中国矿业大学北京博士考试矿山压力重点问题.docx

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中国矿业大学北京博士考试矿山压力重点问题

1、简述近水平工作面矿山压力显现的基本规律

煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。

回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达到其极限跨距时开始垮落，工作面继续向前推进，当老顶悬露达到极限跨距时，断裂形成三铰拱式的平衡结构，同时发生已破断岩块的回转失稳（变形失稳），有时可能伴随滑落失稳（顶板的台阶下沉），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现象，即老顶的初次来压。

随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定—失稳—再稳定”的变化，这种变化将呈现周而复始的过程。

由于结构的失稳导致了工作面顶板的来压，这种来压也将随着工作面的推进而呈周期性出现。

这种由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象即为工作面顶板的周期来压。

2、论述影响矿山压力显现的主要因素

影响采场矿山压力显现的主要因素是围岩性质，此外还有：

（1）采高与控顶距：

采高越大，采出的空间越大，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：

开采深度直接影响原岩应力大小，同时也影响着开采后巷道或工作面后卫岩层内支撑压力值。

随着开采深度的增加，支撑压力值必然增加，从而导致煤壁片帮及底板鼓起的几率增加，可能导致支架载荷增加。

（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，破碎的顶板必然给顶板管理工作带来新的困难。

3、简述放顶煤工作面矿山压力显现的特点。

放顶煤工作面也具有单一采煤工作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，采动对直接顶和老顶岩层的扰动范围增大，加之直接顶力学特性的变化，造成放顶煤工作面矿压显现具有新特点：

（1）支承压力分布。

同单一煤层开采相比，在顶板以及煤层条件、力学性质相同情况下，综放开采的支承压力分布范围大，峰值点前移，支承压力集中系数没有显著变化。

综放面支撑压力的分布同时受到煤层强度，煤层厚度的影响：

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；如果顶煤中存在一层较厚、强度较大的夹矸层，夹矸除了影响到顶煤的冒落形态外，还会影响到支撑压力分布，使其显现出较硬煤层的支承压力分布特征。

（2）工作面支架载荷不大，说明离工作面不远的高处顶板就形成平衡结构，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，但并不明显，初次来压强度也不大。

（3）放顶煤工作面的煤壁及端面顶板的维护显得特别重要。

（4）放顶煤工作面，端头压力和工作面两端平巷压力并不大。

（5）支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力。

（6）下分层综放开采时的矿压显现仍然具有一般开采的矿压规律，但矿压显现程度有所减弱。

4、简述莫尔—库仑强度理论及其适应条件

莫尔强度理论认为材料发生破坏时由于材料的某一面上的剪应力达到一定的限度（即极限剪应力），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该点的剪应力还与该点正应力相关。

莫尔强度理论可表述为三部分：

（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。

库伦-莫尔强度准则

简述岩石当围压不大时，可用斜直线强度曲线推导岩石强度准则的表达式：

式中：

C为岩石的内聚力，MPa；

为岩石的内摩擦角，°。

利用斜直线强度曲线可得到以下结论：

（1）确定单轴抗压与抗拉强度的比

（2）确定剪切破坏面与最大主应力平面的夹角（即剪切破坏角）

。

（3）确定三周应力状态下的抗压强度值，由图中三角关系，经换算可得：

上式就是以极限主应力

和

来表示的库伦-莫尔强度准则，也称为极限平衡条件。

当最小主应力等于0时，岩石的单轴抗压强度

，因此，岩石试件处于三轴应力状态时的抗压强度与单轴抗压强度和侧压力之间关系的表达式为：

适用范围

库伦-莫尔强度理论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。

5、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

1）在弹性条件下

图1弹性条件下圆形巷道应力分布图图2塑性条件下圆形巷道应力分布图

如图1所示，根据弹性力学可以得到应力分布符合一些规律：

（1）在双向等压应力场中，圆形巷道周边全处于压缩应力状态；

（2）应力大小与弹性常数E、μ无关；

（3）

、

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）双向等压应力场中圆形巷道的切向应力为最大主应力，其最大应力集中系数K=2，且与巷道直径的大小无关。

当σt=2γH超过巷道周边围岩的弹性极限时，围岩将进入塑性状态；

（5）其他各点的应力大小则与巷道直径有关。

（6）在双向等压应力场中巷道周围任意点的切向应力σt与径向应力σr之和为常数，且等于2σ1，其中σ1为原岩压力。

2）在塑性条件下

如图2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。

此时径向应力

与弹性条件下分布一致，但切向应力

由于塑性变形而使其在巷道边缘不是最大值，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。

6、什么是原岩应力？

其分布的规律是什么？

研究原岩应力分布对采矿工程的意义有哪些？

1）概念：

原岩应力是指存在于地层中未受工程扰动的天然应力，包括自重应力和构造应力。

2）分布规律：

（1）原岩应力是非稳定应力场，原岩应力是三向不等压的空间应力场，三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的，它是一个非稳定应力场。

（2）实测铅直应力基本上等于上覆岩层重量；

（3）水平应力普遍大于铅直应力；

（4）平均水平应力与铅直应力的比值随深度增加而减小；

（5）最大水平应力和最小水平主应力一般相差较大

3）意义：

（1）围岩稳定性分级：

地应力是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析所必须的原始资料。

（2）指导巷道采场布置规划：

地应力的大小和方向对井巷断面形态优化、方位合理选择、工作面布置等都是重要的依据。

（3）指导围岩支护设计：

已知初始地应力状态的条件下,通过数值计算等现代分析方法,能准确地预测在开挖过程中围岩应力的变化规律，进而指导相应的围岩支护设计。

7、无煤柱护巷的基本原理是什么？

实施中应注意哪些问题？

1—掘巷前的应力分布；2—掘巷后的应力分布；

—破裂区；

—塑性区；

—弹性区应力增高部分；

—原岩应力区

由于巷道前方分为卸载区、支承压力区和稳压区，卸载区载荷小，并且为了避免支承压力的作用，对巷道进行无煤柱护巷，就是把巷道布置在卸载区，这样顶板对巷道的压力小，支护也比较容易，主要无煤柱护巷的形式是沿空掘巷和沿空留巷两种。

需注意以下几个问题：

（1）针对不同煤层地质条件，需采用不同巷道布置方式和巷旁支护方法；

（2）回采期间要及时向采空区注浆，防止漏风，避免采空区煤层自燃发火；

（3）沿空掘巷时，因煤壁松软破碎，要加强煤壁和顶板管理；

（4）煤袋垛起到隔离采空区矸石、积水的作用，要求煤袋垛不得发生倾斜错动；

（5）下副巷需留尾巷，确保采空区积水顺利流出。

（6）沿空掘巷时要合理安排采掘接替，保证正常出煤。

此外，对于巷道压力大，顶板破碎或顶板坚硬和在一些条件较复杂的易自燃高瓦斯矿井中，无煤柱护巷技术还存在其他一些需要解决的技术难题。

8、简述煤矿深部开采带来的矿山压力问题与解决对策

煤矿深部开采带来的矿山压力问题主要体现为冲击矿压现象和顶板大面积来压现象。

（一）冲击矿压的防范措施：

1、合理的开拓布置和开采方式。

（1）开采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采。

（2）划分采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。

（3）采区或盘区的采面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加。

（4）在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。

（5）有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上（下山）、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险。

（6）开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法。

（7）顶板管理采用全部垮落法，工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。

2、开采解放层。

开采解放层是防治冲击矿压的有效和带有根本性的区域性防范措施。

（二）冲击危险的解危措施：

1、卸压爆破。

2、煤层注水。

3、钻孔卸压。

4、定向裂缝。

（三）顶板大面积来压的防治措施

1、顶板高压注水。

2、强制放顶。

3、预防暴风措施。

一般采取堵和泄的办法。

堵，就是留置隔离煤柱和设置防暴风密闭；泄，就是通过专门泄风道，使被隔离区域与地面相通，以便将形成的暴风引出地表。

9、试述发生冲击矿压机理及防范措施

发生机理：

强度理论：

煤岩体破坏的原因和规律，实际上是强度问题，即材料受载后，超过其强度极限时，必然要发生破坏。

能量理论：

矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于消耗的能量时，就会发生冲击矿压。

冲击倾向理论：

煤岩介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值，就会发生冲击矿压现象。

冲击矿压的防范措施：

1、合理的开拓布置和开采方式。

（1）开采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采。

（2）划分采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。

（3）采区或盘区的采面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加。

（4）在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。

（5）有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上（下山）、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险。

（6）开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法。

（7）顶板管理采用全部垮落法，工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。

2、开采解放层。

开采解放层是防治冲击矿压的有效和带有根本性的区域性防范措施

10、简述锚杆支护常用的理论及适用条件

1）悬吊理论

该理论认为锚杆支护的作用是将巷道顶板软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，增强软弱岩层的稳定性。

2）组合梁理论

该理论认为锚杆的作用一方面提供锚固力增强各岩层间的摩擦力，组织岩层沿层面继续滑动，避免出现离层现象；令一方面锚杆杆体可增加岩层间的抗剪强度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁定成一个较厚的岩层。

3）组合拱理论

该理论认为在拱形巷道的破裂区中安装预应力锚杆，从杆体两端起形成圆锥形分布的压应力区，如果锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即压缩拱，压缩拱内的岩石径向、切向均受压，处于三向应力状态，围岩强度得到提高，支承能力相应增大。

4）最大水平应力理论

该理论认为矿井岩层中的水平应力通常大于铅直应力，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，巷道开挖后，铅直应力向两帮转移，水平应力向顶底板转移，铅直应力导致两帮的破坏，水平应力的影响主要显现于顶底板岩层，锚杆的作用是沿锚杆轴向约束岩层膨胀和垂直锚杆轴向方向约束岩层剪切错动。

5）围岩强度强化理论

围岩强度强化理论是针对软岩煤巷围岩特点提出来的：

[1]巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结构。

[2]巷道锚杆支护可提高锚固体的力学参数，改善被锚固岩体的力学性质。

[3]巷道围岩存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区的岩体则处于破碎区或塑性区，相应锚固区的岩石强度处于峰后强度或残余强度，锚杆支护使巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度。

[4]煤巷锚杆支护可以改变围岩应力状态，增加围压，从而提高围岩的承载能力。

[5]巷道围岩锚固体强度提高后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。

11、简述“砌体梁”理论

随着回采工作面的推进，老顶发生初次断裂，根据老顶的X型破坏特点，可将工作面分为上、中、下三个区，破断的岩块由于互相挤压形成水平力，从而在岩块间产生摩擦力，工作面上下两区是圆弧形破坏，岩块间的咬合是一个立体咬合关系，而对于工作面中部，则可能形成外表似梁，实质是拱的裂隙体梁的平衡关系，这种结构称之为砌体梁。

采场上覆岩层的“砌体梁”结构模型如图所示，图中显示了回采工作面前后岩体形态，其中，I为垮落带，II为裂缝带，III为弯曲下沉带，A为煤壁支承区，B为离层区，C为重新压实区。

此假说具体地解释了破断岩块的咬合方式及平衡条件，同时还讨论了老顶破断时在岩体中引起的扰动；很好地解释了采场矿山压力显现规律，为采场矿山压力的控制及支护设计提供了理论依据。

12、防治煤矿开采引起地表沉陷的主要措施有哪些？

对开采沉陷的控制，即通过合理选择采矿方法和工艺、合理布置开采工作面、采取井下充填法、覆岩离层带空间充填等措施，来减少地表下沉，控制地表下沉速度和范围，达到保护地表和地面建、构筑物与耕地的目的。

防治煤矿开采引起的地表沉降的主要措施有：

1、留设煤柱控制岩层移动

（1）条带开采，利用留下的条带煤柱支撑顶板，以达到减小地表沉陷的目的；

（2）留设保护煤柱采用留设保护煤柱的方法来避免开采后岩层移动影响地面重要建（构）筑物，使得井下开采后岩层移动影响边界达不到地面要保护的建（构）筑物。

2、充填开采控制岩层移动

1）采空区充填：

充填开采就是用充填材料来充填已采空间，这相当于减小了煤层开采厚度，从而减少采空区上覆岩层的变形与破坏。

根据充填材料和输送方式的不同，可将矿山充填分为以下3中类型：

（1）水力充填

（2）干式充填（3）胶结充填

2）覆岩离层区充填：

利用向岩移过程中覆岩内形成的离层空洞充填外来材料来支撑覆岩从而减缓覆岩移动往地表的传播。

3、调整开采工艺及参数控制岩层移动

主要措施如限厚开采、协调开采、上行开采等。

13、绘图说明采煤工作面前方支承压力分布的基本规律及其分区

答：

采煤工作面前方支承压力一般按其大小进行分区。

如图4所示；

图4支承压力的分区

根据切向应力的大小，可分为减压区和增压区。

比原岩应力小的压力区为减压区A，比原岩应力大的为增加区B。

增加区即是通常说的支撑压力区，支撑压力区的边界一般可以取高于原岩应力的5%处作为分界处。

再向内发展即处于稳压状态额原岩应力区C。

另一种分法是：

将工作面前方支撑压力的峰值到煤壁为极限平衡区D，向煤壁内侧为弹性区E。

14、绘图解释岩石应力-应变全过程曲线

答：

一般原岩应力的全过程曲线分为五个阶段，如图1所示：

图1岩石应力－应变全过程曲线

（1）OA段：

裂隙压密阶段；曲线上凹，岩石体积缩小，A点为压密极限。

（2）AB段：

线弹性变形阶段，直线段，体积仍然减小，B叫做弹性极限。

（3）BC段：

岩石裂隙扩张与新裂隙产生阶段，曲线下凹，体积开始由缩小转为增大，成为‘扩容’，C点为屈服极限。

（4）CD段：

裂隙加速扩张，新裂隙迅速产生，显示出宏观破坏现象，体积膨胀加速，岩石承载能力达到强度极限D点。

（5）DE段：

残余强度阶段，岩石全面破坏，承载能力逐渐降低，但尚有残余承载能力，这也是岩石材料的特点之一。

15、我国厚煤层开采的主要方法有哪些？

其各自矿山压力显现的主要特点和顶板控制的主要难点是什么？

（1）综合机械化放顶煤开采方法

矿山压力显现的主要特点：

由于松软顶煤的参与，缓和了支架与老顶之间的相互作用，因而支架阻力通常不大于分层开采的支架阻力；一般会出现直接顶初次来压，老顶初次来压步距增大，周期来压步距相对减小；容易产生端部冒顶；前柱工作阻力大于后柱的工作阻力。

顶板控制的主要难点：

由于无法看到顶煤的放煤过程，所以放煤步距和放煤时间比较难控制。

（2）大采高一次采全高长壁采煤开采方法

矿山压力显现的主要特点：

端部冒落和煤壁片帮比较突出；周期来压的强度有所增大，支架载荷增大，动载系数增大。

顶板控制的难点：

主要是煤壁片帮的控制和支架的稳定性控制比较难。

（3）倾斜分层长壁采煤开采方法

矿山压力显现的主要特点：

由于是分层开采，下分层巷道要受多次采动影响，巷道围岩变形强烈、破坏严重；开采下分层时，直接顶已经破碎，容易发生冒落。

顶板控制的难点：

由于下分层巷道受多次动压影响，所以是控制的难点。

此外，急倾斜厚煤层的开采方法有：

水平分层采煤法，斜切分层采煤法，水平分段放顶煤采煤法等采煤方法。

16、简述煤矿顶板事故的主要类型及预防顶板事故的重要性、控制技术

1）煤矿顶板事故按地点可以分为采煤工作面（采场）顶板事故和巷道顶板事故两类。

采煤工作面顶板事故从力源上看有压垮、漏冒、推垮三种基本类型。

采煤工作面顶板事故按照冒顶范围和严重程度还可分为局部冒顶和大型冒顶两大类。

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不够，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，成因是空顶面积大；

[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，原因是地质条件差。

巷道冒顶事故又分为：

掘进工作面冒顶事故，巷道交叉处的冒顶事故，支架支护巷道冒顶，锚杆支护巷道冒顶事故等。

2）预防顶板事故的重要性：

顶板事故近几年来成为煤矿生产事故中伤亡人数最多的事故，是煤矿工人生命安全的重大威胁，顶板事故的发生也严重影响着煤矿的正常生产活动，影响着煤矿的产量和经济效益。

因此，预防顶板事故显得颇为重要，有效地预防顶板事故，可以减少人身伤亡事故的发生，有利于煤矿生产的正常进行，提高产量增加经济效益，为建设和谐矿区提供重大的支持。

17、论述顶板压力估算的常用方法

确定顶板压力的方法有两种

1）估算法，即根据现有矿山压力研究结果，对工作吗可能出现的顶板压力大小进行估算：

主要有

（1）经验估算法

（2）从老顶形成结构的平衡关系估算（3）威尔逊估算法

2）实测法，即根据大量工作面的实测与统计数据，确定工作面顶板压力的大小。

18、根据你自己的学习、研究和工作体会，谈谈矿山压力与岩层控制今后的主要发展方向是什么？

1）完善采场围岩控制理论

加强对急倾斜、厚煤层、大采高、大采深采场的矿山压力显现规律及围岩破坏与平衡机理的研究．完善采场围岩控制理论。

2）继续开展采场矿压监测

采场矿山压力的井下实测是改善采场围岩控制和建立采场矿压理论的重要其础。

要继续开展采场矿山压力观测，研究更加先进的矿山压力监测系统。

3）发展采场围岩控制技术

要继续发展自移式液压支架，提高其性能和扩大其使用范围．研制大倾角甚至急倾斜煤层使用的液压支梁．发展快速移架系统和诊断监控技术。

研究深部煤层开采过程中围岩移动和破坏规律，以及“支架—围岩’’相互作用特点。

4）加强采场围岩控制的实验室研究

对相似材料模型要进一步完善其研究方法和工艺，采用新的模型测试技木．使之成为更有效的实验于段。

5）促进采场围岩控制的科学化

推广先进科技成果和实践经验，制定有关规章制度坚持支护质量与预扳动态监测，升展质量标准化．促进采场围岩控制科学化。