巖石力學第六章 巖石地下工程

巖石力學

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

巖石地下工程是指在地下巖石中開挖并臨時或永久修建的各種工程。

地下礦山的主副井、通風井、運輸巷道、采場等。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)→原有應力場改變→自行平衡、或破壞、或過大變形→支護（支架、襯砌、錨噴）→人工穩(wěn)定。一、基本概念5

應力重分布：從原始地下應力場變化到新的平衡應力場的過程。

次生應力或誘發(fā)應力：經應力重分布形成的新的平衡應力。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為圍巖或支護體所允許的最大應力(極限強度)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到地表，因而在力學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，即在遠離巖石地下工程的無窮遠處，仍為原巖體。一、基本概念81、基本假設（1）圍巖為均質，各向同性，線彈性，無蠕變性或粘性行為；（2）原巖應力為各向等壓(靜水壓力)狀態(tài)；（3）巷道斷面為圓形，在無限長的巷道長度里，圍巖的性質一致，可按平面應變問題進行分析，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，忽略巷道影響范圍內巖石自重，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）應力分布計算公式為開孔后的應力重分布的結果，即次生應力場的應力分布式；（2）徑向應力σr和切向應力σθ的分布和角度無關，皆為主應力，即徑向和切向平面均為主平面。（3）應力大小與彈性常數(shù)E、μ無關。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；周邊切向應力為最大應力，且與巷道半徑無關。這樣，當2p0超過圍巖的彈性限時，圍巖將進入塑性，如把巖石看作是彈脆性體，則當2p0超過圍巖的單軸抗壓強度時，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）定義應力集中系數(shù)：對于巷道周邊：為次生應力場的最大應力集中系數(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：工程上有時以10％作為影響邊界，則同理可得影響半徑r≈3R0應力解除試驗，以3R0作為影響圈邊界；有限元計算常取5R0的范圍作為計算域；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假設深埋圓巷的水平荷載對稱于豎軸，豎向荷載對稱于橫軸；豎向為p0，橫向為λp0，并設λ＜l。由于結構本身對稱(荷載不對稱)，上述問題可應用已有的結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，對于內邊界，r=R0，σr=τrθ=0對于外邊界，應用莫爾圓應力關系，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時三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析即與軸對稱情況相同，為本題的特例24

②、周邊應力情況（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°)有最大壓應力，而在豎軸位置(θ＝90°)有最小應力。25使豎軸(θ＝90°)處恰好不出現(xiàn)拉應力的條件為σθ＝0，即：三、深埋圓形巷道一般壓力下彈性分析λ＝1/3時周邊恰好不出現(xiàn)拉應力；λ＞1/3時周邊不出現(xiàn)拉應力；λ＜1/3時周邊將出現(xiàn)拉應力。λ＝0，θ＝90°處拉應力最大，為最不利情況。λ＝1為均勻受壓的最有利于穩(wěn)定情況。26在一般原巖應力狀態(tài)下，深埋橢圓巷道周邊切向應力計算公式為：四、橢圓形巷道圍巖彈性應力狀態(tài)27四、橢圓形巷道圍巖彈性應力狀態(tài)1、等應力軸比：就是使巷道周邊應力均勻分布時的橢圓長短軸之比。該軸比可通過求極值得到：等應力軸比情況下，周邊切向應力無極值，周邊應力是均勻相等的。等應力軸比對地下工程的穩(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力狀態(tài)等應力軸比與原巖應力的絕對值無關，只和λ值有關，由λ值即可決定最佳軸比。λ＝1時，m＝1，a＝b，最佳斷面為圓形；λ＝1/2時，m=2，b=2a，最佳斷面為b＝2a的豎橢圓；λ＝2時，m=1/2，a=2b，最佳斷面為a＝2b的橫(臥)橢圓；總之，橢圓長軸總是順著原巖應力的最大主應力方向，且m=1/λ為最佳。29四、橢圓形巷道圍巖彈性應力狀態(tài)2、零應力（無拉力）軸比當不能滿足最佳軸比時，因巖體抗拉強度最弱，若能找出滿足不出現(xiàn)拉應力的軸比，即零應力(無拉力)軸比，也是很不錯的。周邊各點對應的零應力軸比各不相同，通常首先滿足頂點和兩幫中點這兩要害處，實現(xiàn)零應力軸比。30四、橢圓形巷道圍巖彈性應力狀態(tài)（1）、對于頂點：31四、橢圓形巷道圍巖彈性應力狀態(tài)（2）、對于兩幫中點：32四、橢圓形巷道圍巖彈性應力狀態(tài)零應力軸比：應照顧頂點應照顧兩幫中點33五、非圓形巷道周邊彈性應力狀態(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力分布，都可用彈性力學的復變函數(shù)方法解決。34五、非圓形巷道周邊彈性應力狀態(tài)2、一般結論在彈性應力條件下，巷道斷面圍巖中的最大的應力是周邊的切向應力，且周邊應力大小和彈性參數(shù)無關，與斷面的絕對尺寸無關。

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

對于深埋的井巷工程，應考慮到開挖后的位移是由于開挖后的應力增量所造成的，原巖應力部分并不引起新的位移，原巖應力所引起的位移已經在過去的地質年代中完成。所以，只能采用應力增量來計算。37六、井巷圍巖的彈性位移3、徑向位移常用計算式（1）軸對稱圓巷：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強度線塑性區(qū)內任一點的應力圓均與該線相切塑性區(qū)切向應力分布曲線彈性區(qū)切向應力分布曲線塑性區(qū)徑向應力分布曲線彈性區(qū)徑向應力分布曲線彈性狀態(tài)切向應力分布曲線彈性狀態(tài)徑向應力分布曲線塑性區(qū)彈性區(qū)應力升高區(qū)原巖應力區(qū)圍巖原巖應力降區(qū)七、圓形巷道圍巖的彈塑性應力狀態(tài)40第6.1節(jié)結束，謝謝！416.2圍巖與壓力控制42巖石地下工程一般埋深較大，穿越地層復雜，地應力相對地下結構作用的傳遞情況也很復雜。

狹義地壓：指圍巖作用在支架上的壓力。43一、圍巖與支護的共同作用

圍巖與支護形成一種共同體，共同體兩方面的耦合作用和互為影響的情況稱為圍巖—支護共同作用。1、支護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致的對支護的作用，圍巖性態(tài)及其變化狀況對支護的作用有重要影響。2、支護以自己的剛度和強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自身的受力。44一、圍巖與支護的共同作用巖石地下工程支護可能有兩種極端情況：1、當巖體內應力達到峰值前，支護已經到位，巖體的進一步變形破碎受支護阻擋，構成圍巖與支護共同體，形成相互間的共同作用。如果支護有足夠的剛度和強度，則共同體是穩(wěn)定的，并且，圍巖和支護在雙方力學特性的共同作用下形成巖體和支護內各自的應力、應變狀態(tài)，否則共同體將失穩(wěn)。45一、圍巖與支護的共同作用2、當巖體內應力達到峰值時，支護未及時架設，甚至在巖體破裂充分發(fā)展時支護仍未起作用，從而導致在隧道頂板或兩幫形成冒落帶，并出現(xiàn)危險部位的冒落或沿破裂面的滑落，巖石工程可能整體失穩(wěn)。如這時有架設好的支護，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、圍巖與支護的共同作用原理對于一種最簡單情況，軸對稱圓巷周邊的彈塑性位移：上式表示，圓巷周邊位移和支護反力成反比關系，繪成P1－u0曲線，即為圍巖特性曲線。47二、圍巖與支護的共同作用原理一般的支護都可以根據(jù)計算或實驗獲得它的作用與位移關系曲線。例如軸對稱圓形巷道內修建圓形襯砌，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、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作用成正比關系，P1－u0曲線即為支護特性曲線。48二、圍巖與支護的共同作用原理聯(lián)立可求得具體條件下的支護壓力和襯砌壁面位移的解。即圖上兩線的交點(工況點)的坐標。圍巖特性曲線和支護特性曲線構成了它們的共同作用關系。49二、圍巖與支護的共同作用原理

如果改變支護的剛度，就可以改變支護的受力狀態(tài)。例如，支護剛度變小(直線的斜率變小)，支護受力也減小，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與剛性支護的區(qū)別，以及支護“讓壓”的說法，就是允許巷道有一定的變形，從而減小支護的受力，保證支護安全和沒有過大的投入。50二、圍巖與支護的共同作用原理圍巖與支護共同作用曲線還反映巖體力學性質和支護時間對共同作用的影響，巖體性質越軟，圍巖特性曲線越向右移動，變形也越大。51二、圍巖與支護的共同作用原理

支護時間越遲，支護曲線的起點離坐標的原點也越遠，支護工作壓力也越低。上述分析反映了圍巖穩(wěn)定與支護相互作用的基本原理，為確定支護的內應力、變形位移和選定支護結構、尺寸提供了基本思路。52三、普氏地壓學說1907年著名俄國學者創(chuàng)立了松散體地壓學說(簡稱普氏學說）。普氏通過盛滿干砂(C＝0)的箱底開孔試驗，說明箱中之砂最后會形成穹隆形平衡，這種穹隆以上的砂不再掉落的現(xiàn)象，稱為拱效應，普氏認為巷道頂部的巖石也有拱效應，支護的壓力就是拱內的巖石重量。53三、普氏地壓學說為了分析拱效應，普氏定義了一個巖石堅固性系數(shù)f：為計算地壓方便，普氏把f系數(shù)表示成另一種形式（似內摩擦系數(shù)，似內摩擦角）：54三、普氏地壓學說1、兩幫穩(wěn)定時的頂壓計算公式：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，頂部可能冒落的巖石拱高為b。55三、普氏地壓學說拱周邊巖石相互擠壓，拱線軸力N≠0，取半拱脫離體，對拱列出彎矩平衡式，可獲得處于安全平衡狀態(tài)時的拱高：56三、普氏地壓學說為便于支架構件內力計算，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、普氏地壓學說2、兩幫不穩(wěn)定時的頂壓兩幫不穩(wěn)定，滑動體的上寬增加，這樣免壓拱高也隨之而增加。58三、普氏地壓學說拱高b1、頂壓集度qd和總頂壓Qd為：59四、太沙基地壓學說1942年，國際著名土力學專家太沙基，基于土力學提出松散體理論(太沙基地壓學說)。

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

60四、太沙基地壓學說通過微元體平衡分析可得頂壓集度計算式：

對于埋層較深(Z＞5a)，土體松散(粘結力C＝0)的情況，可簡化為：61五、維護巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

（一）、合理利用和充分發(fā)揮巖體強度1、地下的地質條件相當復雜，軟巖強度可以在5MPa以下，而硬巖可達300MPa以上，即使在同一個巖層中，巖性的好壞也會相差很大，其強度甚至可以相差十余倍，巖石性質的好壞，是影響穩(wěn)定最根本、最重要的因素。因此，應在充分比較施工和維護穩(wěn)定兩方面經濟合理性的基礎上，盡量將工程位置設計在巖性好的巖層中。62五、維護巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

2、避免巖石的損傷同一巖層機械掘進的巷道壽命往往要比爆破施工長得多，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量指標10％～34％，圍巖破裂范圍可達到巷道半徑33％。被水軟化的巖石強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，防止軟化和風化，是維護巷道穩(wěn)定的有效措施。63五、維護巖石地下工程穩(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，適當?shù)膰鷰r變形可以增加圍巖的內應力，使其更多地承受地壓作用，減少支護的強度和剛度要求，這對實現(xiàn)工程穩(wěn)定及其經濟性有雙利的效果。煤礦中采用有專門收縮變形機構的可縮性支架來實現(xiàn)“讓壓”。64五、維護巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

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

（二）、改善圍巖的應力條件1、選擇合理的隧道斷面形狀和尺寸巖石怕拉耐壓，應力狀態(tài)也影響巖石的強度大小，因此，確定巷道的斷面形狀應盡量使圍巖均勻受壓，如果不易實現(xiàn)，也應盡量不使圍巖出現(xiàn)拉應力，使隧道的高徑比和地應力場匹配，這就是前面討論等壓軸比和零應力軸比的意義。當然也應注意避免圍巖出現(xiàn)過高的應力集中，造成超過強度的破壞。66五、維護巖石地下工程穩(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選擇在避免受構造應力影響的地方；如果無法避免，則應盡量弄清楚構造應力的大小、方向等情況，國外特別強調使隧道軸線方向和最大主應力一致，尤其要避免與之正交。實踐還表明，順層巷道圍巖的穩(wěn)定性往往較穿層巷道差，支護應特別注意這種地壓的不均勻性。67五、維護巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

3、“卸壓”方法近幾年國內外開展“卸壓”支護方法的研究，在一些應力集中的區(qū)域，通過鉆孔或爆破，甚至專門開挖卸壓峒室，改變圍巖應力的不利分布，也可以避免高應力向不利部位(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、維護巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

（三）、合理支護合理的支護包括支護的形式、支護剛度、支護時間、支護受力情況的合理性以及支護的經濟性。支護應該是巷道穩(wěn)定的加強性措施，因此支護參數(shù)的選擇仍應著眼于充分改善圍巖應力狀態(tài)，調動圍巖的自承能力和考慮支護與巖體的相互作用的影響，并在此基礎上，注意提高支護的能力和效率。69五、維護巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則

（四）、強調監(jiān)測和信息反饋由于巷道地質條件復雜并且難以完全預知，巖體的力學性質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就不容易獲得一個確定性的結果。所以，通過圍巖在施工中的反應，來判斷和推測可能出現(xiàn)的變化規(guī)律，成為控制巷道穩(wěn)定最現(xiàn)實的方法。70六、支護的分類與圍巖加固的概念

1、按支護材料分類：鋼、木、鋼筋混凝土、磚石、玻璃鋼等；2、按支護形狀分類：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、預制式、現(xiàn)澆式等；4、按支護作用的性質分類：普通支護和錨噴支護，是比較合理的分類方法。71六、支護的分類與圍巖加固的概念

普通支護是在圍巖的外部設置支撐和圍護結構。錨噴支護靠置入巖體內部的錨桿對圍巖起到穩(wěn)定作用。普通支護又可以分為剛性支護和可縮性支護?？煽s性支護的結構中一般設有專門可縮機構，當支護承受的荷載達到一定大小時，靠支護的可縮機構，降低支護的剛度，支護同時產生較大的位移。72六、支護的分類與圍巖加固的概念

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

錨噴也可認為是一種加固性的支護方法。圍巖加固方法還可以結合普通支護一起維護地下巖石工程穩(wěn)定。73七、普通支護

（一）、普通支護的選材選型常用的普通支護形式有襯砌和支架。

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

74七、普通支護

（二）、支護設計只要已知結構的內力，就可以采用一般的結構力學、各種建筑結構學的方法進行支護結構的構件設計，關鍵是要確定結構的外荷載，以便計算其內力。根據(jù)地壓確定方法的特點，目前巖石地下工程結構的計算主要可分為兩種，即現(xiàn)代的（視支護—圍巖為共同體）計算模型方法和傳統(tǒng)的結構力學方法。75七、普通支護

（三）、圍巖抗力及其特點

圍巖抗力是指支護在擠壓圍巖時引起的圍巖對支護的作用，是種被動產生的作用。如鉸接支架結構在壓力下產生圍巖抗力。76七、普通支護

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

目前煤礦地下采場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)實技術YFJ2200-16/24型單鉸接輕型低位放頂煤支架79八、錨噴支護

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

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

（二）、錨桿的結構類型國內外錨桿的構造類型數(shù)十種，分類的方法也很多。早期主要采用機械式金屬或木錨桿(倒楔式、漲殼式等)；后來較多采用粘結式鋼筋或鋼絲繩錨桿、木錨桿、竹錨桿(水泥砂漿、樹脂等粘結劑)，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

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材料。根據(jù)桿體錨固的長度，可以分為端頭錨固或全長錨固。

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

（三）、錨桿作用機理錨桿對圍巖的作用，本質上屬于三維應力問題，作用機理比較復雜，可以說至今還不能很好解釋錨桿這種良好的效果。一般認為錨桿支護的作用機理主要有懸吊作用、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，錨桿對抑制節(jié)理面間的剪切變形和提高巖體的整體強度方面起有重要的作用，特別是對于全長錨固的錨桿。84八、錨噴支護

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

單獨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，要采用噴射纖維混凝土的方法，或者采用錨噴聯(lián)合支護。單獨采用噴混凝土支護時，一般噴層厚可為50～150mm；采用錨桿支護為主、噴混凝土為輔時，噴層厚度為20～50mm。86八、錨噴支護

（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應力，常應用在工程規(guī)模大、比較重要、地質條件復雜、支護困難的地方。錨索體材料采用高強的鋼絞線束、高強鋼絲束或鋼筋束，錨固力可以達到兆牛的量級。錨索長度一般大于5m，長的可達數(shù)十米，根據(jù)錨索預應力的傳遞方式，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

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

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、固結性能，注漿壓力等一系列因素。目前的注漿加固設計仍具有比較大的經驗性。89第6.2節(jié)結束，謝謝！906.3巖石地下工程的監(jiān)測91著名的隧道新奧法施工技術就是把施工過程中的監(jiān)測作為一條重要原則，通過監(jiān)測分析對原設計參數(shù)進行優(yōu)化，并指導下一步的施工。一、地壓監(jiān)測概述監(jiān)測預報設計優(yōu)化施工合理生產安全竣工后安全運營分析總結92(1)、時效性：巖石工程的服務年限一般都較長，巖石具有流變特性，因此，測試設備應保持長期穩(wěn)定；(2)、環(huán)境復雜：地下工程環(huán)境惡劣，要求設備具有防潮、防爆、防電磁干擾等性能；一、地壓監(jiān)測概述巖石地下工程監(jiān)測特點93(3)、監(jiān)測信息的時空要求：現(xiàn)代大型巖石工程監(jiān)測的網絡化已日益顯示其必要性與可能性，在監(jiān)測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)測設備微型化并盡可能地隱蔽，減少對施工的干擾，并避免施工對監(jiān)測設備的損壞。一、地壓監(jiān)測概述巖石地下工程監(jiān)測特點94凡能表征地壓活動的物理量與自然現(xiàn)象均可作為監(jiān)測的對象。國際和我國有關部門的試驗標準與規(guī)程均有監(jiān)測的規(guī)定。巖石力學是一門新興的科學，試驗方法并不完全統(tǒng)一，方法也在不斷改進和發(fā)展。因此，一般對于大型工程，均是根據(jù)具體情況專門制定監(jiān)測方案和測量方法。一、地壓監(jiān)測概述95（一）、圍巖表面位移的測量1、裂隙位移的人工觀測巖體的破壞過程中，必然出現(xiàn)有裂隙的擴展或有新裂隙的生成，或是沿原結構面張開滑動，觀察這些縫隙的發(fā)展過程，可圈定地壓活動的范圍，判斷其發(fā)展趨勢。二、巖體變形與位移監(jiān)測96觀測點可選擇在地壓活動地段易于發(fā)生移動的巖體結構面處，或是在其影響范圍內的其他構筑物處。

簡易觀測可選擇黃泥、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，就可觀測裂縫的變化。二、巖體變形與位移監(jiān)測972、圍巖表面位移的儀表觀測圍巖表面位移可用收斂計、測桿、測槍、滑尺等進行測量，收斂計的測量精度相對較高，使用比較方便，應用較為廣泛。二、巖體變形與位移監(jiān)測98

地下工程周邊各點趨向中心的變形稱為收斂。用收斂計測量可以確定地下工程相對兩個壁面上兩點間的相對位移。二、巖體變形與位移監(jiān)測99二、巖體變形與位移監(jiān)測（二）、圍巖內部位移的測量鉆孔多點位移計了解巖體內部位移與破裂等。分析預報圍巖穩(wěn)定性。1001、孔中固定測點的錨固器(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、孔口測量頭與量測儀器。二、巖體變形與位移監(jiān)測多點位移計結構101測量連接件位移量：直讀式和電傳感式。二、巖體變形與位移監(jiān)測直讀式百分表深度游標卡尺電傳感測量計電感式位移計振弦式位移計電阻應變式位移計102二、巖體變形與位移監(jiān)測松動圈范圍內巖體破碎，裂隙發(fā)育，波速較低；應力升高區(qū)內裂隙被壓縮，波速較高；再往里是比較穩(wěn)定的原巖區(qū)聲速。（三）、圍巖松動圈的彈性波測量103二、巖體變形與位移監(jiān)測（四）、圍巖破壞的聲發(fā)射監(jiān)測巖體開挖引起應力重新分布，將導致巖體內部出現(xiàn)破裂或是原有裂隙的進一步擴展。當巖體內積累的變形能釋放時，應力被同時向外傳播，形成一系列聲發(fā)射信號，聲發(fā)射信號的強弱多寡與巖體特性和受力狀況有關，并且在巖體破壞前有一個急劇增加的過程。聲發(fā)射的監(jiān)測可以預測圍巖的穩(wěn)定性，并常用來預報巖爆。104二、巖體變形與位移監(jiān)測初始期(Ⅰ)，聲發(fā)射信號稀少；隨后進入活動期(Ⅱ)，聲發(fā)射頻度逐漸達到峰值，漸次下降后形成次峰值；以后進入頻度呈單調下降的下降期(Ⅲ)，同時巖體的宏觀破壞裂紋在本期出現(xiàn)；最后進入沉寂期(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)，預示了圍巖失穩(wěn)即將來臨，為預報巖體失穩(wěn)留出了時間。研究表明，初始階段低頻信號占主導地位，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)測聲波信號衰減特征為：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，結合大事件及能率綜合分析，即可監(jiān)測預報圍巖的穩(wěn)定性。

能率－－單位時間內聲發(fā)射活動釋放能量的累計值。

大事件－－單位時間內振幅較大的聲發(fā)射事件次數(shù)。

總事件－－單位時間內振幅達到一定量級的聲發(fā)射事件總數(shù)。107三、圍巖應力與支架壓力監(jiān)測（一）、錨桿測力計應用錨桿或錨索進行圍巖支護的地下工程，可用錨桿測力計了解錨桿受力情況，測力計實際就是在錨桿(索)上焊接或粘結上某種應力計，把這種錨桿(索)送入鉆孔內，錨固后，即可通過引出線測讀錨桿的受力。108三、圍巖應力與支架壓力監(jiān)測（二）、礦柱與支架壓力監(jiān)測鋼弦壓力盒和油壓枕廣泛用于測定作用在支架上的壓力、上覆巖層對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)結束，謝謝！1106.4軟巖工程1111、地質軟巖的定義

地質軟巖是指單軸抗壓強度小于25MPa的松散、破碎、軟弱及風化膨脹性一類巖體的總稱。該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質巖石等強度較低的巖石，是天然形成的復雜的地質介質。國際巖石力學學會將軟巖定義為單軸抗壓強度在0.5～25MPa之間的一類巖石，分類基本上是依強度指標。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生顯著塑性變形的工程巖體。定義揭示了軟巖的相對性實質，即取決于工程力與巖體強度的相互關系。工程力一定時，強度高于工程力水平的不同巖體大多表現(xiàn)為硬巖的力學特性，強度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學特性；對同種巖石，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、流變性及擾動性。2、兩個基本力學指標：軟化臨界荷載和軟化臨界深度。二、軟巖的工程特性和力學屬性1142、軟化臨界荷載：當所加荷載大于某一水平時，巖石出現(xiàn)明顯的塑性變形加速現(xiàn)象，產生不穩(wěn)定變形，這一荷載稱為軟巖的軟化臨界荷載，即能使巖石產生明顯變形的最小荷載。二、軟巖的工程特性和力學屬性1153、軟化臨界深度：對特定礦區(qū)，軟化臨界深度也是一個客觀量，當巷道的位置大于某一開采深度時，圍巖產生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護現(xiàn)象，但當巷道位置較淺，小于某一深度時，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力水平大致相當于軟化臨界荷載二、軟巖的工程特性和力學屬性116按照工程軟巖的定義，根據(jù)產生塑性變形的機理不同，將軟巖分為四類：①、膨脹性軟巖；②、高應力軟巖；③、節(jié)理化軟巖；④、復合型軟巖。三、軟巖的工程分類1171、膨脹性軟巖(簡稱S型)：S型軟巖指含有粘土高膨脹性礦物在較低應力水平(＜25MPa)條件下即發(fā)生顯著變形的低強度工程巖體。例如泥巖、頁巖等抗壓強度小于25MPa的巖體，均屬膨脹性低應力軟巖的范疇。三、軟巖的工程分類1182、高應力軟巖（簡稱H型)：高應力軟巖則是指在較高應力水平(＞25MPa)條件下才發(fā)生顯著變形的中高強度的工程巖體，這種軟巖的強度一般高于25MPa，其地質特征是泥質成分較少，但有一定含量，砂質成分較多，如泥質粉砂巖、泥質砂巖等。三、軟巖的工程分類1193、節(jié)理化軟巖(簡稱J型)：指含泥質成分很少或幾乎不含的巖體，發(fā)育了多組節(jié)理，其中巖塊的強度較高，呈硬巖力學特性，但整個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，其塑性變形機理是在工程力作用下，結構面發(fā)生滑移和擴容變形，此類軟巖可根據(jù)節(jié)理化程度不同，細分為鑲嵌節(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、復合型軟巖：復合型軟巖是指上述三種軟巖類型的組合。高應力—強膨脹復合型軟巖，簡稱HS型軟巖；高應力—節(jié)理化復合型軟巖，簡稱HJ型軟巖；高應力—節(jié)理化—強膨脹復合型軟巖，簡稱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)結束，謝謝！123

6.5采場地壓及其控制124一、概述圍巖之間的相互作用力；圍巖對支架的作用力。原巖對圍巖的作用力；采場地壓——指在開采過程中，原巖對采場或采空區(qū)圍巖及礦柱所施加的荷載。地壓現(xiàn)象——井巷開挖，應力重新分配使圍巖和支架產生變形、移動、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采場地壓的特點：1、暴露空間大2、復雜性3、多變性4、采場地壓顯現(xiàn)形式的多樣性5、控制采場地壓的難度大一、概述127

影響采場地壓的因素可概括為自然因素和開采技術因素兩個方面。1、自然因素方面的主要有：（1）圍巖的物理力學性質（2）開采深度（3）礦體的傾角與厚度：（4）構造（5）地下水一、概述1282、采礦生產技術方面的因素（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)形成時間一、概述129

采場地壓的研究的主要內容是采場(包括采空區(qū))圍巖的應力狀態(tài)、變形、移動和破壞的規(guī)律。在此基礎上，找到維護采場穩(wěn)定的措施。

采場地壓的研究范圍可歸結為兩個方面的問題，一方面是回采期間采場的穩(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、回采期間采場的穩(wěn)定是指采場(包括采準巷道、硐室)的圍巖在回采期間不發(fā)生危險變形，以保障回采的安全，維護回采作業(yè)的正常進行。其研究的范圍包括下述一些問題：（1）采場圍巖應力分布的規(guī)律；（2）巖體失穩(wěn)的原因、條件和機理；（3）確定采場中各種結構物(礦柱、支架)上地壓的大小；研究礦柱的支護原理和設計方法；（4）確定合理的采準布置方案；（5）研究采場地壓的控制措施，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)生危險變形。實踐表明，此種方法的效果是很差的。

封閉：對于單獨的孤立的小空區(qū)可采用封閉的方法，將它與其它采場的通道隔絕，防止該空區(qū)冒落時對其它采場發(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、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律

采場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，空區(qū)尺寸也會不斷發(fā)生變化，故采場應力分布也具有自身的特性，變化大，且屬空間問題。

134

在原巖中形成采場后，上覆巖層的重力即轉嫁于采場四壁的巖體中，使采場四壁特別是兩側巖體中的豎向應力升高，形成所謂支承壓力。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律（一）、支承壓力135二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律采場周圍應力分布1361、支承帶應力集中系數(shù)KC

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

L——采場跨度。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(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，視巖層性質及采空區(qū)跨度而異，大致有以下關系：二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律1383、支承壓力帶隨工作面的推進而不斷向前移動

采空區(qū)四周都存在支承壓力區(qū)；

前方巖體有較大的應力集中；

剛充填的充填體中應力很小，遠離開采的充填體被壓實，其承受的壓力逐漸增高，直至等于原巖應力。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律1394、相鄰采場對支承壓力的影響

(a)b>b1+b2，無影響(b)b<b1+b2(c)b<b1+b2，且一側開采空間位于另一側的支承壓力帶內，則開采空間2的兩側都會受到開采空間1的影響，其兩側的支承壓力都有不同程度的增大。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律140（1）、拉應力區(qū)；（2）、壓應集中區(qū)；（3）、卸壓區(qū)：該區(qū)水平應力σx和垂直應力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，將向空區(qū)移動，使頂板巖層下沉，巖體冒落或產生沉間離層現(xiàn)象。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律（二）、頂板巖層中的應力分布141

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

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

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

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

(2)層狀巖體頂板應力分析

近水平巖層中開采矩形洞室后，隨著頂板向空區(qū)下沉，巖層間將會產生離層現(xiàn)象。各層次生應力分布可近似采用梁理論。計算時，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，就可能產生離層現(xiàn)象。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律147

(3)矩形開采空間長寬比對頂板應力影響式中：L——矩形板的寬度（采場跨度）；h——板的厚度；p——單位面積上施加的荷載。K——應力計算系數(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l/L≤2～3的開采空間，可近似采用矩形簡支板分析，頂板最大拉應力可按下式估算：二、采場地壓及圍巖活動的一般規(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)巖體變形破壞的結構，在覆蓋巖層中將形成三個不同的地帶：（1）冒落帶（2）裂隙帶（3）彎曲帶二、采場地壓及圍巖活動的一般規(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性、采動范圍、巖體強度、空區(qū)有無充填等有關，一般為礦體厚度（W）的2～6倍。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(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，在拉應力作用下產生垂直巖層的裂隙。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、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律裂隙帶151

整體移動帶，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。如果該帶內有構造斷裂存在，巖層可能沿構造斷裂出現(xiàn)較大的移動，使井巷或建筑物受到破壞。彎曲帶高度隨巖性而異，一般當巖層脆而硬時，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，約為裂隙帶高度的數(shù)十倍。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(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大小不同而異。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律153

（1）、未充分采動時：當開采面積相對較小，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、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律154

（2）、充分采動時：

當開采面積相對較大，采空區(qū)寬度（走向或傾向）：L>2.2H，盆地呈平底狀。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(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膠結充填0.02～0.050.02二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律注：下沉系數(shù)η為最大下沉值wmax與對應的礦體厚度M之比。1563、地表塌陷及崩落角和移動角

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

根據(jù)地表變形破壞程度，可將移動盆地劃分為崩落區(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)生變形并未受到嚴重破壞。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律159（2）崩落角和移動角

移動角——指用儀器測出的地表移動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、采場地壓及圍巖活動的一般規(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、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律161對對于巖性堅硬而脆的巖層，崩落角和移動角差別較小，只相差50～100。二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律162二、采場地壓及圍巖活動的一般規(guī)律163（3）