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1、1 1岩岩石石的的变变形形特特性性（单单向向压压缩缩应应力力 下下的的变变形形特特性性）： （1）OA阶段（压密阶段），应力 -应 变曲线呈上凹形，即应变随应力的 增加而减小。形成原因：存在于岩 石内的微裂隙在外力作用下发生闭 合。 （2）AB阶段（弹性阶段），应力 -应 变曲线基本呈直线。在这一阶段卸 荷，应变可以恢复。该阶段后期， 岩石会出现新的裂缝和原裂纹扩展。 B点是该岩石的屈服点。 （3）BC阶段（塑性阶段），应力超出 B点，应力增大，直线呈下凹形， 明显表现出应变增大，某些薄弱部 分发生破坏，从而引起应力重新分 布，导致薄弱部分发生破坏，直到 完全破坏。 （4）CD阶段（破裂后阶段
2、）（软化阶 段） ，到C点达到峰值后，岩石内部 结构完全破坏，试件仍保持完整状 态，形成宏观断裂面。变形表现为 沿断裂面滑动，试件承载加速下降， 不降为0，还有一定的承载能力。 （5）D点以后（摩擦阶段 ） ，岩石断 面摩擦具有抵抗外力的能力。 莫莫尔尔强强度度理理论论： 莫尔强度理论认为：岩石不是在简 单的应力状态下发生破坏，而是在 不同的正应力和剪应力组合作用下， 才使其丧失承载能力。或者说，当 岩石某个特定的面上作用着的正应 力、剪应力达到一定数值时，随即 发生破坏。同时莫尔强度理论对其 破坏特征作了一些近似的假设：岩 石的强度值与中间主应力 2的大小 无关，岩石的宏观的破裂面基本上 平
3、行于中间主应力的作用方向。据 此，莫尔强度理论可在以剪应力 为纵坐标，正应力 为横坐标的直 角坐标系下，用极限莫尔应力圆加 以描述。 （图 莫尔应力圆） 无数个极限应力圆上，破坏应力点 的轨迹被称为 莫莫尔尔强强度度包包络络线线。 由于 岩石存在明显的不均一性，莫尔强 度包络线很难形成一条光滑的曲线。 因此用数学表达式表示： = =c c+ +t ta an n。 3 3格格里里菲菲斯斯强强度度理理论论及及强强度度条条件件 ： 岩石是一种带有初始缺陷的介质， 在脆性材料内部存在着许多微裂纹。 随着外力的逐渐增大，裂纹将沿着 与最大拉应力成直角的方向扩展。 当作用在裂纹尖端的有效应力达到 形成新
4、裂纹所需的能量时，裂纹开 始扩展。 强强度度条条件件 ：1+330. (1-3)/ (1+3)=8t 4 4三三轴轴应应力力计计算算 : : P P1 15 5公公式式1 1- -1 12 2, ,p p1 17 7公公式式1 1- -1 13 3，p p2 26 61 1 公公式式1 1- -2 22 2到到1 1- -2 23 3之之间间的的三三个个； p p3 39 9，第第8 8题题。 5 5原原岩岩：地壳中没有受到人类工程 活动影响的岩体称为原岩。 6原原岩岩应应力力 ：存在于地层中未受工程 扰动的天然应力称为原岩应力。 7 7原原岩岩应应力力场场： 天然存在于原岩内而 与人为因素无
5、关的应力场称为原岩 应力场。 8 8自自重重应应力力场场： 由地心引力引起的应 力场。 9 9构构造造应应力力场场： 由于地质构造运动引 起的应力场。 1 10 0构构造造应应力力： 是由于地壳构造运动 在岩体中引起的应力，分为现代构 造应力和地质构造残余应力。 1 12 2原原岩岩应应力力分分布布规规律律： A实测铅直应力基本上等于上覆岩 层重量； B水平应力普遍大于铅直应力； C水平应力与铅直应力的比值随深 度增加而减小； D最大水平主应力和最小水平主应 力一般相差较大。 1 13 3基基本本假假设设条条件件下下孔孔周周围围应应力力分分布布。 A圆孔周边应力： r=0，=2rH； B任一点
6、应力r+=2rH； Cr、应力分布与方向角 无 关，圆孔在任一方向应力分布相同； D围岩内应力大小与 E、M无关，距 孔边距离有关； E孔周围处于压缩状态； F影响半径： 3倍直孔以远； G应力集中系数最大为 2. 1 14 4支支承承压压力力： 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软 岩应力的垂直集中应力。（应力重新 分布后，巷道两侧改变后的切向应力增高的部分） 1 15 5支支撑撑压压力力的的分分区区问问题题 ：常将采场 前方或巷道两侧的切向应力分布按 大小进行区分。 根据切向应力的 大小，可分为增压区和减压区。比 原岩应力小的压力区是减压区，
7、比 原岩应力高的压力区是增压区。增 压区即通常说的支承压力区。支承 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。再向内部 发展即处于稳压状态的原岩应力区。 另一种分类方法是将其分为极限 平衡区和弹性区。 1 16 6直直接接顶顶 ：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。 1 17 7老老顶顶： 通常把位于直接顶之上 （有时直接位于煤层之上）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。 1 18 8伪伪顶顶： 在煤层与直接顶之间有时 存在厚度小于0.30.5m、极易垮落 的 软弱岩层，称为伪顶。 1 19 9上上覆覆岩岩层层活活动动规规律律假假说
8、说： A A压压力力拱拱假假说说 认认为为：回采空间上方形成自然平衡 拱（压力拱）；工作面始终处于拱的 保护之下；工作面前进，拱脚随之 前进。 评评价价：可解释免压现象；但对拱的 特性、岩层移动时各层的力学关系 未作分析。 B B悬悬臂臂梁梁假假说说 认认为为： 顶板垮落后，煤壁上方岩层 以悬臂梁形式存在（含组合梁），随 工作面推进周期性垮落，产生周期 性来压。 评评价价：可解释 周期来压，下沉量近 煤帮处小 ；并非所有顶板都处于悬 臂梁状态。 C C预预成成裂裂隙隙假假说说 认认为为： 工作面前方由于支撑压力作 用，导致顶板岩层破坏，形成矿压 裂隙，使岩体塑性增大；岩块间相 互挤压 预应力梁
9、 产生假塑性弯曲。评评价价：预成裂隙是否普遍存在，有 待考证。 D D铰铰接接岩岩块块假假说说 认认为为：采空区冒落矸石在规则冒落 带以上，形成三铰拱平衡。 评评价价：平衡条件和平衡关系未进行 探讨。 E E我我国国学学者者在在岩岩体体结结构构力力学学模模型型上上 的的发发展展 砌砌体体梁梁假假说说 认认为为：坚硬岩层 底层；铰接关系。 评评价价：普遍公认 。 2 20 0极极限限跨跨距距计计算算： 老老顶顶的的梁梁式式破破断断 ： 固固定定梁梁： 最大剪力发生在 梁的两端： Qmax=R1=R2=qL/2 最大弯矩发生在梁 两端：Mmax=- qL2/12 简简支支梁梁 最大剪力发生在梁的两
10、端： Qmax=R1=R2=qL/2 最大弯矩发生在梁中间： Mmax=-qL2/8 固固定定梁梁的的极极限限跨跨距距： 按剪力计算 为：L2s=4hRs/3q 按弯矩计算 为：L2T=h 2RT/q 简简支支梁梁的的极极限限跨跨距距： 按剪应力 计算为：L2s=4hRs/3q 按弯矩 计算为：L2T=2hRT/3q 2 21 1老老顶顶初初次次来来压压 ：老顶平衡结构第 一次失稳而施加给工作面以大型压 力的过程。 老老顶顶初初次次来来压压 形形成成过过程程 ：初次回采 初次放顶 老顶悬顶距跨度大 老顶 断裂形成平衡结构 失稳初次来 压 2 22 2回回采采工工作作面面 初初次次来来压压时时矿
11、矿压压显显现现 特特 点点：来压前，顶板压力无明显增大 煤壁内部支撑压力增高，导致片帮 顶板有板爆声响 顶板下沉速度 急剧增加 支柱载荷急剧增加 顶板 出现拉缕现象 老老顶顶初初次次来来压压步步距距 ：第一次来压工作 面至开切眼的距离。 初次来压步距一般为（ 1520）m，周 期来压步距一般为（ 710）m. 2 22 2老老顶顶的的周周期期来来压压 ：由于裂隙带周 期性失稳而引起的顶板来压现象。 周周期期来来压压： 由于老顶平衡结构周期 性失稳而施加给工作面以大型压力 的过程。 周周期期来来压压步步距距 ：两次来压期间工作 面的推进距离。 周周期期来来压压 形形成成过过程程 ：初次来压 老顶
12、 悬距跨度增大 老顶断裂 平衡结构失稳周期来压 周周期期来来压压的的矿矿压压显显现现 特特点点：顶板下 沉量急剧增加 支柱载荷普遍增加 煤壁片帮严重 当支撑力不足时， 工作面会出现台阶下沉 如果支护参 数选择不合理，会发生冒顶、切顶。 预预防防措措施施： 增大支撑力，增加稳定 性，加强矿压规测，加强支护质量 管理。 2 23 3顶顶板板压压力力的的估估算算： 一一估估算算法法 ：根据现有的矿山压力研 究成果，对工作面可能出现的顶板 压力大小进行估算， 经经验验估估算算法法 ：以直接顶沿煤壁断 裂，老顶平衡结构失稳时最不到状 态作为顶板压力估算的依据。 直直接接顶顶载载荷荷 ： Q1=hL1；当
13、悬顶距 L1等于控顶距L时 ：q1=h；老 顶:=q1+q2=nh，h=2M/(K-1)， 顶板压力 =(4-8)M 以以老老顶顶平平衡衡关关系系估估算算 ： 直接的载 荷全部由支架承担，老顶载荷仅当 老顶结构失稳时产生。 分分为为：滑落失稳估算法，变形失稳 估算法，威尔逊估算法。 二二实实测测法法： 根据对大量工作的实测 与统计数据，确定工作面顶板压力 的大小。 2 24 4顶顶板板的的分分类类方方案案及及指指标标 ，分类目 的：规范化，科学化，系列化；分分 类类方方案案， 根据直接顶稳定性分类： 不稳定顶板（ r4，泥岩，泥页 岩，节理裂隙发育或松软； 41145。 （分级指标pe老丁初次
14、来压 平均当量） 2 25 5回回采采工工作作面面前前后后方方支支撑撑压压力力的的分分 布布p p1 11 10 0 应力降低区： b（减压区） 应力增高区： a（增压区） 应力不变区： c（稳压区） 在工作面前方支承压力的峰值到煤 壁为极限平衡区，向煤壁内侧为弹 性区。 2 26 6工工作作面面 “支支架架围围岩岩”相相互互作作用用 原原理理： A横向： “煤体支架垮落矸石 ” 支撑系统； B纵向： “老顶直接顶 支架直 接顶”支撑系统。 2 27 7综综采采工工作作面面，单单采采工工作作面面大大致致原原理理。2 28 8关关键键层层： 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
15、用的岩层称为关键层。 2 29 9采采场场上上覆覆岩岩层层关关键键层层特特点点： A几何特征，相对其他同类岩层单 层厚度较厚； B岩性特征，相对于其他岩层较为 坚硬，弹性模量较大，强度较高； C变形特征，关键层下沉变形时， 其上覆全部或局部岩层的下沉量同 步协调； D破断特征，关键层的破断将导致 全部或局部上覆岩层的同步破断， 引起较大范围内的岩层移动； E承载特征，关键层破断前，以 “板” 的结构形式作为全部岩层或局部岩 层的承载主体，破断后则成为 “砌体 梁”结构，继续成为承载主体。 3 30 0横横三三区区竖竖三三带带 按按层层面面垂垂直直方方向向移移动动状状况况划划分分竖竖 三三带带：
16、冒落带（垮落带） 分为规 则、不规则垮落带： 裂隙带，位于 冒落带以上，岩层间产生离层，形 成拉伸裂隙，整体间联系比较好， 相对位移小； 弯曲下沉带：岩层 基本上不产生离层，也不产生断裂， 岩层会大面积缓慢下沉。 特特点点： (1)三带的形式是由下而上 逐渐形成 不同岩性三带影响区域 不同三带高度对于顶板管理及水 体下采煤有影响。 沿沿推推进进方方向向移移动动状状况况分分为为横横 三三区区， A煤壁支撑影响区：由于煤壁支撑， 垂直移动小，水平移动大； B岩层 区：垂直位移下大上小； C重新压 实区：垂直位移，下小上大，重新压实。 结结论论：岩层移动由下而上形成三 带，直至地表 在工作面附近，顶 板形成三区 顶板移动在工作面前方 30-40m处开始 顶板的位移基本垂 直于层面 移动影响范
