巷道圍巖控制與監(jiān)測課件

1、巷道圍巖控制與監(jiān)測原巖應(yīng)力及巷道周圍應(yīng)力分布開采對巷道圍巖應(yīng)力的影響巷道頂板事故的影響因素（棚式及錨桿支護(hù)的事故分析）棚式及錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測第一章 原巖應(yīng)力及巷道周圍應(yīng)力分布 開采對巷道圍巖應(yīng)力的影響第一節(jié) 巖體中的原巖應(yīng)力 地殼中沒有受到人類工程活動(dòng)（如礦井中開掘巷道等）影響的巖體稱為原巖體，簡稱原巖。存在于地層中未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力，也稱為巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或地應(yīng)力。天然存在于原巖內(nèi)而與人為因素?zé)o關(guān)的應(yīng)力場稱為原巖應(yīng)力場。 由地心引力引起的應(yīng)力場稱為自重應(yīng)力場，地殼中任一點(diǎn)的自重應(yīng)力等于單位面積的上覆巖層的重量。由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起的應(yīng)力場稱為構(gòu)造應(yīng)力場。 圖2-1 巖

2、體單元體所在位置及其應(yīng)力狀態(tài) 一、自重應(yīng)力一、自重應(yīng)力 假定巖體為均勻連續(xù)介質(zhì)，應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理計(jì)算巖體自重應(yīng)力。設(shè)巖體為半無限體，地面為水平面，在距地表深度為H處，任意取一單元體。其上作用的應(yīng)力為z，y，x，形成巖體單元的自重應(yīng)力狀態(tài)。 單元體上所受的垂直應(yīng)力z等于單元體上覆巖層的重量： 在均勻巖體內(nèi)，巖體的自重應(yīng)力狀態(tài)為 如果巖體由多層不同重力密度的巖層組成。各層巖層的厚度和重力密度分別依次為h1，h2，hi，hn；1，2，i，n。則巖體的自重初始應(yīng)力為 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的靜水壓力理論認(rèn)為，在埋藏較深條件下，垂直壓應(yīng)力相當(dāng)大，巖石呈現(xiàn)明顯的塑性。泊松比近似等于0.5，側(cè)壓系數(shù)為1.0，

3、此時(shí) 如果把巖體看作任何一種彈粘性體（本質(zhì)是粘性流體），把地質(zhì)歷史看作應(yīng)力作用時(shí)間無限長，則深部的巖體自重應(yīng)力場都將達(dá)到靜水應(yīng)力狀態(tài)。二、構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力是由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖體中引起的應(yīng)力，巖體構(gòu)造應(yīng)力可以分為現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造殘余應(yīng)力。前者是指正在經(jīng)受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生過程中，巖體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。后者是指已經(jīng)結(jié)束的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留于巖體內(nèi)部的應(yīng)力。 構(gòu)造應(yīng)力以水平力為主，具有明顯的區(qū)域性和方向性。有以下基本特點(diǎn)： 一般情況下地殼運(yùn)動(dòng)以水平運(yùn)動(dòng)為主，構(gòu)造應(yīng)力主要是水平應(yīng)力；而且地殼總的運(yùn)動(dòng)趨勢是相互擠壓，所以水平應(yīng)力以壓應(yīng)力占絕對優(yōu)勢。 構(gòu)造應(yīng)力分布不均勻，在地質(zhì)構(gòu)造變化比

4、較劇烈的地區(qū)，最大主應(yīng)力的大小和方向往往有很大變化。 巖體中的構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大。 構(gòu)造應(yīng)力在堅(jiān)硬巖層中出現(xiàn)一般比較普遍，在軟巖中貯存構(gòu)造應(yīng)力很少。圖2-3 由地質(zhì)特征推斷構(gòu)造應(yīng)力方向的平面圖 a正斷層；b逆斷層；c平推斷層；d巖脈；e摺皺三、原巖應(yīng)力分布的基本規(guī)律原巖應(yīng)力的分布的主要規(guī)律如下：(1) 實(shí)測垂直應(yīng)力基本上等于上覆巖層重量。 水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。(3) 平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小。(4) 最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力一般比值相差較大。表2-1 部分礦井原巖應(yīng)力實(shí)測結(jié)果 圖2-4 世界各國垂直應(yīng)力v與深

5、度H變化規(guī)律圖 第二節(jié) 原巖體內(nèi)掘進(jìn)巷道引起的圍巖應(yīng)力第二節(jié) 原巖體內(nèi)掘進(jìn)巷道引起的圍巖應(yīng)力在巷道兩側(cè)周邊的圍巖上就將承受(23)1或(45) 1的垂直壓應(yīng)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，則在此壓力下就可能處于破壞狀態(tài)。隨著向巖體內(nèi)部發(fā)展，巖塊的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，直到某一半徑R處巖塊又處于彈性狀態(tài)。 第二節(jié) 原巖體內(nèi)掘進(jìn)巷道引起的圍巖應(yīng)力 圍巖的殘余強(qiáng)度。注意圍巖強(qiáng)度弱化過程中塑性區(qū)物性參數(shù)的變化。巷道的穩(wěn)定性和周邊位移主要取決于：它們之間的關(guān)系為： 巷道的周邊位移隨巷道所在位置原巖應(yīng)力的增大，

6、呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系迅速增長；指數(shù)的大小取決于的變化，值越小，指數(shù)越大，u值增長愈迅速。 巷道的塑性區(qū)半徑R和周邊位移u隨內(nèi)摩擦角和粘聚力c的減小，即圍巖強(qiáng)度降低，顯著增大。巖層原巖應(yīng)力P、巖石的內(nèi)摩擦角巖石的粘聚力c等。第三節(jié) 相鄰巷道的應(yīng)力分布及巷道間距的確定 巷道應(yīng)力影響帶、巷道間巖柱的穩(wěn)定性。一、巷道應(yīng)力影響帶巷道圍巖應(yīng)力受擾亂的區(qū)域稱為影響帶，一般以超過原巖應(yīng)力值的5作為影響帶的邊界。 各向同性彈性巖體中單一圓形巷道應(yīng)力影響區(qū)域形狀：在靜水壓應(yīng)力場中，為半徑等于6r的圓；在非靜水壓應(yīng)力場中，一般為長軸不大于12r的橢圓。因此，斷面相同兩圓形巷道的間距D為： 6rD12r 半徑不同兩圓形巷遭

7、的間距D為： 6RD6(R+R) 式中 R大圓形巷道半徑； r小圓形巷道半徑。 確定相鄰巷道間距時(shí)，相鄰巷道的應(yīng)力影響帶不宜超過巷道塑性變形區(qū)與彈性變形區(qū)的交界。 第三節(jié) 相鄰巷道的應(yīng)力分布及巷道間距的確定 二、巷間巖柱的穩(wěn)定性 巖柱的穩(wěn)定性主要取決于巖柱的載荷和巖柱強(qiáng)度。 巖柱的強(qiáng)度主要由以下因素決定：經(jīng)驗(yàn)公式：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)巖柱的寬高比B/h大于5時(shí)，巖柱強(qiáng)度將隨B/h的增加而顯著增大；當(dāng)B /h大于10時(shí)，一般情況下巖柱不易被破壞。 組成巖柱的巖體強(qiáng)度、巖柱的寬度巖柱的高度總的構(gòu)造特征。第三節(jié) 相鄰巷道的應(yīng)力分布及巷道間距的確定 二、相鄰巷道間合理距離 我國煤礦在采探條件(300500

8、 m)下，大巷間的距離以2040 m為宜，圍巖較穩(wěn)定時(shí)取小值，不穩(wěn)定時(shí)取大值；在淺部和堅(jiān)硬圍巖以及在急傾斜煤層條件下，大巷間距可減小至 l0m；在深部和松軟圍巖條件下，大巷間距可增大至50m。上下山及集中巷間距以1530 m為宜。圍巖較穩(wěn)定時(shí)取小值，不穩(wěn)定時(shí)取大值；在淺部和堅(jiān)硬圍巖以及在急傾斜煤層條件下，上述距離可減小到10 m，在深部和松軟圍巖以及厚煤層內(nèi)，間距應(yīng)擴(kuò)大到4050 m。第四節(jié) 構(gòu)造應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響 二、水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響高水平應(yīng)力是造成底板巖層破壞和強(qiáng)烈底鼓的主要原因。水平應(yīng)力在巷遭兩幫引起較大的拉應(yīng)力，造成兩幫破裂、鼓出和塌落，破壞深度較大。 第四節(jié) 構(gòu)造應(yīng)力對

9、巷道穩(wěn)定性的影響 巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力方向之間夾角不同，巷道圍巖水平應(yīng)力集中程度有很大差異。巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力方向平行時(shí)，構(gòu)造應(yīng)力對巷道的穩(wěn)定性影響最??；巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力方向垂直時(shí)，影響最大。三、合理的巷道布置方向第五節(jié) 回采工作面周圍支承壓力分布 支承壓力分布參數(shù)有：煤體邊緣的破裂區(qū)寬度，塑性區(qū)寬度(支承壓力峰值距離)、支撐壓力的影響距離。工作面超前支撐壓力峰值位置距煤壁一般為48 m，相當(dāng)23.5倍回采高度。影響范圍為4060m，少數(shù)可達(dá)6080m，應(yīng)力增高系數(shù)為2.53。工作面傾斜方向固定性支承壓力影響范圍一般為1530 m少數(shù)可達(dá)3540 m，支承壓力峰值位置距煤壁一般為1520 m，應(yīng)力增高系數(shù)為23。采空區(qū)支承壓力應(yīng)力增高系數(shù)通常小于1，個(gè)別情況下達(dá)到1.3相鄰的采空區(qū)所形成的支承壓力會在某些地點(diǎn)發(fā)生相互疊加，稱為疊合支承壓力。（a）150m工作面（b）280m工作面孤島綜放工作面老頂覆巖支承壓力分布圖兩相鄰回采空間周圍的應(yīng)力分布示意圖第六節(jié) 采動(dòng)引起的底板巖層應(yīng)力分布影響深度中心線擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)底板巖層內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力，主要取決于