地应力及其分布规律剖析

地应力及其分布规律1、地应力的基本概念地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。广义上也指地球体内的应力。它包括由地热、重力、地球自转速度变化及其他因素产生的应力。地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。此外地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。2、地应力的成因产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性，海底布复杂多变，造成这种现主要还是由岩体自重、地原因在于地应力的M动和剥蚀决定。多来源性和多因素影响布复杂多变，造成这种现主要还是由岩体自重、地原因在于地应力的M动和剥蚀决定。多来源性和多因素影响1）岩体自重的影响岩体应力的大小等于其上覆岩体有重，研究表明：力分布基本一致。但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因深部的岩体的地应3、地应力的影珥素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动2） 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。3） 构造运动对地应力的影响在地壳深层岩体，其地应力分布要复杂很多，此时由于构造运动引起的地应力对地应力的大小起决定性的控制作用。研究表明：岩体的应力状态，一般其铅垂应力分量是由其上覆岩体自重产生的，而水平应力分量则主要由构造应力所控制，其大小比铅垂应力要大得多。4） 岩体的物理力学性质的影响从能量的角度看，地应力其实是一个能量的积聚和释放的过程。因为岩石中地应力的大小必然受到岩石强度的限制，可以说，在相同的地质构造中。地应力的大小是岩性因素的函数，弹性强度较大的岩体有利于地应力的积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体因容易变形而不利于应力的积累。5） 水、温度对地应力的影响地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响，岩体中包含有节理、裂隙等不连通层面，这些裂隙面里又往往含有水，地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力，这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成岩体的地应力。温度对地应力的影响主要体现在地温梯度和岩体局部受温度的影响两个方面。由于地温梯度而产生的地温应力，岩体的温度应力场为静压力场，可以与自重应力场进行代数迭加，如果岩体局部寒热不均，就会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力。4、地应力的分布规律

1） 地应力是一个相对稳定性的非稳定应力场，且是时间和空间的函数三个主应力的大小和方向是随着空间和时间变化的，因而它是个非均匀的应力场。地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的；但就某个地区整体而言，变化不大。如我国华北地区，北西到近于东西的主压应力。在某些地震活跃的地区，地应力大小和方向是随时间的变化也是非常明显的，在地震前，处于应力积累阶段，应力值不断升高，而地震时，集中的应力得到释放，应力值突然大幅度下降。主应力方向在地震发生时会发生明显改变，震后一段时间又恢复到震前状态。2） 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量E.Hoek和E.T.Brown总结出的实测垂直应力随深度H变化的规律。在深度为25〜2700m范围内，实测垂直应力呈线性增长。在埋深小于1000m时，测量值与预测值可能差别很大，有的甚至相差达到5倍，因此这个方程可以很好地估算出所有应力测量值的均值，但绝对不能用它来得到任一特定位置处的准确值，因此最好是测量而不是估算来确定垂直应力分量。部分地区垂宣应力与埋深的关系（图5）II«上3） 水平应力普遍大于垂直应力实测资料表明，几乎所有地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于30度，最大水平主应力普遍垂直应力，两者之比一般为0.5〜5.5，在很大情况下都大于2。总结目前全世界地应力实测结果，得出。h,max/。v之值一般为0.5〜5.0，大多数为0.8〜1.5。这说明，垂直应力在多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，极个别情况下为最大主应力。4） 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小E.Hoek和E.T.Brown研究了世界各地116个现场地应力测量资料，平均水平应力与垂直应力的比值K。0500100010.515002OW25003枷0.0R.盅100+0.3VK0500100010.515002OW25003枷0.0R.盅100+0.3VKJ甄+0.5H H*翔火利亚，美国＜加拿大・南非°其它地区3.5部分地区水平应力系数与埋深的关系（图6）5） 最大水平主应力与最小、水平主应力也随深度呈线性增长关系6） 最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性7） 地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面平行（图7）本预览：第六章巷道矿压显现规律第一节巷道围岩应力及变形规律一、受采动影响巷道的围岩应力（一）原岩体内掘进巷道引起的围岩应力双向等压原岩应力场内圆形巷道围岩应力分布如图6-1所示。如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围，出现塑性变形区，为弹塑性介质。巷道围岩应力分布如图6-2所示。图6-1圆形巷道围岩弹性变形应力分布图6-2圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布p一原始应力；"一切向应力；or—径向应力；pI一支护阻力；r—巷道半径；R—塑性区半径；A一破裂区；B一塑性区；C一弹性区；D—原始应力区在各向等压条件下，圆形巷道塑性区半径R和周边位移u的计算式为：PC ctg1 sin Rr0P Cctgiu1sin1 sin 2sin（6-1） 1sin 2sini（6-2）式中P一原岩应力；PI-支护阻力；r0—圆形巷道半径；一围岩的内摩擦角；C-围岩的粘聚力；G-剪切弹性模数。巷道的周边位移随巷道所在位置原岩应力的增大，呈指教函数关系迅速增长；指数的大小取决于p的变化，p值越小，指数越大，u值增长愈迅速。巷道的塑性区半径R和周边位移u随内摩擦角p和粘聚力C的减小，即围岩强度降低，显著增大。（二）回采工作面周围支承压力分布采空区四周形成支承压力带（图6-3）。工作面前方形成超前支承压力，它随着工作面推进而向前移动，称为移动性支承压力或临时支承压力。工作面沿倾斜和仰斜方向及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，在工作面采过一段时间后，不再发生明显变化，称为固定性支承压力或残余支承压力。回采工作面推过一定距离后，采空区上覆岩层活动将趋于稳定，采空区内某些地带冒落矸石被逐渐压实，使上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支承。因此，在距工作面一定距离的采空区内，也可能出现较小的支承压力，称为采空区支承压力。r0sinPCctg1sin1sin2GPCctg2sin本预览：图6-3采空区应力重新分布概貌1—工作面前方超前支承压力；2、3一工作面倾斜、图6-4煤层凸出角处叠加支承压力仰斜方向残余支承压力；4—工作面后方采空区支承压力支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。应力增高系数K是支承压力峰值与原岩垂直应力的比值；支承压力分布参数有：煤体边缘的破裂区宽度0，塑性区宽度（支承压力峰值距离）x0，支承压力的影响距离x1。目前，上述参数主要由现场实测取得。工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4〜8m，相当2〜3.5倍回采高度。影响范围为40〜60m，少数可达60〜80m，应力增高系数为2.5〜3。工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为15〜30m，少数可达35〜40m，支承压力峰值位置距煤壁一般为15〜20m，应力增高系数为2〜3。采空区支承压力应力增高系数通常小于1,个别情况下达到1.3。相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加，在煤层向采空区凸出的拐角，形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达5〜7，有时甚至更高（图6-4）。（三）采动引起的底板岩层应力分布图6-5a为一侧采空煤体，作用于煤体上的支承压力近似三角形分布，应力增高系数为3。图6-5b、图6-5c均为两侧采空煤柱，煤柱宽度分别为B和2B，B一般等于工作面超前支承压力影响范围。作用于煤柱上的支承压力分别呈钟形和马鞍形分布，应力增高系数分别为5和3.5。x图6-5三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布a——侧采空煤体；b一两侧采空煤柱（宽度为B）,呈均布载荷；c一两侧采空煤柱（宽度为2B），呈马鞍形载荷。①一侧采空煤体及两侧采空、宽度较大的煤柱，作用于煤层上的支承压力的影响深度约为1.5〜2B；两侧采空、宽度较小的煤柱，作用于煤柱上的支承压力的影响深度约为3〜4B。两侧采空、宽度较小的煤柱，底板岩层内同一水平面上oZ以煤柱中心线处最大。一侧采空煤体，底板岩层内同一水平面上oZ最大值在煤体下方，距采空区边缘数米处。两侧已采、宽度较大的煤柱下，底板岩层内同一水平面上oZ以煤柱中心线处较小，靠近煤柱边缘出现峰值。无论在何种形式煤层载荷作用下，底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角为影响角w，V一般为300〜400。二、构造应力对巷道稳定性的影响构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。构造应力包括地质构造发生过程中，在地下岩体内所产生的应力；以及已结束的地质构造运动残留于岩体内部的应力。程角度看，古构造应力、新构造应力和在岩石生成过程中形成的结构内应力都属于构造应力。构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。水平应力是由岩层自重引起的水平应力，岩层之间的磨擦力和粘聚力以及水平构造应力组成。构造应力具有明显的方向性，巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。在构造应力影响较强烈的区域，要重视巷道布置方向，依靠正确调整巷道方向与构造应力方向间的关系，削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。图6-6巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，周边应围岩应力分布a一巷道轴向平行构造应力；b—巷道轴向垂直构造应力计算结果表明，巷道轴向与构造应力方向平行时，构造应力对巷道的稳定性影响最小;巷道轴向与构造应力方向垂直时，影响最大。构造应力对巷道稳定程度的影响，主要随a角正弦的平方值变化；如果a角小于250〜300时，构造应力对巷道稳定性的影响无明显变化。巷道轴向平行、垂直构造应力方向条件下，周边切向、径向应力分布见图6-6。四、受采动影响巷道的围岩变形巷道围岩变形规律采准巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化。以受到相邻区段回采影响的工作面回风巷为例，围岩变形要经历五个阶段:（1） 巷道掘进影响阶段（2） 掘进影响稳定阶段（3） 采动影响阶段（4） 采动影响稳定阶段（5） 二次采动影响阶段每个影响阶段内巷道顶底板移近速度和移近量所占比值的一般规律见表6-1。一、 巷道位置类型根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系不同，巷道位置分为以下几种类型：（1） 本煤层巷道（2） 位于回采空间所在层面下方的巷道称为底板巷道，位于回采空间所在层面上方的巷道称为顶板巷道。（3） 厚煤层中、下分层以及相邻煤层中的煤层巷道，有可能同时受到本分层和上分层以及相邻煤层回采工作面的采动影响。二、 区段巷道的位置和矿压显现规律预览：（一） 区段巷道的布置方式根据区段回采的准备系统，区段巷道可分成三种布置方式。（1） 煤体-煤体巷道（图6-71）。（2） 煤体-煤柱（采动稳定）巷道（图6-7II1）；煤体-煤柱（正采动）巷道（图6-701）。（3） 煤体-无煤柱（沿空掘进）巷道（图6-7II2）；煤体-无煤柱（沿空保留）巷道（图6-702）。图6-7区段巷道布置方式示意图a一煤柱护巷；b一无煤柱护巷（二） 区段巷道矿压显现规律（1）煤体-煤体巷道服务期间内，围岩的变形将经历三个阶段，即巷道掘进影响阶段、掘进影响稳定阶段和采动影响阶段。（2） 煤体-煤柱或采空区（采动稳定）巷道服务期间，围岩变形经历巷道掘进影响阶段、掘进影响稳定阶段和采动影响阶段（工作面前方采动影响）。但巷道整个服务期间内，始终受相邻区段采空区残余支承压力影响，三个影响阶段的围岩变形均大于煤体煤体巷道。（3） 煤体-煤柱或无煤柱（正采动）巷道服务期间，围岩的变形将经历全部的五个阶段。围岩变形量远大于煤体-煤体巷道和煤体-煤柱或无煤柱（采动稳定）巷道。（三）厚煤层中下分层区段巷道布置和矿压显现规律中、下分层巷道如果位于上分层一侧已采的煤体附近，上分层煤体的支承压力，对下部分层巷道会产生一定影响。它的影响程度与巷道和上分层煤体边缘之间的水平距离有关。一般情况下，水平距离超过2m影响已不明显。中、下分层巷道如果位于上分层两侧均已采空的煤柱附近，由于受到上分层煤柱支承压力叠加的强烈影响，围岩变形显著。为了改善这种巷道的维护，要求巷道与上分层煤柱边缘保持的5〜10m的水平距离。这种布置方式，增加了中、下分层的煤量损失。厚煤层分层开采时，实行无煤柱开采，既可以减少煤炭损失，又对改善下部分层巷道的维护十分有利。图6-8厚煤层中下分层区段巷道布置方式a一布置在已稳定的采空区下方；b一布置在已稳定的采空区下方靠近上分层护巷煤柱；c一巷道布置在护巷煤柱下部三、底板巷道的位置和矿压显现规律（一）底板巷道的位置（1）巷道布置在已稳定的采空区下部，在上部煤层回采空间形成的底板应力降低区内，见图6-9中巷道I，巷道整个服务期间内不受采动影响。（2）巷道布置在保护煤柱下部，经历保护煤柱两侧回采工作面的超前采动影响，见图6-9中巷道II。保护煤柱形成后，一直受保护煤柱支承压力的影响。当保护煤柱足够宽或者巷道与保护煤柱的间距足够大时，巷道可以避开采动影响，处于原岩应力场内。（3）巷道布置在尚未开采的工作面下部，经历上部回采工作面的跨采影响后，位于已稳定的采空区下部应力降低区内（图6-9中巷道III）。图6-9底板巷道位置I一巷道布置在已稳定的采空区下部；I一巷道布置在保护煤柱下部；I一巷道布置在尚未开采工作面下部，经历上部回采工作面的跨采影响（二）底板巷道的矿压显现规律巷道I仅经历在应力降低区内的巷道掘进影响阶段，然后进入掘进影响稳定阶段，围岩变形趋向稳定，变形量不大。巷道I围岩变形要经历掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，保护煤柱不足够宽时，受上部煤层工作面A回采影响期间显著变形，然后又趋向稳定；受上部煤层工作面B回采影响期间强烈变形，然后再次趋向以较大的变形速度持续变形。巷道I围岩变形要经历掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，工作面跨越开采时引起围岩强烈变形，然后又趋向稳定。四、上、下山的位置和矿压显现规律（一） 上、下山巷道的位置位于煤层内用煤柱保护的上、下山（图6-10a）。位于底板岩层内上方保留煤柱的上、下山（图6-10b）。上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采，不留护巷煤柱。跨越方式如图6-10c所示，左翼工作面先回采到上、下山附近处停采，然后右翼工作面跨越上，下山回采到左翼工作面停采线附近处停采，保留停采煤柱。上、下山位于底板岩层内，上部煤层工作面跨越上、下山回采，不留胡巷煤柱。跨越方式如图6-10d所示，右翼工作面在左翼工作面还远离上、下山时就跨越上、下山。（二） 上、下山巷道矿压显现规律（1） 上、下山（图6-10a、b）的围岩变形将经历掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，一翼采动影响期间显著变形，然后又趋向稳定，另一翼采动影响期间强烈变形，最后在两侧采空引起的叠加支承压力作用下，再次趋向以较大的变形速度持续变形这六个时期。（2） 上、下山（图6-10c）巷道围岩变形在掘巷期间、掘巷影响趋向稳定期间、一翼采动影响期间、一翼采动影响趋向稳定期间与上、下山用煤柱保护时基本相同。但是，在另一翼跨采影响期间上、下山开始受两侧采动引起的支承压力的叠加影响，随着右翼工作面推进，左右两翼工作面间的煤柱逐渐缩小，支承压力的影响急剧增加，附加围岩变形量远大于用煤柱保护时围岩附加变形量，而跨采后处于应力降低区内的围岩平均变形速度又明显小于用煤柱保护时两翼采动影响趋向稳定时期的围岩平均变形。（3）上、下山（图6-10d）巷道的围岩变形只经过掘巷期间明显变形，然后趋向稳定，跨采引起围岩变形急剧增加，以及跨采之后围岩变形趋向稳定四个时期，总变形量显著减少。五、巷道位置参数的选择（一）巷道围岩变形与Z、X值的关系巷道围岩变形量u（mm）与巷道至上部煤层的垂距Z（m）之间呈幂函数关系。uazb（6-3）式中a、b—取决于上部煤层采动状况、围岩性质、开采深度等因素。（二）巷道位置参数的选择1.底板岩层中应力分布区域采动引起的底板岩层应力分布分为以下区域：原岩应力区、应力集中区、剪切滑移区、卸压区、应力恢复区、拉伸破裂区，（图6-11）。卸压区中拉伸破裂和剪切滑移区以下区域应当是布置底板巷道的理想区域。图6-11底板岩层应力分布区域图6-12应力降低区内底板巷道位置参数I一原岩应力区；II一应力集中区；m一卸压区；W一应力恢复区；A一拉伸破裂区；B、C一剪切滑移区2.巷道稳定性指数1.实体煤巷道与综采分层工作面相比，综放整层工作面超前支承压力分布范围扩大，应力高峰位置前移；导致综放整层实体煤回采巷道矿压显现与综采分层实体煤回采巷道有较大差异，一般情况下综放巷道各项矿压显现指标参数均高于综采分层巷道。2.沿空掘进巷道（1）综放沿空巷道与实体煤巷道矿压显现对比分析对于中等稳定围岩综放沿空掘巷，超前90m左右就出现采动影响，明显变形出现在工作面前方35m左右，分别比实体煤巷道增加近20m。巷道剧烈变形在工作面前方0〜10m。沿空巷道与实体煤巷道相比，顶底板移近量增大10〜5倍，两帮相对移近量可高达40〜15倍。回采影响期间巷道围岩移近量与掘巷影响期间相比较，沿空巷道前者是后者的5〜10倍;实体煤巷道前者是后者的1.2〜1.5倍。实体煤巷道的顶、底板及两帮变形大体相近；沿空巷道两帮移近量大于顶底板移近量，前者是后者的2倍左右。(2)综放沿空巷道与综采上分层沿空巷道矿压显现对比分析综放沿空巷道与综采上分层沿空巷道相比较，前者的矿压显现程度较高，各项矿压显现特征参数值均大于后者。综放面沿空巷道超前压力明显区、高峰区分别比综采上分层沿空巷道增加50m、15m，巷道掘进期间，综放沿空巷道和综采上分层沿空巷道顶底板移近速度和顶底板移近量接近；工作面回采期间，综放沿空巷道顶底板移近速度和顶底板移近量分别是综采上分层沿空巷道的3.3倍和2.2倍。第三节巷道围岩控制原理降低巷道围岩应力，提高围岩稳定性以及合理选择支护是巷道围岩控制的基本途径。一、巷道围岩压力及影响因素围岩压力为了防止围岩变形和破坏，需要对围岩支护。这种围岩变形受阻而作用在支护结构物上的挤压力或塌落岩石的重力，统称为围岩压力。根据围岩压力的成因，可分为以下四种类型：(1)松动围岩压力由于巷道开挖而松动或塌落的岩体，以重力的形式直接作用于支架结构物上的压力，表现为松动围岩压力载荷形式。(2)变形围岩压力支护能控制围岩变形的发展时，