礦山巖體的原巖應(yīng)力及其重新分布課件

1、01 八月 20221第2章礦山巖體的原巖應(yīng)力及其重新分布第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié) 主要研究?jī)?nèi)容： 本章介紹開采后回采工作空間的應(yīng)力再分布，支承壓力概念及圍巖分區(qū)。2本章的重點(diǎn):1、原巖應(yīng)力的概念2、巖體中彈性能的作用3、回采空間周圍支承壓力分布難點(diǎn)：圓孔周圍應(yīng)力分布規(guī)律 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)3第一節(jié) 巖體中的原巖應(yīng)力 第二節(jié) 巖體中的彈性變形能第三節(jié) 孔周圍的應(yīng)力分布 第四節(jié) 圍巖極限平衡與支承壓力分布 本章內(nèi)容 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)4第一節(jié) 巖體中的原巖應(yīng)力第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)5 礦山開采前,首先要研究巷道所在巖體區(qū)域的原巖應(yīng)力場(chǎng) 自重應(yīng)力: 巖體自重引起 構(gòu)造應(yīng)力: 地質(zhì)構(gòu)造

2、運(yùn)動(dòng).(地震,火山,海嘯) 膨脹（收縮）應(yīng)力: 礦物質(zhì)遇水膨脹 原巖應(yīng)力場(chǎng): 天然存在于原巖內(nèi)而與任何人為因素?zé)o關(guān)的應(yīng)力場(chǎng). 原巖: 地殼中沒(méi)有受到人類工程活動(dòng)影響的巖體. 地溫應(yīng)力第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力6 在距地表深度為 H處,任意取一單元立方體,這個(gè)單元體上所受的垂直應(yīng)力1（z），側(cè)向應(yīng)力為2 （x ），3 (y)，形成巖體單元上的自重應(yīng)力。 一 自重應(yīng)力 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)垂直應(yīng)力側(cè)向應(yīng)力7自重應(yīng)力第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)8 金尼克認(rèn)為，仍處于彈性狀態(tài)，符合虎克定律， 一般，=0.20.3，最大=0.5，=0.250.43，最大為0.5 。 關(guān)于側(cè)壓系數(shù)： （靜水

3、壓力理論）（ 彈性側(cè)壓理論）海姆認(rèn)為，因長(zhǎng)時(shí)蠕變及應(yīng)力均化作用,實(shí)際應(yīng)用中：淺部堅(jiān)硬巖體用金尼克公式，深部塑性大巖體用海姆公式。第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)9 理論上自重原巖應(yīng)立場(chǎng)的水平應(yīng)力是被動(dòng)的，水平應(yīng)力垂直應(yīng)力。 原因: 1)地殼中的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使局部巖層處于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中,如地震 ,為現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力 2)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后,遺留下一部分應(yīng)力，為地質(zhì)殘余構(gòu)造應(yīng)力 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)+殘余應(yīng)力 二 構(gòu)造應(yīng)力第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)10地震區(qū)帶劃分圖第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)11 唐山大地震使工礦企業(yè)遭受嚴(yán)重毀壞，開灤煤礦因斷電癱瘓，井下積水1.5億噸，38萬(wàn)米巷道被淹機(jī)電設(shè)備三萬(wàn)多臺(tái)，350萬(wàn)平方米的建筑幾乎全部

4、倒塌。北方瓷都唐山，2千臺(tái)設(shè)備只剩下300余臺(tái)，40多萬(wàn)平方米的建筑只有1萬(wàn)平方米沒(méi)倒。唐山鋼廠工業(yè)建筑遭到嚴(yán)重破壞，民用建筑幾乎全部震毀。1萬(wàn)多噸機(jī)電設(shè)備受到不同程度的損壞唐山市的直接經(jīng)濟(jì)損失約30億元，唐山地區(qū)的損失達(dá)54億元。 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)12 構(gòu)造應(yīng)力目前無(wú)法用數(shù)學(xué)力學(xué)方法計(jì)算,但它有以下特點(diǎn): (1) 主要是水平應(yīng)力，以壓應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。(地殼運(yùn)動(dòng)是水平,擠壓運(yùn)動(dòng)) (2) 構(gòu)造應(yīng)力分布不均勻，主應(yīng)力的大小與方向往往變化很大 (3) 2 、3，構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的方向性 (4) 根據(jù)測(cè)定，淺部開采時(shí),構(gòu)造應(yīng)力比自重應(yīng)力影響更大 (5)構(gòu)造應(yīng)力在堅(jiān)硬巖石層中出現(xiàn)比較普遍 第一

5、節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)水平方向?yàn)橹鳒\部堅(jiān)硬巖層13 原始應(yīng)力分布特點(diǎn)： 通過(guò)理論研究、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，受構(gòu)造應(yīng)力影響，原始應(yīng)力分布具有明顯的特點(diǎn)： 1）測(cè)鉛直應(yīng)力基本等于上覆巖層重量； 2）水平應(yīng)力普遍大于鉛直應(yīng)力； 3）平均水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力比值隨深度增加而減小； 4）最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力一般相差較大。鉛直應(yīng)力/水平應(yīng)力14第二節(jié) 巖體中的彈性變形能第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)15 由材料力學(xué)知識(shí)，物體受外力作用而產(chǎn)生彈性變形，在物體內(nèi)部將積蓄有應(yīng)變能 。 地下巖體處在復(fù)雜的和強(qiáng)大的自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，會(huì)發(fā)生體積改變與形狀改變，儲(chǔ)存大量的彈性能U ，彈性能包括兩個(gè)部分： 體積改變能Uv 體積畸變能

6、Ud 地下巖體中，集聚的彈性能與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，隨開采深度的增加，與深度平方成正比增大，這對(duì)深部開采有重要作用。第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)16 采礦工程中，開挖可使巖體中大量能量釋放，帶來(lái)的影響: 有利的方面： 工作面落煤時(shí)可節(jié)省動(dòng)力 不利的方面： 形成有害的沖擊礦壓 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)17第三節(jié) 孔周圍的應(yīng)力分布 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)18第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)原因： (1)巖體及巖石的力學(xué)性質(zhì)及原巖應(yīng)力場(chǎng)的特征未完全掌握 (2)幾何形狀復(fù)雜 (3)巷道和回采空間周圍巖體是非均質(zhì)，各向異性的復(fù)雜介質(zhì) 目前尚無(wú)法用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法精確地求解出巷道周圍巖體內(nèi)各處的應(yīng)力分布狀態(tài)。19第一節(jié)第二

7、節(jié)第三節(jié)第四節(jié) 目前，研究巷道周圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)，是對(duì)復(fù)雜條件簡(jiǎn)化，粗略地求解巷道變形的機(jī)理，還是十分有益的。 簡(jiǎn)化： (1)回采空間視為各種理想的單一形狀的孔(圓形，矩形) 。 (2)巖體視為完全均質(zhì)的連續(xù)彈性體。 (3)巖體是無(wú)限或半無(wú)限體，可為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析 。平面應(yīng)力問(wèn)題: 設(shè)很薄的等厚薄板，外力平行于面板 （墻壁、薄板糧、砂輪） 平面應(yīng)變問(wèn)題: 設(shè)柱形體，橫截面不沿長(zhǎng)度變化，外力與約束平行于橫截面(不沿長(zhǎng)度變) （擋土墻、水壩、巷道圍巖） 20巷道空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題示意第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)21巷道垂直應(yīng)力1水平應(yīng)力22= 1 根據(jù)側(cè)壓力系數(shù),巷道所處的應(yīng)力場(chǎng)分為兩類:1

8、、雙向等壓應(yīng)力場(chǎng)=12、雙向不等壓應(yīng)力場(chǎng)01巷道圍巖應(yīng)力的計(jì)算圖第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)22 （極坐標(biāo)系） 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)確定徑向應(yīng)力r與切向應(yīng)力(t)23 1、雙向等壓圓形巷道徑向應(yīng)力r與切向應(yīng)力(t) 求解三個(gè)基本方程：3、物理方程應(yīng)力與應(yīng)變滿足虎克定律。1、平衡微分方程應(yīng)力與體力滿足靜力平衡關(guān)系；2、 幾何方程應(yīng)變與位移滿足幾何尺寸關(guān)系；一、圓孔圍巖應(yīng)力的計(jì)算第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)=124計(jì)算得出應(yīng)力分布規(guī)律： 1、r與分布與方向角 無(wú)關(guān)，圓孔任一方向應(yīng)力分布相同 。拉梅解答 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)切向應(yīng)力徑向應(yīng)力應(yīng)力特點(diǎn)：2、切向應(yīng)力在圓孔周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中252、雙向不等

9、壓圓形巷道徑向應(yīng)力r與切向應(yīng)力(t)吉爾西解答 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)1898年 0126圓形巷道圍巖應(yīng)力的軸對(duì)稱分布二、對(duì)于圓孔、橢圓孔、矩形孔周圍處于彈性狀態(tài),應(yīng)力重新分布的特點(diǎn)：切向應(yīng)力 徑向應(yīng)力 切向應(yīng)力集中系數(shù)k=t/1第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)27 (1) 孔周圍形成切向應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大切向應(yīng)力值在孔的周邊 。 圓形、橢圓孔巷道: 應(yīng)力分布:峰值在兩幫中點(diǎn)和頂、底的中部 矩形巷道: 峰值發(fā)生在四角處 (2)應(yīng)力集中系數(shù)k 圓孔：k=2-3 僅與側(cè)壓系數(shù)有關(guān) 橢圓孔：k=4-5 與側(cè)壓系數(shù),孔的軸長(zhǎng)比 矩形孔：與長(zhǎng)寬比有關(guān) (3)孔的影響范圍與孔的斷面有關(guān) 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)

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、回采空間周圍應(yīng)力的重新分布：?jiǎn)蝹€(gè)工作面第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)29雙工作面第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)30第四節(jié) 圍巖極限平衡與支承壓力分布 第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)31回采空間回采工作面巷道32 本節(jié)進(jìn)一步研究巖體承受集中應(yīng)力作用破壞時(shí)，應(yīng)力的實(shí)際分布狀況及破壞區(qū)的確定。 一、回采空間(簡(jiǎn)化為圓形)圍巖內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)及分區(qū)：1、圍巖穩(wěn)定性情況：周邊最大應(yīng)力彈性極限自穩(wěn)周邊最大應(yīng)力彈性

11、極限進(jìn)入塑性階段，產(chǎn)生塑性區(qū) 周邊最大應(yīng)力強(qiáng)度極限進(jìn)入破壞階段，產(chǎn)生松散破碎區(qū)第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)332、圍巖力學(xué)狀態(tài) 切向應(yīng)力： （大小） 受力狀態(tài)： （單軸三軸）抗壓強(qiáng)度： （低高） 破壞順序： （外里）第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)343、圍巖“三區(qū)”的形成：當(dāng)周邊最大應(yīng)力彈性極限自穩(wěn)原始應(yīng)力區(qū)彈性區(qū)巷道彈性狀態(tài)下圍巖分區(qū)第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)35一般圍巖由里向外分為三個(gè)區(qū)：1）極限平衡區(qū) = 破裂區(qū) + 塑性區(qū) 形成：周邊切向應(yīng)力高，承載能力低，極易破壞，破壞后應(yīng)力向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，直至等于強(qiáng)度極限，形成破碎區(qū)邊界。破碎區(qū)外，圍巖處于塑性狀態(tài)，彈性極限圈定了塑性區(qū)邊界。 特點(diǎn)：處處滿足屈服條

12、件或強(qiáng)度條件2）彈性區(qū) 外部以彈性極限為界，內(nèi)部以集中應(yīng)力增量不超過(guò)5%為界集中應(yīng)力低于圍巖彈性極限，處于彈性變形階段。 特點(diǎn)：處處滿足虎克定律3）原始應(yīng)力區(qū) 內(nèi)部以5%應(yīng)力增量為界，外部為無(wú)限遠(yuǎn)。 特點(diǎn)：幾乎不受開采影響，滿足虎克定律第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)36原始應(yīng)力區(qū)彈性區(qū)極限平衡區(qū)5%1塑性區(qū)半徑（卡斯特納方程）巷道第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)37二、巷道兩側(cè)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)： 理想狀態(tài)巷道兩側(cè)切向應(yīng)力的分布 實(shí)際巖體巷道兩側(cè)的支承壓力分布塑性區(qū) 原因：巷道兩側(cè)是松軟巖層(煤，巖)巖石的抗壓能力向巖體內(nèi)部發(fā)展而增加 極限平衡區(qū)第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)38 三、回采工作面煤壁前方應(yīng)力分布：空間問(wèn)題平面問(wèn)題簡(jiǎn)化39第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)40 (1)概念: 巖體內(nèi)開掘巷道后，巷道周圍必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，一般巷道兩側(cè)改變后的