② 岩性特征，相对其他岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高；
③ 变形特征，关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量同步协调； ④破断特征，关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的同步破断，引起较大范围内的岩层移动；
⑤ 承载特征，关键层破断前以“板”（或简化为“梁”）的结构形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体，破断后则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。
关键层理论的提出实现了矿山压力、岩层移动与地表沉陷、采动煤岩体中水与瓦斯流动研究的有机统一，为更全面、深入地解释采动岩体活动规律与采动损害现象奠定了基础，为煤矿绿色开采技术研究提供了新的理论平台。
二、矿山压力的显现特征
煤及岩层被采动后,应力将重新分布。其中采动边界部位承受较高的应力作用,岩层的受力状况发生了明显的改变。当该部位承受的压力值没有超出其允许的极限强度时,围岩处于稳定状态;采动边界部位的煤(岩) 体所承受的压力超过其允许的强度时,围岩运动将明显表现出来,即产生煤(岩)体的破坏、片帮、顶板下沉与底板鼓起等一系列矿压现象,支架受力和变形也将明显表现出来。煤及岩层采动后,在矿山压力作用下表现出来的围岩运动与支架受力等现象,称为矿山压力显现,主要有以下2种特征:
(1) 围岩的明显运动形式:两帮运动、顶板运动、底板运动。例如顶板下沉、局部冒顶、底板鼓起、煤壁片帮或工作面顶板沿煤壁切落（或称大面积冒顶）。反映围岩运动的动态信息有顶底板与两帮的移近量和移近速度及顶板压力等。
(2) 支架受力:主要包括支架承受载荷的增减、支柱插入底板、支架变形(活柱下缩) 及支架（柱）折损等现象。
1、直接顶的移动规律
采煤工作面顶板管理方法、支架设计和选型、日常顶板管理等问题,都与采煤工作面的直接顶有关。直接顶厚度(顶板冒落高度) 决定着裂隙带发展的高度,也决定着各岩层稳定期的长短。采煤工作面自开切眼开始推进后,直接顶岩层一般并不立即垮落。待推进一定距离后,直接顶悬露面积超过其允许值,才会大面积垮落下来,称为直接顶的初次垮落(初次放顶)。初次放顶后,直接顶岩层随采煤工作面的推进而冒落。在下沉推进过程中,直接顶是一种由采煤工作面支架支撑的悬臂梁。由于其结构特点,在推进方向上不能水平力的传递,因此,当其运动时,控制直
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接顶的基本要求是支架应能承担其全部重量。
2、老顶的移动规律
老顶的运动对采煤工作面矿山压力显现有明显的影响。 (1)老顶的初次来压
当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳（变形失稳），有时可能伴随滑落失稳（顶板的台阶下沉），从而导致工作面顶板的急剧下沉。此时，工作面支架呈现受力普遍加大的现象，即称为老顶的初次来压。将对工作面安全造成严重威胁,顶板下沉量增加、支架载荷增大、煤壁片帮等。
（2）采场的周期来压
随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定—失稳—再稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程。由于结构的失稳导致了工作面顶板的来压，这种来压也将随着工作面的推进进而呈周期性出现。因此，由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称为工作面顶板的周期来压。
周期来压的主要矿压显现是:顶板下沉速度急剧增加、顶板下沉量变大；支柱所受载荷普遍增大；有时还可能引起煤壁片帮、支柱折损、顶板发生台阶下沉等现象。如果支柱参数选择不合适或者单体支柱稳定性较差，则可能导致局部冒顶，甚至顶板沿工作面切落等事故。
3、论述巷道支护的主要方式及工作原理。（15分）
答：一、棚子支护
棚子是作用在巷道围岩表面的一种支架，有三类：第一类是主要由梁和柱组成的支架，按材料分为木棚子（木支架）、金属棚子（金属支架）、钢筋混凝土预制件棚子（钢筋混凝土支架）等，主要用于服务年限不长的采区巷道；第二类是由混凝土浇筑或用块体砌筑而成的整体支架，按材料和施工方法分为分为混凝土浇筑、钢筋混凝土浇筑、料石砌筑、砖砌筑、混凝土预制块砌筑等多种形式，主要用于服务年限较长的开拓巷道，适宜于圆弧形（拱形或圆形）断面；第三类是喷射混凝土支架，由喷射混凝土层组成，可用于各类巷道。
⑴ 木支架
巷道支护中常用的木支架多为梯形断面，主要由承受顶压的顶梁和支撑顶梁并承受侧压的棚腿组成，另外还有用于固定支架的木楔和撑柱，及防止碎石掉落的背板。顶梁和棚腿应选用相同直径的坑木，以保证整体承载能力。
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木支架质量轻，加工和架设容易，有一定的强度，可根据需要做成具有一定刚性或较大可缩性的支架，对地质条件的变化有较强的适应能力，当矿压突增时还能发出声响讯号。木支架是在矿井开采中使用最早，最早期使用最多的一种支架。但由于木支架强度低，不防火，易腐朽，加之保护森林资源使木材的供给受到限制以及价格提高，木支架使用日益减少。
目前，木支架主要用于地压小、断面小、服务年限短的采区巷道，或用于维修巷道和在巷道掘进时作临时支护。
⑵ 巷道金属支架
巷道开掘后，巷道空间上方围岩的重量将有巷道支架与巷道周围岩体共同承担，巷道支架与围岩体组成一个共同的承载体系。从总的规律来看，巷道上覆岩体的重量由巷道支架承担的仅占1%～2%，其余的完全由巷道周围岩体承受。研究表明，巷道支架的工作特征与一般地面工程结构有着根本性区别，支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象——围岩本身的力学性质和结构有着密切关系，也就是“支架—围岩”相互作用关系。通常所说的“支架—围岩”系统主要是指支架与其直接相邻的围岩体得相互作用，即“直接顶板—支架—直接底板（两帮）”系统。在这个系统中，直接底板、直接顶板和两帮的岩性，支架的力学特性，支架安设的时间、质量，开采情况等因素都影响巷道的维护状况。因此，把“支架—围岩”看作是一个相互作用和共同承载的力学体系，正确调节和处理“支架—围岩”关系，是支架支护巷道的理论基础。
现有的各种巷道支架，在“支架—围岩”力学平衡系统中，只能承担极其有限的一小部分载荷，支架在围岩内部应力平衡关系中所起的作用是微小的，更不能企图依靠支架去改变上覆岩层的运动状态。然而支架的这个微小的支撑力又是极其重要和必不可少的，支架的工作阻力，尤其是初撑力在一定程度上能相当有效地抑制直接顶板离层，控制围岩塑性区的在发展和围岩的持续变形，保持围岩的稳定。因此，巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，才能有效抑制和适应围岩的变形。
金属支架是由型钢加工制成的一类支架，有刚性金属支架和可缩性金属支架两类。 刚性金属支架用钢轨或矿用工字钢，可缩性金属支架用U 型钢。由于井下围岩条件复杂、矿山压力显现不均匀以及支架受采动影响等原因，井下金属支架的材料要满足抗拉、抗压、抗剪强度，防锈、防腐能力要求，支架型钢断面的形状要合理，同时采准巷道金属支架还要能够适应支架架设、回拆较为频繁的特点。矿用工字钢能够适应井下复杂多变的载荷状况，稳定性
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好；U 型钢具有的良好断面形状和几何参数，使型钢搭接后易于收缩，只要支架设计合理、连接正确，用U 型钢制成的支架就能够获得较好的支护力学性能。我国和其他主要产煤国家都普遍使用U 型钢，但是各国对U 型钢的认识不一，所以各国的U 型钢断面、几何参数及材质各有不同。
刚性支架按照外形可分为拱形金属支架、拱顶金属支架、封闭型金属支架和梯形金属支架，前面三种支架能适应巷道自然冒落拱的形状，承载能力强且不易变形和损坏。刚性金属支架没有可缩性，具有较大的承载能力但是不能适应巷道围岩变形。随着矿山压力增大，支架顶梁会陷入顶板，棚腿深入底板，架后破碎岩石压缩，支架的载荷不会随着围岩变形而急剧增大。由于支架本身没有可缩性，刚性金属支架只能在围岩比较稳定，变形较小，矿山压力不太大的巷道使用，否则将造成支架严重变形和破坏，巷道变形严重和断面急剧缩小，甚至不能使用。同时，由于底部未封闭的刚性金属支架没有抵抗底板变形的能力，所以对于地压大、两帮移近量大、底板松软易发生底鼓的巷道，宜采用封闭型刚性金属支架。
支架在具有可缩性的同时还要具有足够的工作阻力，这样才能既适应围岩体的变形又能在一定程度上减缓围岩体的变形，充分发挥支架的承载作用，保持巷道围岩稳定。支架的可缩性要靠装置连接件来达到，而连接件在保证支架具有一定的工作阻力方面也有重要作用，因此连接件的力学性能极其重要。可缩性金属支架的连接件一般有螺栓连接件和楔形连接件，井下常见的是螺栓连接件。可缩性金属支架由若干节构成，通过连接件连接。巷道掘进以后，围岩体变形挤压支架，支架承受载荷产生内力，其中对支架力学性能影响最大的是轴力（压力）和弯矩。轴力推动支架节间的滑动，弯矩阻止其滑动。弯矩和连接件提供的支架节与节间的预紧力形成了支架节与节之间的摩擦阻力。当轴向推力小于摩擦阻力时，支架不可缩；当轴向推力大于摩擦阻力时，支架节与节之间产生相对滑动，支架缩短。断面减小，承受的外载减小，使得轴向推力小于摩擦阻力，支架节与节之间相对稳定，支架不再缩短，与外载处于相对平衡状态，保持巷道围岩体稳定。随着支架的缩短，使得支架节与节之间的摩擦阻力增大，需要较大的轴向推力才能使支架节与节之间产生相对滑动，出现了井下支架实际工作阻力的增阻现象。
可缩性金属支架用U 型钢制成，我国可缩性金属支架所用的U 型钢有U18 同型、U25、U29、U36 四种，故可缩性金属支架也叫U 型棚。可缩性金属支架可分为梯形可缩性金属支架、拱形可缩性金属支架和环形（封闭形）可缩性金属支架三种。梯形可缩性金属支架不破坏顶板，能保持顶板的完整性，当顶板比较稳定，围岩体变形量较小时，可以考虑使用；拱形支
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架具有较好的受力状况，承载能力大，能够适应围岩体的较大变形，应用较为广泛；环形（封闭形）支架只有当围岩体变形强烈或者巷道易发生底鼓时才使用。虽然可缩性金属支架具有可缩性，但其可靠性在现有的技术条件下并不能得到很好的保证，井下经常出现可缩性金属支架不可缩导致支架变形损坏的现象。支架可缩性的不可靠主要是由于加工的不精细和支架架设时型钢之间搭接的不合理等造成。
⑶ 钢筋混凝土预制件支架
钢筋混凝土预制件支架（简称钢筋混凝土支架）是由预制的钢筋混凝土梁和柱组成的一种刚性支架，分普通型和预应力型两种，多用于梯形断面。这种支架充分利用了混凝土和钢筋的受力特性，使混凝土在构件中承受压力，钢筋承受拉力，不但提高了结构的承载能力，而且节约了材料。
⑷ 浇（砌）筑的整体支架
浇（砌）筑的整体支架的主要形式是直墙拱顶式。当侧压大时，直墙可改为弧线；如底鼓严重，则应砌筑反拱；在垂直巷道中宜采用圆形。
浇（砌）筑的整体支架(浇筑的钢筋混凝土支架除外)具有较好的抗压性能，而抗拉和抗剪能力较弱，将其做成圆弧结构可充分发挥其承压性能，避免在结构中出现较大的拉应力和剪应力。
国内外巷道棚式支护发展的特点：由木支架向金属支架发展，由刚性支架向可缩性支架发展；重视巷旁充填和壁后充填，完善拉杆、背板，提高支护质量；由刚性梯形支架向拱形可缩性支架发展，同时研制与应用非对称形可缩性支架。
二、巷道锚杆支护
锚杆支护促使围岩由载荷体转化为承载体。尽管锚杆在不同地质条件下作用机理有所不同，但都是在巷道周边围岩内部对围岩加固，形成围岩承载体，有利于围岩的稳定。
悬吊理论：由路易斯·帕内科（Louis A.Panek）等于1952年发表。该理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板软弱的岩层悬吊在上部稳固的岩层上，增强较软弱岩层的稳定性。在预加张紧力的作用下，每根锚杆承担其周围一定范围内岩层的重量，锚杆的锚固力应大于其悬吊的岩体重力，如图1.1。对于巷道浅部围岩松软破碎，顶板出现松动破碎区，锚杆的悬吊作用是将这部分易冒落岩体锚固在深部未松动的岩层上。
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