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第二章 采场“支架—围岩”关系（支护强度）的确定 支护强度研究现状 支 架—围岩关系 支 护 强 度 计算 支护强度概念 支护强度是指单位面积上支架给予顶板的支撑力。 从安全角度出发，除易碎直接顶采场外，支护强度使越大越好，但从经济角度出发，应该在保证安全的前提下，尽可能减少支护强度，因为支架强度的提高是以增加材料的投入为代价的。 既安全又经济的支护强度称为合理的支护强度。 合理的支护强度应该能杜绝下列顶板事故：剪切冒落、滑动冒落、冲击冒落； 应该尽可能抑制下列顶板压力显现：台阶下沉、破碎、离层、悬顶、冲击载荷。 针对不同的控制要求，支护强度是不同的，通常我们说的某一面的支护强度是多少，是指针对一定的顶板控制而言的，因而不能笼统的认为该面的顶板压力就等于测得的支护强度。 第一节 支护强度的研究现状 岩重法 “支架—围岩”关系理论。 人们通过实验室和现场的调压试验，很早就提出了顶板下沉量和支护强度之间存在的双曲线关系。 该关系指出：要减少顶板下沉量，就必须以提高支护强度为代价。 “传递岩梁”理论注意到上述双曲线只能定性的描述支架围岩关系，因而基于梁式结构的力学模型，提出了位态方程的概念和表达式 该公式除阐明了支架围岩之间的双曲线关系外，还进一步指明了直接顶在位态方程中的作用。在具体采场，可计算出 ，K则不能定量计算，因为： 第二节 支架围岩的一般关系 一、“煤壁、支架——老顶”支撑系统的力学性质 对老顶来讲，其支撑点只有前支点煤壁端（包括支架）和后支点采空区矸石两个，如果把岩梁断口处视为铰接，不考虑接触点的弯矩，则该支撑体系属超静定结构，其力学模型简图如图所示 显然，该体系用数学力学方法是难以解算的，因为老顶的变形协调方程很难建立。 二、支架围岩的一般关系 为了进一步研究支架围岩的一般关系，首先要建立一般采场的顶板结构模型。 1、一般老顶的结构模型 沉积岩层中存在许多分层弱面，这些弱面把顶板分解成许多厚度不同的分层，假定从煤层到6~8倍采高范围内的顶板由分层厚度相等和力学性质完全相同的岩层组成，这种条件下的岩层运动状态如图所示。 老顶岩层由若干分层组成，且每一分层间存在离层，触矸点位置也不同。 在具体采场，分层厚度和岩层强度发生变化时，将引起岩层运动的组合形式、离层量和触矸点的差异，但其运动机理与如图中模型是一致的。 2、支架——围岩关系 （1）支架与直接顶的关系 直接顶直接覆盖于煤层上，一般情况下，采场支架要控制住其全部作用力（大悬顶是则不需要控制全部作用力）。 设直接顶作用力为A，则支护强度PT的最低限度PT=A。 然而，在现场矿压观测中，大量存在顶板大变形、支架荷载小于直接顶的作用力A，随着顶板下沉量的增大，支架载荷越来越小（特别在钻底严重的采场）。 形成这种支架围岩关系有两种可能的岩层状态: 一是直接顶自身离层,上位直接顶在采空区触矸； 二是直接顶与老顶离层,直接顶在采空区整体触矸。 这两种状态下支架极易被直接顶推垮或老顶来压时冲垮,因此是不安全的支架围岩关系,一旦现场发现这种现象,要及时纠正。 （2）支架与老顶的关系 设老顶由m个分层组成，在采空区中，各分层间存在离层。 当支护强度仅等于直接顶作用力A时，老顶各层自由沉降，各分层间自由离层； 当支护强度大于A时，下位老顶若干分层在控顶区上方将压紧，明显离层出现在作用段以上的分层中。 作用段分层的悬露长度将增加，顶板下沉量随之减小。 这种现象在现场矿压观测中也经常测到，即支护强度提高后，顶板下沉量明显减小。 支护阻力对老顶的控制体现在以下两个方面：一是厚度方向控制的范围，二是顶板下沉量（即控制厚度范围内老顶的下沉量）。 随着支护强度的提高，控制范围从i个分层到i+1个分层时（im），此过渡阶段中顶板下沉量不出现明显变化。一般（层状）老顶模型下的支架围岩关系可用图表示。 图2-7中，一个曲线台阶代表了支架对一个分层的作用关系，老顶有几个分层，曲线上就有几个台阶。 当老顶只有一个分层时，支架围岩关系变为图2.8中的实线所示的形式，即只有一个曲线台阶。 在曲线台阶中， 垂直线段表示支护强度增加时，控制住老顶的下沉量，减缓老顶的来压速度，增加直接顶与老顶间的接触应力。 曲线部分则表示支护强度已大到能控制住老顶下沉量，且支护强度随下沉量的减小而增加。 当老顶由很多分层组成时，支护围岩关系就变为图2-8中的虚线所示的形式，即无垂直线段。 该虚线是将图2-7中的小台阶抹平后的曲线，即为图2-7所示的近似形式。 支架围岩一般关系的抽象 cd阴影部分为非法工作区， b′c段为梁式结构给定变形（△hA）工作段， bc段为拱梁或类拱结构分层压实时的工作段，△S为离层压实量，K为直接顶与老顶间的接触应力， ab或ab′段为限定