巖石力學(xué)-第四章 巷道圍巖應(yīng)力分布及其穩(wěn)定性分析

第四章巷道圍巖應(yīng)力分布及其穩(wěn)定性分析本章將深入探討巷道圍巖的應(yīng)力分布及其對(duì)穩(wěn)定性的影響。從地質(zhì)環(huán)境、支護(hù)要求等多個(gè)角度分析巷道圍巖的應(yīng)力特征,并提出相應(yīng)的穩(wěn)定性評(píng)估及控制措施。為更好地展示相關(guān)概念,提供了豐富的圖片資源。SabySadeeqaalMirza4.1前言引言背景礦井巷道的圍巖應(yīng)力分布及其穩(wěn)定性分析是礦山工程設(shè)計(jì)與施工中的關(guān)鍵內(nèi)容。合理把握巷道周圍圍巖的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)礦井的安全開采至關(guān)重要。分析目的本章旨在系統(tǒng)探討巷道圍巖應(yīng)力分布的基本理論和計(jì)算方法,并分析圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)和支護(hù)設(shè)計(jì)原則。研究?jī)?nèi)容介紹巷道圍巖應(yīng)力分布的基本原理,分析影響應(yīng)力分布的主要因素,并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)應(yīng)力分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)行探討。4.2圍巖應(yīng)力分布的基本理論圍巖應(yīng)力分布的基本理論是理解和分析地下巷道穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。它從應(yīng)力平衡方程、應(yīng)力分布的邊界條件以及求解方法等方面闡述了應(yīng)力分布的基本規(guī)律。這些理論為進(jìn)一步分析巷道形狀、地應(yīng)力場(chǎng)和圍巖性質(zhì)對(duì)應(yīng)力分布的影響奠定了理論基礎(chǔ)。4.2.1應(yīng)力分布的基本方程要分析巷道圍巖的應(yīng)力分布,首先需要建立基本的力學(xué)方程。圍巖通常被視為連續(xù)介質(zhì),均勻各向同性,符合彈性力學(xué)理論?；痉匠贪ㄆ胶夥匠?、應(yīng)變-位移方程和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方程。這些方程共同描述了圍巖的內(nèi)力平衡狀態(tài)和變形狀態(tài),為后續(xù)的應(yīng)力分析提供了基礎(chǔ)。4.2.2應(yīng)力分布的邊界條件應(yīng)力分布的邊界條件是描述應(yīng)力分析問題的重要組成部分。邊界條件反映了外界環(huán)境對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響。常見的邊界條件包括位移邊界條件和力邊界條件。位移邊界條件描述了圍巖表面的位移狀態(tài),而力邊界條件則反映了外界荷載對(duì)圍巖的作用。合理設(shè)置邊界條件對(duì)準(zhǔn)確描述應(yīng)力分布至關(guān)重要。4.2.3應(yīng)力分布的求解方法確定巷道圍巖應(yīng)力分布的求解方法是關(guān)鍵。常用的方法包括數(shù)值計(jì)算、解析法和實(shí)測(cè)等。數(shù)值計(jì)算方法主要利用有限元、邊界元等數(shù)值模擬手段,可模擬復(fù)雜的幾何形態(tài)和邊界條件,得到較為精確的應(yīng)力分布。解析法則基于應(yīng)力平衡方程推導(dǎo)出解析解,適用于簡(jiǎn)單幾何條件下?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可直接獲得應(yīng)力分布,但需要布設(shè)儀器,操作較為復(fù)雜。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn),在工程實(shí)踐中需綜合考慮應(yīng)用。4.3巷道圍巖應(yīng)力分布特征巷道圍巖應(yīng)力分布受到多種因素的影響,包括巷道形狀、地應(yīng)力場(chǎng)以及圍巖性質(zhì)等。這些因素相互作用,形成了復(fù)雜的應(yīng)力分布特征。準(zhǔn)確掌握這些特征對(duì)于分析巷道穩(wěn)定性至關(guān)重要。4.3.1巷道形狀對(duì)應(yīng)力分布的影響巷道形狀是影響應(yīng)力分布的重要因素之一。巷道截面形狀不同會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中程度和方向的差異,從而影響圍巖的穩(wěn)定性。一般來說,圓形截面能較好地分散應(yīng)力,減小應(yīng)力集中,是較理想的巷道形式。而較為常見的矩形、馬蹄形等截面形式,由于應(yīng)力集中的存在,往往會(huì)造成圍巖失穩(wěn)。因此,在巷道開挖設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮截面形狀對(duì)應(yīng)力分布的影響,采取有效的支護(hù)措施來確保巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)應(yīng)力分布的影響地應(yīng)力場(chǎng)是地層重力和地殼運(yùn)動(dòng)等因素形成的自然應(yīng)力場(chǎng)。它在整個(gè)礦山工程中起著關(guān)鍵作用，對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布產(chǎn)生重大影響。地應(yīng)力方向、大小以及其不平衡分布情況都會(huì)造成圍巖應(yīng)力的復(fù)雜變化。合理評(píng)估地應(yīng)力場(chǎng)是進(jìn)行圍巖應(yīng)力分析的前提。需要通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論計(jì)算相結(jié)合的方法準(zhǔn)確把握地應(yīng)力場(chǎng)的特征。圍巖性質(zhì)對(duì)應(yīng)力分布的影響巷道周圍巖石的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)對(duì)應(yīng)力分布產(chǎn)生重要影響。如巖石強(qiáng)度高、彈性模量大的圍巖,能更好地抵抗外力作用,應(yīng)力分布更加均勻;而強(qiáng)度低、易破壞的圍巖,應(yīng)力局部集中,容易發(fā)生巖石破壞。因此,充分了解圍巖性質(zhì)對(duì)應(yīng)力分布的影響規(guī)律,對(duì)于巷道開挖穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。巷道圍巖穩(wěn)定性分析分析巷道圍巖的穩(wěn)定性是保障礦山安全的關(guān)鍵。從評(píng)價(jià)指標(biāo)、分析方法和支護(hù)設(shè)計(jì)等方面全面探討圍巖穩(wěn)定性評(píng)估和控制措施,為實(shí)際工程提供理論支撐。圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)通過計(jì)算圍巖中的應(yīng)力分布,評(píng)估應(yīng)力水平是否超出巖石的強(qiáng)度極限,從而判斷巖體穩(wěn)定性。位移評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)量和分析巷道圍巖的位移情況,為判斷圍巖穩(wěn)定性提供重要依據(jù)。關(guān)注圍巖的變形程度和速率。破壞模式評(píng)價(jià)觀察和分析巖體的破壞模式,如剝落、崩落、開裂等,從而評(píng)估其穩(wěn)定性和潛在危險(xiǎn)。圍巖穩(wěn)定性分析方法極限平衡法根據(jù)巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù),建立圍巖穩(wěn)定性的極限平衡分析模型,計(jì)算圍巖的安全系數(shù).數(shù)值分析法利用有限元、有限差分等數(shù)值方法,模擬圍巖應(yīng)力分布和變形過程,預(yù)測(cè)圍巖的穩(wěn)定性.巖體力學(xué)試驗(yàn)通過開展原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn),測(cè)定巖體參數(shù),為穩(wěn)定性分析提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)力分析針對(duì)具體的巷道幾何形狀和地應(yīng)力環(huán)境,開展全面的應(yīng)力分析,準(zhǔn)確掌握圍巖應(yīng)力分布特征。巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)合巖體力學(xué)理論,選擇合適的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)估。支護(hù)方案設(shè)計(jì)針對(duì)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定性特征,選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式,如錨桿、噴錨、錨索等,確保巷道的長(zhǎng)期安全。4.5工程實(shí)例分析本節(jié)將介紹兩個(gè)具體工程案例,分別對(duì)巷道應(yīng)力分布和圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。這些案例可以幫助我們更好地理解實(shí)際工程中的應(yīng)力分布規(guī)律和圍巖破壞機(jī)制,為后續(xù)的支護(hù)設(shè)計(jì)提供重要參考。某煤礦巷道應(yīng)力分布分析某煤礦位于煤田中部,是當(dāng)?shù)刂匾哪茉雌髽I(yè)。為提高生產(chǎn)效率,該礦正在開掘一條新的水平巷道。由于周圍地應(yīng)力和圍巖性質(zhì)的影響,此巷道在開挖過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中問題。為了分析這一問題,研究團(tuán)隊(duì)采用有限元法對(duì)該巷道的應(yīng)力分布進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證。某金屬礦巷道穩(wěn)定性分析某金屬礦山位于復(fù)雜的地質(zhì)條件下,針對(duì)巷道穩(wěn)定性開展了深入分析。通過測(cè)量地應(yīng)力場(chǎng),結(jié)合有限元模擬,識(shí)別了巷道周圍的應(yīng)力集中區(qū)域。進(jìn)一步分析了圍巖特性、支護(hù)方式對(duì)穩(wěn)定性的影響,為優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。本章小結(jié)本章詳細(xì)探討了巷道圍巖應(yīng)力分布特征及其穩(wěn)定性分析方法。從基本理論、數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)到工程實(shí)例分析,全面系統(tǒng)地闡述了巷道圍巖應(yīng)力分布的影響因素及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo),為下一步的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。思考題11.分析巷道圍巖應(yīng)力分布的影響因素深入探討巷道形狀、地應(yīng)力場(chǎng)和圍巖性質(zhì)等因素對(duì)應(yīng)力分布的影響機(jī)制和規(guī)律。22.評(píng)估巷道圍巖穩(wěn)定性的指標(biāo)體系總結(jié)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)