岩层控制试题（开卷）
1、论述岩层控制学的主要研究内容及对煤矿开采的重要性。（15分）
答：矿山压力与岩层控制是采矿工业的基础学科，矿山压力与岩层控制以矿山岩石力学为基础，与矿山工程、采矿工艺理论和实践密切结合，是具有一定特色的岩层控制理论和工程实践体系的基础理论学科与工程技术学科互相交叉相互渗透的独立的分支学科。
下述三个基本概念反映了矿山压力与岩层控制课程的体系，也涵盖了矿山压力与岩层控制课程的主要内容。
地下岩体在受到开挖以前，原岩应力处于平衡状态。开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原始的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，直至形成新的平衡状态。这种由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力，在相关学科中也称为二次应力或工程扰动力。在矿山压力作用下，会引起各种力学现象，如岩体的变形、破坏、塌落，支护物的变形、破坏、折损，以及在岩体中产生的动力现象，统称为矿山压力显现。在大多数情况下，矿压显现会对采矿工程造成不同程度的危害。为使矿压显现不致影响采矿工作正常进行和保障安全生产，必须采取各种技术措施把矿山压力显现控制在一定范围类。对于有利于采矿生产的矿山压力显现，也应当合理地利用。所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫做矿山压力控制。
矿山压力与岩层控制已成为我国采矿工业各历史阶段技术变革的重要保障，主要表现在以下几方面。
1. 生态环境保护的需要
矿床开采直接影响到地下水分布，引发地表沉陷，带来矸石和瓦斯排放等与生态环境保护密切相关的问题，采场上覆岩层的移动是产生上述现象的根本原因。岩层控制理论为实现保水采煤，完善条带开采和充填技术，进行矸石处理和有效抽放瓦斯奠定了理论基础。
2. 保证安全和正常生产的需要
井工开采中顶板岩层塌落、露天开采边坡失稳问题，一直是令人关注的重要问题。巷道的维护状况直接影响到井下正常运输、通风和行人。岩层控制理论和技术为大幅度降低顶板事故做出了突出贡献。边坡稳定性研究使边坡设计既能达到经济上可采纳的陡度，又足以维持安全的缓度。巷道围岩控制理论和技术使合理支护各种巷道成为可能。
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3. 减少资源损失
在开采矿物过程中，为了保护巷道和管理采场顶板，常常留设各类矿柱。这些矿柱是造成地下资源损失的主要根源。通过对开采引起的围岩应力重新分布规律的研究，推广无煤柱护巷和跨越巷道开采等技术措施，不仅可以显著减少资源损失，还有利于消除因矿柱存在而引起的灾害和对采矿工作的不利影响。
4. 改善开采条件
对采场、巷道支架—围岩相互作用关系的深刻认识和围岩支护手段的进步促进了开采技术的发展。自移式液压支架的应用实现了采煤综合机械化。巷道可缩性金属支架和锚喷支护的应用改变了刚性、被动支护巷道的局面。同时，采场、巷道围岩稳定性分类为合理选择支护形式、支护参数提供了科学依据。
5. 提高经济效益
在分析研究采场各种类型直接顶、老顶，巷道及矿山边坡各类围岩活动规律以及各种控制技术的基础上，较完整地提出从围岩结构稳定性分类、稳定性识别、矿压显现预测、支护设计、支护质量与顶板动态监测、信息反馈直至确定最佳设计的一整套理论、方法与技术。因此创造了采矿工业的良好的社会效益和经济效益。
2、论述采场矿压理论形成过程及矿压显现特征。（15分） 答：一、采场矿压理论形成过程
由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂性，因而一开始人们就对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释（即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）即称为矿山压力假说。
最早的矿山压力假说当推“压力拱”假说与“悬臂梁假说”。进入20世纪50年代，随着长壁工作面开采技术的发展、采场上覆岩层运动的观测以及支护技术的发展，对采场上覆岩层运动时的结构形式有了新的认识，此时提出的矿山压力假说当推“铰接岩块”假说以及岩体“预成裂隙”假说。
(1) 压力拱假说
压力拱假说是由德国人哈克和吉里策尔于1928年提出的。此假说认为，在回采工作面空间上方，由于岩层自然平衡的结果而形成了一个“压力拱”。前拱脚为工作面前方的煤体，后拱脚为采空区已垮落的矸石或采空区的充填体，随工作面推进，前后拱脚也将向前移动。压力
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拱切断了拱内外岩石应力的联系，承担了上部岩层的重量，并将其传递到拱脚 A、B，从而形成支承压力区 S1、S2；在2个拱脚之间形成了一个减压区 L，采场支架仅需承担压力拱 ACB 内的岩石重量。
图 1 压力拱假说模型
压力拱假说对工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压范围做出了粗略的但却经典的解释，而对于此拱的特性、岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用，并没有做出任何分析。
(2) 悬臂梁假说
德国学者施托克于1916年提出了悬臂梁假说，后得到英国的弗里德、前苏联的格尔曼等的支持。该假说认为，工作面和采空区上方的顶板可视为梁，它一端固定于岩体内，另一端则处于悬伸状态。当顶板由几个岩层组成时，形成组合悬臂梁。当悬臂梁弯曲下沉以后，受到已垮落岩石的支撑，当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。
此假说可以解释工作面近煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越远则两者均大的现象。同时也可以解释工作面前方出现的支承压力及工作面出现的周期来压现象。
根据上述观点，提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。
（3）铰接岩块假说
铰接岩块假说是由前苏联库兹涅佐夫于1950～1954年提出。此假说认为，工作面上覆岩层的破坏可分为垮落带和其上的规则移动带。垮落带分上下两部分，下部垮落时，岩块杂乱无章；上部垮落时，则呈规则的排列，但与规则移动带的差别在于无水平方向有规律的水平挤压力的联系。规则移动带岩块间可以相互铰合而形成一条多环节的铰链，并规则地在采空区上方
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下沉。
此假说对支架和围岩的相互作用关系做了较详细的分析，正确阐明了工作面上覆岩层的分带情况，并初步涉及到岩层内部的力学关系及其可能形成的“结构”。但此假说未能对铰接岩块间的平衡条件做进一步的探讨。
(4) 预成裂隙假说
20世纪50年代初，比利时的 A·拉巴斯提出了预成裂隙假说。该假说认为，由于开采的影响，回采工作面上覆岩层的连续性遭到破坏，从而成为非连续体。由于开采后上覆岩层中存在各种裂隙，这些裂隙有可能是由于支承压力作用而形成的，从而使岩体发生很大的类似塑性体的变形，因此可将其视作“假塑性体”。假说认为，在回采工作面周围存在着应力降低区、应力升高区和采动影响区。随着工作面的推进，三个区域同时相应地向前移动。
预成裂隙假说的贡献在于它揭示了煤层及临近采场的部分岩层在支承压力作用下超前破坏的可能性，正确地指出了其破坏的原因，但不能正确地解释采场上覆岩层的周期性破坏和来压规律。
(5) 砌体梁结构假说
该理论是由中国工程院院士钱鸣高教授创立的。钱教授在总结铰接岩块假说及预成裂隙假说的基础上，以及在大量生产实践及对岩层内部移动进行现场观测的基础上于20世纪70年代末80年代初提出了岩体结构的“砌体梁”力学模型，从而发展了上述假说。推出的块体结构模型 (见图 2)，可称之为点接触块体结构模型。
图 2 “砌体梁”力学结构模型
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该理论认为采场上覆岩层的岩体结构主要是由坚硬岩层组成，各分组中的软岩层则可视为坚硬岩层上的载荷，在水平推力作用下，断裂后且排列整齐的坚硬岩块可形成铰接关系，此结构具有滑落和回转变形两种失稳形式。
此假说具体地给出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。此假说结合现场观测和生产实践的验证已得到公认，对我国煤矿采场矿压理论研究与指导生产实践都起到了重要作用。
钱鸣高院士、缪协兴教授通过上覆岩层整体结构模型分析，提出了“砌体梁”结构的关键块理论，从而使顶板结构分析大大简化，方便工程应用。关键块理论认为２个岩块的稳定性决定着砌体梁整体力学模型的稳定性，并给出了其“S-R”稳定条件，即滑落失稳(sliding) 和回转变形失稳 (rotation) 条件。
“砌体梁”结构关键块的“S-R”稳定理论，开创了顶板定量化分析的新局面。
（6）传递岩梁假说
20世纪80年代，宋振骐院士提出了“传递岩梁”假说。此假说认为，由于断裂岩块间的相互咬合，始终能向煤壁前方及采空区矸石上传递作用力，因此，岩梁运动时的作用力无需由支架全部承担；支架承担岩梁作用力的大小，由对其运动的控制要求决定。此假说还认为，老顶岩梁给支架的力，一般取决于支架对岩梁运动的抵抗程度，可能存在“给定变形”和“限定变形”两种工作方式。
该假说基于老顶传递力的概念，但并没有对此结构的平衡条件做出推导与评论。 （7）岩层控制的关键层理论
20世纪90年代中期，钱鸣高院士、缪协兴教授、许家林教授提出了岩层控制的关键层理论。该理论认为在直接顶上方存在厚度不等、强度不同的多层岩层。实践表明，其中一层至数层厚硬岩层在采场上覆岩层活动中起主要的控制作用。将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用的岩层称为关键层。前者称为亚关键层，后者称为主关键层。也就是说，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。覆岩中的亚关键层可能不止一层，而主关键层只有一层。老顶是对采场矿山压力显现产生影响的下位亚关键层。采场上覆岩层中的关键层一般为相对厚而坚硬的岩层。采场上覆岩层中的关键层有如下特征：
① 几何特征，相对于其他同类岩层单层厚度较厚；
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