井巷工程课件——第二章-井巷地压

1、第二章井巷地压地压概念围岩的变形和应力分布围岩压力及其影响因素2022/7/222第一节 地压概念一、井巷地压概念 地下岩体在未开掘巷道之前，由于自重引起的应力(称为原岩应力)是处于平衡状态的。当在岩层中开掘巷道后，破坏了岩石的原始应力状态，引起岩体内部的应力重新分布。 它表现为巷道周围的岩体产生变形、移动甚至破坏，直到岩体内部重新形成一个新的应力平衡状态为止。在此过程中，巷道本身或架设在其中的支撑物会受到各种力的作用。 井巷地压就是指在地下岩体中进行采掘活动，而引起的作用在井巷、硐室等周围岩体中或支撑物上的压力，简称地压。2022/7/223第一节 地压概念一、井巷地压概念 在井巷地压作用下

2、，会引起各种力学现象，如顶板下沉、底板鼓起、巷道变形后断面缩小、岩体破坏甚至产生大面积冒落片帮、支架严重变形或损坏，以及大量岩层移动及地表发生塌陷等。这种由于井巷地压作用，使巷道围岩和各种人工支撑物产生的变形、移动和破碎等现象，统称为地压现象。 在大多数情况下，井巷地压会给地下掘进工作造成不同程度的危害。为了不影响井巷掘进工作和保证生产安全，必须采取各种技术措施加以控制，包括对巷道的工作空间进行维护，对软弱或破碎的岩石进行加固，用各种方法使巷道工作空间得到卸压。其基本目的就是保证生产安全和取得良好的经济效益。 因此，了解井巷地压的发生、发展规律对井巷工程的破岩和支护有着重要的意义。2022/7

3、/224第一节 地压概念二、原岩应力状态 井巷地压是因井巷掘进后岩体中应力的重新分布引起的，研究掘进后巷道周围的应力，首先必须研究巷道所在的岩体区域内的原岩应力。 地下岩体中没有受到人类工程活动(如矿井中开掘巷道等)影响的岩体称为原岩体，简称原岩。天然存在于原岩内而与任何人为因素无关的应力称为原岩应力。原岩应力按产生的原因分为自重应力和构造应力。由于岩体的自身重力作用而产生的应力，称为自重应力；由于地质构造运动而引起的应力，称为构造应力。另外还有岩体中包含水和瓦斯所引起的应力，也能影响岩体内的应力大小与分布。 所有上述因素中，显然自重引起的应力是普遍存在的，构造应力则决定于该地区的地壳运动形态

4、，有时影响面也较大。在井巷掘进之后，掘进空间周围岩体的应力重新分布。 了解原岩应力是分析掘进后空间的周围应力重新分布的基础。2022/7/225第一节 地压概念(一)自重应力 处于一定深度的原岩体，承受着上部岩体的重量，由这个重量所引起的单位面积上的内力，就是自重应力。 在地表取一个水平的直角坐标x、y，以深度方向为z轴，在岩体中任意取一个与坐标方向相一致的微小的单元立方体，它的垂直方向自重应力z就是单位面积上的岩柱重量，岩柱体积为11z，岩体的容重为，如图2-(a)所示，在上覆岩层重量作用下，这个单元体上所受的垂直应力2022/7/226第一节 地压概念2022/7/227第一节 地压概念上

5、述单元立方体在垂直应力的作用下，在z的作用方向产生压缩变形，而在与z成垂直的方向产生侧向膨胀变形。但侧向由于相互挤压受到无限相邻岩体的限制，其横向变形值，只能为零，应变也为零，即230，因而形成了岩块的侧向应力x、y(即水平自重应力，就是阻止水平方向变形的挤压应力)。如图21(a)所示，地表内取任意的岩块处于半无限空间的状态下，假定岩体为各向同性的弹性体，由于岩体自重所引起的侧向应力x、y，因其侧向条件是一致的，因而x=y。且x、y与z成比例关系。令侧应力系数为，则 x=y =z (23)式中 原岩体侧应力系数，一般取0.250.43，即原岩体中任意地方的水平应力 约等于垂直应力的2540。为

6、25kNm3，侧应力系数取0.25，则 例21 求深度为800m处岩体的原岩应力状态。 解 令岩层的平均容重2022/7/228第一节 地压概念(二)构造应力 根据原岩自重应力的分布规律，侧应力系数不大于1，而应力测量资料表明：一部分应力符合自重应力分布规律；另一部分却是水平应力大于垂直应力，侧应力系数甚至可高达20，二个方向的水平主应力不相等，它的方向、大小与地质构造有关。可见，存在着地质构造应力。 表21列出了昆明水电勘测设计院对原岩应力的实测资料，水平应力均接近或大于垂直应力。实测地点垂直应力/MPa水平应力/MPa侧应力系数岩石试验硐2.221.980.891号高压平硐0.9540.8

7、160.862号斜井2.381.990.84总岔管7.928.871.122022/7/229第一节 地压概念 国外一些原岩应力测量结果，还说明构造应力也与深度成正比。现在发生的频繁的地壳活动，也证明有地质构造力在起作用。 地壳中的地质构造运动使局部岩层处于构造应力场中。显然，任何一种构造痕迹都必然反映着一定性质的构造应力的作用。地质构造不断在变化，地质构造应力又是看不到的，但地质构造应力所造成的痕迹，如断层、褶曲等却保留在岩体中，它的走向与形成它的方向有着一定的关系，可以根据各种构造的力学性质判断构造应力的方向。 地质构造的形态虽然是多种多样的，地质构造力也是复杂多变的，但对于每一个具体构造

8、来说，不外乎是由压应力、拉应力或剪应力形成的，故地质构造可以分成压应力构造、拉应力构造和剪应力构造。大量研究表明，地质构造基本上是水平方向挤压力作用的结果，可以作为平面问题研究。2022/7/2210第一节 地压概念 地壳运动过程中，在地应力的作用下，岩体发生了体积与形状的变化。由于岩体的弹性变形，能使岩体内贮存巨大的弹性应变能。但这种应变能不可能在岩体中无限制地积累下去，随着能量的增加，应力达到岩体的强度极限时，它就要发生破坏(如形成断层或裂隙等)。这时除在岩体中保存残余变形外，贮存的能量将部分或全部释放出来，构造应力也就随之部分或全部消失。例如，地震时绝大部分应变能得到了释放。 但在地质构

9、造运动结束以后，岩体中往往会遗留下一部分应力，这种应力叫做残余构造应力，简称为残余应力。所有这些构造应力和残余应力都将影响原岩应力场的分布和应力的大小。 构造应力是一个复杂的问题，目前还无法用数学力学方法进行计算。2022/7/2211第一节 地压概念三、围岩应力的重新分布 原岩应力是自重应力与构造应力的叠加，在井巷掘进之前，原岩应力状态处于三向应力平衡状态，它们沿着垂直方向和水平方向传递。在岩体内开挖巷道以后，围岩中原有的应力方向、大小发生显著变化，使巷道周围岩体中出现应力重新分布。 一方面，巷道内的岩体被挖空，巷道上部的岩体失去了支撑而向下变形，致使巷道上部岩体中垂直方向应力降低，原来巷道

10、中岩体支承的应力，被迫转嫁到巷道两侧，致使巷道两侧垂直方向应力增加；同样，巷道两侧也因失去支撑而向巷道内变形，水平方向的应力降低，水平传递的应力转嫁到巷道的顶底部，使巷道顶底部的水平应力增加。另一方面，顶部岩体向下变形，如果是弯曲变形则类似于梁，在水平方向出现拉应力。这种拉应力与两侧转嫁来的压应力互相叠加，叠加结果可能是压应力，也可能是拉应力，决定于二者的大小。由于岩体变形是逐渐变化的(连续的)，岩体中应力传递的路线也一定是光滑曲线，如果巷道的形状与应力传递的曲线比较接近，则应力变化比较均匀。而由折线组成的巷道，必然在隅角处造成较大的应力变化。2022/7/2212第一节 地压概念开挖巷道以后

11、，岩体围岩应力重新分布，巷道围岩最大主应力比原岩最大主应力升高，而最小主应力却降低。围岩应力由三向应力状态逐渐转为二向应力状态，巷道周边就是二向应力状态：成为变化促使岩体力学性质改变，使弹性极限和强度降低。如果应力变化以后仍不超过弹性极限，那么围岩应力分布就可以相对稳定下来。如果应力超过弹性极限，产生塑性变形，应力必将改变。巷道周边处于二问应力状态，与单向受力状态一样，岩体呈脆性，很容易发生破裂。离巷道周边一定距离后，围岩应力逐渐缩小，岩体强度增高，不容易破裂，所以围岩破裂只限于一定范围。巷道围岩处于弹性变形状态时，围岩是稳定的。如果出现破裂带，随时都有冒落危险，破裂范围越大，巷道越不容易维护

12、。按围岩变形的大小、类型等状况，把巷道周边的围岩体分成两个区域，一个是破裂带(非弹性变形带)，另一个是弹性变形带(裂隙带)。当破裂带内的围岩应力达到极限应力时，围岩开始破裂，为了保持巷道形状必须施加以外部的力量，即进行巷道支护。2022/7/2213第一节 地压概念对于均质而软弱的弹性岩体，巷道开挖后，在破裂带内应力降低称为应力降低区；超过破裂带进人裂隙带后应力增高并出现峰值，此为应力集中区；随着岩体远离地下巷道，巷道对于岩体的应力扰动越来越小，接近于原始应力状态，此为原岩应力区m，如图2-2(a)所示。对于坚硬的弹性岩体，巷道开挖后，其垂直应力分布如图2-2(b)所示。2022/7/2214

13、第二节 围岩的变形和应力分布一、巷道围岩的变形移动地下岩体处在复杂的自重应力及构造应力场中。巷道开挖以后，改变了原岩的三向应力平衡状态，必然导致其体积与形状发生变化，很快产生弹性变形。随着时间的变化，围岩发生蠕变，变形继续增加。如果是稳定的蠕变，在经过一段时间以后，变形结束，不影响巷道的使用；如果是不稳定的蠕变或者是巷道周边应力超过了弹性极限，就会在巷道周边首先产生塑性变形甚至于发生破裂。如果立即采取有力的支护措施，非弹性变形发展到一定范围，也能稳定下来；如果不采取支护措施或措施不力，破裂带则会继续发展，围岩的非弹性变形也逐渐增大，巷道周边破裂的岩石将会冒落。冒落以后，相当于扩大了巷道，围岩变

14、形破裂必然继续扩大。因此，围岩的变形是由于开挖巷道时外力作用的结果。围岩的弹性变形对生产并没有多大妨碍，而围岩的破碎主要是由塑性变形所引起的，围岩塑性变形区域越大，变形也越大。在形成塑性变形区的过程中，围岩向巷道空间显著位移，随着掘进时间的延长，围岩变形速度将日趋缓和。掘进引起的围岩应力重新分布趋向稳定后，由于岩层的流变性质，围岩变形还会随时间而缓慢地不断增长，但其变形速度比巷道初掘期间小得多。2022/7/2215第二节 围岩的变形和应力分布围岩的变形与原岩应力、巷道位置及形状尺寸、围岩的力学性质有密切的关系。变形的大小首先决定于原岩应力，而原岩应力的大小与深度成正比，所以深度越大，变形越大

15、。在同样的深度情况下，构造应力较大的地区，变形也较大。不同方向的巷道，原岩应力不相同，变形也不同，如平行于岩层走向的运输巷比垂直于岩层走向的石门的变形较大。巷道围岩由几种不同力学性质的岩石组成时，强度指标较弱的岩石，变形较大。层理发育的围岩，由于层理面强度较弱，产生的变形也较大。围岩的变形移动较大时，往往会引起巷道顶部的岩石冒落，最后趋于稳定的边界都形成拱形，称为冒落拱或自然平衡拱。自然平衡拱的形成过程，就是顶板破碎岩石的冒落过程。 2022/7/2216第二节 围岩的变形和应力分布岩石一般沿破裂面滑落，如果冒落高度小于破裂范围，冒落拱如图2-3所示。软岩的内摩擦角较小，拱顶较尖。如果冒落拱高

16、度达到破裂带边缘，冒落拱就由破裂范围与破裂面组成，成为马蹄形，如图2-4所示。2022/7/2217第二节 围岩的变形和应力分布如果有层理面等弱面，冒落拱在保持基本形状不变的情况下，可迁就弱面滑落，如图2-5所示。层理面发育的围岩，由于破裂带范围的不均匀发展，可使冒落拱偏转成不对称形状，如图2-6所示。对于块状结构的围岩，可能沿着弱面大块滑落，完全不成拱形，如图2-7所示。2022/7/2218第二节 围岩的变形和应力分布总之，岩石沿破裂面与弱面冒落，原因相同，形状既有一定的规则，又是多变的。岩石冒落以后，少数由于巷道形状的改变，或者破碎岩石互相的镶嵌作用，可以维持稳定，大多数情况又会发生新的

17、破裂带，如不采取措施，冒落又会进一步发展，以至冒落拱高达十几米。由于自重的作用，巷道上方的破裂带发展更快。2022/7/2219第二节 围岩的变形和应力分布二、巷道围岩的应力分布由于开掘后的巷道空间具有复杂的几何形状，巷道空间周围岩体是非均质和各向异性的复杂介质，目前还无法用数学力学的方法精确地求解出巷道周围岩体内的应力分布状态。根据采矿工程的特点，为了了解巷道变形的机理，粗略地求解出巷道周围的应力状态，是十分必要的。但是，必须对这种复杂的矿山条件做一些简化。首先将巷道空间简化为各种理想的单一形状的孔，如圆形、椭圆形及矩形等。这样各巷道之间的影响也就可以视为孔与孔之间的影响。岩体中的单一巷道可

18、近似地视为圆形孔，就可以用解出的孔周边应力分布状态，近似地说明和解释一些巷道的变形机理。相对于巷道围岩的范围来说，除遇到某些大断层以外，巷道周围的岩体性质可以按连续介质来处理，对于大多数岩体又可以按均质的、各向同性的介质来看待，在固结性岩体破裂之前，可利用弹性力学来求解。2022/7/2220第二节 围岩的变形和应力分布此外，还需对孔周围的原岩应力场及其应力状态作一些假设，并使其典型化。为了对岩体应力重新分布作数学分析，注意到原岩应力有三种情况：三向等压(z=x=y)、二向等压(x=y)和三向不等压(zxy。煤矿巷道一般平行于或垂直于岩层走向，即往往与一个原岩主应力方向平行；又由于巷道的断面尺

19、寸远远小于巷道长度，巷道周围岩体(围岩)中应力分布与巷道轴线上的位置无关，是平面问题(x或y 0)。所以只需分析原岩应力为二向等压(z=x)及二向不等压(zx)两种状态，原岩应力是随深度而正比增加的，巷道围岩的上部和下部，原岩应力是不相等的。由于井下的岩体是无限或半无限体，则可将应力场看作是由无限远处作用的均布荷载而形成的。当巷道所处深度大于巷道高度的20倍时，这种应力差就可以略去不计，可以把原岩应力看作为外部荷载。当二向不等压时，只有垂直应力与水平应力是主应力。当二向等压时，任意方向都是主应力，如图28所示。2022/7/2221第二节 围岩的变形和应力分布下面就分别叙述在各种应力场内不同形

20、状的孔周围应力分布情况。 (一)二向等压下圆形巷道围岩弹性应力、如图2-9所示，从围岩中取一小圆弧体，内圆半径为r，外圆半径为(r+dr)，弧长所对的中心角为d，厚度为单位长度1，小圆弧体上距中心r的面上径向应力为r，在(r+dr)面上则为(r+dr)，切向应力为t。因为是轴对称，应力只随半径变化，与夹角无关，所以小圆弧体两边的t相等。t 、r、 (r+dr)均为主应力，可按下式计算：(2-4)2022/7/2222第二节 围岩的变形和应力分布(2-4)2022/7/2223第二节 围岩的变形和应力分布2022/7/2224第二节 围岩的变形和应力分布2022/7/2225第二节 围岩的变形和

21、应力分布2022/7/2226第二节 围岩的变形和应力分布三、按围岩变形量判断巷道的稳定状态巷道开挖后，围岩出现变形是岩体原始应力遭到破坏、失去平衡，而进行调整的必然现象。如围岩应力小于岩体强度，它本身就可以进行应力调整，很快趋于稳定，达到新的平衡。否则，变形无限制地发展，最终将产生片帮、冒顶和塌落。按围岩变形特征和围岩变形量大小进行围岩分类，判断巷道的稳定状态时，支护荷载的确定，其目的就是阻止围岩变形。围岩变形理论是围岩分类的理论基础和重要依据，也是巷道支护理论的主要组成部分。在这个基础上制定的围岩分类可以使锚喷支护结构、参数合理化，把设计、施工与监控测量紧密结合起来，真正做到“三位一体”。

22、它具有技术理论先进，经济合理，安全可靠的特点，可极大地促进锚喷支护技术的完善与提高。工程实践和应用表明，按变形量的围岩分类方法是符合多因素影响、单一综合指标发展方向的。据此判定围岩的稳定性具有现实意义，见表2-2。2022/7/2227第二节 围岩的变形和应力分布2022/7/2228第三节 围岩压力及其影响因素一、围岩压力巷道掘进后，破坏了原岩应力的平衡状态，引起了一定范围内围岩应力的重新分布和岩体弹性潜能的释放，形成应力集中，造成一定范围内围岩的变形位移，形成塑性松弛区，恶化了围岩的物理力学性质。有的甚至引起较大位移，使围岩由塑性转化为松动破裂，产生松动压力，导致围岩局部破坏和整体失稳，塌

23、方冒顶。为避免出现巷道失稳现象，需采取相应的加强支护措施，防止围岩冒落。围岩压力是指巷道周边岩石抵抗围岩变形的能力，即支承物所承受的松动破碎圈范围内岩石的形变压力。从狭义上讲，围岩压力也称为支承压力。从巷道围岩空间状态而言，巷道是由顶板、底板和两帮组成的一个复合结构体，结构的各部分在井巷地压作用下的受力状态不同，其围岩性质也往往存在着很大的差异，因而巷道侧压和底压三种类型。2022/7/2229第三节 围岩压力及其影响因素巷道开掘以后，暴露出来的顶板岩石，类似双支梁一样支承上部岩石的压力。受力后的顶板梁将向下弯曲，靠近巷道顶板线的岩石承受拉力而裂开，如图2-13(a)所示，随着裂隙的增多、扩大

24、，岩石就开始冒落，它的压力也将逐渐降低，而作用在巷道两帮岩石上的压力却逐渐增加，如图2-13(b)、(c)所示。当顶板破碎岩石冒落到一定范围而形成自然平衡拱时，就停止冒落，如图2-13(d)所示，这时顶板又处于新的平衡状态，巷道上部的压力，通过拱顶传到巷道两帮岩石上。顶板冒落的岩石作用在支承物上的压力称为顶压。2022/7/2230第三节 围岩压力及其影响因素当顶板结构为较弱的页岩，其他部位为砂岩时，巷道顶板岩层发生明显的弯曲和下沉，并直接影响到巷道两帮上部的稳定，顶板过度弯曲下沉必将导致其断裂和破碎，顶板软弱结构将是巷道支护的重点。顶压的大小就是冒落拱内破碎岩石的重力。顶压的大小，决定于冒落

25、拱的大小，而冒落拱的大小与顶板岩石的性质、巷道的宽度有关。岩石松软、巷道宽度大，则冒落拱大、顶压大；反之，岩石坚硬、巷道狭窄，则冒落拱小、顶压小。在自然平衡拱形成过程中，巷道上部压力不断传给巷道两帮。若巷道两帮岩石坚硬，则两帮不被压坏，当巷道两帮结构为软弱岩层时，巷道围岩变形主要表现为两帮岩层在垂直集中压力作用下的内移，两帮变形在中部和上部比较突出，则巷道两帮发生移动，即所谓片帮，巷道支护的重点在两帮，如图2-14所示。这部分垮落的岩石所产生的水平分力，就是巷道的侧压，即冒落拱内破碎岩石自重的侧压力。其大小与两帮岩石阶性质、巷道高度和上部压力的大小有关。2022/7/2231第三节 围岩压力及

26、其影响因素巷道产生的侧压得到新的平衡之后，新的自然平衡拱仍将上部的压力传给巷道两帮，再传给底板。当巷道底板结构为软弱岩层时，底板在水平集中压力作用下的底鼓(图2-15) 变形十分明显，围岩控制的重点将是底鼓。有时底板岩石具有遇水膨胀特性(如粘土页岩)，当巷道积水，也会由于岩石膨胀而产生底压。底压严重时，可使巷道严重变形，为此底压严重的地区，常使用特殊形状断面的巷道，如圆形断面巷道。根据上述三种围岩压力产生的原因可知，侧压和底压都是由顶压引起的，而顶压与巷道的掘进及支护关系更为密切。因此，在生产实践中，对于顶压所引起的围岩变形移动现象，应特别注意。2022/7/2232第三节 围岩压力及其影响因

27、素二、影响围岩压力因素的分析巷道围岩压力是受多种因素影响的，它随岩体的地质条件、围岩的变形位移特征、原岩应力状态、巷道阶性质及支护结构、工程环境和施工工艺的不同而变化。这些因素可概括为两大类，即地质因素和掘进技术因素。现以基本不受采动影响的静压巷道为例，分析影响围岩压力的典型因素。 (一)围岩变形位移特征 由围岩变形所引起的围岩压力，根据变形的大小来判别压力的大小，变形最大的方向，即是通常所说的来压方向。巷道围岩岩体包括三部分：顶、底、两帮。这三部分的岩性可能相差很大，而且稳定状况也各有区别。实践证明，任何一条巷道的变形和破坏都是先从稳定性程度较差的一部分开始并扩展的，逐渐影响其他部分，最终导

28、致巷道的整体性破坏。围岩压力是围岩变形和破碎引起的，其大小决定于围岩破裂带的大小。巷道四周破裂带大小不同，各方向的围岩压力也不同。掌握围岩位移与时间的基本关系，围岩的位移速度、位移量以及围岩位移趋于稳定的时间，对认识围岩压力的产生、发展趋势具有重要意义。2022/7/2233第三节 围岩压力及其影响因素 (1)巷道掘进后，围岩首先产生弹性变形。经过一段时间后，围岩受风化，力学性质降低，致使围岩不稳定，则在巷道周边最先进入塑性变形，在形成塑性变形区的过程中，围岩向巷道空间显著位移。围岩压力从发生变形时开始产生，并随着围岩变形位移量的发展而明显增大。 (2)随掘进时间的延长，围岩变形速度将日趋缓和

29、。当掘进引起的围岩应力重新分布趋向稳定后，由于岩层的流变性质，围岩变形还会随时间而缓慢地不断增长，但其变形速度比巷道初掘期间小得多。在此期间，围岩压力也将缓慢增长并趋于稳定。这一阶段的围岩压力主要是由围岩变形和位移所引起的。 (3)当巷道周边岩石为较软岩层时，围岩变形从位移扩大到松软破裂带直至岩石冒落，此时围岩压力显著增大。 (4)围岩开始冒落到完成，围岩压力将从高峰值逐渐降低并趋于稳定。这一阶段的围岩压力主要是由围岩破碎引起的。2022/7/2234第三节 围岩压力及其影响因素由此可见，巷道围岩压力随围岩变形移动及破碎过程，将经过掘巷期间从产生到明显增大缓慢增长趋向稳定岩石破碎冒落期间显著增大逐渐降低趋向稳定6个时期。学习意义：认识到这种巷道围岩从掘进巷道到围岩破坏期间压力变化的动态过程，对于正确选择支护结构类型，及时发挥支护的作用，防止围岩的不利影响，是非常有用的。2022/7/2235第三节 围岩压力及其影响因素 (二)巷道埋深围岩压力的大小，是由围岩的变形移动和破碎状况决定的。变形的大小首先决定于原岩应力，而原岩应力的大小与深度成正比。所以巷道埋深越大，变形越大，围岩压力也越大。在同一深度条件下，构