井巷地压

1第一讲井巷地压21.1概述1.1.1地压的概念一、围岩应力巷道开挖后，其周围应力重新分布，建立新的平衡，这种应力就是围岩应力。二、原岩与围岩原岩中，因采掘而使初始应力发生显著变化（大于5%）的区域，称为采动影响范围。这个范围的直径一般为井巷或采场最大直线尺寸的3~5倍，该范围内的岩体称为围岩。之外称为原岩。三、广义地压与狭义地压围岩作用于围岩上的压力称为广义地压。它有围岩和支架共同承担。一般为初始压力。围岩因位移和冒落岩块而作用在支架上的压力称为地压，也是狭义地压。31.1概述1.1.1地压的分类地压的显现使岩体产生变形和各种不同形式的破坏。为便于分析各种不同性质的地压，按其表现形式，将地压分为四类：一、变形地压变形地压是在大范围内岩体因变形、位移收到支护体的抑制而产生地压。变形地压的特点表现为围岩和支护体的相互作用，变形地压的大小既取决于围岩的应力状态，又决定于支护体的类型和支护时间。变形地压按岩体变形形态的特征又可细分为弹性变形压力、塑性变形压力和流变压力。41.1概述1.1.1地压的分类二、散体地压亦称松动地压。由于开挖，在一定范围内围岩中发生滑移或塌陷的岩体以重力的形式直接作用与支护体上的压力称为散体地压或松动地压。这种压力直接表现为载荷。在开挖巷道中通常是顶压大，侧压小，底压更小甚至没有。整体稳定的岩体中，由于个别松动冒落的岩石会形成落石压力；松散软弱的岩体中，出现顶板冒落、片帮，形成对支架的压力；岩体沿结构面发生破坏，形成冒落块体产生压力。51.1概述1.1.1地压的分类三、冲击地压冲击底压又称岩爆，它是在围岩积累了大量的弹性变形能力之后，突然释放出来所产生的压力。因此冲击地压是一种类似爆炸的地压现象。冲击地压产生的原因是围岩应力超过其弹性极限，在岩体内积聚的弹性变形能突然猛烈的释放造成的。冲击地压多发生在深部坚硬、完整的岩体中。61.1概述1.1.1地压的分类四、膨胀地压在泥质或炭质页岩中的巷道，常发生顶板下沉、底板鼓起、两帮突出等现象，并造成支护体破坏。岩体这种吸水后大变形的破坏现象称为膨胀现象，由此产生的压力称为膨胀压力。71.2巷道围岩应力分布（1）开挖前，岩体处于自然平衡状态。（2）开挖后，应力重新分布，围岩中出现一个应力变化区，会产生应力集中现象，特别是巷道周边。）垂直应力（）水平应力（pq8（3）围岩的应力应变关系可以简化为两种模式，理想的脆性岩石（线弹性体）和塑性岩石（弹塑性体）。（4）两种围岩中只要新分布的围岩应力值小于围岩的强度极限（脆性岩石）或塑性（屈服）极限（塑性岩石），巷道围岩稳定，属于弹性自稳。9（5）如果应力超过了强度极限或屈服极限，周边岩石首先破坏，或出现破裂（脆性），或出现大的塑性变形（塑性），造成巷道周边的非弹性位移。这种现象从周边向岩体深处扩展到某一范围，出现非弹性变形区，它之外出现弹性区。对于脆性围岩：非弹性变形区的主要特征是脆性破坏（即破坏区），破坏区与弹性区的区别在于c=0，满足松动破坏条件.对于塑性围岩：非弹性变形区的主要特征是出现塑性变形（即塑性区）。若在围岩应力的进一步发展中应力得到进一步的调整，始终不满足松动破坏条件；或由于支护作用抑制了塑性区的发展，则围岩逐渐稳定，只出现弹性区与塑性区，形成弹塑性自稳状态。如果塑性区中某些应力满足了松动破坏条件，则会出现破裂区。101.2.1圆形巷道围岩应力的分布基本假定：岩体为均质、连续和各向同性的介质。初始应力为p、q，属于体积力。（1）设p=q，求解在此情况下巷道开挖前假想周边上的应力。即有体积力无孔问题。（2）假设开挖后巷道边界受到与开挖前大小相等、方向相反的应力，并且此时无初始应力，求解此时围岩各点上的应力。即无体积力有孔问题。（3）两者叠加即可得出围岩应力。一、精确解法11二、基尔希解法pq（一）将巷道和围岩视为无重量的有孔平板的平面应变问题，平板所受到的外力即原岩应力。巷道上部和下部的初始应力不相等，但当巷道埋深大于其高度的20倍时，这种应力差即可略去。于是，当p=q,即λ＝1，可视为二向等压下有孔平板平面应变问题；当p≠q时，即λ≠1，则视为二向不等压的有孔平板平面应变问题。计算结果表明，采用这种计算误差不超过1％。（p、q由体积力视为匀布力）12设原岩垂直应力为p，水平应力为q，作用在围岩边界，忽略围岩自重的影响，按弹性理论中的基尔希公式计算围岩中任一点M（r,θ）的应力：2cos)341(2)1(2442222rarapqraqpr2sin)4321(2422rarapqr(1-1)2cos)31(2)1(24422rapqraqp(1-2)上式即为极坐标中的原岩应力。代入，得：以pq/2cos)341)(1(21)1)(1(21442222raraprapr2cos)31)(1(21)1)(1(214422raprap2sin)4321)(1(21422rarapr上式表明：1、各应力分量与巷道大小无关；2、各应力分量与岩石的E、μ无关；3、侧压系数对应力有决定性影响。(1-2)2cos)341)(1(21)1)(1(21442222raraprapr2cos)31)(1(21)1)(1(214422raprap2sin)4321)(1(21422rarapr15（二）现对λ讨论（1）λ=1时（静水压力）)1(22rapr)1(22raprσrσθa02p2a0.75p1.25p3a0.89p1.11p4a0.94p1.06p5a0.96p1.04p分析在r=a处应力，破坏由周边开始的原因；分析在r=5a处应力，采动影响范围确定的原因。16（二）现对λ讨论（2）λ=0时（q=0）rθ=0θ=90a3p-p2a1.22p0.03p3a1.07p0.04p4a1.04p0.025p5a1.02p0.017p此时，顶底板出现拉应力，两帮应力也大于均匀地压时的压应力。较危险！（2）λ=0时（q=0）)32(204422rarap或π时，当)31(22322222rarap时，π或π当17（二）现对λ讨论（3）λ≠1时（只讨论r=a处）02cos)1(2)1(其余为p由于拉应力危险，分别考虑：当θ＝0，π时，当θ＝3π/2，π/2时，由于岩体的抗拉强度很小，认为岩体不抗拉，因此，坑道周边不能出现拉应力的条件为：0)3(p0)13(p解得：331)3(p)13(ppq不同的λ下，巷道周边切向应力σθ的分布：λθ=0，πθ=π/2，3π/24－p11p308p2p5p12p2p1/22.5p0.5p1/32.67p0p1/42.75p-0.25p不同的λ下，坑道周边切向应力σθ的分布：不同的λ下，巷道周边切向应力σθ的分布：不同的λ下，巷道周边切向应力σθ的分布：22（4）几点结论a、圆形巷道不出现拉应力的条件：133b、周边应力的最大和最小值发生在两帮与顶、底板的中点处；c、顶压为主时，顶底板出现拉应力，两帮出现高压应力；侧压为主时，两帮出现拉应力，顶板为高压应力。（与矿区地应力方向判断结合）231.2.2椭圆形巷道周边应力分布在单向应力p0作用下，椭圆形坑道周边任一点的径向应力σr、切向应力σθ、剪应力τrθ，根据弹性力学计算公式为：xyab0p式中：m——y轴上的半轴b与x轴上的半轴a的比值，即m＝b/a；θ——洞壁上任意一点M与椭圆形中心的连线与x轴的夹角；β——荷载p0作用线与x轴的夹角；p0——外荷载。0,0rr222222220cossincossin)(sin)1(mmmp若β＝0，p0＝λp,则：222222cossinsin)1(mmmp222222220cossincossin)(sin)1(mmmp若β＝900，p0＝p,则：22222cossin1cos)1(mmp22222222cossinsin)1(1cos)1(mmmmp在原岩应力p、λp作用下,则由（1）＋（2）得：xyab0pxyabpp(1)(2)p250rr22222222cossincossin)12(sincos)2(mmmpmmp(1－8)22222222cossinsin)1(1cos)1(mmmmp上式也可表示为：巷道周边两帮中点处（θ＝0,π)切向应力为：若（a)=(b),即σθ1＝σθ2，则可得：0rr22222222cossincossin)12(sincos)2(mmmpmmp巷道周边顶底板中点处（θ＝3π/2,π/2)切向应力为：)21()21(1bapmp1)21(1)21(2abpmp(1－8)(a)(b)pqmba1(c)由（c)可得：可见，在原岩应力(p,λp）一定的条件下，σθ随轴比m而变化。为了获得合理的应力分布，可通过调整轴比m来实现。短轴方向原岩应力长轴方向原岩应力短轴长轴pqbam1(c)满足上式的轴比叫等应力轴比。在等应力轴比的条件下，椭圆形坑道顶底板中点和两帮中点的切向应力相等，周边应力分布比较均匀。(5－9)例：λ＝1/4条件下，不同轴比m对应的顶底板和两帮中点处的σθ：(1)当m≤1，顶底板中的σθ出现拉应力，故在λ＝1/4条件下，应选m1.(2)当m＝4时，巷道两帮中点和顶底板中点的应力为1.25p，出现切向应力相等的应力状态，即等应力轴比状态。在等应力轴比状态下，即pqbam1将上式代入（5－8）：22222222cossincossin)12(sincos)2(mmmpmmp22222222cos)1(sincos)1(sin)12(sincos)21(1p222222223cossincoscossinsinp222222cossin)1)(cossin(p)1(p在等应力轴比条件下，σθ与θ无关，周边切向应力为均匀分布。可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一致时，坑道周边不出现切向拉应力，应力分布较合理，等应力轴比时最好。31几点结论a、椭圆孔周边上的应力均为压应力；1b、巷道周边应力集中系数最小，且均匀受压。/1m321.2.3其它各种形状巷道围岩应力分布由实验和理论分析可知，矩形巷道围岩应力的大小与矩形形状（高宽比）和原岩应力（λ）有关。高宽比＝1/3,λ133Mar,200733FacultyofCivilEngineering,ChongqingUniversity方形－矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上，洞室系直线型周边，最易出现受拉区，所以受力状态较差。当时，矩形洞室周边均为压应力1当时，洞室周边出现拉应力3.0矩形洞室周边角点应力远大于其它部位的应力方形－矩形断面洞室的围岩应力矩形坑道围岩应力分布特征：（1）侧压系数较小时，顶底板围岩易出现拉应力；（2）侧压系数较大时，两帮围岩易出现拉应力；（3）静水压力下，巷道周边不存在拉应力；（4）巷道拐角处存在较大应力集中。高宽比＝1/3,λ1与圆形巷道相比，具有如下特点：（1）控制点的应力小于圆巷；（2）拐角处应力更集中；（3）易出现拉应力，侧压系数小于0.53，大于1.89；（4）长轴方向与最大来压方向保持一致有利于稳定。36直墙拱形（1）顶压大于侧压时，顶板岩石不易出