礦山壓力與巖層控制 第2章ppt課件.ppt

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1、第2章礦山巖體的原巖應力及其重新分布礦山壓力與巖層控制MiningPressureandStrataControlXi’anUniversityofScience&Technology主講教師：來興平教授Pro.LaiXingping第一節(jié)巖體中的原巖應力地殼中沒有受到人類工程活動（如礦井中開掘巷道等）影響的巖體稱為原巖體，簡稱原巖。存在于地層中未受工程擾動的天然應力稱為原巖應力，也稱為巖體初始應力、絕對應力或地應力。天然存在于原巖內而與人為因素無關的應力場稱為原巖應力場。由地心引力引起的應力場稱為自重應力場，地殼中任一點的自重應力等于

2、單位面積的上覆巖層的重量。由于地質構造運動而引起的應力場稱為構造應力場。圖2-1巖體單元體所在位置及其應力狀態(tài)單元體上所受的垂直應力σz等于單元體上覆巖層的重量一自重應力在均勻巖體內，巖體的自重應力狀態(tài)為側壓系數(shù)取決于巖塊所處的力學狀態(tài)，有以下2種假設：1、金克尼假說：巖塊處于彈性狀態(tài)巖石的泊松比為0.2～0.3，＝0.25～0.43。2、靜水應力狀態(tài)假說：在埋藏較深條件下，垂直壓應力相當大，巖石呈現(xiàn)明顯的塑性＝1.0二構造應力構造應力是由于地殼構造運動在巖體中引起的應力，巖體構造應力可以分為現(xiàn)代構造應力和地質構造殘余應力。前者是指正在

3、經受地質構造運動的作用，在地質構造發(fā)生過程中，巖體內產生的應力。后者是指已經結束的地質構造運動殘留于巖體內部的應力。構造應力以水平力為主，具有明顯的區(qū)域性和方向性。有以下基本特點：①一般情況下地殼運動以水平運動為主，構造應力主要是水平應力；而且地殼總的運動趨勢是相互擠壓，所以水平應力以壓應力占絕對優(yōu)勢。②構造應力分布不均勻，在地質構造變化比較劇烈的地區(qū)，最大主應力的大小和方向往往有很大變化。③巖體中的構造應力具有明顯的方向性，最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大。④構造應力在堅硬巖層中出現(xiàn)一般比較普遍，在軟巖中貯存構造應力很少

4、。圖2-2由地質特征推斷構造應力方向的平面圖a—正斷層；b—逆斷層；c—平推斷層；d—巖脈；e—摺皺三.原巖應力分布的基本規(guī)律通過理論研究、地質調查和大量的地應力測量資料，原巖應力的分布的主要規(guī)律歸納如下：(1)實測垂直應力基本上等于上覆巖層重量。水平應力普遍大于垂直應力。(3)平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減小。(4)最大水平主應力和最小水平主應力一般比值相差較大。第二節(jié)巖體中的彈性變形能巖體受外力作用而產生彈性變形時，在巖體內部所儲存的能量，稱為彈性應變能。在彈性范圍內外力緩慢地作用時，若不考慮能量損耗，根據能量守恒原理，

5、外力作的功將全部以應變能的形式儲存在彈性體內。因此，處于強烈原巖應力作用下的巖體，可能貯存有巨大的彈性能。巖體在恢復變形的過程中，將釋放出全部變形能而對外作功，伴生出一系列礦山壓力現(xiàn)象。在自重應力場中，單位巖體體積改變能為單位巖體畸變能為由以上兩式可知，巖體中積聚的彈性能與應力狀態(tài)有關，并隨著開采深度的增加，與開采深度的平方成正比關系增長。應當指出，采礦活動破壞原巖應力狀態(tài)，在巖硐周圍巖體內形成應力集中，應力集中系數(shù)k=3～5，高應力導致巖體內積聚的彈性能增長數(shù)倍。這種大量能量的突然釋放，將產生礦山動壓現(xiàn)象。第三節(jié)“孔”周圍的應力分布由

6、于地下巷道和回采空間具有復雜的幾何形狀，以及巷道和回采空間周圍巖體也是屬于非均質、非連續(xù)、非線性以及加載條件和邊界條件復雜的一種特殊介質。到目前為止，對于巖石及巖體的力學性質，以及原巖應力場的特征，尚未完全掌握，所以還無法用數(shù)學力學的方法精確地求解出巷道周圍巖體內各處的應力分布狀態(tài)。一雙向等壓應力場（一）平衡方程式中σt、σr—分別為切向應力和徑向應力;r、θ—微單元的半徑和坐標角。幾何方程：假設σ1由自重應力引起，σ1=γH，由此求解得半徑為r的任一點σr和σt。（二）計算結果①雙向等壓應力場中，圓孔周邊處于壓縮應力態(tài)。②應力大小與彈

7、性常數(shù)E、μ無關。③σt、σr的分布和角度無關，皆為主應力，即切向和徑向平面均為主平面。④孔周邊的切向應力為最大應力，其最大應力集中系數(shù)K=2，且與孔徑大小無關。當σt=2γH超過孔周邊圍巖的彈性限時，圍巖將進入塑性狀態(tài)。（三）結論⑤其它各點的應力大小則與孔徑有關。若定義以σt高于1.05σ1或σr低于0.95σ1為巷道影響圈的邊界，則σt的影響半徑r1，工程上有時以10％作為影響半徑，則σ1的影響半徑Ri≈3r1。有限元計算常取5r1的范圍作為計算域。⑥在雙向等壓應力場中圓孔周圍任意點的切向應力σt與徑向應力σr之和為常數(shù)，且等于2σ

8、1。二雙向不等壓應力場內的圓形孔（一）雙向不等壓應力場內的圓形孔應力解雙向應力無限板內圓形孔的應力解為：（二）討論若取極限情況λ=0，則有由上述討論可見，λ>1/3,周邊不出現(xiàn)拉應力；λ<1/3時，將出現(xiàn)拉