矿山地压考试简答题.doc

一、岩石单轴受压条件下的全程应力应变曲线（图1-9）可划分为5个阶段。1）0A段：微裂隙闭合阶段2）AB段：线弹性阶段，应力应变曲线近似直线，B为弹性极限。3）BC段：弹塑性过渡阶段，微破裂产生，体积膨胀，C为屈服极限。4）CD段：塑性阶段，体积加速膨胀，变形迅速增长，D为强度极限，即单轴抗压强度。5）DE段：即破坏后阶段,岩石有一定的承载能力，E为残余强度。刚性试验机下岩石应力应变曲线六、影响岩石变形和强度的因素1）岩石的性质。2）岩石的生成条件。3）岩石的构造特征。层理作用。4）风化、水和温度的作用。5）岩石试件的形状和尺寸。6）加载速率及次数。加载速率快岩石强度大。7）岩石的受载状态。三轴等压抗压强度三轴不等压抗压强度双轴抗压强度单轴抗压强度抗剪强度抗弯强度单轴抗拉强度。构造应力以水平力为主，具有明显的区域性和方向性。其特点：一般情况下地壳运动以水平运动为主，构造应力主要是水平应力；而且地壳总的运动趋势是相互挤压，所以水平应力以压应力为主。构造应力分布不均匀，在地质构造变化比较剧烈的地区，最大主应力的大小和方向往往有很大变化。岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大。构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍，在软岩中储存构造应力很少。三、原岩应力分布的基本规律1实测铅直应力基本等于上覆岩层重量。2水平应力普遍大于铅直应力。3平均水平应力与铅直应力的比值随深度增加而减小。4最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。第二节 “孔”周围的应力分布圆孔周围应力场分布1、在双向等压应力场中，圆孔周边全处于压缩应力状态。2、应力 大小与弹性常数 E、无关。3、t、r的分布和角度无关，皆为主应力，即切向和径向平面均为主平面。4、双向等压应力场中孔周边的切向应力为最大应力5、在双向等压应力场中圆孔周围任意点的切向应力和径向应力之和为常数2、支架与围岩相互作用的特点：1）支架与围岩间的作用是作用力与反作用力关系；（支撑力宜均匀分布，且与顶板压力共线）图2 弹性条件下圆形巷道应力分布图2）支架受力的大小及其在回采工作面分布规律与支架性能有关；（在同一工作面，不允许同时使用特性不同的支架）3）支架结构及尺寸对顶板压力具有影响：）：支架受力= 顶板压力；支架结构影响其特性，继而影响其受力大小；（支撑式大，掩护式小）度2.软岩巷道围岩变形规律（1）软岩巷道围岩变形的影响因素岩石本身强度、结构、胶结程度及胶结物的性能、膨胀性 矿物的含量等岩石性质是影响软岩巷道围岩变形的内部因素。自重应力、残余构造应力、工程环境和施工的扰动应力，特别是诸应力的叠加状况和主应力的大小、方向是影响软岩巷道围岩变形的主要的外部因素。.简述采场支架与围岩关系特点。（146）所谓“支架与围岩关系”就是工作面支架和工作面顶、底扳之间的相互作用和相互影响，即支架对围岩既要支撑又罢适应的关系。从目前掌握的资料来看，采场支架与围岩关系有如下几个特点：支架围岩是相互作用的一对力。支架受力大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关。还与支架与围岩支撑系统的总体特性有关。事实证明，刚性、急增阻式、微增阻式或恒阻式支架受力在工作面的分布状态是不一致的，恒阻式支架的受力比较均匀。支架结构及尺寸不同对顶板压力影响和维护效果不同。实际生产中证明在支架架型选择合适时，可以用最小的工作阻力维护好顶板。绘图说明双向等压作用下圆形巷道周边应力分布的基本规律，并加以解释（15分）。解答：1、在弹性条件下如图2所示，根据弹性力学可以得到 即在巷道边缘切向应力是所加应力的2倍，径向应力是零。随着距离的增大，切向应力和径向应力都逐渐接近原岩应力 。 塑性条件下圆形巷道应力分布图2、在塑性条件下如图3所示，由于巷道的开挖，而引起巷道周边的应力重新分布，重新分布的力使围岩产生了塑性变形，形成了塑性圈。而径向应力与弹性条件下的一致，但切向应力由于塑性变形而使其在巷道边缘不为零，并在巷道边缘到塑性圈是逐渐增大，过了塑性圈，规律与弹性条件下一致。影响工作面矿山压力显现的主要因素。（15分）21.简述软岩巷道变形力学机制。（257）从理论上分析软岩巷道围岩变形力学机制，可分为三种形式，即物化膨胀类型(也称低强度软岩)、应力扩容类型和结构变形类型。(1)膨胀变形机制，膨胀岩含有蒙脱石、高岭土和伊利石等强亲水粘土矿物，这几类矿物由于其晶体结构特殊，能将水分子吸附在晶层表面和晶层内。既具有矿物颗粒内部分子膨胀，又具有矿物颗粒之间的水膜加厚的胶体膨胀。同时通过毛细作用吸水，使岩石体积膨胀。(2)应力扩容变形机制，变形机制与力源有关，软岩在构造应力、地下水、重力、工程偏应力作用下。岩体产生破坏变形，微裂活动迅速加剧，形成拉伸破坏和剪切面，体积扩胀。工程偏应力即本书中的矿山压力、是应力扩容变形中不可忽视的力源。(3)结构变形机制，变形机制与硐室结构和岩体结构面的组合特征有关。结构面的成因类型结构面的结合特征，结构面的力学性质，结构面相对于硐室的空间分布规律及它制约下形成的岩体结构控制着软岩变形、破坏规律二. “支架围岩”相互作用的基本状态（1）给定载荷状态。当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时，支架仅受到离层或脱落岩石自重压力作用。（2）给定变形状态。当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱落时，支架的受载和压缩变形将取决于上覆岩层的运动状态。这种情况下仅靠支架本身的支撑力无法阻止上覆岩层的运动，只有当上覆岩层下沉过程中受到采空区已冒落矸石或充填物阻挡时，支架的收缩变形才能停止。影响采场矿山压力显现的主要因素：采高与控顶距的影响；工作面推进速度的影响；开采深度的影响；煤层倾角的影响；分层开采对矿山压力显现的影响；巷道围岩变形规律：采准巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化。以受到相邻区段回采影响的工作面回风巷为例，围岩变形要经历五个阶段-掘巷影响区；-掘巷影响稳定区；-回采影响区；-回采影响稳定区；-下区段回采影响区（二次采动阶段）。采场上覆岩层活动规律的假说1）压力拱假说：认为：回采空间上方形成自然平衡拱（压力拱）；工作面始终处于拱的保护之下；工作面前进，拱脚随之前进。2）悬臂梁假说：认为：顶板垮落后，煤壁上方岩层以悬臂梁形式存在（含组合梁），随工作面推进周期性垮落，产生周期性来压。3）预成裂隙假说：认为：由于开采的影响，回采工作面上覆岩层的连续性遭到破坏，从而成为非连续体，在回采工作面周围存在着应力降低区、应力增高区和采动影响区，随着工作面的推进，三个区域同时相应前移4）铰接岩块假说：认为：采空区冒落矸石在规则冒落带以上，已断裂的岩块在下移过程中，互相咬合，彼此牵制，当水平力较大时，可形成三铰拱平衡。5）我国学者在岩体结构力学模型上的发展：认为：上覆岩层可以划分为若干组，每组以坚硬岩层为底层，两坚硬岩层间的软岩视为下层硬岩上的载荷和更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层，与硬岩同步移动，受开采影响，坚硬岩层断裂前排列整齐，相互间由水平挤压形成铰接关系，铰接岩块在某些条件下可以形成平衡体，软岩层视为无数垂直的“杆”， 最上层表土层视为均布载荷，岩块回转到水平，此时的铰接关系为水平连杆联结关系。矿山压力显现程度的指标1）顶板下沉： 2）顶板下沉速度3）支柱变形与折损。4）顶板破碎情况5）局部冒顶6）大面积冒顶7）煤壁片帮8）底臌9）支柱插入底板二、周期来压时的矿压显现：1、顶板下沉量急剧增加；2、支柱载荷普遍增加；3、煤壁片帮严重；4、当支撑力不足时，工作面回出现台阶下沉；5、如果支护参数选择不合理，会发生冒顶、切顶2. 区段巷道矿压显现规律（1）煤体煤体巷道，围岩的变形将经历巷道掘进影响、）掘进影响稳定和采动影响三个阶段（工作面前方采动影响）。围岩变形量比采动影响阶段全过程小，一般仅为1/31/3。（2）煤体煤柱或无煤柱巷道（采动稳定），围岩的变）形将经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段（工作面前方采动影响）。受相邻区段采空区残余支承压力的影响，三个影响阶段的围岩变形量大于煤体煤体巷道。（3）煤体煤柱或无煤柱巷道（正采动），围岩的变形）将经历全部的五个阶段，围岩变形量远大于无采动及一侧采动稳定后巷道。2. 巷道布置1、巷道布置在应力降低区。2、尽量避开支承压力影响。3、选择稳定的岩层或煤层布置巷道。4、巷道轴向尽可能与断层构造带或向、背斜构造垂直。5、合理的岩柱宽度。6、巷道的轴线方向尽可能与构造应力方向平行构造应力对巷道为稳定性的影响：主要是水平应力的影响，水平应力是影响巷道顶板冒落、底板鼓起、两帮内挤的主要因素。顶板岩层在水平应力作用下可能出现两种破坏形式：一是薄层页岩类岩层沿层面滑移，二是厚层的砂岩类岩层以小角度或沿小断层产生剪切，顶板失稳冒落。在软岩和厚煤层中，底板岩层在水平应力作用下，与形成褶曲构造相类似，向巷道空间鼓起。如果底板岩层呈粘-塑性变形，底板岩层进入蠕变状态。因此，高水平应力是造成底板岩层破坏和强烈底鼓的主要原因。水平应力在巷道两帮引起较大的拉应力，造成两帮破裂、鼓出和塌落，破坏深度较大。矿山压力显现现象：1顶板下沉2顶板下沉速度3支柱变形与损坏4顶板破碎情况5局部冒顶6工作面顶板沿煤壁切落三2.简述开采后引起的上覆岩层的破坏方式及其分区。（70/179）当煤层开采以后，由于直接顶下部形成较大的空间，直接顶破断后，岩块是不规则垮落，排列极不整齐，其松散系数较大。一般将具有这种破坏方式的岩层称为垮落带（图中区域）。垮落带以上的顶板岩层由于其下部空间较小，岩层岩层断裂后，其向下移动时受到相互牵制，岩层只是断裂下沉而无翻转，通常称这个区域叫做裂隙带（图中区域）。在向上直至地表的岩层只有弯曲下沉而无断裂，这一带常称为弯曲下沉带（图中区域）。根据裂隙带内岩层的移动特点，沿工作面推进向可将其分为以下几个区域：1）A区域，即煤壁支撑影响区，这个区域在煤壁前方3040m的范围内，该区域内岩层有较明显的水平移动，而垂直移动甚小，有时岩层还可能出现上升现象。 2）B区域，也称为离层区，这个区域是在回采工作面推过以后的采空区上方。这个区的岩层移动特点是：破段岩层的垂直位移急剧增大，其下部岩层垂直移动速度大于上部岩层的垂直移动速度，因而下部岩层和上部岩层发生离层。 3）C区域，称为重新压实区。这个区域内裂隙带的岩层重新受到已冒落矸石的支撑，垂直移动减缓，其下部岩层的垂直移动速度小于上部岩层，因而使离层岩层出现的层间间隙又重新闭合1.1.围岩压力采掘活动引起巷道围岩应力集中和重新分布，使巷道周边岩体自稳能力显著降低，导致向巷道空间移动。为了防止围岩变形和破坏，需要对围岩进行支护。这种围岩变形受阻而作用在支护结构上的挤压力或塌落岩石的重力，统称为围岩压力1）松动围岩压力（2）变形围岩压力（3）膨胀围岩压力（4）冲击和撞击围岩压力2. 影响围岩压力的主要因素开采技术因素回采工作状况，即巷道与回采工作面相对空间、时间关系；巷道保护方法。地质因素：原岩应力状态、围岩力学性质、岩体结构、岩石的组成和胶结状态、围岩中水分的补给状况等。1.分析采场支架工作阻力与顶板下沉量的“P-L”曲线关系支架工作阻力与顶板下沉量的关系在一定程度上反映了支架与围岩的相互作用关系。从PL曲线可以得出一下结论：不同的顶板条件，PL曲线的斜率不同，但都呈双曲线关系。在一定工作阻力以上，支架工作阻力增加对顶板下沉量影响较小，但低于此值则提高支架工作阻力将减少顶板下沉量。支架的工作阻力并不能改变上覆岩层“大结构”的总体活动规律。回采工作面支架应具备以下两个基本特性：一是必须具备一定的可缩量；二是必须具备有良好的支撑性能，即一定的工作阻力。因而在支架选型与支护设计中，最主要是确定支架的最大可缩量与最大工作阻力15.简述回采工作面周围支承压力分布规律。（195）煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态，引起应力重新分布。对于受到采动影响的巷道，它的维护状况除了受巷道所处位置的自然因素影响以外，主要取决于采动影响。煤层开采以后，采空区亡部岩层重量将向来空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成文承压力带。工作面前方形成超前支承压力，它随着工作面推进而向前移动，称为移动性支承压力或临时支承压力。工作面沿倾斜和仰斜方向及开切眼侧煤体上形成的支承压力，在工作面采过一段时间后，不再发生明显变化，称为固定支承压力或残余支承压力。回采工作面推过一定距离后，采空区上覆岩层活动将趋于稳定，采空区内某些地带冒落矸石被逐渐压实，使上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支撑。因此，在距工作面一定距离的采空区内，也可能出现较小的支承压力，称为采空区支承压力。支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为48m，相当235倍回采高度。影响范围为4060m，少数可达6080m，应力增高系数为253。工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为1530m，少数可达3540 m，支承压力峰值位置距煤壁一般为1520m、应力增高系数为23。采空区支承压力血力增高系数通常小于l，个别情况下达到13。相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。例如，在上下区段之间，少区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加、在煤层向采空区凸出的拐角、形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达57，有时甚至更高。四二、锚杆支护理论1.悬吊理论锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，增强较软弱岩层的稳定性。如果巷道浅部围岩松软破碎，顶板出现松动破裂区，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。2.组合梁理论如果顶板岩层中存在若干分层，组合梁理论认为锚杆的作用一方面提供锚固力增加岩层间的摩擦力，阻止岩层沿层面继续滑动，避免出现离层现象；另一方面锚杆杆体可增加岩层间的抗剪强度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁成一个较厚的岩层。 3.组合拱（压缩拱）理论在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，从杆体两端起形成圆锥形分布的压应力区，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，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即压缩拱。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。 4.最大水平应力理论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时，铅直应力向两帮转移，水平应力向顶底板转移。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。锚杆的作用是沿锚杆轴向约束岩层膨胀和在垂直锚杆轴向方向约束岩层剪切错动。5.围岩强度强化理论围岩强度强化理论是针对软岩煤巷围岩 提出的。莫尔强度理论：莫尔于1900年提出了莫尔强度理论，认为材料发生破坏是由于材料的某一面上剪