第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布

1、第二章 矿山岩体的原岩 应力及其重新分布 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 第一节第一节 岩体中的原岩应力岩体中的原岩应力 原岩体（原岩）原岩体（原岩）: : 地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体。地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体。 原岩应力原岩应力: : 存在于地层中未受工程扰动的天然应力。又称为岩体初始应力、存在于地层中未受工程扰动的天然应力。又称为岩体初始应力、 地应力。地应力。 意意 义义: : （1 1）各类工程的稳定性分析提供原始参数；）各类工程的稳定性分析提供原始参数； （2 2）确定开挖方案与支护设计的必要参数。）确定开挖方案与支护设计的必要参数。 第2章矿山岩体原岩应力

2、及其重新分布 原岩应力场原岩应力场: :天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场。天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场。 自重应力场自重应力场: :由地心引力引起的应力场。由地心引力引起的应力场。 构造应力场构造应力场: :由于地质构造运动而引起的应力场。由于地质构造运动而引起的应力场。 影响因素：影响因素： 自重自重 地质构造地质构造 地形地貌地形地貌 地震力地震力 水压力水压力 地热地热 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 一、自重应力一、自重应力 假定岩体为均匀连续介质，两种假说：假定岩体为均匀连续介质，两种假说： 图图1 1 岩体单元体的应力状态岩体单元体的应力状态 1.1.单元体

3、处于弹性状态单元体处于弹性状态金尼克假说金尼克假说 距地表深度为距地表深度为H H处，任意取一单元处，任意取一单元 体，岩体的自重应力为：体，岩体的自重应力为： H H yx Z 3 KN/m25 ,容重: 1,侧压系数:式中： 平均 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 如果岩体由多层不同重力密度的岩层组成。各层岩层的厚如果岩体由多层不同重力密度的岩层组成。各层岩层的厚 度和重力密度分别依次为度和重力密度分别依次为h1，h2，hi，hn；1， 2，i，n。则岩体的自重初始应力为：。则岩体的自重初始应力为： 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 2. 2.静水压力理论静水压力理论 在埋藏较深条件下

4、，垂直压应力相当大，岩石呈现明显的塑在埋藏较深条件下，垂直压应力相当大，岩石呈现明显的塑 性。泊松比性。泊松比近似等于近似等于0.50.5，侧压系数，侧压系数为为1.01.0，此时，此时 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 破碎岩体实际上是具有一定粘聚力的松散介质。具有一破碎岩体实际上是具有一定粘聚力的松散介质。具有一 定粘聚力的松散岩体，垂直应力与侧向应力关系为：定粘聚力的松散岩体，垂直应力与侧向应力关系为： sin1 cos2 sin1 sin1 sin1 cos2 sin1 sin1 C H C zx 式中：式中：CC松散岩体的粘聚力松散岩体的粘聚力，MPaMPa。 当当C0C0，当埋深

5、大于，当埋深大于H H1 1时，侧向应力随埋深呈线性增长时，侧向应力随埋深呈线性增长 )sin1 ( cos2 1 C H 当当x x01/3,1.1/3,周边不出现拉应力；周边不出现拉应力； 2.1/32.2Ri，则此两孔就不会产生相互影响，反，则此两孔就不会产生相互影响，反 之，如果两孔间距之，如果两孔间距2Ri，则相互之间就会有影响。，则相互之间就会有影响。 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 图图18 18 等径相邻两孔当等径相邻两孔当B=DB=D时的切向应力分布图时的切向应力分布图 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 （2 2）大小不等的相邻两孔的应力分布）大小不等的相邻两孔的应力分

6、布 大小不等的相邻两孔，影响间距为其各自的影响半径之和。大小不等的相邻两孔，影响间距为其各自的影响半径之和。 小孔周边的切向应力集中系数达小孔周边的切向应力集中系数达4.264.26，而大孔周边的应力集，而大孔周边的应力集 中系数仅中系数仅2.752.75。说明大孔对小孔的应力分布影响较大，而小孔。说明大孔对小孔的应力分布影响较大，而小孔 对大孔的影响则甚微。对大孔的影响则甚微。 图图19 19 不等径相邻两孔的切向应力分布不等径相邻两孔的切向应力分布 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 （3 3）同一水平多孔相互影响时的应力分布）同一水平多孔相互影响时的应力分布 孔周边的应力集中系数是随孔周

7、边的应力集中系数是随D DB B值的增大而增大值的增大而增大(D(D为孔径，为孔径，B B为为 孔周边的间距孔周边的间距) )。孔的数目愈多，孔周边的应力集中系数也愈大。孔的数目愈多，孔周边的应力集中系数也愈大。 图图20 20 多孔对应力集中系数的影响多孔对应力集中系数的影响 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 在假设孔周围都处于弹性状态的条件下，应力重新分布有以下在假设孔周围都处于弹性状态的条件下，应力重新分布有以下 一些特点：一些特点： 1 1）孔周围形成了切向应力集中，最大切向应力发生在孔的周边。）孔周围形成了切向应力集中，最大切向应力发生在孔的周边。 对圆形和椭圆形孔，最大切向应力发

8、生在孔的两帮中点和顶底对圆形和椭圆形孔，最大切向应力发生在孔的两帮中点和顶底 的中部。对矩形孔，则最大切向应力发生在四角处。的中部。对矩形孔，则最大切向应力发生在四角处。 2 2）应力集中系数的大小）应力集中系数的大小 对单孔来说，圆形孔仅与侧压系数对单孔来说，圆形孔仅与侧压系数有关，其值有关，其值k=2k=23 3。对。对 椭圆形孔，则不仅与椭圆形孔，则不仅与有关，还与孔的轴长比有关。有关，还与孔的轴长比有关。 3 3）不论何种形状的孔，它周围的应力重新分布从理论上说影响是）不论何种形状的孔，它周围的应力重新分布从理论上说影响是 无限的无限的, ,但从影响的剧烈程度来看多都有一定的影响半径。

9、但从影响的剧烈程度来看多都有一定的影响半径。 4 4）孔的影响范围与孔的断面大小有关。）孔的影响范围与孔的断面大小有关。 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 第四节第四节 围岩的极限平衡与支承压力分布围岩的极限平衡与支承压力分布 支承压力支承压力：岩体内开挖巷道后，巷道围岩出现应力重新分布，：岩体内开挖巷道后，巷道围岩出现应力重新分布， 一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力。一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力。 处于巷道周边的岩块侧向应力为零，为单向压缩状态。随处于巷道周边的岩块侧向应力为零，为单向压缩状态。随 着向深部发展，岩块逐渐变为三向应力状态。着向深部发展

10、，岩块逐渐变为三向应力状态。 在巷道两侧周边的围岩上就将承受在巷道两侧周边的围岩上就将承受(2(23)3)1 1或或(4(45)5)1 1的的 垂直压应力。若巷道两侧是松软岩层，如煤，页岩等，则在此垂直压应力。若巷道两侧是松软岩层，如煤，页岩等，则在此 压力下就可能处于破坏状态。压力下就可能处于破坏状态。 随着向岩体内部发展，岩块的抗压强度逐渐增加，直到某随着向岩体内部发展，岩块的抗压强度逐渐增加，直到某 一半径一半径R R处岩块又处于弹性状态。处岩块又处于弹性状态。 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 图图23 23 巷道（孔）两侧围岩单元体的应力状态巷道（孔）两侧围岩单元体的应力状态 第2

11、章矿山岩体原岩应力及其重新分布 极限平衡区内的静力平衡方程：极限平衡区内的静力平衡方程： 根据极限平衡条件根据极限平衡条件 ： 极限平衡区：巷道开挖后，围岩应力由单向压缩向三向应力转极限平衡区：巷道开挖后，围岩应力由单向压缩向三向应力转 变，巷道两侧的围岩由破碎状态向弹性状态转变，其临界值即变，巷道两侧的围岩由破碎状态向弹性状态转变，其临界值即 为极限平衡区，该区内岩块的应力圆与强度包络线相切。为极限平衡区，该区内岩块的应力圆与强度包络线相切。 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 图图24 24 巷道两侧的支承压力分布巷道两侧的支承压力分布 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 1) 采场前后方

12、应力可以分为三区：支承压力区、应力降低区、采场前后方应力可以分为三区：支承压力区、应力降低区、 原岩应力区。原岩应力区。 2）上覆岩层的结构为半拱式结构，因此，煤壁一端几乎支承着）上覆岩层的结构为半拱式结构，因此，煤壁一端几乎支承着 回采工作面空间上方悬露岩块的大部分重量，因而煤壁前方支承压回采工作面空间上方悬露岩块的大部分重量，因而煤壁前方支承压 力较大，支承压力区边界可取高于原岩应力力较大，支承压力区边界可取高于原岩应力5处作为分界；处作为分界； 3）采空区后方已冒落矸石只承受其正上方岩层重量，一般只恢）采空区后方已冒落矸石只承受其正上方岩层重量，一般只恢 复到复到H或稍大一点或稍小一点，

13、比煤壁前方支承压力小得多。或稍大一点或稍小一点，比煤壁前方支承压力小得多。 a支承压力区；支承压力区；b应力降低区；应力降低区；c原岩应力区原岩应力区 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 第五节第五节 支承压力在底板岩层中的传播支承压力在底板岩层中的传播 图图27 27 集中力对无限平面内集中力对无限平面内M M点的影响点的影响 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 式中式中 r rMM点在水平面上的半径点在水平面上的半径 2cos cos RF F Z W RR 25 3 2 3 Z P R ZP Z k 2 5 2 5 22 5 5 1 1 2 3 2 31 2 3 z r zr z R z k 第2章矿山岩体原岩应力及其重新分布 在集中力在集中力P P作用下，沿水平面及深度方向，岩体内的作用下，沿水平面及深度方向，岩体内的 垂直应力垂直应力z z的分布情况如图的分布情况如图2-282-28所示。所示。 图图28 28 在在P P力作用下在水平面上及深度上的分布力作用下在水平面上及深度上的分