巖石力學(xué)第六章 巖石地下工程

巖石力學(xué)

遼寧科技大學(xué)RockMechanics1第六章巖石地下工程26.1地下工程圍巖應(yīng)力解析分析3

巖石地下工程是指在地下巖石中開挖并臨時(shí)或永久修建的各種工程。

地下礦山的主副井、通風(fēng)井、運(yùn)輸巷道、采場(chǎng)等。公路、鐵路、水電工程和國防工程的隧道、硐室、地下倉庫、廠房等。采礦所涉及的地下工程為規(guī)模最大，條件最復(fù)雜。一、基本概念4

圍巖是指在巖石地下工程中，由于受開挖影響而發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)改變的周圍巖體。

巖石開挖→周圍巖石失去平衡狀態(tài)→原有應(yīng)力場(chǎng)改變→自行平衡、或破壞、或過大變形→支護(hù)（支架、襯砌、錨噴）→人工穩(wěn)定。一、基本概念5

應(yīng)力重分布：從原始地下應(yīng)力場(chǎng)變化到新的平衡應(yīng)力場(chǎng)的過程。

次生應(yīng)力或誘發(fā)應(yīng)力：經(jīng)應(yīng)力重分布形成的新的平衡應(yīng)力。一、基本概念6地下巖石工程穩(wěn)定的條件：一、基本概念式中，S和U為圍巖或支護(hù)體所允許的最大應(yīng)力(極限強(qiáng)度)和最大位移(極限位移)。7巖石地下工程根據(jù)埋入的深淺：

淺埋地下工程的工程影響范圍可達(dá)到地表，因而在力學(xué)處理上要考慮地表界面的影響。

深埋地下工程可處理為無限體問題，即在遠(yuǎn)離巖石地下工程的無窮遠(yuǎn)處，仍為原巖體。一、基本概念81、基本假設(shè)（1）圍巖為均質(zhì)，各向同性，線彈性，無蠕變性或粘性行為；（2）原巖應(yīng)力為各向等壓(靜水壓力)狀態(tài)；（3）巷道斷面為圓形，在無限長(zhǎng)的巷道長(zhǎng)度里，圍巖的性質(zhì)一致，可按平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析，取巷道的任一截面作為其代表研究；（4）符合深埋條件，并且埋深大于或等于20倍的巷道半徑。二、深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析9巷道埋深大于或等于20倍的巷道半徑時(shí)，忽略巷道影響范圍內(nèi)巖石自重，誤差＜10%。二、深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析10二、深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析112、基本方程平衡方程：幾何方程：本構(gòu)方程：二、深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析123、邊界條件：4、求解方程：二、深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析135、討論：（1）應(yīng)力分布計(jì)算公式為開孔后的應(yīng)力重分布的結(jié)果，即次生應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力分布式；（2）徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σθ的分布和角度無關(guān)，皆為主應(yīng)力，即徑向和切向平面均為主平面。（3）應(yīng)力大小與彈性常數(shù)E、μ無關(guān)。二、深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析14（4）周邊r＝R0，σr＝0，σθ＝2p0；周邊切向應(yīng)力為最大應(yīng)力，且與巷道半徑無關(guān)。這樣，當(dāng)2p0超過圍巖的彈性限時(shí)，圍巖將進(jìn)入塑性，如把巖石看作是彈脆性體，則當(dāng)2p0超過圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，圍巖將發(fā)生破壞。二、深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析15（5）定義應(yīng)力集中系數(shù)：對(duì)于巷道周邊：為次生應(yīng)力場(chǎng)的最大應(yīng)力集中系數(shù)。二、深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析16（6）若定義以σθ高于1.05p0或σθ低于0.95p0作為巷道影響圈邊界，據(jù)此可得：工程上有時(shí)以10％作為影響邊界，則同理可得影響半徑r≈3R0應(yīng)力解除試驗(yàn)，以3R0作為影響圈邊界；有限元計(jì)算常取5R0的范圍作為計(jì)算域；上述情況就是其粗略的定量依據(jù)。二、深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析17假設(shè)深埋圓巷的水平荷載對(duì)稱于豎軸，豎向荷載對(duì)稱于橫軸；豎向?yàn)閜0，橫向?yàn)棣藀0，并設(shè)λ＜l。由于結(jié)構(gòu)本身對(duì)稱(荷載不對(duì)稱)，上述問題可應(yīng)用已有的結(jié)論通過疊加原理解決。三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析18將荷載分解，疊加求解：三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析19（1）情況Ⅰ的解：情況Ⅰ為深埋圓形巷道靜水壓力下彈性分析問題，其解為：三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析20（2）情況Ⅱ的解：邊界條件，對(duì)于內(nèi)邊界，r=R0，σr=τrθ=0對(duì)于外邊界，應(yīng)用莫爾圓應(yīng)力關(guān)系，有三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析外邊界條件21根據(jù)彈性力學(xué)理論可得：三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析22（3）情況Ⅰ和Ⅱ疊加可得總應(yīng)力解：三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析23（4）討論：①、λ＝l時(shí)三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析即與軸對(duì)稱情況相同，為本題的特例24

②、周邊應(yīng)力情況（r=R0)三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析顯然，在λ＜1的情況，巷道橫軸位置(θ＝0°)有最大壓應(yīng)力，而在豎軸位置(θ＝90°)有最小應(yīng)力。25使豎軸(θ＝90°)處恰好不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件為σθ＝0，即：三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析λ＝1/3時(shí)周邊恰好不出現(xiàn)拉應(yīng)力；λ＞1/3時(shí)周邊不出現(xiàn)拉應(yīng)力；λ＜1/3時(shí)周邊將出現(xiàn)拉應(yīng)力。λ＝0，θ＝90°處拉應(yīng)力最大，為最不利情況。λ＝1為均勻受壓的最有利于穩(wěn)定情況。26在一般原巖應(yīng)力狀態(tài)下，深埋橢圓巷道周邊切向應(yīng)力計(jì)算公式為：四、橢圓形巷道圍巖彈性應(yīng)力狀態(tài)27四、橢圓形巷道圍巖彈性應(yīng)力狀態(tài)1、等應(yīng)力軸比：就是使巷道周邊應(yīng)力均勻分布時(shí)的橢圓長(zhǎng)短軸之比。該軸比可通過求極值得到：等應(yīng)力軸比情況下，周邊切向應(yīng)力無極值，周邊應(yīng)力是均勻相等的。等應(yīng)力軸比對(duì)地下工程的穩(wěn)定是最有利的，又稱為最優(yōu)軸比。28四、橢圓形巷道圍巖彈性應(yīng)力狀態(tài)等應(yīng)力軸比與原巖應(yīng)力的絕對(duì)值無關(guān)，只和λ值有關(guān)，由λ值即可決定最佳軸比。λ＝1時(shí)，m＝1，a＝b，最佳斷面為圓形；λ＝1/2時(shí)，m=2，b=2a，最佳斷面為b＝2a的豎橢圓；λ＝2時(shí)，m=1/2，a=2b，最佳斷面為a＝2b的橫(臥)橢圓；總之，橢圓長(zhǎng)軸總是順著原巖應(yīng)力的最大主應(yīng)力方向，且m=1/λ為最佳。29四、橢圓形巷道圍巖彈性應(yīng)力狀態(tài)2、零應(yīng)力（無拉力）軸比當(dāng)不能滿足最佳軸比時(shí)，因巖體抗拉強(qiáng)度最弱，若能找出滿足不出現(xiàn)拉應(yīng)力的軸比，即零應(yīng)力(無拉力)軸比，也是很不錯(cuò)的。周邊各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的零應(yīng)力軸比各不相同，通常首先滿足頂點(diǎn)和兩幫中點(diǎn)這兩要害處，實(shí)現(xiàn)零應(yīng)力軸比。30四、橢圓形巷道圍巖彈性應(yīng)力狀態(tài)（1）、對(duì)于頂點(diǎn)：31四、橢圓形巷道圍巖彈性應(yīng)力狀態(tài)（2）、對(duì)于兩幫中點(diǎn)：32四、橢圓形巷道圍巖彈性應(yīng)力狀態(tài)零應(yīng)力軸比：應(yīng)照顧頂點(diǎn)應(yīng)照顧兩幫中點(diǎn)33五、非圓形巷道周邊彈性應(yīng)力狀態(tài)地下工程中的非圓形巷道主要有梯形、拱頂直墻、橢圓等。1、基本解題方法原則上，地下工程比較常用的單孔非圓巷道圍巖的平面問題彈性應(yīng)力分布，都可用彈性力學(xué)的復(fù)變函數(shù)方法解決。34五、非圓形巷道周邊彈性應(yīng)力狀態(tài)2、一般結(jié)論在彈性應(yīng)力條件下，巷道斷面圍巖中的最大的應(yīng)力是周邊的切向應(yīng)力，且周邊應(yīng)力大小和彈性參數(shù)無關(guān)，與斷面的絕對(duì)尺寸無關(guān)。

次生應(yīng)力場(chǎng)與原巖應(yīng)力場(chǎng)分布、巷道的形狀(豎向與橫向軸比)有關(guān)。斷面在有拐角的地方往往有較大的應(yīng)力集中；在直長(zhǎng)邊則容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。35五、非圓形巷道周邊彈性應(yīng)力狀態(tài)36六、井巷圍巖的彈性位移1、特點(diǎn)：周邊徑向位移最大，但量級(jí)小[以毫米計(jì))，完成速度快，一般不危及斷面使用與巷道穩(wěn)定。2、計(jì)算原則：按彈性力學(xué)由已知應(yīng)力求得。

對(duì)于深埋的井巷工程，應(yīng)考慮到開挖后的位移是由于開挖后的應(yīng)力增量所造成的，原巖應(yīng)力部分并不引起新的位移，原巖應(yīng)力所引起的位移已經(jīng)在過去的地質(zhì)年代中完成。所以，只能采用應(yīng)力增量來計(jì)算。37六、井巷圍巖的彈性位移3、徑向位移常用計(jì)算式（1）軸對(duì)稱圓巷：38六、井巷圍巖的彈性位移（2）一般圓巷圍巖的位移公式：（3）其他巷道無通式。39強(qiáng)度線塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力圓均與該線相切塑性區(qū)切向應(yīng)力分布曲線彈性區(qū)切向應(yīng)力分布曲線塑性區(qū)徑向應(yīng)力分布曲線彈性區(qū)徑向應(yīng)力分布曲線彈性狀態(tài)切向應(yīng)力分布曲線彈性狀態(tài)徑向應(yīng)力分布曲線塑性區(qū)彈性區(qū)應(yīng)力升高區(qū)原巖應(yīng)力區(qū)圍巖原巖應(yīng)力降區(qū)七、圓形巷道圍巖的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)40第6.1節(jié)結(jié)束，謝謝！416.2圍巖與壓力控制42巖石地下工程一般埋深較大，穿越地層復(fù)雜，地應(yīng)力相對(duì)地下結(jié)構(gòu)作用的傳遞情況也很復(fù)雜。

狹義地壓：指圍巖作用在支架上的壓力。43一、圍巖與支護(hù)的共同作用

圍巖與支護(hù)形成一種共同體，共同體兩方面的耦合作用和互為影響的情況稱為圍巖—支護(hù)共同作用。1、支護(hù)所受的壓力及其變形，來自于圍巖在自身平衡過程中的變形或破裂導(dǎo)致的對(duì)支護(hù)的作用，圍巖性態(tài)及其變化狀況對(duì)支護(hù)的作用有重要影響。2、支護(hù)以自己的剛度和強(qiáng)度抑制巖體變形和破裂的近一步發(fā)展，而這一過程同樣也影響支護(hù)自身的受力。44一、圍巖與支護(hù)的共同作用巖石地下工程支護(hù)可能有兩種極端情況：1、當(dāng)巖體內(nèi)應(yīng)力達(dá)到峰值前，支護(hù)已經(jīng)到位，巖體的進(jìn)一步變形破碎受支護(hù)阻擋，構(gòu)成圍巖與支護(hù)共同體，形成相互間的共同作用。如果支護(hù)有足夠的剛度和強(qiáng)度，則共同體是穩(wěn)定的，并且，圍巖和支護(hù)在雙方力學(xué)特性的共同作用下形成巖體和支護(hù)內(nèi)各自的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，否則共同體將失穩(wěn)。45一、圍巖與支護(hù)的共同作用2、當(dāng)巖體內(nèi)應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，支護(hù)未及時(shí)架設(shè)，甚至在巖體破裂充分發(fā)展時(shí)支護(hù)仍未起作用，從而導(dǎo)致在隧道頂板或兩幫形成冒落帶，并出現(xiàn)危險(xiǎn)部位的冒落或沿破裂面的滑落，巖石工程可能整體失穩(wěn)。如這時(shí)有架設(shè)好的支護(hù)，則它將承受冒落巖體傳遞來的壓力，而冒落的巖石還將承受其外部圍巖傳來的作用。46二、圍巖與支護(hù)的共同作用原理對(duì)于一種最簡(jiǎn)單情況，軸對(duì)稱圓巷周邊的彈塑性位移：上式表示，圓巷周邊位移和支護(hù)反力成反比關(guān)系，繪成P1－u0曲線，即為圍巖特性曲線。47二、圍巖與支護(hù)的共同作用原理一般的支護(hù)都可以根據(jù)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得它的作用與位移關(guān)系曲線。例如軸對(duì)稱圓形巷道內(nèi)修建圓形襯砌，則可將圓形襯砌視為受均勻外壓P的厚壁圓筒，如圓筒的內(nèi)、外徑和材料彈性常數(shù)分別用a、R、E1、μ1表示，則根據(jù)厚壁圓筒公式，可得到圓筒外緣的徑向位移：上式表示，圓巷周邊位移和支護(hù)作用成正比關(guān)系，P1－u0曲線即為支護(hù)特性曲線。48二、圍巖與支護(hù)的共同作用原理聯(lián)立可求得具體條件下的支護(hù)壓力和襯砌壁面位移的解。即圖上兩線的交點(diǎn)(工況點(diǎn))的坐標(biāo)。圍巖特性曲線和支護(hù)特性曲線構(gòu)成了它們的共同作用關(guān)系。49二、圍巖與支護(hù)的共同作用原理

如果改變支護(hù)的剛度，就可以改變支護(hù)的受力狀態(tài)。例如，支護(hù)剛度變小(直線的斜率變小)，支護(hù)受力也減小，巷道周邊徑向位移就增加。根據(jù)這一原理，在隧道施工中就有柔性支護(hù)與剛性支護(hù)的區(qū)別，以及支護(hù)“讓壓”的說法，就是允許巷道有一定的變形，從而減小支護(hù)的受力，保證支護(hù)安全和沒有過大的投入。50二、圍巖與支護(hù)的共同作用原理圍巖與支護(hù)共同作用曲線還反映巖體力學(xué)性質(zhì)和支護(hù)時(shí)間對(duì)共同作用的影響，巖體性質(zhì)越軟，圍巖特性曲線越向右移動(dòng)，變形也越大。51二、圍巖與支護(hù)的共同作用原理

支護(hù)時(shí)間越遲，支護(hù)曲線的起點(diǎn)離坐標(biāo)的原點(diǎn)也越遠(yuǎn)，支護(hù)工作壓力也越低。上述分析反映了圍巖穩(wěn)定與支護(hù)相互作用的基本原理，為確定支護(hù)的內(nèi)應(yīng)力、變形位移和選定支護(hù)結(jié)構(gòu)、尺寸提供了基本思路。52三、普氏地壓學(xué)說1907年著名俄國學(xué)者創(chuàng)立了松散體地壓學(xué)說(簡(jiǎn)稱普氏學(xué)說）。普氏通過盛滿干砂(C＝0)的箱底開孔試驗(yàn)，說明箱中之砂最后會(huì)形成穹隆形平衡，這種穹隆以上的砂不再掉落的現(xiàn)象，稱為拱效應(yīng)，普氏認(rèn)為巷道頂部的巖石也有拱效應(yīng)，支護(hù)的壓力就是拱內(nèi)的巖石重量。53三、普氏地壓學(xué)說為了分析拱效應(yīng)，普氏定義了一個(gè)巖石堅(jiān)固性系數(shù)f：為計(jì)算地壓方便，普氏把f系數(shù)表示成另一種形式（似內(nèi)摩擦系數(shù)，似內(nèi)摩擦角）：54三、普氏地壓學(xué)說1、兩幫穩(wěn)定時(shí)的頂壓計(jì)算公式：矩形巷道，寬2a，高為H，兩幫巖石穩(wěn)定，頂板不穩(wěn)定，由于拱效應(yīng)，頂部可能冒落的巖石拱高為b。55三、普氏地壓學(xué)說拱周邊巖石相互擠壓，拱線軸力N≠0，取半拱脫離體，對(duì)拱列出彎矩平衡式，可獲得處于安全平衡狀態(tài)時(shí)的拱高：56三、普氏地壓學(xué)說為便于支架構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算，常把拋物線型冒落拱頂壓，近似處理為拱高為b的矩形均布頂壓。頂壓集度和總頂壓為：57三、普氏地壓學(xué)說2、兩幫不穩(wěn)定時(shí)的頂壓兩幫不穩(wěn)定，滑動(dòng)體的上寬增加，這樣免壓拱高也隨之而增加。58三、普氏地壓學(xué)說拱高b1、頂壓集度qd和總頂壓Qd為：59四、太沙基地壓學(xué)說1942年，國際著名土力學(xué)專家太沙基，基于土力學(xué)提出松散體理論(太沙基地壓學(xué)說)。

隧道地壓計(jì)算研究斷面為2a×H的矩形隧道，太沙基認(rèn)為頂板巖土稍有下沉，巖土體出現(xiàn)的破裂面可以近似認(rèn)為是鉛直平面。

60四、太沙基地壓學(xué)說通過微元體平衡分析可得頂壓集度計(jì)算式：

對(duì)于埋層較深(Z＞5a)，土體松散(粘結(jié)力C＝0)的情況，可簡(jiǎn)化為：61五、維護(hù)巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

（一）、合理利用和充分發(fā)揮巖體強(qiáng)度1、地下的地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，軟巖強(qiáng)度可以在5MPa以下，而硬巖可達(dá)300MPa以上，即使在同一個(gè)巖層中，巖性的好壞也會(huì)相差很大，其強(qiáng)度甚至可以相差十余倍，巖石性質(zhì)的好壞，是影響穩(wěn)定最根本、最重要的因素。因此，應(yīng)在充分比較施工和維護(hù)穩(wěn)定兩方面經(jīng)濟(jì)合理性的基礎(chǔ)上，盡量將工程位置設(shè)計(jì)在巖性好的巖層中。62五、維護(hù)巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

2、避免巖石的損傷同一巖層機(jī)械掘進(jìn)的巷道壽命往往要比爆破施工長(zhǎng)得多，原因是爆破施工巖石損傷較大，不同爆破方法可以降低巖石基本質(zhì)量指標(biāo)10％～34％，圍巖破裂范圍可達(dá)到巷道半徑33％。被水軟化的巖石強(qiáng)度常常要降低五分之一以上，施工中要特別注意防排水，采用噴混凝土的方法封閉巖石，防止軟化和風(fēng)化，是維護(hù)巷道穩(wěn)定的有效措施。63五、維護(hù)巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

3、充分發(fā)揮巖體的承載能力根據(jù)圍巖與支護(hù)共同作用原理，圍巖在地下巖石工程穩(wěn)定中起到舉足輕重的作用。因此，在圍巖承載能力允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)膰鷰r變形可以增加圍巖的內(nèi)應(yīng)力，使其更多地承受地壓作用，減少支護(hù)的強(qiáng)度和剛度要求，這對(duì)實(shí)現(xiàn)工程穩(wěn)定及其經(jīng)濟(jì)性有雙利的效果。煤礦中采用有專門收縮變形機(jī)構(gòu)的可縮性支架來實(shí)現(xiàn)“讓壓”。64五、維護(hù)巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

4、加固巖體當(dāng)巖體質(zhì)量較差時(shí)，可以采用錨固、注漿等方法來加固巖體，提高巖體強(qiáng)度及其承載能力。采用加固巖體的錨噴支護(hù)、注漿等經(jīng)濟(jì)的方法，可能會(huì)收到意想不到的效果。65五、維護(hù)巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

（二）、改善圍巖的應(yīng)力條件1、選擇合理的隧道斷面形狀和尺寸巖石怕拉耐壓，應(yīng)力狀態(tài)也影響巖石的強(qiáng)度大小，因此，確定巷道的斷面形狀應(yīng)盡量使圍巖均勻受壓，如果不易實(shí)現(xiàn)，也應(yīng)盡量不使圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力，使隧道的高徑比和地應(yīng)力場(chǎng)匹配，這就是前面討論等壓軸比和零應(yīng)力軸比的意義。當(dāng)然也應(yīng)注意避免圍巖出現(xiàn)過高的應(yīng)力集中，造成超過強(qiáng)度的破壞。66五、維護(hù)巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

2、選擇合理的位置和方向巖石工程的位置應(yīng)選擇在避免受構(gòu)造應(yīng)力影響的地方；如果無法避免，則應(yīng)盡量弄清楚構(gòu)造應(yīng)力的大小、方向等情況，國外特別強(qiáng)調(diào)使隧道軸線方向和最大主應(yīng)力一致，尤其要避免與之正交。實(shí)踐還表明，順層巷道圍巖的穩(wěn)定性往往較穿層巷道差，支護(hù)應(yīng)特別注意這種地壓的不均勻性。67五、維護(hù)巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

3、“卸壓”方法近幾年國內(nèi)外開展“卸壓”支護(hù)方法的研究，在一些應(yīng)力集中的區(qū)域，通過鉆孔或爆破，甚至專門開挖卸壓峒室，改變圍巖應(yīng)力的不利分布，也可以避免高應(yīng)力向不利部位(如巷道底角)傳遞，所以，“卸壓”方法常作為解決煤礦采區(qū)巷道底鼓的一種有效措施68五、維護(hù)巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

（三）、合理支護(hù)合理的支護(hù)包括支護(hù)的形式、支護(hù)剛度、支護(hù)時(shí)間、支護(hù)受力情況的合理性以及支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性。支護(hù)應(yīng)該是巷道穩(wěn)定的加強(qiáng)性措施，因此支護(hù)參數(shù)的選擇仍應(yīng)著眼于充分改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力和考慮支護(hù)與巖體的相互作用的影響，并在此基礎(chǔ)上，注意提高支護(hù)的能力和效率。69五、維護(hù)巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

（四）、強(qiáng)調(diào)監(jiān)測(cè)和信息反饋由于巷道地質(zhì)條件復(fù)雜并且難以完全預(yù)知，巖體的力學(xué)性質(zhì)具有許多不確定性因素，因此，巖石地下工程施工所引起的巖體效應(yīng)就不容易獲得一個(gè)確定性的結(jié)果。所以，通過圍巖在施工中的反應(yīng)，來判斷和推測(cè)可能出現(xiàn)的變化規(guī)律，成為控制巷道穩(wěn)定最現(xiàn)實(shí)的方法。70六、支護(hù)的分類與圍巖加固的概念

1、按支護(hù)材料分類：鋼、木、鋼筋混凝土、磚石、玻璃鋼等；2、按支護(hù)形狀分類：矩形、梯形、直墻拱頂、圓形、橢圓、馬蹄形等；3、按施工和制作方式分類：裝配式、整體式、預(yù)制式、現(xiàn)澆式等；4、按支護(hù)作用的性質(zhì)分類：普通支護(hù)和錨噴支護(hù)，是比較合理的分類方法。71六、支護(hù)的分類與圍巖加固的概念

普通支護(hù)是在圍巖的外部設(shè)置支撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)。錨噴支護(hù)靠置入巖體內(nèi)部的錨桿對(duì)圍巖起到穩(wěn)定作用。普通支護(hù)又可以分為剛性支護(hù)和可縮性支護(hù)。可縮性支護(hù)的結(jié)構(gòu)中一般設(shè)有專門可縮機(jī)構(gòu)，當(dāng)支護(hù)承受的荷載達(dá)到一定大小時(shí)，靠支護(hù)的可縮機(jī)構(gòu)，降低支護(hù)的剛度，支護(hù)同時(shí)產(chǎn)生較大的位移。72六、支護(hù)的分類與圍巖加固的概念

圍巖加固是另一類維護(hù)地下巖石下程穩(wěn)定的方法。采用注漿等方法改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)及其所處的不良狀態(tài)，能對(duì)圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生良好的作用。

錨噴也可認(rèn)為是一種加固性的支護(hù)方法。圍巖加固方法還可以結(jié)合普通支護(hù)一起維護(hù)地下巖石工程穩(wěn)定。73七、普通支護(hù)

（一）、普通支護(hù)的選材選型常用的普通支護(hù)形式有襯砌和支架。

襯砌是用混凝土或磚石材料砌筑而成的拱形結(jié)構(gòu)；支架是棚式結(jié)構(gòu)，一般有金屬支架和木支架，也有混凝土預(yù)制構(gòu)件或組合類型。

74七、普通支護(hù)

（二）、支護(hù)設(shè)計(jì)只要已知結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，就可以采用一般的結(jié)構(gòu)力學(xué)、各種建筑結(jié)構(gòu)學(xué)的方法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要確定結(jié)構(gòu)的外荷載，以便計(jì)算其內(nèi)力。根據(jù)地壓確定方法的特點(diǎn)，目前巖石地下工程結(jié)構(gòu)的計(jì)算主要可分為兩種，即現(xiàn)代的（視支護(hù)—圍巖為共同體）計(jì)算模型方法和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。75七、普通支護(hù)

（三）、圍巖抗力及其特點(diǎn)

圍巖抗力是指支護(hù)在擠壓圍巖時(shí)引起的圍巖對(duì)支護(hù)的作用，是種被動(dòng)產(chǎn)生的作用。如鉸接支架結(jié)構(gòu)在壓力下產(chǎn)生圍巖抗力。76七、普通支護(hù)

（四）、可縮性支護(hù)采礦工程中，地下巖石(煤層)巷道使用期間的收斂量，隨巖性的強(qiáng)弱和巷道的類別而不同，小為20～50mm，大可達(dá)2000mm，甚至更大。所以像這些變形大的巷道，都應(yīng)采用與變形量相適應(yīng)的可縮性支護(hù)?？煽s性支護(hù)要求只在超過一定大的荷載條件下發(fā)生可縮，而且應(yīng)始終保持有一定的、且不能過低的基本承載能力，不能無止境地退縮，否則就會(huì)失去其支護(hù)的基本功能。77七、普通支護(hù)

目前煤礦地下采場(chǎng)廣泛采用的是金屬摩擦支柱、單體液壓支柱和綜采液壓支架等，都是最典型的可縮支架。運(yùn)輸系統(tǒng)頂煤頂板巖層液壓支架78放頂煤支架研制的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)YFJ2200-16/24型單鉸接輕型低位放頂煤支架79八、錨噴支護(hù)

（一）、錨桿的工作特點(diǎn)錨桿是一種桿體，其中置入巖體部分與巖體牢固錨結(jié)，部分長(zhǎng)度裸露在巖體外面，擠壓住圍巖或使錨桿從里面拉住圍巖。錨桿突出特點(diǎn)是通過置入巖體內(nèi)部的錨桿，提高圍巖的穩(wěn)定能力，完成支護(hù)作用。高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿雙鋼鉸線錨索80八、錨噴支護(hù)

0.5m0.7m錨桿長(zhǎng)2.2m菱形金屬網(wǎng)W鋼帶3.0m3.5m薄鋼帶81八、錨噴支護(hù)

（二）、錨桿的結(jié)構(gòu)類型國內(nèi)外錨桿的構(gòu)造類型數(shù)十種，分類的方法也很多。早期主要采用機(jī)械式金屬或木錨桿(倒楔式、漲殼式等)；后來較多采用粘結(jié)式鋼筋或鋼絲繩錨桿、木錨桿、竹錨桿(水泥砂漿、樹脂等粘結(jié)劑)，管縫式錨桿(管徑略大于孔徑的開縫鋼管、打入巖孔)；82八、錨噴支護(hù)

近期發(fā)展了快硬或膨脹水泥砂漿、水泥藥卷、樹脂藥卷等性能良好的粘結(jié)材料。根據(jù)桿體錨固的長(zhǎng)度，可以分為端頭錨固或全長(zhǎng)錨固。

各類水泥砂漿錨桿和樹脂錨桿，均可實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固；管縫式錨桿也屬于全長(zhǎng)錨固。83八、錨噴支護(hù)

（三）、錨桿作用機(jī)理錨桿對(duì)圍巖的作用，本質(zhì)上屬于三維應(yīng)力問題，作用機(jī)理比較復(fù)雜，可以說至今還不能很好解釋錨桿這種良好的效果。一般認(rèn)為錨桿支護(hù)的作用機(jī)理主要有懸吊作用、減跨作用、組合梁作用、組合拱作用和加固作用等；研究還表明，錨桿對(duì)抑制節(jié)理面間的剪切變形和提高巖體的整體強(qiáng)度方面起有重要的作用，特別是對(duì)于全長(zhǎng)錨固的錨桿。84八、錨噴支護(hù)

（四）、噴砼支護(hù)的特點(diǎn)1、在施工中巖面一經(jīng)暴露就可以用混凝土噴射覆蓋。2、除起一定支護(hù)作用外，還及時(shí)封閉巖面，隔絕水、濕氣和風(fēng)化對(duì)巖體的不利作用，防止巖體強(qiáng)度降低。這一點(diǎn)對(duì)于易風(fēng)化遇水會(huì)膨脹崩解的軟巖十分重要。85八、錨噴支護(hù)

單獨(dú)的素噴混凝土使用在圍巖變形小于2～5cm的地方，而變形更大時(shí)，要采用噴射纖維混凝土的方法，或者采用錨噴聯(lián)合支護(hù)。單獨(dú)采用噴混凝土支護(hù)時(shí)，一般噴層厚可為50～150mm；采用錨桿支護(hù)為主、噴混凝土為輔時(shí)，噴層厚度為20～50mm。86八、錨噴支護(hù)

（五）、錨索

錨索和錨桿的區(qū)別除其規(guī)格尺寸和荷載能力外，主要在于錨索一般需要施加預(yù)應(yīng)力，常應(yīng)用在工程規(guī)模大、比較重要、地質(zhì)條件復(fù)雜、支護(hù)困難的地方。錨索體材料采用高強(qiáng)的鋼絞線束、高強(qiáng)鋼絲束或鋼筋束，錨固力可以達(dá)到兆牛的量級(jí)。錨索長(zhǎng)度一般大于5m，長(zhǎng)的可達(dá)數(shù)十米，根據(jù)錨索預(yù)應(yīng)力的傳遞方式，一般將錨索分為拉力式錨索和壓力式錨索。87九、注漿加固支護(hù)

巖土注漿主要有抗?jié)B和加固兩個(gè)功能。圍巖注漿加固的特點(diǎn)是依靠注漿液粘結(jié)裂隙巖體，改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)及其力學(xué)狀態(tài)，加強(qiáng)圍巖的自身承載能力，并使圍巖產(chǎn)生成拱作用。88九、注漿加固支護(hù)

注漿加固方法適合于裂隙巖體或被破碎的巖體。影響注漿加固效果的因素很多，包括巖體的裂隙發(fā)育和分布情況，注漿孔的布置及漿液的滲透范圍，漿液配比及其流動(dòng)、固結(jié)性能，注漿壓力等一系列因素。目前的注漿加固設(shè)計(jì)仍具有比較大的經(jīng)驗(yàn)性。89第6.2節(jié)結(jié)束，謝謝！906.3巖石地下工程的監(jiān)測(cè)91著名的隧道新奧法施工技術(shù)就是把施工過程中的監(jiān)測(cè)作為一條重要原則，通過監(jiān)測(cè)分析對(duì)原設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并指導(dǎo)下一步的施工。一、地壓監(jiān)測(cè)概述監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)優(yōu)化施工合理生產(chǎn)安全竣工后安全運(yùn)營(yíng)分析總結(jié)92(1)、時(shí)效性：巖石工程的服務(wù)年限一般都較長(zhǎng)，巖石具有流變特性，因此，測(cè)試設(shè)備應(yīng)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定；(2)、環(huán)境復(fù)雜：地下工程環(huán)境惡劣，要求設(shè)備具有防潮、防爆、防電磁干擾等性能；一、地壓監(jiān)測(cè)概述巖石地下工程監(jiān)測(cè)特點(diǎn)93(3)、監(jiān)測(cè)信息的時(shí)空要求：現(xiàn)代大型巖石工程監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化已日益顯示其必要性與可能性，在監(jiān)測(cè)的信息量和反饋速度上的要求日漸提高；(4)、空間的制約：地下空間有限，要求監(jiān)測(cè)設(shè)備微型化并盡可能地隱蔽，減少對(duì)施工的干擾，并避免施工對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的損壞。一、地壓監(jiān)測(cè)概述巖石地下工程監(jiān)測(cè)特點(diǎn)94凡能表征地壓活動(dòng)的物理量與自然現(xiàn)象均可作為監(jiān)測(cè)的對(duì)象。國際和我國有關(guān)部門的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程均有監(jiān)測(cè)的規(guī)定。巖石力學(xué)是一門新興的科學(xué)，試驗(yàn)方法并不完全統(tǒng)一，方法也在不斷改進(jìn)和發(fā)展。因此，一般對(duì)于大型工程，均是根據(jù)具體情況專門制定監(jiān)測(cè)方案和測(cè)量方法。一、地壓監(jiān)測(cè)概述95（一）、圍巖表面位移的測(cè)量1、裂隙位移的人工觀測(cè)巖體的破壞過程中，必然出現(xiàn)有裂隙的擴(kuò)展或有新裂隙的生成，或是沿原結(jié)構(gòu)面張開滑動(dòng)，觀察這些縫隙的發(fā)展過程，可圈定地壓活動(dòng)的范圍，判斷其發(fā)展趨勢(shì)。二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)96觀測(cè)點(diǎn)可選擇在地壓活動(dòng)地段易于發(fā)生移動(dòng)的巖體結(jié)構(gòu)面處，或是在其影響范圍內(nèi)的其他構(gòu)筑物處。

簡(jiǎn)易觀測(cè)可選擇黃泥、鉛油等涂抹在裂縫上，或用木楔插入縫中楔緊，或把玻璃條用水泥固定在裂縫兩端，就可觀測(cè)裂縫的變化。二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)972、圍巖表面位移的儀表觀測(cè)圍巖表面位移可用收斂計(jì)、測(cè)桿、測(cè)槍、滑尺等進(jìn)行測(cè)量，收斂計(jì)的測(cè)量精度相對(duì)較高，使用比較方便，應(yīng)用較為廣泛。二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)98

地下工程周邊各點(diǎn)趨向中心的變形稱為收斂。用收斂計(jì)測(cè)量可以確定地下工程相對(duì)兩個(gè)壁面上兩點(diǎn)間的相對(duì)位移。二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)99二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)（二）、圍巖內(nèi)部位移的測(cè)量鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)了解巖體內(nèi)部位移與破裂等。分析預(yù)報(bào)圍巖穩(wěn)定性。1001、孔中固定測(cè)點(diǎn)的錨固器(壓縮木錨固器、彈簧錨固器、卡環(huán)彈簧錨固器、水泥砂漿錨固器等)；2、傳遞位移量的連接件(由鋼絲、圓鋼或鋼管制成)；3、孔口測(cè)量頭與量測(cè)儀器。二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)多點(diǎn)位移計(jì)結(jié)構(gòu)101測(cè)量連接件位移量：直讀式和電傳感式。二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)直讀式百分表深度游標(biāo)卡尺電傳感測(cè)量計(jì)電感式位移計(jì)振弦式位移計(jì)電阻應(yīng)變式位移計(jì)102二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)松動(dòng)圈范圍內(nèi)巖體破碎，裂隙發(fā)育，波速較低；應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)裂隙被壓縮，波速較高；再往里是比較穩(wěn)定的原巖區(qū)聲速。（三）、圍巖松動(dòng)圈的彈性波測(cè)量103二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)（四）、圍巖破壞的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)巖體開挖引起應(yīng)力重新分布，將導(dǎo)致巖體內(nèi)部出現(xiàn)破裂或是原有裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)巖體內(nèi)積累的變形能釋放時(shí)，應(yīng)力被同時(shí)向外傳播，形成一系列聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱多寡與巖體特性和受力狀況有關(guān)，并且在巖體破壞前有一個(gè)急劇增加的過程。聲發(fā)射的監(jiān)測(cè)可以預(yù)測(cè)圍巖的穩(wěn)定性，并常用來預(yù)報(bào)巖爆。104二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)初始期(Ⅰ)，聲發(fā)射信號(hào)稀少；隨后進(jìn)入活動(dòng)期(Ⅱ)，聲發(fā)射頻度逐漸達(dá)到峰值，漸次下降后形成次峰值；以后進(jìn)入頻度呈單調(diào)下降的下降期(Ⅲ)，同時(shí)巖體的宏觀破壞裂紋在本期出現(xiàn)；最后進(jìn)入沉寂期(Ⅳ)，可見到巖體的破壞裂紋貫通。105二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)研究表明，圍巖破裂過程中，聲發(fā)射高潮比宏觀位移早出現(xiàn)，預(yù)示了圍巖失穩(wěn)即將來臨，為預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)留出了時(shí)間。研究表明，初始階段低頻信號(hào)占主導(dǎo)地位，高頻多在1kHz左右，之后主頻基本呈離散狀態(tài)分布，且高頻成分在傳播過程中衰減迅速。106二、巖體變形與位移監(jiān)測(cè)聲波信號(hào)衰減特征為：能率衰減最快，大事件次之，總事件衰減較慢，以總事件為主要指標(biāo)，結(jié)合大事件及能率綜合分析，即可監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)圍巖的穩(wěn)定性。

能率－－單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射活動(dòng)釋放能量的累計(jì)值。

大事件－－單位時(shí)間內(nèi)振幅較大的聲發(fā)射事件次數(shù)。

總事件－－單位時(shí)間內(nèi)振幅達(dá)到一定量級(jí)的聲發(fā)射事件總數(shù)。107三、圍巖應(yīng)力與支架壓力監(jiān)測(cè)（一）、錨桿測(cè)力計(jì)應(yīng)用錨桿或錨索進(jìn)行圍巖支護(hù)的地下工程，可用錨桿測(cè)力計(jì)了解錨桿受力情況，測(cè)力計(jì)實(shí)際就是在錨桿(索)上焊接或粘結(jié)上某種應(yīng)力計(jì)，把這種錨桿(索)送入鉆孔內(nèi)，錨固后，即可通過引出線測(cè)讀錨桿的受力。108三、圍巖應(yīng)力與支架壓力監(jiān)測(cè)（二）、礦柱與支架壓力監(jiān)測(cè)鋼弦壓力盒和油壓枕廣泛用于測(cè)定作用在支架上的壓力、上覆巖層對(duì)支承礦柱的作用力以及充填體所承受的荷載。109第6.3節(jié)結(jié)束，謝謝！1106.4軟巖工程1111、地質(zhì)軟巖的定義

地質(zhì)軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度小于25MPa的松散、破碎、軟弱及風(fēng)化膨脹性一類巖體的總稱。該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)巖石等強(qiáng)度較低的巖石，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)。國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)將軟巖定義為單軸抗壓強(qiáng)度在0.5～25MPa之間的一類巖石，分類基本上是依強(qiáng)度指標(biāo)。一、軟巖的定義1122、工程軟巖的概念

工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。定義揭示了軟巖的相對(duì)性實(shí)質(zhì)，即取決于工程力與巖體強(qiáng)度的相互關(guān)系。工程力一定時(shí)，強(qiáng)度高于工程力水平的不同巖體大多表現(xiàn)為硬巖的力學(xué)特性，強(qiáng)度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學(xué)特性；對(duì)同種巖石，在較低工程力作用下，則表現(xiàn)為硬巖的變形特性；在較高工程力作用下，則可能表現(xiàn)為軟巖的變形特性。一、軟巖的定義1131、軟巖工程特性：軟巖具有可塑作、膨脹性、崩解性、流變性及擾動(dòng)性。2、兩個(gè)基本力學(xué)指標(biāo)：軟化臨界荷載和軟化臨界深度。二、軟巖的工程特性和力學(xué)屬性1142、軟化臨界荷載：當(dāng)所加荷載大于某一水平時(shí)，巖石出現(xiàn)明顯的塑性變形加速現(xiàn)象，產(chǎn)生不穩(wěn)定變形，這一荷載稱為軟巖的軟化臨界荷載，即能使巖石產(chǎn)生明顯變形的最小荷載。二、軟巖的工程特性和力學(xué)屬性1153、軟化臨界深度：對(duì)特定礦區(qū)，軟化臨界深度也是一個(gè)客觀量，當(dāng)巷道的位置大于某一開采深度時(shí)，圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護(hù)現(xiàn)象，但當(dāng)巷道位置較淺，小于某一深度時(shí)，大變形、大地壓現(xiàn)象明顯消失，這一深度稱為巖石軟化臨界深度。軟化臨界深度的地應(yīng)力水平大致相當(dāng)于軟化臨界荷載二、軟巖的工程特性和力學(xué)屬性116按照工程軟巖的定義，根據(jù)產(chǎn)生塑性變形的機(jī)理不同，將軟巖分為四類：①、膨脹性軟巖；②、高應(yīng)力軟巖；③、節(jié)理化軟巖；④、復(fù)合型軟巖。三、軟巖的工程分類1171、膨脹性軟巖(簡(jiǎn)稱S型)：S型軟巖指含有粘土高膨脹性礦物在較低應(yīng)力水平(＜25MPa)條件下即發(fā)生顯著變形的低強(qiáng)度工程巖體。例如泥巖、頁巖等抗壓強(qiáng)度小于25MPa的巖體，均屬膨脹性低應(yīng)力軟巖的范疇。三、軟巖的工程分類1182、高應(yīng)力軟巖（簡(jiǎn)稱H型)：高應(yīng)力軟巖則是指在較高應(yīng)力水平(＞25MPa)條件下才發(fā)生顯著變形的中高強(qiáng)度的工程巖體，這種軟巖的強(qiáng)度一般高于25MPa，其地質(zhì)特征是泥質(zhì)成分較少，但有一定含量，砂質(zhì)成分較多，如泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等。三、軟巖的工程分類1193、節(jié)理化軟巖(簡(jiǎn)稱J型)：指含泥質(zhì)成分很少或幾乎不含的巖體，發(fā)育了多組節(jié)理，其中巖塊的強(qiáng)度較高，呈硬巖力學(xué)特性，但整個(gè)工程巖體在工程力的作用下則發(fā)生顯著的變形，呈現(xiàn)出軟巖的特性，其塑性變形機(jī)理是在工程力作用下，結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移和擴(kuò)容變形，此類軟巖可根據(jù)節(jié)理化程度不同，細(xì)分為鑲嵌節(jié)理化軟巖、碎裂節(jié)理化軟巖和散體節(jié)理化軟巖。三、軟巖的工程分類1204、復(fù)合型軟巖：復(fù)合型軟巖是指上述三種軟巖類型的組合。高應(yīng)力—強(qiáng)膨脹復(fù)合型軟巖，簡(jiǎn)稱HS型軟巖；高應(yīng)力—節(jié)理化復(fù)合型軟巖，簡(jiǎn)稱HJ型軟巖；高應(yīng)力—節(jié)理化—強(qiáng)膨脹復(fù)合型軟巖，簡(jiǎn)稱HJS型軟巖。三、軟巖的工程分類121三、軟巖的工程分類122第6.4節(jié)結(jié)束，謝謝！123

6.5采場(chǎng)地壓及其控制124一、概述圍巖之間的相互作用力；圍巖對(duì)支架的作用力。原巖對(duì)圍巖的作用力；采場(chǎng)地壓——指在開采過程中，原巖對(duì)采場(chǎng)或采空區(qū)圍巖及礦柱所施加的荷載。地壓現(xiàn)象——井巷開挖，應(yīng)力重新分配使圍巖和支架產(chǎn)生變形、移動(dòng)、破壞等現(xiàn)象，如冒頂、片幫、底鼓、頂板下沉等。地壓——泛指巖體中存在的力，包括：地壓現(xiàn)象與地壓125松動(dòng)地壓（散體壓力）膨脹地壓變形地壓（彈塑性變形地壓、流變地壓）地壓分類：沖擊地壓一、概述126采場(chǎng)地壓的特點(diǎn)：1、暴露空間大2、復(fù)雜性3、多變性4、采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)形式的多樣性5、控制采場(chǎng)地壓的難度大一、概述127

影響采場(chǎng)地壓的因素可概括為自然因素和開采技術(shù)因素兩個(gè)方面。1、自然因素方面的主要有：（1）圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)（2）開采深度（3）礦體的傾角與厚度：（4）構(gòu)造（5）地下水一、概述1282、采礦生產(chǎn)技術(shù)方面的因素（1）開采順序：（2）開采方法及控頂方法（3）回采速度（4）空區(qū)形態(tài)及空區(qū)形成時(shí)間一、概述129

采場(chǎng)地壓的研究的主要內(nèi)容是采場(chǎng)(包括采空區(qū))圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、變形、移動(dòng)和破壞的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，找到維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定的措施。

采場(chǎng)地壓的研究范圍可歸結(jié)為兩個(gè)方面的問題，一方面是回采期間采場(chǎng)的穩(wěn)定問題，另一方面是回采完畢采空區(qū)的處理問題。一、概述130

1、回采期間采場(chǎng)的穩(wěn)定是指采場(chǎng)(包括采準(zhǔn)巷道、硐室)的圍巖在回采期間不發(fā)生危險(xiǎn)變形，以保障回采的安全，維護(hù)回采作業(yè)的正常進(jìn)行。其研究的范圍包括下述一些問題：（1）采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布的規(guī)律；（2）巖體失穩(wěn)的原因、條件和機(jī)理；（3）確定采場(chǎng)中各種結(jié)構(gòu)物(礦柱、支架)上地壓的大小；研究礦柱的支護(hù)原理和設(shè)計(jì)方法；（4）確定合理的采準(zhǔn)布置方案；（5）研究采場(chǎng)地壓的控制措施，等等。一、概述131

空區(qū)處理的目的：控制由于空區(qū)引起的地壓顯現(xiàn)的強(qiáng)度。

空區(qū)處理的主要方法：目前處理空區(qū)的方法可歸納為“崩”“充”“撐”“封”四種。崩落：就是用爆破(或其他手段)的方法把空區(qū)上方的巖體崩落下來充塞空區(qū)。充填：用充填物(如碎石、尾砂、水砂、混凝土等)，將空區(qū)充滿。一、概述132支撐：利用礦柱或支架將空區(qū)撐起來，防止其發(fā)生危險(xiǎn)變形。實(shí)踐表明，此種方法的效果是很差的。

封閉：對(duì)于單獨(dú)的孤立的小空區(qū)可采用封閉的方法，將它與其它采場(chǎng)的通道隔絕，防止該空區(qū)冒落時(shí)對(duì)其它采場(chǎng)發(fā)生氣浪沖擊。其中充填和崩落是兩種主要的方法。一、概述133二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律

采場(chǎng)頂板的暴露面一般都較巷道頂板大得多，且隨著采面位置的不斷向前推進(jìn)，空區(qū)尺寸也會(huì)不斷發(fā)生變化，故采場(chǎng)應(yīng)力分布也具有自身的特性，變化大，且屬空間問題。

134

在原巖中形成采場(chǎng)后，上覆巖層的重力即轉(zhuǎn)嫁于采場(chǎng)四壁的巖體中，使采場(chǎng)四壁特別是兩側(cè)巖體中的豎向應(yīng)力升高，形成所謂支承壓力。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律（一）、支承壓力135二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律采場(chǎng)周圍應(yīng)力分布1361、支承帶應(yīng)力集中系數(shù)KC

式中：kL——開采空間形狀影響系數(shù)，長(zhǎng)/寬＝1，kL＝0.7；長(zhǎng)/寬>3，kL≈1；b——支承帶寬度；

L——采場(chǎng)跨度。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律1372、支承壓力帶寬度b

式中：kl—跨度影響系數(shù)，L＝3m，kl=1；L=30~40m，kl=0.5；kr—巖石性質(zhì)影響系數(shù)，硬巖kr=0.8；中硬巖kr=1.5。

支承壓力帶寬度b，視巖層性質(zhì)及采空區(qū)跨度而異，大致有以下關(guān)系：二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律1383、支承壓力帶隨工作面的推進(jìn)而不斷向前移動(dòng)

采空區(qū)四周都存在支承壓力區(qū)；

前方巖體有較大的應(yīng)力集中；

剛充填的充填體中應(yīng)力很小，遠(yuǎn)離開采的充填體被壓實(shí)，其承受的壓力逐漸增高，直至等于原巖應(yīng)力。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律1394、相鄰采場(chǎng)對(duì)支承壓力的影響

(a)b>b1+b2，無影響(b)b<b1+b2(c)b<b1+b2，且一側(cè)開采空間位于另一側(cè)的支承壓力帶內(nèi)，則開采空間2的兩側(cè)都會(huì)受到開采空間1的影響，其兩側(cè)的支承壓力都有不同程度的增大。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律140（1）、拉應(yīng)力區(qū)；（2）、壓應(yīng)集中區(qū)；（3）、卸壓區(qū)：該區(qū)水平應(yīng)力σx和垂直應(yīng)力σy均較開采前低，處于卸壓狀態(tài)（免壓拱或稱卸壓拱）。卸壓區(qū)的巖體由于自重作用及彈性恢復(fù)，將向空區(qū)移動(dòng)，使頂板巖層下沉，巖體冒落或產(chǎn)生沉間離層現(xiàn)象。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律（二）、頂板巖層中的應(yīng)力分布141

（4）、壓縮區(qū)：垂直應(yīng)力σy比開采前降低，水平應(yīng)力σx比開采前升高，是拱形承壓帶的拱橋，起著引導(dǎo)原巖垂直應(yīng)力向空區(qū)兩壁傳遞的作用。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律142二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律水平礦體開采143二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律傾斜礦體開采1441、按孔的應(yīng)力集中理論分析采場(chǎng)地壓

埋深大，巖層均勻連續(xù)并可視為彈性體時(shí)，采場(chǎng)應(yīng)力分布可按彈性力學(xué)中，圓孔應(yīng)力集中解分析。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律1452、應(yīng)用梁理論分析上覆巖層的應(yīng)力及其穩(wěn)定性

當(dāng)埋深淺，開采空間跨度較大（L>2H），上覆巖層整體性好，可當(dāng)作彈性梁看待時(shí)，可采用材料力學(xué)中的梁理論進(jìn)行分析。（1）D.F.科次用下式驗(yàn)算頂板中最大拉應(yīng)力

式中：γ——上覆巖層重度；λ——原巖應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)；H——上覆巖層厚度；L——開采空間跨度。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律146

(2)層狀巖體頂板應(yīng)力分析

近水平巖層中開采矩形洞室后，隨著頂板向空區(qū)下沉，巖層間將會(huì)產(chǎn)生離層現(xiàn)象。各層次生應(yīng)力分布可近似采用梁理論。計(jì)算時(shí)，分別取各層的厚度hi作為梁的高度，γihi為梁的自重荷載。

分析可知：只要層厚小于該層懸露跨度的一半，就可能產(chǎn)生離層現(xiàn)象。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律147

(3)矩形開采空間長(zhǎng)寬比對(duì)頂板應(yīng)力影響式中：L——矩形板的寬度（采場(chǎng)跨度）；h——板的厚度；p——單位面積上施加的荷載。K——應(yīng)力計(jì)算系數(shù)，隨l/L變化；l/L=1,1.5,2,3,∞K=0.280,0.487,0.610,0.713,0.750

對(duì)l/L≤2～3的開采空間，可近似采用矩形簡(jiǎn)支板分析，頂板最大拉應(yīng)力可按下式估算：二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律148（三）、覆蓋巖層的變形和破壞1、空區(qū)覆蓋巖層的變形和破壞規(guī)律

由于空區(qū)巖體變形破壞的結(jié)構(gòu)，在覆蓋巖層中將形成三個(gè)不同的地帶：（1）冒落帶（2）裂隙帶（3）彎曲帶二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律149

緊靠礦體上方的覆蓋巖層由于破碎而呈拱形冒落向上發(fā)展。冒落高度與礦體開采厚度、巖石碎脹性及可壓實(shí)性、采動(dòng)范圍、巖體強(qiáng)度、空區(qū)有無充填等有關(guān)，一般為礦體厚度（W）的2～6倍。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律冒落帶150

該帶巖體變形較大，巖層沿層理開裂形成離層，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生垂直巖層的裂隙。若有水，則可從裂隙滲入，威脅空區(qū)。水體下開采必須使采動(dòng)形成的裂隙帶位于不透水層之下，即不破壞水系與礦體之間的不透水層方可進(jìn)行回采。裂隙帶的高度約為礦體厚度的9～28倍。水系不透水層裂隙帶采空區(qū)二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律裂隙帶151

整體移動(dòng)帶，僅出現(xiàn)下沉彎曲，不出現(xiàn)裂隙，保持了巖體原有的整體性。如果該帶內(nèi)有構(gòu)造斷裂存在，巖層可能沿構(gòu)造斷裂出現(xiàn)較大的移動(dòng)，使井巷或建筑物受到破壞。彎曲帶高度隨巖性而異，一般當(dāng)巖層脆而硬時(shí)，彎曲帶高度約為裂隙帶高度的3～5倍；巖體軟而具有塑性時(shí)，約為裂隙帶高度的數(shù)十倍。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律彎曲帶1522、地表下沉盆地與下沉值

隨著彎曲帶的緩慢下沉，地表也逐漸下沉，位于空區(qū)中央上方的地表下沉值最大，空區(qū)周圍上方地表下沉值漸次減小，從而形成一個(gè)下沉盆地。下沉盆地的形態(tài)，視開采面積與開采深度的相對(duì)大小不同而異。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律153

（1）、未充分采動(dòng)時(shí)：當(dāng)開采面積相對(duì)較小，采空區(qū)的寬度（走向或傾向）：L<(0.9～2.2)H(H為開采深度），盆地呈碗狀。

L<(0.9～2.2)H

盆地呈碗狀；二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律154

（2）、充分采動(dòng)時(shí)：

當(dāng)開采面積相對(duì)較大，采空區(qū)寬度（走向或傾向）：L>2.2H，盆地呈平底狀。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律

L>2.2H，盆地呈平底狀155采空區(qū)處理方法下沉系數(shù)η常用值崩落圍巖0.6～0.80.7削壁帶狀干式充填0.6～0.80.7外運(yùn)材料干式充填0.4～0.50.5水砂充填0.06～0.200.15水砂充填，帶狀部分開采0.020.02膠結(jié)充填0.02～0.050.02二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律注：下沉系數(shù)η為最大下沉值wmax與對(duì)應(yīng)的礦體厚度M之比。1563、地表塌陷及崩落角和移動(dòng)角

礦體埋深較大，冒落帶、裂隙帶一般不會(huì)到地表，只在地表形成一個(gè)下沉盆地。若礦體埋藏淺，開采深度淺時(shí)，則會(huì)冒落到地表，形成塌陷坑。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律157（1）地表塌陷盆地二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律158（2）崩落角和移動(dòng)角

根據(jù)地表變形破壞程度，可將移動(dòng)盆地劃分為崩落區(qū)和變形區(qū)。崩落區(qū)——地表開裂，發(fā)生劇烈變形和破壞。變形區(qū)——地表只發(fā)生變形并未受到嚴(yán)重破壞。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律159（2）崩落角和移動(dòng)角

移動(dòng)角——指用儀器測(cè)出的地表移動(dòng)邊界線至井下采空區(qū)下部邊界線的連線與水平面所成的夾角。

崩落角——指地表開裂區(qū)的最邊緣裂隙至井下采空區(qū)下部邊界線的連線與水平面所成的夾角。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律160

一般上盤崩落角（β0）約小于下盤崩落角（α0）50～100。礦體走向方向的崩落角常用δ表示,盲礦體上端的下盤崩落角常用γ表示。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律161對(duì)對(duì)于巖性堅(jiān)硬而脆的巖層，崩落角和移動(dòng)角差別較小，只相差50～100。二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律162二、采場(chǎng)地壓及圍巖活動(dòng)的一般規(guī)律163（3）