1．什麼是礦山壓力和礦山壓力顯現？
答：地下岩體被採動以前，在其自重的作用下形成的原岩應力是處於平衡狀態的。當在煤、岩體內開掘巷道或進行回採工作時，就會破壞原來的應力平衡狀態，引起岩體內的應力重新分布。
這種由於礦山開採活動的影響，在巷硐周圍岩體中形成的和作用於巷硐支護物上的力定義為礦山壓力。
由於礦山壓力的作用在巷道、回採工作面引起的一系列力學現象，如圍岩的變形或擠入巷道，岩體破壞、移動或冒落，煤體被壓碎、片幫或突然丟擲，支架的變形或破壞，充填物產生壓實，岩層和地表的移動或塌陷等，這些由於礦山壓力作用使巷硐周圍岩體和支護物產生的種種力學現象，統稱為礦山壓力顯現，簡稱為礦壓顯現。
第二章礦山岩體的原岩應力及其重新分布
一、內容提要
1 ．岩體內原岩應力的概念
岩體內形成原岩應力的主要原因有兩種，由於岩體自重而引起的自重應力和由於地質構造運動而引起的構造應力。自重應力是形成岩體垂直應力和水平應力的根本原因。構造應力主要是指水平應力。
在礦山地質構造簡單地區的岩體可能只有自重應力，在地質構造複雜地區的岩體中可能同時有自重應力和構造應力存在。
二、習題
1．什麼叫原岩應力狀態，對原岩應力狀態有幾種假說？
答：地殼中沒有受到人類工程活動影響的岩體叫做原岩。原岩的原始應力狀態。原岩所處的應力狀態叫做原岩的原始應力狀態。
關於原岩的應力狀態有兩種假說：
（1）彈性假說，認為岩體處於彈性狀態，其受力與變形的關係附合虎克定律，在垂直應力作用下將在岩體中引起水平應力的作用，其側壓係數＝0.25～0.43。
（2）靜水應力狀態假說，認為在地下深處的岩體由於長期的地質作用和岩石的拐變作向應力和垂直應力趨於相等，即側壓係數=1。
第三章回採工作面上覆岩層活動規律及其分析
一、內容提要
1．老項岩層的梁式平衡
回採工作面自開切眼向前推進一段距離以後，直接頂開始垮落，老頂懸露於採空區之上而未折斷，類似於一端由工作面前煤壁支撐，另一端由邊界煤柱支撐的兩端固定的梁。這時，開採空間上覆岩層處於平衡狀態，通常將這種狀態稱為老頂的梁式平衡。
2．老頂岩層斷裂時的極限跨距
隨著回採工作面的推進，當老頂巖梁達到一定跨距時，老頂巖梁因其中的應力超過巖梁的強度極限而發生斷裂。通常將老頂巖樑要斷裂時的跨距稱為老頂巖梁的極限跨距。其數值可按以下公式計算：
（1）當回採空間周圍均未採動時，可按固定梁計算：
（2）當回採空間周圍均已採空或用刀桂法管理頂板時，其極限跨距可按簡支梁計算，
3．裂陳體梁的平衡
老頂岩層達到極限跨距以後，老頂岩層就要斷裂形成所謂裂涼體。但斷裂後的岩塊由於向下迴轉時產生相互擠壓和摩擦而不發生垮落。這時，斷裂岩塊間形成三鉸拱式平衡。
通常將這種平衡稱為裂隙體梁的平衡。裂隙體梁的平衡條件可用下式表示：
式中 r——兩岩塊之間的剪力；
t——岩塊之間的水平擠壓力；
——岩塊間的摩擦角；
一一岩塊間的斷裂角。
5．有關岩體「結構」的礦山壓力假說」
（1）壓力拱假說。該假說認為在回採工作空間上方由於岩層自然平衡而形成乙個「壓力拱」，前後拱腳之間形成乙個減壓區，回採工作面支架只承受壓力拱內岩石重量的作用。
（2）懸樑假說。該假說認為頂板在初次垮落以後，可將其看作是乙個懸臂梁，隨著工作面的推進，懸臂梁發生週期性拆斷；因而造成回採工作面的局期來壓。
（3）預成裂隙假說。該假說認為，煤層開採後，由於支承壓力的作用頂板的連續性被破壞，形成成組出現的礦壓裂隙在工作面周圍形成應力降低、應力公升高和採動影響區，三個區域隨著工作面的推進同時向前移動。這時，可將其視為「假塑性體，被各種裂隙破壞了的假塑性體彼此壓緊形成預應力梁，此梁在自重和上覆岩層的作用下發生彎曲、下沉、滑移以至垮落。
為了控制頂板，支架應有足夠的初撐力和工作阻力，並應及時支撐住頂板岩層。
（4）鉸接岩塊假說。該假說認為，很據直接頂分層厚度和煤層採高的關係不同，可將開採空間上方的頂板岩層分為冒落帶和裂隙帶。裂隙帶內岩塊可以互相咬合形成三鉸拱式平衡，使採場免受上部岩層的作用。
6．裂隙帶岩層的結構模型及形成岩體結構的平衡條件
上覆岩層的岩體結構主要由堅硬岩層組成，軟岩層只作為載荷，堅硬巖息斷裂成岩塊後排列整齊並互相咬合，這樣，就可以建立乙個靜定的力學模型。根據力學計算，岩體結構的平衡條件為：
（1）岩塊間應有足夠的水平推力，且不可過大。
（2）岩塊的下沉量s1要小，厚度h較大，且s1要遠小於h。
（3）岩塊間的斷裂角。要小於岩塊間的摩擦角．
（4）岩塊間的剪下力q要小於岩塊間的摩擦力，即岩體結構上作用的載荷不易過大。
二、習題
1．什麼是直接頂、偽頂和老頂，它們之間有何不同？
答：賦存在煤層之上的岩層統稱為煤層的頂板。直接位於煤層之上的一層或幾層性質相似的岩層稱為直接頂，它由於具有一定穩定性，在回採工作面回柱放頂後易跨落的頁岩、砂頁岩等不太堅硬的岩層組成。
位於直接頂和煤層之間，厚度小於0.3m至0.5m 極易冒落的較軟弱岩層稱為偽頂。它隨著煤體的破落而冒落，通常由炭質頁岩組成。
位於直接頂之上（有時直接位於煤層之上）的厚而堅硬的岩層稱為老頂。它通常不隨回採工作面回柱放頂而冒落，而是以鉸接巖梁的形式下沉，一般由砂岩、礫岩和石灰岩等堅硬岩層組成。
老頂是引起回採工作面頂板初次來壓和週期來壓的主要原因。老頂岩層愈厚、愈堅硬，礦山壓力顯現愈強烈。直接頂是影響回採工作面頂板初次來壓和週期來壓劇烈程度的主要原因，直接頂愈厚初次來壓和週期來壓顯現就愈弱，反之，來壓顯現愈強烈。
2．怎樣理解長壁工作面頂板在初次來壓前的「拱」或「梁」，式結構？
答：隨著回採工作面的不斷向前推進，直接頂不斷冒落，當直接頂之上存在有比較堅硬的岩層時，堅硬岩層不易冒落，可能形成大面積懸露，這時懸露在採空區上部的堅硬岩層是一端由工作面前煤壁支撐，另一端由採空區煤柱支撐的板，由於工作面沿傾斜的長度遠大於堅硬岩層沿走向的跨距，因此，可以將此懸露的堅硬岩層視為兩端固定的「梁」，如圖3－1a所示。
隨著工作面推進，懸露的堅硬岩層達到極限跨距，就要發生彎曲和斷裂。此時，由於斷裂岩塊的向下轉動而在岩塊之間產生強大的水平擠壓力，從而形成如圖3－1b所示的「三鉸拱」式平衡，此三鉸拱可以支撐上部岩層的部分重量。
再有一種情況就是，直接頂以上沒有堅硬的岩層，隨著工作面的向前推進頂板呈層狀冒落而形成「冒落拱」式結構，如圖3－1c所示。
在煤層開採過程中，由於頂板岩層中有梁或拱式結構存在，它支撐著其上部岩層的重量，使回採工作面內的支架受載大大減小，因而，大大節省了工作面支護材料消耗。
（abc）
圖3－1 老頂岩層的巖梁和拱式結構
a－老頂的梁式結構；b—老頂的三鉸拱式結構；c—頂板的冒落拱結構
3．試分析老頂岩層達到極限跨距時，其斷裂是由於彎曲受拉而斷裂，還是由於剪下而斷裂？
答：老頂岩層懸露後，可視為兩端固定的梁。根據材料力學可知，樑中的最大彎矩和最力均發生在梁的兩端，它們的數值分別為：
最大彎矩：
最大剪力：
樑中任意一點的正應力和剪應力分別為：，
最大正應力發生在梁的表面，即處，則有：
最大剪應力發生在梁的中性軸一上，即y=0處，則有：
當梁中的剪應力達到梁的抗拉強度極限，時，梁就會被拉斷。這時，梁的極限跨距為:：
當梁中的剪應力達到梁的抗剪強度極限時，梁就要被拉斷。這時，梁的極限跨距為：
對於一般煤系岩層其岩石的抗剪強度極限要比抗拉強度極限大兩倍以上。從以上兩式中可以看出，在相同情況下，要比大的多，在樑中剪應力達到抗剪強度以前，樑中的最大拉應力已達到了抗拉強度極限而使巖梁斷裂。所以，老頂岩層，總以彎曲受拉斷裂為主。
4．某一緩斜煤層頂板為中砂岩，岩層厚度h=4m抗拉強度r1=14000kpa，作用在岩層上的載荷q=190kn /m2，求其極限跨距 lt ，並繪出其剪力圖和彎矩圖，設，，分析當岩層達到極限跨距時，能否形成三鉸拱式平衡。若由於水的作用，此時能否形成三鉸拱式平衡？
答：根據題中所給的條件可先求出老頂岩層極限跨距。
然後再求出梁寬1m時，梁兩端的最大剪應力和最大彎矩以及梁中部的彎矩。
根據qmax、mmax和，在q一x和m 一x，座標系中作出岩層的剪力圖和彎矩圖。如圖2-2所示
當巖梁達到極限跨距斷裂後，岩塊間所形成的水平推力為，
斷裂岩塊之間產生的摩擦力為：
斷裂岩塊之間產生的摩擦力f大於巖梁的最大剪力qmax ，所以，巖梁可以形成三校拱式平衡，不會產生滑落失穩。
當由於水的影響時，岩塊間的摩擦力為：
5．有一緩斜煤層，其頂板由四層岩層組成，各岩層的資料如表3－1所示。如採用刀柱法處理採空區，刀柱間的距離應該是多少？
表3－1 岩層資料表
答：根據題中給的資料首先計算作用在第一岩層上的載減集度q值。考慮第一岩層本身重量的載荷集度q1為
考慮第二岩層對第一岩層的作用時，則有：
考慮第三層岩層對第一層的作用時，則有：
考慮第四層岩層對第一層的作用時，則有
由此可以看出第四層岩層對第一層岩層的載荷已無影響，計算第一岩層的載荷只計算到即可，此時，。
由於頂板岩層多數為脆性破壞，取安全係數＝6，則刀柱間的距離應為安全跨距，可用下式計算：
8．簡述壓力拱假說的實質、優缺點及適用條件。
答：壓力拱假說認為，回採工作面從開切眼開始就已形成了壓力拱。隨著回採工作面推進，由於採空區擴大，壓力拱的範圍也隨之增大，直至採空區頂板冒落後，形成新的壓力拱。
這時，壓力拱的乙個支點是工作面前方煤壁（前拱腳），另乙個支點是採空區的冒落矸石或充填體（後拱腳）。隨著工作面向前推進，前後拱腳隨之向前移動。前後兩拱腳為高應力區，而前後拱腳之間為一減壓區。
因此，工作面內的支架只承受拱內岩石重量的作用。為了減小支架所受的壓力，應當盡量減小拱的範圍。
壓力拱假說比較簡明地解釋了圍岩的解除安裝原因和減壓區的存在，給出了圍岩的最終平衡狀態。但它不能全面地解釋礦山壓力的各種現象，特別是對岩層移動的力學特性未作任何分析。
《礦山壓力及其控制》複習題
複習題一 填空題 1 礦山壓力及岩層控制的學科特色表現在 1 採礦工程岩體結構的本質 2 採礦工程的移動特性 3 採礦工程中圍岩的大變形和支護體的可縮特徵 4 採礦工程中的能量原理和動力現象 2 根據上覆岩層內部移動特徵，將上覆岩層沿工作面推進方向劃分為三個區，煤壁支撐影響區 離層區和重新壓實區 根...
礦山壓力複習
一 名詞解釋 1 礦山壓力 由於在地下煤巖中進行採掘活動而在井巷 硐室及回採工作面周圍煤 岩體中和其中的支護物上所引起的力，就叫做礦山壓力。2 岩石的孔隙度 岩石中各種孔洞裂隙體積的總和與岩石總體積之比。3 泊松比 岩石受到單向壓縮載荷時，試件在軸向縮短的同時產生橫向膨脹，其橫向應變與軸向應變的比值...
礦山壓力複習
一 名詞解釋 1 變形圍岩壓力 巷道圍岩變形而未脫落，對支架擠壓而產生的力。2 直接頂 直接位於煤層之上的一層或幾層性質相近的岩層。3 基本頂 老頂 位於直接頂之上，對採場礦山壓力直接造成影響的厚而堅硬的岩層。4 沿空留巷 採煤工作面後沿採空區邊緣維護原回採巷道。5 沿空掘巷 完全沿採空區邊緣或僅留...