高地应力的机理及其现象

第 ２ ６卷
云 南 水 力 发 电
ＹＵＮＮ ＡＮ ＷＡＴ 唧 ＥＲ Ｐ ￡ Ｒ １９ ２
第５ 期
高地 应 力 地 区地 下 洞 室 施 工 的几 个 问题 探讨
段汝健 ， 胡香伟
（ 中国水利 水电第 十四工程局有限公司 ， 云南 昆明 ６ ０ １ ５０ ） ４ 摘 要： 通过锦屏 电站工程实践 中出现 的高地应力问题 ， 过对地应力级别 的判别与影响因素分析 ， 岩爆预测方法与防治控 制措施 ，
ｌｒｅ ｄ ｆｒ ｔ ｎ ｏ ｃ ｓ ｉ ａ ｉｕ ａｄ ｅｅ ｐ ｇ ｉ ｒ ｆ ａ ｉ ａｇ ｅｏｍａｉ ｆ ｏ ｋ ｍａ ｓｗ ｔ ｖ ｒ ｓ ｈ ｒ ｎ ｓ ，ｔ ｏｙ ａ ｒ ｃｐ ｅｏ ａ ｔ ｌｓｉ ｔ ａ ｒｅ ａ ｅｆ ｌ ｅ ｏ ｒ ｏ ｒ ｈ ｏ ｎ ｉ ｅ ｏ ｃｙｎ ａｕ ｖ — Ｏ Ｓｌｒｅ ｒｃ ｓ ｕ ｅｏ ａ ｏ ｎ ｅ ｉ ｎ— ｓｔ ｔ ｓ ｙ ｕ ｉｇ ｔ ｅ ｂ ｓｃｔ ｅ ｒ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｅｈ ｇ — ｉ Ｕ ａｇ ｏ ｋ ｍａ ｓ ｄ ｅ ｔ ｄ ｆｍｒｔ ｎ ｕ ｄ ｒ ｇ ｉ － ｉ ｓ ｅ ｓ ｂ ｓｎ ａ ｉ ｈ ｏ ｉ ａ ｅ ｎ ｔ ｉｈ ｉ ｓ ｕ ｏ ｉ ｈ ｈ ｕ ｒ ｈ ｅ ｈ ｎ— ｔ
ｇｎ ｅｉ ｇ ｍｅ ｓ ｒｓａ ｄｂａ ｉ ｒａｍｅ ｔｍｅ ｏ ｓａ ｎ ｌｙ ｓ ｍｍａｉｅ ｍｂ ｒｏ ｅ ｒａｍｅ ｔｍｅ ｏ ｓ ｉ ｅ ｒｎ ａ ｕ ｅ ｓｃ ｔｅ ｔ ｎ ｔ ｄ ｎｄ ｆ ａｌ ｕ ｎ ｈ ｉ ｒｚ ｓａｎｕ ｅ ｆｋ ｙ ｔｅ ｔ ｎ ｔ ｄ ，ｗｈ ｃ ｉｅ ａ ｈ ｉｈ ｇｖ
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过应力机理
过应力机理是指在材料内部存在的一种应力状态，即超过材料弹性限度的应力。

当材料受到的应力超过其弹性限度时，材料会产生塑性变形，导致内部应力产生。

过应力机理的产生可以是由外力施加在材料上所引起的，也可以是由于温度变化或其他物理因素导致的。

过应力机理可以导致材料的破坏和失效，因为过高的应力会导致材料内部发生变形、裂纹和断裂。

在工程应用中，为了避免材料出现过应力，通常会在设计和制造过程中考虑合理的结构和材料选择，以确保材料能够在所受到的应力范围内安全工作。

对于金属材料来说，过应力机理还与晶体结构有关。

由于金属材料的晶体结构中存在晶界和位错等缺陷，使得材料在受到应力时更容易发生变形和塑性失效。

因此，在金属材料的应用中需要考虑晶界和位错对过应力机理的影响，并采取相应的措施来提高材料的抗应力能力。

总而言之，过应力机理是材料内部产生的一种应力状态，可以导致材料的破坏和失效。

通过合理设计和材料选择，以及考虑晶界和位错的影响，可以减轻过应力对材料性能的影响，提高材料的抗应力能力。

2024年煤矿煤岩动力灾害监测预警技术进展我国煤岩动力灾害世界第一煤岩动力灾害，主要包括煤与瓦斯突出和冲击矿压。

突出是采掘工作面周围煤岩向采掘空间高速喷出的一种动力灾害过程，高地应力和高压瓦斯是能量的主要来源。

我国最大的突出灾害发生在四川三汇坝一井，在几钟内突出煤岩12780吨，喷出瓦斯气体140万立方米。

冲击矿压灾害是在高应力作用下，采掘空间周围的煤岩体失稳破坏并向采掘空间高速运动的动力灾害过程，高地应力是主要能量来源。

我国最大的冲击矿压发生在抚顺老虎台矿，震级达到里氏4.3级。

煤岩动力灾害除造成人员伤亡外，还严重摧毁巷道等采掘空间、破坏保障安全的通风系统。

灾害过程伴随矿井瓦斯涌出异常，常诱发重特大瓦斯爆炸事故，造成群死群伤。

xx年郑州大平矿死亡148人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故;xx年辽宁阜新孙家湾矿死亡214人的冲击—瓦斯爆炸事故;xx年黑龙江鹤岗新兴煤矿死亡108人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故。

这类灾害严重威胁矿井安全，是煤矿重大工程灾害。

我国是世界上煤岩动力灾害最严重的国家。

截至xx年，我国已备案的煤岩动力灾害矿井达1420多个。

由于种种原因，还有超过一倍数量的这类矿井没有备案。

据不完全统计，我国已累计发生31000多次动力灾害，平均每年死亡近300人。

目前，除海南、广东、福建、浙江、西藏等少数省区外，我国主要采煤省区不同程度地受动力灾害的威胁，著名的平顶山、淮南矿区的主力矿井全部为突出矿井，兖州矿区主力矿井受冲击灾害威胁严重。

随着煤矿开采深度的不断增大，灾害更为严重，预防的难度也在不断加大。

我国煤矿国有重点矿平均采深700米，最深达1365米，煤层最大瓦斯压力达10兆帕。

来自权威部门的统计表明，“十一五”期间，我国煤矿重、特大瓦斯突出事故的起数和死亡人数分别占40%和28.5%;xx年发生的11起重特大瓦斯事故中，煤与瓦斯突出事故6起，死亡150人，分别占54.5%和68.2%。

从煤矿重特大事故看，煤与瓦斯突出事故的比例逐年上升，遏制煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故是今后减少煤矿重特大事故的重中之重。

发生了较为严重的支护变形 、 支护开裂与破损 、 钢架扭曲， 甚至出现了坍塌事故。
３ 高地应 力软岩 隧道大变形 的治理措施
３ １ 高地应力软岩隧道大变形的特点 ． （ ） 形量 大 ， 大变 形可 达数 １ １变 最 ０—１０ｃ ０ ｍ。
（） ２ 变形速度高 ， 施作初期支护的前期变形速度可达 ３ ｍ ｄ 以后可达 ２ ｍ ｄ ／， ｃ ／。 ｃ （） ３ 变形持续时间长 ， 由于软弱围岩具有较高的流变性和低强度 ， 开挖后应力重分布持续时间长， 变
作者简介 ： 刘泮兴
男 １８ 年 出生 ９１
硕士研究生
维普资讯
２ ８ ３ ２ 锚杆的支护理论 ．
石 家 庄 铁
Байду номын сангаас
道 学 院 学 报
第 １ 卷 ９
在新奥发施工的隧道工程中 ， 锚杆的支护机理可以归纳为以下几点 ： ①把岩块 串成整体 ， 围岩在锚 把
施工中的乌鞘岭隧道由于初期对高地应力软岩缺乏经验支护较弱施工中均出现了不同程度的围岩大变形问题最大水平收敛达200300mm变形速率最高达73mnrd为了整治隧道大变形施工中使用了大量的长达5m的锚杆支护成梅花型布置间距08m08m有效地抑制塑性区围岩的剪切滑动从而提高塑性区的承载能力并把塑性区围岩同稳定围岩连接起来控制了隧道的变形
孔。②注浆效果的好坏 ， 是长锚杆能否发挥作用的关键 ， 要保证浆液能完全充填满整个钻孑 ， Ｌ 就要注意在 注浆期间应采取间歇注浆且尽量不要首先封孔 ， 而应在注浆期 间有浆液从孔 口流出时才封孔 ， 以保证注 浆效 果 。
１ 引 言
高地应力对地下工程的影响是十分显著的， 尤其对穿越大埋深的软岩地下工程 ， 如深埋铁路 、 公路隧

浅谈煤矿冲击地压的机理及防治措施摘要：煤矿冲击地压是一种矿井动力现象，是矿山压力的一种特殊显现形式，已成为一个世界性的灾害。

本文主要从冲击地压的显现特征、机理、预测方法、治理措施几个方面进行了论述。

关键词：煤矿冲击地压、显现特征、机理、预测方法、治理措施1 引言煤矿冲击地压属于矿井动力现象，是矿山压力的一种特殊显现形式，是指在一定条件的高地应力作用下，井巷或回采工作面周围的煤体由于弹性能的瞬时释放而产生破坏的动力现象，常伴随有巨大的声响、煤体被抛向采掘空间和气浪等。

它往往造成采掘空间的变形、采掘空间中支护设备的破坏，亦可能还会引发其它矿井灾害，尤其是瓦斯煤尘爆炸、火灾以及水灾、破坏通风系统，严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏，甚至引起地表塌陷而造成局部地震[1～5]。

2 我国煤矿冲击地压显现特征（1）突发性：通常是突然发生的，发生前一般无明显前兆，冲击过程持续几秒到几十秒，难以事先准确确定发生地点、时间和强度；（2）瞬时震动性：过程急剧短暂，震动持续时间一般不超过几十秒，伴有巨大声响、强烈震动，重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动范围可达几千米甚至几十千米，地面有震感；（3）具大破坏性：顶板一般不冒落，可能瞬间明显下沉；底板可能突然开裂鼓起甚至接顶；常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎从煤壁抛出，堵塞巷道，损坏设备。

造成人员伤亡和巨大的经济损失；（4）复杂性：在自然地质条件上，除褐煤以外的各煤种，采深200m～1000m，煤层从薄到特厚，倾角从水平到急斜，地质构造从简单到复杂，顶板包括砂岩、灰岩等，都发生过冲击地压；在生产技术条件下，水采、炮采、普采和综采，全部垮落法或水力充填法等各种采煤工艺，长壁、短壁、巷柱、等各种采煤方法，都出现过冲击地压。

3 冲击地压成因的机理（1）强度理论：早前的强度理论着眼于煤岩体的破坏原因，近代强度理论则注重矿体--围岩力学系统极限平衡条件的分析和推断，具有代表性的是夹持煤体理论。

技 术 与 市 场
２ ３ １ ３ 年第 ２ ０ 卷第 ８ 期
技 术 研 发
深 井 高地 应 力 下 井筒 注浆 加 固技术
杨宗坡， 鲁传忠
（ 平顶 山天安 煤 业股份 有 限公 司一矿 ， 河南 平顶 山
摘
固原 则 与 施 工 方 法 ， 达 到 了预 期 效 果 。 关键词 ： 深井； 高地 应 力 ； 注 浆加 固 ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ —８ ５ ５ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ８ ． １ ０ ７
０ 引言
４ ６ ７ ０ ０ ０ ）
要： 针 对平煤股份 一矿 北二风井井壁的破坏情况 ， 分析 井壁破坏 原 因及破 坏机理。通过优 化设计 确定 了井壁的加
对井筒 而言 ， 由于存在 着高 地应 力和 围岩 体低 强度 之 问 的突出矛盾 ， 井壁 出现破 裂横 向位 移等 现象 ， 维 修较 为 困难 ， 且 工作量大 ， 支护成本大 。因此 ， 深井 高地应力 下井筒 注浆加 固技 术研 究 ， 可 以从根本上解决深 部井 筒破坏问题 。
１ 平 煤 股 份 一 矿 北 二风 井 工 程概 况
矿北 二风井 １ ９ ９ ７年建成投产 ， 地表无 冲积层 ， 井筒全深 ７ ４ ８ ｎ ａ ， 底板标高 一５ ４ ０ ｍ， 井筒 直径 ７ ｍ， 以４ ５ ０ ｍ ｍ厚 Ｃ ０ 砼支 ２ 护。２ ０ ０ ７ 年井筒壁一侧 凸起并 出现裂纹 ， 裂纹逐渐 延长 扩大 ， 沿井 筒 壁 向 右 下 ４ ５ 。 方 向延 伸 ， 总长 度 １ ０ ｍ， 最 大 裂 缝 达 １ ０ ０ ｎ ＇ ｌ ｍ 宽， 井筒横 向支撑 工字钢发生弯 曲。 ２ 井 简 破 坏 因素 矿北二风井井筒裂 隙， 主要 分布在 井筒 的南 北两 侧 ， 以 南侧较严 重。２ ０ ０ ７年 井筒 壁一 侧 凸起 并 出现裂 纹 ， 裂 隙宽度 在７ ０— ９ ０ ｍ ｍ， 沿４ ５ 。 方 向 向下 延 伸 ， 裂 隙长 度 在 ３ ． ５ ｍ左 右 。 ２ ０ １ １ 年 ６月份 ， 裂 隙发育 ， 宽度达 ７ ０ —１ ５ ０ ｍ ｉ ／ １ ， 长度达７ ． ５ ｍ 左 右。在该处 裂隙的底 部还 存在 一条较 大裂 隙 ， 裂 隙宽度在 ５ ０ １ １ ０ ｒ ｆ ｌ ｒ ｆ ｌ ， 裂 隙长 度在４ ｍ左右 ， 其 开 口东高 西低 。在井 筒底 部北 大巷南 侧底板 以下６ ｍ 处， 有 一处 较大 凸起 ， 其 凸起 面积 达４ ｍ ２ ， 凸起 高度 约在 １ ５ ０ ～２ ２ ０ ｒ ｍ 。在 井筒底 部北 大巷南侧 底板 以下７ ． ５ ｍ 处， 还有一 处大 凸起 ， 其 凸起 面积达 ２ ｍ ２ ， 凸起 高度 约在 １ ５ ０ ～２ ０ ０ ｎ ＇ ｌ ｉ Ｔ ｌ 。井筒 底北 侧有若干小裂隙 ， 宽 度在 ２ ０

0.5＜（σθmax＋σL）/Rc≤0.8(肯定有岩爆) （σθmax＋σL）/Rc＞0.8(有严重岩爆)
12
Russense 判据
• Russense岩爆判别法是根据洞室的最大切向应力σθ与岩 石点荷载强度Is的关系，建立了岩爆烈度关系图。把点荷 载Is换算成岩石的单轴抗压强度Rc ，并根据岩爆烈度关系 图判别是否有无岩爆发生。其判别关系如下：
15
岩体RQD值判据
• 中国学者把岩体的RQD(岩体质量指标)值大 于60%作为岩爆发生时的判据。有资料表 明，σ1/Rc值大部分介于0.2～0.5之间，其 出现频率与总事件数为66%，岩爆发生时 其比值一般大于0.2，其出现频率与总事件 数82%。
16
秦岭隧道判据方法
• 谷明成通过对秦岭隧道的研究提出以下判 据：
6
能量理论
• 20世纪60年代中期，库克等人在总结南非 金矿岩爆研究成果的基础上提出了能量理 论。他们指出：随着采掘范围的不断扩大， 岩爆是由于岩体-围岩系统在其力学平衡状 态破坏时， 系统释放的能量大于岩体本身 破坏所消耗的能量而引起的。这种理论较 好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。
7
断裂损伤理论
Rc≥15Rt Wet≥2.0 σθ≥0.3Rc Kv≥0.55
17
谷–陶岩爆判据
σ1＞0.15Rc (力学要求) Rc≥15Rt (脆性要求) Kv≥0.55 (完整性要求) Wet≥2.0 (储能要求)
18
岩爆的现场预测方法
• 岩爆预测预报是为岩爆防治工作确定岩爆 发生的时间、地点、烈度等信息。
• 微震(A-E)法 • 微重力法 • 电磁辐射监测预报法 • 地震学预测法
11
Turchaninov 方法(T方法)

理念 ， 并进一步提 出了超 前加固 ， 封 闭掌子面 ， 采用双层初支 ， 扩大拱脚等具体控制措施 ， 较好的控制 了隧道 围岩的变形 ， 保证 了隧
道 的施 工安全。
关键词 ： 高地应力 ， 软岩 隧道 ， 变形特征
中图分类号 ： Ｕ ４ ５ ６ ． ３ １ 文献标识码 ： Ａ
０ 引 言
布， 初期支护 喷射 混凝土开裂 、 脱落 ， 型钢屈服 。 于高地应力 区 ， 其初 始原 岩应 力很大 ， 另 一方 面岩体 本身 承 载力 本 文针对广昆线老 东 山隧道 构造挤 压带 段 的围岩 大变 形 问 极低 ， 所 能够分担的应力 很小 ， 单 纯采 用传 统的 “ 以放 为 主 ， 先 放 题， 通过对隧道初 期支 护变形 特征 和原 因进行 系统 分析 ， 确 定 了 后抗 ” 的围岩变形控制原 则 ， 势必 会导致 围岩极快 的达 到其 屈服 控 制围岩变形 的控制原则和具体控制措施 。 强度而失稳破 坏。
第３ ９卷 第 ｌ ３期 ２ ０ １ ３年 ５ 月
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣ ＨｎＥＣ ｒ Ｕ ＲＥ
山 西 建 筑
Ｖｏ １ ． ３ ９ Ｎ ｏ ． １ ３
Ｍａ ｙ ． ２ ０ １ ３
・１ ６ ５・
文章编号 ： １ ０ ０ ９ — ６ ８ ２ ５（ ２ ０ １ ３ ） １ ３ － ０ １ ６ ５ — ０ ３
措施 ， 对施工过程实施 “ 动态管 理”， 实现 变形 开裂 的长期 有效 可 １ ． ３ 变形 速度 快 掌子 面 先行 位 移、 掌子 面 挤 出位移 、 掌 子面 后方 位 初 期支护后下沉速率一般可 达到 ３ ０ ｍ ｍ ／ ｄ 、 收敛 速率 一般 可 控 。具体按 “ 移 、 各台阶拱脚下沉和地 下水 对初期 支护 影响 ” 等 五个方 面来 进 达到２ ５ ｍｍ ／ ｄ ， 特殊地质段下沉速率最大 可达 到 ７ ０ ｍ ｍ ／ ｄ 、 收敛 速 率一般 可达到 ４ ８ ｍ ｍ ／ ｄ ， 而且其变形 速度 降低 缓慢 。 行控制 。 ２． ２． １ 掌子面先行位移控制

岩爆的成因及防治措施岩爆是高地应力区的地下工程在开挖过程中或开挖完毕后，由于弹性变形能的瞬间释放而产生爆裂、松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质现象。

岩爆是地下工程施工的一大地质灾害，由于它的破坏性很大，常常给施工安全、岩体及建筑物的稳定带来很多的问题，甚至会造成重大工程事故。

本文将岩爆发生的若干因素及其防治措施作一些讨论。

标签：岩爆影响因素防治措施1引言随着世界经济的发展，人类对各种矿产资源、能源的需求日益增加，且越来越多的地下工程在修建，岩爆灾害也频繁发生。

在地下工程开挖过程中，岩爆是围岩各种失稳现象中最强烈的一种，由于其突发性和强大的破坏性，不仅威胁施工人员和设备安全，而且还严重影响工程进度和工程造价，现在已成为是世界性的地下工程难题之一，引起了国内外的普遍关注，并促进了岩爆研究的进展。

2岩爆的成因2.1岩爆的分类从工程实践出发，考虑岩爆的危害方式、危害程度以及防治对策等，按破裂程度岩爆可分为以下几种。

2.1.1破裂松弛型围岩成块状、板状或片状爆裂，爆裂响声微弱，破裂的岩块少部分与洞壁母岩断开，但弹射距离很小，顶板岩爆的石块主要是坠落。

2.1.2爆裂弹射型岩爆的岩块完全脱离母岩，经安全处理后留下岩爆破裂坑。

岩爆发生时的爆裂声响如枪声，弹射的岩块最大不超过1/3m3，也有粉末状的岩粉喷射。

主要危害是弹射的岩片伤人，对机械设备无多大影响。

2.1.3爆炸抛射型有巨石抛射，声响如炮弹，抛石体积几立方米至数十立方米，抛射距离数米至二十米，对机械、支撑造成大的破坏。

2.2岩爆的发生机制岩爆是高地应力的产物，其机制一般描述为：岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体由于洞室开挖，径向约束卸除，环向应力骤然增加，能量进一步集中，在集中应力作用下，产生突发性胀剪脆性破坏。

弹性应变能伴随声响和震动部分得以消耗。

同时，剩余能量转化的动能使围岩急剧动态失稳，造成岩片（块）脱离母体，获得有效弹射，猛然向临空方向抛（弹）射。

岩爆形成条件、预测预报与防治岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中,硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异, 储存于岩体中的弹性应变能突然释放, 因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。

它直接威胁施工人员、设备的安全, 影响工程进度, 已成为世界性的地下工程难题之一。

一、岩爆形成机理分析综合分析岩爆形成机理，可从内因和外因两个方面解释岩爆。

在高地应力区开挖硐室、围岩岩体结构、水文地质条件、地质构造和地形地貌可以构成岩爆形成的内因。

从外因方面来说，硐室开挖施工和钻爆发施工、地震也可以诱发岩爆。

1、高地应力形成岩爆的必要要件是应变能储集, 其力学条件满足: 原岩处于高地应力环境和洞室开挖后形成二次应力高度集中。

（1）原岩初始高地应力环境根据勘察资料显示, /值为2. 1～7. 0, 达到高应力和极高应力水平, 具备了岩爆形成的条件之一。

式中: -岩石饱和抗压强度(); -垂直于隧洞轴线方向的最大初始应力()。

（2）洞室开挖后形成二次应力高度集中在高及极高应力区开挖隧洞, 必将扰动原岩的初始应力状态,破坏隧洞周围岩体初始应力平衡, 从而导致应力重新分布。

当重新分布的围岩应力超过岩爆临界应力, 则产生岩爆。

（3）岩爆发生在洞室围岩内dσ3/ (σ1-σ3)正增长期增长很快的那一范围d σ3/ (σ1- σ3)越高,越易引起岩爆,因为高的dσ3/ (σ1-σ3)抑制了围岩静态破坏与位移，dσ3/ (σ1-σ3)亦可理解为高应力区中σ3的变化,它与岩爆的关系是:在一定应力环境中,围岩内高应力环境(高的σ1-σ3)中最高σ3部位(可直观判读)最容易引起岩爆。

2、围岩岩体结构（1）在深层岩浆岩或片理、片麻理不发育的变质岩中发生的岩爆往往强烈程度较大,使得岩片(块)常呈弹射状抛出。

而在片理、片麻理发育的变质岩中发生的岩爆则往往强烈程度较小,主要为劈裂或剥落形式。

这是由于片理、片麻理发育的变质岩,其岩石颗粒呈明显的定向排列现象。

瓦斯 含量 ２ ２ ｔ ０～ ２ｍ ／。根据 突 出危 险 性 区域 划 分 ， 标 高 一 ５ 以 下 为突 出危 险 区域 ， ．一１３０机 ４０ｍ 己 ３３
摘
要： 随着矿 井开 采深度 的增加 ， 采掘 工 作 面 应力 场 由浅部 到 深 部 发 生 变化 ， 别 是松 软 煤 层 掘 特
进 工作 面在 高地 应 力条件 下预 测指标 分 布规 律 发 生 了明显 变 化 ， 因此迫 切 需 要 了解 高 地 应力 特 软煤 层 掘进 工作 面应力场 分 布规律 。采用理 论 分析 、 场测试 和 数值 分析 相结合 的方法 ， 究得 出高地 应 力特 现 研 软煤 层掘 进 工作 面前 方 的应力 场分布 规 律 ， 并在 淮南 新庄 孜 矿 试 验研 究 了高地 应 力 高 瓦 斯压 力 特 软煤
层 掘进 工作 面突 出预 测敏感 指标 及 临界 值 。
关键 词 ： 高地 应 力 ； 掘进 工 作面 ； 力场分 布 规律 ； 出预测 应 突
中 图分类 号 ： Ｄ ２ Ｔ ３ 文 献标 志码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ８— ４ ５ ２ １ ）４— ０ １ ３ １０ ４ ９ （０ １ ０ ０ ２ —０ 稳定 的极 限值 ， 种 蠕 变 为 稳 定 蠕 变 。 当荷 载 较 大 这 时， 如图 １中 ａｃ ｂｄ曲线 所示 ， 变不 能稳 定 于某 一极 蠕 限值 ， 而是无 限增 长直 到 破坏 ， 是典 型 的不 稳定 蠕 这 变。煤岩既 可发生稳定 的蠕 变也 可发 生不 稳定 蠕变 ， 这 取决于岩 石 所受 应 力 的大 小 ， 当超 过 其 长 期强 度 ， 稳 定蠕变 向不 稳定蠕变发 展 ， 否则按稳定 蠕变发展 。
学 特征 有别 于浅 部煤 岩体 ， 围岩应 力 场更 加 复 杂 ， 围

大变形巷道围岩变形机理与控制技术摘要: 为得到困难条件下大变形巷道围岩的变形机理与控制对策以困难条件下巷道的类型划分和特点为基础，总结了巷道围岩表面变形特征和内部的变形与结构特征，详细分析了高应力大变形破坏、底鼓型巷道系统失稳、采动巷道的变形破坏、结构面错动变形机制、围岩与支护结构不耦合五类主要变形机制。

结合巷道围岩控制理论研究与工程实践，提出了目前困难条件下矿井巷道支护存在的主要问题、难点与控制关键。

关键词: 困难条件; 大变形巷道; 围岩控制; 变形机理; 控制技术0 引言近年来，随着我国经济社会的快速发展、西部能源战略基地的大力建设、南方煤企重组的结构调整，煤炭的产量在逐步提高，为国民经济建设提供了重要支撑。

然而，随着煤炭资源开发规模、开采深度的增加，开采条件在持续恶化，巷道维护难度在不断增加，这给矿山巷道支护提出了新的挑战与课题，因此，困难条件下( 例如大采深、构造应力、多次采动影响、松软围岩、突出煤层等) 巷道围岩控制理论与技术亦成为当前矿业工程领域研究的热点与难点。

首先，由于我国东中部浅部煤炭资源的日益短缺，煤层开采必然转向深部，而深部开采因高地温、高地压、高渗透压和开采扰动( “三高一扰动”)的不利影响，使得深部矿井巷道的地质力学环境愈加复杂，地下工程灾害日益增多，深部巷道围岩稳定性控制变得更为困难。

一方面，部分矿井由浅部的硬岩矿井转型为深部软岩矿井，围岩缓变型大变形支护问题十分突出。

另一方面，深部煤层开采引发的冲击地压、瓦斯突出、岩爆等突变型大变形重大灾害在我国频繁发生，给国家财产和人民生命造成了巨大的损失，动力作用下巷道围岩控制问题已成为目前煤炭科技工作者所关注的重大问题之一。

其次，西部大型煤炭生产基地的建设为矿井巷道围岩控制理论与技术的发展提供了良好的机遇，同时也提出了新的挑战。

西部矿区的地质条件有其特殊性，即第四纪冲积层非常浅、软弱基岩埋藏深、含水层较多，( 特) 厚砂砾层、松散沉积砂层、厚冲积层等地层较为常见。

成 灾难 。
表２
事件 编号
弓长 岭铁矿 灾害 性地 压事件
发生时间 位置 相隔 时间 灾害程度
停 产 半年 ， 天 一 通洞 ２１５ 年 ６ １ 通洞 ６ ９ ８ 月 ４日 号李区 ２ 矩 轮报废 。二次地 压灾害共造成损 失矿量 １６ １０万 ｔ 杨木 山地表裂缝 通洞 ３ ９４年 ３月 １日 通洞 ６号空区 １６ ５ 向外 扩展 ， 下 井 ５年 采场顶柱间柱倒

３ 个月 ２
严重 危 害 上部 井 巷 工程 ， 运输 系统 破坏
３
所形成的塌陷坑位于 ６勘探线 ， １ ８ ｌ 月 １ 细 脉 带 矿 体 ５０水 平 至 地 表 地面塌 陷 面 积 ２ｏｍ ， ９ 年 ２ ９ ８日 ７ ｌ 陷坑 体 ８５ １ｍ标 高 积 ２ ６万 ｍ ， ． 陷落 范围从 ５ ０ ７ｍ
水 平 至 地 面
４ 个月
损失矿量 ７ ０万 ｔ
４
塌陷坑位于 ８勘探线 ， 地面塌 陷 １９ 年 ３ １ 细脉带矿 体 ４ 勘探线至 ８勘探 坑 面 积 ４ｍ ， 下 塌 陷 面 积 ９９ 月 ２日 ０ 井 线 ２Ｏ ｍ ， 陷区高 度从 ５ ０ ７ 塌 ７ ｍ水
位置 ９ 号矿体 Ⅲ盘区 ６号 １
、
影响范围
７号 采 场 间 矿 柱 倒 塌
周期
灾害程度
有２ ６万 ｔ 量 难 采 矿
６号 、 ７号采场底部结构破 坏 ， 房
２
１ ８年 ８ １ ９ ９ 月 １日
９ 号矿体 ４ ５水平 ２ 穿脉 ， ２ ｌ ５ ８线 ８ 线穿 脉坑道 ８ ｍ长整体垮落 ， ２ １ 、８ 、８ ６— ２ ２ —１ 线穿脉 坑道 ２ — ８ ６ １２ —１线穿脉 明显开裂

应力集中概念解析【应力集中概念解析】1. 介绍应力集中是指在一个结构或材料中，由于形状、几何构形或载荷作用等因素的影响，导致应力在某些局部区域集中的现象。

应力集中常见于工程领域的结构设计中，对结构的强度和稳定性会产生不良影响。

本文将深入探讨应力集中的概念、产生原因、影响以及相关的解决方法。

2. 应力集中的原因在结构设计中，应力集中主要来源于以下几个方面：2.1 几何形状：结构或材料的几何形状，特别是尖锐的角、孔洞或切口等，会造成应力集中。

2.2 载荷作用：不均匀的载荷分布或局部载荷作用会导致应力在某些特定的区域集中。

2.3 材料特性：材料的强度、刚度和韧性等性质不均匀，也会引起应力集中现象。

3. 应力集中的影响3.1 强度降低：应力集中会导致一些局部区域的应力远超过材料的强度极限，可能导致材料的破坏。

3.2 寿命缩短：应力集中容易引起裂纹的产生和扩展，从而减少结构或材料的使用寿命。

3.3 不稳定性：应力集中可能导致结构的不稳定性，如屈曲、横向位移等，从而影响结构的安全性和可靠性。

4. 应对应力集中问题的方法4.1 结构设计上的改进：通过优化结构的几何形状、避免尖锐的角或孔洞、增加过渡区域等方式，减轻应力集中的影响。

4.2 使用合适的材料：选择具有更好强度、韧性和均匀性的材料，可以减少应力集中的风险。

4.3 加强局部支撑或加强：使用加强件、增加局部支撑或加强结构的刚度等方式，能够改善应力分布，减少集中现象。

4.4 执行有效的应力分析：通过使用计算方法、有限元分析等手段，定量地分析结构中的应力分布情况，并在必要时进行适当的调整。

5. 个人观点和总结从实际工程设计的角度来看，应力集中是一个极为重要的问题。

忽视应力集中可能导致结构的失效和事故的发生。

在设计过程中，应该早期考虑应力集中问题，并采取适当的措施进行处理。

只有做好应力分析工作，找出应力集中的位置和程度，才能有针对性地解决这个问题。

通过结构设计的改进、优化材料选择和有效的应力分析，可以有效减轻和控制应力集中带来的不良影响，确保结构的安全可靠性。

项目名称：大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制首席科学家：周创兵武汉大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：教育部湖北省科技厅一、关键科学问题及研究内容（一）拟解决的关键科学问题根据国家水利水电工程建设重大需求、相关学科国际学术前沿和国内外研究现状，本项目紧密围绕大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制理论问题，从河谷演化与边坡岩体工程地质特征、边坡岩体工程作用、边坡岩体及结构性能演化等视角，凝练出拟解决的三个关键科学问题。

科学问题一：高地应力区高陡边坡岩体工程作用机制与效应西南高地应力区自然河谷边坡经过长期的地质演化，原岩应力强烈卸荷，形成了独特的高陡边坡坡体结构。

深切河谷演化模式、地应力特征和坡体结构控制自然边坡稳定性，并对高陡边坡岩体开挖、锚固支护、渗流控制等工程作用效应、运行期边坡性能演化产生重要影响。

边坡岩体开挖过程中，岩体应力重分布及储能释放，导致岩体变形甚至局部破坏，形成开挖扰动区（EDZ）。

边坡岩体结构特征、地应力水平、开挖方式与程序等对EDZ的孕育、发展和演化起控制作用。

对于岩体爆破开挖，在爆炸荷载与开挖卸荷耦合作用下岩体发生损伤、裂纹扩展，甚至局部失稳。

因此，需要研究爆破荷载与开挖荷载的耦合作用机制、爆破损伤与卸载松动机理、反复扰动的损伤累积效应、边坡岩体EDZ形成与演化、边坡开挖扰动区岩体的力学行为、高陡边坡开挖扰动效应控制方法等问题。

预应力锚索及抗剪洞、锚固洞等加固措施具有复杂的加固机理。

就预应力锚索加固而言，预应力通过锚索传递至孔底，而且不同的锚固方式具有不同的应力传递模式，锚索与砂浆、砂浆与岩体之间存在应力传递与变形协调过程。

显然，简单地考虑锚固力或锚固件自身刚度的锚固设计方法尚不足于揭示边坡岩体真实的锚固效应。

因此，需要研究锚固件和岩体的相互作用机制、锚固与联合加固措施的协同作用机制、锚固岩体的变形与结构强度特性以及锚固岩体力学行为等问题。

帮顶协同支护重要性
针对深部巷道的特殊条件，提出了帮顶协同支护的理念， 并通过实验验证了其有效性。这种支护方式能够显著提高 巷道的稳定性和安全性。
支护参数优化
通过数值模拟和现场试验，对支护参数进行了优化，为工 程实践提供了科学依据。
研究成果与贡献
01
理论突破
本研究在深部巷道变形破坏机理方面取得了重要理论突破，为煤矿安全
帮顶协同支护方案设计与实施效果评价
实施效果评价
• 利用监测数据分析支护后巷道的稳定性及长期安全性 。
• 对比支护前后巷道的变形破坏情况，评估支护方案的 实施效果。
• 总结支护方案的优缺点，提出优化建议及未来研究方 向。
CHAPTER 04
结论与展望
主要结论回顾
深部巷道变形破坏机理明确
通过深入研究，明确了深部厚煤层沿底巷道的变形破坏机 理，包括围岩应力分布、煤层厚度变化、地质构造等多因 素影响。
深部厚煤层沿底巷道 变形破坏机理及帮顶 协同支护
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目录
• 深部厚煤层沿底巷道变形破坏机理研究 • 帮顶协同支护理论与技术研究 • 工程实例分析 • 结论与展望
CHAPTER 01
深部厚煤层沿底巷道变形破 坏机理研究
地应力对巷道变形的影响
01
02
03
地应力大小
高地应力容易导致巷道围 岩的挤压变形，增加巷道 的收敛变形量。
地应力方向
地应力的方向影响巷道的 变形模式，如垂直应力主 导时，巷道顶底板变形更 为明显。
应力集中区域
巷道周边存在的应力集中 区域易引发巷道的局部破 裂和失稳。
煤层物理力学性质与巷道变形关系
煤层硬度
硬煤层具有较好的抵抗变形能力 ，而软煤层易受到挤压产生显著

刚度理论
• 20世纪60年代中期，Cook和Hodgei发现，用普 通压力机进行单轴压缩实验时猛烈破坏的岩石试 件，若改用刚性试验机试验，则破坏平稳发生而 不猛烈，并且有可能得到应力-应变全过程曲线。 他们认为，试件产生猛烈破坏的原因是试件的刚 度大于试验机(即加载系统)的刚度。20世纪70年 代Black将刚度理论用于分析美国爱达荷加利纳矿 区的岩爆问题。认为矿山结构(矿体)的刚度大于 矿山负荷(围岩)的刚度是产生岩爆的必要条件。 佩图霍夫认为，岩爆发生是因为岩体破坏时实现 了柔性加载条件。在他的研究中也引入了刚度条 件，并且明确认为矿山结构的刚度是峰值后载荷变形曲线下降段的刚度。
煤(岩)体电磁辐射监测预报法
• 这一方法是依据完整煤(岩)压缩变形破坏过 程中，弹性范围内不产生电磁辐射，峰值 强度附近的电磁辐射最强烈，软化后无电 磁辐射的原理，采用特制的仪器，现场监 测煤(岩)体变形破裂过程中发出的电磁辐射 “脉冲”信号，通过数据处理和分析研究， 来预报煤(岩)爆。电磁辐射法的突出优点是 工程量少，对生产影响小，可实现连续、 非接触、定向及区域性(空间上)预测预报。 因此，电磁辐射法是一种很有发展前途的 岩爆预测方法。
岩爆倾向理论
• 岩石本身的力学性质是发生岩爆的内因条 件。用一个或一组与岩石本身性质有关的 指标衡量矿岩的岩爆倾向强弱，这类理论 就是所谓的岩爆倾向理论。
岩爆判据
• • • • • • E. Hoek 方法 Turchaninov 方法 Russense 判据 陶振宇判据 Kidybinski 方法 岩体RQD值判据
Russense 判据
• Russense岩爆判别法是根据洞室的最大切向应力σθ与岩 石点荷载强度Is的关系，建立了岩爆烈度关系图。把点荷 载Is换算成岩石的单轴抗压强度Rc ，并根据岩爆烈度关系 图判别是否有无岩爆发生。其判别关系如下：