采动围岩应力与控制

采动围岩应力与控制1、简述矿山压力及其控制发展简史与现状。

2、简述近水平工作面矿山压力显现的基本规律。

答：近水平工作面推进过程中的矿压显现规律如下：首先开切眼，随着工作面的推进，直接顶冒落；工作面再推进，直接顶大面积冒落，老顶产生裂隙，并形成三铰拱式平衡；工作面再推进，老顶平衡失稳，老顶垮落，对工作面形成冲击，这次冲击叫初次来压，此时工作面推进的距离是初次垮落步距。

初次来压后，工作面再推进，老顶又形成三铰拱式平衡，再推进三铰拱式平衡失稳，老顶垮落；周而复始，老顶由稳定－失稳－稳定－失稳的过程就形成了周期来压。

两次来压之间，工作面推进的距离叫周期来压步距。

3、论述影响矿山压力显现的主要因素。

答：（1）采高与控顶距：采高越大，采出的窨越大，必然导致采场上覆岩层破坏越严重。

控顶距越大，矿压显现越严重。

（2）工作面推进速度的影响：工作面推进速度越慢，矿压显现越严重。

（3）开采深度的影响：随着开采深度的增加，巷道围岩的变形与支架上承受的压力都将增加，但开采深度对采场顶板压力大小的影响并不突出。

（4）煤层倾角的影响：煤层倾角对回采工作面矿山压力显现的影响也是很大的。

随着煤层倾角的增加，顶板下沉量将逐渐小。

（5）分层开采时的矿山压力显现：开采第一分层时，矿山压力显现规律与普通单一煤层开采没有任何区别。

但当回采以下各分层时，工作面顶板就变成了在第一分层回采时冒落的岩块。

这样，破碎的顶板必然给顶板管理工作带来新的困难。

4、简述放顶煤工作面矿山压力研究的主要内容有哪些？以及其矿山压力显现的特点？答：放顶煤工作面也具有单一煤层采面的一般矿压显现规律，如初次来压、周期来压等。

但由于一次采高增大，煤炭开采对直接顶岩层和老顶的扰动范围增大，加之直接顶力学特性的变化，势必引起采面矿压显现的新特点。

（1）支承压力分布。

综放开采的支承压力分布范围大，峰值点前移。

支承压力集中系数与单一煤层开采相比没有显著变化。

综放面制成压力的分布同时受到煤层强度、煤层厚度等影响。

煤层愈软，支承压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远；煤层愈厚，支承压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远。

（2）放顶煤工作面支架载荷不大，说明离工作面不远的高处就形成平衡结构。

支架受载并不因采高加大而增加，仅和煤的强度有关，煤的强度大，则顶煤的完整性愈好，支架载荷稍大。

放顶煤工作面仍有周期来压现象，但不明显，初次来压强度也不大。

这是由于破断岩板离工作面较高的原因。

（3）放顶煤工作面的煤壁及端面顶板的维护显得特别重要。

因为煤顶容易破碎，尤其当煤壁片帮、煤顶节理和裂隙比较发育、遇有局部断层、褶曲构造，老顶来压时，加上放顶煤工作面推进速度较慢，容易产生端部冒顶。

因此改善端部结构，加大支架的实际端面初撑支护强度十分重要。

（4）放顶煤工作面，端头压力和工作面两端平巷压力并不大，虽然由于一次采高增加引起支承压力增加，但由于是一次采全厚，故回采巷道的矿压显现较分层多次开采缓和。

（5）支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力。

5、简述莫尔一库仑强度理论及适用条件。

答：莫尔—库伦理论认为材料发生破坏是由于材料的某一面上剪应力达到一定的限度，而这个剪应力与材料本身性质和正应力在破坏面上所造成的摩擦阻力有关。

即材料发生破坏除了取决于改点的剪应力，还与改点正应力相关。

莫尔强度理论课表述为三部分：（1）表示材料上一点应力状态的莫尔应力圆；（2）强度曲线；（3）将莫尔应力圆和强度曲线联系起来，建立莫尔强度准则。

莫尔—库伦理论较全面地反映了岩石的强度特性。

它实用于塑性岩石以及脆性岩石的剪切破坏；能体现岩石的抗压强度远大于抗拉强度的特性；能解释岩石在三轴等压压缩条件下不破坏和三轴等拉条件下会破坏的现象。

图1 莫尔－库仑准则强度曲线ϕτcot +=c则1312sin 2cot 2NMDMc ϕσσσσϕ=-=++ 解得：132sin cot 1sin 1sin 1sin c ϕϕϕσσϕϕ+=+-- 总之，莫尔强度理论较全面地反映了岩石的强度特性。

它实用于塑性岩石以及脆性岩石的剪切破坏；能体现岩石的抗压强度远大于抗拉强度的特性；能解释岩石在三轴等比压缩条件下不破坏(因强度曲线在受压区不闭合)和三袖等拉条件下会破坏(因强度曲线在受拉区闭合)的现象。

莫尔认为，固体材料的破坏是由于材料面上的剪应力达到一定程度（即极限剪应力），剪应力不仅与材料端面性质有关，并与作用在端面上的主应力有关。

6、绘图说明双向等压条件下圆形巷道围岩内的应力分布，并加以解释。

答：1、在弹性条件下图2 弹性条件下圆形巷道应力分布图 图3 塑性条件下圆形巷道应力分布图如图2所示，根据弹性力学可以得到)1(22211r r t +=σσ )1(22211r r r -=σσ①在双向等压应力场中，圆7L 周边全处于压缩应力状态。

②应力大小与弹性常数且与E 、μ无关。

②t σr σ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局边的切向应力为最大应力，其最大应力集中系数尺＝2，且与孔径的大小无关。

当t σ＝2γH 超过孔周边围岩的弹性极限时，围岩将进人塑性状态。

⑤其他各点的应力大小则与孔径有关。

⑥在双向等压应力场中因孔周围任意点的切问应刀q 与径向应力久之和为常数，且等于21σ。

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r σ与弹性条件下的一致，但切向应力t σ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。

7、简述煤矿巷道常用的支护方式，简述锚杆支护的常用理论与前景。

答：巷道支护分为巷内支护和巷旁支护。

（1）、巷内支护形式有巷道内基本支护和巷道内加强支护两类。

其中，巷道内基本支护形式有：1）木材支架 2）金属支架 3）锚杆巷道内加强支护主要有：1)永久性加强支护，即在巷道内安设支架以后不再拆除。

2)临时性加强支护，临时性加强支护一般采用便于拆装和能及时承载的单体液压支柱或金属摩擦支柱。

(2)巷旁支护。

根据巷旁支护的力学特性和支护带的宽度，可以将巷旁支护分为如下：1）矸石带 2）木垛 3）密集支柱 4）人工砌垛 5）刚性浇注带。

常用理论：一、悬吊理论1952年路易斯·阿•帕内科（Louis A·Panek）等发表了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。

悬吊理论较直观地揭示了锚杆的作用，但没有考虑到围岩的自承能力，将锚固体与原岩体分开，与现场实际有一定出入，而且其只适用于巷道顶板，不适用帮、底。

当巷道顶板软弱岩层较厚或围岩破碎范围较大时，悬吊理论就不适用。

二、组合梁理论组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板，可看作是由巷道两帮作为支点的一种梁，这种岩梁支承其上部的岩层载荷。

图1.6 锚杆支护悬吊示意图图1.7 锚杆支护组合梁示意图使用锚杆将各层“装订”成一个整体的组合梁，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象。

在上覆岩层荷载作用下，这种较厚的组合梁比单纯的迭加梁，其最大弯曲应变和应力将大大减小，挠度亦减小。

而且各层间摩擦阻力愈大，整体强度愈大，补强效果愈好。

三、压缩拱理论压缩拱理论是由兰氏（T•A•Lang）和彭德（Pender）通过光弹试验提出来的。

压缩拱原理认为，在拱形巷道围岩的破裂区中，安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够小，各个锚杆的压应力维体相互交错，这样使巷道周围的岩层形成一种连续的压缩带（拱）。

四、最大水平应力理论澳大利亚学者盖尔（W•J•Gale）在上世纪90年代初提出了最大水平应力理论。

该理论认为：矿井岩层的最大水平应力理论，在最大水平应力作用下，巷道顶底板岩层发生剪切破坏，因而会出现错动与松动引起层间膨胀，造成围岩变形。

锚杆所起的作用是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求具备有强度大、刚度大、抗剪阻力大的高强锚杆支护系统。

我国学者对锚杆支护机理的新认识国内在对公认的三大传统的锚杆支护图1.8 锚杆支护组合拱示意图理论基础上，对锚杆作用机理这个实质问题，又做了大量的深入研究与探讨，进一步揭示了锚杆支护的实质，促进了锚杆支护理论研究的发展，扩大了锚杆支护技术应用的范围。

一、侯朝炯、勾攀峰教授提出的巷道围岩强度强化理论。

二、陆士良教授等对锚杆锚固力的内涵及作用进行了深入研究，认为锚杆对围岩的锚固作用是通过锚固力来实现的，而锚固力是依赖围岩变形而产生和发展的。

三、林崇德博士对煤巷锚杆加固作用机理的研究认为：锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显效果，但在围岩产生塑造破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。

四、董方庭教授提出的松动圈理论认为：巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中的碎涨变形力，锚杆受拉由松动圈的发生、发展引起，因此开巷后是否需要支护和支护强度由松动圈大小决定。

8、论述煤矿开采过程中可能造成的顶板灾害、预防顶板事故的重要性及其控制技术。

答：一般来说，顶板事故分为采区顶板事故和巷道顶板事故。

1、采区顶板事故又分为大型冒顶和局部冒顶。

其中，大型冒顶又分为：1)周期来压时压垮式冒顶，造成原因式工作阻力步够，初撑力低；2)厚并难冒顶板大面积冒顶，原因是由于顶板难冒，形成大面积的悬顶，当顶板压力大于极限应力时就产生大面积冒顶；3)大面积垮落，是由于大面积的漏顶而产生；4)复合顶板，由于下软上硬顶板，使顶板容易产生离层。

局部冒顶分为：1)工作面两端冒落，成因使空顶面积大；2)端面冒落，顶板破碎，支撑不够，产生片帮引起的；3)放顶线，在放顶线产生游离的岩块；4)地质破碎带，原因使地质条件差。

2、巷道顶板事故分为巷道掘进头冒顶、巷道交叉口冒顶。

前者使因为支护不及时，后者使因为漏顶的面积大。

顶板事故是煤矿不容忽视的重要灾害事故之一，它不同于瓦斯煤尘爆炸，群死群伤的重特大恶性事故通常比较少见，而零散事故却频繁发生，凡是有人工作的地点，都有可能发生这类事故，分布范围也特别广泛。

也正因为一次死亡人数难以构成群死群伤的恶果，往往人们的重视程度不够，管理不细，忽视其累计的恶果，加强顶板管理、减少或杜绝顶板事故发生仍是降低百万吨死亡率，扭转煤矿安全生产形势的重点工作之一。

控制措施：9、论述矿山压力与围岩控制研究的主要内容。

答：包括矿山岩石和岩体的基本性质；矿山岩体的原岩应力；采场顶板活动规律；采场矿压显现规律；采场顶板支护方法；采场岩层移动与控制；巷道矿压显现规律；巷道维护原理和支护技术；厚煤层及浅埋煤层开采岩层控制；煤矿动压现象及控制等。

10、什么是原岩应力？其分布的规律是？研究原岩应力分布对采矿工程的意义有哪些？答：原岩应力――岩石中自然条件下存在的应力，包括自重应力和构造应力。