巷道围岩控制与监测课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,巷道围岩控制与监测,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,巷道顶板事故的影响因素（棚式及锚杆支护的事故分析）,棚式及锚杆支护质量监测,巷道围岩控制与监测原岩应力及巷道周围应力分布,1,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,第一章 原岩应力及巷道周围应力分布 开采,2,第一节 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,原岩应力,，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,自重应力场,，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。,由于地质构造运动而引起的应力场称为,构造应力场,。,第一节 岩体中的原岩应力 地壳中没有受到人类工程活动（如矿,3,图,2-1,岩体单元体所在位置及其应力状态,一、自重应力,图2-1 岩体单元体所在位置及其应力状态 一、自重应力,4,一、自重应力,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，地面为水平面，在距地表深度为,H,处，任意取一单元体。其上作用的应力为,z,，,y,，,x,，形成岩体单元的自重应力状态。,单元体上所受的垂直应力,z,等于单元体上覆岩层的重量：,一、自重应力 假定岩体为均匀连续介质，应用连续介,5,在均匀岩体内，岩体的自重应力状态为,在均匀岩体内，岩体的自重应力状态为,6,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,h,1,，,h,2,，,，,h,i,，,，,h,n,；,1,，,2,，,，,i,，,，,n,。则岩体的自重初始应力为,如果岩体由多层不同重力密度的岩层组成。各层岩层的厚,7,岩体初始应力状态的,静水压力理论,认为，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,近似等于,0.5,，侧压系数,为,1.0,，此时,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时间无限长，则,深部,的岩体自重应力场都将达到,静水应力,状态。,岩体初始应力状态的静水压力理论认为，在埋藏较深条,8,二、构造应力,构造应力,是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力，,岩体构造应力可以分为,现代,构造应力和,地质,构造残余应力。,前者是指,正在经受,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。,后者是指,已经结束,的地质构造运动残留于岩体内部的应力。,二、构造应力构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力，,9,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：,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,；而且地壳总的运动趋势是相互挤压，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。,构造应力以水平力为主，具有明显的区域性和方向性,10,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般相差较大。,构造应力在,坚硬岩层,中出现一般比较普遍，在软岩中贮存构造应力很少。,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,11,图,2-3,由地质特征推断构造应力方向的平面图,a,正断层；,b,逆断层；,c,平推断层；,d,岩脉；,e,摺皱,图2-3 由地质特征推断构造应力方向的平面图 a正断层；,12,三、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：,(1),实测,垂直应力,基本上等于上覆岩层重量。,水平应力普遍,大于,垂直应力。,(3),平均水平应力与垂直应力的,比值,随深度增加而,减小,。,(4),最大水平主应力和最小水平主应力一般比值,相差较大,。,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：(1,13,表,2-1,部分矿井原岩应力实测结果,表2-1 部分矿井原岩应力实测结果,14,图,2-4,世界各国垂直应力,v,与深度,H,变化规律图,图2-4 世界各国垂直应力v与深度H变化规律图,15,第二节 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力,第二节 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力,16,第二节 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,(2,3),1,或,(4,5),1,的垂直压应力。,由于处于周边的岩块,侧向应力,为零，为,单向压缩,状态。,随着向深部发展，岩块逐渐变为,三向应力,状态。,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。,随着向岩体内部发展，岩块的,抗压强度,逐渐增加，直到某一半径,R,处岩块又处于,弹性,状态。,第二节 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,17,第二节 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力,围岩的残余强度。,注意围岩,强度弱化,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：,它们之间的,关系,为：,巷道的周边位移随巷道所在位置原岩应力的,增大,，呈指数函数关系迅速,增长,；指数的大小取决于,的变化，,值越小，指数越大，,u,值增长愈迅速。,巷道的塑性区,半径,R,和周边,位移,u,随内摩擦角,和粘聚力,c,的减小，即,围岩强度,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。,第二节 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力 围岩的残余强度。岩层,18,第三节 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。,一、巷道应力影响带,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,5,作为影响带的,边界,。,各向同性,弹性岩体中,单一圆形,巷道应力影响区域形状：,在,静水,压应力场中，为半径等于,6r,的圆；,在,非静水,压应力场中，一般为长轴不大于,12r,的椭圆。,因此，断面,相同,两圆形巷道的间距,D,为：,6rD12r,半径,不同,两圆形巷遭的间距,D,为：,6RD6(R+R),式中,R,大圆形巷道半径；,r,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,不宜超过,巷道塑性变形区与弹性变形区的交界。,第三节 相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 巷道应力影响带、,19,第三节 相邻巷道的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,载荷,和岩柱,强度,。,岩柱的强度主要由以下,因素,决定：,经验公式：,实验结果表明，当岩柱的,宽高比,B/h,大于,5,时，岩柱强度将随,B/h,的增加而显著,增大,；当,B/h,大于,10,时，一般情况下岩柱,不易,被破坏。,组成岩柱的岩体强度、,岩柱的宽度,岩柱的高度,总的构造特征。,第三节 相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 二、巷间岩柱的稳,20,第三节 相邻巷道的应力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,(300,500 m),下，大巷间的距离以,20,40 m,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,减小至,l0m,；在深部和松软围岩条件下，大巷间距可,增大至,50m,。,上下山及集中巷间距以,15,30 m,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，上述距离可,减小到,10 m,，在深部和松软围岩以及厚煤层内，间距应,扩大到,40,50 m,。,第三节 相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 二、相邻巷道间合,21,第四节 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,第四节 构造应力对巷道稳定性的影响 二、水平应力对巷道稳定性,22,高水平应力,是造成,底板,岩层破坏和强烈,底鼓,的主要原因。,水平应力在巷遭两帮引起较大的,拉应力,，造成两帮破裂、鼓出和塌落，破坏深度较大。,第四节 构造应力对巷道稳定性的影响,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,集中程度,有很大差异。,巷道轴向与构造应力方向,平行,时，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,垂直,时，影响,最大,。,三、合理的巷道布置方向,高水平应力是造成底板岩层破坏和强烈底鼓的主要原因。第四节 构,23,第五节 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,(,支承压力峰值距离,),、支撑压力的影响距离。,工作面超前支撑压力,峰值位置,距煤壁一般为,4,8 m,，相当,2,3.5,倍回采高度。,影响范围,为,4060m,，少数可达,6080m,，应力增高系数为,2.5,3,。,工作面,倾斜,方向固定性支,承,压力影响范围一般为,1530 m,少数可达,3540 m,，支,承,压力,峰值位置,距煤壁一般为,1520 m,，应力,增高系数,为,2,3,。,采空区,支,承,压力应力,增高系数,通常小于,1,，个别情况下达到,1.3,相邻的采空区所形成的支,承,压力会在某些地点发生相互叠加，称为,叠合支承压力,。,第五节 回采工作面周围支承压力分布 支承压力分布参数有：煤体,24,（,a,）,150m,工作面,（,b,）,280m,工作面,孤岛综放工作面老顶覆岩支承压力分布图,（a）150m工作面（b）280m工作面,25,两相邻回采空间周围的应力分布示意图,巷道围岩控制与监测课件,26,第六节 采动引起的底板岩层应力分布,影响深度,中心线,扩展状态,底板岩层内任一点的,应力,，主要取决于上部煤柱,(,体,),的,载,荷、该点与煤柱,(,体,),的,垂直距离,及该点与煤柱,(,体,),边缘或中心线的,水平距离,。,具有以下规律性。,B,等于工作面超前支承压力影响范围,第六节 采动引起的底板岩层应力分布影响深度底板岩层内任一点,27,第七节 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,巷道掘进影响阶段,掘进影响稳定阶段,采动影响阶段,采动影响魂定阶段,二次采动影响阶段,第七节 受采动影响巷道的围岩变形 一、巷道围岩变形量的构成,28,