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

13

12

sin 2cot 2

NM

DM

c 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(2221

1r r t +=σσ )1(22211r r r -=σσ

①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