第一讲 地应力与巷道支护

1、井巷设计优化与施工新技术井巷设计优化与施工新技术 第一讲第一讲 地应力与巷道支护地应力与巷道支护 湖湖 南南 工工 程程 学学 院院 曾曾 宪宪 桃桃 （博士、教授、博士生导师）（博士、教授、博士生导师） 二零一零年八月二零一零年八月 一、地应力的形成及特点 v岩体的初始应力岩体的初始应力岩体在天然状态下所存在的岩体在天然状态下所存在的 内在应力，内在应力， 又称为地应力又称为地应力 v地应力成因：地应力成因：主要是由岩体的自重和地质构主要是由岩体的自重和地质构 造运动所引起造运动所引起 v地应力与地质构造的关系地应力与地质构造的关系 地应力地应力地质构造形成的原动力地质构造形成的原动力 地质

2、构造又会影响到地应力的分布地质构造又会影响到地应力的分布 和大小和大小 二、垂直应力随深度的变化 v垂直应力：垂直应力： 上覆岩层的重量上覆岩层的重量 决定垂直应力的大小。决定垂直应力的大小。垂垂 直应力随深度成线形的变直应力随深度成线形的变 化。化。 v量级：量级： 大概相当于按平均密大概相当于按平均密 度为度为2.7gcm3计算出来计算出来 的重力的重力H。 三、水平应力随深度的变化 v水平应力：水平应力： 岩体受垂直方向的挤压岩体受垂直方向的挤压 和水平方向的约束形成水平应力。和水平方向的约束形成水平应力。 垂直应力与水平应力相垂直应力与水平应力相 互影响和相互制约。最终达到一互影响和相

3、互制约。最终达到一 个相对平衡的状态。个相对平衡的状态。 v水平应力随深度的变化如图水平应力随深度的变化如图 v平均水平应力随深度增加呈线性平均水平应力随深度增加呈线性 关系关系 四、水平应力与垂直应力关系 v在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为 式中：称为侧压力系数 0 xy zyx z H 岩体自重垂直应力 H y x x y z x 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。 v原 因： 地球是一个球形体 岩体所受到的重力指向地球中心，在地壳中产生环 向压力，即水平应力 此压力要远远大于垂直压力。形成地球岩体中复杂 的地质构造。 给煤矿的巷道支护带来困难。 六、岩体

4、构造应力 v地质构造是地质构造应力场作用下发生和形成的 v不同的地质年代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 v一个构造运动发生或结束之后，又有新的构造运动 发生新的构造应力场与老构造应力场叠加，形成 复杂的复合构造应力场 v各种复杂的地质构造在长期的地质构造运动作用下 形成 六、岩体构造应力 v由地质特征推断的应力方向（a）（e）均为平面图） 下上 下 上 （c）平推断）平推断 层层 （a）正断层）正断层 （b）逆断层）逆断层 （e）褶皱）褶皱（d）岩脉）岩脉 1 1 1 1 1 1 3 1 y 七、影响岩体初始应力状态 的其他因素 （一）（一）地地 形形 地形起伏会

5、影响岩体的自重应力地形起伏会影响岩体的自重应力 地表下一定深度范围内较明显地表下一定深度范围内较明显 山谷谷底应力因凹口的应力集中而很大山谷谷底应力因凹口的应力集中而很大 均质岩层中，凹口的应力集中比较规则均质岩层中，凹口的应力集中比较规则 非均质岩层中，岩体应力变化还会随岩性的变非均质岩层中，岩体应力变化还会随岩性的变 化而变化化而变化 （二）地质条件 F 地质构造对自重应力有影响地质构造对自重应力有影响 F 褶曲两翼应力增大，中部则应力降低褶曲两翼应力增大，中部则应力降低 F 向斜的两翼应力降低向斜的两翼应力降低 F 向斜核部应力增大向斜核部应力增大 （三）岩性 构造应力作用下岩体产生构造

6、应力作用下岩体产生弹性弹性变形和变形和塑性塑性变形，岩体中储变形，岩体中储 存存 着弹性能着弹性能 岩体的塑性变形使部分能量转化为热能及位能岩体的塑性变形使部分能量转化为热能及位能 岩体的流变，使地质构造应力得以部分释放岩体的流变，使地质构造应力得以部分释放 岩体的弹性变形越大，岩体储藏的能量就越多岩体的弹性变形越大，岩体储藏的能量就越多 岩体中的应力达到强度极限，岩体产生破坏岩体中的应力达到强度极限，岩体产生破坏 岩体储存能量部分或全部释放，构造应力就部分或全部消失岩体储存能量部分或全部释放，构造应力就部分或全部消失 岩体的岩体的蠕变蠕变也会使构造应力部分消失。也会使构造应力部分消失。 岩体

7、中储存构造应力不可能无限地积累起来，岩体中有应力岩体中储存构造应力不可能无限地积累起来，岩体中有应力 （四）水压力和热应力 存在于岩体型隙或孔隙中的水，产存在于岩体型隙或孔隙中的水，产 生静水压力和动水压力生静水压力和动水压力 静水压力只是起到减轻岩体质量的静水压力只是起到减轻岩体质量的 浮力作用浮力作用 岩体中地下水位的升降，可引起岩岩体中地下水位的升降，可引起岩 体重量的减少或增加体重量的减少或增加 八、岩体初始应力状态 岩体初始应力主要是由岩体的自重和岩体初始应力主要是由岩体的自重和 地质构造运动所引起地质构造运动所引起 岩体的地质构造应力与岩体的特性地质岩体的地质构造应力与岩体的特性地

8、质 构造运动地质构造（断层、褶皱等）构造运动地质构造（断层、褶皱等） 密切相关密切相关 每一地区都有一个特定的每一地区都有一个特定的应力场应力场 九、次生应力场 l 应力场应力场在岩体中开凿硐室，原有的应力场遭到破坏在岩体中开凿硐室，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地应力会在硐室周围形成一个新的应力场 巷道的围岩中产生巷道的围岩中产生应力集中应力集中 l 特特 点：点： 范围小，仅分布在硐室周围范围小，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可用数值分析的办法来模拟 l 选取巷道形状优化围

9、岩应力场选取巷道形状优化围岩应力场 圆形巷道圆形巷道 椭圆巷道椭圆巷道 拱形巷道拱形巷道 梯形巷道梯形巷道 十、地应力和巷道支护的关系 v 地应力是影响巷道支护的决定性因素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，判别地应力场的主要是地应力的大小和方向，判别地应力场的 主应力方向主应力方向对设计巷道支护方案极为重要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不同的地应力方向对应于不同的巷道破坏形态 v 岩性是影响巷道稳定另外一个重要因素。岩性是影响巷道稳定另外一个重要因素。 v 岩体（或岩石）的强度与地应力存在着相对系岩体（或岩石）的强度与地应力存在着

10、相对系 十一、地应力量测方法 v了解岩体中存在的应力大小和方向，了解岩体中存在的应力大小和方向， v 预报告岩失稳破坏以及预报岩爆预报告岩失稳破坏以及预报岩爆 v 分为岩体初始应力量测和地下工程应力分分为岩体初始应力量测和地下工程应力分 布量测，前者测定岩体初始地应力场，测布量测，前者测定岩体初始地应力场，测 定岩定岩 体开挖后应力重分布状况。体开挖后应力重分布状况。 v 二者并无原则区别。二者并无原则区别。 地应力量测方法一览表 测量原理测量原理测量方法测量方法解除方法解除方法使用条件使用条件可信度可信度 一、测量变形一、测量变形 1.钢环变形计钢环变形计 2.钢弦应力计钢弦应力计 3.压磁

11、应力计压磁应力计 4.液压计液压计 套孔解除套孔解除 套孔解除套孔解除 套孔解除套孔解除 套孔解除套孔解除 要求不严要求不严 要求不严要求不严 岩石完整岩石完整 要求较高要求较高 较高较高 较高较高 较高较高 参考参考 二、测量应变二、测量应变 5.孔底应变计孔底应变计 6.光弹双向应变计光弹双向应变计 7.孔壁轴向应变计孔壁轴向应变计 孔底解除孔底解除 孔底解除孔底解除 套孔解除套孔解除 岩石完整岩石完整 岩石完整岩石完整 岩石完整岩石完整 较低较低 参考参考 较高较高 三、包体变形三、包体变形 8.光弹柱塞光弹柱塞 9.罗氏光弹应力计罗氏光弹应力计 套孔解除套孔解除 套孔解除套孔解除 适用

12、于软岩适用于软岩 适用于软岩适用于软岩 参考参考 参考参考 四、破裂四、破裂10.水压致裂水压致裂 11.声波声发射声波声发射 不用解除不用解除 不用解除不用解除 要求不高要求不高 要求较高要求较高 较高较高 较低较低 十二、应力解除法 v 应力解除法是岩体应力量测中应用较广的方法应力解除法是岩体应力量测中应用较广的方法 v 原理原理：将岩体单元与周围岩体分离，岩体单元：将岩体单元与周围岩体分离，岩体单元 上所受的应力将被解除上所受的应力将被解除 v 单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复测定弹性单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复测定弹性 恢复的应变值或变形值恢复的应变值或变形值 v 前提：前提：岩体

13、是连续、均质的、各向同性的岩体是连续、均质的、各向同性的 v 解法：解法：弹性理论弹性理论 1套钻大孔；套钻大孔；2取岩芯并孔底磨平；取岩芯并孔底磨平；3套钻小孔；套钻小孔； 4取小孔岩芯；取小孔岩芯；5粘贴元件测初读数；粘贴元件测初读数；6应力解除；应力解除； 7取岩芯；取岩芯；8测终读数测终读数 钻孔套孔应力解除的的主要工作步骤钻孔套孔应力解除的的主要工作步骤 (b)悬臂钢片式悬臂钢片式 (a)钢环式钢环式 钻孔变形计 孔底应力解除法法工作步骤 1安装器 2探头 3温度补偿器 十三、应力恢复法 v直接测定岩体应力大小直接测定岩体应力大小 v用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，用于岩

14、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。采用本方法较为方便。 p p 1 1 2 2 2 2 1 1 o o A A A A p p （a a） 应力恢复法原理图应力恢复法原理图 （b b） o o 主要试验过程 v1.在选定的试验点上，沿解除槽的中垂线上安装好量测元件。量测元件可以是千分表、钢弦应在选定的试验点上，沿解除槽的中垂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，若开槽长度为变计或电阻应变片等，若开槽长度为B，则应变计中心一般距槽，则应变计中心一般距槽B/3，槽的方向与预定所需测定，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

15、用的压力枕大小而定。槽的深度要求大于的应力方向垂直。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。 v2.记录量测元件记录量测元件应变计的初始读数。应变计的初始读数。 v3.开凿解除槽，岩体产生变形并记录开凿解除槽，岩体产生变形并记录 应变计上的计数。应变计上的计数。 v4.在开控好的解除槽中埋设压力枕，在开控好的解除槽中埋设压力枕， 并且水泥砂浆充填空隙。并且水泥砂浆充填空隙。 v5.待充填水泥浆达到一定强度以后，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对岩体施压。随着压力枕所施加的 力力p的增

16、加，岩体变形逐步恢复。逐的增加，岩体变形逐步恢复。逐 步记录压力步记录压力p与恢复变形（应变）的关系。与恢复变形（应变）的关系。 v6.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 力力p即为所求岩体的主应力。即为所求岩体的主应力。 2 2 1 3 B B l y 十四、地应力测试结果的应用 判别地应力测试结果的可信度判别地应力测试结果的可信度 定量分析，定性使用定量分析，定性使用 测试结果具有区域性测试结果具有区域性 多点结果基本上能够反映地应力场的方向，但还要多点结果基本上能够反映地应力场的方向，但还要 结合地质构造共同分析结合地质