2.2礦山壓力及其控制

1、2.3.3 多孔存在時，周圍應(yīng)力分布的狀況 以上所述為單一孔周圍的應(yīng)力重新分布情況，實際上在采礦工程中還經(jīng)常會遇到多條巷道之間或回采空間對巷道的影響等問題。這些情況可簡化為多孔的相互影響問題。一般相鄰兩孔的影響程度及多孔周圍的應(yīng)力分布受到下列一些因素的影響： 孔斷面的形狀及其尺寸大??； 相鄰兩孔相隔的距離； 同一水平內(nèi)兩鄰孔的數(shù)目； 原巖應(yīng)力場的性質(zhì)及有關(guān)參數(shù)。 （1）斷面相同的兩個鄰孔(雙向等壓)（2）大小不等的相鄰兩孔的應(yīng)力分布RR3R3.28 H4.26 H2.75 H2.49 H大小不等的相鄰兩孔的應(yīng)力分布圖2.3.4 矩形孔周邊的應(yīng)力分布 地下工程中經(jīng)常遇到一些非圓形巷道，如矩形、梯

2、形、拱形等。 非圓形孔周圍的應(yīng)力計算十分復(fù)雜，目前為止，還不能運(yùn)用精確的理論進(jìn)行求解，一般只能借助數(shù)值計算。其一般規(guī)律是，矩形孔的拐角處一般產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，而長直邊處容易產(chǎn)生拉應(yīng)力。矩形的長軸平行于最大來壓方向有利，具體與有關(guān)參數(shù)有關(guān)。數(shù)值計算的方法綜上所述，假設(shè)孔周圍處于彈性狀態(tài)的條件下，應(yīng)力重新分布有以下一些特點可循。（1）孔周圍形成了切向應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大切向應(yīng)力發(fā)生在孔的周邊。對圓形和橢圓形孔，最大切向應(yīng)力發(fā)生在孔的兩幫中點和頂?shù)椎闹胁?。對矩形孔，則最大切向應(yīng)力發(fā)生在四角處，但在長直邊處容易產(chǎn)生拉應(yīng)力。（2）應(yīng)力集中系數(shù)的大小，對于單一孔來說，圓形孔僅與側(cè)壓系數(shù)有關(guān)，其值k=23。對橢

3、圓孔，則不僅與有關(guān)，還與孔的軸長比有關(guān)。一般當(dāng)a/b=2，=01時，k=45。對多孔來說，k值升高是由于單孔應(yīng)力分布迭加作用結(jié)果，其值視孔的大小和間距以及原巖應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)值而定。在前后兩個回采空間的影響條件下，中間巷道所在地點的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)7，有時可能更大。 （3）不論何種形狀的孔，它周圍應(yīng)力重新分布（主要指切向應(yīng)力）從理論上說影響是無限的，但從影響的劇烈程度來看，都有一定的影響半徑。通?？扇∏邢驊?yīng)力值超過原巖垂直應(yīng)力5處做為邊界線。 （4）孔的影響范圍與孔的斷面大小有關(guān)。2.3.5 回采空間周圍應(yīng)力重新分布 西德埃森采礦研究中心曾將開采煤巖體作為彈性體，利用有限元法進(jìn)行應(yīng)力分布的模擬研

4、究。主要研究了開挖空間周邊的環(huán)向應(yīng)力分布。工作面工作面90MPa170MPa170MPa50MPa50MPa35MPa35MPa50MPa采空區(qū)250m250m 模擬的開采條件為：開采深度1000m，原巖垂直應(yīng)力z=25MPa。從圖中可看出，中部拐角處的應(yīng)力值高達(dá)170 MPa是原巖應(yīng)力25MPa的近7倍。有時甚至更大。隨回采工作面的推進(jìn)，隨回采工作面的推進(jìn)，四周垂直應(yīng)力分布發(fā)四周垂直應(yīng)力分布發(fā)生變化生變化工作面開采后的應(yīng)力分布計算圖工作面開采后的應(yīng)力分布計算圖2.5 圍巖的極限平衡與支承壓力分布圍巖的極限平衡與支承壓力分布 巖體內(nèi)開掘巷道后，巷道圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，一般將巷道兩側(cè)改變后

5、的切向應(yīng)力增高部分將巷道兩側(cè)改變后的切向應(yīng)力增高部分稱為支承壓力稱為支承壓力。支承壓力是礦山壓力的重要組成部分。 由前面 的分析可近似地認(rèn)為，一般巷道兩側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)為23，有時可達(dá)45，甚至更大。這樣，在巷道兩側(cè)周邊的圍巖上就將承受（23）1或（45）t的鉛直壓力。由于處于周邊的巖塊側(cè)向應(yīng)力為零，為單向壓縮狀態(tài)。隨著向深部發(fā)展，巖塊逐漸變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)。若巷道兩側(cè)是松軟巖層，如煤、頁巖等，則在線壓力作用下就可能處于破壞狀態(tài)。隨著向巖塊內(nèi)部發(fā)展，巖塊的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，直到某一半徑R處又處于彈性狀態(tài)。半徑R范圍內(nèi)的巖塊就處于極限平衡狀態(tài)，這個范圍稱為極限平衡區(qū)。支承壓力的概念是我們采礦工程中

6、一個極其重要的概念！ 圍巖三區(qū)的形成圍巖三區(qū)的形成 原始應(yīng)力區(qū)原始應(yīng)力區(qū)彈性區(qū)彈性區(qū)塑性區(qū)塑性區(qū)pR0Rereprp0p塑性區(qū)：塑性區(qū)：巖石完巖石完全破碎或出現(xiàn)裂全破碎或出現(xiàn)裂隙；隙； 彈性區(qū)：彈性區(qū)：巖石沒有巖石沒有出現(xiàn)破壞，但應(yīng)力出現(xiàn)破壞，但應(yīng)力分布與原巖應(yīng)力不分布與原巖應(yīng)力不同，滿足虎克定律；同，滿足虎克定律； 原始應(yīng)力區(qū)：原始應(yīng)力區(qū)：與原巖與原巖應(yīng)力狀態(tài)相同，即不應(yīng)力狀態(tài)相同，即不受影響區(qū)。受影響區(qū)。極限平衡區(qū)極限平衡區(qū)極限平衡區(qū)極限平衡區(qū)彈性區(qū)彈性區(qū)圓孔極限平衡區(qū)應(yīng)力分布：圓孔極限平衡區(qū)應(yīng)力分布：1sin1sin1cot1cotsin1sin20sin1sin20RrCRrCptpr

7、1、塑性區(qū)應(yīng)力：、塑性區(qū)應(yīng)力：cotsin1sin1cotcotcotsin1sin201sin1sin201CRrCPCRrCPppr無支護(hù)無支護(hù)有支護(hù)有支護(hù)eerpR0R0pprpcR 無支護(hù)應(yīng)力分布無支護(hù)應(yīng)力分布pe0perprpRcR0R有支護(hù)應(yīng)力分布有支護(hù)應(yīng)力分布sin2sin10cotsin1cotCCHRRp2、塑性區(qū)半徑、塑性區(qū)半徑（卡斯特納方程 ）sin2sin1100cotsin1cotCPCpRRp無支護(hù)無支護(hù)有支護(hù)有支護(hù) 卡斯特納方程揭示了支護(hù)力對巷道圍巖強(qiáng)度及應(yīng)力分布的影響。 采場圍巖極限平衡采場圍巖極限平衡 1、力學(xué)分析：、力學(xué)分析： 在煤體內(nèi)取一單元體； 由水平方

8、向靜力平衡有： 即： 由極限平衡條件有： 求微分：02dxfmdmyxxxxcyRsin1sin1xyddsin1sin102dxfmdyx 將 代入上式得： 求解得： 代入初始條件： （ 煤幫承載能力） 解得： 故有： xddxmfdyysin1sin12Cmxfysin1sin12ln00|Nxy0NC 0Nsin1sin120mxfpyeN2、煤壁前方應(yīng)力分布：、煤壁前方應(yīng)力分布：sin1sin120mxfpyeN極限平衡區(qū)極限平衡區(qū) D彈性區(qū)彈性區(qū) E原始應(yīng)力區(qū)原始應(yīng)力區(qū) F圍巖分區(qū)圍巖分區(qū)減壓區(qū)減壓區(qū) A增壓區(qū)增壓區(qū) B穩(wěn)壓區(qū)穩(wěn)壓區(qū) C應(yīng)力分區(qū)應(yīng)力分區(qū)（二者有交叉） 一般以高于原巖應(yīng)力一般以高于原巖應(yīng)力5%為集中應(yīng)力影響范圍，為集中應(yīng)力影響范圍，以遠(yuǎn)可以認(rèn)為是原始應(yīng)力區(qū)（有時劃歸彈性區(qū)）。以遠(yuǎn)可以認(rèn)為是原始應(yīng)力區(qū)（有時劃歸彈性區(qū)）。3、應(yīng)力及圍巖分區(qū)：、應(yīng)力及圍巖分區(qū)：五、支承壓力在底板中的傳播：五、支承壓力在底板中的傳播： 1、集中載荷時應(yīng)力傳播規(guī)律：、集中載荷時應(yīng)力傳播規(guī)律： 由土力學(xué)得到：由土力學(xué)得到：25221123zrKzPKz z深度； r距作用線水平距離2、應(yīng)力在煤層底板中的分布：、應(yīng)力在煤層底板中的分布：煤柱、煤體下等