矿压考试题

名词解释：

1. 矿山压力：由于在地下煤炭中进行采掘活动而在井巷、硐室、及回采工作面周围煤

岩体中和其中的支护物上所引起的力，就叫矿山压力。

2. 矿山压力显现：由于矿山压力作用，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生的种种力

学现象，通称为“矿山压力显现”。

3. 初撑力：支架支设时，支架对顶板的主动支撑力，液压支柱时，由泵站压力确定。 4. 工作阻力：支柱受顶板压力作用而反映出来的力。

5. 直接顶：直接顶位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层。

6. 老顶：位于直接顶之上对采场矿山压力直接造成影响的厚面坚硬岩层称为老顶。 7. 直接顶初次垮落：直接顶的第一次大面积跨落。

8. 老顶初次来压：由老顶的第一次断裂失稳所引起的工作面顶板来压的现象。 9. 老顶周期来压：由断裂带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象。 10. 支撑效率：

11. 关键层：将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层。 12. 地质软岩: 指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含

有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层。

13. 工程软岩: 程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。

14. 冲击矿压:或采场周围岩体在其力学平衡状态破坏时，由于弹性变形能突然释放

而产生的突然、急剧、猛烈的动力现象。

简答及论述:

1. 莫尔－库仑强度准则推导过程？（见PPT）

答：对莫尔一库仑准则推导如下：

τ αSs=σtanυ+CτC n

σ

1

ON 2α σ3α 45°-α/2 D υ σ σ13 σα M σ σσ3

Cctanυ N1 试件

1

(σ1+σ3)/2 (σ1-σ3)/2 ?（1） 由上图：2??90?? ????45?? 2

（2）sin??MN DO?MO???3???3MN?1；DO?C?ctg?；MO?1 22(?1??3)2?1??3?sin??? ?1??3?1??3?2C?ctg?C?ctg??2?1??3??1sin???3sin??2Csin?ctg? 2Csin?ctg???3(1?sin?)??1? 1?sin? 这就是用极限主应力表示的莫尔－库仑强度条件。做有限元计算时通常用这一公式作为Mohr-Coulomb强度理论的使用式。

上式中若?3?0，则?1就是岩石试件的单向抗压强度 2Csin?ctg? ?R? c1?sin?

1?sin???1?Rc??3

1?sin?

（3）岩石的单向抗拉强度 Rt?DO?Cctg? Rc2Csin?ctg?2sin??2??Cctg???tg(45?) Rt1?sin?1?sin?2

Rc??tg2(45??)

Rt2Rc?tg(45?)Rt?(4.6~130)Rt 2??20?~40? ??35?时，Rc?32Rt ?2? 由于岩石的抗拉强度不易试验求得，通过上式可由Rc获得Rt。 2. 支承压力在底板中的传播规律（巷道围岩控制P29～32）。

答：采煤工作面采动以后，承载支承压力的煤柱或煤体讲支承压力传给底板。其传递的规律如下：

1. 底板内任意一点的应力，主要取决于上部煤柱的载荷、该点在底板岩层内的深度及

该点于上部煤柱边缘或中心线的水平距离。

2. 无论何种煤柱载荷下，在底板岩层内的应力分布都程扩展状态。

3. 底板内各点应力大小与施力点的距离长反比，岁底板岩层于煤柱之间垂直距离的增

加而迅速降低。

4. 在煤柱载荷的作用下，位于煤柱下方的底板岩层的主应力都会显著增高，在靠近采

空区的煤体下形成大于原始应力的增压区，且越靠近煤层，集中应力值越大。 5. 底板岩层内的应力值与煤柱上方的支承压力成正比。 1

6. 底板岩层的质将对上部煤柱的支承压力在底板内的传递范围有很大影响。

3. 内外应力场的观点。（实用矿山压力控制P81～93即图4-2中a、b、c、d即文字说明）

答：从采场推进开始至老顶各岩梁第一次来压结束期间的支承压力及其显现的变化可以划分为以下三个阶段：

1. 煤壁附近煤体进入塑性状态之前：

此阶段，随采区推进，通过处于稳定状态的老顶岩梁传递至煤层上的压力将逐渐增加。但由于各点的应力没达到煤体的破坏极限，故包括煤壁在内的整个煤层都处于弹性压缩状态，支承压力分布将是一条高峰在煤壁处的单调下降曲线。 2. 从煤壁市场能力开始改变起，至老顶岩梁端部断裂前止：

此阶段，靠近煤壁附近的应力值达到了煤层强度的极限，随着媒体的破坏，其支承能力开始降低，旦老顶岩梁的作用力超过下部煤层的支承能力即会发生离层。随媒体破坏的发展，煤壁附近的压力高峰将向深部转移，煤层上支承压力的分布将呈现：在塑性区压力逐渐上升，在弹性区压力单调下降，两区交界处为压力峰值点。

3. 从老顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止：

此阶段，支承压力分布及显现随老顶岩梁“显著运动”之发展而明显变化。

（1） 在岩梁端部断裂前夕，在断裂先附近将伴有压力集中，岩梁断裂结束时，

以断裂线为界限支承压力分布明显地分布为两个部分，即在断裂线与煤壁之间由已断裂岩梁自重所决定的“内应力场”，以及在断裂线外由上覆岩层整体重量所决定的“外应力场”，两个应力场中的压力分布没有密切的联系。

（2） 两应力场形成后，随工作面推进，各自的应力高峰以断裂线为界向相反

的方向发展。其中，内应力想、场中的支承压力随工作面的推进，岩梁再次断裂，压力高峰逐渐增加，峰值位置逐渐移向煤壁形成压力“收缩”，直至岩梁中部触矸，压力峰值降低到最低点为止。

（3） 与此相反，外应力场中的支承压力高峰区随采场推进和岩梁断裂线附近

煤体破坏的发展，压力高峰逐渐降低，峰值作用位置逐渐移向前方，直到煤体支承能力与压力高峰的作用相抗衡。

4.简述对开采后上覆岩层形成的结构有哪几种主要假说及其各自的优缺点。

（见校P19～23）

答：压力拱假说：

1. 提出了前后拱角的概念，并在前后拱角之间形成应力降低区。

2. 对回采工作面前后支承压力及回采工作空间处于减压去作出了粗略而经典的

解释，但对压力拱的特性岩性变形、移动、破坏的发展过程没有解释。

3. 不能定量计算，层状岩体，拱内岩层如何运动，拱的几何特征，后拱脚存在，

支架和围岩的相互作用。 悬臂梁假说

1. 可以解释:周期来压与来压步距关系; 顶板下沉与支架受力关系。

2. 可以解释，在靠近工作面煤壁的地方，顶板下沉量最小，因而压力最小，由工

作面煤壁向采空区。

3. 弹性梁过于简化，不能解释弱面。

4. 未查明覆岩活动规律，计算顶板下沉量与支架荷载与实际相差甚远 。 铰接岩块假说

1. 铰接岩块活动是顶板活动的基本形式。 2. 两种状态：“给定荷载”、“给定变形”。针对两种不同的情况支架强度和可

缩性的计算方法。

3. 以围岩变形为前提,正确地对覆岩进行了分带,重视支架与围岩的相互作用。 4. 存在问题:岩块间的力学关系及平衡机理。 预成裂隙假说

1. 假塑性梁(非连续体)的形成及准梁式平衡结构，应力降低区(塑性弯曲,离层)，应 力

升高区(最初产生预成裂隙)，采动影响区。 2. 随工作面推进,三区同时移动。

3. 支架要有足够的初撑力和工作阻力,以靠挤压摩擦作用阻止张裂、离层和相对滑移。 4. 存在问题:岩块之间的平衡支架受力关系不明确。

砌体梁假说

1. 工作面支承压力集中在前拱脚。

2. 下沉量小（如采高小,直接顶厚,充填法处理采空区,远离煤层的岩层等）易形成结构。 3. 结构保护使支架受力小于覆岩。

4. 很好的解释了采场矿山压力显现的规律，为矿压控制及支护设计提供了理论依据。 5. 存在问题：顶板下沉量的估计，支架与围岩的相互作用关系。 传递岩梁假说 1. “限定变形”：岩梁的位态是由其力学性质和两端支承情祝所决定。支架的阻力只

起到降低岩梁运动速度的作用。 2. “给定变形”。支柱受力大小由限定的岩梁位态（用对应的采场顶板下沉量ΔhT

表示）决定，而与支柱的刚度无关。 3. 没有公式推导，不可定量计算。

4. 提出了关键层理论，实现了矿压研究的有机统一。

5.试分析采场上覆岩层所形成的结构的失稳条件（见课件－裂隙体梁的平衡即S-R失稳）。

答：当老顶达到极限跨距后，随着回采工作面继续推进，老顶即发生断裂，整个顶板的破断方式可分为三个明显的区域，上、下区为圆弧形破坏，岩块间呈立体咬合关系。中部呈似梁的咬合关系，但由于破断的岩块相互挤压，产生了水平力，这使中部又呈现出能传递水平力的拱的关系。这种表面似梁，实质是拱的裂隙梁的平衡关系结构，称为“砌体梁”。

（1）结构的滑落失稳

咬合处摩擦力的大小，即水平挤压力与该处摩擦系数的乘积，即f=T*tanφ，此力的作用方向与岩块滑落的方向相反，因而起防止岩块间相互滑落的作用。由此说明节理面倾斜方向与工作面推进方向一致时，结构不易取得平衡，即工作面矿压显现比较严重，相反则对控制顶板有利。 2）结构的变形失稳

在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。由公式

??h(1?1岩石抗拉强度与抗压强度的比值， k：挤压强度与抗压强度) （n：3nkk11~），可以求得在岩梁破断后互相23的比值，k：简支梁与固支梁的系数，一般取值为

咬合中间下沉量达Δ时，即形成了岩块结构的变形失稳。

6.简述直接顶初次垮落前易离层的原因（见课件－直接顶的稳定性 ）。

答:（1）节理、裂隙的切割：一旦支护工作出现疏忽，均可导致直接顶局部冒落。（2）

岩性原因：初次放顶前，由于直接顶的挠度大于老顶,此时老顶处于板的悬露状态。直接顶强度较弱，岩层较薄，而产生二者离层。（3）采用单体支护时，第一排支柱刚支设时，初撑力较低，液压支架时，由于无支护空间较宽，又由于前梁的支撑力较小，因而常常形成机道上方顶板离层。

7.什么是老顶的初次来压，其特点是什么，老顶初次来压的剧裂程度与哪些因素有关?及控制措施有哪些？（钱P99及课件）。

答：由于老顶第一次失稳而产生的工作面顶板来压即为老顶初次来压。其特点：顶

板急剧下沉，支架受力明显增大；直接顶破碎，甚至产生台阶下沉现象；煤壁中支承压力增大，片帮严重（预兆之一）；工作面内顶板出现裂缝，并有掉碴现象，有时顶板有断裂声；老顶初次来压的剧裂程度与老顶岩石性质，厚度与裂隙情况，直接顶的厚度（△大小），工作面采高，长度，推进速度以及地质构造等因素有关。

防治措施：掌握来压规律及步距，作好预测预报来压前，将直接顶回柱放顶工作作彻底，加强工作面支架支护能力如密度支柱，适当扩大控顶距，加强支柱稳定性，如靠采空区侧增设一梁三柱斜撑支架，在工作面内增设本垛等特种支架，适当加快工作面推进速度。

8.试分析周期来压的形成原因及表观形式，采取的控制措施有哪些？（钱P101～103及课件）。

答：原因：由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压，起表现形式主要是：顶

板下沉速度急剧增加，顶板下沉量加大，支柱荷载普遍增加，并可能引起煤壁片帮， 支柱折损，顶板台阶下沉等现象。预防措施：准确判断老顶来压预兆，加强支护（保证支架规格、质量、密集度及稳定性）。并可将工作面与开切眼斜交，以防止顶板破段导致工作面来压。

9.试分析直接顶、老顶的各项指标在矿山压力显现中所起的作用。（课件）

答：衡量矿压显现的指标：“三量”，顶板下沉（下沉量S，下沉速度V）——反映

顶板状况及根据稳定状况反映支护效果；支架荷载P；支柱下移量△L。

（1）顶板下沉量：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板移近量Δ=H0-H1有时为了对比，又将顶底板移近量Δ换算成每米采高、每米推进度的顶底板移近量，即Δ/L、Δ/M（L为控顶距，M为采高）。由于底臌量较小，通常将Δ称为顶板下沉量。（2）顶板下沉速度：指单位时间内的顶底板移近量，以㎜/h计算。表示顶板活动的剧烈程度。

（3）支柱变形与折损：随着顶板下沉，回采工作面支柱受载也逐渐增加，一般可以用肉眼观察到柱帽的变形，剧烈时可以观察到支柱的折损。

（4）顶板破碎情况：常常以单位面积中冒落面积所占的百分数来表示，是衡量顶板管理好坏的质量标准。

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