第一讲_地应力与巷道支护

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资源描述:
井巷设计优化与施工新技术第一讲地应力与巷道支护 湖南工程学院曾宪桃 博士 教授 博士生导师 二零一零年八月 一 地应力的形成及特点 岩体的初始应力 岩体在天然状态下所存在的内在应力 又称为地应力地应力成因 主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起地应力与地质构造的关系地应力 地质构造形成的原动力地质构造又会影响到地应力的分布和大小 二 垂直应力随深度的变化 垂直应力 上覆岩层的重量决定垂直应力的大小 垂直应力随深度成线形的变化 量级 大概相当于按平均密度为2 7g cm3计算出来的重力 H 三 水平应力随深度的变化 水平应力 岩体受垂直方向的挤压和水平方向的约束形成水平应力 垂直应力与水平应力相互影响和相互制约 最终达到一个相对平衡的状态 水平应力随深度的变化如图平均水平应力随深度增加呈线性关系 四 水平应力与垂直应力关系 在均匀岩体中 岩体的自重初始应力状态为式中 称为侧压力系数 五 水平应力与垂直应力大小 一般来说 水平应力要大于垂直应力 原因 地球是一个球形体岩体所受到的重力指向地球中心 在地壳中产生环向压力 即水平应力此压力要远远大于垂直压力 形成地球岩体中复杂的地质构造 给煤矿的巷道支护带来困难 六 岩体构造应力 地质构造是地质构造应力场作用下发生和形成的不同的地质年代有不同的地质构造运动发生 地质构造运动过程一般需要很长时间一个构造运动发生或结束之后 又有新的构造运动发生 新的构造应力场与老构造应力场叠加 形成复杂的复合构造应力场各种复杂的地质构造在长期的地质构造运动作用下形成 六 岩体构造应力 由地质特征推断的应力方向 a e 均为平面图 1 y 七 影响岩体初始应力状态的其他因素 一 地形地形起伏会影响岩体的自重应力地表下一定深度范围内较明显山谷谷底应力因凹口的应力集中而很大均质岩层中 凹口的应力集中比较规则非均质岩层中 岩体应力变化还会随岩性的变化而变化 二 地质条件 地质构造对自重应力有影响褶曲两翼应力增大 中部则应力降低向斜的两翼应力降低向斜核部应力增大 三 岩性 构造应力作用下岩体产生弹性变形和塑性变形 岩体中储存着弹性能岩体的塑性变形使部分能量转化为热能及位能岩体的流变 使地质构造应力得以部分释放岩体的弹性变形越大 岩体储藏的能量就越多岩体中的应力达到强度极限 岩体产生破坏岩体储存能量部分或全部释放 构造应力就部分或全部消失岩体的蠕变也会使构造应力部分消失 岩体中储存构造应力不可能无限地积累起来 岩体中有应力 四 水压力和热应力 存在于岩体型隙或孔隙中的水 产生静水压力和动水压力 静水压力只是起到减轻岩体质量的浮力作用 岩体中地下水位的升降 可引起岩体重量的减少或增加 八 岩体初始应力状态 岩体初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起岩体的地质构造应力与岩体的特性地质构造运动地质构造 断层 褶皱等 密切相关每一地区都有一个特定的应力场 九 次生应力场 应力场 在岩体中开凿硐室 原有的应力场遭到破坏地应力会在硐室周围形成一个新的应力场巷道的围岩中产生应力集中特点 范围小 仅分布在硐室周围由原始的地应力和硐室形状及大小共同决定可用数值分析的办法来模拟选取巷道形状优化围岩应力场圆形巷道椭圆巷道拱形巷道梯形巷道 十 地应力和巷道支护的关系 地应力是影响巷道支护的决定性因素主要是地应力的大小和方向 判别地应力场的主应力方向对设计巷道支护方案极为重要不同的地应力方向对应于不同的巷道破坏形态岩性是影响巷道稳定另外一个重要因素 岩体 或岩石 的强度与地应力存在着相对系 十一 地应力量测方法 了解岩体中存在的应力大小和方向 预报告岩失稳破坏以及预报岩爆分为岩体初始应力量测和地下工程应力分布量测 前者测定岩体初始地应力场 测定岩体开挖后应力重分布状况 二者并无原则区别 地应力量测方法一览表 十二 应力解除法 应力解除法是岩体应力量测中应用较广的方法原理 将岩体单元与周围岩体分离 岩体单元上所受的应力将被解除单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复测定弹性恢复的应变值或变形值前提 岩体是连续 均质的 各向同性的解法 弹性理论 1 套钻大孔 2 取岩芯并孔底磨平 3 套钻小孔 4 取小孔岩芯 5 粘贴元件测初读数 6 应力解除 7 取岩芯 8 测终读数 钻孔套孔应力解除的的主要工作步骤 b 悬臂钢片式 a 钢环式 钻孔变形计 孔底应力解除法法工作步骤 1 安装器2 探头3 温度补偿器 十三 应力恢复法 直接测定岩体应力大小用于岩体表层 当已知某岩体中的主应力方向时 采用本方法较为方便 主要试验过程 1 在选定的试验点上 沿解除槽的中垂线上安装好量测元件 量测元件可以是千分表 钢弦应变计或电阻应变片等 若开槽长度为B 则应变计中心一般距槽B 3 槽的方向与预定所需测定的应力方向垂直 槽的尺寸根据所使用的压力枕大小而定 槽的深度要求大于B 2 2 记录量测元件 应变计的初始读数 3 开凿解除槽 岩体产生变形并记录应变计上的计数 4 在开控好的解除槽中埋设压力枕 并且水泥砂浆充填空隙 5 待充填水泥浆达到一定强度以后 即将压力枕联结油泵 通过压力枕对岩体施压 随着压力枕所施加的力p的增加 岩体变形逐步恢复 逐步记录压力p与恢复变形 应变 的关系 6 当假设岩体为理想弹性体时 则当应变计回复到初始读数时 此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力 十四 地应力测试结果的应用 判别地应力测试结果的可信度定量分析 定性使用测试结果具有区域性多点结果基本上能够反映地应力场的方向 但还要结合地质构造共同分析巷道压力测试和地应力测试的结果有本质的不同 地应力对巷道破坏形态的影响 综合考虑巷道的形状和围岩的岩性巷道的破坏主要和第一主应力有关通常是压剪破坏 由巷道的破坏形态可以初步判定主应力与巷道的空间方位高地应力会使岩石具有软岩特性根据地应力合理设计巷道
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