中国矿业大学(北京)矿山压力考研试题 最新

1一、论述分析题1、绘图解释岩石应力—应变全过程曲线（03、07）P16答：图1岩石的应力应变全程曲线只有在刚性试验机出现后，才得出岩石在单轴压力作用下的真实过程，即应力应变全过程曲线。岩石单轴受压条件下的全程应力——应变曲线可划为5个阶段。①O—A段，原始空隙压密阶段，岩石应力—应变曲线呈上弯形，此段变形模量较小且不是一个常数。②A—B段，线弹性阶段，岩石应力—应变曲线呈直线形，相应的B点得值称为弹性极限。③B—C段，弹塑性过度阶段，岩石的应力—应变曲线从B点开始偏离直线，当应力达到0.6max时岩石开始有微破裂不断产生，岩石的体积由压缩转向膨胀。对应于曲线上C点得应力值称为屈服极限。2④C—D段，塑性阶段，当应力超过屈服应力后，接近0.95max时，岩石破裂速度加快，岩石的应力—应变曲线继续向右上方延伸，岩石的体积膨胀加速，变形也随应力增长而迅速增长，直到D点破坏。相应于D点的应力值称为岩石的强度极限（max）或峰值强度。⑤D点以后为破坏阶段，又称后破坏阶段。这段峰后曲线说明，岩石达到强度极限后，破坏的发展要经历一个过程，最终达到完全破坏。后破坏的岩石仍有一定的承载能力，只是保持一较小值，相应于曲线E点所对应的应力值称残余强度。D点后的峰后区表现出应变软化的特性。2、简述岩体的基本特征（03、07、08）P30答：概括来说，天然岩体与实验室内制作的岩石试件有显著不同：I．⑴岩体赋存于一定地质环境中，地应力、地温、地下水等因素对其物理力学性质有很大影响，而岩石试件只是为实验室实验而加工的岩块，已经完全脱离了原有的地质环境。⑵岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程，其中存在着各种地质构造和弱面，如不整合、褶皱、断层、节理、裂隙等等。⑶一定数量的岩石组成岩体，且岩体无特定的自然边界，只能根据问题的需要来圈定范围。II．除上述特点外，从力学角度来看，岩体与岩石有许多区别，较为明显的基本特征是：⑴岩体的非均质性。有多种岩石组成的岩体，因其结构面方向、分布、密度以及在自然条件下组成岩石的物质成分和组合状况经常发生变化，所以认为岩体是非均质的。即岩体的非均质性是岩体物理力学性质随空间位置的不同，其性质也不相同的特性。⑵岩体的各向异性。因岩体中结构面的分布往往有一定的方向，随受力岩体的结构面趋向不同，其力学性质也不同。岩体3的各向异性指岩体的全部或部分物理力学特征随方向不同而表现出不同性质的特征。岩体的许多物理力学性质，如弹性模量、抗拉、抗压强度等随测试或加载方向不同而又显著差异。⑶岩体的非连续性。由于岩体被各种结构面所切割，因此从总体上说岩体属于非连续介质，而岩块则可作为连续介质。3、运用莫尔—库仑强度曲线推导出以极限主应力σ1和σ3表示的莫尔—库仑强度准则（03、05、06）答：库伦—摩尔强度准则认为当压力不大时（一般10MPa）,可用斜直线强度曲线（图1-22）推导出强度准则的表达式tanC圆A为摩尔应力圆，其方程为2312231)2()2(式中C、——岩石的内聚力和内摩擦角。由此方程得：)(2131AB,)(2131OA由斜直线表强度达式知：OD=C,cotCOE，所以在直角三角形AEB中：)(21)(21sin3131ACOEABAEAB整理得：43sin1sin11sin1sin12C此式即为库伦—摩尔强度准则，也称极限平衡条件。4、绘图说明双向等压作用下圆形巷道周边应力分布的基本规律，并加以解释（03、05、06、07、08、09、10）20分，P5017答：1、弹性变形应力分布图3弹性条件下圆形巷道应力分布图巷道开掘后原岩应力重新分布，巷道围岩内出现应力集中，如果围岩应力小于岩体强度，则围岩仍处于弹性状态，则巷道围岩中距巷道中轴线为r的任意一点的应力为：2112(1)rrr，2112(1)trr其中：r为巷道半径；1由自重应力引起(且1=H);应力分布如图3所示，且有以下特点：（1）、在双向等压应力场中，圆孔周边全处于压缩应力状态。（2）、应力大小与弹性常数E、无关。（3）、t、r的分布和角度无关，皆为主应力，5即切向和径向平面均为主平面。（4）、双向等压应力场中孔周边的切向应力为最大应力，其最大应力集中系数K=2，且与孔径的大小无关。当t=2H，超过孔周边围岩的弹性极限时，围岩将进入塑性状态。（5）、其他个点的应力大小与孔径有关。（6）、圆孔周围任意点的切向应力t与径向应力r之和为常数，且等于21。2、塑性变形区及应力分布图4塑性条件下圆形巷道应力分布图如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，形成塑性变形区，即形成塑性圈。径向压力r与弹性条件下一致，但切向应力t由于塑性变形使其在巷道边缘不为0，并在巷道边缘到塑性圈逐渐增大，过了塑性圈，规律与弹性条件下一致，其应力分布如图4所示。5、绘图解释岩石蠕变（05、06、10、11）答：反应蠕变特征的变形—时间曲线称为蠕变曲线。图1-12为岩石的6典型蠕变曲线。它可以划分为：①O-A段：瞬时变形阶段。在加载瞬间，试件立即产生一瞬时弹性应变，此段所经历的时间极短，可以人为与时间无关。②A—B段：第一蠕变阶段（又称初始蠕变、过渡蠕变或阻尼蠕变）。此段应变不断增加，但增长速率却随时间降低，曲线呈下凹形。③B—C段：第二蠕变阶段（又称等速蠕变阶段或定常蠕变阶段）。此段时间延续最长，应随时间呈近似的等速增长。④C—D段：第三蠕变阶段（又称加速蠕变）。当应力达到C点后加速增长，曲线呈上凹型，当应变达到某个数值D点时试件破坏。5、绘图说明结构面对岩体的强度影响（08）10分P35答：总的来说，结构面的存在使得岩体总强度既不高于结构体强度，也不低于结构面的强度，其关系如图所示：7具体来讲，结构面，尤其是结构面产状对岩体强度的影响主要表现为造成岩体强度的各项异性和掩体强度的降低。（1）单向压缩下结构面产状如图所示的极坐标系中，半径表示单轴抗压强度，表示结构面与水平面的夹角，粗黑线表示岩体强度受结构面影响时随角变化的情况。①当=0时，即加载方向与结构面垂直时，岩体强度就是结构面强度，相当于强度变化曲线中的最大值max。②当=0~1的范围内，岩体将沿AB破坏面产8生剪切破坏。③在=12~范围内，越接近452，岩体强度受结构面影响的程度越大，当=452时，剪切面正好与结构面重合，此时岩体沿结构面产生剪切破坏，其强度就是结构面强度，即曲线中的最小值min。④在2~90范围内，由于结构面抗拉强度很小，且加载方向与结构面所成角度很小甚至与结构面平行，这是岩体常会沿结构面横向张裂破坏，但不产生新的破坏面。⑤当90时，破坏强度介于min和max之间，即为平行于结构面受载时的强度。（2）三轴压力下结构面产状此时结构面产状对岩体强度的影响比单轴压力下复杂。不同侧压力3下，可作出结构面不同倾角的岩体强度曲线。总之，当岩体中存在一组结构面时，其强度随结构面与主应力之间夹角不同而不同，即造成岩体强度的各项异性。6、简述格里菲斯（Griffith）强度理论及适用条件（05）P27答：格里菲斯于1921年提出了关于脆性材料破裂的理论。他认为在材料内部存在着许多均匀地、随机地分布窄缝形的微裂隙。在力的作用下，处于不利方位的裂隙端部就会产生应力集中现象，使该处的应力达到所施加压力的几十倍甚至上百倍，于是裂隙就沿其长度方向开始扩张，甚至材料整体破坏。格里菲斯强度理论实质是脆性拉断破坏理论，它不仅能解释岩石脆性破坏现象，还能解释许多材料在远低于其强度极限时就发生破坏的原因。适用条件：①脆性材料；②已知材料的极限拉应力；③材料内部存在微9裂隙。7、试述影响矿山压力显现的主要因素（08、10）答：①开挖空间的大小。开挖空间越大，向周围支承岩体或支承物所转移的岩体重量越多，周围支承物所承受的矿山压力越大，同时被悬空的岩体所承受的上覆岩层的压力也越大，被悬空的岩体破坏越严重，从而矿山压力显现也就越严重。②开挖推进速度。开挖推进速度越慢，矿山压力显现越严重。在开挖推进速度较慢的情况下，加快开挖的推进速度可以减小顶板的下沉量和巷道两帮的移近量，改善围岩状况。但是当开挖的推进速度提高到一定的程度后，围岩变形量的变化将逐渐减小。因此用加快开挖推进速度的办法减少围岩变形量是有一定限度的。③开采深度。随着开采深度的增加，一部分矿山压力显现增大，如煤壁上的支承压力增大，冲击地压，煤壁片帮及底鼓等现象加剧。但对回采工作面顶板下沉量及支架上所承受的载荷并没有明显的影响，这是因为回采工作面空间总是在上覆岩层结构的保护之下的结果。⑤工作面处分层开采。开采第一分层时，矿山压力显现于开采单一煤层时基本相同。开采下部分层时，工作面顶板为已冒落的破碎岩石，因而导致老顶来压步距减小，来压强度减弱；支架承受载荷减小；顶板下沉量增大；顶板破碎且难以管理等现象。8、试述影响工作面矿山压力显现的主要因素（03、05、06）答：①煤层采高及回采工作面控顶距。在一定的地质条件下，回采工作面顶板下沉量与采高及控顶距成正比。采高越大，采出的空间越大，必10然导致采场上覆岩层破坏越严重，从而矿山压力显现越严重；采高越低，顶板活动越缓和，煤壁也较为稳定。控顶距越大，矿山压力显现也越严重。②工作面推进速度。工作面推进速度越慢，矿山压力显现越严重。在工作面推进速度较慢的情况下，加快工作面的推进速度可以减小顶板的下沉量，改善顶板状况。但是当工作面的推进速度提高到一定的程度后，顶板下沉量的变化将逐渐减小。因此用加快工作面推进速度的办法减少顶板下沉量是有一定限度的。③开采深度。随着开采深度的增加，一部分矿山压力显现增大，如煤壁上的支承压力增大，冲击地压，煤壁片帮及底鼓等现象加剧。但对回采工作面顶板下沉量及支架上所承受的载荷并没有明显的影响，这是因为回采工作面空间总是在上覆岩层结构的保护之下的结果。④煤层倾角。由于煤层倾角的变化，顶板岩层重量在垂直于岩层层面的分力也发生变化。煤层的倾角增大，垂直层面的分力减小，顶板的下沉量也减小。但煤层倾角的增大会使采空区内的冒落矸石沿倾斜向下滑动，因而会引起上覆岩层移动规律的变化。⑤分层开采。开采第一分层时，矿山压力显现于开采单一煤层时基本相同。开采下部分层时，工作面顶板为已冒落的破碎岩石，因而导致老顶来压步距减小，来压强度减弱；支架承受载荷减小；顶板下沉量增大；顶板破碎且难以管理等现象。10、试述采区巷道矿山压力显现的基本规律（03、05、06）11答：（1）、对于水平工作面，如图所示①巷道掘进影响阶段I：煤体内开掘巷道后，巷道围岩出现应力集中，在形成塑性区的过程中，围岩向巷道空间显著位移，但随着巷道掘出时间的延长，围岩变形速度逐渐衰减，趋向缓和。所以该阶段矿山压力显现较弱，显现时间短。②掘进影响稳定阶段II：此阶段采动对其无影响，而且煤岩变形移动主要是由于本身的流变性质所致，因此本阶段矿山压力基本上是平衡的。③采动影响阶段III：巷道受上区段工作面（A）的回采影响后，在回采引起的超前移动支承压力作用下，巷道围岩应力再次重新分布，顶底板移近量增大，矿压显现非常强烈。在工作面（A）后方附近，由于巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉及显著运动，使得支承压力和巷道围岩变形速度都达到最大值，远离工作面后方，变形速度减弱。④采动影响稳定阶段IV：回采引起的应力重新分布趋于稳定后，巷道围岩的变形速度降低，但仍高于掘进影响稳定阶段的变形速度，围岩变形量按流变12规律缓慢增长。⑤二次采动影响阶段V：巷道受本段回采工作面（B）的回采影响时，由于上区段残余支承压力，本区段工作面超前支承压力相互叠加，巷道围岩应力急剧增高，引起围岩应力重新分布，塑性区扩大，应力的反复扰动，使围岩变形比上一次采动影响更加剧烈。（2）、对于倾斜工作面，矿压显现规律如图所示：11、试述采准巷道矿山压力显现的基本规律（08）答：13为一个采区或数个区段服务的巷道，如采区上下山、采区车场、采