岩石力学课件第六章岩石地下工程

1、1,岩石力学,Rock Mechanics,2,第六章 岩石地下工程,3,6.1 地下工程围岩应力解析分析,4,岩石地下工程是指在地下岩石中开挖并临时或永久修建的各种工程。 地下矿山的主副井、通风井、运输巷道、采场等。公路、铁路、水电工程和国防工程的隧道、硐室、地下仓库、厂房等。 采矿所涉及的地下工程为规模最大，条件最复杂。,一、基本概念,5,围岩是指在岩石地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。 岩石开挖周围岩石失去平衡状态原有应力场改变自行平衡、或破坏、或过大变形支护（支架、衬砌、锚喷）人工稳定。,一、基本概念,6,应力重分布：从原始地下应力场变化到新的平衡应力场的过程。

2、次生应力或诱发应力：经应力重分布形成的新的平衡应力。,一、基本概念,7,地下岩石工程稳定的条件：,一、基本概念,式中，S和U为围岩或支护体所允许的最大应力(极限强度)和最大位移(极限位移)。,8,岩石地下工程根据埋入的深浅： 浅埋地下工程的工程影响范围可达到地表，因而在力学处理上要考虑地表界面的影响。 深埋地下工程可处理为无限体问题，即在远离岩石地下工程的无穷远处，仍为原岩体。,一、基本概念,9,1、基本假设 （1）围岩为均质，各向同性，线弹性，无蠕变性或粘性行为； （2）原岩应力为各向等压(静水压力)状态； （3）巷道断面为圆形，在无限长的巷道长度里，围岩的性质一致，可按平面应变问题进行分析

3、，取巷道的任一截面作为其代表研究； （4）符合深埋条件，并且埋深大于或等于20倍的巷道半径。,二、深埋圆形巷道静水压力下弹性分析,10,巷道埋深大于或等于20倍的巷道半径时，忽略巷道影响范围内岩石自重，误差10%。,二、深埋圆形巷道静水压力下弹性分析,11,二、深埋圆形巷道静水压力下弹性分析,12,2、基本方程 平衡方程：,几何方程：,本构方程：,二、深埋圆形巷道静水压力下弹性分析,13,3、边界条件：,4、求解方程：,二、深埋圆形巷道静水压力下弹性分析,14,5、讨论： （1）应力分布计算公式为开孔后的应力重分布的结果，即次生应力场的应力分布式； （2）径向应力r和切向应力的分布和角度无关，

4、皆为主应力，即径向和切向平面均为主平面。 （3）应力大小与弹性常数E、无关。,二、深埋圆形巷道静水压力下弹性分析,15,（4）周边rR0，r0，2p0；周边切向应力为最大应力，且与巷道半径无关。 这样，当2p0超过围岩的弹性限时，围岩将进入塑性，如把岩石 看作是弹脆性体，则 当2p0超过围岩的单 轴抗压强度时，围岩 将发生破坏。,二、深埋圆形巷道静水压力下弹性分析,16,（5）定义应力集中系数：,对于巷道周边：,为次生应力场的最大应力集中系数。,二、深埋圆形巷道静水压力下弹性分析,17,（6）若定义以高于1.05p0或低于0.95p0作为巷道影响圈边界，据此可得：,工程上有时以10作为影响边界

5、，则同理可得影响半径r3R0 应力解除试验，以3R0作为影响圈边界；有限元计算常取5R0的范围作为计算域；上述情况就是其粗略的定量依据。,二、深埋圆形巷道静水压力下弹性分析,18,假设深埋圆巷的水平荷载对称于竖轴，竖向荷载对称于横轴；竖向为p0，横向为p0 ，并设l。由于结构本身对称(荷载不对称)，上述问题可应用已有的结论通过叠加原理解决。,三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析,19,将荷载分解，叠加求解：,三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析,20,（1）情况的解： 情况为深埋圆形巷道静水压力下弹性分析问题，其解为：,三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析,21,（2）情况的解： 边界条件，对于内边

6、界，r=R0，r=r=0 对于外边界，应用莫尔圆应力关系，有,三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析,外边界条件,22,根据弹性力学理论可得：,三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析,23,（3）情况和叠加可得总应力解：,三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析,24,（4）讨论： 、l时,三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析,即与轴对称情况相同，为本题的特例,25,、周边应力情况（r=R0),三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析,显然，在1的情况，巷道横轴位置(0)有最大压应力，而在竖轴位置(90)有最小应力。,26,使竖轴(90)处恰好不出现拉应力的条件为0，即：,三、深埋圆形巷道一般压力下弹性分析,1/3

7、时周边恰好不出现拉应力； 1/3时周边不出现拉应力； 1/3时周边将出现拉应力。 0，90处拉应力最大，为最不利情况。1为均匀受压的最有利于稳定情况。,27,在一般原岩应力状态下，深埋椭圆巷道周边切向应力计算公式为：,四、椭圆形巷道围岩弹性应力状态,28,四、椭圆形巷道围岩弹性应力状态,1、等应力轴比：就是使巷道周边应力均匀分布时的椭圆长短轴之比。 该轴比可通过求极值得到：,等应力轴比情况下，周边切向应力无极值，周边应力是均匀相等的。等应力轴比对地下工程的稳定是最有利的，又称为最优轴比。,29,四、椭圆形巷道围岩弹性应力状态,等应力轴比与原岩应力的绝对值无关，只和值有关，由值即可决定最佳轴比。

8、 1时，m1，ab，最佳断面为圆形； 1/2时，m=2，b=2a，最佳断面为b2a的竖椭圆； 2时，m=1/2，a=2b，最佳断面为a2b的横(卧)椭圆； 总之，椭圆长轴总是顺着原岩应力的最大主应力方向，且m=1/为最佳。,30,四、椭圆形巷道围岩弹性应力状态,2、零应力（无拉力）轴比 当不能满足最佳轴比时，因岩体抗拉强度最弱，若能找出满足不出现拉应力的轴比，即零应力(无拉力)轴比，也是很不错的。 周边各点对应的零应力轴比各不相同，通常首先满足顶点和两帮中点这两要害处，实现零应力轴比。,31,四、椭圆形巷道围岩弹性应力状态,（1）、对于顶点：,32,四、椭圆形巷道围岩弹性应力状态,（2）、对于

9、两帮中点：,33,四、椭圆形巷道围岩弹性应力状态,零应力轴比：,应照顾顶点,应照顾两帮中点,34,五、非圆形巷道周边弹性应力状态,地下工程中的非圆形巷道主要有梯形、拱顶直墙、椭圆等。 1、基本解题方法 原则上，地下工程比较常用的单孔非圆巷道围岩的平面问题弹性应力分布，都可用弹性力学的复变函数方法解决。,35,五、非圆形巷道周边弹性应力状态,2、一般结论 在弹性应力条件下，巷道断面围岩中的最大的应力是周边的切向应力，且周边应力大小和弹性参数无关，与断面的绝对尺寸无关。 次生应力场与原岩应力场分布、巷道的形状(竖向与横向轴比)有关。断面在有拐角的地方往往有较大的应力集中；在直长边则容易出现拉应力。

10、,36,五、非圆形巷道周边弹性应力状态,37,六、井巷围岩的弹性位移,1、特点：周边径向位移最大，但量级小以毫米计)，完成速度快，一般不危及断面使用与巷道稳定。 2、计算原则：按弹性力学由已知应力求得。 对于深埋的井巷工程，应考虑到开挖后的位移是由于开挖后的应力增量所造成的，原岩应力部分并不引起新的位移，原岩应力所引起的位移已经在过去的地质年代中完成。所以，只能采用应力增量来计算。,38,六、井巷围岩的弹性位移,3、径向位移常用计算式 （1）轴对称圆巷：,39,六、井巷围岩的弹性位移,（2）一般圆巷围岩的位移公式：,（3）其他巷道无通式。,40,强度线塑性区内任一点的应力圆均与该线相切,塑性区

11、切向应力分布曲线,弹性区切向应力分布曲线,塑性区径向应力分布曲线,弹性区径向应力分布曲线,弹性状态切向应力分布曲线,弹性状态径向应力分布曲线,塑性区,弹性区,应力升高区,原岩应力区,围 岩,原 岩,应力降区,七、圆形巷道围岩的弹塑性应力状态,41,第6.1节结束，谢谢！,42,6.2 围岩与压力控制,43,岩石地下工程一般埋深较大，穿越地层复杂，地应力相对地下结构作用的传递情况也很复杂。 狭义地压：指围岩作用在支架上的压力。,44,一、围岩与支护的共同作用,围岩与支护形成一种共同体，共同体两方面的耦合作用和互为影响的情况称为围岩支护共同作用。 1、支护所受的压力及其变形，来自于围岩在自身平衡过

12、程中的变形或破裂导致的对支护的作用，围岩性态及其变化状况对支护的作用有重要影响。 2、支护以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破裂的近一步发展，而这一过程同样也影响支护自身的受力。,45,一、围岩与支护的共同作用,岩石地下工程支护可能有两种极端情况： 1、当岩体内应力达到峰值前，支护已经到位，岩体的进一步变形破碎受支护阻挡，构成围岩与支护共同体，形成相互间的共同作用。如果支护有足够的刚度和强度，则共同体是稳定的，并且，围岩和支护在双方力学特性的共同作用下形成岩体和支护内各自的应力、应变状态，否则共同体将失稳。,46,一、围岩与支护的共同作用,2、当岩体内应力达到峰值时，支护未及时架设，甚至在岩体破

13、裂充分发展时支护仍未起作用，从而导致在隧道顶板或两帮形成冒落带，并出现危险部位的冒落或沿破裂面的滑落，岩石工程可能整体失稳。如这时有架设好的支护，则它将承受冒落岩体传递来的压力，而冒落的岩石还将承受其外部围岩传来的作用。,47,二、围岩与支护的共同作用原理,对于一种最简单情况，轴对称圆巷周边的弹塑性位移：,上式表示，圆巷周边位移和支护反力成反比关系，绘成P1u0曲线 ，即为围岩特性曲线。,48,二、围岩与支护的共同作用原理,一般的支护都可以根据计算或实验获得它的作用与位移关系曲线。例如轴对称圆形巷道内修建圆形衬砌，则可将圆形衬砌视为受均匀外压P的厚壁圆筒，如圆筒的内、外径和材料弹性常数分别用a

14、、R、E1、1表示，则根据厚壁圆筒公式，可得到圆筒外缘的径向位移：,上式表示，圆巷周边位移和支护作用成正比关系，P1u0曲线即为支护特性曲线。,49,二、围岩与支护的共同作用原理,联立可求得具体条件下的支护压力和衬砌壁面位移的解。即图上两线的交点(工况点)的坐标。围岩特性曲线和支护特性曲线构成了它们的共同作用关系。,50,二、围岩与支护的共同作用原理,如果改变支护的刚度，就可以改变支护的受力状态。例如，支护刚度变小(直线的斜率变小)，支护受力也减小，巷道周边径向位移就增加。根据这一原理，在隧道施工中就有柔性支护与刚性支护的区别，以及支护“让压”的说法，就是允许巷道有一定的变形，从而减小支护的受

15、力，保证支护安全和没有过大的投入。,51,二、围岩与支护的共同作用原理,围岩与支护共同作用曲线还反映岩体力学性质和支护时间对共同作用的影响，岩体性质越软，围岩特性曲线越向右移动，变形也越大。,52,二、围岩与支护的共同作用原理,支护时间越迟，支护曲线的起点离坐标的原点也越远，支护工作压力也越低。 上述分析反映了围岩稳定与支护相互作用的基本原理，为确定支护的内应力、变形位移和选定支护结构、尺寸提供了基本思路。,53,三、普氏地压学说,1907年著名俄国学者创立了松散体地压学说(简称普氏学说）。 普氏通过盛满干砂(C0)的箱底开孔试验，说明箱中之砂最后会形 成穹隆形平衡，这种穹 隆以上的砂不再掉落

16、的 现象，称为拱效应，普 氏认为巷道顶部的岩石 也有拱效应，支护的压 力就是拱内的岩石重量。,54,三、普氏地压学说,为了分析拱效应，普氏定义了一个岩石坚固性系数f：,为计算地压方便，普氏把f系数表示成另一种形式（似内摩擦系数，似内摩擦角）：,55,三、普氏地压学说,1、两帮稳定时的顶压计算公式： 矩形巷道，宽2a，高为H，两帮岩石稳定，顶板不稳定，由于拱效应，顶部可能冒落的岩石拱高为b。,56,三、普氏地压学说,拱周边岩石相互挤压，拱线轴力N0，取半拱脱离体，对拱列出弯矩平衡式，可获得处于安全平衡状态时的拱高：,57,三、普氏地压学说,为便于支架构件内力计算，常把抛物线型冒落拱顶压，近似处理

17、为拱高为b的矩形均布顶压。顶压集度和总顶压为：,58,三、普氏地压学说,2、两帮不稳定时的顶压 两帮不稳定，滑动体的上宽增加，这样免压拱高也随之而增加。,59,三、普氏地压学说,拱高b1、顶压集度qd和总顶压Qd为：,60,四、太沙基地压学说,1942年，国际著名土力学专家太沙基，基于土力学提出松散体理论(太沙基地压学说)。 隧道地压计算 研究断面为2aH的矩形隧道，太沙基认为顶板岩土稍有下沉，岩土体出现的破裂面可以近似认为是铅直平面。,61,四、太沙基地压学说,通过微元体平衡分析可得顶压集度计算式：,对于埋层较深(Z5a)，土体松散(粘结力C0)的情况，可简化为：,62,五、维护岩石地下工程

18、稳定的基本原则,（一）、合理利用和充分发挥岩体强度 1、地下的地质条件相当复杂，软岩强度可以在5MPa以下，而硬岩可达300MPa以上，即使在同一个岩层中，岩性的好坏也会相差很大，其强度甚至可以相差十余倍，岩石性质的好坏，是影响稳定最根本、最重要的因素。因此，应在充分比较施工和维护稳定两方面经济合理性的基础上，尽量将工程位置设计在岩性好的岩层中。,63,五、维护岩石地下工程稳定的基本原则,2、避免岩石的损伤 同一岩层机械掘进的巷道寿命往往要比爆破施工长得多，原因是爆破施工岩石损伤较大，不同爆破方法可以降低岩石基本质量指标1034，围岩破裂范围可达到巷道半径33。 被水软化的岩石强度常常要降低五

19、分之一以上，施工中要特别注意防排水，采用喷混凝土的方法封闭岩石，防止软化和风化，是维护巷道稳定的有效措施。,64,五、维护岩石地下工程稳定的基本原则,3、充分发挥岩体的承载能力 根据围岩与支护共同作用原理，围岩在地下岩石工程稳定中起到举足轻重的作用。因此，在围岩承载能力允许的范围内，适当的围岩变形可以增加围岩的内应力，使其更多地承受地压作用，减少支护的强度和刚度要求，这对实现工程稳定及其经济性有双利的效果。煤矿中采用有专门收缩变形机构的可缩性支架来实现“让压”。,65,五、维护岩石地下工程稳定的基本原则,4、加固岩体 当岩体质量较差时，可以采用锚固、注浆等方法来加固岩体，提高岩体强度及其承载能

20、力。 采用加固岩体的锚喷支护、注浆等经济的方法，可能会收到意想不到的效果。,66,五、维护岩石地下工程稳定的基本原则,（二）、改善围岩的应力条件 1、选择合理的隧道断面形状和尺寸 岩石怕拉耐压，应力状态也影响岩石的强度大小，因此，确定巷道的断面形状应尽量使围岩均匀受压，如果不易实现，也应尽量不使围岩出现拉应力，使隧道的高径比和地应力场匹配，这就是前面讨论等压轴比和零应力轴比的意义。当然也应注意避免围岩出现过高的应力集中，造成超过强度的破坏。,67,五、维护岩石地下工程稳定的基本原则,2、选择合理的位置和方向 岩石工程的位置应选择在避免受构造应力影响的地方；如果无法避免，则应尽量弄清楚构造应力的

21、大小、方向等情况，国外特别强调使隧道轴线方向和最大主应力一致，尤其要避免与之正交。实践还表明，顺层巷道围岩的稳定性往往较穿层巷道差，支护应特别注意这种地压的不均匀性。,68,五、维护岩石地下工程稳定的基本原则,3、“卸压”方法 近几年国内外开展“卸压”支护方法的研究，在一些应力集中的区域，通过钻孔或爆破，甚至专门开挖卸压峒室，改变围岩应力的不利分布，也可以避免高应力向不利部位(如巷道底角)传递，所以，“卸压”方法常作为解决煤矿采区巷道底鼓的一种有效措施,69,五、维护岩石地下工程稳定的基本原则,（三）、合理支护 合理的支护包括支护的形式、支护刚度、支护时间、支护受力情况的合理性以及支护的经济性

22、。 支护应该是巷道稳定的加强性措施，因此支护参数的选择仍应着眼于充分改善围岩应力状态，调动围岩的自承能力和考虑支护与岩体的相互作用的影响，并在此基础上，注意提高支护的能力和效率。,70,五、维护岩石地下工程稳定的基本原则,（四）、强调监测和信息反馈 由于巷道地质条件复杂并且难以完全预知，岩体的力学性质具有许多不确定性因素，因此，岩石地下工程施工所引起的岩体效应就不容易获得一个确定性的结果。所以，通过围岩在施工中的反应，来判断和推测可能出现的变化规律，成为控制巷道稳定最现实的方法。,71,六、支护的分类与围岩加固的概念,1、按支护材料分类：钢、木、钢筋混凝土、砖石、玻璃钢等； 2、按支护形状分类

23、：矩形、梯形、直墙拱顶、圆形、椭圆、马蹄形等； 3、按施工和制作方式分类：装配式、整体式、预制式、现浇式等； 4、按支护作用的性质分类：普通支护和锚喷支护，是比较合理的分类方法。,72,六、支护的分类与围岩加固的概念,普通支护是在围岩的外部设置支撑和围护结构。锚喷支护靠置入岩体内部的锚杆对围岩起到稳定作用。 普通支护又可以分为刚性支护和可缩性支护。可缩性支护的结构中一般设有专门可缩机构，当支护承受的荷载达到一定大小时，靠支护的可缩机构，降低支护的刚度，支护同时产生较大的位移。,73,六、支护的分类与围岩加固的概念,围岩加固是另一类维护地下岩石下程稳定的方法。 采用注浆等方法改善围岩物理力学性质

24、及其所处的不良状态，能对围岩稳定产生良好的作用。 锚喷也可认为是一种加固性的支护方法。围岩加固方法还可以结合普通支护一起维护地下岩石工程稳定。,74,七、普通支护,（一）、普通支护的选材选型 常用的普通支护形式有衬砌和支架。 衬砌是用混凝土或砖石材料砌筑而成的拱形结构；支架是棚式结构，一般有金属支架和木支架，也有混凝土预制构件或组合类型。,75,七、普通支护,（二）、支护设计 只要已知结构的内力，就可以采用一般的结构力学、各种建筑结构学的方法进行支护结构的构件设计，关键是要确定结构的外荷载，以便计算其内力。 根据地压确定方法的特点，目前岩石地下工程结构的计算主要可分为两种，即现代的（视支护围岩

25、为共同体）计算模型方法和传统的结构力学方法。,76,七、普通支护,（三）、围岩抗力及其特点 围岩抗力是指支护在挤压围岩时引起的围岩对支护的作用，是种被动产生的作用。如铰接支架结构在压力下产生围岩抗力。,77,七、普通支护,（四）、可缩性支护 采矿工程中，地下岩石(煤层)巷道使用期间的收敛量，随岩性的强弱和巷道的类别而不同，小为2050mm，大可达2000mm，甚至更大。所以像这些变形大的巷道，都应采用与变形量相适应的可缩性支护。 可缩性支护要求只在超过一定大的荷载条件下发生可缩，而且应始终保持有一定的、且不能过低的基本承载能力，不能无止境地退缩，否则就会失去其支护的基本功能。,78,七、普通支

26、护,目前煤矿地下采场广泛采用的是金属摩擦支柱、单体液压支柱和综采液压支架等，都是最典型的可缩支架。,79,放顶煤支架研制的虚拟现实技术,YFJ2200-16/24型 单铰接轻型低位放顶煤支架,80,八、锚喷支护,（一）、锚杆的工作特点 锚杆是一种杆体，其中置入岩体部分与岩体牢固锚结，部分长度裸露在岩体外面，挤压住围岩或使锚杆从里面拉住围岩。锚杆突出特点是通过置入岩体内部的锚杆，提高围岩的稳定能力，完成支护作用。,高强度螺纹钢锚杆,双钢铰线锚索,81,八、锚喷支护,82,八、锚喷支护,（二）、锚杆的结构类型 国内外锚杆的构造类型数十种，分类的方法也很多。 早期主要采用机械式金属或木锚杆(倒楔式、

27、涨壳式等) ；后来较多采用粘结式钢筋或钢丝绳锚杆、木锚杆、竹锚杆 (水泥砂浆、树脂等粘结剂) ，管缝式锚杆(管径略大于孔径的开缝钢管、打入岩孔)；,83,八、锚喷支护,近期发展了快硬或膨胀水泥砂浆、水泥药卷、树脂药卷等性能良好的粘结材料。 根据杆体锚固的长度，可以分为端头锚固或全长锚固。 各类水泥砂浆锚杆和树脂锚杆，均可实现全长锚固；管缝式锚杆也属于全长锚固。,84,八、锚喷支护,（三）、锚杆作用机理 锚杆对围岩的作用，本质上属于三维应力问题，作用机理比较复杂，可以说至今还不能很好解释锚杆这种良好的效果。 一般认为锚杆支护的作用机理主要有悬吊作用、减跨作用、组合梁作用、组合拱作用和加固作用等；

28、研究还表明，锚杆对抑制节理面间的剪切变形和提高岩体的整体强度方面起有重要的作用，特别是对于全长锚固的锚杆。,85,八、锚喷支护,（四）、喷砼支护的特点 1、在施工中岩面一经暴露就可以用混凝土喷射覆盖。 2、除起一定支护作用外，还及时封闭岩面，隔绝水、湿气和风化对岩体的不利作用，防止岩体强度降低。这一点对于易风化遇水会膨胀崩解的软岩十分重要。,86,八、锚喷支护,单独的素喷混凝土使用在围岩变形小于25cm的地方，而变形更大时，要采用喷射纤维混凝土的方法，或者采用锚喷联合支护。 单独采用喷混凝土支护时，一般喷层厚可为50150mm；采用锚杆支护为主、喷混凝土为辅时，喷层厚度为2050mm。,87,

29、八、锚喷支护,（五）、锚索 锚索和锚杆的区别除其规格尺寸和荷载能力外，主要在于锚索一般需要施加预应力，常应用在工程规模大、比较重要、地质条件复杂、支护困难的地方。 锚索体材料采用高强的钢绞线束、高强钢丝束或钢筋束，锚固力可以达到兆牛的量级。 锚索长度一般大于5m，长的可达数十米，根据锚索预应力的传递方式，一般将锚索分为拉力式锚索和压力式锚索。,88,九、注浆加固支护,岩土注浆主要有抗渗和加固两个功能。围岩注浆加固的特点是依靠注浆液粘结裂隙岩体，改善围岩的物理力学性质及其力学状态，加强围岩的自身承载能力，并使围岩产生成拱作用。,89,九、注浆加固支护,注浆加固方法适合于裂隙岩体或被破碎的岩体。

30、影响注浆加固效果的因素很多，包括岩体的裂隙发育和分布情况，注浆孔的布置及浆液的渗透范围，浆液配比及其流动、固结性能，注浆压力等一系列因素。 目前的注浆加固设计仍具有比较大的经验性。,90,第6.2节结束，谢谢！,91,6.3 岩石地下工程的监测,92,著名的隧道新奥法施工技术就是把施工过程中的监测作为一条重要原则，通过监测分析对原设计参数进行优化，并指导下一步的施工。,一、地压监测概述,监测 预报,设计优化 施工合理 生产安全 竣工后安全运营 分析总结,93,(1)、时效性：岩石工程的服务年限一般都较长，岩石具有流变特性，因此，测试设备应保持长期稳定； (2)、环境复杂：地下工程环境恶劣，要求

31、设备具有防潮、防爆、防电磁干扰等性能；,一、地压监测概述,岩石地下工程监测特点,94,(3)、监测信息的时空要求：现代大型岩石工程监测的网络化已日益显示其必要性与可能性，在监测的信息量和反馈速度上的要求日渐提高； (4)、空间的制约：地下空间有限，要求监测设备微型化并尽可能地隐蔽，减少对施工的干扰，并避免施工对监测设备的损坏。,一、地压监测概述,岩石地下工程监测特点,95,凡能表征地压活动的物理量与自然现象均可作为监测的对象。 国际和我国有关部门的试验标准与规程均有监测的规定。 岩石力学是一门新兴的科学，试验方法并不完全统一，方法也在不断改进和发展。因此，一般对于大型工程，均是根据具体情况专门

32、制定监测方案和测量方法。,一、地压监测概述,96,（一）、围岩表面位移的测量 1、裂隙位移的人工观测 岩体的破坏过程中，必然出现有裂隙的扩展或有新裂隙的生成，或是沿原结构面张开滑动，观察这些缝隙的发展过程，可圈定地压活动的范围，判断其发展趋势。,二、岩体变形与位移监测,97,观测点可选择在地压活动地段易于发生移动的岩体结构面处，或是在其影响范围内的其他构筑物处。 简易观测可选择黄泥、铅油等涂抹在裂缝上，或用木楔插入缝中楔紧，或把玻璃条用水泥固定在裂缝两端，就可观测裂缝的变化。,二、岩体变形与位移监测,98,2、围岩表面位移的仪表观测 围岩表面位移可用收敛计、测杆、测枪、滑尺等进行测量，收敛计的

33、测量精度相对较高，使用比较方便，应用较为广泛。,二、岩体变形与位移监测,99,地下工程周边各点趋向中心的变形称为收敛。用收敛计测量可以确定地下工程相对两个壁面上两点间的相对位移。,二、岩体变形与位移监测,100,二、岩体变形与位移监测,（二）、围岩内部位移的测量,钻孔多点位移计,了解岩体内部位移与破裂等。 分析预报围岩稳定性。,101,1、孔中固定测点的锚固器(压缩木锚固器、弹簧锚固器、卡环弹簧锚固器、水泥砂浆锚固器等)； 2、传递位移量的连接件(由钢丝、圆钢或钢管制成)； 3、孔口测量头与量测仪器。,二、岩体变形与位移监测,多点位移计结构,102,测量连接件位移量：直读式和电传感式。,二、岩

34、体变形与位移监测,直读式,百分表 深度游标卡尺,电传感测量计,电感式位移计 振弦式位移计 电阻应变式位移计,103,二、岩体变形与位移监测,松动圈范围内岩体破碎，裂隙发育，波速较低；应力升高区内裂隙被压缩，波速较高；再往里是比较稳定的原岩区声速。,（三）、围岩松动圈的弹性波测量,104,二、岩体变形与位移监测,（四）、围岩破坏的声发射监测 岩体开挖引起应力重新分布，将导致岩体内部出现破裂或是原有裂隙的进一步扩展。当岩体内积累的变形能释放时，应力被同时向外传播，形成一系列声发射信号，声发射信号的强弱多寡与岩体特性和受力状况有关，并且在岩体破坏前有一个急剧增加的过程。声发射的监测可以预测围岩的稳定

35、性，并常用来预报岩爆。,105,二、岩体变形与位移监测,初始期()，声发射信号稀少；随后进入活动期()，声发射频度逐渐达到峰值，渐次下降后形成次峰值；以后进入频度呈单调下降的下降期()，同时岩体的宏 观破坏裂纹在本期出 现；最后进入沉寂期 ()，可见到岩体的 破坏裂纹贯通。,106,二、岩体变形与位移监测,研究表明，围岩破裂过程中，声发射高潮比宏观位移早出现，预示了围岩失稳即将来临，为预报岩体失稳留出了时间。 研究表明，初始阶段低频信号占主导地位，高频多在1kHz左右，之后主频基本呈离散状态分布，且高频成分在传播过程中衰减迅速。,107,二、岩体变形与位移监测,声波信号衰减特征为：能率衰减最快

36、，大事件次之，总事件衰减较慢，以总事件为主要指标，结合大事件及能率综合分析，即可监测预报围岩的稳定性。,能率单位时间内声发射活动释放能量的累计值。 大事件单位时间内振幅较大的声发射事件次数。 总事件单位时间内振幅达到一定量级的声发射事件总数。,108,三、围岩应力与支架压力监测,（一）、锚杆测力计 应用锚杆或锚索进行围岩支护的地下工程，可用锚杆测力计了解锚杆受力情况，测力计实际就是在锚杆(索)上焊接或粘结上某种应力计，把这种锚杆(索)送入钻孔内，锚固后，即可通过引出线测读锚杆的受力。,109,三、围岩应力与支架压力监测,（二）、矿柱与支架压力监测 钢弦压力盒和油压枕广泛用于测定作用在支架上的压

37、力、上覆岩层对支承矿柱的作用力以及充填体所承受的荷载。,110,第6.3节结束，谢谢！,111,6.4 软岩工程,112,1、地质软岩的定义 地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。 该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质岩石等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度在0.525MPa之间的一类岩石，分类基本上是依强度指标。,一、软岩的定义,113,2、工程软岩的概念 工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。工程力一定时，强度高于

38、工程力水平的不同岩体大多表现为硬岩的力学特性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性；对同种岩石，在较低工程力作用下，则表现为硬岩的变形特性；在较高工程力作用下，则可能表现为软岩的变形特性。,一、软岩的定义,114,1、 软岩工程特性： 软岩具有可塑作、膨胀性、崩解性、流变性及扰动性。 2、两个基本力学指标：软化临界荷载和软化临界深度。,二、软岩的工程特性和力学属性,115,2、软化临界荷载：当所加荷载大于某一水平时，岩石出现明显的塑性变形加速现象，产生不稳定变形，这一荷载称为软岩的软化临界荷载，即能使岩石产生明显变形的最小荷载。,二、软岩的工程特性和力学属性,116,3、软化临界深度

39、：对特定矿区，软化临界深度也是一个客观量，当巷道的位置大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护现象，但当巷道位置较浅，小于某一深度时，大变形、大地压现象明显消失，这一深度称为岩石软化临界深度。软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载,二、软岩的工程特性和力学属性,117,按照工程软岩的定义，根据产生塑性变形的机理不同，将软岩分为四类： 、膨胀性软岩； 、高应力软岩； 、节理化软岩； 、复合型软岩。,三、软岩的工程分类,118,1、 膨胀性软岩(简称S型)：S型软岩指含有粘土高膨胀性矿物在较低应力水平(25MPa)条件下即发生显著变形的低强度工程岩体。例如泥岩、页岩等抗

40、压强度小于25MPa的岩体，均属膨胀性低应力软岩的范畴。,三、软岩的工程分类,119,2、高应力软岩（简称H型)：高应力软岩则是指在较高应力水平(25MPa)条件下才发生显著变形的中高强度的工程岩体，这种软岩的强度一般高于25MPa，其地质特征是泥质成分较少，但有一定含量，砂质成分较多，如泥质粉砂岩、泥质砂岩等。,三、软岩的工程分类,120,3、节理化软岩(简称J型)：指含泥质成分很少或几乎不含的岩体，发育了多组节理，其中岩块的强度较高，呈硬岩力学特性，但整个工程岩体在工程力的作用下则发生显著的变形，呈现出软岩的特性，其塑性变形机理是在工程力作用下，结构面发生滑移和扩容变形，此类软岩可根据节理

41、化程度不同，细分为镶嵌节理化软岩、碎裂节理化软岩和散体节理化软岩。,三、软岩的工程分类,121,4、复合型软岩：复合型软岩是指上述三种软岩类型的组合。 高应力强膨胀复合型软岩，简称HS型软岩；高应力节理化复合型软岩，简称HJ型软岩；高应力节理化强膨胀复合型软岩，简称HJS型软岩。,三、软岩的工程分类,122,三、软岩的工程分类,123,第6.4节结束，谢谢！,124,6.5 采场地压及其控制,125,一、概 述,围岩之间的相互作用力；,围岩对支架的作用力。,原岩对围岩的作用力；,采场地压指在开采过程中，原岩对采场或采空区围岩及矿柱所施加的荷载。 地压现象井巷开挖，应力重新分配使围岩和支架产生变

42、形、移动、破坏等现象，如冒顶、片帮、底鼓、顶板下沉等。 地压泛指岩体中存在的力，包括：,地压现象与地压,126,松动地压（散体压力）,膨胀地压,变形地压（弹塑性变形地压、流变地压）,地压分类：,冲击地压,一、概 述,127,采场地压的特点：,1、暴露空间大 2、复杂性 3、多变性 4、采场地压显现形式的多样性 5、控制采场地压的难度大,一、概 述,128,影响采场地压的因素可概括为自然因素和开采技术因素两个方面。 1、自然因素方面的主要有： （1）围岩的物理力学性质 （2）开采深度 （3）矿体的倾角与厚度： （4）构造 （5）地下水,一、概 述,129,2、采矿生产技术方面的因素 （1）开采顺

43、序： （2）开采方法及控顶方法 （3）回采速度 （4）空区形态及空区形成时间,一、概 述,130,采场地压的研究的主要内容是采场(包括采空区)围岩的应力状态、变形、移动和破坏的规律。在此基础上，找到维护采场稳定的措施。 采场地压的研究范围可归结为两个方面的问题，一方面是回采期间采场的稳定问题，另一方面是回采完毕采空区的处理问题。,一、概 述,131,1、回采期间采场的稳定是指采场(包括采准巷道、硐室)的围岩在回采期间不发生危险变形，以保障回采的安全，维护回采作业的正常进行。其研究的范围包括下述一些问题： （1）采场围岩应力分布的规律； （2）岩体失稳的原因、条件和机理； （3）确定采场中各种结

44、构物(矿柱、支架)上地压的大小；研究矿柱的支护原理和设计方法； （4）确定合理的采准布置方案； （5）研究采场地压的控制措施，等等。,一、概 述,132,空区处理的目的：控制由于空区引起的地压显现的强度。 空区处理的主要方法：目前处理空区的方法可归纳为“崩”“充”“撑”“封”四种。 崩落：就是用爆破(或其他手段)的方法把空区上方的岩体崩落下来充塞空区。 充填：用充填物(如碎石、尾砂、水砂、混凝土等)，将空区充满。,一、概 述,133,支撑：利用矿柱或支架将空区撑起来，防止其发生危险变形。实践表明，此种方法的效果是很差的。 封闭：对于单独的孤立的小空区可采用封闭的方法，将它与其它采场的通道隔绝，

45、防止该空区冒落时对其它采场发生气浪冲击。 其中充填和崩落是两种主要的方法。,一、概 述,134,二、采场地压及围岩活动的一般规律,采场顶板的暴露面一般都较巷道顶板大得多，且随着采面位置的不断向前推进，空区尺寸也会不断发生变化，故采场应力分布也具有自身的特性，变化大，且属空间问题。,135,在原岩中形成采场后，上覆岩层的重力即转嫁于采场四壁的岩体中，使采场四壁特别是两侧岩体中的竖向应力升高，形成所谓支承压力。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,（一）、支 承 压 力,136,二、采场地压及围岩活动的一般规律,采场周围应力分布,137,1、支承带应力集中系数 KC,式中：kL开采空间形状影响系数，

46、长/宽1， kL 0.7； 长/宽3， kL 1； b支承带宽度； L采场跨度。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,138,2、支承压力带宽度b,式中： kl跨度影响系数，L3m，kl=1；L=3040m，kl=0.5； kr岩石性质影响系数，硬岩kr=0.8；中硬岩 kr=1.5。,支承压力带宽度b，视岩层性质及采空区跨度而异，大致有以下关系：,二、采场地压及围岩活动的一般规律,139,3、支承压力带随工作面的推进而不断向前移动,采空区四周都存在支承压力区； 前方岩体有较大的应力集中； 刚充填的充填体中应力很小，远离开采的充填体被压实，其承受的压力逐渐增高，直至等于原岩应力。,二、采场地压及

47、围岩活动的一般规律,140,4、相邻采场对支承压力的影响,(a) bb1+b2，无影响 (b) bb1+b2 (c) bb1+b2，且一侧开采空间位于另一侧的支承压力带内，则开采空间2的两侧都会受到开采空间1的影响，其两侧的支承压力都有不同程度的增大。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,141,（1）、拉应力区； （2）、压应集中区； （3）、卸压区：该区水平应力x和垂直应力y均较开采前低，处于卸压状态（免压拱或称卸压拱）。卸压区的岩体由于自重作用及弹性恢复，将向空区移动，使顶板岩层下沉，岩体冒落或产生沉间离层现象。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,（二）、顶板岩层中的应力分布,142,（4

48、）、压缩区：垂直应力y比开采前降低，水平应力x比开采前升高，是拱形承压带的拱桥，起着引导原岩垂直应力向空区两壁传递的作用。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,143,二、采场地压及围岩活动的一般规律,水平矿体开采,144,二、采场地压及围岩活动的一般规律,倾斜矿体开采,145,1、按孔的应力集中理论分析采场地压,埋深大，岩层均匀连续并可视为弹性体时，采场应力分布可按弹性力学中，圆孔应力集中解分析。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,146,2、应用梁理论分析上覆岩层的应力及其稳定性,当埋深浅，开采空间跨度较大（L2H），上覆岩层整体性好，可当作弹性梁看待时，可采用材料力学中的梁理论进行分析。

49、（1）D.F.科次用下式验算顶板中 最大拉应力,式中：上覆岩层重度；原岩应力场侧压力系数；H上覆岩层厚度；L开采空间跨度。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,147,(2)层状岩体顶板应力分析,近水平岩层中开采矩形洞室后，随着顶板向空区下沉，岩层间将会产生离层现象。各层次生应力分布可近似采用梁理论。计算时，分别取各层的厚度hi作为梁的高度，ihi为梁的自重荷载。,分析可知：只要层厚小于该层悬露跨度的一半，就可能产生离层现象。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,148,(3)矩形开采空间长宽比对顶板应力影响,式中：L 矩形板的宽度（采场跨度）； h板的厚度； p单位面积上施加的荷载。 K应力计算

50、系数，随l/L 变化； l/L= 1, 1.5, 2, 3, K=0.280,0.487,0.610,0.713,0.750,对l/L23的开采空间，可近似采用矩形简支板分析，顶板最大拉应力可按下式估算：,二、采场地压及围岩活动的一般规律,149,（三）、覆盖岩层的变形和破坏,1、空区覆盖岩层的变形和破坏规律,由于空区岩体变形破坏的结构，在覆盖岩层中将形成三个不同的地带： （1）冒落带 （2）裂隙带 （3）弯曲带,二、采场地压及围岩活动的一般规律,150,紧靠矿体上方的覆盖岩层由于破碎而呈拱形冒落向上发展。 冒落高度与矿体开采厚度、岩石碎胀性及可压实性、采动范围、岩体强度、空区有无充填等有关，

51、一般为矿体厚度（W）的26倍。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,冒落带,151,该带岩体变形较大，岩层沿层理开裂形成离层，在拉应力作用下产生垂直岩层的裂隙。若有水，则可从裂隙渗入，威胁空区。 水体下开采必须使采动形成的裂隙带位于不透水层之下，即不破坏水系与矿体之间的不透水层方可进行回采。 裂隙带的高度约为矿体厚度的928倍。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,裂隙带,152,整体移动带，仅出现下沉弯曲，不出现裂隙，保持了岩体原有的整体性。 如果该带内有构造断裂存在，岩层可能沿构造断裂出现较大的移动，使井巷或建筑物受到破坏。 弯曲带高度随岩性而异，一般当岩层脆而硬时，弯曲带高度约为裂隙带高度的

52、35倍；岩体软而具有塑性时，约为裂隙带高度的数十倍。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,弯曲带,153,2、地表下沉盆地与下沉值,随着弯曲带的缓慢下沉，地表也逐渐下沉，位于空区中央上方的地表下沉值最大，空区周围上方地表下沉值渐次减小，从而形成一个下沉盆地。 下沉盆地的形态，视开采面积与开采深度的相对大小不同而异。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,154,（1）、未充分采动时：当开采面积相对较小，采空区的宽度（走向或倾向）：L (0.92.2)H (H为开采深度），盆地呈碗状。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,155,（2）、充分采动时： 当开采面积相对较大，采空区宽度 （走向或倾向）： L2.2 H，盆地呈平底状。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,156,二、采场地压及围岩活动的一般规律,注：下沉系数为最大下沉值wmax与对应的矿体厚度 M 之比。,157,3、地表塌陷及崩落角和移动角,矿体埋深较大，冒落带、裂隙带一般不会到地表，只在地表形成一个下沉盆地。若矿体埋藏浅，开采深度浅时，则会冒落到地表，形成塌陷坑。,二、采场地压及围岩活动的一般规律,158,（1）地表塌陷盆地,二、采场地压及围岩活动的一般