礦山壓力及其控制習(xí)題及解答 全面總結(jié)課件

1、1什么是礦山壓力和礦山壓力顯現(xiàn)？答：地下巖體被采動(dòng)以前，在其自重的作用下形成的原巖應(yīng)力是處于平衡狀態(tài)的。當(dāng)在煤、巖體內(nèi)開掘巷道或進(jìn)行回采工作時(shí)，就會(huì)破壞原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布。這種由于礦山開采活動(dòng)的影響，在巷硐周圍巖體中形成的和作用于巷硐支護(hù)物上的力定義為礦山壓力。 由于礦山壓力的作用在巷道、回采工作面引起的一系列力學(xué)現(xiàn)象，如圍巖的變形或擠入巷道，巖體破壞、移動(dòng)或冒落，煤體被壓碎、片幫或突然拋出，支架的變形或破壞，充填物產(chǎn)生壓實(shí)，巖層和地表的移動(dòng)或塌陷等，這些由于礦山壓力作用使巷硐周圍巖體和支護(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)，簡(jiǎn)稱為礦壓顯現(xiàn)。 第二章 礦山巖體的

2、原巖應(yīng)力及其重新分布一、內(nèi)容提要 1 巖體內(nèi)原巖應(yīng)力的概念巖體內(nèi)形成原巖應(yīng)力的主要原因有兩種，由于巖體自重而引起的自重應(yīng)力和由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起的構(gòu)造應(yīng)力。自重應(yīng)力是形成巖體垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的根本原因。構(gòu)造應(yīng)力主要是指水平應(yīng)力。在礦山地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單地區(qū)的巖體可能只有自重應(yīng)力，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)的巖體中可能同時(shí)有自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力存在。二、習(xí)題1什么叫原巖應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)原巖應(yīng)力狀態(tài)有幾種假說？答：地殼中沒有受到人類工程活動(dòng)影響的巖體叫做原巖。原巖的原始應(yīng)力狀態(tài)。原巖所處的應(yīng)力狀態(tài)叫做原巖的原始應(yīng)力狀態(tài)。關(guān)于原巖的應(yīng)力狀態(tài)有兩種假說：（1）彈性假說，認(rèn)為巖體處于彈性狀態(tài)，其受力與變形的關(guān)系附合虎克

3、定律，在垂直應(yīng)力作用下將在巖體中引起水平應(yīng)力的作用，其側(cè)壓系數(shù)0.250.43。（2）靜水應(yīng)力狀態(tài)假說，認(rèn)為在地下深處的巖體由于長(zhǎng)期的地質(zhì)作用和巖石的拐變作向應(yīng)力和垂直應(yīng)力趨于相等，即側(cè)壓系數(shù)=1。第三章 回采工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律及其分析一、內(nèi)容提要 1老項(xiàng)巖層的梁式平衡回采工作面自開切眼向前推進(jìn)一段距離以后，直接頂開始垮落，老頂懸露于采空區(qū)之上而未折斷，類似于一端由工作面前煤壁支撐，另一端由邊界煤柱支撐的兩端固定的梁。這時(shí)，開采空間上覆巖層處于平衡狀態(tài)，通常將這種狀態(tài)稱為老頂?shù)牧菏狡胶狻?2老頂巖層斷裂時(shí)的極限跨距隨著回采工作面的推進(jìn)，當(dāng)老頂巖梁達(dá)到一定跨距時(shí)，老頂巖梁因其中的應(yīng)力超過巖梁

4、的強(qiáng)度極限而發(fā)生斷裂。通常將老頂巖梁要斷裂時(shí)的跨距稱為老頂巖梁的極限跨距。其數(shù)值可按以下公式計(jì)算： （1）當(dāng)回采空間周圍均未采動(dòng)時(shí)，可按固定梁計(jì)算：（2）當(dāng)回采空間周圍均已采空或用刀桂法管理頂板時(shí)，其極限跨距可按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，3裂陳體梁的平衡老頂巖層達(dá)到極限跨距以后，老頂巖層就要斷裂形成所謂裂涼體。但斷裂后的巖塊由于向下回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生相互擠壓和摩擦而不發(fā)生垮落。這時(shí)，斷裂巖塊間形成三鉸拱式平衡。通常將這種平衡稱為裂隙體梁的平衡。裂隙體梁的平衡條件可用下式表示：式中 R兩巖塊之間的剪力；T巖塊之間的水平擠壓力；巖塊間的摩擦角；一一巖塊間的斷裂角。 5有關(guān)巖體“結(jié)構(gòu)”的礦山壓力假說”（1）壓力拱假說。該

5、假說認(rèn)為在回采工作空間上方由于巖層自然平衡而形成一個(gè)“壓力拱”，前后拱腳之間形成一個(gè)減壓區(qū)，回采工作面支架只承受壓力拱內(nèi)巖石重量的作用。（2）懸梁假說。該假說認(rèn)為頂板在初次垮落以后，可將其看作是一個(gè)懸臂梁，隨著工作面的推進(jìn)，懸臂梁發(fā)生周期性拆斷；因而造成回采工作面的局期來壓。（3）預(yù)成裂隙假說。該假說認(rèn)為，煤層開采后，由于支承壓力的作用頂板的連續(xù)性被破壞，形成成組出現(xiàn)的礦壓裂隙在工作面周圍形成應(yīng)力降低、應(yīng)力升高和采動(dòng)影響區(qū)，三個(gè)區(qū)域隨著工作面的推進(jìn)同時(shí)向前移動(dòng)。這時(shí)，可將其視為“假塑性體，被各種裂隙破壞了的假塑性體彼此壓緊形成預(yù)應(yīng)力梁，此梁在自重和上覆巖層的作用下發(fā)生彎曲、下沉、滑移以至垮落。

6、為了控制頂板，支架應(yīng)有足夠的初撐力和工作阻力，并應(yīng)及時(shí)支撐住頂板巖層。 （4）鉸接巖塊假說。該假說認(rèn)為，很據(jù)直接頂分層厚度和煤層采高的關(guān)系不同，可將開采空間上方的頂板巖層分為冒落帶和裂隙帶。裂隙帶內(nèi)巖塊可以互相咬合形成三鉸拱式平衡，使采場(chǎng)免受上部巖層的作用。6裂隙帶巖層的結(jié)構(gòu)模型及形成巖體結(jié)構(gòu)的平衡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)硬巖息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)靜定的力學(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，且不可過大。 （2）巖塊的下沉量S1要小，厚度h較大，且S1要遠(yuǎn)小于h。（3）巖塊間的斷裂角。

7、要小于巖塊間的摩擦角 （4）巖塊間的剪切力Q要小于巖塊間的摩擦力，即巖體結(jié)構(gòu)上作用的載荷不易過大。二、習(xí)題1什么是直接頂、偽頂和老頂，它們之間有何不同？答：賦存在煤層之上的巖層統(tǒng)稱為煤層的頂板。直接位于煤層之上的一層或幾層性質(zhì)相似的巖層稱為直接頂，它由于具有一定穩(wěn)定性，在回采工作面回柱放頂后易跨落的頁(yè)巖、砂頁(yè)巖等不太堅(jiān)硬的巖層組成。位于直接頂和煤層之間，厚度小于0.3m至0.5m 極易冒落的較軟弱巖層稱為偽頂。它隨著煤體的破落而冒落，通常由炭質(zhì)頁(yè)巖組成。位于直接頂之上（有時(shí)直接位于煤層之上）的厚而堅(jiān)硬的巖層稱為老頂。它通常不隨回采工作面回柱放頂而冒落，而是以鉸接巖梁的形式下沉，一般由砂巖、礫巖

8、和石灰?guī)r等堅(jiān)硬巖層組成。老頂是引起回采工作面頂板初次來壓和周期來壓的主要原因。老頂巖層愈厚、愈堅(jiān)硬，礦山壓力顯現(xiàn)愈強(qiáng)烈。直接頂是影響回采工作面頂板初次來壓和周期來壓劇烈程度的主要原因，直接頂愈厚初次來壓和周期來壓顯現(xiàn)就愈弱，反之，來壓顯現(xiàn)愈強(qiáng)烈。2怎樣理解長(zhǎng)壁工作面頂板在初次來壓前的“拱”或“梁”，式結(jié)構(gòu)？答：隨著回采工作面的不斷向前推進(jìn)，直接頂不斷冒落，當(dāng)直接頂之上存在有比較堅(jiān)硬的巖層時(shí)，堅(jiān)硬巖層不易冒落，可能形成大面積懸露，這時(shí)懸露在采空區(qū)上部的堅(jiān)硬巖層是一端由工作面前煤壁支撐，另一端由采空區(qū)煤柱支撐的板，由于工作面沿傾斜的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于堅(jiān)硬巖層沿走向的跨距，因此，可以將此懸露的堅(jiān)硬巖層視為兩

9、端固定的“梁”，如圖31a所示。隨著工作面推進(jìn)，懸露的堅(jiān)硬巖層達(dá)到極限跨距，就要發(fā)生彎曲和斷裂。此時(shí)，由于斷裂巖塊的向下轉(zhuǎn)動(dòng)而在巖塊之間產(chǎn)生強(qiáng)大的水平擠壓力，從而形成如圖31b所示的“三鉸拱”式平衡，此三鉸拱可以支撐上部巖層的部分重量。再有一種情況就是，直接頂以上沒有堅(jiān)硬的巖層，隨著工作面的向前推進(jìn)頂板呈層狀冒落而形成“冒落拱”式結(jié)構(gòu)，如圖31c所示。在煤層開采過程中，由于頂板巖層中有梁或拱式結(jié)構(gòu)存在，它支撐著其上部巖層的重量，使回采工作面內(nèi)的支架受載大大減小，因而，大大節(jié)省了工作面支護(hù)材料消耗。 （a） （b） （c）圖31 老頂巖層的巖梁和拱式結(jié)構(gòu)a老頂?shù)牧菏浇Y(jié)構(gòu)；b老頂?shù)娜q拱式結(jié)構(gòu)；c

10、頂板的冒落拱結(jié)構(gòu)3試分析老頂巖層達(dá)到極限跨距時(shí)，其斷裂是由于彎曲受拉而斷裂，還是由于剪切而斷裂？答：老頂巖層懸露后，可視為兩端固定的梁。根據(jù)材料力學(xué)可知，梁中的最大彎矩和最力均發(fā)生在梁的兩端，它們的數(shù)值分別為：最大彎矩： 最大剪力： 梁中任意一點(diǎn)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為：，最大正應(yīng)力發(fā)生在梁的表面，即處，則有：最大剪應(yīng)力發(fā)生在梁的中性軸一上，即y=0處，則有：當(dāng)梁中的剪應(yīng)力達(dá)到梁的抗拉強(qiáng)度極限，時(shí)，梁就會(huì)被拉斷。這時(shí)，梁的極限跨距為:：當(dāng)梁中的剪應(yīng)力達(dá)到梁的抗剪強(qiáng)度極限時(shí)，梁就要被拉斷。這時(shí)，梁的極限跨距為：對(duì)于一般煤系巖層其巖石的抗剪強(qiáng)度極限要比抗拉強(qiáng)度極限大兩倍以上。從以上兩式中可以看出，在

11、相同情況下，要比大的多，在梁中剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度以前，梁中的最大拉應(yīng)力已達(dá)到了抗拉強(qiáng)度極限而使巖梁斷裂。所以，老頂巖層，總以彎曲受拉斷裂為主。4某一緩斜煤層頂板為中砂巖，巖層厚度h=4m抗拉強(qiáng)度R1=14000kPa，作用在巖層上的載荷q=190kN /m2，求其極限跨距 LT ，并繪出其剪力圖和彎矩圖，設(shè) ，分析當(dāng)巖層達(dá)到極限跨距時(shí)，能否形成三鉸拱式平衡。若由于水的作用，此時(shí)能否形成三鉸拱式平衡？答：根據(jù)題中所給的條件可先求出老頂巖層極限跨距。然后再求出梁寬1m時(shí)，梁兩端的最大剪應(yīng)力和最大彎矩以及梁中部的彎矩。根據(jù)Qmax、Mmax和，在Q一x和M 一x，坐標(biāo)系中作出巖層的剪力圖和彎矩圖。如

12、圖2-2所示（a）（b）圖32 巖梁的剪力圖與彎矩圖a剪力圖； b彎矩圖 當(dāng)巖梁達(dá)到極限跨距斷裂后，巖塊間所形成的水平推力為，斷裂巖塊之間產(chǎn)生的摩擦力為：斷裂巖塊之間產(chǎn)生的摩擦力F大于巖梁的最大剪力Qmax ，所以，巖梁可以形成三校拱式平衡，不會(huì)產(chǎn)生滑落失穩(wěn)。當(dāng)由于水的影響時(shí)，巖塊間的摩擦力為：5有一緩斜煤層，其頂板由四層巖層組成，各巖層的數(shù)據(jù)如表31所示。如采用刀柱法處理采空區(qū)，刀柱間的距離應(yīng)該是多少？表31 巖層數(shù)據(jù)表巖 層容 重 (kN/m3)層 厚 h(m)彈性模量E（MPa）抗拉強(qiáng)度RT(MPa)122.64.024.513.72224.52.710.8325.52.014.7424

13、.53.522.6答：根據(jù)題中給的數(shù)據(jù)首先計(jì)算作用在第一巖層上的載減集度q值?？紤]第一巖層本身重量的載荷集度q1為考慮第二巖層對(duì)第一巖層的作用時(shí)，則有：考慮第三層巖層對(duì)第一層的作用時(shí)，則有：考慮第四層巖層對(duì)第一層的作用時(shí)，則有由此可以看出第四層巖層對(duì)第一層巖層的載荷已無影響，計(jì)算第一巖層的載荷只計(jì)算到即可，此時(shí)，。由于頂板巖層多數(shù)為脆性破壞，取安全系數(shù)6，則刀柱間的距離應(yīng)為安全跨距，可用下式計(jì)算：8簡(jiǎn)述壓力拱假說的實(shí)質(zhì)、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。答：壓力拱假說認(rèn)為，回采工作面從開切眼開始就已形成了壓力拱。隨著回采工作面推進(jìn)，由于采空區(qū)擴(kuò)大，壓力拱的范圍也隨之增大，直至采空區(qū)頂板冒落后，形成新的壓力拱。

14、這時(shí)，壓力拱的一個(gè)支點(diǎn)是工作面前方煤壁（前拱腳），另一個(gè)支點(diǎn)是采空區(qū)的冒落矸石或充填體（后拱腳）。隨著工作面向前推進(jìn)，前后拱腳隨之向前移動(dòng)。前后兩拱腳為高應(yīng)力區(qū)，而前后拱腳之間為一減壓區(qū)。因此，工作面內(nèi)的支架只承受拱內(nèi)巖石重量的作用。為了減小支架所受的壓力，應(yīng)當(dāng)盡量減小拱的范圍。壓力拱假說比較簡(jiǎn)明地解釋了圍巖的卸載原因和減壓區(qū)的存在，給出了圍巖的最終平衡狀態(tài)。但它不能全面地解釋礦山壓力的各種現(xiàn)象，特別是對(duì)巖層移動(dòng)的力學(xué)特性未作任何分析。壓力拱假說可以用來解釋在松軟頂板條件下，回采空間壓力減小的原因。9懸梁假說的實(shí)質(zhì)是什么？有何優(yōu)缺點(diǎn)了它可以說明一些什么問題？ 答：懸梁假說認(rèn)為頂板巖石是層狀彈性

15、連續(xù)介質(zhì)，在頂板初次冒落以后，可以將頂板看成是一端固定在工作面前方煤壁中的懸臂梁。當(dāng)頂板由多層巖層組成時(shí)，就形成了組合懸臂梁。隨著回采工作面的推進(jìn)懸梁不斷加長(zhǎng)，在自重和上部巖層的作用下，逐漸彎曲、下沉，以至于折斷和垮落。當(dāng)巖梁隨著工作面的推進(jìn)發(fā)生周期性折斷時(shí)，就形成了工作面頂板的周期性來壓，同時(shí)，懸梁假說可以說明工作面前方煤體中存在應(yīng)力集中（支承壓力）的現(xiàn)象，說明工作面靠近煤璧處頂板下沉量小，頂板壓力也小的原因。這種假說的假設(shè)條件過于簡(jiǎn)單，一般煤層頂板很少是彈性連續(xù)介質(zhì)，因而該假說不能從數(shù)量上解釋礦山壓力問題。特別是對(duì)松軟破碎頂板不適用。對(duì)于堅(jiān)硬頂板還有一定的參考價(jià)值。10何謂預(yù)成裂隙假說？它

16、可以說明些什么問題？有何優(yōu)缺點(diǎn)？ 答：預(yù)成裂隙假說認(rèn)為，由于開采工作的影響，回采工作面上粗巖層的連續(xù)性已被破壞，成為非連續(xù)體。把回采工作面看成是一個(gè)橫向移動(dòng)的巷道，在它的周圍存在著應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和采動(dòng)影響區(qū)，它們隨工作面的推進(jìn)而相應(yīng)地向前移動(dòng)。由于采場(chǎng)周圍巖體被地質(zhì)裂隙和礦壓裂隙所切割，使巖體變?yōu)椤凹偎苄泽w”，它可以發(fā)生很大的變形。當(dāng)假塑性體處于彼此壓緊伏態(tài)時(shí)，頂板巖層形成了預(yù)應(yīng)力梁。這種梁在其自重和上覆巖層的作用下將發(fā)生塑性彎曲產(chǎn)致使頂板發(fā)生下沉或垮落。假說還認(rèn)為，為了更有效地控制頂板，要求支架應(yīng)有足夠的初撐力和工作阻力。為了減小支架所受的載荷，土作面的控頂距不要過大，而且支架應(yīng)有足

17、夠的可縮性。這種假說在有些情況下是符合實(shí)際情況的，它比前兩種假說有進(jìn)一步的發(fā)展。但對(duì)于堅(jiān)硬巖層往往不能形成“預(yù)成裂隙”，對(duì)于松軟巖層又不能形成假塑性梁。所以這種假說也有一定的局限性。而且這種假說對(duì)于一些礦山壓力現(xiàn)象（如頂板的初次來壓和周期來壓等）沒有給予明確的解釋。11簡(jiǎn)述鉸接巖塊假說的實(shí)質(zhì)、優(yōu)缺點(diǎn)及其適用條件。 答：鉸接巖塊假說認(rèn)為，不能用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法解決礦山壓力問題。煤層開采以后，工作面上部巖層的破壞可分為三個(gè)帶，即直接靠近采空區(qū)的不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶及其上面的規(guī)則移動(dòng)帶。當(dāng)直接頂?shù)姆謱雍穸萮m（采高）時(shí)，則直接頂冒落形成不規(guī)則垮落帶，巖石的破碎膨脹系數(shù)為Kp1.251.5。當(dāng)上

18、部未垮落巖層的分層厚度（冒落殲石和未冒落巖層之間的間除），但時(shí)，則形成規(guī)則垮落帶，該帶內(nèi)的冒落巖塊排列整齊，破碎膨脹系數(shù)為Kp1.251.5。再向上的巖層和冒落砰石之間的間隙則更小，巖層的分層厚度時(shí)，巖層不會(huì)垮落，形成規(guī)則移動(dòng)帶，即裂隙帶。裂隙帶內(nèi)的破斷巖塊之間相互咬合而形成三鉸拱式平衡。這種假說較正確地說明了工作面上覆巖層的分帶情況，并提出了巖層內(nèi)部巖塊間的力學(xué)關(guān)系及可能形成的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于巖塊之間的平衡條件探討不夠，因而對(duì)不同強(qiáng)度的頂板巖層中出現(xiàn)的礦山壓力現(xiàn)象未能作出正確的解釋。這種假說對(duì)于解釋直接頂上部存在有老頂?shù)膸r層，在煤層開采后形成結(jié)構(gòu)的機(jī)理有一定的參考價(jià)值。12裂隙體梁假說主要適用于

19、哪些條件？在哪些條件下不適用了試舉例說明。 裂隙體梁假說是在鉸接巖塊假說的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種假說，它較明確地解釋了裂隙帶內(nèi)破斷巖塊的平衡條件。所以，它對(duì)直接頂上部有較堅(jiān)硬巖層的頂板是比較適用的。而對(duì)于煤層之上有較厚松軟頂板巖層的情況則不適用。例如，它對(duì)厚度大于35倍采高的松軟直接頂板和直接頂較厚的厚煤層分層開采中的下分層開采是不合適的。因?yàn)樵谶@種條件下，頂板中無鉸接巖塊，也無所謂裂隙體梁存在。13試分析采場(chǎng)上方巖層的裂隙體梁的條件。在上覆巖層中形成的結(jié)構(gòu)就是上覆巖層的斷裂巖塊間形成的“三鉸拱”式平衡，外形看上好像是由裂隙體巖層形成的梁。裂隙體梁的失穩(wěn)就是巖塊間的“三鉸拱”式平衡遭到破壞所致。

20、裂隙體梁的失穩(wěn)有兩種情況：一是變形失穩(wěn)；二是滑落失穩(wěn)。兩種失穩(wěn)都和巖塊間產(chǎn)生的水平推力T的大小有關(guān)。巖塊間的水平推力T過大時(shí)，巖塊在向下回轉(zhuǎn)的過程中，其接觸處的應(yīng)力將超過巖塊的抗壓強(qiáng)度，從而使巖塊破壞，“三鉸拱”也因變形過大而破壞，致使裂隙體梁發(fā)生變形失穩(wěn)。這時(shí)，巖塊間水平推力T的大小可由下式確定：式中 h一一巖層厚度；L每一巖塊長(zhǎng)度；S一一每一巖塊下沉量。當(dāng)巖塊間的水平推T過小時(shí)，巖塊間產(chǎn)生的摩擦力也很小，不能承受巖塊間的剪切力，則懸露巖塊就要產(chǎn)生滑落失穩(wěn)。為了不使巖塊產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，巖塊間的摩攘條件應(yīng)滿足下式要求：由以上兩式可以看出，裂隙體梁的平衡和以下條件有關(guān)：（1）當(dāng)巖層的厚度h較小，即

21、接近或等于巖塊的初始下沉值S時(shí)，水平推力T將達(dá)到無窮大，任何巖石都無法承受這樣大的力，因而裂隙體梁無法形成。（2）當(dāng)巖層的厚度h過大時(shí)，水平推力T則變小，在T值小于一定數(shù)值時(shí)，就不能得到滿足，因而引起巖塊滑落失穩(wěn)。（3）當(dāng)巖層的破斷角大于某一值時(shí)，水平推力則變小，在T值小于一定值時(shí)，條件不能成立，裂隙體梁也無法平衡。當(dāng)角等于零或負(fù)值時(shí)，才有利于裂隙體梁結(jié)構(gòu)的平衡。當(dāng)（巖石的內(nèi)摩擦角）時(shí)，在任何情況下，裂隙體梁不能取得平衡。14某回采工作面老頂巖層為砂巖，巖層厚度h= 5m，已知工作面周期來壓步距，老頂垂直于巖層斷裂（），斷裂巖塊的最大下沉量，斷裂巖塊之間的摩擦角，煤層開采后，破碎的直接頂不能支

22、撐老頂，試問老頂巖層斷裂后能否取得自身平衡而形成裂隙體梁？ 答：要使老頂宕層斷裂后形成裂除體粱式平衡而不產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，必須滿足以下條件將第一式代入第二式中可得到：將題中所給的數(shù)據(jù)代入此式，則得：很顯然上述平衡條件完全得到滿足。所以，老頂巖層斷裂后，能夠取得自身平衡而形成裂隙體梁。15某回采工作面煤層采高，直接頂為粘土頁(yè)巖，其總厚度，直接頂?shù)钠扑榕蛎浵禂?shù)，試問煤層開采后，破碎的直接頂巖石能否充滿采空區(qū)？答：在煤層開采厚度為2.5m，直接頂巖石破碎膨脹系數(shù)價(jià)等于1.4的情況下，要使直接頂垮落后充滿采空區(qū)，所需要的直接頂厚度應(yīng)不小于：題中所給的直接頂總厚度為8m ，所以煤層開采后，破碎的直接頂巖石可

23、以充滿采空區(qū)。16某回采工作面煤層采高m3m ，直接頂為砂質(zhì)頁(yè)巖，其破碎膨脹系數(shù) Kp1 . 6 , 直接頂巖層的總厚度，直接頂冒落后，破碎矸石最上部距老頂巖層的距離是多少？答：煤層開采后，直接頂冒落形成的總空間為，而冒落的直接頂破碎矸石所占的空間為，所以，直接頂冒落后的破碎矸石和老頂之間的距離可用下式估算：將題中所給的數(shù)據(jù)代入上式可得：17某回采工作面直接頂冒落后不能充滿采空區(qū)，老頂巖層厚度h=3m，其容重，在初次來壓前老頂?shù)目缇郘 =20m，這時(shí)，此老頂已和上部巖層離層，試問，此時(shí)老頂中的最大拉應(yīng)力發(fā)生在何處，其數(shù)值是多少？答：頂板初次來壓前，老頂處于兩端固定的固支梁狀態(tài)，此時(shí)老頂中的最大

24、拉應(yīng)力發(fā)生在梁的兩端上表面處。而老頂已和上部巖層發(fā)生離層，所以，作用在梁上的載荷為梁本身的自重。這樣，梁中的最大拉應(yīng)力值可按下式計(jì)算：18有一煤田，煤層的最大開采厚度為3m ，傾角a = 12，上覆巖層為中硬巖層。在煤層露頭線以上為第四紀(jì)沖積層，沖積層中含水豐富，其最下部有一較厚的枯土隔水層，為了開采煤層時(shí)不破壞此隔水層，防水煤柱的垂高應(yīng)為多少？答： 由于沖積層最下部有一粘土隔水層，只要在煤層開采后，冒落帶的高度達(dá)不到此隔水層，隔水層就不會(huì)被破壞。由于煤層傾角為緩傾斜煤層，冒落高度可以不考慮傾角的影響。又由于煤層上部的巖層為中硬巖層，巖層的碎脹系數(shù)可取。則3m厚的煤層開采以后，頂板的胃落高度H

25、可用下式估算：為保險(xiǎn)起見，考慮安全系數(shù)，則有：在這種情況下，防水煤往的垂高取20m就相當(dāng)安全了。19有一緩傾斜煤層，煤層最大開采厚度m=2.5m，煤層上覆巖層為中硬巖層，距該煤層上部50m處，有一含水較大的巖層，試問，在開采該煤層時(shí)，上部含水層中的水是否會(huì)灌入開采煤層？答：在煤層開采時(shí)，只要采空區(qū)頂板導(dǎo)水裂隙高度小于含水層至煤層的間距，就不會(huì)發(fā)生透水事故。在緩傾斜煤層的情況下，導(dǎo)水裂晾帶高度可用下式估算：式中 m煤層開采厚度； B、c與上覆巖層有關(guān)的系數(shù)。軟巖層：；中硬巖層：；堅(jiān)硬巖層：；因?yàn)轭}中所給的頂板為中硬巖層，可取，。將b、c和題中的數(shù)據(jù)代入上式，則得：開采煤層頂板的導(dǎo)水裂隙帶高度為3

26、1.2，小于煤層至含水層的間距50m。所以，煤層開采時(shí)不會(huì)發(fā)生透水事故。20有一煤層頂板為厚層堅(jiān)硬砂巖，巖層厚度h15m，巖石的抗拉強(qiáng)度極限，巖石間的摩擦角，作用在巖層上的載荷集度，當(dāng)巖層斷裂時(shí)，能否取得自身平衡？如果不能平衡支架應(yīng)具有多大的支撐力才不致摧垮工作面了？答：根據(jù)題中所給的條件，煤層開采后，巖層斷裂時(shí)的極限跨距可按下式計(jì)算；巖層斷裂后，巖塊間的剪力R可用下式計(jì)算：巖塊間的水平推力T可用下式計(jì)算，而在斷裂巖塊之間的摩擦力F可用下式計(jì)算：由以上計(jì)算可以看出，巖塊間的剪力R大于巖塊間的摩擦力F，巖層斷裂后是無法取得自身平衡的，必然要發(fā)生滑落失穩(wěn)。這時(shí)，為了保證工作面的生產(chǎn)，維護(hù)必要的工作

27、空間，每米工作面支架必須具有的支撐力至少應(yīng)為：, 才不會(huì)摧垮工作面。第四章 回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)基本規(guī)律一、內(nèi)容提要1老項(xiàng)的初次來壓老頂巖層在煤層開采以后，由于其懸露跨距超過一定距離而斷裂，斷裂巖塊可能形成咬合平衡。當(dāng)巖塊之間的咬合平衡遭到破壞時(shí)，老頂?shù)谝淮萎a(chǎn)生失穩(wěn)，回采工作面出現(xiàn)第一次礦山壓力顯現(xiàn)明顯增大。通常將老頂巖塊第一次失穩(wěn)而造成回采工作面頂板壓力突然增大的現(xiàn)象稱為老頂?shù)某醮蝸韷??；夭晒ぷ髅鎻拈_切眼推進(jìn)到老頂初次來壓時(shí)的距離叫做老頂?shù)某醮蝸韷翰骄?。老頂初次來壓前，其懸露面積較大，回采工作空間頂板壓力顯現(xiàn)較小。初次來壓時(shí)，頂板壓力的增大具有突然性，并常伴隨有巖層的斷裂聲、煤壁片幫、頂板

28、下沉速度增大、直接頂破碎加劇等現(xiàn)象出現(xiàn)，有時(shí)還會(huì)出要頂板臺(tái)階下沉現(xiàn)象。2老項(xiàng)的周期來壓老頂初次來壓以后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，老頂巖層形成的裂隙體梁結(jié)構(gòu)由穩(wěn)定到失穩(wěn)而導(dǎo)致回采工作面頂板壓力周期性增大的現(xiàn)象稱為老頂?shù)闹芷趤韷骸Ｏ噜弮纱沃芷趤韷褐g回采工作面推進(jìn)的距離叫做老頂?shù)闹芷趤韷翰骄?。周期來壓的主要表現(xiàn)是：頂板下沉速度劇增，支架承受的載荷增加，煤壁片幫嚴(yán)重，有時(shí)頂板出現(xiàn)臺(tái)階下沉現(xiàn)象。3回采工作面前后支撐壓力分布煤層被開采后，上覆巖層所形成的結(jié)構(gòu)，由煤壁和采空區(qū)已冒落矸石支撐體系來支撐。又由于上覆巖層的大結(jié)構(gòu)是半拱式結(jié)構(gòu)，所以，回采空間上方的巖層重盆主要由煤壁來承擔(dān)。因此，支承壓力主要分布在工

29、作面前方煤壁上。而在采空區(qū)冒落矸石上只承受其上部巖層的重量。根據(jù)回采工作面前后的應(yīng)力分布情況，可將工作面前后劃分為應(yīng)力增高區(qū)（增壓區(qū)）；應(yīng)力降低區(qū)（減壓區(qū)）、應(yīng)力不變區(qū)（穩(wěn)壓區(qū)）。4直接項(xiàng)及老項(xiàng)分類根據(jù)直接頂?shù)钠扑槌潭群椭苯禹數(shù)某醮慰迓洳骄啵粗苯禹數(shù)姆€(wěn)定性指標(biāo)）可將直接頂分為四種類型。根據(jù)直接頂?shù)暮穸龋蠢享數(shù)奈恢茫┡c煤層采高的比值和老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗫蓪⒗享敺譃樗募?jí)。直接頂?shù)姆€(wěn)定性對(duì)支架的選型、工作面的支護(hù)方式以及頂板的局部冒落常常起主導(dǎo)作用。而老頂?shù)姆€(wěn)定性及其來壓強(qiáng)度不僅對(duì)直接頂?shù)姆€(wěn)定性具有明顯影響，而且對(duì)確定支架的支護(hù)強(qiáng)度、支架的可縮量以及選擇采空區(qū)的處理方法都具有決定性的作用。5影響

30、回米工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素 1）煤層采高及回采工作面控頂距。在一定的地質(zhì)條件下，回采工作面頂板下沉量與采高及村頂距成正比，可用下式表示：式中 SL控頂距為L(zhǎng)處的頂板下沉量； m煤層的才高，m；L頂板的控頂距，m；頂板的下沉系數(shù)，取值大小與頂板性質(zhì)及采空區(qū)的處理方法有關(guān)。2）工作面推進(jìn)速度在工作面推進(jìn)速度較慢的情況下，加快工作面的推進(jìn)速度可以減小頂板的下沉量，改善頂板狀況。但當(dāng)工作面的推進(jìn)速度提高到一定穆度以后頂板下沉量的變化逐漸減小。因此，用加快工作面推進(jìn)速度的辦法減少頂板下沉量是有一定限度的。3）開采深度，隨著開采深度的增加，一部分礦山壓力顯現(xiàn)增大，如煤壁上的支承壓力增大，沖擊地壓、煤

31、壁片幫及底鼓等現(xiàn)象加劇。但對(duì)工作面頂板下沉量及支架上所承受的載荷并沒有明顯的影響。這是因?yàn)榛貋砉ぷ髅婵臻g總是在上覆巖層大結(jié)構(gòu)的保護(hù)之下的結(jié)果。 4）煤層傾角 由于煤層傾角的變化，頂板巖層重量在垂直于巖層層面的分力也發(fā)生變化。煤層的傾角增大，垂直層面的分力減小，因而頂板壓力減小，頂板的下沉量也減小。但煤層傾角的增大會(huì)使采空區(qū)內(nèi)的冒落矸石沿傾斜向下滑動(dòng)，因而會(huì)引起上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的變化。二、習(xí) 題20說明采場(chǎng)上覆巖層的結(jié)構(gòu)對(duì)采場(chǎng)支架應(yīng)有些什么要求？ 答：在煤層開采過程中，由于回采空間上覆巖層組成的不同，裂隙帶巖層可能形成“裂隙體梁”式結(jié)構(gòu)或“拱”式結(jié)構(gòu)。上覆巖層形成的這種大結(jié)構(gòu)有其自身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

32、根據(jù)對(duì)煤層開來后上覆巖層的實(shí)際觀測(cè)，上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律可按的關(guān)系來描述。而工作面現(xiàn)有支架的支撐力不可能改變上覆巖層的這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以，工作面支架必須適應(yīng)這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律。上覆巖層下沉，支架應(yīng)隨之下縮，否則，支架就要因受力過大而損壞。因而要求支架應(yīng)有足夠的可縮量以適應(yīng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于回采工作的需要，采場(chǎng)應(yīng)保持一定的空間，要求支架應(yīng)有足夠的支撐力，一方面支撐直接頂?shù)闹亓?，另一方面支撐老頂部分重量，?dāng)老頂失穩(wěn)時(shí)，不使老頂沿工作面煤璧切落。如果支架有足夠大的可縮量而沒有足夠的支撐力，甚至連直接頂巖層重量也不能支撐，那么，回采工作面所必須的工作空間就不能保證，工作面的安全生產(chǎn)就無保障。因此，要求采

33、場(chǎng)支架在有足夠可縮量的同時(shí)，還要有足夠的支撐力，以適應(yīng)上覆巖層結(jié)構(gòu)的要求，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理，又安全可靠的目的。第五章 回采工作面頂板控制及支護(hù)方法一、內(nèi)容提要 1控制采場(chǎng)礦山壓力的基本手段 1）用不同的采空區(qū)處理方法來控制不同頂板。如：煤往支撐法、采空區(qū)充填法、全部垮落法和緩慢下沉法。 2）用各種支架來平衡頂板壓力2工作面支架的工作特性目前，回采工作面使用的支架主要是由頂梁和立柱組成，支架的工作特性主要決定于支柱的特性?，F(xiàn)有的支柱工作特性有四種，急增阻式、微增阻式、恒阻式和剛性支柱。3單體支架的種類及其特性1）木支架（包括木支柱和木頂梁）。木支柱的工作特性屬于剛性支柱，其可壓縮量很小，當(dāng)在木柱上

34、加上木頂梁或木柱帽時(shí)，木支架才具有一定的可縮性。2）摩擦式單體金屬支架。此種支架包括摩擦式金屬支柱和金屬頂梁。摩擦式金屬支柱的工作特性有急增阻式和微增阻式兩種。3）單體液壓支架。它主要由單體液壓支柱和金屬鉸接頂梁組成。單體液壓支架的工作特性屬于恒阻式。4單體支架的支護(hù)方式根據(jù)頂板穩(wěn)定性的不同，工作面常采用不同的支護(hù)方式。當(dāng)直接頂比較完整，穩(wěn)定性較好時(shí)，可以選用帶帽點(diǎn)柱支護(hù)方式；當(dāng)直接頂中等穩(wěn)定或比較破碎時(shí)，常采用柵子支護(hù)方式；當(dāng)工作面采用機(jī)組割煤時(shí)，常采用懸臂梁支架支護(hù)方式。懸臂梁支護(hù)方式又可分為正懸臂和倒懸臂兩種。懸臂梁支護(hù)的支架布置方式可分為齊梁直線往（一般采用正懸臂）和錯(cuò)梁直線柱（一般是

35、正、倒懸臂交錯(cuò)布置）方式。5液壓自移式支架的分類及各類支架的適用條件目前，液壓自移式支架分類在世界各國(guó)各有不同的方法，在我國(guó)意見也不夠一致。但從我國(guó)普遍使用的名詞來看基本上可分為三大類：支撐式、支撐掩護(hù)式和掩護(hù)式。支撐式支架包括垛式和節(jié)式等架型，一般適用于頂板比較完整，頂板壓力大周期來壓較劇烈的工作面；支撐掩護(hù)式支架也有多種架型，一般適用于頂板比較破碎，頂板壓力較大的工作面；掩護(hù)式支架適用于頂板破碎，頂板壓力較小的工作面。6回采工作面支架與圍巖的關(guān)系回采工作面支架與支架所支撐的圍巖是一對(duì)相互作用的矛盾統(tǒng)一體。要求支架既能有效地支撐頂板巖層，又能在結(jié)構(gòu)和性能上適應(yīng)回采工作面頂板巖層的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律

36、。這就是支架對(duì)圍巖既支撐又適應(yīng)的關(guān)系。研究支架與圍巖之間的這種關(guān)系實(shí)質(zhì)上就是尋求支架對(duì)圍巖運(yùn)動(dòng)所起的最佳支護(hù)作用，使支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到在經(jīng)濟(jì)上最節(jié)省，在技術(shù)上能有效地支護(hù)回采工作空間的目的。7回采工作面頂板壓力的估算所謂頂板壓力就是頂板作用在支架上的力。根據(jù)支架與圍巖的關(guān)系可知，頂板對(duì)支架的壓力大小除和頂板巖石性質(zhì)有關(guān)以外，還和支架的結(jié)構(gòu)及性能有關(guān)。對(duì)頂板壓力的估算實(shí)質(zhì)上是對(duì)支架合理工作阻力的估算。到目前為止確定支架合理工作阻力的方法在理淪上還沒有得到很好地解決，在一般情況下，是以直接頂載荷的數(shù)倍來估算的。根據(jù)對(duì)摩擦支柱工作面的測(cè)定，周期來壓時(shí)支架上的載荷不超過平時(shí)載荷的2倍，根據(jù)對(duì)摩擦支

37、支架的合理工作阻力應(yīng)為：當(dāng)取剛破碎時(shí)的頂板巖石的碎脹系數(shù)時(shí)，則得：P（48）m即支架對(duì)每平方米頂板的合理工作阻力相當(dāng)于采高48倍巖柱的重量。 8支架初撐力時(shí)項(xiàng)板管理的影響支架初撐力是支架剛支設(shè)時(shí)對(duì)頂板產(chǎn)生的支撐力。實(shí)踐證明，提高支架的初撐力可以迅速壓縮支架與頂板之間的浮煤、浮矸和勾頂材料等中間介質(zhì)，增加“支架與圍巖”的整體剛度，使支架的工作阻力盡快發(fā)揮作用，達(dá)到減少頂板下沉量的作用，從而使頂板的維護(hù)狀況得到改善。一般認(rèn)為液壓支架的初撐力應(yīng)為額定工作阻力的50%以上比較合適，對(duì)于單體摩擦式支柱應(yīng)該盡量提高其初撐力。二、習(xí)題 1回采工作面支柱的工作特性共有幾種？試分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。答：由于回

38、采工作面支架是整個(gè)圍巖移動(dòng)大結(jié)構(gòu)中的一個(gè)小結(jié)構(gòu)，這個(gè)小給構(gòu)受大結(jié)構(gòu)的約制，且必須適應(yīng)上覆巖層大結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。所以，要求支架必須有足夠的支撐力以維持必要的開采空間，同時(shí)，又要有一定的可縮性避免支架受力過大而損壞?；夭晒ぷ髅嬷е闹瘟涂煽s量之間的關(guān)系叫做支柱的工作恃性，一般用“PS”曲線來表示。現(xiàn)有的工作面支柱工作特性主要有以下幾種：1）急增阻式特性。這種支柱的初撐力P較小，支柱在工作面支設(shè)后，在頂板壓力的作用下其支撐力有所增加，達(dá)到始動(dòng)阻力P0，然后，支柱阻力隨著支柱下縮量的增加而急劇上升直至達(dá)到最大工作阻力P2。其工作特性曲線如圖51所示。HZJA型摩擦式金屬支架的工作特性也是如此。這種

39、支柱的可縮量很爭(zhēng)阻速度較快，支設(shè)后能很快支撐頂板。但這種支柱在頂板下沉量較大的工作面不易使用，一般多用于薄煤層。2）微增阻式特性。這種支柱的初撐力和始動(dòng)阻力也比較小，隨著活柱的下縮，支柱阻力有一個(gè)急劇增長(zhǎng)過程直至達(dá)到初工作阻力P1，然后，隨著活柱的繼續(xù)下編支柱阻力緩慢增加，最后達(dá)到最大工作阻力P2，此時(shí)，活柱的下縮量達(dá)到S2。這種支柱的工作特性曲線如圖52所示。 圖51 急增阻式支柱特性曲線 圖52 為增阻式支柱特性曲線 圖53 恒阻式支柱特性曲線HZWA 型摩擦式金屬支注即屬這種工作特性。這種支柱初始增阻很快，這有利于及時(shí)支撐頂板，當(dāng)達(dá)到初工作阻力以后，增阻較慢，可編量較大，支柱不會(huì)因受力過

40、大而損壞。因此，這種支柱多用于頂板下沉量較大的中厚煤層工作面。以上兩種支柱的共同缺點(diǎn)是初撐力均較小，不能及時(shí)支護(hù)頂板。而且支往在工作面使用一段時(shí)間后，其工作特性要發(fā)生變化。 3）恒阻式特性。這種支柱的初撐力較大，其初撐力就是始動(dòng)阻力P0。支柱支設(shè)后，隨著活柱的下縮支柱很快達(dá)到工作阻力P2，以后活柱再下縮時(shí)支柱的工作阻力保持恒定不變。單體液壓支柱即屬此種工作特性，其特性曲線如圖53所示。這種支柱的特點(diǎn)是初撐力比較高，支柱的工作阻力始終保持恒定不變，對(duì)頂板始終保持有一個(gè)較大的支撐力，其可縮量較大，不會(huì)因受力過大而損壞。這種支柱適用于頂板壓力較大的回采工作面。其缺點(diǎn)是重量較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本

41、較高。2簡(jiǎn)述液壓支架各種分類方法的特點(diǎn)并說明各種分類法的優(yōu)缺點(diǎn)。答：目前對(duì)液壓支架的分類有兩種基本觀點(diǎn)：一是按支架對(duì)頂板的支撐面積與掩護(hù)面積之比值進(jìn)行分類。這種分類法將支架分為四類。1）支撐式液壓支架。支架只對(duì)頂板起支撐作用而無掩護(hù)作用，掩護(hù)部分的水平投影長(zhǎng)度LS= 0。2）支撐掩護(hù)式液壓支架。支架以對(duì)頂板的支撐作用為主，以掩護(hù)作用為輔，支撐部分的長(zhǎng)度大于掩護(hù)都分的長(zhǎng)度，即LPLS。3）掩護(hù)支撐式液壓支架。支架對(duì)頂板的掩護(hù)部分大于支撐部分，即 LP Ls有時(shí)LpLs的支架就難于區(qū)分和命名。二是按支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類。按支架是否有掩護(hù)梁將支架分為兩大類，即支撐式支架和掩護(hù)式支架。然后，再根據(jù)支

42、架的具體結(jié)構(gòu)將這兩大類分成若干小的類別。這種分類法充分考慮了支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但沒有充分考慮支架對(duì)頂扳的作甩特點(diǎn)。如按大類使用則不細(xì)致，如按小類使用則比較繁瑣。我國(guó)目前對(duì)液壓支架還沒有一個(gè)詳細(xì)統(tǒng)一的分類方案。通常習(xí)慣上將支架分為三大類，即支撐式液壓支架、支撐掩護(hù)式液壓支架和掩護(hù)式液壓支架。這種分類法比較簡(jiǎn)單、直觀。 3試解釋“支架支撐力頂板下沉量”（P）曲線的實(shí)質(zhì)是什么？答：“P”曲線是支架的支撐力P對(duì)回采工作面頂板下沉量的影響程度曲線，它反映了支架和圍巖之間的相互可知，作用關(guān)系?！癙”曲線一般是在回采工對(duì)支架進(jìn)行調(diào)壓實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的。根據(jù)實(shí)際的“P”曲線可知，支架的支撐力對(duì)頂板的下沉量的影響是有一

43、定的限度的，支架的支撐力較小時(shí)，增加支架的支撐力可以明顯地減小頂板下沉量，當(dāng)支架支撐力達(dá)到一定程度以后，再增加支架的支撐力對(duì)頂板下沉量的影響就比較小了。這也說明了回采工作面支架的支撐力并不能改變上覆巖層的總體活動(dòng)規(guī)律。另外還注意“P”，與“P”曲線的區(qū)別。“P”曲線是表示支架本身所具有的特性，它表示支架阻力P和支架本身可縮量之間的關(guān)系。4控制頂板就是控制頂板的下沉，這種提法是否正確？答：在回采工作面，用支架來控制頂板的目的是維護(hù)必要的回采工作空何，使之在一定的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生頂板冒落事故，以保證采煤工作的正常進(jìn)行。根據(jù)“P”曲線可知，支架可以在一定程度上控制頂板的下沉量。從這個(gè)意義上講，可以說控制

44、頂板就是控制頂板的下沉量。但是，支架又不能完全控制頂板的下沉量?，F(xiàn)有支架的支撐力對(duì)于老頂及上覆巖層運(yùn)動(dòng)所引起的頂板下沉量影響很小，所以，回采工作面頂板下沉是不可遙免的。另外，在直接頂比較完整，采用單體支架或以支撐為主的液壓支架時(shí)，支架對(duì)頂板下沉有一定的控制作用，但在頂板比較破碎時(shí)，采用單體支架控制頂板下沉量就比較困難。在使用掩護(hù)式液壓支架控制頂板時(shí)，實(shí)際上，支架只起掩護(hù)頂板破碎殲石的作用，而根本不控制頂板的下沉量?；夭晒ぷ髅嬷Ъ軐?duì)頂板起著支和護(hù)兩種作用。支就是支撐直接頂及老頂作用在支架上的載荷，減緩頂板的下沉；護(hù)就是保護(hù)頂板的完整性，或是采用掩護(hù)式支架掩護(hù)采空區(qū)的冒落矸石，以維持一定的開采空間

45、。所以說控制頂板就是控制頂板下沉量的說法是不夠全面的。5已知某緩傾斜煤層工作面最大采高為2m，最小采高為1.6m，最大控頂距為4m，頂板為中等穩(wěn)定，無支柱插入底板現(xiàn)象，采煤機(jī)一次截深為0.6m，試選擇單體支架的規(guī)格，并核算一下能否采用BZZC四柱支撐式支架（BZZC的支柱高度是12051876mm, 頂梁厚度是30mm，底座厚度為35mm）。答：首先根據(jù)所給的條件估算頂板的最大下沉量，高選擇支往規(guī)格。對(duì)于中等穩(wěn)定頂板可取頂板下沉系數(shù)，頂板的最大下沉量為：根據(jù)采煤機(jī)的截深可選用HDJA1200型鉸接金屬頂梁和單體支柱配套使用。再根據(jù)煤層最大采高、最小采高、頂梁厚度b（96mm）、頂板最大下沉量S

46、L和回收支柱時(shí)必要的卸載高度a確定支柱的最大和最小高度：根據(jù)金屬支柱規(guī)格表可選用HZWA2000型摩擦式金屬支柱或選用Z20型單體液壓支柱。根據(jù)BZZC型支架的參數(shù)，支架的最大和最小高度為：設(shè)工作面的梁端距取350mm，支架前柱至梁端的距離為1850mm, 前后柱之間的距離為1100mm。最大采高時(shí)，前柱處的頂板下沉量為：最小采高時(shí)，后柱處的頂板下沉量為：支架前柱處頂?shù)字g的最大高度為：支架后往處頂?shù)装逯g的最小高度為： 由于，所以，BZZC型支架在這種條件下是可以使用的。6有一緩傾斜煤層工作面最大采高為2.0m，最小采高為1.8m和直接頂為8.5m的砂頁(yè)巖，屬于中等穩(wěn)定頂板，其上為2.5m厚

47、的石灰?guī)r，采煤機(jī)的一次截深為0.6m ，頂板的最大控頂距為5.0m，試選擇單體支架規(guī)格，并設(shè)計(jì)支架的布置方式。答：首先根據(jù)煤層采高和直接頂?shù)暮穸扰袛嗬享攲儆谀囊患?jí)。煤層采厚度，直接頂?shù)暮穸却藭r(shí)，老頂?shù)姆旨?jí)指標(biāo)為：根據(jù)頂板分級(jí)指標(biāo)表，此類頂板屬于I 級(jí)頂板，無周期來壓或周期來壓不明顯的頂板。因此，在計(jì)算支架的支護(hù)強(qiáng)度和支架的布置方式時(shí)，主要考慮直接頂?shù)挠绊憽８鶕?jù)題中所給的條件m=1.82m，采煤機(jī)截深0.6m ，支架可選用HDJA1200型鉸接頂梁DZ2030 /100型單體液壓支柱。支架布置方式，根據(jù)直接頂為中等穩(wěn)定，可以選用齊梁直線柱正懸臂的布置方式，34 排控頂，梁端距取0.2m ，最大控

48、頂距Lmax為5m ，最小控頂距為3.8m ，支往的排距L=1.2m。確定支架的柱距時(shí)，首先要確定頂板作用在支架上的載荷，如果只考慮直接頂?shù)闹亓?，則每平方米頂板作用在支架上的載荷為：取單體液壓支柱的平均工作阻力P =230kN/根，則每根支柱能夠支撐的頂板面積為：則單體液壓支柱的柱距所設(shè)計(jì)的支架布置方式如圖 5-4所示。圖54 支架布置方式7有一水平煤層，開采厚度2.5m ，根據(jù)礦山壓力觀測(cè)得到回采工作面頂板壓力為 350kPa，若在同樣頂板條件下，煤層采高m= 1.5m ，煤層傾角，試估算其頂板壓力是多少？答：在水平煤層的條件下，回采工作面的頂板壓力可用下式進(jìn)行估算由于兩種情況的頂板條件相同

49、，所以，頂板冒落時(shí)，頂板巖石的碎脹系數(shù)相同，平均容重也相同。如果兩種情況都按水平煤層考慮，則兩種情況的頂板壓力只和煤層的采高M(jìn) 成正比，即：，由此可得：由于第二種情況的煤層傾角為30，這時(shí)頂板壓力不是巖層的重力，而是巖層重力在巖層法線方向上的分力。因而上式可以改寫成為：由以上計(jì)算可以看出，在同樣的頂板條件下，煤層采高由2.5m 減小到1.5m ，煤層傾角由a=0增加到a=30，則頂板壓力由350kPa，減小到181.87KPa ，減少了將近48。8怎樣理解支架的合理工作阻力？答：回采工作面支架在選型上合適，頂板管理上能滿足生產(chǎn)要求，費(fèi)用上經(jīng)濟(jì)合理的情況下的工作面阻力叫做支架的合理工作阻力。支架

50、合理工作阻力主要取決于回采工作面的頂板條件，不同的頂板要求有不同的合理工作阻力。根據(jù)“”曲線可知，支架的支撐力對(duì)頂板下沉量的影響有一定的限度，也就是說支架具有的支撐力既要有效地支護(hù)回采工作空間，又要適應(yīng)上覆巖層大結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如果支架的工作阻力過小就不能有效地支護(hù)頂板，保證不了回采工作面的安全生產(chǎn)。如果支架工作阻力過大，并不能改變上崔巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只能造成支護(hù)費(fèi)用的浪費(fèi)。所以，支架應(yīng)有一個(gè)合理的工作阻力。支架合理工作阻力的確定應(yīng)考慮支架能夠支撐直接頂巖層的重量，同時(shí)，還應(yīng)考慮老頂初次來壓和周期來壓對(duì)支架產(chǎn)生的作用力。在生產(chǎn)實(shí)踐中一般常采用估算法和實(shí)測(cè)法來確定支架的合理工作阻力。9根據(jù)支撐式

51、液壓支架的特點(diǎn)，分析其使用條件。答：支撐式液壓支架的基本特點(diǎn)是：頂梁較長(zhǎng)，一般都在3.54m 左右，頂板從煤壁暴露出來以后需要經(jīng)過67次移架才允許冒落；支架的支撐力靠近采空區(qū)一側(cè)，對(duì)機(jī)道上方頂板的支撐力較小，這對(duì)破碎頂板是非常不利的，支撐式液壓支架多為框式結(jié)構(gòu)，不能承受水平力，支架間沒有側(cè)護(hù)板，架間空隙較大，當(dāng)頂板比較破碎時(shí)，易漏矸或造成局部冒頂，支架的立柱垂直于頂?shù)装?，支撐效率高；支架的通風(fēng)斷面大，行人方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。根據(jù)以上對(duì)支撐式液壓支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析可以看出，一般支撐式液壓支架適用于煤層瓦斯涌出量較大，直接頂比較完整，頂板壓力較大的近水平煤層和緩傾斜煤層工作面。10如何從支撐式液壓支架

52、的前后柱受力情況，分析頂板壓力特點(diǎn)？答：支撐式液壓支架在回采工作面的使用中，由于頂板的情況不同，頂板作用在支架上的載荷分布也不同。反映在支架前后柱上的受力也就不同，可能會(huì)出現(xiàn)下列三種情況： 1）P2P1=0。這只有在前柱的載荷P2=0 的情況下才有可能。也就是只有直接頂在采空區(qū)的懸頂較大，頂板對(duì)支架的作用力作用在后柱上或作用在后柱靠采空區(qū)的一側(cè)時(shí)才有可能。這種情況對(duì)I、級(jí)頂板是不可能發(fā)生的。只有在直接頂破斷角比較小的堅(jiān)硬頂板才會(huì)出現(xiàn)。這種情況下，一般頂板對(duì)支架的壓力都較大。在頂板垮落時(shí)，往往對(duì)支架產(chǎn)生較大的水平力，對(duì)支架的穩(wěn)定性非常不利。如大同的堅(jiān)硬頂板常出現(xiàn)這種情況。 2）P2P11。此時(shí)前

53、柱受力等于后柱，即 P2P1。也就是說頂板對(duì)支架作用力的合力在前后往之間。這種情況只有在巖層破斷角大于60左右的中等穩(wěn)定頂板中才能出現(xiàn)。顯然，這對(duì)支撐式液壓支架的受力是最好的。3）P2P1 l 這種情況只有在前柱受力大于后柱，即P2P1，頂板對(duì)支架作用力的合力作用在前往上或前往前端時(shí)才有可能出現(xiàn)。這時(shí)，頂板巖層的破斷角大于60，直接頂比較破碎，在移架過程中，支架后部的頂板因破碎而冒落，形成切頂線前移，因面導(dǎo)致前柱受力大于后柱，有時(shí)出現(xiàn)后柱提起的現(xiàn)象。這種情況對(duì)支排式液壓支架的受力是極為不利的。所以說支撐式液壓支架不適合在破碎頂板的條件下使用。11試述支撐式液壓支架在管理破碎頂板中存在的問題，應(yīng)

54、采取哪些護(hù)頂措施，其優(yōu)缺點(diǎn)如何？答：支撐式液壓支架在管理破碎頂板中存在的主要問題是：由于移架時(shí)對(duì)頂板的多次反復(fù)支撐，使破碎頂板更加破碎而導(dǎo)致局部冒頂，甚至造成頂板在支架后半部提前垮落，形成切頂線前移，造成支架前柱受力大于后柱的極不利的情況，甚至使支架無法正常工作。為了擴(kuò)大支撐式液壓支架的使用范圍，充分發(fā)揮支架的作用，在生產(chǎn)實(shí)踐中，采用一些護(hù)頂措施，就可以將支撐式支架用于較破碎頂板的工作面。常采用的主要護(hù)頂措施有：1）及時(shí)勾頂。即在移架時(shí)，對(duì)頂板已冒落的空間及時(shí)用坑木充填，以支撐未冒落的頂板。采用這種方法是一種不得已的辦法。其問題是，坑木消耗大，既形響生產(chǎn)又不能保證安全。2）鋪設(shè)金屬網(wǎng)。為了防止

55、頂板在移架時(shí)冒落，也可在支架頂梁和頂板之間鋪設(shè)金屬網(wǎng)阻止頂板漏頂。支撐式支架就可以利用這種方法有效地管理破碎頂板。然而采用浦設(shè)金屬網(wǎng)的辦法不但增加了采煤工序而且也提高了采煤成本。 3）采用帶壓移架。移架時(shí)為了防止頂板冒落，可以不降架，使頂梁不脫離頂板并對(duì)頂板保持一定的支撐力而擦頂前移。采用這種方法可以節(jié)省護(hù)頂材料，達(dá)到護(hù)頂?shù)哪康模问街Ъ芏酁榭蚴浇Y(jié)構(gòu)，不能承受太大的水平力。所以使用這種方法易損壞支架。 4）采用提腿式支架。為了克服以上護(hù)頂方法的缺點(diǎn)，中國(guó)礦業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)了一種“TY”型提腿式液壓支架。這種支架在移架時(shí)，以頂板為基礎(chǔ)，支架頂梁不脫離頂板而帶壓前移。這樣，移架時(shí)，破斷巖塊能夠在整齊

56、排列的情況下傳遞頂板壓力，因而，改善了破碎頂板的維護(hù)狀況。12試解釋為什么支撐式液壓支架后柱受力可能小于前柱，而單體支架在一般情況下，總是后柱受力大于前柱。答：支撐式液壓支架為整體頂梁，支護(hù)面積大，移架時(shí)，要對(duì)頂板進(jìn)行數(shù)次反復(fù)支撐，因而使頂板更加破碎，造成在支架后部頂板提前垮落，形成所謂切頂線前移。這樣，頂板的作用力靠近前柱使前柱受力大于后柱，甚至?xí)购笾N起。單體支架支護(hù)頂板時(shí)，沒有對(duì)頂板的反復(fù)支撐問題，不會(huì)使頂板進(jìn)一步破碎，更不會(huì)出現(xiàn)切頂線前移的現(xiàn)象。單體支架使用的是單個(gè)的鉸接頂梁，支柱受力不受頂梁的影響。在一般情況下，靠近采空區(qū)一側(cè)的支柱支設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，頂板下沉量大，支柱受力也大。所以，單體支架總是后排支柱受力大于前排支柱。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，頂板條件相似的工作面，使用單體支架時(shí)，頂板處于中等穩(wěn)定狀態(tài)，而使用支撐式液壓