矿山岩体的原岩应力及其重新分布课件

1、01 八月 20221第2章矿山岩体的原岩应力及其重新分布第一节第二节第三节第四节 主要研究内容： 本章介绍开采后回采工作空间的应力再分布，支承压力概念及围岩分区。2本章的重点:1、原岩应力的概念2、岩体中弹性能的作用3、回采空间周围支承压力分布难点：圆孔周围应力分布规律 第一节第二节第三节第四节3第一节 岩体中的原岩应力 第二节 岩体中的弹性变形能第三节 孔周围的应力分布 第四节 围岩极限平衡与支承压力分布 本章内容 第一节第二节第三节第四节4第一节 岩体中的原岩应力第一节第二节第三节第四节5 矿山开采前,首先要研究巷道所在岩体区域的原岩应力场 自重应力: 岩体自重引起 构造应力: 地质构造

2、运动.(地震,火山,海啸) 膨胀（收缩）应力: 矿物质遇水膨胀 原岩应力场: 天然存在于原岩内而与任何人为因素无关的应力场. 原岩: 地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体. 地温应力第一节第二节第三节第四节自重应力构造应力6 在距地表深度为 H处,任意取一单元立方体,这个单元体上所受的垂直应力1（z），侧向应力为2 （x ），3 (y)，形成岩体单元上的自重应力。 一 自重应力 第一节第二节第三节第四节垂直应力侧向应力7自重应力第一节第二节第三节第四节8 金尼克认为，仍处于弹性状态，符合虎克定律， 一般，=0.20.3，最大=0.5，=0.250.43，最大为0.5 。 关于侧压系数： （静水

3、压力理论）（ 弹性侧压理论）海姆认为，因长时蠕变及应力均化作用,实际应用中：浅部坚硬岩体用金尼克公式，深部塑性大岩体用海姆公式。第一节第二节第三节第四节9 理论上自重原岩应立场的水平应力是被动的，水平应力垂直应力。 原因: 1)地壳中的地质构造运动使局部岩层处于构造应力场中,如地震 ,为现代构造应力 2)地质构造运动后,遗留下一部分应力，为地质残余构造应力 构造运动+残余应力 二 构造应力第一节第二节第三节第四节10地震区带划分图第一节第二节第三节第四节11 唐山大地震使工矿企业遭受严重毁坏，开滦煤矿因断电瘫痪，井下积水1.5亿吨，38万米巷道被淹机电设备三万多台，350万平方米的建筑几乎全部

4、倒塌。北方瓷都唐山，2千台设备只剩下300余台，40多万平方米的建筑只有1万平方米没倒。唐山钢厂工业建筑遭到严重破坏，民用建筑几乎全部震毁。1万多吨机电设备受到不同程度的损坏唐山市的直接经济损失约30亿元，唐山地区的损失达54亿元。 第一节第二节第三节第四节12 构造应力目前无法用数学力学方法计算,但它有以下特点: (1) 主要是水平应力，以压应力占绝对优势。(地壳运动是水平,挤压运动) (2) 构造应力分布不均匀，主应力的大小与方向往往变化很大 (3) 2 、3，构造应力具有明显的方向性 (4) 根据测定，浅部开采时,构造应力比自重应力影响更大 (5)构造应力在坚硬岩石层中出现比较普遍 第一

5、节第二节第三节第四节水平方向为主浅部坚硬岩层13 原始应力分布特点： 通过理论研究、现场测量，受构造应力影响，原始应力分布具有明显的特点： 1）测铅直应力基本等于上覆岩层重量； 2）水平应力普遍大于铅直应力； 3）平均水平应力与铅直应力比值随深度增加而减小； 4）最大主应力与最小主应力一般相差较大。铅直应力/水平应力14第二节 岩体中的弹性变形能第一节第二节第三节第四节15 由材料力学知识，物体受外力作用而产生弹性变形，在物体内部将积蓄有应变能 。 地下岩体处在复杂的和强大的自重应力和构造应力场中，会发生体积改变与形状改变，储存大量的弹性能U ，弹性能包括两个部分： 体积改变能Uv 体积畸变能

6、Ud 地下岩体中，集聚的弹性能与应力状态有关，随开采深度的增加，与深度平方成正比增大，这对深部开采有重要作用。第一节第二节第三节第四节16 采矿工程中，开挖可使岩体中大量能量释放，带来的影响: 有利的方面： 工作面落煤时可节省动力 不利的方面： 形成有害的冲击矿压 第一节第二节第三节第四节17第三节 孔周围的应力分布 第一节第二节第三节第四节18第一节第二节第三节第四节原因： (1)岩体及岩石的力学性质及原岩应力场的特征未完全掌握 (2)几何形状复杂 (3)巷道和回采空间周围岩体是非均质，各向异性的复杂介质 目前尚无法用数学力学的方法精确地求解出巷道周围岩体内各处的应力分布状态。19第一节第二

7、节第三节第四节 目前，研究巷道周围岩体的应力状态，是对复杂条件简化，粗略地求解巷道变形的机理，还是十分有益的。 简化： (1)回采空间视为各种理想的单一形状的孔(圆形，矩形) 。 (2)岩体视为完全均质的连续弹性体。 (3)岩体是无限或半无限体，可为平面应变问题进行分析 。平面应力问题: 设很薄的等厚薄板，外力平行于面板 （墙壁、薄板粮、砂轮） 平面应变问题: 设柱形体，横截面不沿长度变化，外力与约束平行于横截面(不沿长度变) （挡土墙、水坝、巷道围岩） 20巷道空间问题转化为平面问题示意第一节第二节第三节第四节21巷道垂直应力1水平应力22= 1 根据侧压力系数,巷道所处的应力场分为两类:1

8、、双向等压应力场=12、双向不等压应力场01巷道围岩应力的计算图第一节第二节第三节第四节22 （极坐标系） 第一节第二节第三节第四节确定径向应力r与切向应力(t)23 1、双向等压圆形巷道径向应力r与切向应力(t) 求解三个基本方程：3、物理方程应力与应变满足虎克定律。1、平衡微分方程应力与体力满足静力平衡关系；2、 几何方程应变与位移满足几何尺寸关系；一、圆孔围岩应力的计算第一节第二节第三节第四节=124计算得出应力分布规律： 1、r与分布与方向角 无关，圆孔任一方向应力分布相同 。拉梅解答 第一节第二节第三节第四节切向应力径向应力应力特点：2、切向应力在圆孔周边出现应力集中252、双向不等

9、压圆形巷道径向应力r与切向应力(t)吉尔西解答 第一节第二节第三节第四节1898年 0126圆形巷道围岩应力的轴对称分布二、对于圆孔、椭圆孔、矩形孔周围处于弹性状态,应力重新分布的特点：切向应力 径向应力 切向应力集中系数k=t/1第一节第二节第三节第四节27 (1) 孔周围形成切向应力集中现象,最大切向应力值在孔的周边 。 圆形、椭圆孔巷道: 应力分布:峰值在两帮中点和顶、底的中部 矩形巷道: 峰值发生在四角处 (2)应力集中系数k 圆孔：k=2-3 仅与侧压系数有关 椭圆孔：k=4-5 与侧压系数,孔的轴长比 矩形孔：与长宽比有关 (3)孔的影响范围与孔的断面有关 第一节第二节第三节第四节

10、20.74.571.978.2526.715.720.761.974.5726.77.075.2819.016.911.97.075.2819.016.911.97.0716.911.97.0711.916.928 三、回采空间周围应力的重新分布：单个工作面第一节第二节第三节第四节29双工作面第一节第二节第三节第四节30第四节 围岩极限平衡与支承压力分布 第一节第二节第三节第四节31回采空间回采工作面巷道32 本节进一步研究岩体承受集中应力作用破坏时，应力的实际分布状况及破坏区的确定。 一、回采空间(简化为圆形)围岩内应力状态及分区：1、围岩稳定性情况：周边最大应力弹性极限自稳周边最大应力弹性

11、极限进入塑性阶段，产生塑性区 周边最大应力强度极限进入破坏阶段，产生松散破碎区第一节第二节第三节第四节332、围岩力学状态 切向应力： （大小） 受力状态： （单轴三轴）抗压强度： （低高） 破坏顺序： （外里）第一节第二节第三节第四节343、围岩“三区”的形成：当周边最大应力弹性极限自稳原始应力区弹性区巷道弹性状态下围岩分区第一节第二节第三节第四节35一般围岩由里向外分为三个区：1）极限平衡区 = 破裂区 + 塑性区 形成：周边切向应力高，承载能力低，极易破坏，破坏后应力向内部转移，直至等于强度极限，形成破碎区边界。破碎区外，围岩处于塑性状态，弹性极限圈定了塑性区边界。 特点：处处满足屈服条

12、件或强度条件2）弹性区 外部以弹性极限为界，内部以集中应力增量不超过5%为界集中应力低于围岩弹性极限，处于弹性变形阶段。 特点：处处满足虎克定律3）原始应力区 内部以5%应力增量为界，外部为无限远。 特点：几乎不受开采影响，满足虎克定律第一节第二节第三节第四节36原始应力区弹性区极限平衡区5%1塑性区半径（卡斯特纳方程）巷道第一节第二节第三节第四节37二、巷道两侧围岩的应力状态： 理想状态巷道两侧切向应力的分布 实际岩体巷道两侧的支承压力分布塑性区 原因：巷道两侧是松软岩层(煤，岩)岩石的抗压能力向岩体内部发展而增加 极限平衡区第一节第二节第三节第四节38 三、回采工作面煤壁前方应力分布：空间问题平面问题简化39第一节第二节第三节第四节40 (1)概念: 岩体内开掘巷道后，巷道周围必然出现应力重新分布，一般巷道两侧改变后的