岩石力学岩石压力及其控制

第五章岩石压力及其控制第一节井巷地压一、基本概念地压：泛指在岩体中存在的力，它既包括原岩对围岩的作用力，也包括围岩间的相互作用力，又包括围岩对支架的作用力。狭义地压：把围岩因变形移动和岩块冒落作用在支架上的压力称为狭义地压。广义地压：将岩体内部原岩作用于围岩和支架上的压力称为广义地压。二、地压分类1、变形地压：由于大范围内岩体因变形、位移受到支架的抑制而产生的地压。①弹性变形地压：由于围岩弹性变形而使支架受到的压力称为弹性变形地压。②塑性变形地压：由于围岩塑性变形而使支架受到的压力称为塑性变形地压。③流变地压：由于围岩随时间延长而产生变形流动现象而造成的地压。2、散体地压：由于开挖，在一定范围内，滑移或塌落的岩体以重力的形式直接作用在支架上的压力称为散体地压或松动地压。3、冲击地压：又称岩爆，是指围岩积累了大量的弹性变形能之后，突然释放出来所产生的压力。4、膨胀地压：岩体由于膨胀产生的压力称为膨胀地压。三、围岩与支架的共同作用1、围岩对支架的作用力等于支架对围岩的反作用力，它们大小相等，方向相反。2、围岩与支架变形协调，支架的位移量等于开巷后巷道周边位移减去支护前巷道位移。3、支架的压缩量与围岩对支架施加的压力成正变关系。4、在围岩稳定的条件下，其周边位移量与支架反力成反变关系。综上所述，围岩与支架共同作用原理的实质，就是支架与围岩共同构成承载系统，支架与围岩之间的作用力相等，变形协调，支护抗力与围岩自承能力之和等于原岩应力，即支架与围岩共同承担原岩应力。1、开巷后立即架设支架，且支架为理想绝对刚性，此时支架所受的力最大，而围岩仅负担产生弹性变形的力，即：p-pi。刚性支架可缩性支架2、支架可以允许围岩自由位移，且为理想的可缩性支架。此时支架所受的力为0，而巷道周边位移最大，此时围岩承担全部地压。3、由于支架总是具有一定的可缩性，因此理论上支架可在A和B之间任一点工作。由于围岩通常不能承受最大的周边位移，在D点围岩就开始脱落，D点称为脱落点，因此支架最佳工作点应在D点以上且最靠近D点处。四、围岩压力计算五、普氏理论分析

在松散岩体中开巷后，巷道顶部的岩体会产生脱落，当脱落到一定程度时，岩体进行入新的平衡，此时想到顶部会形成一个自然平衡拱，自然平衡拱以上的岩体重量通过拱传递到巷道两帮，而对拱内岩体无任何影响。作用于巷道顶板的压力仅为自然平衡拱与顶板间破碎的岩体的重量，而与拱外岩体及巷道埋深无关。坚固性系数（一）、顶压计算拱面积=顶压=当两帮稳定时当两帮不稳定时顶压=近似顶压=（二）、侧压计算当两帮不稳定时合力作用点（三）、底压计算平均主动土压力平均被动土压力底鼓深度：底压：（四）、普氏理论特点1、普氏把岩体看成松散体，这种假设与多数岩体实际情况不符，只在某些断裂破碎带或强风化带才接近于松散体。2、普氏引进坚固性系数f的概念，但由库仑准则，它随正应力的变化而变化，因此f不是岩体本身的特性参数，同时也无法通过试验确定。3、按普氏理论，巷道顶压在中部最大，这与许多实际工程不符。4、根据普氏理论，巷道压力只与巷道跨度有关，而与巷道断面形状、上覆岩层厚度以及施工方法、施工程序无关，这些都与实际不符。底压靠近两侧分布底压沿巷道全宽均与分布底压主要分布在底板中央六、浅埋巷道地压计算

在松散岩体中开巷后，若巷道埋深较浅，不能形成自然平衡拱，巷道顶压可用以下原理计算。顶压=最大顶压=七、太沙基理论

在松散岩体中开巷后，由于自重应力的作用，巷道两帮发生剪切破坏，形成直达地表的破裂面。此时位于巷道正上方的垂直岩柱将会下沉，因此引起的巷道顶压是垂直岩柱克服两帮摩擦力下沉的结果。八、竖井地压原岩中一个方向的水平应力原岩中另一个方向的水平应力井筒周边稳定条件一、开挖竖井引起的应力重新分布井筒最大深度二、竖井地压计算1、平面挡土墙公式2、圆柱挡土墙公式第二节采场地压及其控制一、采场地压活动机制

由于采矿导致围岩中形成二次应力场，在该应力场作用下，采场地压表现出两种形式：变形地压和松脱地压。实践表明，当采用空场法开采水平或缓倾斜矿体时，地压活动表现为变形地压；当开采极倾斜矿体时，表现为松脱地压。

此外，地压活动显现特点与采矿方法密切相关。当采用房柱法，一般表现为顶柱、间柱塌落，进而导致上盘岩石崩落，引起岩石移动，造成大规模地压活动。当采用崩落法主要表现在出矿水平巷道的破坏。另外，当开采深度较深时，还可能出现动力形式的地压活动，例如岩爆。二、空场法开采水平矿床的地压活动（一）、顶板应力分布顶板应力分量对于顶板中央部分的下表面即当：1、拉应力区2、卸载区3、压缩区4、支撑压力区（二）、采场顶板应力带1、冒落带2、裂隙带3、弯曲带（三）、变形分带三、空场法开采倾斜、急倾斜矿体的地压活动地压活动规律：①在回采空间（矿房）下盘上角和上盘下角应力集中；②阶段矿柱中，应力集中发生在上盘上角和下盘下角，其方向说明矿柱承受上盘方向作用力；③空区高度大时在上盘存在拉应力区，阶段高度适中上盘拉应力区消失④距回采空间附近上下盘围岩中应力低，为应力降低区，阶段矿柱附近为应力升高区。四、崩落采矿法地压活动（一）、开采水平和缓倾斜矿体地压活动。1、直接顶：位于矿石层上，比较稳固的岩层称为直接顶。2、老顶：位于直接顶上的很稳固、需经过多次放顶后达到一定暴露面积的岩层称为老顶。3、伪顶：有时在矿层和直接顶直接之间软而薄的岩石称为伪顶。4、周期来压：由于放顶的不断进行，老顶暴露面积增大，导致老顶冒落，造成工作面压力急剧增大，这种来压现象随着工作面的推进周期性出现称周期来压。前提假设：将顶板看作悬臂梁，利用弹性地基梁理论进行分析1、矿床呈水平赋存；2、回采工作面直线布置；3、仪采区不留矿柱；4、矿石及顶底板岩石均视为弹性体；5、作用于顶板上的载荷均匀分布。其中：压力分布曲线半波长由弹性地基梁理论可知，即当：顶板压力最大（二）、壁式崩落法开采倾斜和急倾斜矿体地压活动。对于有底柱崩落法由于回采期间在不同阶段底柱承受的压力不同，可分为三个阶段：1、第一阶段：采场进行切割拉底之后（未进行崩矿），此时底部压力较小；2、第二阶段：采场崩矿之后，此时底部压力较大；2、第三阶段：随放矿进行，此时底部压力降低大；对于无底柱崩落法

由有限元模拟分析及实测表明：在进路两侧矿柱中形成应力升高区，而在巷道顶板上方形成应力降低区；在拱脚、墙角处应力值较高，巷道两帮中点处次之，而在巷道顶板中点最小；此外，上分段进路回采完全与否，对相邻下分段进路稳定性影响较大；还有同一分段相邻进路的回采顺序、推进速度也对周围岩体应力分布影响较大。五、充填体与围岩的相互作用1、限制围岩的变形与位移。2、提高矿柱强度。3、减少能量释放速度。充填体对矿柱产生的横向约束力受充填体包围的矿柱上的垂直应力充填体施加于矿柱上的横向应力矿柱强度提高值矿柱内摩擦角矿柱强度增量充填体与围岩的相互作用

以壁式采矿法为例分析充填体对顶板岩石应力分布的影响前提假设：仍将顶板视为弹性地基梁。1、随回采工作面推进立即对空区充填。2、空区不留矿柱。3、矿石及充填体为弹性体。4、作用于顶板岩石上的载荷均匀分布。由弹性地基梁理论可知，在矿床一侧顶板压力：充填体阻力系数矿石阻力系数由弹性地基梁理论可知，在充填体一侧顶板压力：充填体阻力系数矿石阻力系数地压活动影响因素：1、自然因素：岩石、岩体的物理力学性质，原岩应力状态、开采深度、地质构造发育程度、地下水活动、2、人为因素：采矿方法、矿块结构参数、开采顺序、开采强度、支护方式、爆破规模。六、开采顺序对次生应力分布的影响（一）、沿走向开采顺序1、自矿体一端向另一端回采（单侧回采）：当采用单侧回采时，回采空间周围岩体次生应力场取决于采场跨度、同时回采采场数目。2、自矿体中央向两翼回采：当采用自矿体中央向两翼回采的方式时，周围岩体次生应力场状态与单侧回采相似。3、自矿体两翼向中央回采：当采用方式时。由于初期采区彼此相距甚远，空区周围应力场互不影响，其应力场分布与单侧回采相同；边界矿柱应力变化如下图曲线1和3；当空区接近时，应力场叠加，此时应力场情况如曲线2、4。（一）、垂直走向开采顺序1、当采取由上盘到下盘的开采顺序时，由于上盘岩石提前移动，导致下盘三角部分矿石在回采前被压坏，回采困难。如果采取先下盘后上盘的回采则可避免这种问题。2、当开采倾斜平行矿体时，上下盘矿体应保持合理的超前关系。实践表明，让下盘矿体超前开采，但要让上盘矿体滞后下盘矿体一定高度，便可保证不受地压采动影响顺利完成回采工作。此滞后高度可根据上盘岩石崩落角确定。矿体倾角应下盘矿体应力升高被压碎矿体高度上盘围岩崩落角矿体垂距矿体水平距离七、采场顶板跨度极限尺寸的确定

根据材料力学梁理论，可将采场顶板视为两端固定的受均匀载荷的梁，此时顶板极限跨度由下式确定：顶板厚度顶板的极限跨度顶板所受均布载荷岩石的抗拉强度八、矿柱尺寸的确定1、作用在矿柱上的载荷

当开采水平或缓倾斜矿床时，作用在矿柱上的载荷并不总是等于上覆岩层的重量，而是和采场跨度与采深的比值有关系，当比值大于1.5时，作用于矿柱上的载荷就是上覆岩层的重量；当比值为0.5时，作用于矿柱上的载荷为上覆岩层重量的0.62倍；当比值为0.25时，作用于矿柱上的载荷为上覆岩层重量的0.5倍.2、矿柱强度

试验表明，矿柱宽度与高度的比值对矿柱强度影响很大。宽度小时矿柱处于单向受压状态，宽度大时处于三向受压状态。此外，矿柱形状也对矿柱强度有影响。常数矿柱高度矿柱强度矿柱宽度矿石的单向抗压强度金属矿山常用公式：3、矿柱破坏形式①剪切破坏②劈裂破坏③沿结构面的滑移破坏4、矿柱设计矿柱强度要求安全系数，大于1稳定，小于1不稳定矿柱强度矿柱所受应力矿柱应力计算矿柱上方的均布铅垂应力矿房宽度矿柱宽度矿房长度矿柱应力的另一表达矿房水平面积矿柱水平面积由于矿石回采率故有故有九、地压控制方法1、崩落围岩处理空区。2、支撑方法。①封闭出矿漏斗。②在空区与主要阶段平巷相通的巷道口设置阻波墙。3、充填空区。4、改变围岩应力状态按应力控制状态采矿。十、岩爆及其预防（一）、诱发岩爆的因素1、岩石的物理力学性质。2、开采深度。3、地质构造的影响。4、采矿技术影响。（二）、岩爆预测1、研究深部采矿与岩爆的关系。2、了解岩爆判断依据。①能量法②Kidybinski法③弹性变形法3、岩爆预防。①降低弹性使能释放速度②减小矿房尺寸③采用预爆破释放应力④改变矿岩物理力学性质⑤孔槽卸压一、井巷维护原则井巷维护总原则：提高围岩强度，降低围岩应力，改善围岩应力状态，以便充分发挥围岩的自身抗力去支撑井巷地压。井巷维护一般原则：1、选择合理的井巷位置。①井巷位置应尽可能布置在水文地质条件较好，没有软弱夹层的岩体中，避开受水侵蚀易膨胀的岩层和难以维护的地质构造破碎带、化学蚀变岩层以及溶岩地层等。②应尽量避免把井巷布置在岩性变化较大的岩体中，在褶皱地区，应尽量避免将巷道布置在背斜和向斜轴部。③井巷布置应尽量避免回采工作的影响。第三节井巷维护基本原理2、选择合理的井巷断面形状和尺寸。①巷道断面的最大尺寸应当沿着最大来压方向布置。②最大来压方向的巷道周边应尽量选用曲线形状，当顶压大时巷道顶部应呈曲线形。③巷道断面在满足生产要求的前提下，同时应考虑便于开挖，易于维护和经济合理。3、选择合理的支护类型①应根据地压类型选择支护结构。②中型以上矿山的主要运输巷道，或松软岩层中的巷道，应采用喷锚支护。③使用传统支架时，支架不仅要满足强度条件，还要具有合理的刚度，尤其在变形地压较大的条件下，支架应具有可缩性。4、确定合理的支护时间。5、改变巷道围岩应力状态，减小巷道周边应力集中。6、减小爆破对围岩的损伤，保持或设法提高岩体强度。二、支护类型（一）普通支护1、刚性支护2、可缩性支护（二）喷锚支护三、支护形式1、碹（衬砌）2、支架3、锚杆、锚索4、注浆是锚杆和喷射混凝土联合支护的简称。1、直墙拱顶形支护结构四、支护结构断面利用率从左到右依次减小，但稳定性顺序恰好相反2、马蹄形支护结构3、全封闭形支护结构4、断面形状与稳定性的关系一、喷层的力学作用1、防护加固围岩，提高围岩强度2、改善围岩和支架的受力状态第二节喷锚支护无喷层时有喷层时（一）、喷层厚度的分布范围二、喷层厚度的计算1、喷层厚度上限：一般不小于石子粒径的1.5倍，通常为3---5cm。2、喷层厚度下限：一般不大于20cm。（二）、喷层厚度计算对于散体危岩1、按“冲切型”破坏计算岩体自重岩体底面周长喷层厚度混凝土抗拉强度2、按“撕开型”破坏计算拉伸系数混凝土弹性模量喷层与岩面间的粘结强度对于软弱围岩1、将其视为一种结构，按厚壁筒公式计算喷层支护抗力喷层内半径喷层单轴抗压强度喷层厚度2、按剪切破坏计算喷层厚度喷层支护抗力地压作用范围喷层抗剪强度喷层厚度二、锚杆的力学作用1、悬吊作用2、减跨作用3、组合作用4、挤压加固作用（组合拱）三、锚杆的类型按锚固方式不同可分为：1、端部锚固式锚杆（预应力锚杆）：靠端部的锚头将杆体锚固在岩体内，杆体的加一端用螺母将垫板压紧在岩壁上。2、全长锚