坚硬岩层松软岩层软 弱 顶 板 坚硬岩层自然平衡拱松软岩层坚硬岩层
（a）坚硬顶板锚杆 （b）软弱顶板锚杆
图1.1 锚杆支护悬吊作用
组合梁理论：假设沉积岩类岩石的空间分布是层状结构，每层岩石都有一定的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度，但是互相间缺少粘结力或粘结力很弱。基于这一假设，按材料力学理论可知，无锚杆时巷道顶板岩石为层叠梁结构，在受到其上部围岩的应力作用后，各层单独变形，层与层之间容易产生滑移，从而导致离层；而顶板采用锚杆支护时，锚杆穿过各层状岩层形成组合梁，共同抵御围岩应力，故变形较小，从而起到支护作用，如图1.2。
图1.2 层状顶板锚杆组合梁
组合拱（压缩拱）理论：组合拱理论认为在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，从杆体两端起形成的压应力区，如果锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体相互交错，这样使巷道周围的岩层形成一种均匀的压缩带（拱），承受破坏区上部破碎岩石的载荷。压缩拱内岩石径向、切向均受压，处于三向应力状态，围岩强度得到提高，支承能力相应增大，如图1.3。
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（a）锚杆组合拱（压缩拱）原理 （b）最大水平应力原理
图1.3 锚杆组合拱原理和最大水平应力原理
最大水平应力理论：由澳大利亚学者W.J.Gale提出。该理论认为，矿井岩层的水平应力通常大于铅直应力，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响。围岩层状特征比较突出的回采巷道开挖后引起应力重新分布，铅直应力向两帮转移，水平应力想顶底板转移。铅直应力的影响主要显现于两帮，导致两帮的破坏；水平应力的影响主要显现于顶底板岩层（图1.3b）。锚杆的作用是沿锚杆轴向约束岩层膨胀和垂直锚杆轴向方向约束岩层剪切错动。
围岩强度强化理论：由侯朝炯、勾攀峰教授提出，主要成果：①系统布置锚杆可以提高岩体的弹性模量E、内聚力C，而内摩擦角φ提高的幅度不大；②锚杆锚固区域围岩具有正交异性，在锚杆沿着试件的轴向围岩的弹性模量E 随着锚杆密度的增加而增大，围岩强度的提高主要是内摩擦角φ增加，而内聚力C几乎没有变化；③合理的锚杆支护可以有效地改变围岩的应力状态和应力—应变特性，而不同弹性模量的带锚岩体所表现出来的锚固效果是不同的；④锚杆的锚固效果与锚杆密度、长度、型式、锚杆材料的抗剪强度和刚度有关，并从不同角度提出了最佳的锚杆布置方案；⑤锚固的变形破坏符合Mohr-Coulomb准则；⑥锚杆支护在力学上等价于对孔硐周围岩体施加一定量的径向约束力。
三、联合支护
当围岩条件和矿压复杂时，单纯的锚杆支护无法满足支护要求，从而形成了以锚杆支护为主体，内外结合的联合支护方式。联合支护是以两种以上支护方式（或支护材料）有机结合形成的一种支护结构，在充分利用各单一支护的优势和特点的基础上能显著提高结构的整体承载和抗变形能力，从而对控制复杂围岩和矿压具有显著的效果。联合支护方式很多，最常用、最简单的是锚喷支护，另外还有锚网支护、锚网喷支护、锚网梁支护、锚杆桁架支护等。一般围岩条件和矿压越复杂，联合支护结构也越复杂。
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(1) 锚喷支护
锚杆支护和喷射混凝土支护相结合即为锚喷联合支护（简称锚喷支护）。在锚喷支护中，锚杆的作用在于从整体上加固或承载围岩；喷射混凝土的作用则在于封闭围岩表面防止围岩风化剥落，以及与围岩紧密结合对锚杆间的未加固区域起支护作用。光弹模拟试验表明，锚杆支护时锚杆之间的围岩表面附近会产生拉应力，可能导致松软岩石的局部破坏和掉块，而局部小岩块的坠落又可能导致围岩整体松动和破坏，从而削弱锚杆的承载能力和影响围岩结构的整体稳定性。锚喷支护两种支护方式互为补充，其整体结构具有更强的支护能力和广泛的适用性，可用于较松软、裂隙较发育、易风化的岩层，在矿井使用非常普遍。
（2）锚网支护
锚网支护是用锚杆和铁丝网（钢筋网、塑料网等）固定在岩壁上所形成的一种联合支护方式。网的主要作用是维护锚杆间的围岩以防止小块松散岩块掉落，另外由锚杆固定和拉紧的网将相邻锚杆联接起来，可增强支护结构的整体性。锚网支护所使用的铁丝网一般由?3～4mm的镀锌铁丝编织而成，有经纬网和菱形网两种，菱形网具有强度高、连接方便等优点，因此目前应用较多。钢筋网是由钢筋焊接而成的大网格（尺寸为150mm×150mm）金属网，其强度和刚度都比较大，增强支护结构整体性的效果更加显著，适用于大变形、高应力巷道支护。塑料网也可用于锚网支护，具有成本低、轻便、抗腐蚀等特点。但其强度和刚度较低。
（3）锚网喷支护
在锚网支护的基础上增加喷射混凝土层即为锚网喷支护。在这种结构中，网被喷射混凝土包裹在其中形成类似钢筋混凝土层，大大提高了喷层的抗拉性能和网的刚性，支护结构整体具有更强的承载能力和抗变形能力，能有效地支护松散破碎的软弱岩层。所使用的网多为钢筋网，钢筋直径一般为6～12mm，网格边长为200～400mm。
（4）锚网梁支护
在锚网支护的基础上增加梁形成锚网梁支护。梁通常采用钢带或直径较大的钢筋加工而成，压在网的外面，一般沿巷道横向安设。梁有长梁和短梁之分，一个长梁可以贯穿3根以上锚杆并由所贯穿的锚杆固定和支撑，短梁由相邻两个锚杆固定和支撑，梁的作用一方面是支撑网，从而对锚杆间围岩产生更高的承载能力；另一方面是将断面内一排锚杆联接成一个联系更加紧密、刚性更大的整体。这种结构比锚网支护具有更强的支护能力，可适用于更复杂和更困难的围岩条件。
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（5）锚网梁喷支护
在锚网梁结构的基础上增加了喷射混凝土层即为锚网梁喷支护。这是在矿井巷道支护中使用的最复杂、支护能力最强的一种结构。这种结构施工复杂、速度慢，材料消耗大，成本高，一般仅用在断面较大、围岩松软破碎、矿压大、变形大的巷道中。
（6）锚杆桁架支护
锚杆桁架结构主要由锚杆、拉杆、拉紧器和垫块组成。水平拉杆的预紧作用能增大沿巷道轴向裂隙的摩擦力，提高围岩的完整性，有利于在围岩中形成更稳固的结构。这种支护方式特别适用于围岩变形大的松软巷道。
（7）锚注联合支护
锚注支护就是针对节理、裂隙发育，断层破碎带等围岩松散、破碎情况，利用锚杆注浆技术，改变围岩结构，提高其粘结力、内摩擦角和围岩整体性，使巷道支护能充分发挥作用的一种支护方法。锚杆支护的锚固力在很大程度上取决于岩体的力学性能，软岩巷道可锚性差是造成锚杆锚固力低和失效的重要原因。利用锚杆兼做注浆管，实现锚注一体化，是软岩巷道支护的一个新途径。注浆加固为锚杆提供可靠的着力基础，使锚杆对松软围岩的锚固作用得以发挥，进一步提高岩体强度。但是注浆只能在围岩的一定深处进行，需要与锚喷支护共同维持巷道周边围岩的稳定，因此，采取锚杆与注浆相结合的方法，使锚杆和注浆的作用在各自适用的范围内得到充分发挥，提高对软岩的支护效果。
锚注支护完全能够解决(极)软岩开拓巷道难维护的问题；但经受不住采动影响，故不宜用于解决(极)软岩回采巷道难维护的问题。
(8)高强锚杆、预应力锚索加固
由于软岩巷道围岩开掘后围岩来压快、变形大，普通锚杆锚固力低且无法提供较大的初撑力阻止围岩变形，采用预应力高强锚杆可以很好地解决这个问题。在锚杆安装时施加一定的预应力，这样就可以提供较大的初撑力，及时减小巷道围岩的变形速度，同时高强锚杆又可以提供较大的锚固力，提高锚固体的自承能力。
对于极软岩巷道，在进行锚网喷支护后虽然对巷道顶板起到了加固作用、改善并保持了顶板的整体性，但是当围岩松动圈的范围大于锚固体的厚度时，锚固体将失去着力点，此时极易发生锚固体以上离层及出现巷道顶板整体下沉或垮落的显现。在这种情况下，只需较小密度的预应力锚索，就可以将锚固体悬吊于稳定坚硬的上部岩体上，避免巷道垮落。
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4、论述矿压观测的主要内容和仪器设备。（15分）
答：国内外经验表明，观测工作面矿压显现的指标有两类：一类是控顶区围岩变形量和支架承载变形特征；另一类是控顶区围岩破坏特征。前者有顶底板移近量、支架载荷量和支柱（活柱）下缩量，一般称为“三量”。后者有煤壁处切顶台阶数目与高度、煤壁片帮深度、端面顶板破碎度等，是对围岩破坏的统计观测，一般称为“统计观测”。
除了上述常规矿压观测外，还有用于某些研究领域的专项矿压观测。如孔庄观测，主要目的之一是为了研究长壁开采裂隙带岩层运动规律，从而认识裂隙带下位岩层形成结构的特征，深化了矿山压力的“砌体梁”理论。再如以液压支架优化设计为目的的观测，需要专门观察支架在不同开采阶段受力的状况和分布，要在支架的主要结构件上安设测试仪表，应用最多的是安装测力销，在顶梁和掩护梁上铺设压力枕。
一、“三量”及其测试方法 （1）顶底板移近量
该量是指煤炭采出后，同一测点随开采在控顶区范围顶底板移近值。对单体支柱工作面，是在开挖后即设置测站，量测顶底板距离s0，随工作面推进直到测站最后一排支架处，量测顶底板的距离sm，顶底板移近量s= s0-sm。对综采面是指到液压支架尾端的顶底板移近值。
我国曾经应用最广泛的顶底板移近量量测方法，是选定位置后在顶板和底板相对应位置楔入木楔，用专用测杆量测。近年已有多种量测仪表可供选用。
顶底板移近速度是指单位时间内顶底板移近量，是反映围岩活动剧烈程度的一项重要指标，对于研究影响矿压显现的相关因素有重要作用。
观测顶底板移近量和移近速度使用的仪器有DDJ—2.5型测杆、KY—82顶板动态仪、C—Ⅱ型自计仪。
（2）支架载荷
支架载荷是指实测的支架所承受的载荷，包括实测的初撑力和当时支架载荷。
液压支架一般采用圆图压力自计仪观测，可实现24h连续自动记录支柱内压力；单体液压支柱除可采用圆图压力自计仪观测外，也可采用各类测压压力表，由观测工人按照规定的时间读表。
单体金属摩擦支柱或木支柱采用各类压力计（盒）观测。各个生产矿压观测的仪表厂都有很多种产品可供选用。从长远发展看，应采用自动测试且可自动处理信息的仪表较好，因为人
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