地应力与巷道支护(1).ppt

地应力与巷道支护河南理工大学土木学院王有凯wanguk研究地应力的意义 地应力是地下工程诸多问题的根源 深入认识地应力的分布规律对煤矿巷道支护具有重要意义 地应力由重力造成的分布于地下岩层中的应力 在地壳中储存巨大的能量 对地应力的研究正在得到得到世界各国工程界的高度重视 地下工程的特点 1 影响因素众多 且具有不可确定性 2 地下工程结构与岩体共同作用特点 3 经验与实践占主导地位 4 井巷工程与其它行业地下工程的区别 5 井巷工程要在施工工程中不断优化 6 重视新奥法在地下工程中的引用 一 地应力的形成及特点 岩体的初始应力 是指岩体在天然状态下所存在的内在应力 在地质学中 通常又称它为地应力 地应力的成因 岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的 地应力与地质构造之间的因果关系整体上讲地应力是一切地质构造形成的原动力 反过来地质构造又会影响到地应力的分布和大小 二 垂直应力随深度的变化 垂直应力 上覆岩层的重量决定垂直应力的大小 垂直应力随深度成线形的变化 大概相当于按平均密度为2 7g cm3计算出来的重力 H 三 水平应力随深度的变化 水平应力 由于岩体受垂直方向的挤压 和水平方向的约束 而形成水平应力 垂直应力与水平应力相互影响和相互制约 最终达到一个相对平衡的状态 水平应力随深度的变化平均水平应力通过研究南部非洲 美国 日本 冰岛及加拿大等地区的应力测量结果可以看出 尽管随着地质环境的变化其结果有所差异 但揭示出地壳内水乎应力随深度增加呈线性关系增大是普通规律 四 水平应力与垂直应力之间的关系 在均匀岩体中 岩体的自重初始应力状态为式中 为常数 称为侧压力系数 五 水平应力与垂直应力大小 一般来说 水平应力要大于垂直应力 原因分析 地球是一个球形体 岩体所受到的重力是指向地球的中心 在强大的重力作用下 会在地壳中产生巨大的环向压力 即水平应力 一般来说 这一压力要远远大于垂直压力 从而形成地球岩体中复杂的地质构造 也给煤矿的巷道支护带来很大的困难 六 岩体构造应力 地壳的各种地质构造是在大范围内的巨大的地质构造应力场作用下发生和形成的 在各个不同的地质年代里 都有不同的地质构造运动发生 地质构造运动过程一般需要很长时间 在同一个地区 一个构造运动结束之后 或者就在这个构造运动发生的过程中 又有新的构造运动发生 就会形成新的构造应力场与老构造应力场的叠加 形成复杂的复合构造应力场 各种复杂的地质构造就是在长期的地质构造运动作用下形成的 六 岩体构造应力 由地质特征推断的应力方向 a e 均为平面图 七 影响岩体初始应力状态的其他因素 一 地形地形的起伏会影响岩体内的自重应力 但这种地形的影响只是在地表下一定深度范围内较明显 山谷的谷底的应力由于凹口的应力集中而很大 在均质岩层中 凹口的应力集中现象还比较规则 而在非均质岩层中 岩体中的应力变化还会随岩性的变化而变得更复杂 二 地质条件对自重应力的影响 地质构造对自重应力也有影响 背斜褶曲的影响 在褶曲两翼显示出应力增大 而在褶曲中部则应力降低 也可以推测 在向斜的两翼会出现应力降低 而在向斜核部显示出应力增大的现象 三 岩性对地应力的影响 在地质构造应力场作用下 使岩体产生弹性变形和塑性变形 因而使岩体中储存着弹性能 岩体的塑性变形使部分能量转化为热能及位能 或者由于岩体的流变特性 使得构造应力场中的地质构造应力得以部分释放 因此 在地质构造运动中 岩体中储存的能量是通过弹性变形才能达到的 岩体的弹性变形越大 则岩体储藏的能量就越多 当岩体中的应力达到强度极限 岩体产生破坏 除岩体中保存一部分残余变形外 其储存的能量将部分或全部释放 构造应力也就部分或全部消失 若岩体中的应力尚未达到强度极限 但由于岩体的蠕变特性 也会使构造应力部分消失 因此 地质构造运动产生地质构造应力 但岩体中储存的构造应力不可能无限地积累起来 视所处地区不同或地质条件不同 岩体的构造应力可能全部或部分释放 成为残余应力 四 水压力和热应力 存在于岩体型隙或孔隙中的水 静止时呈现静水压力 流动时产生动水压力 在通常情况下 静水压力只是起到减轻岩体质量的浮力作用 浮力的大小等于水的密度与所考虑点的水头高度的乘积 岩体中地下水位的升降 可引起岩体重量的减少或增加 因此 静水压力要视具体情况具体分析其产生的作用 八 岩体初始应力状态 岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的 显然 岩体的地质构造应力是与岩体的特性 例如岩体中的裂隙发育密度与方向 岩体的弹性 塑性 粘性等 有密切关系 也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象 例如断层 褶皱等 有密切关系 每一地区都有一个特定的应力场 九 次生应力场 这种应力场是指人类在岩体中开凿硐室 而使原有的应力场遭到破坏 地应力会在硐室周围形成一个新的应力场 这一应力场次生应力场 并在巷道的围岩中产生应力集中现象 特点 范围小 仅分布在硐室周围 由原始的地应力和硐室形状及大小共同决定 可用数值分析的办法来模拟 选取巷道形状优化围岩应力场 圆形巷道 椭圆巷道 拱形巷道 梯形巷道 十 地应力和巷道支护之间的关系 地应力是影响巷道支护的决定性因素 主要是地应力的大小和方向 判别地应力场的主应力方向对设计巷道支护方案极为重要 不同的地应力方向对应于不同的巷道破坏形态 岩性对巷道稳定是另外一个重要因素 岩体 或岩石 的强度对与地应力存在着相对关系 1 岩石的类别 2 围岩的完整性 3 岩石的含水情况 4 岩石的矿物成分 5 岩石的强度 十一 岩体初始应力状态的现场量测方法 岩体应力现场量测的目的是在于了解岩体中存在的应力大小和方向 从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据 岩体应力量测还可以是预报告体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具 岩体应力量测可以分为岩体初始应力量测和地下工程应力分布量测 前者是为了测定岩体初始地应力场 后者则为测定岩体开挖后引起的应力重分布状况 从岩体应力现场量测的技术来讲 这二者并无原则区别 地应力测量方法一览表 十二 应力解除法 应力解除法是岩体应力量测中应用较广的应用基本原理 当需要测定岩体中某点的应力状态时 人为地将该处的岩体单元与周围岩体分离 此时 岩体单元上所受的应力将被解除 同时 该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复 应用一定的仪器 测定这种弹性恢复的应值或变形值 并且认为岩体是连续 均质和各向同性的弹性体 于是就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态 钻孔套孔应力解除的的主要工作步骤 1 套钻大孔 2 取岩芯并孔底磨平 3 套钻小孔 4 取小孔岩芯 5 粘贴元件测初读数 6 应力解除 7 取岩芯 8 测终读数 钻孔变形计 孔底应力解除法法工作步骤 十三 应力恢复法 应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法 目前此法仅用于岩体表层 当已知某岩体中的主应力方向时 采用本方法较为方便 主要试验过程简述 1 在选定的试验点上 沿解除槽的中重线上安装好量测元件 量测元件可以是千分表 钢弦应变计或电阻应变片等 若开槽长度为B 则应计中心一般距槽B 3 槽的方向与预定所需测定的应力方向垂直 槽的尺寸根据所使用的压力枕大小而定 槽的深度要求大于B 2 2 记录量测元件 应变计的初始读数 3 开凿解除槽 岩体产生变形并记录应变计上的计数 4 在开控好的解除槽中埋设压力枕 并且水泥砂浆充填空隙 5 待充填水泥浆达到一定强度以后 即将压力枕联结油泵 通过压力枕对岩体施压 随着压力枕所施加的力p的增加 岩体变形逐步恢复 逐步记录压力p与恢复变形 应变 的关系 6 当假设岩体为理想弹性体时 则当应变计回复到初始读数时 此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力 十四 地应力测试结果的应用 地应力测试结果的可信度定量分析 定性使用 测试结果具有区域性 多点结果基本上能够反映出地应力场的方向 但还要结合地质构造共同分析 巷道压力测试和地应力测试的结果有本质的不同 地应力对巷道破坏的形态的影响 综合考虑巷道的形状和围岩的岩性一般来说 巷道的破坏主要和第一主应力有关 通常是压剪破坏 由巷道的破坏形态可以初步判定主应力与巷道的空间方位 高地应力会使岩石具有软岩特性 根据地应力合理设计巷道和地应力的空间方位 十五矿压与地应力 矿压 一般是指采场上覆岩石直接作用在支架和工作面煤体上的直接压力 一般来说矿压与开采深度关联性比较大 同时还和煤层顶板的岩性有关 水平方向的地应力对矿压的影响较弱 矿压是由于采煤而引起的 而地应力和采矿活动共同产生的 十六高地应力岩 煤 层中的巷道 加强支护 最大限度地提高围岩支撑能力 必要时采取联合支护方式 维护围岩的自身稳定性 防止围岩的岩性弱化 加大巷道的初始断面 为巷道变形留出变形余地 在时间和空间上与采掘活动相协调 十七地应力与瓦斯突出 典型案例 2004年10月20日 河南省郑州煤业集团公司大平煤矿发生一起特大型煤与瓦斯突出而引发的特别重大瓦斯爆炸事故 造成148人死亡 32人受伤 原因分析 调查组对事故原因初步分析认为 21岩石下山掘进工作面进入矿井深部 处于地质构造复杂地带 该矿为高瓦斯矿 对矿井开采深度增加可能带来的瓦斯等级升高没有引起足够重视 煤与瓦斯突出是一种复杂的矿井瓦斯动力现象 到目前为止 各种地质 开采条件下 煤与瓦斯突出发生的规律还没有完全掌握 10月10日上午 由国家煤矿安监局行管司司长曹安雅率领的国务院安全生产委员会办公室督查组 在焦作市委常委 副市长迟军 河南煤化集团安监局局长薛志俊 焦煤总经理王洪海 副总经理 安监局局长杨建增等人的陪同下 到九里山矿还进行了督查安全工作情况 曹安雅对河南煤化集团 012345 安全管理模式给予了充分肯定 曹安雅指出 河南煤业化工集团有很多值得总结推广的安全管理先进经验 特别是安全 零 理念的提出 对于安全工作的认识程度走在了全国的前列 九里山矿在瓦斯治理工作上取得了突出的成绩 保证了矿井的安全生产 在瓦斯综合利用上也取得了很好的效果 真正做到了高碳行业 低碳发展 他说 要保证河南煤炭系统安全形势的根本好转 最主要的就是要全力以赴做好瓦斯治理工作 焦煤集团九里山矿瓦斯突出 012345 安全管理模式 一 从 零 开始 向 零 奋斗二 实施 一号 工程 安全是员工最大福利 是一号工程 三 深化 两个 抓手积极推行双基建设 强化基层建设 夯实基础管理 通过 国家安全标准化二级企业 提出在2011年具备 国家一级安全标准化企业 四 安全 三个 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 体系完善科技支撑体系 完善职工培训体系 完善安全评价体系 完善应急救援体系 六 落实 五自 管理公司自主 系统自控 分厂自治 班组自理 员工自律 常见的事故原因分析 政府监管原因 经济利益驱动 煤矿超产 生产技术水平及生产管理 技术及管理人员缺乏和素质有限 处罚力度偏低 执法不严 安全欠账 安全网评 大楼一着火 全国讲消防 道路一塌方 到处查桥梁 一有流行病 全民讲卫生 学生被砍伤 校门忙加岗 突发大车祸 上路查交则 一地出矿难 全国查安全 北京查娱乐 各省关歌厅 头疼治头疼 脚病医脚病 平时很稀松 出事一窝蜂 如此搞下去 早晚全身病 安全原因的外在原因 外部因素社会对煤炭工业赋予的任务太重 生命珍惜的高度不够多次的重大事故应该引起社会的深度思考 缺乏严谨科学的工作态度这是一个严峻的社会问题 企业内在因素安全科学素质和企业内部安全文化 偏应力张量是主要原因 1 煤体中要聚集很大的能量 能量来源于地应力 2 偏应力张量要处于主导地位 3 外部扰动破坏煤体及瓦斯赋存的平衡状态 4 煤体破坏与瓦斯突出同时发生 地应力与冲击地压 岩爆 也称冲击地压 它是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放 导致岩石爆裂并弹射出来的现象 轻微的岩爆仅有剥落岩片