1、巷道围岩控制与监测v原岩应力及巷道周围应力分布v开采对巷道围岩应力的影响v巷道顶板事故的影响因素（棚式及锚杆支护的事故分析）v棚式及锚杆支护质量监测第一章 原岩应力及巷道周围应力分布 开采对巷道围岩应力的影响第一节第一节 岩体中的原岩应力岩体中的原岩应力 地壳中没有受到人类工程活动（如矿井中开掘巷道地壳中没有受到人类工程活动（如矿井中开掘巷道等）影响的岩体称为原岩体，简称等）影响的岩体称为原岩体，简称原岩。存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。，也称为岩体初始应力、绝对应力或地应力。天然存在于原岩内而与人为因
2、素无关的应力场称为天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应力场。 由地心引力引起的应力场称为由地心引力引起的应力场称为自重应力场，地壳中，地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量。任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量。由于地质构造运动而引起的应力场称为由于地质构造运动而引起的应力场称为构造应力场。 图图2-1 岩体单元体所在位置及其应力状态岩体单元体所在位置及其应力状态 一、自重应力一、自重应力 假定岩体为均匀连续介质，应用连续介质力学假定岩体为均匀连续介质，应用连续介质力学原理计算岩体自重应力。设岩体为半无限体，地面原理计算岩体自重应力。设岩体为半无限体，地面为水
3、平面，在距地表深度为为水平面，在距地表深度为H处，任意取一单元体。处，任意取一单元体。其上作用的应力为其上作用的应力为z，y，x，形成岩体单元的，形成岩体单元的自重应力状态。自重应力状态。 单元体上所受的垂直应力单元体上所受的垂直应力z等于单元体上覆岩等于单元体上覆岩层的重量：层的重量： 在均匀岩体内，岩体的自重应力状态为 zxyyzyxxyxzzEEE111 如果岩体由多层不同重力密度的岩层组如果岩体由多层不同重力密度的岩层组成。各层岩层的厚度和重力密度分别依次为成。各层岩层的厚度和重力密度分别依次为h1，h2，hi，hn；1，2，i，n。则岩体的自重初始应力为。则岩体的自重初始应力为 岩体
4、初始应力状态的岩体初始应力状态的静水压力理论认为，认为，在埋藏较深条件下，垂直压应力相当大，岩在埋藏较深条件下，垂直压应力相当大，岩石呈现明显的塑性。泊松比石呈现明显的塑性。泊松比近似等于近似等于0.5，侧压系数侧压系数为为1.0，此时，此时 如果把岩体看作任何一种弹粘性体（本如果把岩体看作任何一种弹粘性体（本质是粘性流体），把地质历史看作应力作用质是粘性流体），把地质历史看作应力作用时间无限长，则时间无限长，则深部的岩体自重应力场都将的岩体自重应力场都将达到达到静水应力状态。状态。二、构造应力构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力，的应力，岩体构造应力可以
5、分为岩体构造应力可以分为现代构造应力和构造应力和地质构造残余应力。构造残余应力。前者是指前者是指正在经受地质构造运动的作用，在地质构造运动的作用，在地质构造发生过程中，岩体内产生的应力。地质构造发生过程中，岩体内产生的应力。后者是指后者是指已经结束的地质构造运动残留于岩的地质构造运动残留于岩体内部的应力。体内部的应力。 构造应力以水平力为主，具有明显的区构造应力以水平力为主，具有明显的区域性和方向性。有以下基本特点：域性和方向性。有以下基本特点： 一般情况下地壳运动以水平运动为主，一般情况下地壳运动以水平运动为主，构造应力主要是水平应力；而且地壳总的运；而且地壳总的运动趋势是相互挤压，所以动趋
6、势是相互挤压，所以水平应力以压应力占绝对优势。 构造应力分布不均匀，在地质构造变化，在地质构造变化比较剧烈的地区，最大主应力的大小和方向比较剧烈的地区，最大主应力的大小和方向往往有很大变化。往往有很大变化。 岩体中的构造应力具有岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大水平主应力和最小水平主应力之值一最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大。般相差较大。 构造应力在构造应力在坚硬岩层中出现一般比较中出现一般比较普遍，在软岩中贮存构造应力很少。普遍，在软岩中贮存构造应力很少。图图2-3 2-3 由地质特征推断构造应力方向的平面图由地质特征推断构造应力方向的平面图 a正断层；正断层；b逆断层；逆
7、断层；c平推断层；平推断层；d岩脉；岩脉；e摺皱摺皱三、原岩应力分布的基本规律原岩应力的分布的主要规律如下：原岩应力的分布的主要规律如下：(1) 实测实测垂直应力基本上等于上覆岩层重量。基本上等于上覆岩层重量。(2) 水平应力普遍水平应力普遍大于垂直应力。垂直应力。(3) 平均水平应力与垂直应力的平均水平应力与垂直应力的比值随深度增随深度增加而加而减小。(4) 最大水平主应力和最小水平主应力一般比最大水平主应力和最小水平主应力一般比值值相差较大。表表2-1 部分矿井原岩应力实测结果部分矿井原岩应力实测结果 图2-4 世界各国垂直应力v与深度H变化规律图 第二节第二节 原岩体内掘进巷道引起的围岩
8、应力原岩体内掘进巷道引起的围岩应力第二节第二节 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力原岩体内掘进巷道引起的围岩应力在巷道两侧周边的围岩上就将承受在巷道两侧周边的围岩上就将承受(23)1或或(45) 1的垂直压应力。的垂直压应力。由于处于周边的岩块由于处于周边的岩块侧向应力为零，为为零，为单向压缩状状态。态。随着向深部发展，岩块逐渐变为随着向深部发展，岩块逐渐变为三向应力状态。状态。 若巷道两侧是松软岩层，如煤，页岩等，则在此压若巷道两侧是松软岩层，如煤，页岩等，则在此压力下就可能处于破坏状态。力下就可能处于破坏状态。随着向岩体内部发展，岩块的随着向岩体内部发展，岩块的抗压强度逐渐增加，逐渐增加，直到
9、某一半径直到某一半径R处岩块又处于处岩块又处于弹性状态。状态。 第二节第二节 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力原岩体内掘进巷道引起的围岩应力 围岩的残余强度。围岩的残余强度。注意围岩注意围岩强度弱化过程中塑性区物性参数的变化。过程中塑性区物性参数的变化。巷道的稳定性和周边位移主要取决于：巷道的稳定性和周边位移主要取决于：它们之间的它们之间的关系为：为： 巷道的周边位移随巷道所在位置原岩应力的巷道的周边位移随巷道所在位置原岩应力的增大，呈，呈指数函数关系迅速指数函数关系迅速增长；指数的大小取决于；指数的大小取决于的变化，的变化，值越小，值越小，指数越大，指数越大，u值增长愈迅速。值增长愈迅速。 巷
10、道的塑性区巷道的塑性区半径R和周边和周边位移u随内摩擦角随内摩擦角和粘聚力和粘聚力c的减小，即的减小，即围岩强度降低，显著增大。降低，显著增大。岩层原岩应力P、岩石的内摩擦角岩石的粘聚力c等。第三节第三节 相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 巷道应力影响带、巷道间岩柱的稳定性。巷道应力影响带、巷道间岩柱的稳定性。一、巷道应力影响带巷道围岩应力受扰乱的区域称为巷道围岩应力受扰乱的区域称为影响带，一般以超过原岩应力值的一般以超过原岩应力值的5作为影响带的作为影响带的边界。 各向同性弹性岩体中弹性岩体中单一圆形巷道应力影响区域形状：巷道应力影响区域形状：在在静水压应
11、力场中，为半径等于压应力场中，为半径等于6r的圆；的圆；在在非静水压应力场中，一般为长轴不大于压应力场中，一般为长轴不大于12r的椭圆。的椭圆。因此，断面因此，断面相同两圆形巷道的间距两圆形巷道的间距D为：为： 6rD12r 半径半径不同两圆形巷遭的间距两圆形巷遭的间距D为：为： 6RD6(R+R) 式中式中 R大圆形巷道半径；大圆形巷道半径； r小圆形巷道半径。小圆形巷道半径。 确定相邻巷道间距时，相邻巷道的应力影响带确定相邻巷道间距时，相邻巷道的应力影响带不宜超过巷道塑性变形区与弹性变形区的交界。巷道塑性变形区与弹性变形区的交界。 第三节第三节 相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定相邻巷道的
12、应力分布及巷道间距的确定 二、巷间岩柱的稳定性 岩柱的稳定性主要取决于岩柱的岩柱的稳定性主要取决于岩柱的载荷和岩柱和岩柱强度。 岩柱的强度主要由以下岩柱的强度主要由以下因素决定：决定：经验公式：经验公式：实验结果表明，当岩柱的实验结果表明，当岩柱的宽高比B/h大于大于5时，岩柱时，岩柱强度将随强度将随B/h的增加而显著的增加而显著增大；当；当B /h大于大于10时，一时，一般情况下岩柱般情况下岩柱不易被破坏。被破坏。 u组成岩柱的岩体强度、组成岩柱的岩体强度、u岩柱的宽度岩柱的宽度u岩柱的高度岩柱的高度u总的构造特征。总的构造特征。第三节第三节 相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定相邻巷道的应力
13、分布及巷道间距的确定 二、相邻巷道间合理距离 我国煤矿在采探条件我国煤矿在采探条件(300500 m)下，大巷间的距离以下，大巷间的距离以2040 m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，大巷间距可在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，大巷间距可减小减小至至 l0m；在深部和松软围岩条件下，大巷间距可；在深部和松软围岩条件下，大巷间距可增大至增大至50m。上下山及集中巷间距以上下山及集中巷间距以1530 m为宜为宜。围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值；在浅部和坚硬围岩以及
14、在急倾斜煤层条件下，上述距离可在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层条件下，上述距离可减小减小到到10 m，在深部和松软围岩以及厚煤层内，间距应，在深部和松软围岩以及厚煤层内，间距应扩大到扩大到4050 m。第四节第四节 构造应力对巷道稳定性的影响构造应力对巷道稳定性的影响 二、水平应力对巷道稳定性的影响高水平应力是造成是造成底板岩层破坏和强烈岩层破坏和强烈底鼓的主要原因。的主要原因。水平应力在巷遭两帮引起较大的水平应力在巷遭两帮引起较大的拉应力，造成两帮破裂、鼓出，造成两帮破裂、鼓出和塌落，破坏深度较大。和塌落，破坏深度较大。 第四节第四节 构造应力对巷道稳定性的影响构造应力对巷道稳定性的影响 巷
15、道轴向与构造应力方向之间巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。有很大差异。巷道轴向与构造应力方向巷道轴向与构造应力方向平行时，时，构造应力对巷道的稳定性影响构造应力对巷道的稳定性影响最小；巷道轴向与构造应力方向巷道轴向与构造应力方向垂直时，时，影响影响最大。三、合理的巷道布置方向第五节第五节 回采工作面周围支承压力分布回采工作面周围支承压力分布 支承压力分布参数有：煤体边缘的破裂区宽度，塑性区宽度分布参数有：煤体边缘的破裂区宽度，塑性区宽度(支承压力峰值距离支承压力峰值距离)、支撑压力的影响距离。、支撑压力的影响距离。工作面超前支撑压力工
16、作面超前支撑压力峰值位置距煤壁一般为距煤壁一般为48 m，相当，相当23.5倍回采高度。倍回采高度。影响范围为为4060m，少数可达，少数可达6080m，应力增高系数为，应力增高系数为2.53。工作面工作面倾斜方向固定性支方向固定性支承承压力影响压力影响范围一般为范围一般为1530 m少数可达少数可达3540 m，支，支承承压力压力峰值位置距煤壁距煤壁一般为一般为1520 m，应力，应力增高系数为为23。采空区支支承承压力应力压力应力增高系数通常小通常小于于1，个别情况下达到，个别情况下达到1.3相邻的采空区所形成的支相邻的采空区所形成的支承承压力会在压力会在某些地点发生相互叠加，称为某些地点
17、发生相互叠加，称为叠合支承压力。（a）150m工作面工作面（b）280m工作面工作面孤岛综放工作面老顶覆岩支承压力分布图孤岛综放工作面老顶覆岩支承压力分布图两相邻回采空间周围两相邻回采空间周围的应力分布示意图的应力分布示意图第六节第六节 采动引起的底板岩层应力分布采动引起的底板岩层应力分布影响深度影响深度中心线中心线扩展状态扩展状态底板岩层内任一点的底板岩层内任一点的应力，主要取决于上部煤柱主要取决于上部煤柱(体体)的的载荷、该点与煤柱荷、该点与煤柱(体体)的的垂直距离及该点与煤柱及该点与煤柱(体体)边缘或中心线的边缘或中心线的水平距离。具有以下规律性。具有以下规律性。 B等于工作面超前支承压力影响范围第七节第七节 受采动影响巷道的围岩变形受采动影响巷道的围岩变形 一、巷道围岩变形量的构成 二、巷道围岩变形规律1. 巷道掘进影响阶段巷道掘进影响阶段2. 掘进影响稳定阶段掘进影响稳定阶段 3. 采动影响阶段采动影响阶段 4. 采动影响魂定阶段采动影响魂定阶段 5. 二次采动影响阶段二次采动影响阶段
