第二章 井巷地壓

第二章井巷地壓地壓概念圍巖的變形和應(yīng)力分布圍巖壓力及其影響因素2/5/20232第一節(jié)地壓概念一、井巷地壓概念地下巖體在未開(kāi)掘巷道之前，由于自重引起的應(yīng)力(稱為原巖應(yīng)力)是處于平衡狀態(tài)的。當(dāng)在巖層中開(kāi)掘巷道后，破壞了巖石的原始應(yīng)力狀態(tài)，引起巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布。它表現(xiàn)為巷道周圍的巖體產(chǎn)生變形、移動(dòng)甚至破壞，直到巖體內(nèi)部重新形成一個(gè)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)為止。在此過(guò)程中，巷道本身或架設(shè)在其中的支撐物會(huì)受到各種力的作用。

井巷地壓就是指在地下巖體中進(jìn)行采掘活動(dòng)，而引起的作用在井巷、硐室等周圍巖體中或支撐物上的壓力，簡(jiǎn)稱地壓。2/5/20233第一節(jié)地壓概念一、井巷地壓概念在井巷地壓作用下，會(huì)引起各種力學(xué)現(xiàn)象，如頂板下沉、底板鼓起、巷道變形后斷面縮小、巖體破壞甚至產(chǎn)生大面積冒落片幫、支架嚴(yán)重變形或損壞，以及大量巖層移動(dòng)及地表發(fā)生塌陷等。這種由于井巷地壓作用，使巷道圍巖和各種人工支撐物產(chǎn)生的變形、移動(dòng)和破碎等現(xiàn)象，統(tǒng)稱為地壓現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，井巷地壓會(huì)給地下掘進(jìn)工作造成不同程度的危害。為了不影響井巷掘進(jìn)工作和保證生產(chǎn)安全，必須采取各種技術(shù)措施加以控制，包括對(duì)巷道的工作空間進(jìn)行維護(hù)，對(duì)軟弱或破碎的巖石進(jìn)行加固，用各種方法使巷道工作空間得到卸壓。其基本目的就是保證生產(chǎn)安全和取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，了解井巷地壓的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律對(duì)井巷工程的破巖和支護(hù)有著重要的意義。2/5/20234第一節(jié)地壓概念二、原巖應(yīng)力狀態(tài)井巷地壓是因井巷掘進(jìn)后巖體中應(yīng)力的重新分布引起的，研究掘進(jìn)后巷道周圍的應(yīng)力，首先必須研究巷道所在的巖體區(qū)域內(nèi)的原巖應(yīng)力。地下巖體中沒(méi)有受到人類工程活動(dòng)(如礦井中開(kāi)掘巷道等)影響的巖體稱為原巖體，簡(jiǎn)稱原巖。天然存在于原巖內(nèi)而與任何人為因素?zé)o關(guān)的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力。原巖應(yīng)力按產(chǎn)生的原因分為自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。由于巖體的自身重力作用而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為自重應(yīng)力；由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起的應(yīng)力，稱為構(gòu)造應(yīng)力。另外還有巖體中包含水和瓦斯所引起的應(yīng)力，也能影響巖體內(nèi)的應(yīng)力大小與分布。所有上述因素中，顯然自重引起的應(yīng)力是普遍存在的，構(gòu)造應(yīng)力則決定于該地區(qū)的地殼運(yùn)動(dòng)形態(tài)，有時(shí)影響面也較大。在井巷掘進(jìn)之后，掘進(jìn)空間周圍巖體的應(yīng)力重新分布。了解原巖應(yīng)力是分析掘進(jìn)后空間的周圍應(yīng)力重新分布的基礎(chǔ)。2/5/20235第一節(jié)地壓概念(一)自重應(yīng)力處于一定深度的原巖體，承受著上部巖體的重量，由這個(gè)重量所引起的單位面積上的內(nèi)力，就是自重應(yīng)力。在地表取一個(gè)水平的直角坐標(biāo)x、y，以深度方向?yàn)閦軸，在巖體中任意取一個(gè)與坐標(biāo)方向相一致的微小的單元立方體，它的垂直方向自重應(yīng)力σz就是單位面積上的巖柱重量，巖柱體積為1×1×z，巖體的容重為γ，如圖2-(a)所示，在上覆巖層重量作用下，這個(gè)單元體上所受的垂直應(yīng)力2/5/20236第一節(jié)地壓概念2/5/20237第一節(jié)地壓概念上述單元立方體在垂直應(yīng)力的作用下，在σz的作用方向產(chǎn)生壓縮變形，而在與σz成垂直的方向產(chǎn)生側(cè)向膨脹變形。但側(cè)向由于相互擠壓受到無(wú)限相鄰巖體的限制，其橫向變形值，只能為零，應(yīng)變也為零，即ε2＝ε3＝0，因而形成了巖塊的側(cè)向應(yīng)力σx、σy(即水平自重應(yīng)力，就是阻止水平方向變形的擠壓應(yīng)力)。如圖2—1(a)所示，地表內(nèi)取任意的巖塊處于半無(wú)限空間的狀態(tài)下，假定巖體為各向同性的彈性體，由于巖體自重所引起的側(cè)向應(yīng)力σx、σy，因其側(cè)向條件是一致的，因而σx=σy。且σx、σy與σz成比例關(guān)系。令側(cè)應(yīng)力系數(shù)為λ，則σx=σy=λσz

(2—3)式中λ——原巖體側(cè)應(yīng)力系數(shù)，一般取λ＝0.25~0.43，即原巖體中任意地方的水平應(yīng)力約等于垂直應(yīng)力的25％~40％。為25kN／m3，側(cè)應(yīng)力系數(shù)λ取0.25，則

[例2—1]求深度為800m處巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)。解令巖層的平均容重2/5/20238第一節(jié)地壓概念(二)構(gòu)造應(yīng)力根據(jù)原巖自重應(yīng)力的分布規(guī)律，側(cè)應(yīng)力系數(shù)不大于1，而應(yīng)力測(cè)量資料表明：一部分應(yīng)力符合自重應(yīng)力分布規(guī)律；另一部分卻是水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，側(cè)應(yīng)力系數(shù)甚至可高達(dá)20，二個(gè)方向的水平主應(yīng)力不相等，它的方向、大小與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)?？梢?jiàn)，存在著地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。

表2—1列出了昆明水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院對(duì)原巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)資料，水平應(yīng)力均接近或大于垂直應(yīng)力。實(shí)測(cè)地點(diǎn)垂直應(yīng)力/MPa水平應(yīng)力/MPa側(cè)應(yīng)力系數(shù)λ巖石試驗(yàn)硐2.221.980.891號(hào)高壓平硐0.9540.8160.862號(hào)斜井2.381.990.84總岔管7.928.871.122/5/20239第一節(jié)地壓概念國(guó)外一些原巖應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，還說(shuō)明構(gòu)造應(yīng)力也與深度成正比?，F(xiàn)在發(fā)生的頻繁的地殼活動(dòng)，也證明有地質(zhì)構(gòu)造力在起作用。地殼中的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使局部巖層處于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中。顯然，任何一種構(gòu)造痕跡都必然反映著一定性質(zhì)的構(gòu)造應(yīng)力的作用。地質(zhì)構(gòu)造不斷在變化，地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力又是看不到的，但地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力所造成的痕跡，如斷層、褶曲等卻保留在巖體中，它的走向與形成它的方向有著一定的關(guān)系，可以根據(jù)各種構(gòu)造的力學(xué)性質(zhì)判斷構(gòu)造應(yīng)力的方向。地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)雖然是多種多樣的，地質(zhì)構(gòu)造力也是復(fù)雜多變的，但對(duì)于每一個(gè)具體構(gòu)造來(lái)說(shuō)，不外乎是由壓應(yīng)力、拉應(yīng)力或剪應(yīng)力形成的，故地質(zhì)構(gòu)造可以分成壓應(yīng)力構(gòu)造、拉應(yīng)力構(gòu)造和剪應(yīng)力構(gòu)造。大量研究表明，地質(zhì)構(gòu)造基本上是水平方向擠壓力作用的結(jié)果，可以作為平面問(wèn)題研究。2/5/202310第一節(jié)地壓概念地殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在地應(yīng)力的作用下，巖體發(fā)生了體積與形狀的變化。由于巖體的彈性變形，能使巖體內(nèi)貯存巨大的彈性應(yīng)變能。但這種應(yīng)變能不可能在巖體中無(wú)限制地積累下去，隨著能量的增加，應(yīng)力達(dá)到巖體的強(qiáng)度極限時(shí)，它就要發(fā)生破壞(如形成斷層或裂隙等)。這時(shí)除在巖體中保存殘余變形外，貯存的能量將部分或全部釋放出來(lái)，構(gòu)造應(yīng)力也就隨之部分或全部消失。例如，地震時(shí)絕大部分應(yīng)變能得到了釋放。但在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)結(jié)束以后，巖體中往往會(huì)遺留下一部分應(yīng)力，這種應(yīng)力叫做殘余構(gòu)造應(yīng)力，簡(jiǎn)稱為殘余應(yīng)力。所有這些構(gòu)造應(yīng)力和殘余應(yīng)力都將影響原巖應(yīng)力場(chǎng)的分布和應(yīng)力的大小。構(gòu)造應(yīng)力是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，目前還無(wú)法用數(shù)學(xué)力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。2/5/202311第一節(jié)地壓概念三、圍巖應(yīng)力的重新分布原巖應(yīng)力是自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力的疊加，在井巷掘進(jìn)之前，原巖應(yīng)力狀態(tài)處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，它們沿著垂直方向和水平方向傳遞。在巖體內(nèi)開(kāi)挖巷道以后，圍巖中原有的應(yīng)力方向、大小發(fā)生顯著變化，使巷道周圍巖體中出現(xiàn)應(yīng)力重新分布。一方面，巷道內(nèi)的巖體被挖空，巷道上部的巖體失去了支撐而向下變形，致使巷道上部巖體中垂直方向應(yīng)力降低，原來(lái)巷道中巖體支承的應(yīng)力，被迫轉(zhuǎn)嫁到巷道兩側(cè)，致使巷道兩側(cè)垂直方向應(yīng)力增加；同樣，巷道兩側(cè)也因失去支撐而向巷道內(nèi)變形，水平方向的應(yīng)力降低，水平傳遞的應(yīng)力轉(zhuǎn)嫁到巷道的頂?shù)撞浚瓜锏理數(shù)撞康乃綉?yīng)力增加。另一方面，頂部巖體向下變形，如果是彎曲變形則類似于梁，在水平方向出現(xiàn)拉應(yīng)力。這種拉應(yīng)力與兩側(cè)轉(zhuǎn)嫁來(lái)的壓應(yīng)力互相疊加，疊加結(jié)果可能是壓應(yīng)力，也可能是拉應(yīng)力，決定于二者的大小。由于巖體變形是逐漸變化的(連續(xù)的)，巖體中應(yīng)力傳遞的路線也一定是光滑曲線，如果巷道的形狀與應(yīng)力傳遞的曲線比較接近，則應(yīng)力變化比較均勻。而由折線組成的巷道，必然在隅角處造成較大的應(yīng)力變化。2/5/202312第一節(jié)地壓概念開(kāi)挖巷道以后，巖體圍巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖最大主應(yīng)力比原巖最大主應(yīng)力升高，而最小主應(yīng)力卻降低。圍巖應(yīng)力由三向應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為二向應(yīng)力狀態(tài)，巷道周邊就是二向應(yīng)力狀態(tài)：成為變化促使巖體力學(xué)性質(zhì)改變，使彈性極限和強(qiáng)度降低。如果應(yīng)力變化以后仍不超過(guò)彈性極限，那么圍巖應(yīng)力分布就可以相對(duì)穩(wěn)定下來(lái)。如果應(yīng)力超過(guò)彈性極限，產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力必將改變。巷道周邊處于二問(wèn)應(yīng)力狀態(tài)，與單向受力狀態(tài)一樣，巖體呈脆性，很容易發(fā)生破裂。離巷道周邊一定距離后，圍巖應(yīng)力逐漸縮小，巖體強(qiáng)度增高，不容易破裂，所以圍巖破裂只限于一定范圍。巷道圍巖處于彈性變形狀態(tài)時(shí)，圍巖是穩(wěn)定的。如果出現(xiàn)破裂帶，隨時(shí)都有冒落危險(xiǎn)，破裂范圍越大，巷道越不容易維護(hù)。按圍巖變形的大小、類型等狀況，把巷道周邊的圍巖體分成兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是破裂帶(非彈性變形帶)，另一個(gè)是彈性變形帶(裂隙帶)。當(dāng)破裂帶內(nèi)的圍巖應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)，圍巖開(kāi)始破裂，為了保持巷道形狀必須施加以外部的力量，即進(jìn)行巷道支護(hù)。2/5/202313第一節(jié)地壓概念對(duì)于均質(zhì)而軟弱的彈性巖體，巷道開(kāi)挖后，在破裂帶內(nèi)應(yīng)力降低稱為應(yīng)力降低區(qū)Ⅰ；超過(guò)破裂帶進(jìn)人裂隙帶后應(yīng)力增高并出現(xiàn)峰值，此為應(yīng)力集中區(qū)Ⅱ；隨著巖體遠(yuǎn)離地下巷道，巷道對(duì)于巖體的應(yīng)力擾動(dòng)越來(lái)越小，接近于原始應(yīng)力狀態(tài)，此為原巖應(yīng)力區(qū)m，如圖2-2(a)所示。對(duì)于堅(jiān)硬的彈性巖體，巷道開(kāi)挖后，其垂直應(yīng)力分布如圖2-2(b)所示。2/5/202314第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布一、巷道圍巖的變形移動(dòng)地下巖體處在復(fù)雜的自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中。巷道開(kāi)挖以后，改變了原巖的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，必然導(dǎo)致其體積與形狀發(fā)生變化，很快產(chǎn)生彈性變形。隨著時(shí)間的變化，圍巖發(fā)生蠕變，變形繼續(xù)增加。如果是穩(wěn)定的蠕變，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，變形結(jié)束，不影響巷道的使用；如果是不穩(wěn)定的蠕變或者是巷道周邊應(yīng)力超過(guò)了彈性極限，就會(huì)在巷道周邊首先產(chǎn)生塑性變形甚至于發(fā)生破裂。如果立即采取有力的支護(hù)措施，非彈性變形發(fā)展到一定范圍，也能穩(wěn)定下來(lái)；如果不采取支護(hù)措施或措施不力，破裂帶則會(huì)繼續(xù)發(fā)展，圍巖的非彈性變形也逐漸增大，巷道周邊破裂的巖石將會(huì)冒落。冒落以后，相當(dāng)于擴(kuò)大了巷道，圍巖變形破裂必然繼續(xù)擴(kuò)大。因此，圍巖的變形是由于開(kāi)挖巷道時(shí)外力作用的結(jié)果。圍巖的彈性變形對(duì)生產(chǎn)并沒(méi)有多大妨礙，而圍巖的破碎主要是由塑性變形所引起的，圍巖塑性變形區(qū)域越大，變形也越大。在形成塑性變形區(qū)的過(guò)程中，圍巖向巷道空間顯著位移，隨著掘進(jìn)時(shí)間的延長(zhǎng)，圍巖變形速度將日趨緩和。掘進(jìn)引起的圍巖應(yīng)力重新分布趨向穩(wěn)定后，由于巖層的流變性質(zhì)，圍巖變形還會(huì)隨時(shí)間而緩慢地不斷增長(zhǎng)，但其變形速度比巷道初掘期間小得多。2/5/202315第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布圍巖的變形與原巖應(yīng)力、巷道位置及形狀尺寸、圍巖的力學(xué)性質(zhì)有密切的關(guān)系。變形的大小首先決定于原巖應(yīng)力，而原巖應(yīng)力的大小與深度成正比，所以深度越大，變形越大。在同樣的深度情況下，構(gòu)造應(yīng)力較大的地區(qū)，變形也較大。不同方向的巷道，原巖應(yīng)力不相同，變形也不同，如平行于巖層走向的運(yùn)輸巷比垂直于巖層走向的石門的變形較大。巷道圍巖由幾種不同力學(xué)性質(zhì)的巖石組成時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)較弱的巖石，變形較大。層理發(fā)育的圍巖，由于層理面強(qiáng)度較弱，產(chǎn)生的變形也較大。圍巖的變形移動(dòng)較大時(shí)，往往會(huì)引起巷道頂部的巖石冒落，最后趨于穩(wěn)定的邊界都形成拱形，稱為冒落拱或自然平衡拱。自然平衡拱的形成過(guò)程，就是頂板破碎巖石的冒落過(guò)程。

2/5/202316第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布巖石一般沿破裂面滑落，如果冒落高度小于破裂范圍，冒落拱如圖2-3所示。軟巖的內(nèi)摩擦角較小，拱頂較尖。如果冒落拱高度達(dá)到破裂帶邊緣，冒落拱就由破裂范圍與破裂面組成，成為馬蹄形，如圖2-4所示。2/5/202317第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布如果有層理面等弱面，冒落拱在保持基本形狀不變的情況下，可遷就弱面滑落，如圖2-5所示。層理面發(fā)育的圍巖，由于破裂帶范圍的不均勻發(fā)展，可使冒落拱偏轉(zhuǎn)成不對(duì)稱形狀，如圖2-6所示。對(duì)于塊狀結(jié)構(gòu)的圍巖，可能沿著弱面大塊滑落，完全不成拱形，如圖2-7所示。2/5/202318第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布總之，巖石沿破裂面與弱面冒落，原因相同，形狀既有一定的規(guī)則，又是多變的。巖石冒落以后，少數(shù)由于巷道形狀的改變，或者破碎巖石互相的鑲嵌作用，可以維持穩(wěn)定，大多數(shù)情況又會(huì)發(fā)生新的破裂帶，如不采取措施，冒落又會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，以至冒落拱高達(dá)十幾米。由于自重的作用，巷道上方的破裂帶發(fā)展更快。2/5/202319第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布二、巷道圍巖的應(yīng)力分布由于開(kāi)掘后的巷道空間具有復(fù)雜的幾何形狀，巷道空間周圍巖體是非均質(zhì)和各向異性的復(fù)雜介質(zhì)，目前還無(wú)法用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法精確地求解出巷道周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)。根據(jù)采礦工程的特點(diǎn)，為了了解巷道變形的機(jī)理，粗略地求解出巷道周圍的應(yīng)力狀態(tài)，是十分必要的。但是，必須對(duì)這種復(fù)雜的礦山條件做一些簡(jiǎn)化。首先將巷道空間簡(jiǎn)化為各種理想的單一形狀的孔，如圓形、橢圓形及矩形等。這樣各巷道之間的影響也就可以視為孔與孔之間的影響。巖體中的單一巷道可近似地視為圓形孔，就可以用解出的孔周邊應(yīng)力分布狀態(tài)，近似地說(shuō)明和解釋一些巷道的變形機(jī)理。相對(duì)于巷道圍巖的范圍來(lái)說(shuō)，除遇到某些大斷層以外，巷道周圍的巖體性質(zhì)可以按連續(xù)介質(zhì)來(lái)處理，對(duì)于大多數(shù)巖體又可以按均質(zhì)的、各向同性的介質(zhì)來(lái)看待，在固結(jié)性巖體破裂之前，可利用彈性力學(xué)來(lái)求解。2/5/202320第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布此外，還需對(duì)孔周圍的原巖應(yīng)力場(chǎng)及其應(yīng)力狀態(tài)作一些假設(shè)，并使其典型化。為了對(duì)巖體應(yīng)力重新分布作數(shù)學(xué)分析，注意到原巖應(yīng)力有三種情況：三向等壓(σz=σx=σy)、二向等壓(σx=σy)和三向不等壓(σz≠σx≠σy。煤礦巷道一般平行于或垂直于巖層走向，即往往與一個(gè)原巖主應(yīng)力方向平行；又由于巷道的斷面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巷道長(zhǎng)度，巷道周圍巖體(圍巖)中應(yīng)力分布與巷道軸線上的位置無(wú)關(guān)，是平面問(wèn)題(σx或σy＝0)。所以只需分析原巖應(yīng)力為二向等壓(σz=σx)及二向不等壓(σz≠σx)兩種狀態(tài)，原巖應(yīng)力是隨深度而正比增加的，巷道圍巖的上部和下部，原巖應(yīng)力是不相等的。由于井下的巖體是無(wú)限或半無(wú)限體，則可將應(yīng)力場(chǎng)看作是由無(wú)限遠(yuǎn)處作用的均布荷載而形成的。當(dāng)巷道所處深度大于巷道高度的20倍時(shí)，這種應(yīng)力差就可以略去不計(jì)，可以把原巖應(yīng)力看作為外部荷載。當(dāng)二向不等壓時(shí)，只有垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力是主應(yīng)力。當(dāng)二向等壓時(shí)，任意方向都是主應(yīng)力，如圖2—8所示。2/5/202321第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布下面就分別敘述在各種應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)不同形狀的孔周圍應(yīng)力分布情況。(一)二向等壓下圓形巷道圍巖彈性應(yīng)力、如圖2-9所示，從圍巖中取一小圓弧體，內(nèi)圓半徑為r，外圓半徑為(r+dr)，弧長(zhǎng)所對(duì)的中心角為dθ，厚度為單位長(zhǎng)度1，小圓弧體上距中心r的面上徑向應(yīng)力為σr，在(r+dr)面上則為(σr+dσr)，切向應(yīng)力為σt。因?yàn)槭禽S對(duì)稱，應(yīng)力只隨半徑變化，與夾角θ無(wú)關(guān)，所以小圓弧體兩邊的σt相等。σt、σr、(σr+dσr)均為主應(yīng)力，可按下式計(jì)算：(2-4)2/5/202322第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布(2-4)2/5/202323第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布2/5/202324第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布2/5/202325第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布2/5/202326第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布三、按圍巖變形量判斷巷道的穩(wěn)定狀態(tài)巷道開(kāi)挖后，圍巖出現(xiàn)變形是巖體原始應(yīng)力遭到破壞、失去平衡，而進(jìn)行調(diào)整的必然現(xiàn)象。如圍巖應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，它本身就可以進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，很快趨于穩(wěn)定，達(dá)到新的平衡。否則，變形無(wú)限制地發(fā)展，最終將產(chǎn)生片幫、冒頂和塌落。按圍巖變形特征和圍巖變形量大小進(jìn)行圍巖分類，判斷巷道的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，支護(hù)荷載的確定，其目的就是阻止圍巖變形。圍巖變形理論是圍巖分類的理論基礎(chǔ)和重要依據(jù)，也是巷道支護(hù)理論的主要組成部分。在這個(gè)基礎(chǔ)上制定的圍巖分類可以使錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)、參數(shù)合理化，把設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)控測(cè)量緊密結(jié)合起來(lái)，真正做到“三位一體”。它具有技術(shù)理論先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠的特點(diǎn)，可極大地促進(jìn)錨噴支護(hù)技術(shù)的完善與提高。工程實(shí)踐和應(yīng)用表明，按變形量的圍巖分類方法是符合多因素影響、單一綜合指標(biāo)發(fā)展方向的。據(jù)此判定圍巖的穩(wěn)定性具有現(xiàn)實(shí)意義，見(jiàn)表2-2。2/5/202327第二節(jié)圍巖的變形和應(yīng)力分布2/5/202328第三節(jié)圍巖壓力及其影響因素一、圍巖壓力巷道掘進(jìn)后，破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起了一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力的重新分布和巖體彈性潛能的釋放，形成應(yīng)力集中，造成一定范圍內(nèi)圍巖的變形位移，形成塑性松弛區(qū)，惡化了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)。有的甚至引起較大位移，使圍巖由塑性轉(zhuǎn)化為松動(dòng)破裂，產(chǎn)生松動(dòng)壓力，導(dǎo)致圍巖局部破壞和整體失穩(wěn)，塌方冒頂。為避免出現(xiàn)巷道失穩(wěn)現(xiàn)象，需采取相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施，防止圍巖冒落。圍巖壓力是指巷道周邊巖石抵抗圍巖變形的能力，即支承物所承受的松動(dòng)破碎圈范圍內(nèi)巖石的形變壓力。從狹義上講，圍巖壓力也稱為支承壓力。從巷道圍巖空間狀態(tài)而言，巷道是由頂板、底板和兩幫組成的一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)的各部分在井巷地壓作用下的受力狀態(tài)不同，其圍巖性質(zhì)也往往存在著很大的差異，因而巷道側(cè)壓和底壓三種類型。2/5/202329第三節(jié)圍巖壓力及其影響因素巷道開(kāi)掘以后，暴露出來(lái)的頂板巖石，類似雙支梁一樣支承上部巖石的壓力。受力后的頂板梁將向下彎曲，靠近巷道頂板線的巖石承受拉力而裂開(kāi)，如圖2-13(a)所示，隨著裂隙的增多、擴(kuò)大，巖石就開(kāi)始冒落，它的壓力也將逐漸降低，而作用在巷道兩幫巖石上的壓力卻逐漸增加，如圖2-13(b)、(c)所示。當(dāng)頂板破碎巖石冒落到一定范圍而形成自然平衡拱時(shí)，就停止冒落，如圖2-13(d)所示，這時(shí)頂板又處于新的平衡狀態(tài)，巷道上部的壓力，通過(guò)拱頂傳到巷道兩幫巖石上。頂板冒落的巖石作用在支承物上的壓力稱為頂壓。2/5/202330第三節(jié)圍巖壓力及其影響因素當(dāng)頂板結(jié)構(gòu)為較弱的頁(yè)巖，其他部位為砂巖時(shí)，巷道頂板巖層發(fā)生明顯的彎曲和下沉，并直接影響到巷道兩幫上部的穩(wěn)定，頂板過(guò)度彎曲下沉必將導(dǎo)致其斷裂和破碎，頂板軟弱結(jié)構(gòu)將是巷道支護(hù)的重點(diǎn)。頂壓的大小就是冒落拱內(nèi)破碎巖石的重力。頂壓的大小，決定于冒落拱的大小，而冒落拱的大小與頂板巖石的性質(zhì)、巷道的寬度有關(guān)。巖石松軟、巷道寬度大，則冒落拱大、頂壓大；反之，巖石堅(jiān)硬、巷道狹窄，則冒落拱小、頂壓小。在自然平衡拱形成過(guò)程中，巷道上部壓力不斷傳給巷道兩幫。若巷道兩幫巖石堅(jiān)硬，則兩幫不被壓壞，當(dāng)巷道兩幫結(jié)構(gòu)為軟弱巖層時(shí)，巷道圍巖變形主要表現(xiàn)為兩幫巖層在垂直集中壓力作用下的內(nèi)移，兩幫變形在中部和上部比較突出，則巷道兩幫發(fā)生移動(dòng)，即所謂片幫，巷道支護(hù)的重點(diǎn)在兩幫，如圖2-14所示。這部分垮落的巖石所產(chǎn)生的水平分力，就是巷道的側(cè)壓，即冒落拱內(nèi)破碎巖石自重的側(cè)壓力。其大小與兩幫巖石階性質(zhì)、巷道高度和上部壓力的大小有關(guān)。2/5/202331第三節(jié)圍巖壓力及其影響因素巷道產(chǎn)生的側(cè)壓得到新的平衡之后，新的自然平衡拱仍將上部的壓力傳給巷道兩幫，再傳給底板。當(dāng)巷道底板結(jié)構(gòu)為軟弱巖層時(shí)，底板在水平集中壓力作用下的底鼓(圖2-15)變形十分明顯，圍巖控制的重點(diǎn)將是底鼓。有時(shí)底板巖石具有遇水膨脹特性(如粘土頁(yè)巖)，當(dāng)巷道積水，也會(huì)由于巖石膨脹而產(chǎn)生底壓。底壓嚴(yán)重時(shí)，可使巷道嚴(yán)重變形，為此底壓嚴(yán)重的地區(qū)，常使用特殊形狀斷面的巷道，如圓形斷面巷道。根據(jù)上述三種圍巖壓力產(chǎn)生的原因可知，側(cè)壓和底壓都是由頂壓引起的，而頂壓與巷道的掘進(jìn)及支護(hù)關(guān)系更為密切。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)于頂壓所引起的圍巖變形移動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)特別注意。2/5/202332第三節(jié)圍巖壓力及其影響因素二、影響圍巖壓力因素的分析巷道圍巖壓力是受多種因素影響的，它隨巖體的地質(zhì)條件、圍巖的變形位移特征、原巖應(yīng)力狀態(tài)、巷道階性質(zhì)及支護(hù)結(jié)構(gòu)、工程環(huán)境和施工工藝的不同而變化。這些因素可概括為兩大類，即地質(zhì)因素和掘進(jìn)技術(shù)因素。現(xiàn)以基本不受采動(dòng)影響的靜壓巷道為例，分析影響圍巖壓力的典型因素。(一)圍巖變形位移特征由圍巖變形所引起的圍巖壓力，根據(jù)變形的大小來(lái)判別壓力的大小，變形最大的方向，即是通常所說(shuō)的來(lái)壓方向。巷道圍巖巖體包括三部分：頂、底、兩幫。這三部分的巖性可能相差很大，而且穩(wěn)定狀況也各有區(qū)別。實(shí)踐證明，任何一條巷道的變形和破壞都是先從穩(wěn)定性程度較差的一部分開(kāi)始并擴(kuò)展的，逐漸影響其他部分，最終導(dǎo)致巷道的整體性破壞。圍巖壓力是圍巖變形和破碎引起的，其大小決定于圍巖破裂帶的大小。巷道四周破裂帶大小不同，各方向的圍巖壓力也不同。掌握圍巖位移與時(shí)間的基本關(guān)系，圍巖的位移速度、位移量以及圍巖位移趨于穩(wěn)定的時(shí)間，對(duì)認(rèn)識(shí)圍巖壓力的產(chǎn)生、發(fā)展趨勢(shì)具有重要意義。2/5/202333第三節(jié)圍巖壓力及其影響因素(1)巷道掘進(jìn)后，圍巖首先產(chǎn)生彈性變形。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，圍巖受風(fēng)化，力學(xué)性質(zhì)降低，致使圍巖不穩(wěn)定，則在巷道周邊最先進(jìn)入塑性變形，在形成塑性變形區(qū)的過(guò)程中，圍巖向巷道空間顯著位移。圍巖壓力從發(fā)生變形時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生，并隨著圍巖變形位移量的發(fā)展而明顯增大。(2)隨掘進(jìn)時(shí)間的延長(zhǎng)，圍巖變形速度將日趨緩和。當(dāng)掘進(jìn)引起的圍巖應(yīng)力重新分布趨向穩(wěn)定后，由于巖層的流變性質(zhì)，圍巖變形還會(huì)隨時(shí)間而緩慢地不斷增長(zhǎng)，但其變形速度比巷道初掘期間小得多。在此期間，圍巖壓力也將緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定。這一階段的圍巖壓力主要是由圍巖變形和位移所引起的。(3)當(dāng)巷道周邊巖石為較軟巖層時(shí)，圍巖變形從位移擴(kuò)大到松軟破裂帶直至巖石冒落，此時(shí)圍巖壓力顯著增大。(4)圍巖開(kāi)始冒落到完成，圍巖壓力將從高峰值逐漸降低并趨于穩(wěn)定。這一階段的圍巖壓力主要是由圍巖破碎引起的。2/5/202334第三節(jié)圍巖壓力及其影響因素由此可見(jiàn)，巷道圍巖壓力隨圍巖變形移動(dòng)及破碎過(guò)程，將經(jīng)過(guò)掘巷期間從產(chǎn)生到明顯增大→緩慢增長(zhǎng)→趨向穩(wěn)定→巖石破碎冒落期間顯著增大→逐漸降低→趨向穩(wěn)定6個(gè)時(shí)期。

學(xué)習(xí)意義：認(rèn)識(shí)到這種巷道圍巖從掘進(jìn)巷道到圍巖破壞期間壓力變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)于正確選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)類型，及時(shí)發(fā)揮支護(hù)的作用，防止圍巖的不利影響，是非常有用的。2/5/202335第三節(jié)圍巖壓力及其影響因素(二)巷道埋深圍巖壓力的大小，是由圍巖的變形移動(dòng)和破碎狀況決定的。變形的大小首先決定于原巖應(yīng)力，而原巖應(yīng)力的大小與深度成正比。所以巷道埋深越