【正文】 力一般出現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜的地區(qū)。井下某處斷層、褶曲較多，可能存在較大的構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力的方向多垂直于斷層走向和褶曲軸。 （2）利用未受采動(dòng)影響的、在均質(zhì)巖層中掘進(jìn)的巷道的變形和破壞特點(diǎn)來(lái)判斷。如果巷道兩側(cè)出現(xiàn)較大的鼓幫現(xiàn)象，則說(shuō)明此處有較大的水平應(yīng)力，可以認(rèn)為此構(gòu)造應(yīng)力。（3）測(cè)定巖體內(nèi)水平應(yīng)力的大小，如果某處的水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，一則此處有構(gòu)造應(yīng)力存在。因?yàn)樵谧灾貞?yīng)力場(chǎng)中，總是，不可能出現(xiàn)水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的情況。 15．何謂圍巖的極限平衡，極限平衡區(qū)范圍的大小與哪些因素有關(guān)？答：在地下巖體中開(kāi)掘巷道以后，巷道周圍巖體就由原來(lái)的三軸受力狀態(tài)變?yōu)殡p軸或單軸受力狀態(tài)。一般巷道周邊的巖塊是處于單軸壓縮狀態(tài)，巷道周邊巖塊在垂直應(yīng)力的作用下，就要發(fā)生破壞，隨著向巖體內(nèi)部發(fā)展，巖塊由單軸受壓或雙軸受壓逐漸變?yōu)槿S受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。在某一半徑為R的范圍內(nèi)巖塊的應(yīng)力圓和其強(qiáng)度包絡(luò)線相切，這一范圍內(nèi)的巖塊受力狀態(tài)叫做極限平衡狀態(tài)。巖體處于極限平衡狀態(tài)的區(qū)域叫做極限平衡區(qū)。極限平衡區(qū)的大小主要與巷道距地表的深度、巷道尺寸及圍巖的力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。16．處于地表以下600 m深處有一半徑，的圓形巷道，設(shè)巷道圍巖處于靜水應(yīng)力場(chǎng)中（），圍巖的內(nèi)聚力，內(nèi)摩擦角中，上覆巖層的平均容重，試求巷道一側(cè)極限平衡區(qū)的寬度是多少？ 答：在靜水應(yīng)力狀態(tài)下（），巷道極限平衡區(qū)的半徑及可用下式表示，巷道極限平衡區(qū)的寬度為極限平衡區(qū)半徑與巷道半徑之差。設(shè)巷道一側(cè)極限平衡區(qū)的寬度為B，則有,B=R=r1即：將題中所給數(shù)據(jù)代入上式得：17．地表以下500m深處的煤層中，掘進(jìn)兩條平行的圓形巷道，巷道半經(jīng)，煤層的內(nèi)聚力C = ，內(nèi)摩擦角。設(shè)此處煤層處于靜水應(yīng)力狀態(tài)（），上覆巖層的平均容重，求兩條巷道不相互影響的最小間距應(yīng)該是多少？巷道之間的煤柱寬度是多少？答：為使兩條巷道互不影響，巷潭之間的間距S應(yīng)大于兩倍的巷道極限平衡區(qū)影晌半徑R，即：S 2R，則：將題中所給的數(shù)據(jù)代入上式則得：兩條巷道之間的煤柱寬度B應(yīng)為：18．地表以下500m深處有一回采工作面，煤層的承載能力N0=980kN/m3，上覆巖層平均容重，煤層內(nèi)的側(cè)壓力系數(shù)，若煤壁上的應(yīng)力集中系數(shù)為K=5，煤層和頂板之間的摩擦系數(shù)f=，求煤壁內(nèi)最高支承壓力點(diǎn)距工作面的距離是多少？答：根據(jù)題中所給的數(shù)據(jù)，作用在煤壁上的最大垂直應(yīng)力為當(dāng)煤壁內(nèi)某點(diǎn)的支承能力和達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，煤璧上的最高支承壓力就停止向煤壁內(nèi)部轉(zhuǎn)移。這時(shí)，煤壁內(nèi)最高支承壓力和煤壁支撐能為的關(guān)系為：上式兩邊取對(duì)數(shù)，并解出，則得： 將題中所給的數(shù)據(jù)代入上式，則得最高支承壓力距煤壁的距離為。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(kāi)切眼向前推進(jìn)一段距離以后，直接頂開(kāi)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(kāi)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(guò)巖梁的強(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(shuō)”（1）壓力拱假說(shuō)。該假說(shuō)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(shuō)。該假說(shuō)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(lái)壓。（3）預(yù)成裂隙假說(shuō)。該假說(shuō)認(rèn)為，煤層開(kāi)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。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(shuō)。該假說(shuō)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(kāi)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(guò)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。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(guò)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， 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(lái)壓和周期來(lái)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(lái)壓和周期來(lái)壓劇烈程度的主要原因，直接頂愈厚初次來(lái)壓和周期來(lái)壓顯現(xiàn)就愈弱，反之，來(lái)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(lái)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)硬巖層視為兩端固定的“梁”，如圖3－1a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3－1b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(méi)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3－1c所示。在煤層開(kāi)采過(guò)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3－1 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—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。如圖22所示（a）（b）圖3－2 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3－1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3－1 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)1234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。考慮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(wú)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(shuō)的實(shí)質(zhì)、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。答：壓力拱假說(shuō)認(rèn)為，回采工作面從開(kāi)切眼開(kāi)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。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(shuō)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(shuō)可以用來(lái)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(shuō)的實(shí)質(zhì)是什么？有何優(yōu)缺點(diǎn)了它可以說(shuō)明一些什么問(wèn)題？ 答：懸梁假說(shuō)認(rèn)為頂板巖石是層狀彈性連續(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(lái)壓，同時(shí)，懸梁假說(shuō)可以說(shuō)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(shuō)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(shuō)的假設(shè)條件過(guò)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(shuō)不能從數(shù)量上解釋礦山壓力問(wèn)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(shuō)？它可以說(shuō)明些什么問(wèn)題？有何優(yōu)缺點(diǎn)？ 答：預(yù)成裂隙假說(shuō)認(rèn)為，由于開(kāi)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(shuō)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(guò)大，而且支架應(yīng)有足夠的可縮性。這種假說(shuō)在有些情況下是符合實(shí)際情況的，它比前兩種假說(shuō)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(shuō)也有一定的局限性。而且這種假說(shuō)對(duì)于一些礦山壓力現(xiàn)象（如頂板的初次來(lái)壓和周期來(lái)壓等）沒(méi)有給予明確的解釋。11．簡(jiǎn)述鉸接巖塊假說(shuō)的實(shí)質(zhì)、優(yōu)缺點(diǎn)及其適用條件。 答： 鉸接巖塊假說(shuō)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(wèn)題。煤層開(kāi)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Kp＝～。當(dāng)上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Kp＝～。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