2-巷道地壓-用解析

第二章

巷道地壓課題一巷道地壓幾個概念

1、原巖與圍巖

沒有受到人類活動影響（如掘進和回采）的巖體稱做原始巖體，簡稱原巖。由于井巷掘進而使巖體應力發(fā)生顯著變化的區(qū)域叫做井巷影響圈，其直徑一般為井巷斷面最大直線尺寸的3－5倍，習慣上將此范圍內(nèi)的巖體稱為圍巖，既井巷工程周圍的巖石。

地下巖體在未開掘巷道之前是處于靜止狀態(tài)的，既此時的巖體是三向應力處于平衡狀態(tài)。開掘巷道以后，平衡的應力狀態(tài)遭到破壞，使得巖體內(nèi)部的應力重新分布。表現(xiàn)為巷道周圍的巖體產(chǎn)生變形、位移甚至破壞，直到巖體內(nèi)的應力重新達到平衡。在這一過程中，巷道本身及架設在其中的支撐物會受到各種力的作用。地壓現(xiàn)象與地壓

由于井巷地壓的作用，而引起各種力學現(xiàn)象，如頂板下沉、底鼓、巷道變形、巖體破壞甚至冒頂片幫，支架嚴重變形、折斷甚至損壞、大量巖層移動及地表發(fā)生塌陷。這種由于地壓的作用，使巷道圍巖和各種人工支撐物產(chǎn)生的變形、移動和破壞等現(xiàn)象，統(tǒng)稱地壓現(xiàn)象。由于圍巖的變形或破壞而作用在支架上的壓力稱為地壓。原巖應力

井巷地壓是由井巷掘進后，巖體中的應力重新分布引起的，要研究掘進后巷道周圍的應力，必須先了解巷道所在的巖體區(qū)域內(nèi)的原巖應力。原巖是指沒有受到人類活動影響的巖體，天然存在原巖內(nèi)的與人類活動無關的應力，稱原巖應力。原巖應力按產(chǎn)生的原因，可分為自重應力、構造應力和膨脹應力。膨脹應力就是巖體中水、溫度或瓦斯等氣體壓力所引起的應力，也能影響巖體內(nèi)的應力大小與分布。如；煤（巖）與瓦斯突出、底鼓、巖漿噴發(fā)等。在這些因素中，自重應力普遍存在，而構造應力取決于該地區(qū)的地殼運動形態(tài)，往往與大的地質構造、巖石性質有關。（一）自重應力

位于一定深度的原巖體，承受著上部巖體的重量及自重，由這個重量所引起的單位面積上的內(nèi)應力，叫自重應力。其計算公式為：在自重應力的作用下，在бz的作用方向就會出現(xiàn)壓縮變形，而在與бz成垂直方向則會產(chǎn)生側向變形，但側向由于相互擠壓受到相鄰巖體的限制，其橫向變形值只能為零，應變也為零，既ε2=ε3=0，因而會形成巖石的側向應力。側應力бｘ＝бｙ＝λбz（λ側向應力系數(shù)0.25－0.43）（二）構造應力

一般情況下，側向應力系數(shù)不大于1，但許多實測資料表明：一部分應力符合自重應力分布規(guī)律，但也有一部分卻是水平應力大于垂直應力，甚至大很多，其值可達20，且兩個方向的水平應力也不相等，其方向、大小與地質構造有關。

注意：在無構造區(qū)域，側向應力系數(shù)是不會大于1的，其值與巖石性質有關，巖石越堅硬其值越小，反之則越大。如水的雙向側向應力系數(shù)為0.5。這里的值大于1，甚至達20是因為其構造應力所引起的。構造應力是由地殼運動所引起，是一種非常復雜的自然現(xiàn)象，目前還沒有辦法對其進行準確計算，但它所產(chǎn)生的后果，我們經(jīng)常見到，如斷層、褶曲等。應力具有以下幾個方面的基本特點：

地殼構造運動在巖體中引起的內(nèi)應力，此力是構造運動后還遺留在巖體中的殘余應力。特點：1、以水平應力為主，水平應力以壓應力為主。地殼構造運動往往是以水平方向擠壓運動為主。2、變化較大。在構造應力場中，主應力的大小和方向可能有很大變化；兩個方向的水平應力值（σ2、σ3）通常不相等；3、測定表明，水平應力大于垂直應力，即σmax＞σmin＞σv式中：σmax—最大水平應力；σmin—最小水平應力；σv——垂直應力；4、巖層越堅硬越明顯。構造應力在堅硬巖層中出現(xiàn)一般比較普遍。為什么？課題二巷道圍巖應力分布和變形移動規(guī)律的重新分布

一、應力重新分布的原因

圍巖應力就是自重應力與構造應力的疊加，在井巷掘進之前，原巖應力處于三向應力平衡狀態(tài)，它們沿水平方向和垂直方向傳遞。在巖體內(nèi)開挖巷道以后，靠近巷道周圍的巖石有了變形和位移的自由面，破壞了原巖三向應力平衡狀態(tài)，使巷道周圍巖體中出現(xiàn)應力重新分布，巷道附近的應力顯著增加。1、應力重新分布的原因當巷道圍巖周邊的應力值小于巖體強度極限時，圍巖周邊只產(chǎn)生不大的彈性變形或位移，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。在這種情況下巷道不需進行支護，為了防止圍巖風化，可采用噴漿。反之，巷道周邊巖石將產(chǎn)生非彈性變形或位移。在脆性巖體中，常發(fā)生冒頂、片幫（圖a）；在塑性巖體中，往往出現(xiàn)頂板下沉、兩幫外凸或底板膨脹（圖b）；架設支架的巷道，如果支架選型不當、或強度不夠，也會使支架變形或破壞（圖c）。2、圍巖應力的重新分布的結果

巷道開挖后，圍巖應力會出現(xiàn)重新分布，圍巖應力由三向應力狀態(tài)轉變?yōu)槎驊顟B(tài)，促使巖體力學性質改變，使彈性極限和強度降低。如果變化以后的應力仍沒超過彈性極限，那圍巖應力仍可相對穩(wěn)定下來——如裸體巷道。如果應力超過彈性極限，產(chǎn)生塑性變形，應力就會發(fā)生改變。巷道周邊處于二向應力狀態(tài)，與單向受力狀態(tài)一樣，巖體呈脆性，容易發(fā)生破裂。不過離巷道周邊一定距離后，圍巖應力逐漸減小，巖體強度增高，不容易破碎，所以，圍巖破壞只限于一定范圍內(nèi)。2、圍巖應力的重新分布的結果

按圍巖變形的大小、類型不同，把巷道周邊的圍巖體分成兩個區(qū)域，一個是破裂帶（非彈性變形帶），另一個是裂隙帶（彈性變形帶）。當破裂帶內(nèi)的圍巖應力達到極限應力時，圍巖開始破裂，為了保持巷道形狀必須施加外部力量，也就是進行巷道支護。對于均質而又軟弱的彈性巖體，巷道開挖后，在破裂帶內(nèi)應力降低稱為應力降低區(qū)；超過破裂帶進入裂隙帶后應力增高并出現(xiàn)峰值，為應力集中區(qū)；遠離巷道的巖體受巷道的影響越來越小，接近于原始應力狀態(tài)，稱為原巖應力區(qū)，如下圖左。對于堅硬的彈性巖體，巷道開挖后，其垂直應力分布如下圖右。Ⅰ-應力降低區(qū)；Ⅱ-應力集中區(qū)；Ⅲ-原巖應力區(qū)注意：降低區(qū)是應力釋放與內(nèi)部前移或者軟巖破壞；如果降低區(qū)破壞垮落，集中區(qū)應力釋放，集中區(qū)向巖體內(nèi)部前移。就會出現(xiàn)垮落—應力前移—再垮落直至巖石的碎脹性達到新的平衡。二、巷道圍巖的變形移動的原因上一節(jié)我們講到，地下巖體處在復雜的自重應力及構造應力場中。巷道開挖以后，改變了原巖的三向應力平衡狀態(tài)，必然導致其體積與形狀發(fā)生改變，圍巖將出現(xiàn)彈性變形。隨時間的變化，還會發(fā)生蠕變，變形繼續(xù)增加。如果是穩(wěn)定的蠕變，在經(jīng)過一段時間以后，變形結束，不影響巷道的使用；

但如果是不穩(wěn)定的蠕變或者是巷道周邊應力超過了巖石的彈性極限，就會使巷道周邊首先產(chǎn)生塑性變形甚至發(fā)生破裂。只要及時采取有效的支護措施，非彈性變形發(fā)展到一定范圍也能穩(wěn)定下來；如果不采取措施或措施不力，破裂帶就會繼續(xù)發(fā)展，圍巖的非彈性變形也會逐漸增大，巷道周邊破裂的巖石將會冒落。冒落以后，相當于擴大了巷道斷面，圍巖變形破裂必然繼續(xù)擴大。1、巷道圍巖的變形移動的原因

圍巖的彈性變形對生產(chǎn)是沒有多大影響的，而塑性變形則會引起圍巖的破碎，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)的過程中，圍巖會向巷道空間顯著位移，隨時間的延長，圍巖變形速度將逐漸放緩。掘進引起的圍巖應力重新分布趨于穩(wěn)定后，由于巖層的流變性質，圍巖變形還會隨時間而緩慢地不斷增長，但變形速度比剛掘進時小許多。因此，圍巖的變形是由于開挖巷道時外力作用的結果。2、圍巖變形的影響因素

變形的大小首先取決于原巖應力，而原巖應力的大小與深度成正比，所以深度越大，變形越大。在同樣深度的情況下構造應力較大的地區(qū)，變形也較大。不同方向、不同斷面形狀的巷道，原巖應力不相同，變形也不相同，如平行于巖層走向的運輸巷道比垂直巖層走向的石門的變形要大，梯形斷面比圓形斷面要大。巷道圍巖由幾種不同力學性質的巖石組成時，強度指標較弱的巖石，變形較大。層理發(fā)育的圍巖，由于層理面強度較弱，產(chǎn)生的變形也較大。由此可以看出，圍巖的變形與原巖應力、巷道位置及形狀尺寸、圍巖的力學性質有密切的關系。3、圍巖的變形后的形態(tài)圍巖的變形移動較大時，往往會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，稱冒落拱或自然平衡拱。自然平衡拱的形成過程，就是頂板破碎巖石冒落的過程。巖石一般沿破裂面滑落，但冒落拱的形狀既有一定的規(guī)則，又各不相同。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)情況下又會產(chǎn)生新的破裂帶，如果不采取有效措施，冒落又會進一步發(fā)展。圍巖壓力及影響因素

－、圍巖壓力

1、概念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破碎圈范圍內(nèi)巖石的形變壓力。從狹義上說，圍巖壓力就是支承壓力。

2、分類從巷道圍巖空間狀態(tài)來說，巷道是由頂板、底板和兩幫巖體組成的一個復合結構體，結構的各部分在井巷地壓作用下的狀態(tài)不同，其圍巖性質也往往存在很大差異，因此巷道頂、底、兩幫的穩(wěn)定狀態(tài)往往具有明顯的結構特征。所以，圍巖壓力按成因劃分為巷道的頂壓、側壓和底壓三種類型。

巷道開挖后，暴露出來的頂板巖石，類似于雙支梁一樣支承上部巖石壓力，受力后的頂板梁將向下彎曲，而靠近巷道頂板線的巖石承受拉力而開裂。如P20圖2-13ａ，隨裂隙的增多、擴大，巖石會產(chǎn)生冒落，它的壓力也會逐漸降低，而作用在兩幫巖石上的壓力卻逐漸增加，如P20圖2-13ｂ、ｃ；當頂板巖石冒落到一定范圍而形成自然平衡拱時，就會停止冒落，如圖ｄ，這時頂板又處于新的平衡狀態(tài)，巷道上部的壓力，通過拱頂傳到巷道兩幫的巖石上。頂板冒落的巖石作用在支承物上的壓力叫頂壓。－、圍巖壓力

如果頂板為較弱的頁巖，其他部位為砂巖時，巷道頂板巖層會發(fā)生明顯的彎曲下沉，并直接影響到巷道兩幫上部的穩(wěn)定，頂板過度彎曲下沉一定會導致其斷裂和破碎，所以，軟弱頂板是巷道支護的重點。頂壓的大小就是冒落拱內(nèi)巖石的重量，頂壓的大小，取決于冒落拱的大小而冒落拱的大小與頂板巖石的性質、巷道的寬度有關。巖石松軟、巷道寬度大，則冒落拱大，頂壓大，反之亦反。－、圍巖壓力

在自然平衡拱的形成過程中，巷道上部壓力不斷傳給兩幫巖石，若兩幫巖石堅硬，兩幫不會壓壞，當巷道兩幫為軟弱巖層時，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，如巷道兩幫發(fā)生移動，即片幫，則支護重點在兩幫，如P20圖2-14。這部分（兩幫）垮落的巖石所產(chǎn)生的水平分力，就是巷道的側壓。側壓的大小與兩幫巖石性質、巷道高度和上部壓力的大小有關。－、圍巖壓力

巷道產(chǎn)生的側壓得到新的平衡后，新的自然平衡拱仍會將上部的壓力傳給巷道兩幫，再傳給底板。當巷道底板結構為軟弱巖層時，底板在水平集中壓力的作用下產(chǎn)生底鼓變形，即底壓。此時圍巖控制的重點是底鼓。有時底板巖層具有遇水膨脹的特性（如粘土、頁巖），當巷道積水，也會由于巖石膨脹而產(chǎn)生底壓。底壓嚴重時，可使巷道嚴重變形，因此，對底壓嚴重的地方，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)生的原因可以知道，側壓和底壓其實都是由頂壓所引起，而頂壓與巷道的掘進及支護關系更為密切，因此，對頂壓所引起的圍巖變形移動現(xiàn)象應特別注意。巷道頂板壓力分析含義-巷道頂板或頂梁遭受其上部巖層的壓力。特征：頂板巖石或頂梁彎曲下沉，斷裂、掉矸、冒落、支架發(fā)生聲響、柱子插底。特點：巷道寬度、上部巖層厚度及容重，頂板巖石性質，構造、爆破方式及火藥用量有關。實情：若巖石松軟將通過其自身的形變消耗上部壓力，若其堅硬將力傳遞給巷道兩幫。巷道側壓分析來源：主要來自頂壓傳遞至兩邦的壓力；特征：兩邦向內(nèi)位移，片幫，支柱彎曲或斷裂；特點：頂板傳遞壓力大小，巷道高度與寬度，兩幫與頂板巖石性質，構造與爆破沖擊力大小有關。實情：若巖石松軟，兩幫巖石受擠壓造成片幫，支柱彎曲、斷裂而消耗其應力；如果堅硬將直接傳遞給底板。底壓分析來源；由兩幫傳遞或底板巖石的水漲性所產(chǎn)生；特征：底鼓、支柱插底，巷道高度下降等；特點：頂、邦、底板巖石有關，巷道斷面形狀與支護形式有關。穿鞋另外：與鉆眼爆破、構造應力、采動影響有關。應力重新分布與實現(xiàn)新平衡的過程二、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，它隨巖體的地質條件、圍巖的變形位移特征、原巖應力狀態(tài)、巷道的性質及支護結構、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，即地質因素和掘進技術因素。這里我們先就基本不受采動影響的靜壓巷道為例，來分析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)變形的大小來判斷壓力的大小，變形最大的方向，即通常所說的來壓方向。巷道圍巖巖體包括三部分：頂、底、兩幫。這三部分的巖性相差很大，而且穩(wěn)定狀況也各不相同。實踐證明，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始并擴大的，逐漸影響其他部分，最終導致巷道的整體性破壞。（一）圍巖變形位移特征1、巷道掘進后，圍巖首先產(chǎn)生彈性變形，經(jīng)過一段時間后，圍巖受風化，力學性質降低，導致圍巖不穩(wěn)定，則在巷道周邊最先進入塑性變形，在形成塑性變形區(qū)的過程中，圍巖向巷道空間顯著位移。圍巖壓力從發(fā)生變形時開始產(chǎn)生，并隨著圍巖變形位移量的發(fā)展而明顯增大。（一）圍巖變形位移特征

2、隨掘進時間的延長，圍巖變形速度將趨于緩和。當掘進引起的圍巖應力重新分布趨于穩(wěn)定后，由于巖層的流變性質，圍巖變形還會有一段緩慢增長的過程，但變形速度比巷道初掘期間小許多。在此期間，圍巖壓力也將緩慢增長并趨于穩(wěn)定。

3、當巷道周邊巖石為較軟巖層時，圍巖變形由位移擴大到松軟破裂帶直至巖石冒落，此時圍巖壓力明顯增大。（一）圍巖變形位移特征

4、圍巖開始冒落到完成，圍巖壓力將從高峰值逐漸降低并趨于穩(wěn)定。在這一階段，圍巖壓力主要是由圍巖破碎引起。由此可見，巷道圍巖壓力隨圍巖變形移動及破碎過程，將經(jīng)過從掘巷期間產(chǎn)生到明顯增大－－緩慢增長――趨于穩(wěn)定――圍巖破碎冒落期間顯著增大――逐漸降低――趨向穩(wěn)定6個時期。認識巷道圍巖這種從掘進到破壞期間壓力變化的動態(tài)過程，對于正確選擇支護結構類型，及時發(fā)揮支護的作用，防止圍巖的不利影