第2章矿山岩体的原岩应力及其重新分布
- 格式:pptx
- 大小:2.92 MB
- 文档页数:40
矿山岩体内应力重新分布的研究冯宇峰;郭树栋;徐建文【摘要】通过对矿山岩体开挖地下硐室后应力重新分布后的研究,阐述了地应力的重新分布状况,致使围岩发生变形的机理、过程以及对巷道维护所产生的影响.本文分别通过对弹性岩体中水平圆形硐室围岩应力分布和应力计算、多个孔周围的应力分布、回采空间周围应力重新分布、围岩的支承压力分布等多种情况的分析,证明了围岩压力的成因、大小与岩体结构及强度关系密切,围岩压力与硐室的形状、大小、埋深和分布,支护结构的刚度、布置形式和支护时间,施工的方法和进度以及硐室中其他配套设施的荷重和组合类型等也均有一定的关系.因此,为了确保工程的稳定与安全,必须实施一定的支护结构,改进支护技术.【期刊名称】《煤矿现代化》【年(卷),期】2010(000)004【总页数】3页(P52-54)【关键词】岩体;应力分布;支护【作者】冯宇峰;郭树栋;徐建文【作者单位】中国矿业大学矿业工程学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学矿业工程学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学矿业工程学院,江苏,徐州,221008【正文语种】中文【中图分类】TD311在岩体内开挖地下硐室,围岩将在径向、切向分别发生引张及压缩变形。
应力重分布所波及的岩石称之为围岩,围岩中的初始地应力状态叫一次应力,重分布后地应力状态叫二次应力或围岩应力。
由于破坏了已有的地应力平衡状态,而引起地应力重新分布,致使围岩发生变形。
为了确保工程的稳定与安全,必须实施一定的支护结构,以阻止围岩的过大变形,支护结构也因此承受了围岩的作用力。
这种围岩作用于支护结构上的力即为围岩压力。
岩体中初始地应力状态对于围岩压力的形成产生直接影响,甚至于起控制作用。
2.1 水平圆形硐室的应力分布和应力计算由于开采后的矿山条件复杂,无法用数学力学的方法精确,近年来虽然发展了有限元法,在数学工具上取得了一些进展,但仍然是经过简化的近似解,根据采矿工程的特点,为了解巷道变形的机理,对这些复杂条件进行了一些简化,粗略地求解出巷道周围的应力状态,是十分有益和非常必要的。
第一章 矿山岩石和岩体的基本性质1、岩石的孔隙性、孔隙度和孔隙比有什么不同?研究它们有何意义?2、岩石受载时会产生哪些类型的变形?岩石的塑性和流变性有什么不同?3、将某矿的页岩岩样做成5cm ×5cm ×5cm 的三块立方体试件,分别作剪切角度为45°、55°和65°的抗剪强度实验,施加的最大载荷相应地为22.4、15.3和12.3KN ,求该页岩的内聚力C 和内摩擦角值,并绘出该页岩的抗剪强度曲线图。
4、对某矿石灰岩进行抗剪强度实验结果,当时,当时。
如果已知该岩石的单向抗压强度,求侧压力时其三轴抗压强度是什么?5、莫尔强度理论和格里菲斯强度理论在本质上有何区别?为什么莫尔强度理论较广泛地用作岩石强度条件?他可用来解释那些问题?6、试叙述单向拉伸、单向压缩、双向拉伸、双向压缩、双向不等拉压、纯剪、三向等拉、三向等压和三向不等压的应力圆(设压应力为正,、、分别为最大、中间和最小应力)。
7、岩石强度的压性能有何意义?如何根据莫尔应力圆和斜直线型强度包络线求解岩石试件在单向受力条件下的压拉比?8、如果某种岩石的强度条件为试求:(1)这种岩石的单轴抗压强度;(2)设压应力为正,单位为MPa ,则下列应力状态的各点是否会产生破坏,(40,30,20);(53,7,30,6.3);(53.7,30,1);(1000,1000,1000)。
9、某种岩石在单轴压缩过程中,其压应力达到28MPa 时即发生破坏,破坏面与最大主平面的夹角为60°,假定抗剪强度随正应力呈线性变化,计算,(1)这种岩石的内摩擦角;(2)在正应力为零的平面上的抗剪强度;(3)上述试验中与最大主平面成30°夹角的平面上的抗剪强度;(4)破坏面上的正应力和剪应力。
10、解释岩体强度变化曲线图的含义,是考虑是否有其他方式能更多的反映岩体ϕMPa n 8.41=σMPa 8.151=τMPa n 2.81=σMPa 181=τMPa R 6.821=MPa 53=σ1σ2σ3σ)MPa (tan 10300+=ατ321σσσ>>强度特征?11、某矿按双千斤顶法对主井井口表土层下基岩中制取的四个试体进行了原地剪切试验,每次先施加法线力N 到一定值且稳定不变后再施加倾斜15°的推力P ,直到试体沿底板岩面发生剪切破坏,试验结果如下:擦角υ值。
课程编号:012102《矿山压力及岩层控制》(Ground Pressure and Strata Control)课程教学大纲48学时 3学分一、课程的性质、目的及任务《矿山压力与岩层控制》课程是采矿工程专业必修的专业核心课程和主干课程。
该课程全面反映了我国矿山压力与岩层控制研究方面所取得的科研成果和生产实践经验,适当介绍了可借鉴的国外相关理论和技术。
本课程的任务是使学生掌握:煤矿回采工作面和采区巷道矿山压力及其控制的基本理论和基础知识,采掘空间周围岩体内的应力重新分布规律,回采工作面围岩结构及其移动、破坏规律,支架-围岩相互作用关系以及矿山压力的控制方法等。
通过课程学习,使学生能够针对矿山生产地质条件,合理布置巷道和回采工作面,合理设计回采工作面顶板和巷道围岩的控制方法,掌握防治顶板事故和冲击地压预测、预防技术。
了解矿山压力研究的基本方法,具备分析和解决矿山压力问题的能力。
二、适用专业采矿工程。
三、先修课程材料力学、岩石力学。
四、课程的基本要求1.掌握矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制等基本概念,了解研究矿山压力的目的、意义。
2.掌握开采空间围岩应力重新分布规律,原岩应力、构造应力、支承压力、极限平衡状态、超前支承压力、残余支承压力等概念,岩体内的弹性变形能。
3.掌握回采工作面及其采空区上覆岩层所形成的“竖三带”与“横三区”;掌握直接顶的稳定性,老顶岩层“梁”与“板”模型,老顶岩层破断块体形成的“砌体梁”结构及其稳定性;了解“关键层”理论、采场岩层移动与控制以及底板岩层破坏规律。
4.掌握回采工作面老顶初次来压、周期来压及其来压步距;掌握矿山压力显现的影响因素,顶板压力的构成及其估算,老顶来压预报方法。
5.掌握直接顶分类与老顶分级。
掌握工作面支架与围岩相互作用关系,工作面支架的基本类型和性能,支架合理工作阻力的构成及其估算;支撑式、掩护式、支撑掩护式支架的特点及其适应条件。
掌握综采工作面端面顶板稳定性影响因素;综放工作面顶板稳定性影响因素。
《矿山压力与岩层控制》课程教学大纲课程中文名称:矿山压力与岩层控制课程英文名称:Mine Pressure and Strata control课程类别:专业基础课课程归属单位:河南理工大学万方科技学院制定时间:2013年3月18日一、课程的性质、任1. 课程设置的性质、任务《矿山压力及岩层控制》是研究煤矿开采过程中矿山压力分布及其显现规律,探讨矿山压力控制措施和控制方法的一门工程技术学科,是采矿工程专业学生的主要专业课,也是其它井下工程类专业的专业基础课程。
通过对本门课程的学习,要求对煤矿中采场和采区巷道周围煤(岩)体内矿山压力分布及其显现有比较完整的认识和了解,基本掌握控制采场和井下巷道矿山压力的方法和措施。
结合实验课和实践性教学,使学生得到有关研究和解决煤矿生产现场矿山压力问题基本技能的训练。
2. 通过教学达到下列基本要求通过本课程的教学,一方面使学生掌握有关矿山压力及其控制的基本概念、巷道围岩变形、应力、破坏的分布规律、采场周围的应力分布状态、采场顶底板的变形破坏规律、工作面来压规律及确定方法、巷道与采场的围岩控制理论与控制方法、煤矿动压现象、矿山压力测试技术;另一方面使学生达到能够根据具体条件,进行采场和巷道围岩控制设计、解决有关矿山压力控制方面问题的能力。
3. 专业和学时数采矿工程专业、矿井通风与安全专业、岩土工程专业,共56学时4. 与其它课程的关系⑴ 《煤矿地质学》、《矿山岩体力学》、《煤矿通风与安全》、《采掘机械》在本课程之前教授;⑵ 本课程应在《开采方法》、《井巷工程》之前或同时讲授;5. 教材与参考资料(1)《矿山压力与岩层控制》蒋金泉王国际等编(2)《矿山压力及岩层控制》钱鸣高、石平五等编(3)《矿山压力及岩层控制》姜福兴等编(4)《矿压测控技术》阎海鹏张公开编6、教学方法本课程以课堂讲授为主,部分内容配合实验课程和实践性教学环节进行,并辅以课外作业,课堂答疑等形式进行。
《矿山压力及其控制》考试大纲学院(盖章):负责人(签字):专业代码:081901、081920、430119专业名称:采矿工程、资源开发规划与设计、矿业工程考试科目代码:825 考试科目名称:矿山压力及其控制(一)考试内容试题以钱鸣高、石平五编著《矿山压力及其控制》(第一版)(中国矿业大学出版社,2003年11月,徐州)为蓝本,内容涵盖该教材的第一至十一章,非煤矿山岩层控制与研究方法等方面的内容都可能涉足到,但以煤矿地下开采方面的知识为主,兼顾露天矿和金属矿地下开采的矿山压力问题。
试题重点考查的内容:一. 矿山岩石和岩体的基本性质1. 矿山岩石、岩体的基本力学属性2. 岩体破坏的基本强度理论与判别标准二. 矿山岩体的原岩应力及其重新分布1. 岩体中的原岩应力和弹性变形能2. 圆形巷道周边应力分布求解的理论方法3. 围岩的极限平衡与支承压力分布4. 支承压力在底板岩层中的传播三. 采场顶板活动规律1. 有关采场上覆岩层活动规律的假说2. 直接顶和老顶的垮落、断裂形式3. 回采工作面上覆岩层活动规律与分析方法四. 采场矿山压力显现基本规律1. 老顶的初次来压和周期来压2. 回采工作面矿山压力显现的基本规律3. 回采工作面前后支承压力的分布4. 影响采场矿山压力显现的主要因素五. 采场顶板支护方法1. 顶板分类与底板特征2. 采场支架类型与支架力学特征3. 采场支架与围岩相互作用原理4. 回采工作面顶板控制及常用支护方法5. 综合机械化采煤工作面顶板控制设计六. 采场岩层移动与控制1. 岩层移动引起的采动损害类型2. 岩层控制的关键层理论3. 采场上覆岩层移动规律与控制技术4. 采场底板破坏七. 巷道矿压显现规律1. 巷道围岩应力及变形规律2. 受采动影响巷道矿压显现规律及其控制方法八. 巷道维护原理和支护技术1. 无煤柱护巷2. 巷道围岩卸压3. 巷道金属支架与锚杆支护4. 软岩巷道围岩变形规律及其支护技术九. 厚煤层综放开采岩层控制1. 顶煤破碎机理与运移规律2. 放顶煤开采矿山压力显现的基本规律十. 浅埋煤层开采岩层控制1. 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点2.浅埋煤层采场支护方式十一. 煤矿动压现象及其控制1. 冲击矿压现象形成特点、发生机理及分类2. 冲击矿压的预测预报及危险性评定3. 冲击矿压的防治技术措施(二)考试的基本要求是:一. 基本概念要清晰。
第二章 矿山岩体的原岩应力及其重新分布第一节 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。
一、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(图2-1),其上作用的应力为σz ,σy ,σx ,形成岩体单元的自重应力状态。
图2-1 岩体单元体所在位置及其应力状态单元体上所受的垂直应力σz 等于单元体上覆岩层的重量,(2-1)式中 γ——上覆岩层的平均重力密度(Kn/m 3);H ——单元体距离地表的深度(m )。
在均匀岩体内,岩体的自重应力状态为(2-2)式中λ为常数,称为侧压系数。
在岩体自重应力场内,垂直应力σz 和水平应力σx 、σy 都是主应力。
假设岩体为各向同性的弹性体,据广义虎克定律,单元体各方向的应变为(2-3)由于εx =0,εy =0,σx =σy ,σz 与σx 、σy 之间的关系为(2-4)H z γσ=⎪⎭⎪⎬⎫====0xy z y x z H τλσσσγσ()[]()[]()[]⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫+-=+-=+-=z x y y z y x x y x z z E E Eσσμσεσσμσεσσμσε111Hz y x γμμσμμσσ-=-==11(2-5)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μ近似等于0.5,侧压系数λ为1.0,此时(2-6)深部的岩体自重应力场达到静水应力状态。
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。
① 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;② 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。
1、什么是原岩应力?其分布的基本规律是什么?研究原岩应力分布对采矿工程的意义有哪些?(1) 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。
地壳中没有受到人类工程活动(如矿井中开掘巷道)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。
(2)原岩应力分布的基本规律是: 原岩应力是非稳定应力场,原岩应力是三向不等压的空间应力场,三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而变化的,它是一个非稳定应力场。
②实测铅直应力基本等于上覆岩层重力。
③水平应力普遍大于铅直应力。
④平均水平应力与铅直应力的比值一般随着深度的增加而减小。
⑤最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。
(3)研究意义:①原岩应力场时分析开采时围岩应力重新分布的基础,为分析开挖岩体过程中岩体内部应力变化合理设计巷硐支护提供依据,利于了解巷道变形机理。
②在矿井建设阶段,有利于采矿工程的设计施工,可以更合理的布置井筒和巷道的位置,减少施工中的困难。
③在采矿过程中,可以指导巷道和采场的支护,使其更加合理,减少成本,降低顶底板事故的发生。
④对不同埋深的煤矿开采有重要的意义,特别是煤炭进入深部开采以后高地应力的条件下,研究清楚深部应力的分布,可以更大限度额减少冲击矿压等严重事故的发生。
2、绘图说明双向等压应力作用下,圆形巷道围岩应力分布状况1、在弹性条件下巷道开掘后原岩应力重新分布,巷道围岩内出现应力集中,如果围岩应力小于岩体强度,则围岩仍处于弹性状态,围岩应力分布如图1所示,则巷道围岩中距巷道中轴线为r 的任意一点的应力为)1(2211r r t +=σσ)1(2211r r r -=σσ其中:r 为巷道半径;1σ由自重应力引起(H γσ=1)由上述关系式可得以下几个主要结论:①在双向等压应力场中,巷道周边全处于压缩应力状态。
②应力大小与弹性常数E 、u 无关。
③r t σσ、的分布和角度无关,皆为主应力,即切向和径向平面均为主平面。