巖石力學巖石壓力及其控制

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，它既包括原巖對圍巖的作用力，也包括圍巖間的相互作用力，又包括圍巖對支架的作用力。狹義地壓：把圍巖因變形移動和巖塊冒落作用在支架上的壓力稱為狹義地壓。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為廣義地壓。二、地壓分類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彈性變形地壓：由于圍巖彈性變形而使支架受到的壓力稱為彈性變形地壓。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為塑性變形地壓。③流變地壓：由于圍巖隨時間延長而產(chǎn)生變形流動現(xiàn)象而造成的地壓。2、散體地壓：由于開挖，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為散體地壓或松動地壓。3、沖擊地壓：又稱巖爆，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)生的壓力稱為膨脹地壓。三、圍巖與支架的共同作用1、圍巖對支架的作用力等于支架對圍巖的反作用力，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巷后巷道周邊位移減去支護前巷道位移。3、支架的壓縮量與圍巖對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)，支護抗力與圍巖自承能力之和等于原巖應力，即支架與圍巖共同承擔原巖應力。1、開巷后立即架設支架，且支架為理想絕對剛性，此時支架所受的力最大，而圍巖僅負擔產(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。此時支架所受的力為0，而巷道周邊位移最大，此時圍巖承擔全部地壓。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之間任一點工作。由于圍巖通常不能承受最大的周邊位移，在D點圍巖就開始脫落，D點稱為脫落點，因此支架最佳工作點應在D點以上且最靠近D點處。四、圍巖壓力計算五、普氏理論分析

在松散巖體中開巷后，巷道頂部的巖體會產(chǎn)生脫落，當脫落到一定程度時，巖體進行入新的平衡，此時想到頂部會形成一個自然平衡拱，自然平衡拱以上的巖體重量通過拱傳遞到巷道兩幫，而對拱內(nèi)巖體無任何影響。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關(guān)。堅固性系數(shù)（一）、頂壓計算拱面積=頂壓=當兩幫穩(wěn)定時當兩幫不穩(wěn)定時頂壓=近似頂壓=（二）、側(cè)壓計算當兩幫不穩(wěn)定時合力作用點（三）、底壓計算平均主動土壓力平均被動土壓力底鼓深度：底壓：（四）、普氏理論特點1、普氏把巖體看成松散體，這種假設與多數(shù)巖體實際情況不符，只在某些斷裂破碎帶或強風化帶才接近于松散體。2、普氏引進堅固性系數(shù)f的概念，但由庫侖準則，它隨正應力的變化而變化，因此f不是巖體本身的特性參數(shù)，同時也無法通過試驗確定。3、按普氏理論，巷道頂壓在中部最大，這與許多實際工程不符。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、施工程序無關(guān)，這些都與實際不符。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、淺埋巷道地壓計算

在松散巖體中開巷后，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算。頂壓=最大頂壓=七、太沙基理論

在松散巖體中開巷后，由于自重應力的作用，巷道兩幫發(fā)生剪切破壞，形成直達地表的破裂面。此時位于巷道正上方的垂直巖柱將會下沉，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方向的水平應力原巖中另一個方向的水平應力井筒周邊穩(wěn)定條件一、開挖豎井引起的應力重新分布井筒最大深度二、豎井地壓計算1、平面擋土墻公式2、圓柱擋土墻公式第二節(jié)采場地壓及其控制一、采場地壓活動機制

由于采礦導致圍巖中形成二次應力場，在該應力場作用下，采場地壓表現(xiàn)出兩種形式：變形地壓和松脫地壓。實踐表明，當采用空場法開采水平或緩傾斜礦體時，地壓活動表現(xiàn)為變形地壓；當開采極傾斜礦體時，表現(xiàn)為松脫地壓。

此外，地壓活動顯現(xiàn)特點與采礦方法密切相關(guān)。當采用房柱法，一般表現(xiàn)為頂柱、間柱塌落，進而導致上盤巖石崩落，引起巖石移動，造成大規(guī)模地壓活動。當采用崩落法主要表現(xiàn)在出礦水平巷道的破壞。另外，當開采深度較深時，還可能出現(xiàn)動力形式的地壓活動，例如巖爆。二、空場法開采水平礦床的地壓活動（一）、頂板應力分布頂板應力分量對于頂板中央部分的下表面即當：1、拉應力區(qū)2、卸載區(qū)3、壓縮區(qū)4、支撐壓力區(qū)（二）、采場頂板應力帶1、冒落帶2、裂隙帶3、彎曲帶（三）、變形分帶三、空場法開采傾斜、急傾斜礦體的地壓活動地壓活動規(guī)律：①在回采空間（礦房）下盤上角和上盤下角應力集中；②階段礦柱中，應力集中發(fā)生在上盤上角和下盤下角，其方向說明礦柱承受上盤方向作用力；③空區(qū)高度大時在上盤存在拉應力區(qū)，階段高度適中上盤拉應力區(qū)消失④距回采空間附近上下盤圍巖中應力低，為應力降低區(qū)，階段礦柱附近為應力升高區(qū)。四、崩落采礦法地壓活動（一）、開采水平和緩傾斜礦體地壓活動。1、直接頂：位于礦石層上，比較穩(wěn)固的巖層稱為直接頂。2、老頂：位于直接頂上的很穩(wěn)固、需經(jīng)過多次放頂后達到一定暴露面積的巖層稱為老頂。3、偽頂：有時在礦層和直接頂直接之間軟而薄的巖石稱為偽頂。4、周期來壓：由于放頂?shù)牟粩噙M行，老頂暴露面積增大，導致老頂冒落，造成工作面壓力急劇增大，這種來壓現(xiàn)象隨著工作面的推進周期性出現(xiàn)稱周期來壓。前提假設：將頂板看作懸臂梁，利用彈性地基梁理論進行分析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由彈性地基梁理論可知，即當：頂板壓力最大（二）、壁式崩落法開采傾斜和急傾斜礦體地壓活動。對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，可分為三個階段：1、第一階段：采場進行切割拉底之后（未進行崩礦），此時底部壓力較??；2、第二階段：采場崩礦之后，此時底部壓力較大；2、第三階段：隨放礦進行，此時底部壓力降低大；對于無底柱崩落法

由有限元模擬分析及實測表明：在進路兩側(cè)礦柱中形成應力升高區(qū)，而在巷道頂板上方形成應力降低區(qū)；在拱腳、墻角處應力值較高，巷道兩幫中點處次之，而在巷道頂板中點最??；此外，上分段進路回采完全與否，對相鄰下分段進路穩(wěn)定性影響較大；還有同一分段相鄰進路的回采順序、推進速度也對周圍巖體應力分布影響較大。五、充填體與圍巖的相互作用1、限制圍巖的變形與位移。2、提高礦柱強度。3、減少能量釋放速度。充填體對礦柱產(chǎn)生的橫向約束力受充填體包圍的礦柱上的垂直應力充填體施加于礦柱上的橫向應力礦柱強度提高值礦柱內(nèi)摩擦角礦柱強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頂板巖石應力分布的影響前提假設：仍將頂板視為彈性地基梁。1、隨回采工作面推進立即對空區(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)地壓活動影響因素：1、自然因素：巖石、巖體的物理力學性質(zhì)，原巖應力狀態(tài)、開采深度、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度、地下水活動、2、人為因素：采礦方法、礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采順序、開采強度、支護方式、爆破規(guī)模。六、開采順序?qū)Υ紊鷳Ψ植嫉挠绊懀ㄒ唬?、沿走向開采順序1、自礦體一端向另一端回采（單側(cè)回采）：當采用單側(cè)回采時，回采空間周圍巖體次生應力場取決于采場跨度、同時回采采場數(shù)目。2、自礦體中央向兩翼回采：當采用自礦體中央向兩翼回采的方式時，周圍巖體次生應力場狀態(tài)與單側(cè)回采相似。3、自礦體兩翼向中央回采：當采用方式時。由于初期采區(qū)彼此相距甚遠，空區(qū)周圍應力場互不影響，其應力場分布與單側(cè)回采相同；邊界礦柱應力變化如下圖曲線1和3；當空區(qū)接近時，應力場疊加，此時應力場情況如曲線2、4。（一）、垂直走向開采順序1、當采取由上盤到下盤的開采順序時，由于上盤巖石提前移動，導致下盤三角部分礦石在回采前被壓壞，回采困難。如果采取先下盤后上盤的回采則可避免這種問題。2、當開采傾斜平行礦體時，上下盤礦體應保持合理的超前關(guān)系。實踐表明，讓下盤礦體超前開采，但要讓上盤礦體滯后下盤礦體一定高度，便可保證不受地壓采動影響順利完成回采工作。此滯后高度可根據(jù)上盤巖石崩落角確定。礦體傾角應下盤礦體應力升高被壓碎礦體高度上盤圍巖崩落角礦體垂距礦體水平距離七、采場頂板跨度極限尺寸的確定

根據(jù)材料力學梁理論，可將采場頂板視為兩端固定的受均勻載荷的梁，此時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度八、礦柱尺寸的確定1、作用在礦柱上的載荷

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

試驗表明，礦柱寬度與高度的比值對礦柱強度影響很大。寬度小時礦柱處于單向受壓狀態(tài)，寬度大時處于三向受壓狀態(tài)。此外，礦柱形狀也對礦柱強度有影響。常數(shù)礦柱高度礦柱強度礦柱寬度礦石的單向抗壓強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、礦柱設計礦柱強度要求安全系數(shù)，大于1穩(wěn)定，小于1不穩(wěn)定礦柱強度礦柱所受應力礦柱應力計算礦柱上方的均布鉛垂應力礦房寬度礦柱寬度礦房長度礦柱應力的另一表達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置阻波墻。3、充填空區(qū)。4、改變圍巖應力狀態(tài)按應力控制狀態(tài)采礦。十、巖爆及其預防（一）、誘發(fā)巖爆的因素1、巖石的物理力學性質(zhì)。2、開采深度。3、地質(zhì)構(gòu)造的影響。4、采礦技術(shù)影響。（二）、巖爆預測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、巖爆預防。①降低彈性使能釋放速度②減小礦房尺寸③采用預爆破釋放應力④改變礦巖物理力學性質(zhì)⑤孔槽卸壓一、井巷維護原則井巷維護總原則：提高圍巖強度，降低圍巖應力，改善圍巖應力狀態(tài)，以便充分發(fā)揮圍巖的自身抗力去支撐井巷地壓。井巷維護一般原則：1、選擇合理的井巷位置。①井巷位置應盡可能布置在水文地質(zhì)條件較好，沒有軟弱夾層的巖體中，避開受水侵蝕易膨脹的巖層和難以維護的地質(zhì)構(gòu)造破碎帶、化學蝕變巖層以及溶巖地層等。②應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)，應盡量避免將巷道布置在背斜和向斜軸部。③井巷布置應盡量避免回采工作的影響。第三節(jié)井巷維護基本原理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當沿著最大來壓方向布置。②最大來壓方向的巷道周邊應盡量選用曲線形狀，當頂壓大時巷道頂部應呈曲線形。③巷道斷面在滿足生產(chǎn)要求的前提下，同時應考慮便于開挖，易于維護和經(jīng)濟合理。3、選擇合理的支護類型①應根據(jù)地壓類型選擇支護結(jié)構(gòu)。②中型以上礦山的主要運輸巷道，或松軟巖層中的巷道，應采用噴錨支護。③使用傳統(tǒng)支架時，支架不僅要滿足強度條件，還要具有合理的剛度，尤其在變形地壓較大的條件下，支架應具有可縮性。4、確定合理的支護時間。5、改變巷道圍巖應力狀態(tài)，減小巷道周邊應力集中。6、減小爆破對圍巖的損傷，保持或設法提高巖體強度。二、支護類型（一）普通支護1、剛性支護2、可縮性支護（二）噴錨支護三、支護形式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)合支護的簡稱。1、直墻拱頂形支護結(jié)構(gòu)四、支護結(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、馬蹄形支護結(jié)構(gòu)3、全封閉形支護結(jié)構(gòu)4、斷面形狀與穩(wěn)定性的關(guān)系一、噴層的力學作用1、防護加固圍巖，提高圍巖強度2、改善圍巖和支架的受力狀態(tài)第二節(jié)噴錨支護無噴層時有噴層時（一）、噴層厚度的分布范圍二、噴層厚度的計算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）、噴層厚度計算對于散體危巖1、按“沖切型”破壞計算巖體自重巖體底面周長噴層厚度混凝土抗拉強度2、按“撕開型”破壞計算拉伸系數(shù)混凝土彈性模量噴層與巖面間的粘結(jié)強度對于軟弱圍巖1、將其視為一種結(jié)構(gòu)，按厚壁筒公式計算噴層支護抗力噴層內(nèi)半徑噴層單軸抗壓強度噴層厚度2、按剪切破壞計算噴層厚度噴層支護抗力地壓作用范圍噴層抗剪強度噴層厚度二、錨桿的力學作用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、錨桿的類型按錨固方式不同可分為：1、端部錨固式錨桿（預應力錨桿）：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、全長錨