《岩层控制技术》试题6

《岩层控制技术》试题六

参考答案

一、名词解释（每题2分，共20分）

1、莫尔强度理论：该理论认为岩石发生破坏主要是由于破坏面上的剪应力达到一定限

度，但此剪应力还与破坏面上由于正应力造成的摩擦阻力有关。

2、沿空留巷：就是在上区段工作面采过后，通过加强支护或采用其它有效的方法，将

运输平巷保留下来，供下区段工作面开采时作为回风平巷之用。

3、支承压力：巷道两侧改变后的切向应力增高部分。

4、支柱的初工作阻力：指在支架的性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力的增长率由急

剧增长转为缓慢增长的转折点处的工作阻力。

5、矿山压力显现：由于矿山压力的作用，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生的种种

力学现象。

6、周期来压：由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象。

7、原岩应力状态：天然存在于原岩内而与任何人为原因无关的应力场。

8、端面破碎度：支架前梁端部到煤壁间顶板破碎的程度。

9、支撑效率：在实际工作中，为了衡量支柱工作阻力P反映到整个支架承受载荷Q的

能力，经常以Q/P的百分数表示此支架的支撑效率。

10、裂隙体梁的平衡：工作面上覆岩层中由于岩块之间的咬合，可能形成外表似梁、

实质似拱的平衡关系。

二、填空（每题1分，共10分）

1、（岩石强度）（承载能力）

2、（坚硬）（不均匀）（方向性）

3、（2）（无关）

4、（5％）（R i=√20r1）

5、（一对力）（支架性能）

6、（11.2）（能）

7、（44）（18）

8、（急增阻式）（微增阻式）（恒阻式）

9、（围岩的自承能力）（支架）（围岩）

10、（分布范围）（分布形式）（峰值大小）

三、回答问题（8题任选6题，每题5分，共30分）

1、〖答〗初次垮落指无支护的直接顶第一次垮落。初次来压指老顶的活动。

2、〖答〗顶梁较长；支架的支撑力靠近采空区一侧；框式结构，不能承受水平力；通

风断面大、行人方便、结构简单、重量轻。适用于瓦斯涌出量较大、直接顶比较完整、顶板压力较大的近水平煤层和缓倾斜煤层工作面。

3、〖答〗煤体边缘卸载带：多数情况为1～3m，少数情况可达4～6m。

支承压力显现带：多数矿井为15～30m，少数矿井可达35～40m，其中支承压力峰值距煤体边缘的距离（相当于塑性区宽度），对多数矿井为15～20m。

原岩应力带。

4、〖答〗岩石是组成地壳的基本固态物质，它由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成。有时称为岩块。岩体是指自然界中由各种岩性和各种结构特征的岩石所组成的集合体。在工程实际中也可以把岩体看作是由结构面和受它包围的结构体共同组成的。

显然，岩石是组成岩体的基本单元，岩体的特征除了受岩石基本特征的影响外，还受结构面的影响。

岩体和岩石主要有以下不同：

（1）、从物质组成上，岩石由造岩矿物和岩屑组成；而岩体则由各种岩石组合而成，并因受到成岩时生成的结构面和以后由于地质构造作用而形成的裂隙的影响，也可看作是由结构面和结构体共同组成的；

（2）、绝大多数岩石比较致密均匀，可以看作是均匀介质；而岩体由于存在结构面，或岩石组合不同，呈现出明显的非均质性；

（3）、当岩石内包含有层面时具有各向异性的特点，同一层面内则显示各向同性，但一般情况下块状岩石为各向同性；而岩体由于存在结构面，表现出明显的各向异性；（4）、岩石内矿物颗粒接触较紧密，充填物胶结较好，可认为是连续的，在研究其受载下变形和破坏时可利用连续介质力学的方法；而岩体由于受结构面的影响，一般属于非连续体，研究其受载下的变形和破坏时一般不能应用连续介质力学的方法；

（5）、岩石的强度特征是整体强度较为均一；而岩体由于结构面和结构体组合特征不同，整体强度悬殊很大。一些实验表明，岩体强度和岩石试块强度有时相差一、两个量级；（6）、从破坏机理上，岩石单向受压时以剪切破坏为主，在围压状态下基本是剪切破坏；而多裂隙岩体为无拉伸材料，受压时常沿结构面破坏。

5、〖答〗“二次支护”是国外一些学者根据巷道“支架—围岩”相互作用的特点，提出的一种支护方法。根据“支架—围岩”相互作用及共同承载原理，巷道支护应充分利用围岩本身的自承能力，因此，开掘巷道后，应在允许条件下隔一段时间支护，以使巷道释放一部分变形能，减轻支架受载，但巷道变形不能过大。还要防止由于危岩冒落造成顶板事故，据此提出了二次支护的思想。即第一次支护的主要作用是及时限制和减少可能造成围岩破坏的变形，防止危岩冒落，但与掘进头临时支护不同，支好后不再撤除，而是保留下来与二次支护共同承载；二次支护则是在一次支护后，能量得到一定释放，为了使围岩稳定，增加安全储备，保证巷道长期安全使用的永久支护。

回采巷道一般服务年限很短，没有必要使用二次支护。由于回采巷道在它全部服务期限内要受到采动影响，因此在不同矿压显现带，根据受载特征，要架设加强支柱、巷旁支护等等，经历2～3次支护形成联合支护，这是根据回采巷道“支架—围岩”相互作用特征形成的，与国外学者提出的“二次支护”思想不能说成是一回事。

6、〖答〗（1）、老顶来压步距小、强度低；

（2）、支架载荷变小；

（3）、顶板下沉量变大。

7、〖答〗巷道周围处于极限平衡状态的岩体范围叫极限平衡区。煤层开采后，上覆岩层按破坏方式可分为三个带：冒落带、裂隙带、弯曲下沉带；根据裂隙带内岩层的移动特点，沿工作面推进方向可将其分为三个区：煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区。8、〖答〗（1）、孔周围形成应力集中，而且切向应力集中现象主要发生在孔的周边。

（2）、对单一圆形孔，应力集中系数K的大小仅和侧压系数λ有关，其值K＝2～3；对椭圆形孔，应力集中系数K值与侧压系数λ及孔的轴比a／b有关；对于多个孔，应力集中系数K值与孔的大小、孔的间距和侧压系数λ值有关。

（3）、无论任何形状的孔其周围切向应力重新分布的影响都有一定的范围，其

影响范围与孔的大小有关。

四、简述题（4题任选3题，每题10分，共30分）

1、〖答〗从实测的“s—t”曲线中可以看出，加快工作面的推进速度实质上意味着减少了工作面顶板的控制时间，也就是减少了时间因素对顶板下沉的影响，无疑可以减小顶板的下沉量，改善顶板的维护状况。但是加快工作面的推进速度却在一定的时间间隔内增加了工序的影响次数，即缩短了相临两个工序的间隔时间，同时也必然使顶板的下沉速度加剧。当工作面推进速度加快到一定程度后，可能会出现前一个工序影响的顶板下沉还未稳定，后一个工序的影响却已来到。这样，会使工作面顶板始终处于剧烈活动的情况下。显然，这种情况对顶板的维护是非常不利的。

在工作面推进速度很慢的情况下，加快工作面的推进速度对于减小顶板的下沉量，改善顶板的维护状况显然是有利的。但是，如果工作面的推进速度已提高到一定程度后，再提高工作面的推进速度不但不能减小顶板的下沉量，反而会使顶板活动更加剧烈。从理论上来讲，用加快工作面推进速度的方法来减小顶板下沉量，改善顶板维护状况是有一定限度的。因此企图用加快工作面推进速度来甩掉矿山压力的想法更是不现实的。

在目前的实际生产中，工作面的推进速度还远没有达到不能再提高的地步。从矿山压力的观点出发。即使是年产百万吨的采煤队，再提高工作面的推进速度以减小顶板的下沉量还是可能的。

2、〖答〗直接顶是回采工作空间直接维护的对象。直接顶的稳定性直接影响着工作面支护方式和支架架型的选择。对于不稳定的直接顶要求支架有较好的护顶性能，在煤层开采以后，不应使顶板的暴露面积过大，以免发生局部冒顶，采用单体支架要注意采取有效的勾顶措施，防止顶板从架间漏空，影响支架对顶板的支护；在采用液压自移支架时，应选用掩护性能较好的掩护式支架。直接顶的稳定性较好时，对勾顶要求并不严格，可以选用支撑式或支撑掩护式支架。

3、〖答〗老顶岩层悬露后，可视为两端固定的梁。根据材料力学可知，梁中的最大弯矩和最大剪力均发生在梁的两端，它们的数值分别为：

最大弯矩：

M max＝－qL2／12

最大剪力：

Q max＝qL／2

梁中任意一点的正应力和剪应力分别为：

σ＝12My／h3；τxy＝2Q x（h2－4y2）／3h3

最大正应力发生在梁的表面，即：y＝h／2处，则有：

σmax＝qL2／2h2

最大剪应力发生在梁的中性轴上，即：y＝0，则有：

（τxy）max＝3qL／4h

当梁中的σmax达到梁的抗拉强度极限R T时，梁就要被拉断。这时，梁的极限跨距为：

L T＝h√2R T／q

当梁中的剪应力（τxy）max达到梁的抗剪强度极限R s时，梁就要被剪断。这时，梁的极限跨距为：

L s＝4hR s／3q

对于一般煤系岩层其岩石的抗剪强度极限R s要比抗拉强度极限R T大两倍以上。从以上两式中可以看出，在条件相同的情况下，L s要比L T大得多，在梁中的剪应力达到抗剪强度极限以前，梁中的最大拉应力已达到了抗拉强度极限而使岩梁断裂。所以，老顶岩层断裂时，

总以弯曲受拉断裂为主。

4、〖答〗在一定的地质条件下，即在顶板岩石组成相同的情况下，煤层采高愈大直接顶冒落后愈不易充满采空区，上覆岩层愈不易形成结构（裂隙体梁等），并使工作面的矿压显现变得愈严重。当采高较小时，直接顶冒落后可能充满采空区，上覆岩层可能会得到很好的支撑，使工作面的矿山压力显现变得比较缓和。即由于采高不同，K m值不同，而使顶板的周期来压显现也不同。

另外，顶板的下沉量也是衡量矿山压力显现的一个重要的指标，煤层采高愈大，老顶岩层以下的空间也愈大，老顶岩层形成的裂隙体梁的下沉也愈大，迫使工作面的顶板下沉量增大。

根据煤层开采后上覆岩层的移动曲线S x＝S m（1－e－aZb）可知，距工作面煤壁愈远，顶板的下沉量也愈大。所以有顶板下沉量和煤层采高及工作面控顶距成正比的关系，及S L＝ηmL的关系。

从减小矿山压力显现的观点出发，在煤层开采过程中应尽量减小采高和控顶距。但是，由于生产工艺的要求和开采工作的方便，采高和控顶距又不能过小。回采工作面必须留有采煤机、运输机道，行人和堆放材料的空间，并保证工作面通风所需要的断面。再有，采高的确定还要考虑煤层条件。例如，有一煤层厚度为 3.2m，为了减少煤层采高可将煤层分为两个分层进行回采，显然，这样分层回采，采高太小，不便于回采工作。因此，可采用一次采全高回采。

五、计算（每题5分，共10分）

1、〖答〗（1）、据剪切破坏角求岩石内摩擦角υ

题意指出抗剪强度随正应力呈线性变化，符合直线型强度曲线，α＝45。＋υ／2，已知α＝60。可得

内摩擦角υ＝30。

（2）、求内聚力C

因为Rc＝2Ctg（45。＋υ／2）

C＝Rc／2tg（45。＋υ／2）＝28／2×tg（45。＋30。／2）＝8.08MPa

C即为正应力σ等于零时的岩石抗剪强度。

（3）、求与最大主平面成30。夹角的平面上的抗剪强度

τ30。＝（σ1－σ3）÷2×sin2α＝（28－0）÷2×sin（2×30。）＝12.1MPa （4）、破坏面上的正应力σ60。和剪应力τ60。

σ60。＝（σ1＋σ3）÷2＋（σ1－σ3）÷2×cos2α＝7MPa

τ60。＝（σ1－σ3）÷2×sin2α＝12.1MPa

2、〖答〗煤层开采后，直接顶冒落形成的总空间为m＋∑h，而冒落的直接顶破碎矸石所占的空间为Kp×∑h，所以，直接顶冒落后的破碎矸石和老顶之间的距离⊿H可用下式估算：

⊿H＝m＋∑h－Kp×∑h

将题所给的数据代入上式可得：

∑H＝8＋4－1.6×4＝0.6m