巖石力學(xué)巖石壓力及其控制

第五章巖石壓力及其控制第一節(jié)井巷地壓一、基本概念地壓：泛指在巖體中存在的力，它既包括原巖對(duì)圍巖的作用力，也包括圍巖間的相互作用力，又包括圍巖對(duì)支架的作用力。狹義地壓：把圍巖因變形移動(dòng)和巖塊冒落作用在支架上的壓力稱(chēng)為狹義地壓。廣義地壓：將巖體內(nèi)部原巖作用于圍巖和支架上的壓力稱(chēng)為廣義地壓。二、地壓分類(lèi)1、變形地壓：由于大范圍內(nèi)巖體因變形、位移受到支架的抑制而產(chǎn)生的地壓。①?gòu)椥宰冃蔚貕海河捎趪鷰r彈性變形而使支架受到的壓力稱(chēng)為彈性變形地壓。②塑性變形地壓：由于圍巖塑性變形而使支架受到的壓力稱(chēng)為塑性變形地壓。③流變地壓：由于圍巖隨時(shí)間延長(zhǎng)而產(chǎn)生變形流動(dòng)現(xiàn)象而造成的地壓。2、散體地壓：由于開(kāi)挖，在一定范圍內(nèi)，滑移或塌落的巖體以重力的形式直接作用在支架上的壓力稱(chēng)為散體地壓或松動(dòng)地壓。3、沖擊地壓：又稱(chēng)巖爆，是指圍巖積累了大量的彈性變形能之后，突然釋放出來(lái)所產(chǎn)生的壓力。4、膨脹地壓：巖體由于膨脹產(chǎn)生的壓力稱(chēng)為膨脹地壓。三、圍巖與支架的共同作用1、圍巖對(duì)支架的作用力等于支架對(duì)圍巖的反作用力，它們大小相等，方向相反。2、圍巖與支架變形協(xié)調(diào)，支架的位移量等于開(kāi)巷后巷道周邊位移減去支護(hù)前巷道位移。3、支架的壓縮量與圍巖對(duì)支架施加的壓力成正變關(guān)系。4、在圍巖穩(wěn)定的條件下，其周邊位移量與支架反力成反變關(guān)系。綜上所述，圍巖與支架共同作用原理的實(shí)質(zhì)，就是支架與圍巖共同構(gòu)成承載系統(tǒng)，支架與圍巖之間的作用力相等，變形協(xié)調(diào)，支護(hù)抗力與圍巖自承能力之和等于原巖應(yīng)力，即支架與圍巖共同承擔(dān)原巖應(yīng)力。1、開(kāi)巷后立即架設(shè)支架，且支架為理想絕對(duì)剛性，此時(shí)支架所受的力最大，而圍巖僅負(fù)擔(dān)產(chǎn)生彈性變形的力，即：p-pi。剛性支架可縮性支架2、支架可以允許圍巖自由位移，且為理想的可縮性支架。此時(shí)支架所受的力為0，而巷道周邊位移最大，此時(shí)圍巖承擔(dān)全部地壓。3、由于支架總是具有一定的可縮性，因此理論上支架可在A和B之間任一點(diǎn)工作。由于圍巖通常不能承受最大的周邊位移，在D點(diǎn)圍巖就開(kāi)始脫落，D點(diǎn)稱(chēng)為脫落點(diǎn)，因此支架最佳工作點(diǎn)應(yīng)在D點(diǎn)以上且最靠近D點(diǎn)處。四、圍巖壓力計(jì)算五、普氏理論分析

在松散巖體中開(kāi)巷后，巷道頂部的巖體會(huì)產(chǎn)生脫落，當(dāng)脫落到一定程度時(shí)，巖體進(jìn)行入新的平衡，此時(shí)想到頂部會(huì)形成一個(gè)自然平衡拱，自然平衡拱以上的巖體重量通過(guò)拱傳遞到巷道兩幫，而對(duì)拱內(nèi)巖體無(wú)任何影響。作用于巷道頂板的壓力僅為自然平衡拱與頂板間破碎的巖體的重量，而與拱外巖體及巷道埋深無(wú)關(guān)。堅(jiān)固性系數(shù)（一）、頂壓計(jì)算拱面積=頂壓=當(dāng)兩幫穩(wěn)定時(shí)當(dāng)兩幫不穩(wěn)定時(shí)頂壓=近似頂壓=（二）、側(cè)壓計(jì)算當(dāng)兩幫不穩(wěn)定時(shí)合力作用點(diǎn)（三）、底壓計(jì)算平均主動(dòng)土壓力平均被動(dòng)土壓力底鼓深度：底壓：（四）、普氏理論特點(diǎn)1、普氏把巖體看成松散體，這種假設(shè)與多數(shù)巖體實(shí)際情況不符，只在某些斷裂破碎帶或強(qiáng)風(fēng)化帶才接近于松散體。2、普氏引進(jìn)堅(jiān)固性系數(shù)f的概念，但由庫(kù)侖準(zhǔn)則，它隨正應(yīng)力的變化而變化，因此f不是巖體本身的特性參數(shù)，同時(shí)也無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)確定。3、按普氏理論，巷道頂壓在中部最大，這與許多實(shí)際工程不符。4、根據(jù)普氏理論，巷道壓力只與巷道跨度有關(guān)，而與巷道斷面形狀、上覆巖層厚度以及施工方法、施工程序無(wú)關(guān)，這些都與實(shí)際不符。底壓靠近兩側(cè)分布底壓沿巷道全寬均與分布底壓主要分布在底板中央六、淺埋巷道地壓計(jì)算

在松散巖體中開(kāi)巷后，若巷道埋深較淺，不能形成自然平衡拱，巷道頂壓可用以下原理計(jì)算。頂壓=最大頂壓=七、太沙基理論

在松散巖體中開(kāi)巷后，由于自重應(yīng)力的作用，巷道兩幫發(fā)生剪切破壞，形成直達(dá)地表的破裂面。此時(shí)位于巷道正上方的垂直巖柱將會(huì)下沉，因此引起的巷道頂壓是垂直巖柱克服兩幫摩擦力下沉的結(jié)果。八、豎井地壓原巖中一個(gè)方向的水平應(yīng)力原巖中另一個(gè)方向的水平應(yīng)力井筒周邊穩(wěn)定條件一、開(kāi)挖豎井引起的應(yīng)力重新分布井筒最大深度二、豎井地壓計(jì)算1、平面擋土墻公式2、圓柱擋土墻公式第二節(jié)采場(chǎng)地壓及其控制一、采場(chǎng)地壓活動(dòng)機(jī)制

由于采礦導(dǎo)致圍巖中形成二次應(yīng)力場(chǎng)，在該應(yīng)力場(chǎng)作用下，采場(chǎng)地壓表現(xiàn)出兩種形式：變形地壓和松脫地壓。實(shí)踐表明，當(dāng)采用空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采水平或緩傾斜礦體時(shí)，地壓活動(dòng)表現(xiàn)為變形地壓；當(dāng)開(kāi)采極傾斜礦體時(shí)，表現(xiàn)為松脫地壓。

此外，地壓活動(dòng)顯現(xiàn)特點(diǎn)與采礦方法密切相關(guān)。當(dāng)采用房柱法，一般表現(xiàn)為頂柱、間柱塌落，進(jìn)而導(dǎo)致上盤(pán)巖石崩落，引起巖石移動(dòng)，造成大規(guī)模地壓活動(dòng)。當(dāng)采用崩落法主要表現(xiàn)在出礦水平巷道的破壞。另外，當(dāng)開(kāi)采深度較深時(shí)，還可能出現(xiàn)動(dòng)力形式的地壓活動(dòng)，例如巖爆。二、空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采水平礦床的地壓活動(dòng)（一）、頂板應(yīng)力分布頂板應(yīng)力分量對(duì)于頂板中央部分的下表面即當(dāng)：1、拉應(yīng)力區(qū)2、卸載區(qū)3、壓縮區(qū)4、支撐壓力區(qū)（二）、采場(chǎng)頂板應(yīng)力帶1、冒落帶2、裂隙帶3、彎曲帶（三）、變形分帶三、空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采傾斜、急傾斜礦體的地壓活動(dòng)地壓活動(dòng)規(guī)律：①在回采空間（礦房）下盤(pán)上角和上盤(pán)下角應(yīng)力集中；②階段礦柱中，應(yīng)力集中發(fā)生在上盤(pán)上角和下盤(pán)下角，其方向說(shuō)明礦柱承受上盤(pán)方向作用力；③空區(qū)高度大時(shí)在上盤(pán)存在拉應(yīng)力區(qū)，階段高度適中上盤(pán)拉應(yīng)力區(qū)消失④距回采空間附近上下盤(pán)圍巖中應(yīng)力低，為應(yīng)力降低區(qū)，階段礦柱附近為應(yīng)力升高區(qū)。四、崩落采礦法地壓活動(dòng)（一）、開(kāi)采水平和緩傾斜礦體地壓活動(dòng)。1、直接頂：位于礦石層上，比較穩(wěn)固的巖層稱(chēng)為直接頂。2、老頂：位于直接頂上的很穩(wěn)固、需經(jīng)過(guò)多次放頂后達(dá)到一定暴露面積的巖層稱(chēng)為老頂。3、偽頂：有時(shí)在礦層和直接頂直接之間軟而薄的巖石稱(chēng)為偽頂。4、周期來(lái)壓：由于放頂?shù)牟粩噙M(jìn)行，老頂暴露面積增大，導(dǎo)致老頂冒落，造成工作面壓力急劇增大，這種來(lái)壓現(xiàn)象隨著工作面的推進(jìn)周期性出現(xiàn)稱(chēng)周期來(lái)壓。前提假設(shè)：將頂板看作懸臂梁，利用彈性地基梁理論進(jìn)行分析1、礦床呈水平賦存；2、回采工作面直線布置；3、儀采區(qū)不留礦柱；4、礦石及頂?shù)装鍘r石均視為彈性體；5、作用于頂板上的載荷均勻分布。其中：壓力分布曲線半波長(zhǎng)由彈性地基梁理論可知，即當(dāng)：頂板壓力最大（二）、壁式崩落法開(kāi)采傾斜和急傾斜礦體地壓活動(dòng)。對(duì)于有底柱崩落法由于回采期間在不同階段底柱承受的壓力不同，可分為三個(gè)階段：1、第一階段：采場(chǎng)進(jìn)行切割拉底之后（未進(jìn)行崩礦），此時(shí)底部壓力較?。?、第二階段：采場(chǎng)崩礦之后，此時(shí)底部壓力較大；2、第三階段：隨放礦進(jìn)行，此時(shí)底部壓力降低大；對(duì)于無(wú)底柱崩落法

由有限元模擬分析及實(shí)測(cè)表明：在進(jìn)路兩側(cè)礦柱中形成應(yīng)力升高區(qū)，而在巷道頂板上方形成應(yīng)力降低區(qū)；在拱腳、墻角處應(yīng)力值較高，巷道兩幫中點(diǎn)處次之，而在巷道頂板中點(diǎn)最小；此外，上分段進(jìn)路回采完全與否，對(duì)相鄰下分段進(jìn)路穩(wěn)定性影響較大；還有同一分段相鄰進(jìn)路的回采順序、推進(jìn)速度也對(duì)周?chē)鷰r體應(yīng)力分布影響較大。五、充填體與圍巖的相互作用1、限制圍巖的變形與位移。2、提高礦柱強(qiáng)度。3、減少能量釋放速度。充填體對(duì)礦柱產(chǎn)生的橫向約束力受充填體包圍的礦柱上的垂直應(yīng)力充填體施加于礦柱上的橫向應(yīng)力礦柱強(qiáng)度提高值礦柱內(nèi)摩擦角礦柱強(qiáng)度增量充填體與圍巖的相互作用

以壁式采礦法為例分析充填體對(duì)頂板巖石應(yīng)力分布的影響前提假設(shè)：仍將頂板視為彈性地基梁。1、隨回采工作面推進(jìn)立即對(duì)空區(qū)充填。2、空區(qū)不留礦柱。3、礦石及充填體為彈性體。4、作用于頂板巖石上的載荷均勻分布。由彈性地基梁理論可知，在礦床一側(cè)頂板壓力：充填體阻力系數(shù)礦石阻力系數(shù)由彈性地基梁理論可知，在充填體一側(cè)頂板壓力：充填體阻力系數(shù)礦石阻力系數(shù)地壓活動(dòng)影響因素：1、自然因素：巖石、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，原巖應(yīng)力狀態(tài)、開(kāi)采深度、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度、地下水活動(dòng)、2、人為因素：采礦方法、礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)、開(kāi)采順序、開(kāi)采強(qiáng)度、支護(hù)方式、爆破規(guī)模。六、開(kāi)采順序?qū)Υ紊鷳?yīng)力分布的影響（一）、沿走向開(kāi)采順序1、自礦體一端向另一端回采（單側(cè)回采）：當(dāng)采用單側(cè)回采時(shí)，回采空間周?chē)鷰r體次生應(yīng)力場(chǎng)取決于采場(chǎng)跨度、同時(shí)回采采場(chǎng)數(shù)目。2、自礦體中央向兩翼回采：當(dāng)采用自礦體中央向兩翼回采的方式時(shí)，周?chē)鷰r體次生應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)與單側(cè)回采相似。3、自礦體兩翼向中央回采：當(dāng)采用方式時(shí)。由于初期采區(qū)彼此相距甚遠(yuǎn)，空區(qū)周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)互不影響，其應(yīng)力場(chǎng)分布與單側(cè)回采相同；邊界礦柱應(yīng)力變化如下圖曲線1和3；當(dāng)空區(qū)接近時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)疊加，此時(shí)應(yīng)力場(chǎng)情況如曲線2、4。（一）、垂直走向開(kāi)采順序1、當(dāng)采取由上盤(pán)到下盤(pán)的開(kāi)采順序時(shí)，由于上盤(pán)巖石提前移動(dòng)，導(dǎo)致下盤(pán)三角部分礦石在回采前被壓壞，回采困難。如果采取先下盤(pán)后上盤(pán)的回采則可避免這種問(wèn)題。2、當(dāng)開(kāi)采傾斜平行礦體時(shí)，上下盤(pán)礦體應(yīng)保持合理的超前關(guān)系。實(shí)踐表明，讓下盤(pán)礦體超前開(kāi)采，但要讓上盤(pán)礦體滯后下盤(pán)礦體一定高度，便可保證不受地壓采動(dòng)影響順利完成回采工作。此滯后高度可根據(jù)上盤(pán)巖石崩落角確定。礦體傾角應(yīng)下盤(pán)礦體應(yīng)力升高被壓碎礦體高度上盤(pán)圍巖崩落角礦體垂距礦體水平距離七、采場(chǎng)頂板跨度極限尺寸的確定

根據(jù)材料力學(xué)梁理論，可將采場(chǎng)頂板視為兩端固定的受均勻載荷的梁，此時(shí)頂板極限跨度由下式確定：頂板厚度頂板的極限跨度頂板所受均布載荷巖石的抗拉強(qiáng)度八、礦柱尺寸的確定1、作用在礦柱上的載荷

當(dāng)開(kāi)采水平或緩傾斜礦床時(shí)，作用在礦柱上的載荷并不總是等于上覆巖層的重量，而是和采場(chǎng)跨度與采深的比值有關(guān)系，當(dāng)比值大于1.5時(shí)，作用于礦柱上的載荷就是上覆巖層的重量；當(dāng)比值為0.5時(shí)，作用于礦柱上的載荷為上覆巖層重量的0.62倍；當(dāng)比值為0.25時(shí)，作用于礦柱上的載荷為上覆巖層重量的0.5倍.2、礦柱強(qiáng)度

試驗(yàn)表明，礦柱寬度與高度的比值對(duì)礦柱強(qiáng)度影響很大。寬度小時(shí)礦柱處于單向受壓狀態(tài)，寬度大時(shí)處于三向受壓狀態(tài)。此外，礦柱形狀也對(duì)礦柱強(qiáng)度有影響。常數(shù)礦柱高度礦柱強(qiáng)度礦柱寬度礦石的單向抗壓強(qiáng)度金屬礦山常用公式：3、礦柱破壞形式①剪切破壞②劈裂破壞③沿結(jié)構(gòu)面的滑移破壞4、礦柱設(shè)計(jì)礦柱強(qiáng)度要求安全系數(shù)，大于1穩(wěn)定，小于1不穩(wěn)定礦柱強(qiáng)度礦柱所受應(yīng)力礦柱應(yīng)力計(jì)算礦柱上方的均布鉛垂應(yīng)力礦房寬度礦柱寬度礦房長(zhǎng)度礦柱應(yīng)力的另一表達(dá)礦房水平面積礦柱水平面積由于礦石回采率故有故有九、地壓控制方法1、崩落圍巖處理空區(qū)。2、支撐方法。①封閉出礦漏斗。②在空區(qū)與主要階段平巷相通的巷道口設(shè)置阻波墻。3、充填空區(qū)。4、改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)按應(yīng)力控制狀態(tài)采礦。十、巖爆及其預(yù)防（一）、誘發(fā)巖爆的因素1、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。2、開(kāi)采深度。3、地質(zhì)構(gòu)造的影響。4、采礦技術(shù)影響。（二）、巖爆預(yù)測(cè)1、研究深部采礦與巖爆的關(guān)系。2、了解巖爆判斷依據(jù)。①能量法②Kidybinski法③彈性變形法3、巖爆預(yù)防。①降低彈性使能釋放速度②減小礦房尺寸③采用預(yù)爆破釋放應(yīng)力④改變礦巖物理力學(xué)性質(zhì)⑤孔槽卸壓一、井巷維護(hù)原則井巷維護(hù)總原則：提高圍巖強(qiáng)度，降低圍巖應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，以便充分發(fā)揮圍巖的自身抗力去支撐井巷地壓。井巷維護(hù)一般原則：1、選擇合理的井巷位置。①井巷位置應(yīng)盡可能布置在水文地質(zhì)條件較好，沒(méi)有軟弱夾層的巖體中，避開(kāi)受水侵蝕易膨脹的巖層和難以維護(hù)的地質(zhì)構(gòu)造破碎帶、化學(xué)蝕變巖層以及溶巖地層等。②應(yīng)盡量避免把井巷布置在巖性變化較大的巖體中，在褶皺地區(qū)，應(yīng)盡量避免將巷道布置在背斜和向斜軸部。③井巷布置應(yīng)盡量避免回采工作的影響。第三節(jié)井巷維護(hù)基本原理2、選擇合理的井巷斷面形狀和尺寸。①巷道斷面的最大尺寸應(yīng)當(dāng)沿著最大來(lái)壓方向布置。②最大來(lái)壓方向的巷道周邊應(yīng)盡量選用曲線形狀，當(dāng)頂壓大時(shí)巷道頂部應(yīng)呈曲線形。③巷道斷面在滿足生產(chǎn)要求的前提下，同時(shí)應(yīng)考慮便于開(kāi)挖，易于維護(hù)和經(jīng)濟(jì)合理。3、選擇合理的支護(hù)類(lèi)型①應(yīng)根據(jù)地壓類(lèi)型選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)。②中型以上礦山的主要運(yùn)輸巷道，或松軟巖層中的巷道，應(yīng)采用噴錨支護(hù)。③使用傳統(tǒng)支架時(shí)，支架不僅要滿足強(qiáng)度條件，還要具有合理的剛度，尤其在變形地壓較大的條件下，支架應(yīng)具有可縮性。4、確定合理的支護(hù)時(shí)間。5、改變巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，減小巷道周邊應(yīng)力集中。6、減小爆破對(duì)圍巖的損傷，保持或設(shè)法提高巖體強(qiáng)度。二、支護(hù)類(lèi)型（一）普通支護(hù)1、剛性支護(hù)2、可縮性支護(hù)（二）噴錨支護(hù)三、支護(hù)形式1、碹（襯砌）2、支架3、錨桿、錨索4、注漿是錨桿和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)的簡(jiǎn)稱(chēng)。1、直墻拱頂形支護(hù)結(jié)構(gòu)四、支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面利用率從左到右依次減小，但穩(wěn)定性順序恰好相反2、馬蹄形支護(hù)結(jié)構(gòu)3、全封閉形支護(hù)結(jié)構(gòu)4、斷面形狀與穩(wěn)定性的關(guān)系一、噴層的力學(xué)作用1、防護(hù)加固圍巖，提高圍巖強(qiáng)度2、改善圍巖和支架的受力狀態(tài)第二節(jié)噴錨支護(hù)無(wú)噴層時(shí)有噴層時(shí)（一）、噴層厚度的分布范圍二、噴層厚度的計(jì)算1、噴層厚度上限：一般不小于石子粒徑的1.5倍，通常為3---5cm。2、噴層厚度下限：一般不大于20cm。（二）、噴層厚度計(jì)算對(duì)于散體危巖1、按“沖切型”破壞計(jì)算巖體自重巖體底面周長(zhǎng)噴層厚度混凝土抗拉強(qiáng)度2、按“撕開(kāi)型”破壞計(jì)算拉伸系數(shù)混凝土彈性模量噴層與巖面間的粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)于軟弱圍巖1、將其視為一種結(jié)構(gòu)，按厚壁筒公式計(jì)算噴層支護(hù)抗力噴層內(nèi)半徑噴層單軸抗壓強(qiáng)度噴層厚度2、按剪切破壞計(jì)算噴層厚度噴層支護(hù)抗力地壓作用范圍噴層抗剪強(qiáng)度噴層厚度二、錨桿的力學(xué)作用1、懸吊作用2、減跨作用3、組合作用4、擠壓加固作用（組合拱）三、錨桿的類(lèi)型按錨固方式不同可分為：1、端部錨固式錨桿（預(yù)應(yīng)力錨桿）：靠端部的錨頭將桿體錨固在巖體內(nèi)，桿體的加一端用螺母將墊板壓緊在巖壁上。2、全長(zhǎng)錨