矿山压力及其控制习题及解答

矿山压力及其控制习题及解答第一章矿山岩石和岩体的基本性质一、什么叫岩石的应力应变全程曲线？为什么说它真实的反映了岩石的破坏过程？认识这一过程对研究岩石性质有何意义？岩石的应力应变全程曲线，又称全应力—应变曲线，是在刚性实验机上得到的、反映岩石加载后变形和破坏全过程的实验曲线。

如图1-1，它与在一般普通的材料实验机上所得的曲线不同，可分为以下几段：1、OA段，为岩石的压密阶段，由于岩石内部各种裂隙受压闭合而形成；2、AB段，接近于直线，为线弹性阶段，B 点为弹性极限；3、BC段，为塑性段，与普通材料实验机上脆性岩石发生破坏前塑性段很短相比，它的塑性段较为明显。

由于这一阶段岩石内部有微破裂不断发生，又称为破裂发展阶段。

岩石到C点发生破坏，C点即为强度极限；4、CD段、岩石的破坏是一个渐进的发展过程，即岩石在C 点达到强度极限以后仍有一定的承载能力，在低于强度极限的压力下应变继续扩大，直到压力降到某一较小值，岩石在 D 点达到完全破坏。

这一段卸载曲线CD，称为后破坏曲线或峰后特性曲线。

岩石的应力—应变全程曲线真实地反映了岩石破坏的全过程。

过去在普通的材料实验机上得不到这一曲线，是由于普通的材料实验机具有“柔性”，在对岩石试块加载过程中它本身也相应地产生变形，不断地聚积一部分变形能。

当岩石达到强度极限后，随试件破裂。

图1 岩石的应力应变全程曲线二、莫尔强度理论和格里菲斯强度理论提出的基本思想是什么？它们在本质上有何区别？为什么目前莫尔强度理论较广泛地用作岩石的强度条件？莫尔强度理论认为，材料破坏主要是由于破坏面上的剪应力达到一定程度，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。

也就是说，材料某一点发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时取决于正应力，即沿某一面剪断时剪应力与正应力存在着一定的函数关系，τ=f（σ）。

格里菲斯强度理论则认为，任何材料内部都存在各种细微的裂缝，当材料处于一定的应力状态时，在这些裂缝的端部便会产生应力集中。

如果主应力为拉应力，则在裂缝端部产生几倍于主应力的拉应力；如果主应力为压应力，在裂缝端部也产生拉应力。

当裂缝周周拉应力超过岩石的抗拉强度时，就会由于岩石的扩展而造成岩石的破坏。

莫尔强度理论的实质是剪切破坏理论，而格里菲斯强度理论的实质是脆性拉断破坏理论，这就是它们实质上的区别。

日前莫尔强度理论之所以广泛地用作岩石的强度条件，是由于它能较全面地反映岩石的强度特性。

如它能较好地反映岩石抗拉强度远小于抗压强度的特点；它能解释岩石为什么会在三向受拉时破坏，而在三向等压时不会破坏这样一些基本现象（因为包络线在受拉区闭合，在受压区不闭合）等。

三、在矿山压力和岩层控制的实践和研究中，较广泛应用的岩石强度理论有哪些？各有何优缺点？今后的前景如何？在矿山压力和岩层控制研究中较广泛应用的岩石强度理论主要有三个：莫尔强度理论，格里菲斯强度理论和八面体剪应力理论。

1.目前，应用最广的是莫尔强度理论。

因为经过大量实践，正明它能较准确地解释和判断一些岩石的破坏现象，较全面地反映岩石的强度特性。

岩石在不同受力状态下的破坏形式，主要有两种：剪切破坏和拉断破坏，莫尔强度理论与最大剪应力理论（或称第三强度理论）不同，后者认为材料在一定受力状态下，当其最大剪应力等于单向拉伸实验时的极限剪应力时，材料破坏。

而莫尔强度理论则认为，导致材料破坏的剪应力不仅与材料本身的性质有关，还与破坏面上由正应力造成的摩擦阻力有关，即材料沿某一个面剪断时的剪应力与该面上的正应力存在一定的函数关系τ=f（σ）。

显然，莫尔强度理论更符合岩体实际所受的复杂的应力状态。

实验所得的莫尔强度包络线，在拉应力区闭合，也能反映岩石抗拉强度远小于抗压强度这一特点。

实践还表明，莫尔强度理论不仅适用于脆性材料的破坏，在有些情况下也适用于塑性材料的破坏。

直线型莫尔强度包络线由岩石抗剪实验得到，简易准确，大量被应用作岩石破坏的判据。

莫尔强度理论主要缺陷有二：一是它没有考虑到中间主应力σ2的影响；二是它以材料刚进入破坏时的极限应力为破坏准则，不能反映材料破坏的渐进性，特别是在高围压情况下。

2.格里菲斯强度理论被有些学者认为是最有发展前途的强度理论，它不仅能解释岩石脆性破坏现象，而且它的出发点是认为材料破坏的根据是其内部存在着细微的裂缝，无论在拉应力或压应力作用下都会在裂缝周围产生应力集中，形成拉应力，当裂缝端部拉应力大于材料的抗拉强度时，就会由于裂缝的扩大导致材料破坏。

这就解释了许多材料在远低于其强度极限时就发生破坏的原因。

因此，在格里菲斯强度理论的基础上发展了断裂力学，在岩石力学中也出现了断裂岩石力学。

一些人用它来研究岩石中裂隙扩展和破坏问题，以及岩石的压缩破坏机理，近年也有人据此分析巷道锚喷支护前后裂纹应力场的变化，解释锚喷机理。

但也有人认为格里菲斯强理论距离实际应用还有一定距离，即岩石中存在的大量节理裂隙与材料中的一条裂缝有很大区别，一些实验表明，岩石中大量裂隙在压应力下产生闭合，某些情况下裂隙闭合反而使强度有所增加，有人据此对格里菲斯理论进行了修正，可见它在不断发展。

3.八面体剪应力理论，又称八面体强度论或形状改变比能理论或歪形能理论。

它认为材料破坏的原因是材料的屈服，而引起材料屈服的原因是八面体剪应力，即材料无论处于何种受力状态，只要八面体上的剪应力τ8达到材料单向拉伸破坏时剪应力τ8s时，材料就开始屈服。

这一理论考虑到了岩石的三向受力状态，包括中间主应力σ2，与塑性材料的实验结果符合，在塑性力学中称为冯－米赛斯破坏准则，因此在研究岩石的塑性破坏时有应用，但距广泛应用还有很大距离。

4. 在矿山压力研究中也有人应用最大变形理论，即第二强度理论，认为岩石的破坏取决于临界状态下的变形，一些现场也以某种变形极限作为判断岩石破坏的依据。

第二章矿山岩体内应力的重新分布一、研究空的周围应力对研究矿山压力有何实际意义，有哪些重要结论可以借鉴？在煤层开采过程中，井下巷道的断面形状是多种多样的，而且巷道周围岩石又是非均质的各向异性体，其力学特性及围岩的应力场目前还未完全掌握，因此，自前还无法用数学力学方法求出巷道周围应力分布的精确解。

近年来虽然应用了有限元和边界元计算法，但其结果仍是经过简化了的近似解。

为了研究问题的方便，假设巷道周围岩体为均匀连续弹性体。

这样，就可将巷道视为圆孔，用弹性力学的方法求出巷道周围岩体的应力分布，从而近似地反映实际巷道周围地矿压情况，使所研究问题得以简化。

从圆形孔周围应力分布的研究中，有以下结论可以借鉴：当岩体处于静水平应力状态（λ=1）时，圆形巷道周围应力场有以下几个特点：1.巷道周围岩体全部处于压缩状态。

2.孔周边的最大应力集中系数K＝2 ，并且与孔的直径大小无关。

3.圆孔周围任意一点的切向应力与径向应力之和为一补常数，且σt+σr=2γH。

4.圆形孔周边以外其他各点的应力大小与孔径大小有关。

当岩体处于单向受压应力状态（λ=0）时，圆形孔周围应力场有以下几个特点1.圆形孔周围岩体有拉应力区出现。

2.圆形孔周边最大应力集中系数K=3 ，当θ=0°和时θ=180°，孔周边的切向应力σt=3γH。

3.当在孔内增加侧向压力时可以使应力场得到改善，这就是巷道安设支架的作用。

当0≤λ≤1时，巷道周边应力情况介于以上两种情况之间，应力集中系数K则介于2～3之间。

二、什么叫支承压力？它和矿山压力有何不同?矿山压力是指在岩体中开掘巷道或在煤层中进行采煤以后，破坏了岩体内的原始应力平衡状态，而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体中和支护物上引起的力。

支承压力则是指在岩体中开掘巷道，在煤层内进行采煤时巷道两侧或回采工作面周围煤壁上形成的高于原岩应力的垂直集中应力。

支承压力是矿山压力的一个重要组成部分，支承压力的存在对于围岩变形和破坏，对于巷道维护，工作面落煤，开采过程中的冲击地压，煤与瓦斯突然喷出等都有直接的影响。

所以，支承压力是研究矿山压力及其控制的一个重要组成部分和主要对象。

但它不是矿山压力的全部内容，矿山压力除支承压力以外，还包括巷道及回采工作面周围岩体对支架产生的力，围岩中的水平应力等等。

第三章回采工作面上覆岩层活动规律及其分析一、简述煤层开采后，上覆岩层的破坏方式。

怎样按破坏方式分区？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，岩块呈不规则垮落，排列极不整齐，其松散系数较大。

将具有这种破坏方式的岩层称为冒落带，如图3-1 中的Ⅰ区域。

冒落带以上的顶板岩层由于其下部自由空间较小，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，通常将这个区域叫做裂隙带，如图3-1 中的Ⅱ区域。

再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，如图3-1中的Ⅲ区域。

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30～40m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：破断岩层的垂直位移急剧增大，其下部岩层的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，因而使岩层离层时出现的层间空隙又重新闭合。

图3-1 回采工作面上覆岩层的分带与分区Ⅰ—冒落带；Ⅱ—裂隙带；Ⅲ—弯曲下沉带A—煤壁支撑影响区；B—离层区；C—重新压实区二、试分析采场上覆岩层所形成的裂隙体梁的失稳条件。

采场上覆岩层中形成的结构就是上覆岩层的破断岩块间形成的“三铰拱”式平衡，外形上好像是由裂隙体岩层形成的梁。

裂隙体梁的失稳就是岩块间的“三铰拱”式平衡遭到破坏所致。

裂隙体梁的失稳有两种情况：一是变形失稳，二是滑落失稳。

两种失稳都和岩块间产生的水平推力T 的大小有关。

当岩块间的水平推力T 过大时，岩块在向下回转的过程中，其接触处的应力将超过岩块的抗压强度，从而使岩块破坏，“三校拱”也因变形过大而破坏，致使裂隙体梁发生变形失稳。

这时，岩块间的水平推力T 的大小可由下式确定：T=LQ／2（h-s）式中h—岩层厚度；L—每一岩块长度；S—每一岩块下沉量；Q—上覆岩层重量。

当岩块间的水平推力T 过小时，岩块间产生的摩擦力也很小，不能承受岩块间的剪切力，则悬露岩块就要产生滑落失稳。

为了不使岩块产生滑落失稳，岩块间的摩擦条件应满足下式要求：Ttg（φ-θ）>Q由以上两式可以看出，裂隙体梁的平衡和以下条件有关：当岩层的厚度h 较小，即接近或等于岩块的初始下沉值S 时，水平推力T 将达到无穷大，任何岩石都无法承受这样大的力，因而裂隙体梁无法形成。