第2章矿山岩体的原岩应力及其重新分布

1第二章矿山岩体的原岩应力及其重新分布第一节第二节第三节第四节2第一节第二节第三节第四节主要研究内容：本章介绍开采后回采工作空间的应力再分布，支承压力概念及围岩分区。3本章的重点:1、原岩应力的概念2、岩体中弹性能的作用3、回采空间周围支承压力分布难点：圆孔周围应力分布规律第一节第二节第三节第四节4第一节岩体中的原岩应力第二节岩体中的弹性变形能第三节孔周围的应力分布第四节围岩极限平衡与支承压力分布本章内容第一节第二节第三节第四节5第一节岩体中的原岩应力第一节第二节第三节第四节6矿山开采前,首先要研究巷道所在岩体区域的原岩应力场自重应力:岩体自重引起构造应力:地质构造运动.(地震,火山,海啸)膨胀（收缩）应力:矿物质遇水膨胀原岩应力场:天然存在于原岩内而与任何人为因素无关的应力场.原岩:地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体.地温应力第一节第二节第三节第四节自重应力构造应力7在距地表深度为H处,任意取一单元立方体,这个单元体上所受的垂直应力σ1（σz），侧向应力为σ2（σx），σ3(σy)，形成岩体单元上的自重应力。一自重应力第一节第二节第三节第四节垂直应力侧向应力8自重应力第一节第二节第三节第四节9金尼克认为，仍处于弹性状态，符合虎克定律，一般，μ=0.2—0.3，最大μ=0.5，λ=0.25—0.43，最大为0.5。11关于侧压系数λ：（静水压力理论）（弹性侧压理论）海姆认为，因长时蠕变及应力均化作用,实际应用中：浅部坚硬岩体用金尼克公式，深部塑性大岩体用海姆公式。第一节第二节第三节第四节10理论上自重原岩应立场的水平应力是被动的，水平应力垂直应力。实践上,在地质褶曲带,断层附近,背向斜部位有剧烈应力变化,实际测定中,水平应力垂直应力。原因:1)地壳中的地质构造运动使局部岩层处于构造应力场中,如地震,为现代构造应力2)地质构造运动后,遗留下一部分应力，为地质残余构造应力构造运动+残余应力二构造应力第一节第二节第三节第四节11地震区带划分图第一节第二节第三节第四节12唐山大地震使工矿企业遭受严重毁坏，开滦煤矿因断电瘫痪，井下积水1.5亿吨，38万米巷道被淹机电设备三万多台，350万平方米的建筑几乎全部倒塌。北方瓷都唐山，2千台设备只剩下300余台，40多万平方米的建筑只有1万平方米没倒。唐山钢厂工业建筑遭到严重破坏，民用建筑几乎全部震毁。1万多吨机电设备受到不同程度的损坏……唐山市的直接经济损失约30亿元，唐山地区的损失达54亿元。第一节第二节第三节第四节13构造应力目前无法用数学力学方法计算,但它有以下特点:(1)主要是水平应力，以压应力占绝对优势。(地壳运动是水平,挤压运动)(2)构造应力分布不均匀，主应力的大小与方向往往变化很大(3)σ2、σ3，构造应力具有明显的方向性(4)根据测定，浅部开采时,构造应力比自重应力影响更大(5)构造应力在坚硬岩石层中出现比较普遍第一节第二节第三节第四节水平方向为主浅部坚硬岩层14原始应力分布特点：通过理论研究、现场测量，受构造应力影响，原始应力分布具有明显的特点：1）测铅直应力基本等于上覆岩层重量；2）水平应力普遍大于铅直应力；3）平均水平应力与铅直应力比值随深度增加而减小；4）最大主应力与最小主应力一般相差较大。铅直应力/水平应力15第二节岩体中的弹性变形能第一节第二节第三节第四节16由材料力学知识，物体受外力作用而产生弹性变形，在物体内部将积蓄有应变能。地下岩体处在复杂的和强大的自重应力和构造应力场中，会发生体积改变与形状改变，储存大量的弹性能U，弹性能包括两个部分：体积改变能Uv体积畸变能Ud地下岩体中，集聚的弹性能与应力状态有关，随开采深度的增加，与深度平方成正比增大，这对深部开采有重要作用。第一节第二节第三节第四节17采矿工程中，开挖可使岩体中大量能量释放，带来的影响:有利的方面：工作面落煤时可节省动力不利的方面：形成有害的冲击矿压第一节第二节第三节第四节18第三节孔周围的应力分布第一节第二节第三节第四节19第一节第二节第三节第四节原因：(1)岩体及岩石的力学性质及原岩应力场的特征未完全掌握(2)几何形状复杂(3)巷道和回采空间周围岩体是非均质，各向异性的复杂介质目前尚无法用数学力学的方法精确地求解出巷道周围岩体内各处的应力分布状态。20第一节第二节第三节第四节目前，研究巷道周围岩体的应力状态，是对复杂条件简化，粗略地求解巷道变形的机理，还是十分有益的。简化：(1)回采空间视为各种理想的单一形状的孔(圆形，矩形)。(2)岩体视为完全均质的连续弹性体。(3)岩体是无限或半无限体，可为平面应变问题进行分析。平面应力问题:设很薄的等厚薄板，外力平行于面板（墙壁、薄板粮、砂轮）平面应变问题:设柱形体，横截面不沿长度变化，外力与约束平行于横截面(不沿长度变)（挡土墙、水坝、巷道围岩）21空间问题转化为平面问题示意第一节第二节第三节第四节22巷道垂直应力σ1水平应力σ2σ2=λσ1根据侧压力系数λ,巷道所处的应力场分为两类:1、双向等压应力场λ=12、双向不等压应力场0≤λ＜1巷道围岩应力的计算图第一节第二节第三节第四节23rrdrdr2d（极坐标系）第一节第二节第三节第四节确定径向应力σr与切向应力σθ(σt)241、双向等压圆形巷道径向应力σr与切向应力σθ(σt)求解三个基本方程：3、物理方程——应力与应变满足虎克定律。1、平衡微分方程——应力与体力满足静力平衡关系；0drdrrr2、几何方程——应变与位移满足几何尺寸关系；rudrdurzrzrrzrzrEEEEEEEE11一、圆孔围岩应力的计算第一节第二节第三节第四节λ=125计算得出应力分布规律：22022011rRHrRHr1、σr与σθ分布与方向角θ无关，圆孔任一方向应力分布相同。拉梅解答第一节第二节第三节第四节切向应力径向应力应力特点：2、切向应力在圆孔周边出现应力集中262、双向不等压圆形巷道径向应力σr与切向应力σθ(σt)2cos4312122cos3412124021220214402202122021rRrRrRrRrRr吉尔西解答rrrrrr03/11第一节第二节第三节第四节1898年0≤λ＜127圆形巷道围岩应力的轴对称分布二、对于圆孔、椭圆孔、矩形孔周围处于弹性状态,应力重新分布的特点：切向应力径向应力切向应力集中系数k=σt/σ1第一节第二节第三节第四节28(1)孔周围形成切向应力集中现象,最大切向应力值在孔的周边。圆形、椭圆孔巷道:应力分布:峰值在两帮中点和顶、底的中部矩形巷道:峰值发生在四角处(2)应力集中系数k圆孔：k=2-3仅与侧压系数有关椭圆孔：k=4-5与侧压系数,孔的轴长比矩形孔：与长宽比有关(3)孔的影响范围与孔的断面有关第一节第二节第三节第四节20.74.571.978.2526.715.720.761.974.5726.77.075.2819.016.911.97.075.2819.016.911.97.0716.911.97.0711.916.929三、回采空间周围应力的重新分布：单个工作面第一节第二节第三节第四节30双工作面第一节第二节第三节第四节31第四节围岩极限平衡与支承压力分布第一节第二节第三节第四节32回采空间回采工作面巷道33本节进一步研究岩体承受集中应力作用破坏时，应力的实际分布状况及破坏区的确定。一、回采空间(简化为圆形)围岩内应力状态及分区：1、围岩稳定性情况：周边最大应力σθ＜弹性极限——自稳周边最大应力σθ＞弹性极限——进入塑性阶段，产生塑性区周边最大应力σθ＞强度极限——进入破坏阶段，产生松散破碎区第一节第二节第三节第四节342、围岩力学状态切向应力：（大——小）受力状态：（单轴——三轴）抗压强度：（低——高）破坏顺序：（外——里）第一节第二节第三节第四节353、围岩“三区”的形成：当周边最大应力σθ＜弹性极限——自稳原始应力区弹性区巷道弹性状态下围岩分区第一节第二节第三节第四节36一般围岩由里向外分为三个区：1）极限平衡区=破裂区+塑性区形成：周边切向应力高，承载能力低，极易破坏，破坏后应力向内部转移，直至等于强度极限，形成破碎区边界。破碎区外，围岩处于塑性状态，弹性极限圈定了塑性区边界。特点：处处满足屈服条件或强度条件2）弹性区外部以弹性极限为界，内部以集中应力增量不超过5%为界集中应力低于围岩弹性极限，处于弹性变形阶段。特点：处处满足虎克定律3）原始应力区内部以5%应力增量为界，外部为无限远。特点：几乎不受开采影响，满足虎克定律第一节第二节第三节第四节37原始应力区弹性区极限平衡区5%σ1塑性区半径（卡斯特纳方程）sin2sin10cotsin1cotCCHRRp巷道第一节第二节第三节第四节38二、巷道两侧围岩的应力状态：理想状态巷道两侧切向应力的分布实际岩体巷道两侧的支承压力分布塑性区原因：巷道两侧是松软岩层(煤，岩)岩石的抗压能力向岩体内部发展而增加极限平衡区第一节第二节第三节第四节39三、回采工作面煤壁前方应力分布：空间问题平面问题简化40sin1sin120mxfpyeN第一节第二节第三节第四节41(1)概念:岩体内开掘巷道后，巷道周围必然出现应力重新分布，一般巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力。(2)类型支承压力：固定支承压力（固定边界）移动支承压力（移动边界）支承压力一般以高于原岩应力5%集中应力的影响范围(3)范围支承压力对巷道维护和工作面落煤有直接影响第一节第二节第三节第四节42极限平衡区D弹性区E原始应力区F围岩分区减压区A增压区B稳压区C应力分区（二者有交叉）四、应力及围岩分区：第一节第二节第三节第四节43谢谢!44习题P63：1、3P64：10