地應(yīng)力與巷道支護

1、地應(yīng)力與巷道支護第1頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二研究地應(yīng)力的意義 地應(yīng)力是地下工程諸多問題的根源，深入認識地應(yīng)力的分布規(guī)律對煤礦巷道支護具有重要意義；地應(yīng)力由重力造成的分布于地下巖層中的應(yīng)力，在地殼中儲存巨大的能量；對地應(yīng)力的研究正在得到得到世界各國工程界的高度重視。第2頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二地下工程的特點1. 影響因素眾多，且具有不可確定性；2.地下工程結(jié)構(gòu)與巖體共同作用特點；3. 經(jīng)驗與實踐占主導(dǎo)地位；4.井巷工程與其它行業(yè)地下工程的區(qū)別；5.井巷工程要在施工工程中不斷優(yōu)化；6.重視新奧法在地下工程中的引用。第3頁，共39頁

2、，2022年，5月20日，10點47分，星期二一、地應(yīng)力的形成及特點巖體的初始應(yīng)力，是指巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)在應(yīng)力，在地質(zhì)學(xué)中，通常又稱它為地應(yīng)力。地應(yīng)力的成因：巖體的初始應(yīng)力主要是由巖體的自重和地 質(zhì)構(gòu)造運動所引起的。地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造之間的因果關(guān)系整體上講地應(yīng)力是一切地質(zhì)構(gòu)造形成的原動力，反過來地質(zhì)構(gòu)造又會影響到地應(yīng)力的分布和大小 第4頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二二、垂直應(yīng)力隨深度的變化 垂直應(yīng)力：上覆巖層的重量決定垂直應(yīng)力的大小。垂直應(yīng)力隨深度成線形的變化。大概相當于按平均密度為2.7gcm3計算出來的重力H。第5頁，共39頁，2022年，5月20日，1

3、0點47分，星期二三、水平應(yīng)力隨深度的變化 水平應(yīng)力：由于巖體受垂直方向的擠壓，和水平方向的約束，而形成水平應(yīng)力。 垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力相互影響和相互制約。最終達到一個相對平衡的狀態(tài)。水平應(yīng)力隨深度的變化平均水平應(yīng)力通過研究南部非洲、美國、日本、冰島及加拿大等地區(qū)的應(yīng)力測量結(jié)果可以看出，盡管隨著地質(zhì)環(huán)境的變化其結(jié)果有所差異，但揭示出地殼內(nèi)水乎應(yīng)力隨深度增加呈線性關(guān)系增大是普通規(guī)律。第6頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二四、水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之間的關(guān)系在均勻巖體中，巖體的自重初始應(yīng)力狀態(tài)為 式中，為常數(shù)，稱為側(cè)壓力系數(shù)，。巖體自重垂直應(yīng)力Hjxxyzx第7頁，共39頁，20

4、22年，5月20日，10點47分，星期二五、水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力大小一般來說，水平應(yīng)力要大于垂直應(yīng)力。原因分析：地球是一個球形體，巖體所受到的重力是指向地球的中心，在強大的重力作用下，會在地殼中產(chǎn)生巨大的環(huán)向壓力，即水平應(yīng)力，一般來說，這一壓力要遠遠大于垂直壓力。從而形成地球巖體中復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造。也給煤礦的巷道支護帶來很大的困難。第8頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二六、巖體構(gòu)造應(yīng)力地殼的各種地質(zhì)構(gòu)造是在大范圍內(nèi)的巨大的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場作用下發(fā)生和形成的。在各個不同的地質(zhì)年代里，都有不同的地質(zhì)構(gòu)造運動發(fā)生，地質(zhì)構(gòu)造運動過程一般需要很長時間。在同一個地區(qū)，一個構(gòu)造運動結(jié)束之后

5、，或者就在這個構(gòu)造運動發(fā)生的過程中，又有新的構(gòu)造運動發(fā)生，就會形成新的構(gòu)造應(yīng)力場與老構(gòu)造應(yīng)力場的疊加，形成復(fù)雜的復(fù)合構(gòu)造應(yīng)力場。各種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造就是在長期的地質(zhì)構(gòu)造運動作用下形成的。第9頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二六、巖體構(gòu)造應(yīng)力由地質(zhì)特征推斷的應(yīng)力方向（a）（e）均為平面圖下上下上（c）平推斷層（a）正斷層（b）逆斷層（e）褶皺（d）巖脈1111113第10頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二七、影響巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的其他因素（一）地形地形的起伏會影響巖體內(nèi)的自重應(yīng)力。但這種地形的影響只是在地表下一定深度范圍內(nèi)較明顯。山谷的谷底的應(yīng)力由于

6、凹口的應(yīng)力集中而很大。在均質(zhì)巖層中，凹口的應(yīng)力集中現(xiàn)象還比較規(guī)則，而在非均質(zhì)巖層中，巖體中的應(yīng)力變化還會隨巖性的變化而變得更復(fù)雜 。第11頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二（二）地質(zhì)條件對自重應(yīng)力的影響地質(zhì)構(gòu)造對自重應(yīng)力也有影響。背斜褶曲的影響，在褶曲兩翼顯示出應(yīng)力增大，而在褶曲中部則應(yīng)力降低。也可以推測，在向斜的兩翼會出現(xiàn)應(yīng)力降低、而在向斜核部顯示出應(yīng)力增大的現(xiàn)象。第12頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二（三）巖性對地應(yīng)力的影響在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場作用下，使巖體產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，因而使巖體中儲存著彈性能，巖體的塑性變形使部分能量轉(zhuǎn)化為熱能及位

7、能，或者由于巖體的流變特性，使得構(gòu)造應(yīng)力場中的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力得以部分釋放。因此，在地質(zhì)構(gòu)造運動中，巖體中儲存的能量是通過彈性變形才能達到的，巖體的彈性變形越大，則巖體儲藏的能量就越多。當巖體中的應(yīng)力達到強度極限，巖體產(chǎn)生破壞。除巖體中保存一部分殘余變形外，其儲存的能量將部分或全部釋放，構(gòu)造應(yīng)力也就部分或全部消失。若巖體中的應(yīng)力尚未達到強度極限，但由于巖體的蠕變特性，也會使構(gòu)造應(yīng)力部分消失。因此，地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，但巖體中儲存的構(gòu)造應(yīng)力不可能無限地積累起來，視所處地區(qū)不同或地質(zhì)條件不同，巖體的構(gòu)造應(yīng)力可能全部或部分釋放，成為殘余應(yīng)力。 第13頁，共39頁，2022年，5月20日，10點

8、47分，星期二（四）水壓力和熱應(yīng)力存在于巖體型隙或孔隙中的水，靜止時呈現(xiàn)靜水壓力，流動時產(chǎn)生動水壓力。在通常情況下，靜水壓力只是起到減輕巖體質(zhì)量的浮力作用，浮力的大小等于水的密度與所考慮點的水頭高度的乘積。巖體中地下水位的升降，可引起巖體重量的減少或增加，因此，靜水壓力要視具體情況具體分析其產(chǎn)生的作用。第14頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二八、巖體初始應(yīng)力狀態(tài)巖體的初始應(yīng)力主要是由巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運動所引起的。顯然，巖體的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力是與巖體的特性（例如巖體中的裂隙發(fā)育密度與方向，巖體的彈性、塑性、粘性等）有密切關(guān)系，也與正在發(fā)生過程中的地質(zhì)構(gòu)造運動以及與歷次構(gòu)造

9、運動所形成的各種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象（例如斷層、褶皺等）有密切關(guān)系。每一地區(qū)都有一個特定的應(yīng)力場。 第15頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二九、次生應(yīng)力場這種應(yīng)力場是指人類在巖體中開鑿硐室，而使原有的應(yīng)力場遭到破壞，地應(yīng)力會在硐室周圍形成一個新的應(yīng)力場。這一應(yīng)力場次生應(yīng)力場。并在巷道的圍巖中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。特點：范圍小，僅分布在硐室周圍； 由原始的地應(yīng)力和硐室形狀及大小共同決 定；可用數(shù)值分析的辦法來模擬。選取巷道形狀優(yōu)化圍巖應(yīng)力場。圓形巷道，橢圓巷道，拱形巷道，梯形巷道。第16頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二十、地應(yīng)力和巷道支護之間的關(guān)系地應(yīng)力是影

10、響巷道支護的決定性因素。主要是地應(yīng)力的大小和方向，判別地應(yīng)力場的主應(yīng)力方向?qū)υO(shè)計巷道支護方案極為重要。不同的地應(yīng)力方向?qū)?yīng)于不同的巷道破壞形態(tài)。第17頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二巖性對巷道穩(wěn)定是另外一個重要因素。巖體（或巖石）的強度對與地應(yīng)力存在著相對關(guān)系。 1.巖石的類別； 2.圍巖的完整性； 3.巖石的含水情況； 4.巖石的礦物成分； 5.巖石的強度； 第18頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二十一、巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)場量測方法 巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測的目的是在于了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向，從而為分析巖體工程的受力狀態(tài)以及為支護及巖體加固

11、提供依據(jù)。巖體應(yīng)力量測還可以是預(yù)報告體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報巖爆的有力工具。巖體應(yīng)力量測可以分為巖體初始應(yīng)力量測和地下工程應(yīng)力分布量測，前者是為了測定巖體初始地應(yīng)力場，后者則為測定巖體開挖后引起的應(yīng)力重分布狀況。從巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測的技術(shù)來講這二者并無原則區(qū)別。第19頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二 地應(yīng)力測量方法一覽表 測量原理測量方法解除方法使用條件可信度一、測量變形1.鋼環(huán)變形計2.鋼弦應(yīng)力計3.壓磁應(yīng)力計4.液壓計套孔解除套孔解除套孔解除套孔解除要求不嚴要求不嚴巖石完整要求較高較高較高較高參考二、測量應(yīng)變5.孔底應(yīng)變叢6.光彈雙向應(yīng)變計7.孔壁之軸應(yīng)變叢孔底解除孔底解

12、除套孔解除巖石完整巖石完整巖石完整較低參考較高三、包體變形8.光彈柱塞9.羅拾光彈應(yīng)力計套孔解除套孔解除適用于軟巖適用于軟巖參考參考四、破裂10.水壓致裂11.聲裂聲發(fā)射不用解除不用解除要求不高要求較高較高較低第20頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二十二、應(yīng)力解除法應(yīng)力解除法是巖體應(yīng)力量測中應(yīng)用較廣的應(yīng)用基本原理：當需要測定巖體中某點的應(yīng)力狀態(tài)時，人為地將該處的巖體單元與周圍巖體分離，此時，巖體單元上所受的應(yīng)力將被解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測定這種彈性恢復(fù)的應(yīng)值或變形值，并且認為巖體是連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性

13、理論的解答來計算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。第21頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二鉆孔套孔應(yīng)力解除的的主要工作步驟 1套鉆大孔；2取巖芯并孔底磨平；3套鉆小孔；4取小孔巖芯；5粘貼元件測初讀數(shù)；6應(yīng)力解除；7取巖芯；8測終讀數(shù)第22頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二鉆孔變形計(b)懸臂鋼片式(a)鋼環(huán)式第23頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二孔底應(yīng)力解除法法工作步驟第24頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二十三、應(yīng)力恢復(fù)法應(yīng)力恢復(fù)法是用來直接測定巖體應(yīng)力大小的一種測試方法，目前此法僅用于巖體表層，當已知

14、某巖體中的主應(yīng)力方向時，采用本方法較為方便。p1221oAAp（a） 應(yīng)力恢復(fù)法原理圖（b）o第25頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二主要試驗過程簡述 1.在選定的試驗點上，沿解除槽的中重線上安裝好量測元件。量測元件可以是千分表、鋼弦應(yīng)變計或電阻應(yīng)變片等，若開槽長度為B，則應(yīng)計中心一般距槽B/3，槽的方向與預(yù)定所需測定的應(yīng)力方向垂直。槽的尺寸根據(jù)所使用的壓力枕大小而定。槽的深度要求大于B/2。2.記錄量測元件應(yīng)變計的初始讀數(shù)。3.開鑿解除槽，巖體產(chǎn)生變形并記錄應(yīng)變計上的計數(shù)。4.在開控好的解除槽中埋設(shè)壓力枕，并且水泥砂漿充填空隙。5.待充填水泥漿達到一定強度以后，即將壓

15、力枕聯(lián)結(jié)油泵，通過壓力枕對巖體施壓。隨著壓力枕所施加的力p的增加，巖體變形逐步恢復(fù)。逐步記錄壓力p與恢復(fù)變形（應(yīng)變）的關(guān)系。6.當假設(shè)巖體為理想彈性體時，則當應(yīng)變計回復(fù)到初始讀數(shù)時，此時壓力枕對巖體所施加的壓力p即為所求巖體的主應(yīng)力。2213BBly第26頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二十四、地應(yīng)力測試結(jié)果的應(yīng)用地應(yīng)力測試結(jié)果的可信度定量分析，定性使用；測試結(jié)果具有區(qū)域性；多點結(jié)果基本上能夠反映出地應(yīng)力場的方向，但還要結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造共同分析；巷道壓力測試和地應(yīng)力測試的結(jié)果有本質(zhì)的不同。第27頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二地應(yīng)力對巷道破壞的形態(tài)

16、的影響綜合考慮巷道的形狀和圍巖的巖性一般來說，巷道的破壞主要和第一主應(yīng)力有關(guān)，通常是壓剪破壞，由巷道的破壞形態(tài)可以初步判定主應(yīng)力與巷道的空間方位；高地應(yīng)力會使巖石具有軟巖特性；根據(jù)地應(yīng)力合理設(shè)計巷道和地應(yīng)力的空間方位。第28頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二十五 礦壓與地應(yīng)力礦壓：一般是指采場上覆巖石直接作用在支架和工作面煤體上的直接壓力，一般來說礦壓與開采深度關(guān)聯(lián)性比較大；同時還和煤層頂板的巖性有關(guān)；水平方向的地應(yīng)力對礦壓的影響較弱；礦壓是由于采煤而引起的，而地應(yīng)力和采礦活動共同產(chǎn)生的。第29頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二十六 高地應(yīng)力巖（

17、煤）層中的巷道加強支護，最大限度地提高圍巖支撐能力，必要時采取聯(lián)合支護方式； 維護圍巖的自身穩(wěn)定性，防止圍巖的巖性弱化；加大巷道的初始斷面，為巷道變形留出變形余地；在時間和空間上與采掘活動相協(xié)調(diào)。第30頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二十七 地應(yīng)力與瓦斯突出典型案例： 2004年10月20日，河南省鄭州煤業(yè)集團公司大平煤礦發(fā)生一起特大型煤與瓦斯突出而引發(fā)的特別重大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡，32人受傷。 原因分析： 調(diào)查組對事故原因初步分析認為，21巖石下山掘進工作面進入礦井深部，處于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地帶；該礦為高瓦斯礦，對礦井開采深度增加可能帶來的瓦斯等級升高沒有引起

18、足夠重視。煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的礦井瓦斯動力現(xiàn)象，到目前為止，各種地質(zhì)、開采條件下，煤與瓦斯突出發(fā)生的規(guī)律還沒有完全掌握。 第31頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二 10月10日上午，由國家煤礦安監(jiān)局行管司司長曹安雅率領(lǐng)的國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會辦公室督查組，在焦作市委常委、副市長遲軍，河南煤化集團安監(jiān)局局長薛志俊，焦煤總經(jīng)理王洪海，副總經(jīng)理、安監(jiān)局局長楊建增等人的陪同下，到九里山礦還進行了督查安全工作情況。曹安雅對河南煤化集團“012345”安全管理模式給予了充分肯定。 曹安雅指出，河南煤業(yè)化工集團有很多值得總結(jié)推廣的安全管理先進經(jīng)驗，特別是安全“零”理念的提出，對于安

19、全工作的認識程度走在了全國的前列。九里山礦在瓦斯治理工作上取得了突出的成績，保證了礦井的安全生產(chǎn)。在瓦斯綜合利用上也取得了很好的效果，真正做到了高碳行業(yè)，低碳發(fā)展。他說，要保證河南煤炭系統(tǒng)安全形勢的根本好轉(zhuǎn)，最主要的就是要全力以赴做好瓦斯治理工作。焦煤集團九里山礦瓦斯突出第32頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二“012345”安全管理模式，一、從“零”開始，向“零”奮斗二、實施“一號”工程 “安全是員工最大福利” ，是一號工程。 三、深化“兩個”抓手 積極推行雙基建設(shè)、強化基層建設(shè)、夯實基礎(chǔ)管理，通過“國家安全 標準化二級企業(yè)”，提出在2011年具備“國家一級安全標準化

20、企業(yè)”四、安全“三個”一切 安全工作高于一切、安全工作先于一切、安全工作重于一切。五、完善“四大”體系 完善科技支撐體系、完善職工培訓(xùn)體系、完善安全評價體系、完善 應(yīng)急救援體系。 六、落實“五自”管理公司自主、系統(tǒng)自控、分廠自治、班組自理、員工自律。第33頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二常見的事故原因分析政府監(jiān)管原因；經(jīng)濟利益驅(qū)動，煤礦超產(chǎn)；生產(chǎn)技術(shù)水平及生產(chǎn)管理；技術(shù)及管理人員缺乏和素質(zhì)有限；處罰力度偏低，執(zhí)法不嚴；安全欠賬。第34頁，共39頁，2022年，5月20日，10點47分，星期二安全網(wǎng)評大樓一著火，全國講消防；道路一塌方，到處查橋梁；一有流行病，全民講衛(wèi)生；學(xué)生被砍傷，校門忙加崗；突發(fā)大車禍，上路查交則；一地出礦難，全國查安全；北京查娛樂，各省關(guān)歌廳；頭疼治頭疼，腳病醫(yī)腳病；平時很稀松，出事一窩蜂；如此搞下去，早晚全身??！ 第35頁，共39頁，202