斷裂前排列整齊，相互間由水平擠壓形成鉸接關(guān)系，鉸接巖塊在某些條件下可以形成平衡體，軟巖層視為無(wú)數(shù)垂直的“桿”， 最上層表土層視為均布載荷，巖塊回轉(zhuǎn)到水平，此時(shí)的鉸接關(guān)系為水平連桿聯(lián)結(jié)關(guān)系。評(píng)價(jià)：具體地給出了破斷巖塊的咬合方式和平衡條件，同時(shí)還討論了老頂破斷時(shí)在巖體中引起的擾動(dòng)，很好地解釋了采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，為采場(chǎng)礦山應(yīng)力的控制及支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；此假說(shuō)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和生產(chǎn)實(shí)踐的驗(yàn)證已經(jīng)得到了公認(rèn)，對(duì)我國(guó)煤礦采場(chǎng)礦壓理論研究與指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐都起到了重要作用。錨桿支護(hù)理論及發(fā)展：錨桿支護(hù)是一種主動(dòng)支護(hù)形式 ,代表了巷道支護(hù)的發(fā)展方向。在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中 ,錨桿支護(hù)理論是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) ,是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。但是目前國(guó)內(nèi)外主要采用傳統(tǒng)的懸吊、 組合梁、 組合拱三大理論進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì) ,存在很多的問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)最近幾年對(duì)錨桿支護(hù)理論有了一些研究 ,但還應(yīng)該進(jìn)一步完善 ,對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí) ,還缺乏一種行之有效的理論計(jì)算方法。所以應(yīng)加大對(duì)某些理論的研究力度 ,改善實(shí)驗(yàn)裝置 ,發(fā)明高精度的監(jiān)測(cè)儀器。A 、目前國(guó)內(nèi)外對(duì)錨桿支護(hù)的機(jī)理研究較多 ,可歸納為以下幾種:一、懸吊理論：1952 年路易斯 阿 帕內(nèi)科(Louis A Panek)等發(fā)表了懸吊理論 ,懸吊理論認(rèn)為錨桿支護(hù)的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上。 對(duì)于回采巷道揭露的層狀巖體 ,直接頂板均有彎曲下沉變形趨勢(shì) ,如果使用錨桿及時(shí)將其擠壓 ,并懸吊在老頂上 ,直接頂板就不會(huì)與老頂離層乃至脫落。錨桿的懸吊作用主要取決于所懸吊的巖層的厚度 ,層數(shù)及巖層彎曲時(shí)相對(duì)的剛度與彈性模量 ,還受錨桿長(zhǎng)度、 密度及強(qiáng)度等因素的影響。這一理論提出的較早 ,滿足其前提條件時(shí) ,有一定的實(shí)用價(jià)值。但是大量的工程實(shí)踐證明 ,即使巷道上部沒(méi)有穩(wěn)固的巖層 ,錨桿亦能發(fā)揮支護(hù)作用。例如 ,在全煤巷道中 ,錨桿就錨固在煤層中也能達(dá)到支護(hù)的目的 ,說(shuō)明這一理論有局限性。二、組合梁理論：組合梁理論認(rèn)為巷道頂板中存在著若干分層的層狀頂板 ,可看作是由巷道兩幫作為支點(diǎn)的一種梁 ,這種巖梁支承其上部的巖層載荷。傳播表面波為主的振動(dòng)。 使用錨桿將各層 “裝訂” 成一個(gè)整體的組合梁 ,防止巖石沿層面滑動(dòng) ,避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。在上覆巖層荷載作用下 ,這種較厚的組合梁比單純的迭加梁 ,其最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力將大大減小 ,撓度亦減小。而且各層間摩擦阻力愈大 ,整體強(qiáng)度愈大 ,補(bǔ)強(qiáng)效果愈好。但是 ,這種理論在處理巖層沿巷道縱向有裂縫時(shí)梁的連續(xù)性問(wèn)題和梁的抗彎強(qiáng)度問(wèn)題時(shí)有一定的局限性。三、組合拱理論組合拱理論是由蘭氏( T A Lang)和彭德(Pender)通過(guò)光彈試驗(yàn)提出來(lái)的。組合拱原理認(rèn)為,在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中,安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí),在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力,如果沿巷道周邊布置的錨桿間距足夠小,各個(gè)錨桿的壓應(yīng)力維體相互交錯(cuò),這樣使巷道周?chē)膸r層形成一種連續(xù)的組合帶(拱)。 這個(gè)組合拱可承受上部巖石的徑向載荷 ,如同碹體起到巖層補(bǔ)強(qiáng)的作用 ,承載外圍的壓力。組合拱理論的不足是缺乏對(duì)被加固巖體本身力學(xué)行為的進(jìn)一步探討 ,與實(shí)際情況有一定差距 ,在分析過(guò)程中沒(méi)深入探索圍巖 支護(hù)的相互作用。四、最大水平應(yīng)力理論：澳大利亞學(xué)者蓋爾(W J Gale)在 20 世紀(jì) 90 年代初提出了最大水平應(yīng)力理論。該理論認(rèn)為:礦井巖層的水平應(yīng)力一般是垂直應(yīng)力 1. 32. 0 倍。而且水平應(yīng)力具有方向性 ,最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的 1. 52. 5 倍。巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力影響 ,且有三個(gè)特點(diǎn): 與最大水平應(yīng)力平行的巷道受水平應(yīng)力影響最小 ,頂?shù)装宸€(wěn)定性最好; 與最大水平應(yīng)力呈銳角相交的巷道。其頂板變形破壞偏向巷道某一幫; 與最大水平應(yīng)力垂直的巷道 ,頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。 最大水平應(yīng)力理論 ,論述了巷道圍巖水平應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響以及錨桿支護(hù)所起的作用。在最大水平應(yīng)力作用下 ,巷道頂?shù)装鍘r層發(fā)生剪切破壞 ,因而會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)與松動(dòng)引起層間膨脹 ,造成圍巖變形。錨桿所起的作用是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯(cuò)動(dòng) ,因此要求具備有強(qiáng)度大、 剛度大、抗剪阻力大的高強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)。五、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論：該理論的要點(diǎn)是: (1)巷道錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)。（2）巷道錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)（E 、C 、），改善被錨固體的力學(xué)性能。 (3)利用錨桿支護(hù) ,可以提高錨固區(qū)域巖體的強(qiáng)度 ,可以有效的巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)的巖體則處于破碎區(qū)或處于上述23個(gè)區(qū)域中，相應(yīng)錨固區(qū)的巖石強(qiáng)度處于峰后強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度，錨桿支護(hù)使巷道圍巖特別是處于峰后區(qū)圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化，提高峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。（4）煤巷錨桿支護(hù)可以改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力。（5）巷道圍巖錨固體強(qiáng)度提高以后，可減少巷道周?chē)扑閰^(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。B、錨桿支護(hù)理論發(fā)展趨勢(shì)：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外錨桿支護(hù)理論研究 ,目前錨桿支護(hù)理論實(shí)質(zhì)上是對(duì)三大支護(hù)理論的進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。而且各種作用機(jī)理都有它的適用條件 ,應(yīng)根據(jù)具體條件研究選擇支護(hù)機(jī)理。現(xiàn)有的情況下 ,對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí) ,缺乏行之有效的、 合理的計(jì)算方法 ,理論分析和數(shù)值計(jì)算與實(shí)際支護(hù)情況存在很大的差別。所以應(yīng)從以下幾方面研究支護(hù)作用機(jī)理。(1)深入研究圍巖松動(dòng)圈理論。該方法含有專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)法的內(nèi)涵 ,簡(jiǎn)單直觀 ,易為現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員所接受 ,且對(duì)巖巷有著良好的適應(yīng)性 ,但對(duì)煤巷尤其是動(dòng)壓煤巷的適應(yīng)性仍有待深入研究 ,故圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論與設(shè)計(jì)方法也是今后發(fā)展的方向之一。(2)開(kāi)發(fā)優(yōu)秀的巖土工程數(shù)值模擬軟件。數(shù)值模擬方法的實(shí)質(zhì)是 ,利用計(jì)算機(jī)對(duì)通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型、 模擬可能遇到的應(yīng)力場(chǎng)范圍內(nèi)巖層礦壓顯現(xiàn)與錨桿支護(hù)過(guò)程中特性分析 ,評(píng)價(jià)所選擇的各種錨桿支護(hù)系統(tǒng)或支護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性與可靠程度。有限差分程序模擬巖土工程問(wèn)題有很大的優(yōu)越性 ,它不但可以處理一般的大變形問(wèn)題 ,而且可以模擬巖體沿某一弱面產(chǎn)生的滑動(dòng)變形;還能針對(duì)不同材料特性 ,使用相應(yīng)的本構(gòu)方程來(lái)比較真實(shí)地反映實(shí)際材料的動(dòng)態(tài)行為。它還可考慮錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用。所以開(kāi)發(fā)適合的有限差分程序可以比較方便的研究錨桿與圍巖相互作用機(jī)理 ,從中發(fā)現(xiàn)新的錨桿圍巖作用關(guān)系。(3)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和支護(hù)效果監(jiān)測(cè)儀器。目前進(jìn)行錨桿與圍巖相互作用機(jī)理的研究過(guò)程中 ,實(shí)驗(yàn)裝置存在一定的缺陷 ,不能夠使模型得到真實(shí)的邊界條件 ,數(shù)據(jù)采集儀器與模型的耦合也存在一定的問(wèn)題。對(duì)于支護(hù)效果的監(jiān)測(cè) ,儀器的精確度不夠 ,不能夠準(zhǔn)確的反映支護(hù)效果 ,所以支護(hù)的效果不能驗(yàn)證支護(hù)機(jī)理的正確性。所以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和發(fā)明高精度的監(jiān)測(cè)儀器 ,是研究支護(hù)機(jī)理的前提。二、簡(jiǎn)答與分析論述1.簡(jiǎn)述原巖應(yīng)力場(chǎng)的概念及主要組成部分。（40）天然存在于原巖內(nèi)而與人為因素?zé)o關(guān)的應(yīng)力場(chǎng)稱為原巖應(yīng)力場(chǎng)。由地心引力引起的應(yīng)力場(chǎng)稱為自重應(yīng)力場(chǎng)，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起的應(yīng)力場(chǎng)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，構(gòu)造應(yīng)力與巖體的特性(巖體中裂隙發(fā)育密度與方向，巖體的彈性、塑性、粘性等)，以及正在發(fā)生過(guò)程中的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所形成的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象(斷層、褶皺等)有密切關(guān)系。自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是原巖應(yīng)力場(chǎng)的主要組成部分。2.原巖應(yīng)力分布的基本特點(diǎn)(43)通過(guò)理論研究、地質(zhì)調(diào)查和大量的地應(yīng)力測(cè)量資料，原巖應(yīng)力分布的主要規(guī)律歸納如下：(1)實(shí)測(cè)鉛直應(yīng)力基本上等于上覆巖層重量；(2)水平應(yīng)力普遍大于鉛直應(yīng)力；(3)平均水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力的比值隨深度增加而減??；(4)最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力一般相差較大。3.煤柱下方底板巖層中應(yīng)力分布特點(diǎn)及其實(shí)際意義？（62）上述是在集中力p作用下形成的空間z應(yīng)力分布情況。在實(shí)際工程中很少遇到集中載荷作用的情況，但是通過(guò)這個(gè)解，可以知道應(yīng)力在巖體內(nèi)的傳遞規(guī)則，并且可以用積分的方法解決其他形式載荷條件下的應(yīng)力分布問(wèn)題。前西德學(xué)者雅可畢將煤層開(kāi)采條件理想化，即將巖體視為均質(zhì)的彈性體，對(duì)煤柱和媒體下方底板巖層中的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬計(jì)算。得到了z應(yīng)力線的分布圖如圖所示。其假設(shè)的條件是；采深為800m，上覆巖層體積力為25kNm3。圖中的單位是10MPa，因此圖中的等應(yīng)力線2即相當(dāng)于原巖應(yīng)力。在煤柱或煤體下方的一側(cè)為增壓區(qū)，而在采空區(qū)下方一側(cè)為減壓區(qū)。當(dāng)多煤層開(kāi)采時(shí)，巖體內(nèi)的z應(yīng)力線將更為復(fù)雜。4.簡(jiǎn)述巖石破碎后的碎脹特征及其在控制頂板壓力中的作用？(72)影響碎脹系數(shù)KP的重要因素是巖石破碎后塊度的大小及其排列狀態(tài)。例如，堅(jiān)硬巖層成大塊破斷且排列整齊，因而碎脹系數(shù)較??；若巖石破碎后塊度較小且排列較亂，則碎脹系數(shù)較大，巖石破碎后，在其自重及外加載荷的作用下漸趨壓實(shí)，碎脹系數(shù)變小，壓實(shí)后的高度將取決于巖石的殘余碎脹系數(shù)KP。若直接頂巖層的垮落厚度為h，則垮落后堆積的高度為Kph它與老頂之間可能留下的空隙為：hMKph=Mh（Kp1）當(dāng)Mh（Kp1）時(shí)，=0，即冒落的直接頂將充滿采空區(qū)。此時(shí)下沉量較小，?？珊雎圆挥?jì)。因此，形成充滿采空區(qū)所需直接頂?shù)暮穸葹椋篽=M/（Kp1）隨著老頂初次斷裂，老頂破斷巖塊的變形迫使直接頂變形而向支架方向加載荷，此時(shí)直接頂就不再可能形成初次放頂時(shí)可能發(fā)生的離層狀態(tài)。但是老頂破斷巖塊形成的變形失穩(wěn)與滑落失穩(wěn)將對(duì)直接頂?shù)姆€(wěn)定性產(chǎn)生影響。巖石的碎脹性是指巖石破辭后散亂后堆積的體積比破碎前整體狀態(tài)下增大的特性，一般用碎脹系數(shù)KP表示。對(duì)于巖層控制來(lái)說(shuō)，碎脹性有重要作用，當(dāng)煤層采出形成采空區(qū)后，頂板處于懸露狀態(tài)，就會(huì)發(fā)生破壞垮落，并給工作面頂板管理造成影響以至危害。由于頂板巖石有碎脹性，垮落后體積增大，能充填部分因煤層采出后形成的采空區(qū)，其上覆巖層的活動(dòng)對(duì)工作面就沒(méi)有明顯的動(dòng)壓影響了。因此，碎脹性對(duì)工作預(yù)頂板管理有重要意義5.分析采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)條件（）上覆巖層的巖體結(jié)構(gòu)主要由堅(jiān)硬巖層組成，軟巖層只作為載荷，堅(jiān)硬巖層斷裂成巖塊后排列整齊并互相咬合，這樣，就可以建立一個(gè)勢(shì)定的力學(xué)模型。根據(jù)力學(xué)計(jì)算，巖體結(jié)構(gòu)的平衡條件為：1）巖塊間應(yīng)有足夠的水平推力，且不可過(guò)大。2）巖塊的下沉量Sl要小，厚度h較大，且Sl要遠(yuǎn)小于ho。3）巖塊間的斷裂角要小于巖塊間的摩擦角4）巖塊間的剪切力Q要小于巖塊問(wèn)的摩擦力，即巖體結(jié)構(gòu)上作用的載荷不易過(guò)大。6.分析加快工作面推進(jìn)速度與改善頂板狀況的關(guān)系。（112）從實(shí)測(cè)的“s一t”曲線中可以看出，加快工作面的推進(jìn)速度實(shí)質(zhì)上意味著減少了工作面的控頂時(shí)間，也減少了時(shí)間因素對(duì)頂板下沉的影響，無(wú)疑可以減少頂板的下沉量，改善頂板維護(hù)狀況。但是加快工作面的推進(jìn)速度卻在一定的時(shí)間間隔內(nèi)增加了工序的影響次數(shù)，即縮短了相鄰兩個(gè)工序的時(shí)間間隔，同時(shí)也必然使頂板的下沉量加劇。當(dāng)工作面推進(jìn)速度加快到一定程度后，可能會(huì)出現(xiàn)前一工序影響的頂板下沉還未穩(wěn)定，后一個(gè)工序的影響卻已來(lái)到。這樣，會(huì)使工作面頂板始終處于劇烈活動(dòng)的情況下。顯然，這種信況對(duì)頂板的維護(hù)是非常不利的。在工作面推進(jìn)速度很慢的情況下，加快工作面的推進(jìn)速度對(duì)于減小頂扳的下沉量，改善頂板的維護(hù)狀況顯然是有利的。但是，如果工作面的推進(jìn)速度已提高到一定程度后，再提高工工作面的推進(jìn)速度不但不能減小頂板的下沉量，反而會(huì)使頂扳活動(dòng)更加劇烈。從理論上來(lái)講，用加快工作面推進(jìn)速度的方法來(lái)減小頂板下沉量，改善頂板維護(hù)狀況是有一定限度的。因而企圖用加快工作面推進(jìn)速度來(lái)甩掉礦山壓力的想法更是不現(xiàn)實(shí)的。在目前的實(shí)際生產(chǎn)中，工作面的推進(jìn)速度還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到不能再提高的地步。從礦山壓力的觀點(diǎn)出發(fā)，即使是年產(chǎn)百萬(wàn)噸的采煤隊(duì)，再提高工作面的推進(jìn)速度以減小質(zhì)板的下沉量也還是可能的。7.試分析開(kāi)采深度對(duì)采場(chǎng)礦山壓力及其顯現(xiàn)的影響。（113）煤層開(kāi)采深度增加意味著原巖應(yīng)力的增加。原巖應(yīng)力的增大直接影響開(kāi)采后巷道和采場(chǎng)周?chē)鷰r體中支承壓力的大小。所以，開(kāi)采深度對(duì)礦山壓力具有絕對(duì)的影響。開(kāi)采深度愈大，采場(chǎng)的礦山壓力也愈大。但對(duì)礦山壓力顯現(xiàn)的影響則不盡相同。有的礦山壓力顯現(xiàn)直接隨開(kāi)采深度的增加而增大，如煤壁的片幫，底板的鼓起，沖擊地壓等都隨著開(kāi)采深度的增加而變得明顯和劇烈。而有的礦山壓力顯現(xiàn)和開(kāi)采深度并無(wú)明顯關(guān)系。如頂板的下沉和支架上所承受的載荷并不隨開(kāi)采深度的增加而正比例的增大。因?yàn)轫敯宓南鲁林苯邮芰严稁У膸r層形成的大結(jié)構(gòu)和支架特性影響，并和煤層的采高，老頂及直接頂?shù)牧W(xué)性質(zhì)及它們的厚度因素有關(guān)。支架上所承受的載荷主要取決于頂板下沉特點(diǎn)和支架自身的性能，一般不隨開(kāi)采深度的增加而增大。8.簡(jiǎn)述我國(guó)緩傾斜煤層工作面頂板分類方案。（122）為了指導(dǎo)回采工作面的頂板管理，選擇合適的液壓支架形式，單體支架的支護(hù)方法和采空區(qū)處理措施；以及為了確定液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度和單體支柱的支護(hù)密度，以提高工作面的安全程度，減少頂板事故等，原煤炭工業(yè)部頒發(fā)了緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類方案。采煤工作面直接頂類別按其在開(kāi)采過(guò)程中表現(xiàn)的穩(wěn)定程度進(jìn)行劃分，共分為4類，其中1類又分為2個(gè)亞類，對(duì)于2類直接頂，可根據(jù)需要分為兩個(gè)亞類，其具體指標(biāo)見(jiàn)表51。表51中，tr為直接頂平均初次垮落距。9.支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)特征及適用范圍。（128）支撐式：指在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有掩護(hù)梁，對(duì)頂板的作用是支撐的支架稱為支撐式支架。掩護(hù)式：指在結(jié)構(gòu)上有掩護(hù)梁，單排立柱連接掩護(hù)梁或直接支撐頂梁對(duì)頂板起支撐作用的支架支撐掩護(hù)式：指具有雙排或多排立柱及掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的支架，支柱大部或全部通過(guò)頂梁對(duì)頂板起支撐作用，可能有部分支柱是通過(guò)掩護(hù)梁對(duì)頂板起作用。10.簡(jiǎn)述采場(chǎng)支架與圍巖關(guān)系特點(diǎn)。（146）所謂“支架與圍巖關(guān)系”就是工作面支架和工作面頂、底扳之間的相互作用和相互影響，即支架對(duì)圍巖既要支撐又罷適應(yīng)的關(guān)系。從目前掌握的資料來(lái)看，采場(chǎng)支架與圍巖關(guān)系有如下幾個(gè)特點(diǎn)：支架?chē)鷰r是相互作用的一對(duì)力。支架受力大小及其在回采工作面分布的規(guī)律與支架性能有關(guān)。還與支架與圍巖支撐系統(tǒng)的總體特性有關(guān)。事實(shí)證明，剛性、急增阻式、微增阻式或恒阻式支架受力在工作面的分布狀態(tài)是不一致的，恒阻式支架的受力比較均勻。支架結(jié)構(gòu)及尺寸不同對(duì)頂板壓力影響和維護(hù)效果不同。實(shí)際生產(chǎn)中證明在支架架型選擇合適時(shí)，可以用最小的工作阻力維護(hù)好頂板。11.分析采場(chǎng)支架工作阻力與頂板下沉量的“P-L”曲線關(guān)系支架工作阻力與頂板下沉量的關(guān)系在一定程度上反映了支架與圍巖的相互作用關(guān)系。從PL曲線可以得出一下結(jié)論：不同的頂板條件，PL曲線的斜率不同，但都呈雙曲線關(guān)系。在一定工作阻力以上，支架工作阻力增加對(duì)頂板下沉量影響較小，但低于此值則提高支架工作阻力將減少頂板下沉量。支架的工作阻力并不能改變上覆巖層“大結(jié)構(gòu)”的總體活動(dòng)規(guī)律。回采工作面支架應(yīng)具備以下兩個(gè)基本特性：一是必須具備一定的可縮量；二是必須具備有良好的支撐性能，即一定的工作阻力。因而在支架選型與支護(hù)設(shè)計(jì)中，最主要是確定支架的最大可縮量與最大工作阻力。12.簡(jiǎn)述開(kāi)采后引起的上覆巖層的破壞方式及其分區(qū)。（70/179）當(dāng)煤層開(kāi)采以后，由于直接頂下部形成較大的空間，直接頂破斷后，巖塊是不規(guī)則垮落，排列極不整齊，其松散系數(shù)較大。一般將具有這種破壞方式的巖層稱為垮落帶（圖中區(qū)域）。垮落帶以上的頂板巖層由于其下部空間較小，巖層巖層斷裂后，其向下移動(dòng)時(shí)受到相互牽制，巖層只是斷裂下沉而無(wú)翻轉(zhuǎn)，通常稱這個(gè)區(qū)域叫做裂隙帶（圖中區(qū)域）。在向上直至地表的巖層只有彎曲下沉而無(wú)斷裂，這一帶常稱為彎曲下沉帶（圖中區(qū)域）。根據(jù)裂隙帶內(nèi)巖層的移動(dòng)特點(diǎn)，沿工作面推進(jìn)向可將其分為以下幾個(gè)區(qū)域：1）A區(qū)域，即煤壁支撐影響區(qū)，這個(gè)區(qū)域在煤壁前方3040m的范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)巖層有較明顯的水平移動(dòng)，而垂直移動(dòng)甚小，有時(shí)巖層還可能出現(xiàn)上升現(xiàn)象。 2）B區(qū)域，也稱為離層區(qū)，這個(gè)區(qū)域是在回采工作面推過(guò)以后的采空區(qū)上方。這個(gè)區(qū)的巖層移動(dòng)特點(diǎn)是：破段巖層的垂直位移急劇增大，其下部巖層垂直移動(dòng)速度大于上部巖層的垂直移動(dòng)速度，因而下部巖層和上部巖層發(fā)生離層。 3）C區(qū)域，稱為重新壓實(shí)區(qū)。這個(gè)區(qū)域內(nèi)裂隙帶的巖層重新受到已冒落矸石的支撐，垂直移動(dòng)減緩，其下部巖層的垂直移動(dòng)速度小于上部巖層，因而使離層巖層出現(xiàn)的層間間隙又重新閉合。13.簡(jiǎn)述綠色開(kāi)采技術(shù)體系，關(guān)鍵層的作用。（174）針對(duì)煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，“綠色開(kāi)采技術(shù)”主要包括以下內(nèi)容：1、水資源保護(hù)形成“保水開(kāi)采”技術(shù)；2、土地與建筑物保護(hù)形成離層注漿、充填與條帶開(kāi)采技術(shù)；3、瓦斯抽放一形成“煤與瓦斯共采”技術(shù)；4、煤層巷道支護(hù)技術(shù)與減少酐石徘放技術(shù)；5、地下氣化技術(shù)。這些內(nèi)容構(gòu)成的綠色開(kāi)采技術(shù)體系簡(jiǎn)要表達(dá)如圖所示。由于成巖時(shí)間及礦物成分不同，煤系地層形成丁厚度不等、強(qiáng)度石同的多層巖層。其小覆巖關(guān)鍵層將對(duì)采場(chǎng)上程思層活動(dòng)起土要的控制作用。為了棄潔巖居移動(dòng)出廠仟亡傳遞的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并對(duì)巖層移動(dòng)過(guò)程中形成的采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)、煤片體中水與瓦斯的流動(dòng)和地表沉陷等狀態(tài)的變化進(jìn)行有效監(jiān)側(cè)與控制，關(guān)鍵在于弄清關(guān)鍵層的變形破斷及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與軟巖層間的相互耦合作用關(guān)系。關(guān)鍵層理論的提出實(shí)現(xiàn)了礦山壓力、巖層移功與地表沉陷、采動(dòng)煤巖體中水與瓦斯流動(dòng)研究的有機(jī)統(tǒng)一為更全面深入地解釋采動(dòng)巖體活動(dòng)規(guī)律與采動(dòng)損害現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)，為煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)研究提供了理論平臺(tái)。14.簡(jiǎn)述控制巖層移動(dòng)的技術(shù)。（180）巖層移動(dòng)控制技術(shù)可分為3類：（1）留設(shè)煤柱控制巖層移動(dòng)包含1、部分開(kāi)采（條帶開(kāi)采和房柱式開(kāi)采）；2留設(shè)保護(hù)煤柱；（2）充填法控制巖層移動(dòng)；（3）調(diào)整開(kāi)采工藝及參數(shù)控制巖層移動(dòng)，如限厚開(kāi)采、協(xié)調(diào)開(kāi)采、上行開(kāi)采等。15.簡(jiǎn)述回采工作面周?chē)С袎毫Ψ植家?guī)律。（195）煤層開(kāi)采過(guò)程破壞了原巖應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。對(duì)于受到采動(dòng)影響的巷道，它的維護(hù)狀況除了受巷道所處位置的自然因素影響以外，主要取決于采動(dòng)影響。煤層開(kāi)采以后，采空區(qū)亡部巖層重量將向采空區(qū)周?chē)碌闹С悬c(diǎn)轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成文承壓力帶。工作面前方形成超前支承壓力，它隨著工作面推進(jìn)而向前移動(dòng)，稱為移動(dòng)性支承壓力或臨時(shí)支承壓力。工作面沿傾斜和仰斜方向及開(kāi)切眼側(cè)煤體上形成的支承壓力，在工作面采過(guò)一段時(shí)間后，不再發(fā)生明顯變化，稱為固定支承壓力或殘余支承壓力?；夭晒ぷ髅嫱七^(guò)一定距離后，采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)將趨于穩(wěn)定，采空區(qū)內(nèi)某些地帶冒落矸石被逐漸壓實(shí)，使上部未冒落巖層在不同程度上重新得到支撐。因此，在距工作面一定距離的采空區(qū)內(nèi)，也可能出現(xiàn)較小的支承壓力，稱為采空區(qū)支承壓力。支承壓力的顯現(xiàn)特征通過(guò)支承壓力分布范圍、分布形式和應(yīng)力峰值表示。工作面超前支承壓力峰值位置距煤壁一般為48m，相當(dāng)235倍回采高度。影響范圍為4060m，少數(shù)可達(dá)6080m，應(yīng)力增高系數(shù)為253。工作面傾斜方向固定性支承壓力影響范圍一般為1530m，少數(shù)可達(dá)3540 m，支承壓力峰值位置距煤壁一般為1520m、應(yīng)力增高系數(shù)為23。采空區(qū)支承壓力應(yīng)力增高系數(shù)通常小于l，個(gè)別情況下達(dá)到13。相鄰的采空區(qū)所形成的支承壓力會(huì)在某些地點(diǎn)發(fā)生相互疊加，稱為疊合支承壓力。例如，在上下區(qū)段之間，少區(qū)段采空區(qū)形成的殘余支承壓力與下區(qū)段工作面超前支承壓力疊加、在煤層向采空區(qū)凸出的拐角、形成很高的疊合支承壓力，應(yīng)力增高系數(shù)可達(dá)57，有時(shí)甚至更高。16.采區(qū)平巷在其服務(wù)期內(nèi)沿走向的礦壓規(guī)律有哪些？采動(dòng)影響帶的前影響區(qū)和后影響區(qū)內(nèi)礦壓顯現(xiàn)時(shí)間和機(jī)理有何不同？（203）(1)煤休煤體巷道服務(wù)期間內(nèi)，圍巖的變形將經(jīng)歷巷道掘進(jìn)影響、掘進(jìn)影響穩(wěn)定和采動(dòng)影響三個(gè)階段。由于巷道在采面后方已經(jīng)廢棄，巷道僅經(jīng)歷采面前方采動(dòng)影響，圍巖變形量比采動(dòng)影響階段全過(guò)程小得多，一般僅13左右。(2)煤體煤柱或無(wú)煤柱(采動(dòng)穩(wěn)定)巷道服務(wù)期間，圍巖的變形同樣經(jīng)歷巷道掘進(jìn)影響、掘進(jìn)影響穩(wěn)定和采動(dòng)影響三個(gè)階段(工作面前方采動(dòng)影響)。但是巷道整個(gè)服務(wù)期間內(nèi)始終受相鄰區(qū)段采空區(qū)殘余支承壓力的影響，三個(gè)影響階段的圍巖變形均大于煤體煤體巷道。巷道的圍巖變形量除了取決于開(kāi)采深度、巷道圍巖性質(zhì)、工作面頂板結(jié)構(gòu)和相鄰區(qū)段采空區(qū)采動(dòng)穩(wěn)定程度外，與沿空護(hù)巷方式及保護(hù)煤柱寬度密切相關(guān)。(3)煤體煤柱或無(wú)煤柱(正采動(dòng))巷道服務(wù)期間，圍巖的變形將經(jīng)歷全部的五個(gè)階段，圍巖變形量遠(yuǎn)大于無(wú)采動(dòng)及一側(cè)采動(dòng)穩(wěn)定后巷道。這類巷道的圍巖變形量除了與開(kāi)采深度、巷道圍巖性質(zhì)、采動(dòng)狀況有關(guān)外，工作面頂板結(jié)構(gòu)、沿空護(hù)巷方式和煤柱寬度都起決定性作用。不采用煤柱保護(hù)巷道時(shí)，為沿空保留巷道。17.沿空留巷礦壓顯現(xiàn)基本特征？與沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)的主要區(qū)別？（225）沿空留巷的頂板下沉規(guī)律回采工作面推進(jìn)引起的上覆巖層運(yùn)動(dòng)、其發(fā)展是自下而上的，上部具有明顯的滯后現(xiàn)象、沿空留巷的頂板會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)受到老頂上覆巖層運(yùn)動(dòng)的影響。(1)采面前2040m處煤層上覆巖層開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，但下沉速度很小，為巖層起始沉降期。(2)煤層開(kāi)采后，垮落帶巖層冒落，規(guī)則移動(dòng)帶巖層及上覆巖層急劇沉降，在工作面后方1020m處，下沉速度最大。在工作面后方060m范圍內(nèi)，下沉量占最終下沉量的80左右，稱為巖層強(qiáng)烈沉降期。(3)在工作面后方約60m以外，規(guī)則移動(dòng)帶及上覆巖層沉降速度逐漸衰減，在工作面后100m左右，巖層運(yùn)動(dòng)基本穩(wěn)定。這個(gè)時(shí)期內(nèi)巖層的下沉量占最終下沉量的15左右，稱為巖層沉降衰減期。(4)如果直接頂板冒落能夠填滿采空區(qū)，使老頂處丁平衡狀態(tài)，采動(dòng)期間沿空留巷的頂板下沉量與煤層采厚呈正比關(guān)系、般為采高的1020，基本上屬于“給定變形”。沿空巷道的頂板往往明顯地向采空區(qū)方向傾斜，傾角一般為3。一6。18.跨巷回采卸壓的基本原理？（227）煤層開(kāi)采以后，在煤層底板中形成一定范圍的應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。位于煤層底板的巷道，若處于應(yīng)力增高區(qū)，將承受較大的集中應(yīng)力而遭到破壞；處于應(yīng)力降低區(qū)，則易于維護(hù)。根據(jù)采面不斷移動(dòng)的特點(diǎn)以及巷道系統(tǒng)優(yōu)化布置的原則，可在巷道上方的煤層工作而進(jìn)行跨采，使巷道經(jīng)歷一段時(shí)間的高應(yīng)力作用后，長(zhǎng)期處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，跨采的效果主要取決于巷道與上方跨采面的相對(duì)位置，即巷道與上部回來(lái)采煤層間的法向距離z，巷道與上部回采煤層煤柱(體)邊緣的水平距離x。19.如何根據(jù)錨桿對(duì)圍巖的約束方式定義錨桿錨固力？（242）1、托錨力：托錨力包括安裝錨桿時(shí)，通道擰緊螺母產(chǎn)生的錨桿托板對(duì)圍出的預(yù)緊力，水脹式管狀錨桿桿休縱向收縮，使托盤(pán)對(duì)圍巖產(chǎn)生預(yù)緊力，以及錨桿托扳阻止圍巖向巷道內(nèi)位移時(shí)，對(duì)圍巖施加的徑向支護(hù)力。2、粘錨力：粘結(jié)劑將圍巖與錨桿粘結(jié)成整體，由于圍片深部與淺部變形的差異，錨桿通過(guò)粘結(jié)劑對(duì)圍巖施加粘結(jié)力來(lái)抑制圍巖變形。粘錨力就是錨桿桿體的軸力。摩擦錨固式錨桿通過(guò)桿體與圍巖之間摩擦力對(duì)圍巖施加錨固力來(lái)抑制圍巖變形。3、切向錨固力：圍巖的變形大多從巖體的弱面開(kāi)始，在圍壓作用下圍巖沿弱而滑動(dòng)或張開(kāi)。錨桿體貫穿弱面，限制圍巖沿弱面滑動(dòng)或張開(kāi)，這種限制力稱為切向錨固力。 【根據(jù)錨桿的錨固作用階段定義錨固力：1、初錨力：安設(shè)錨桿時(shí)，對(duì)錨桿進(jìn)行拉張而使其具有的作用于圍巖的力稱為初錨力。2、工作錨固力：錨桿安設(shè)后圍巖變形，錨固劑發(fā)揮粘結(jié)作用；或者桿體與圍巖之間摩擦力制約圍巖變形，此時(shí)錨桿對(duì)圍巖的作用力為工作錨固力。3、殘余錨固力：當(dāng)圍巖表面與深部的相對(duì)變形量超過(guò)錨固劑的極限變形量以后，錨固劑被破壞，工作錨固力喪失。但由于已破壞的錨固劑仍具有殘存粘結(jié)強(qiáng)度，鉆孔圍巖、破壞的錨固劑、錨桿桿體之間存在摩擦力，錨桿對(duì)圍巖仍具有約束力，稱為殘余錨固力?！?0.為什么說(shuō)錨注支護(hù)是軟巖巷道支護(hù)的新途徑？（263）錨桿支護(hù)與棚式支架支護(hù)的一個(gè)重要區(qū)別是，錨桿支護(hù)的錨固力在很大程度上取決于巖體的力學(xué)性能，軟巖巷道可錨性差是造成錨桿錨固力低和失效的重要原因。利用錨桿兼做注漿管。實(shí)現(xiàn)錨注一體化，是軟巖巷道支護(hù)的一個(gè)新途徑。對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體，注漿可改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，封閉裂隙，顯著提高巖體強(qiáng)度。注漿加固為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)，使錨桿對(duì)松碎圍巖的錢(qián)固作用得以發(fā)揮，進(jìn)一步提高巖體強(qiáng)度。但注漿只能在圍巖的一定深處進(jìn)行。需要與錨噴支護(hù)共同維持巷道周邊圍巖的穩(wěn)定。因此，采取錨桿與注漿相結(jié)合的方法，使錨桿和注漿的作用在各自適用的范圍內(nèi)得到充分發(fā)揮，可提高對(duì)軟巖的支護(hù)效果。21.簡(jiǎn)述軟巖巷道變形力學(xué)機(jī)制。（257）從理論上分析軟巖巷道圍巖變形力學(xué)機(jī)制，可分為三種形式，即物化膨脹類型(也稱低強(qiáng)度軟巖)、應(yīng)力擴(kuò)容類型和結(jié)構(gòu)變形類型。(1)膨脹變形機(jī)制，膨脹巖含有蒙脫石、高嶺土和伊利石等強(qiáng)親水粘土礦物，這幾類礦物由于其晶體結(jié)構(gòu)特殊，能將水分子吸附在晶層表面和晶層內(nèi)。既具有礦物顆粒內(nèi)部分子膨脹，又具有礦物顆粒之間的水膜加厚的膠體膨脹。同時(shí)通過(guò)毛細(xì)作用吸水，使巖石體積膨脹。(2)應(yīng)力擴(kuò)容變形機(jī)制，變形機(jī)制與力源有關(guān)，軟巖在構(gòu)造應(yīng)力、地下水、重力、工程偏應(yīng)力作用下。巖體產(chǎn)生破壞變形，微裂活動(dòng)迅速加劇，形成拉伸破壞和剪切面，體積擴(kuò)脹。工程偏應(yīng)力即本書(shū)中的礦山壓力、是應(yīng)力擴(kuò)容變形中不可忽視的力源。(3)結(jié)構(gòu)變形機(jī)制，變形機(jī)制與硐室結(jié)構(gòu)和巖體結(jié)構(gòu)面的組合特征有關(guān)