矿山压力与岩层控制部分练习题答案.doc

一、重要概念
1矿山压力、2 矿山压力显现 、3矿山压力控制、4原岩应力、5支承压力、6老顶、7直接顶、8直接顶初次垮落、9顶板下沉量、10老顶初次来压、11周期来压、12关键层、13开采沉陷、14充分采动与非充分采动、15岩层移动角、16岩层变形、17沿空留巷、18沿空掘巷、19锚固力、 20软岩、 21顶板大面积来压、22浅埋煤层、23放顶煤开采。
二、简答与分析论述
1. 简述原岩应力场的概念及主要组成部分。
2. 原岩应力分布的基本特点
3. 支承压力与矿山压力的区别？
4. 煤柱下方底板岩层中应力分布特点及其实际意义？
5. 简述岩石破碎后的碎胀特征及其在控制顶板压力中的作用？
6. 分析采场上覆岩层结构失稳条件
7. 分析加快工作面推进速度与改善顶板状况的关系。
8. 试分析开采深度对采场矿山压力及其显现的影响。
9. 老顶破时在岩体内将引起什么性质的挠动，其特点是什么？有何实用意义？
10. 简述回采工作面周围支承压力分布规律。
11.是否矿山压力大矿山压力显现也必然强烈，试举例说明。
12. 简述我国缓倾斜煤层工作面顶板分类方案。
13. 支撑式、掩护式、支撑掩护式液压支架结构特征及适用范围。
14. 简述采场支架与围岩关系特点。
15. 分析采场支架工作阻力与顶板下沉量“P-△L”曲线关系
16. 试分析综采面支护质量监测对于改善工作面支架—围岩关系，确保工作面高产高效的作用。
17. 简述开采后引起的上覆岩层的破坏方式及其分区。
18. 简述绿色开采技术体系，关键层的作用。
19. 简述控制岩层移动的技术。
20. 为什么说锚注支护是软岩巷道支护的新途径？
21. 采区平巷在其服务期内沿走向的矿压规律有哪些？采动影响带的前影响区和后影响区内矿压显现时间和机理有何不同？
22. 沿空留巷矿压显现基本特征？与沿空掘巷矿压显现的主要区别？
23. 跨巷回采卸压的基本原理？
24. 画出巷道支架与围岩相互作用关系示意图，并分析支架与围岩的相互作用原理。
25. 高强度螺纹钢锚杆组成及其经常与之组合使用的支护材料。
26. 如何根据锚杆对围岩的约束方式定义锚杆锚固力？
27. 简述软岩巷道变形力学机制。
28. 简述影响顶煤冒放性的主要因素,提高顶煤冒放性的主要措施。

一、名词解释：
1、老顶：通常把位于直接顶之上对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为老顶。 2、顶板下沉量：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板的相对移近量，顶底板的相对移近量。3、原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力。 4、周期来压：由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来亚现象称为工作面顶板的周期来压。 5、回采工作面：在煤层或矿床的开采过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的空间称为回采工作面，简称采场。 6、直接顶：一般把直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。 7、矿山压力：由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力。 8、矿山压力显现：由于矿山压力作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象统称为矿山压力显现。 9、矿山压力控制：所有减轻，调节，改变和利用矿山作用的各种方法，均叫做矿山压力控制。 9、直接顶初次垮落：直接顶第一次大面积的垮落称为直接顶的初次垮落。 10、老顶初次来压：当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳有时可能伴随滑落失稳，从而导致工作面顶板急剧下沉，此时，工作面支架呈现受力普遍加大的现象称为老顶初次来压。11、支承压力：在岩体内开掘巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为之承压力。12、关键层：将对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称为关键层。13、冲击能指数：在单轴压缩状态下，煤样全“应力---应变”曲线峰值C前所积聚的变形能Es与峰值后所消耗的变形能Ex之比值。 13、沿空留巷：在上区段工作面采过后，通过加强支护或采用其他有效方法，将上区段工作面运输平巷保留下来，供下区段工作面回采时作为回风平巷。 14、 沿空掘巷：回采工作面采过后，沿采空区边缘掘进的巷道。 15、软岩：是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质。 16、底鼓：底板向上鼓起的现象。17、煤矿动压现象：煤矿开采过程中，在高应力状况下积聚有大量弹性能的煤或岩体在一定的条件下发生破坏，冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响，震动以及气浪等明显的动力效应，这些现象通称为煤矿动压现象。它有三种形式：冲击矿压，顶板大面积来压，煤与瓦斯突出。18、冲击矿压：冲击矿压是聚积在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏，支架和设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落破坏等灾难的一种现象。 19、浅埋煤层：通常将具有浅埋深，基岩薄，上覆厚松散层赋存特征的煤层称为浅埋煤层。20、开采沉陷：（p177）煤层开采后，采空区周围原有的应力平衡受到破坏，引起应力的重新分布从而引起岩层的变形、破坏与移动，并由上向下发展至地表引起地表的移动，这一现象称为开采沉陷。21、充分采动与非充分采动（177）。22岩层移动角:：地表下沉边界和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为岩层移动角。23、锚固力：锚杆对围岩的约束力。（1）根据约束力方式可分为托锚力、粘锚力、切向锚固力；（2）根据锚杆作用阶段定义锚固力可分为初锚力、工作锚固力、残余锚固力。

二、简答解析：
1、研究“孔”周围应力对研究矿山压力有何实际意义？有那些重要结论可以借鉴？
由于地下巷道和回采空间具有复杂的几何形状，以及巷道和回采空间周围岩体也是属于非均质，非连续，非线性以及加载条件和边界条件复杂的一种特殊介质，到目前为止还无法用数学力学的方法精确地求解出巷道周围岩体内各处的应力分布状态。根据采矿工程的特点，通过将巷道及回采空间简化为各种理想的单一形状的孔来近似的求出巷道和回采空间周围的应力状态，对了解巷道变形的机理是十分有益和非常必要的。重要结论：1）孔周围形成了切向应力集中，最大切向应力发生在孔的周边。2）应力集中系数的大小，对于单孔来说，圆形孔仅与测压系数有关，对于椭圆来说，则不仅与测压系数有关还与孔的轴长比有关。3）不论何种形状的孔，它周围的应力重新分布，分布从理论上说影响是无限的，但从影响的剧烈程度来看大都有一定的影响半径。4）孔的影响范围与孔的断面大小有关。
2、原岩应力分布的基本特点(43)
通过理论研究、地质调查和大量的地应力测量资料，原岩应力分布的主要规律归纳如下：
实测铅直应力基本上等于上覆岩层重量；
水平应力普遍大于铅直应力；
平均水平应力与铅直应力的比值随深度增加而减小；
最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。
3煤柱下方底板岩层中应力分布特点及其实际意义？
分布特点：在煤柱或煤体下方的一侧为增压区而在采空区下方的一侧为减压区，在集中力作用下，将岩体内铅直应力相等的点连起来则形成卵形的压力泡。实际意义：由此我们可得到一些在底板中布置巷道时的规律，并且在实际工程中很少遇到集中载荷作用的情况，但通过这个解，可以知道应力在岩体内的传递规则，并且可以用积分的方法解决其它载荷条件下的应力分布问题。
4简述岩石破碎后的碎胀特征及其在控制顶板压力中的作用？
岩石破碎后，杂乱堆积，岩石的总体力学特征类似与散体。由于岩层破碎后体积将产生膨胀，因此直接顶垮落后，堆积的高度要大于直接顶原来的厚度。影响碎胀系数Kp的重要因素是岩石破碎后块度的大小及其排列状态。岩石破碎后，在其自重及外加载荷的作用下逐渐压实，碎胀系数变小，压实后的高度将取决于岩石的残余碎胀系数Kp。随着老顶的初次断裂，老顶破断岩块的变形迫使直接顶变形方向支架方向加载荷，此时直接顶就不在可能形成放顶是可能发生的离层状态。但是老顶破断岩层形成的变形失稳与滑落失稳将对直接顶的稳定性产生影响。
5原岩应力场的概念及主要组成部分。
天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应力场，它主要包括自重应力场和构造应力场

.6分析采场上覆岩层结构失稳条件（☆）
上覆岩层的岩体结构主要由坚硬岩层组成，软岩层只作为载荷，坚硬岩层断裂成岩按后排列鳖齐并互相咬合，这样，就可以建立一个势定的力学模型。根据力学计算，岩体结构的平衡条件为：
1）岩块间应有足够的水平推力，且不可过大。
2）岩块的下沉量Sl要小，厚度h较大，且Sl要远小于ho。
3）岩按闷的断裂角θ要小于岩块间的摩擦角ψ
4）岩块间的剪切力Q要小于岩块问的摩擦力，即岩体结构上作用的载荷不易过大。
7分析加快工作面推进速度与改善顶板状况的关系。（112）
从实测的“s一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的控顶时间，也减少了时间因素对顶板下沉的影响，无疑可以减少顶板的下沉量，改善顶板维护状况。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，即缩短了相邻两个工序的时间间隔，同时也必然使顶板的下沉量加剧。当工作面推进速度加快到一定程度后，可能会出现前一工序影响的顶扳下沉还未稳定，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，这种信况对项板的渠护是非常不利的。
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扳的下沉虽，改善顶板曲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，反而会使顶扳活动更加剧烈。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。因而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质板的下沉
量也还是可能的。
8回采工作面测定的“S-T”曲线说明了什么？
工作面推进速度对顶板下沉量的影响，用顶板下沉量s与时间t的坐标关系表示。在一定的生产条件下，时间t本身包含有工作面的推进速度因素，在实际的测定中也常常反映出顶板下沉量是时间的函数。在有些工作面中，当推进速度比较慢时，容易出现局部冒顶等不利与生产的矿山压力现象，而此时当工作面的推进速度时，则顶板状况明显好转，当工作面推进速度提高到一定程度，顶板下沉量变化将逐渐减小。但同时，随着回采工作面推进速度的加快，顶板下沉速度也明显加快。
由“s-t”曲线可知，在工作面中进行落煤与放顶时，顶板下沉表现最为剧烈，平时则比较缓和。
9试分析开采深度对采场矿山压力及其显现的影响？
开采深度直接影响着原岩应力大小，同时也影响着开采后巷道或工作面周围岩层内支承压力值。因此，开采深度对巷道矿山压力显现的影响可能比较明显。但对矿山压力显现的影响不尽相同。在一般条件下，一定的开采深度是出现冲击矿压的一个必要条件，开采深度对巷道矿山压力显现的影响可能比较明显。但开采深度对采场顶板压力大小的影响尤其是对顶板下沉量的影响并不突出，因为顶板压力大小主要受煤层采高、直接顶和老顶的力学性质、厚度等因素而定，因而对矿山压力显现的影响也不明显，。

10简述我国缓倾煤层工作面顶板分类方案？
类别
1类
不稳定顶板
2类
中等稳定顶板
3类
稳定顶板
4类
非常稳定顶板
1a
1b
2a
2b
基本指标
t<=4
4步距，m.
N---直接顶充填系数，N=H/h.H---直接顶厚度，m.h---煤层采高m.
老顶分级
1
2
3
4
老顶来压显现
不明显
明显
强烈
非常强烈
1
2
分级指标
P<=895
8951145
11解释：支撑式，掩护式，支撑掩护式液压支架？
支撑式：指在结构上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑的支架称为支撑式支架。
掩护式：指在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用的支架。
支撑掩护式：具有双排或多牌支柱及掩护梁结构的支架，支柱大部或全部通过顶梁对顶板其支撑作用，可能有部分支柱是通过掩护梁对顶板起作用。
12分析采场支架工作阻力与顶板下沉量的“P-△L”曲线关系
支架工作阻力与顶板下沉量的关系在一定程度上反映了支架与围岩的相互作用关系。从P－△L曲线可以得出一下结论：
①不同的顶板条件，P－△L曲线的斜率不同，但都呈双曲线关系。
②在一定工作阻力以上，支架工作阻力增加对顶板下沉量影响较小，但低于此值则提高支架工作阻力将减少顶板下沉量。
③支架的工作阻力并不能改变上覆岩层“大结构”的总体活动规律。
④回采工作面支架应具备以下两个基本特性：一是必须具备一定的可缩量；二是必须具备有良好的支撑性能，即一定的工作阻力。
因而在支架选型与支护设计中，最主要是确定支架的最大可缩量与最大工作阻力。
13简述采场支架与围岩关系特点？
支架与围岩是相互作用的一对力。在小范围内，围岩形成的顶板压力可看做一个作用力，支架可以视为一个反力，两者应相互适应，使其大小相等，而且尽可能的作用在一个作用点上。2）支架受力的大小及其在回采工作面分布规律与支架的性能有关。3）支架结构及尺寸对顶板压力的影响，在实际生产中证明，在支架架型选择合适时，可以用最小的工作阻力维护好顶板。
14简述开采后引起的上覆岩层的破坏方式及其分区？
根据采空区覆岩移动破坏程度，可分为“三带”垮落带，裂缝带，弯曲带。1）垮落带。破断后的岩块成不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3-1.5.。但经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右。此区域与所开采的煤层相连，很多情况下是由于直接顶岩层冒落后形成的。2）裂缝带。岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域为裂缝带。它位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数较小。关键层破断块体有可能形成“砌体梁”结构。垮落带与裂缝带合称“两带”，又称为“导水裂缝带”，意指上覆岩层含水层位于“两带”范围内，将会导致岩体水通过破断裂缝流入采空区和回采工作面。“两带”高度和岩性与煤层采高有关，覆岩岩性越坚硬，“两带”高度越大。一般情况下，对于软弱岩层，其“两带”高度为采高的9-12倍，中硬岩层为18-28倍。准确的确定“两带”高度，对解决水体下采煤问题及下解放层开采瓦斯突出煤层有特别重要的意义。3）弯曲带。自裂缝带顶界到地表的所以岩层称为弯曲带。弯曲带内岩层移动的显著特点是，岩层移动过程的连续和整体性，即裂缝带顶界以上至地表的岩层移动是成层的，整体性发生的，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉差值很小。若存在厚硬的关键层，则可能在弯曲带内出现离层区。
15简述绿色开采技术体系？
包括以下内容：1）水资源保护---形成“保水开采”技术。2）土地与建筑物保护----形成离层注浆，充填与条带开采。3）瓦斯抽放----形成“煤与瓦斯共采”技术。4）煤层巷道支护与减少矸石排放技术。5）地下气化技术。
16简述控制岩层移动的技术？
岩层移动控制技术可分为3类：一）留煤柱控制岩层移动1.部分开采2.留设保护煤柱。二）充填法控制岩层移动1.采空区充填（1）水力充填（2）干式充填（3）胶结充填。2.覆盖离层区充填。三）调整开采工艺及参数控制岩层移动，如限厚开采，协调开采，上行开采等。
17简述回采工作面前方支承压力分区并分析其应力状态？
分为应力降低区，应力增高区，应力不变区。
18采区平巷在其服务期内沿走向的矿山规律有那些？采动影响带的前影响压力与后影响区内矿压显现时间和机理有何不同？
规律：采区巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新发布过程，围岩变形会持续增长和变化。围岩变形经历五个阶段：（1）巷道掘进影响阶段（2）掘进影响稳定阶段（3）采动影响阶段（4）采动影响稳定阶段（5）二次采动影响阶段
不同：巷道受上阶段工作面的回采影响后，在回采引起的超前移动支承压力作用的影响下，巷道围岩压力再次分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长。在工作面后方附近，达到了最大值。远离工作面后方，巷道围岩变形速度逐渐衰减。巷道围岩性质、护巷煤柱宽度或巷旁支护方式、工作面顶板岩层结构对该时期围岩变形量影响很大。
19沿空留巷矿压显现基本特征？与沿空掘巷矿压显现的主要区别？
沿空留巷上区段工作面采动时受力情况1.巷道顶板的下沉，破坏必然受到采空区上覆岩层沉降总规律的制约。2.上区段工作面采过后，沿空巷道经历老顶岩层从即将断裂前的极限状态到发生断裂的失稳，然后到回转下沉采空区的过程。3.由于老顶的剧烈运动，引起沿空巷道煤帮和巷道支护体发生剧烈变形。沿空掘巷破坏了原有平衡，在巷道边缘的煤体会出现新的破裂区，塑性，支承压力向煤体深部移动。
20. 跨巷回采卸压的基本原理
煤层开采以后，在煤层底板中形成一定范围的应力增高区和应力降低区。位于煤层底板的巷道，若处于应力增高区，将承受较大的集中应力而遭受破坏；处于应力降低区，则易于维护。根据采面不断移动的特点以及巷道系统优化布置的原则，可在巷道上方的煤层工作面进行跨采，使巷道经历一段时间的高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的相对位置，即巷道与上部回采煤层间的法向距离z，巷道与上部回采煤层煤柱（体）边缘的水平距离x。
21.如何根据锚杆对围岩的约束方式定义锚杆锚固力？
托锚力：托锚力包括安装锚杆时，通过拧紧螺母产生的锚杆托板对围岩的预紧力，水胀式管状锚杆杆体纵向收缩，使托盘对围岩产生预紧力，以及锚杆托板阻止围岩向巷道内位移时，对围岩施加的径向支护力。
粘锚力：粘结剂将围岩与锚杆粘结成整体，由于围岩深部与浅部变形的差异，锚杆通过粘结剂对围岩施加粘结力来抑制围岩变形。粘锚力就是锚杆杆体的轴力。摩擦锚固式锚杆通过杆体与围岩之间摩擦力对围岩施加锚固力来抑制围岩变形。
切向锚固力：围岩的变形大多从岩体的弱面开始，在围压作用下围岩沿弱面滑动或张开。锚杆体贯穿弱面，限制围岩沿弱面滑动或张开。这种限制力称为切向锚固力。
22. 为什么说锚注支护是软岩巷道支护的新途径？
锚杆支护与棚式支架支护的一个重要区别是，锚杆支护的锚固力在很大程度上取决于岩体的力学性能，软岩巷道可锚性差是造成锚杆锚固力低和失效的重要原因。利用锚杆兼做注浆管，实现锚注一体化，是软岩巷道支护的一个新途径。对于节理裂隙发育的岩体，注浆可改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，封闭裂隙，显著提高岩体的强度。注浆加固为锚杆提供可靠的着力基础，使锚杆对松碎围岩的锚杆作用得以发挥，进一步提高岩体强度。但注浆只能在围岩的一定深处进行，需要与锚喷支护共同维持巷道周边围岩的稳定。因此，采取锚杆与注浆相结合的方法，使锚杆和注浆的作用在各自适用的范围内得到充分发挥，可提高对软岩的支护效果。
23简述软岩巷道变形力学机制。
从理论上分析软岩巷道围岩变形力学机制，可分为三种形式，即物化膨胀类型、应力扩容类型和结构变形类型。
膨胀变形机制
膨胀岩含有蒙脱石、高岭土和伊利石等强亲水粘土矿物，这几类矿物由于其晶体结构特殊，能将水分子吸附在晶层表面和晶层内。既具有矿物颗粒内部分子膨胀，又具有矿物颗粒之间的水膜加厚的胶体膨胀。同时通过毛细作用吸入水，使岩石体积膨胀。
（2）应力扩容变形机制
变形机制与力源有关，软岩在构造应力、地下水、重力、工程偏应力作用下，岩体产生破坏变形，微裂活动迅速加剧，形成拉伸破坏和剪切面，体积扩胀。工程偏应力即本书中的矿山压力，是应力扩容变形中不可忽视的力源。
（3）结构变形机制
变形机制与硐室结构和岩体结构面的组合特征有关。结构面的成因类型，结构面的结合特征，结构面的力学性质，结构面相对于硐室的空间分布规律及它制约下形成的岩体结构控制着软岩变形、破坏规律。
24简述冲击矿压防治措施的基本原理和主要方法？
根据发生冲击矿压的成因和机理，防治措施的基本原理有两方面，一是降低应力（能量）的集中程度；二是改变煤岩体结构的物理力学性能。
主要方法吧：（1）合理的开拓布置和开采方式（2）开采解放层
浅埋煤层。