2-巷道地压-用解析

第二章

巷道地压课题一巷道地压几个概念

1、原岩与围岩

没有受到人类活动影响（如掘进和回采）的岩体称做原始岩体，简称原岩。由于井巷掘进而使岩体应力发生显著变化的区域叫做井巷影响圈，其直径一般为井巷断面最大直线尺寸的3－5倍，习惯上将此范围内的岩体称为围岩，既井巷工程周围的岩石。

地下岩体在未开掘巷道之前是处于静止状态的，既此时的岩体是三向应力处于平衡状态。开掘巷道以后，平衡的应力状态遭到破坏，使得岩体内部的应力重新分布。表现为巷道周围的岩体产生变形、位移甚至破坏，直到岩体内的应力重新达到平衡。在这一过程中，巷道本身及架设在其中的支撑物会受到各种力的作用。地压现象与地压

由于井巷地压的作用，而引起各种力学现象，如顶板下沉、底鼓、巷道变形、岩体破坏甚至冒顶片帮，支架严重变形、折断甚至损坏、大量岩层移动及地表发生塌陷。这种由于地压的作用，使巷道围岩和各种人工支撑物产生的变形、移动和破坏等现象，统称地压现象。由于围岩的变形或破坏而作用在支架上的压力称为地压。原岩应力

井巷地压是由井巷掘进后，岩体中的应力重新分布引起的，要研究掘进后巷道周围的应力，必须先了解巷道所在的岩体区域内的原岩应力。原岩是指没有受到人类活动影响的岩体，天然存在原岩内的与人类活动无关的应力，称原岩应力。原岩应力按产生的原因，可分为自重应力、构造应力和膨胀应力。膨胀应力就是岩体中水、温度或瓦斯等气体压力所引起的应力，也能影响岩体内的应力大小与分布。如；煤（岩）与瓦斯突出、底鼓、岩浆喷发等。在这些因素中，自重应力普遍存在，而构造应力取决于该地区的地壳运动形态，往往与大的地质构造、岩石性质有关。（一）自重应力

位于一定深度的原岩体，承受着上部岩体的重量及自重，由这个重量所引起的单位面积上的内应力，叫自重应力。其计算公式为：在自重应力的作用下，在бz的作用方向就会出现压缩变形，而在与бz成垂直方向则会产生侧向变形，但侧向由于相互挤压受到相邻岩体的限制，其横向变形值只能为零，应变也为零，既ε2=ε3=0，因而会形成岩石的侧向应力。侧应力бｘ＝бｙ＝λбz（λ侧向应力系数0.25－0.43）（二）构造应力

一般情况下，侧向应力系数不大于1，但许多实测资料表明：一部分应力符合自重应力分布规律，但也有一部分却是水平应力大于垂直应力，甚至大很多，其值可达20，且两个方向的水平应力也不相等，其方向、大小与地质构造有关。

注意：在无构造区域，侧向应力系数是不会大于1的，其值与岩石性质有关，岩石越坚硬其值越小，反之则越大。如水的双向侧向应力系数为0.5。这里的值大于1，甚至达20是因为其构造应力所引起的。构造应力是由地壳运动所引起，是一种非常复杂的自然现象，目前还没有办法对其进行准确计算，但它所产生的后果，我们经常见到，如断层、褶曲等。应力具有以下几个方面的基本特点：

地壳构造运动在岩体中引起的内应力，此力是构造运动后还遗留在岩体中的残余应力。特点：1、以水平应力为主，水平应力以压应力为主。地壳构造运动往往是以水平方向挤压运动为主。2、变化较大。在构造应力场中，主应力的大小和方向可能有很大变化；两个方向的水平应力值（σ2、σ3）通常不相等；3、测定表明，水平应力大于垂直应力，即σmax＞σmin＞σv式中：σmax—最大水平应力；σmin—最小水平应力；σv——垂直应力；4、岩层越坚硬越明显。构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍。为什么？课题二巷道围岩应力分布和变形移动规律的重新分布

一、应力重新分布的原因

围岩应力就是自重应力与构造应力的叠加，在井巷掘进之前，原岩应力处于三向应力平衡状态，它们沿水平方向和垂直方向传递。在岩体内开挖巷道以后，靠近巷道周围的岩石有了变形和位移的自由面，破坏了原岩三向应力平衡状态，使巷道周围岩体中出现应力重新分布，巷道附近的应力显著增加。1、应力重新分布的原因当巷道围岩周边的应力值小于岩体强度极限时，围岩周边只产生不大的弹性变形或位移，巷道处于稳定状态。在这种情况下巷道不需进行支护，为了防止围岩风化，可采用喷浆。反之，巷道周边岩石将产生非弹性变形或位移。在脆性岩体中，常发生冒顶、片帮（图a）；在塑性岩体中，往往出现顶板下沉、两帮外凸或底板膨胀（图b）；架设支架的巷道，如果支架选型不当、或强度不够，也会使支架变形或破坏（图c）。2、围岩应力的重新分布的结果

巷道开挖后，围岩应力会出现重新分布，围岩应力由三向应力状态转变为二向应力状态，促使岩体力学性质改变，使弹性极限和强度降低。如果变化以后的应力仍没超过弹性极限，那围岩应力仍可相对稳定下来——如裸体巷道。如果应力超过弹性极限，产生塑性变形，应力就会发生改变。巷道周边处于二向应力状态，与单向受力状态一样，岩体呈脆性，容易发生破裂。不过离巷道周边一定距离后，围岩应力逐渐减小，岩体强度增高，不容易破碎，所以，围岩破坏只限于一定范围内。2、围岩应力的重新分布的结果

按围岩变形的大小、类型不同，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），另一个是裂隙带（弹性变形带）。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外部力量，也就是进行巷道支护。对于均质而又软弱的弹性岩体，巷道开挖后，在破裂带内应力降低称为应力降低区；超过破裂带进入裂隙带后应力增高并出现峰值，为应力集中区；远离巷道的岩体受巷道的影响越来越小，接近于原始应力状态，称为原岩应力区，如下图左。对于坚硬的弹性岩体，巷道开挖后，其垂直应力分布如下图右。Ⅰ-应力降低区；Ⅱ-应力集中区；Ⅲ-原岩应力区注意：降低区是应力释放与内部前移或者软岩破坏；如果降低区破坏垮落，集中区应力释放，集中区向岩体内部前移。就会出现垮落—应力前移—再垮落直至岩石的碎胀性达到新的平衡。二、巷道围岩的变形移动的原因上一节我们讲到，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改变，围岩将出现弹性变形。随时间的变化，还会发生蠕变，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；

但如果是不稳定的蠕变或者是巷道周边应力超过了岩石的弹性极限，就会使巷道周边首先产生塑性变形甚至发生破裂。只要及时采取有效的支护措施，非弹性变形发展到一定范围也能稳定下来；如果不采取措施或措施不力，破裂带就会继续发展，围岩的非弹性变形也会逐渐增大，巷道周边破裂的岩石将会冒落。冒落以后，相当于扩大了巷道断面，围岩变形破裂必然继续扩大。1、巷道围岩的变形移动的原因

围岩的弹性变形对生产是没有多大影响的，而塑性变形则会引起围岩的破碎，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，围岩会向巷道空间显著位移，随时间的延长，围岩变形速度将逐渐放缓。掘进引起的围岩应力重新分布趋于稳定后，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，但变形速度比刚掘进时小许多。因此，围岩的变形是由于开挖巷道时外力作用的结果。2、围岩变形的影响因素

变形的大小首先取决于原岩应力，而原岩应力的大小与深度成正比，所以深度越大，变形越大。在同样深度的情况下构造应力较大的地区，变形也较大。不同方向、不同断面形状的巷道，原岩应力不相同，变形也不相同，如平行于岩层走向的运输巷道比垂直岩层走向的石门的变形要大，梯形断面比圆形断面要大。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。由此可以看出，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。3、围岩的变形后的形态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，就是顶板破碎岩石冒落的过程。岩石一般沿破裂面滑落，但冒落拱的形状既有一定的规则，又各不相同。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，大多数情况下又会产生新的破裂带，如果不采取有效措施，冒落又会进一步发展。围岩压力及影响因素

－、围岩压力

1、概念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。从狭义上说，围岩压力就是支承压力。

2、分类从巷道围岩空间状态来说，巷道是由顶板、底板和两帮岩体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状态不同，其围岩性质也往往存在很大差异，因此巷道顶、底、两帮的稳定状态往往具有明显的结构特征。所以，围岩压力按成因划分为巷道的顶压、侧压和底压三种类型。

巷道开挖后，暴露出来的顶板岩石，类似于双支梁一样支承上部岩石压力，受力后的顶板梁将向下弯曲，而靠近巷道顶板线的岩石承受拉力而开裂。如P20图2-13ａ，随裂隙的增多、扩大，岩石会产生冒落，它的压力也会逐渐降低，而作用在两帮岩石上的压力却逐渐增加，如P20图2-13ｂ、ｃ；当顶板岩石冒落到一定范围而形成自然平衡拱时，就会停止冒落，如图ｄ，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的岩石上。顶板冒落的岩石作用在支承物上的压力叫顶压。－、围岩压力

如果顶板为较弱的页岩，其他部位为砂岩时，巷道顶板岩层会发生明显的弯曲下沉，并直接影响到巷道两帮上部的稳定，顶板过度弯曲下沉一定会导致其断裂和破碎，所以，软弱顶板是巷道支护的重点。顶压的大小就是冒落拱内岩石的重量，顶压的大小，取决于冒落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，反之亦反。－、围岩压力

在自然平衡拱的形成过程中，巷道上部压力不断传给两帮岩石，若两帮岩石坚硬，两帮不会压坏，当巷道两帮为软弱岩层时，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，如巷道两帮发生移动，即片帮，则支护重点在两帮，如P20图2-14。这部分（两帮）垮落的岩石所产生的水平分力，就是巷道的侧压。侧压的大小与两帮岩石性质、巷道高度和上部压力的大小有关。－、围岩压力

巷道产生的侧压得到新的平衡后，新的自然平衡拱仍会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的作用下产生底鼓变形，即底压。此时围岩控制的重点是底鼓。有时底板岩层具有遇水膨胀的特性（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，因此，对底压严重的地方，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以知道，侧压和底压其实都是由顶压所引起，而顶压与巷道的掘进及支护关系更为密切，因此，对顶压所引起的围岩变形移动现象应特别注意。巷道顶板压力分析含义-巷道顶板或顶梁遭受其上部岩层的压力。特征：顶板岩石或顶梁弯曲下沉，断裂、掉矸、冒落、支架发生声响、柱子插底。特点：巷道宽度、上部岩层厚度及容重，顶板岩石性质，构造、爆破方式及火药用量有关。实情：若岩石松软将通过其自身的形变消耗上部压力，若其坚硬将力传递给巷道两帮。巷道侧压分析来源：主要来自顶压传递至两邦的压力；特征：两邦向内位移，片帮，支柱弯曲或断裂；特点：顶板传递压力大小，巷道高度与宽度，两帮与顶板岩石性质，构造与爆破冲击力大小有关。实情：若岩石松软，两帮岩石受挤压造成片帮，支柱弯曲、断裂而消耗其应力；如果坚硬将直接传递给底板。底压分析来源；由两帮传递或底板岩石的水涨性所产生；特征：底鼓、支柱插底，巷道高度下降等；特点：顶、邦、底板岩石有关，巷道断面形状与支护形式有关。穿鞋另外：与钻眼爆破、构造应力、采动影响有关。应力重新分布与实现新平衡的过程二、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、巷道的性质及支护结构、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。这里我们先就基本不受采动影响的静压巷道为例，来分析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断压力的大小，变形最大的方向，即通常所说的来压方向。巷道围岩岩体包括三部分：顶、底、两帮。这三部分的岩性相差很大，而且稳定状况也各不相同。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大的，逐渐影响其他部分，最终导致巷道的整体性破坏。（一）围岩变形位移特征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，导致围岩不稳定，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。（一）围岩变形位移特征

2、随掘进时间的延长，围岩变形速度将趋于缓和。当掘进引起的围岩应力重新分布趋于稳定后，由于岩层的流变性质，围岩变形还会有一段缓慢增长的过程，但变形速度比巷道初掘期间小许多。在此期间，围岩压力也将缓慢增长并趋于稳定。

3、当巷道周边岩石为较软岩层时，围岩变形由位移扩大到松软破裂带直至岩石冒落，此时围岩压力明显增大。（一）围岩变形位移特征

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。在这一阶段，围岩压力主要是由围岩破碎引起。由此可见，巷道围岩压力随围岩变形移动及破碎过程，将经过从掘巷期间产生到明显增大－－缓慢增长――趋于稳定――围岩破碎冒落期间显著增大――逐渐降低――趋向稳定6个时期。认识巷道围岩这种从掘进到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