岩石力学---第四章 巷道围岩应力分布及其稳定性分析
巷道围岩结构的力学模型
巷道围岩结构的力学模型一、引言巷道是地下工程中常见的施工形式，其围岩结构对工程的安全和稳定性起着重要作用。
为了研究巷道围岩结构的力学行为，提高巷道的设计和施工质量，人们提出了一系列力学模型。
本文将介绍巷道围岩结构的力学模型及其应用。
二、刚体力学模型巷道围岩结构最简单的力学模型是刚体力学模型。
在该模型中，围岩被视为刚体，不考虑其变形和开裂。
这种模型适用于围岩较坚固、没有明显变形的情况。
通过刚体力学模型，可以分析巷道的稳定性和受力情况，为巷道的支护设计提供依据。
三、弹性力学模型弹性力学模型是对围岩结构进行弹性变形分析的模型。
在这种模型中，围岩被视为弹性体，符合胡克定律。
通过弹性力学模型，可以分析巷道围岩的应力分布、变形和开裂情况，为巷道的支护设计提供更精确的依据。
四、塑性力学模型塑性力学模型是对围岩结构进行塑性变形分析的模型。
在这种模型中，围岩被视为具有一定塑性变形能力的材料，考虑了围岩的强度和变形特性。
通过塑性力学模型，可以分析巷道围岩的破坏机制和塑性变形区域，为巷道的支护设计提供更可靠的依据。
五、岩体力学模型岩体力学模型是对围岩结构进行综合力学分析的模型。
在这种模型中，考虑了围岩的岩石力学性质、结构面等因素。
通过岩体力学模型，可以分析巷道围岩的强度、变形和断裂等特性，为巷道的支护设计提供全面的依据。
六、数值模拟模型数值模拟模型是一种基于计算机仿真的力学模型。
通过建立巷道围岩的有限元模型或离散元模型，对巷道进行力学分析和模拟，可以预测巷道围岩的稳定性、变形和破坏情况。
数值模拟模型具有较高的精度和灵活性，已成为研究巷道围岩力学行为的重要工具。
七、模型应用巷道围岩结构的力学模型在工程实践中得到了广泛应用。
通过力学模型的分析，可以评估巷道的稳定性，确定合理的支护措施并优化设计方案。
此外，力学模型还可以指导巷道施工过程中的安全管理和监测，及时预警并采取措施应对潜在的风险。
八、结论巷道围岩结构的力学模型是研究巷道力学行为的重要工具，通过不同的模型可以分析巷道围岩的稳定性、变形和破坏情况。
岩石力学巷道围岩应力分布及其稳定性分析
基本假设： ①围岩为均质，各向同性、线弹性、无蠕变或粘性行为。 ②巷道长度远远大于巷道断面尺寸，符合平面变形条件。 ③巷道深度远远大于巷道断面尺寸，因此可忽略巷道围岩自 重。
1、圆形巷道次生应力分布
2 4 a2 1 1 a a r q p 1 2 q p 1 4 2 3 4 cos 2 r 2 2 r r 4 a2 1 1 a q p 1 2 q p 1 3 4 cos 2 r 2 2 r
r r 0
b m a
椭圆形巷道周边次生应力分布随轴比的变化(λ =1/4)
轴比m=b/a
应力
5
1.15p 1.75p
4
1.25p 1.25p
3
1.42p 0.75p
2
1.75p 0.25p1Fra bibliotek2.75p
1/2
4.75p
1/3
6.75p
两帮中央 顶底板中央
-0.25p -0.50p -0.58p
三、相邻巷道间的相互影响规律
相邻巷道间的相互影响规律： ①、当巷道断面相同时，其相互影响的距离可定为巷道最大尺寸 的3—5倍，当受爆破影响时，可增大为4—6倍。 ②、当相邻巷道中心连线与最大主应力垂直时，巷道间岩柱的应 力集中程度增加；当连线与最大主应力一致时，应力集中程度降 低巷道可相互起到屏蔽作用。
3、矩形巷道次生应力分 布
4、直壁拱形巷道次生应力分布
弹性区围岩应力分布规律： ①、围岩应力中，其决定作用的因素是：原岩应力、侧压系数、 断面以及a/r等。 ②、形状对围岩应力的影响往往比断面大小更明显。 ③、不论何种形状的巷道，其围岩应力均随着远离孔边急剧下降， 而且应力集中程度越高，下降幅度越明显。 ④、圆形巷道应力集中程度最低，平直周边容易出现拉应力，拐 角处容易产生高剪应力。 ⑤、巷道的高宽比对围岩应力分布有重大影响，断面的尺寸应尽 量与最大来压方向一致。
岩石力学 有压隧洞围岩的应力与稳定性
在水利、水电建设中经常遇到一些洞室工程 问题，其中最常遇到的作为引水建筑物之一的是 水工隧洞。水工隧洞可分为无压隧洞及有压隧洞 两大类。无压隧洞的断面大部分做成马蹄形或其 它形状，有压隧洞则多做成圆形。无压隧洞衬砌 所承受的荷载主要是山岩压力、外水压力。有压 隧洞除了承受这些压力之外，特别重要的是承受 内水压力。这种内水压力有时是很大的，不仅衬 砌受到压力，围岩也要承受部分内水压力。围岩 受到这种压力之后必然要引起一些力学现象和变 形、稳定等问题。
有压隧洞围岩应力的变化过程是比较复杂的： 1 由于地下开挖，引起了围岩应力的重新分布 2 隧洞充水，内水压力又使围岩产生一个应力， 这个应力是附加应力，附加应力迭加到重分布应 力上去，就使围岩总的应力发生改变； 3 因检修或其它原因可能隧洞内的水被放空，附 加应力又没有了，剩下的只是重分布应力； 4 以后再充水，附加应力再度产生。 因此，有压隧洞围岩的应力是不断变化的。
b2 a2
p
(二)抗力系数法
有时，如果有实测的或可靠的弹性抗力系 数k的资料，也可以根据下列方法导出的公 式来计算衬砌内的应力。
如图7-6所示，当衬砌在均匀的内水压力p
的作用下，它将膨胀变形。因此，受到岩
石弹性抗力的作用。根据公式(7-17)，在p
和的作用下，衬砌内任何一点r处的径向变
形为：
u
a2 b2 r2 r2 b2 a2
p b2 a2 r2 r2 b2 a2
p
(拉应力)
在衬砌的周界上，当 r a 时，有：
(6-59)
r ra p
b 2 a 2 2b 2
ra
b2 a2
p
当
r b
时，有： r
r b
p
巷道围岩稳定性及控制技术
③ 增加围岩强度可以显著减小巷道围岩的位移
综合考虑可靠性、经济性和使用方便。
三、用工字钢、U型钢、废钢轨等各种钢材加工的支架)
锚杆及其与其他形式组合的联合支护(包括锚梁、锚网、锚喷，锚注等)
① 1945~1950年，机械式锚杆研究与应用；
（四）、巷道支护理论学说
悬吊理论 锚 杆 传统学说 组合梁理论 组合拱理论 围岩强度强化理论 刚性梁理论 近代学说 锚固平衡拱理论 最大水平应力理论
支
护 理 论
巷道围岩稳定性及控制技术
二、巷道围岩稳定性评价
（一）、巷道围岩稳定性影响因素分析及分类指标
对于煤层巷道而言，采动影响主要有两个方面，即本区段的采动影响 和相邻区段的残余采动影响。
① 本区段的采动影响：指因本
区段工作面回采引起的超前支 承压力的影响。在工作面的正 常推进过程中，由于采煤工作 面的大面积回采，工作面前方 煤体上形成了很大的超前支承 压力作用，这个超前支承压力 的影响是煤层巷道在整个服务 期间内围岩变形和破坏的主要 原因。
沿工作面推进方向的超前支承压力分布示意图
二、巷道围岩稳定性评价
（一）、巷道围岩稳定性影响因素分析及分类指标确定
超前支承压力的分布与工作面老顶运动状态密切相关，井下实测资料 表明，直接顶厚度与采高的比值 N可以反映老顶的来压强度，即在同样的 老顶条件下，N值越大，老顶来压强度越小；反之，老顶来压强度就越大。 因此，可以利用N来反映本区段超前支承压力的影响。
⑥ 1990~2000年，以螺纹钢锚杆为代表的锚杆加之长锚索得到了广泛应用；
⑦ 2000~至今，以高强、高预应力锚杆及锚索得到了广泛应用。
钢筋(或型钢)混凝土支架 少量的不支护巷道
三、巷道支护机理
岩石力学---第四章 巷道围岩应力分布及其稳定性分析
2 4 a 1 a q p 1 2 2 3 4 sin 2 r 2 r r
p 原岩垂直应力
qБайду номын сангаас 原岩水平应力
a 巷道半径 r 距离巷道中心距离
r 岩体某点径向应力 岩体某点切向应力 r 岩体某点剪切应力
轴比m=b/a
应力
5
1.15p 1.75p
4
1.25p 1.25p
3
1.42p 0.75p
2
1.75p 0.25p
1
2.75p
1/2
4.75p
1/3
6.75p
两帮中央 顶底板中央
-0.25p -0.50p -0.58p
3、矩形巷道次生应力分 布
4、直壁拱形巷道次生应力分布
弹性区围岩应力分布规律： ①、围岩应力中，其决定作用的因素是：原岩应力、侧压系数、 断面以及a/r等。 ②、形状对围岩应力的影响往往比断面大小更明显。 ③、不论何种形状的巷道，其围岩应力均随着远离孔边急剧下降， 而且应力集中程度越高，下降幅度越明显。 ④、圆形巷道应力集中程度最低，平直周边容易出现拉应力，拐 角处容易产生高剪应力。 ⑤、巷道的高宽比对围岩应力分布有重大影响，断面的尺寸应尽 量与最大来压方向一致。
弹性区次生应力场特点： ①、各应力分量大小与巷道大小无关。 ②、各应力分量与岩石的弹性模量和泊松比无关。 ③、侧压系数对围岩应力有决定性影响。
当 1 时 ,
①、应力集中系数的影响。 ②、采动范围的影响。 ③、巷道周边应力分布的影响。
当 1 时 ,
①、应力集中系数的影响。 ②、采动范围的影响。 ③、巷道周边应力分布的影响。
2、库仑-摩尔理论
sin
巷道围岩应力分布影响因素的研究
巷道围岩应力分布影响因素的研究
人类活动和采矿开采对围岩应力分布有很大的影响，特别是如何由车厢与围岩间的相
互作用产生的应力及其分布。
巷道围岩应力分布的影响因素主要表现在：地质、矿山动力学、凿岩技术和地质构造等几个方面。
首先，地质条件是影响围岩应力分布的重要因素。
因为地质条件不同，巷道周围围岩
的坚硬性也不同。
根据岩石坚硬性的不同，同一类应力作用时，其产生的应力和应力分布
在巷道围岩中也不尽相同。
其次，矿山动力学类因素也会影响围岩应力分布。
巷道支护采用单拱封闭支护，即采
用一排拱型柱子将巷道两侧排列，以阻碍围岩受到施工时引起的外部应力扩散作用，使形
成的应力更集中、更分明，从而改变了巷道围岩应力分布形式。
第三，凿岩技术也能够影响围岩应力分布。
一般情况下，用于支护巷道的凿岩对接巷
径数据是比较大的，在拓宽凿岩支护巷道的过程中，形成的外荷载也会影响围岩应力外部
的扩散，从而影响分布特征。
最后，地质构造也是影响围岩应力分布的一个重要因素。
根据构造特点的不同，巷道
的上下，左右的应力分布也不尽相同。
此外密集构造系统中的构造张力也会影响巷道围岩
的应力分布特征。
以上就是巷道周围围岩应力分布受影响的几个因素，要分析和控制巷道围岩应力分布，就必须关注这些影响因素，才能更好地把握巷道围岩应力分布特征，准确提出合理的支护
措施，进而促进安全、高效矿山开发和后期运行。
应力对巷道围岩稳定性的影响研究
应力对巷道围岩稳定性的影响研究于德文（山西煤炭运销集团蒲县昊兴嫄煤业有限公司，山西临汾041000）摘要：随着矿井开采深度和强度的不断加大，使得矿井所处的环境愈加复杂，且多处于“三高”条件下，其中高应力分布对巷道围岩稳定性和支护具有重要影响。
本文在对矿井地应力分布情况了解的基础上，对不同应力区内采动应力引起的应力集中对巷道稳定性的影响进行了系统的研究，为矿井的采掘工程部署、开采工艺选择与巷道支护方案设计等提供理论基础和设计思路。
关键词：煤炭资源；“三高”条件；采动应力；巷道；稳定性中图分类号：F4;TD323文献编制码：A文章编号：1008-0155（2019）15-0010-01煤矿地下开采过程中,强烈的矿山压力显现和动力灾害的发生是自然条件和工程因素综合作用的结果。
随着矿井开采深度和强度的不断加大，使得矿井所处的环境愈加复杂，且多处于“三高”条件下，其中高应力分布对巷道围岩稳定性和支护具有重要影响o应构建矿井地应力分布基础上的巷道稳定性治理和支护优化方案,通过对不同应力区内釆动应力引起的应力集中对巷道稳定性的影响进行了系统的研究，对矿井的开采布局与巷道支护方案设计等提供理论基础，为煤矿安全高效生产供技术支撑。
1地应力对巷道稳定性的影响分析地应力円是引起采矿工程围岩、支护变形和破坏、矿压显现和矿井动力现象发生的根本作用力，在诸多影响釆矿工程稳定性的因素中,地应力是最重要和最根本的因素之一。
围岩中存在高地压是造成巷道底鼓的决定性因素，尤其深部巷道底鼓的情况比浅部巷道多且严重。
地应力测量表明，我国煤矿的地应力场为水平挤压构造应力场，最大水平主应力与巷道位置密切相关。
相关研究表明,矿井最址平主应力方向对巷道稳定性具有影响。
将巷道轴线方位与最大主应力方位之间的夹角划分为三个区间,通常当巷道轴线与最大主应力方位夹角较小（0。
~30。
）,在这一区间巷道稳定性受到最大主应力影响较小；当巷道轴线与最大主应力方位夹角中等（30。
地下硐室围岩应力计算及稳定性分析PPT课件
4、坑道围岩分布的共同特点：
（1）无论坑道断面形状如何，周边附近应力集中系数最 大，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为3— 5倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。
（2）坑道围岩应力受侧应力系数λ 、坑道断面轴比的影
响，一般说来，坑道断面长轴平行于原岩最大主应力方向时， 能获得较好的围岩应力分布；而当坑道断面长轴与短轴之比 等于长轴方向原岩最大主应力与短轴方向原岩应力之比时， 坑道围岩应力分布最理想。这时在巷道顶底板中点和两帮中 点处切向应力相等，并且不出现拉应力。
b
a
x
r 0, r 0
p 0( 1 m )2 ss 2 i(2 n i n ) m 2 s c2 i2 o n m s 2 c2 os
式中： m——y轴上的半轴b与x轴上的半轴a的比值，即 m＝b/a； θ——洞壁上任意一点M与椭圆形中心的连线与x轴的夹角； β——荷载p0作用线与x轴的夹角； p0——外荷载。
（2）当r＝a时，即坑道周边的应力为：
或：
r r 0
(3-3)
p ( 1 2 c2 o ) q s ( 1 2 c2 o ) s
p ( 1 ) 2 ( 1 ) c2 o s (3-4)
式中：λ=q/p为侧压力系数。
由： p ( 1 ) 2 ( 1 ) c2 o s
§3-1 概 述
一、地下硐室的分类 地下硐室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩 土体中作为各种用途的构筑物。 按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房 （仓库）、地下军事工程 按硐壁受压情况：有压硐室、无压硐室 按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形 按与水平面关系：水平硐室、斜硐、垂直硐室（井） 按介质类型：岩石硐室、土硐 按应力情况：单式硐室、群硐
围岩压力与围岩稳定性
(2) 围岩压力=岩柱的自重-柱侧面摩擦力 （3）破坏模式与受力状态如下
10
微元素
l 滑动岩柱
l
dl
d n
dT 1
45o 2
45o 2
3
考虑摩擦力的计算简图
11
2、洞室顶压力的计算
近似按主 动土压力
（2）塑性区的应力服从莫尔—库仑准则。
（二）塑性松动压力的计算 （1）在最不利的位置，拱顶取一单元作平衡分析：
一般情况下可分为变形和松动围压两种大类。
6
第二节 坚硬岩体的应力和围岩稳定验算 对于坚硬完整的岩体，一般强度较大，变形较小或无， 不需支衬，故一般无围岩压力或很小，这时洞室的稳 定与否，只验算洞室边界上的切向应力。
当σθ＜[Rc]---岩石的容许抗压强度，围岩稳定 如σθ＜0， 则σθ ＞[-Rt]---岩石的容许抗拉强度 [Rc]=0.6 Rc 无裂隙的坚硬围岩
塑性区的半径Rp需实测或假定，当Rp给定时，塑性 区中任一点的σr即可计算。
当r=ra时，σr=Pi，由此可得洞壁处的围岩压力Pi
P i Cct[C gctp0 g )1 (si)n]R ra p ()1 2 ssi in n
围岩作用在支护上 的变形围岩压力… 芬纳Kastner公式
29
Kastner公式说明：Pi与RP成反比的； RP Pi
或0.5 Rc 有裂隙的坚硬围岩
7
例题：某花岗岩体，完整性良好，单轴抗压强度Rc=100MPa。 在岩体内开挖直墙拱顶洞室，洞的跨度B=12m，洞高h=16m， 洞埋深H=220m，岩石的重度γ=27KN/m3，试问围岩的稳定性 如何？ 解：(1)洞室围岩的天然应力σH=γH=27×220=5.94MPa
巷道围岩失稳类型及失稳机理分析
巷道围岩失稳类型及失稳机理分析煤矿产业给国民经济发展提供源源不断的能源支持，但在井下作业过程中却充满各种危险，其中围岩失稳就是最为常见的一种。
这是因为井下巷道开挖后围岩应力会重新分布，进而造成失稳破坏情况的出现，影响煤矿井下作业的人员的安全及生产顺利进行。
基于此，本文分析煤矿巷道失稳的常见类型以及失稳原理，为推进行业技术进步贡献一份力量。
标签：巷道围岩失稳；失稳机理；原因分析0 引言煤矿巷道开挖过程中会打破原有相对平衡状态，也就是将岩层原有的较好稳定性打破。
而当煤矿巷道掘进或回采后，就会对巷道围岩的应力状态及围岩性质产生影响，在这一过程中会造成巷道顶底板及两边岩体出现形变并向巷道内部空间移动，长时间下来围岩的稳定状态会在变形影响下出现变化，因此实际中有必要做好巷道围岩失稳类型及失稳机理的分析工作，本文对此进行重点阐述。
1 煤矿巷道围岩失稳类型分析实际中煤矿巷道围岩失稳类型的表现形式有很多种，但根据其发生机理及表现形态大致可以归为六大类，接下来笔者对每一类失稳类型进行分析。
（1）潮解膨胀。
潮解膨胀破坏指的是岩体遇水后出现软化崩解或强烈膨胀产生的破坏，这种破坏形式在实际中较为常见，一般出现在含有大量页岩、粘土岩以及无水石膏等巷道内。
这些岩石被统称为膨胀性岩石，这类岩石有一个共同特性，就是含有大量的活性矿物蒙脱石，蒙脱石吸水后自身体积会猛增几到十几倍，具有极强的膨胀性；除此之外，蒙脱石还具备较强的流变性，所以造成巷道围岩开挖后很容易就出现风化潮解等情况，所以实际中为预防这种情况开挖后会及时封闭围岩。
（2）局部落石。
实际生产中产生局部落石破坏，主要原因在于地质因素及施工不当，比如实际施工中没有考虑地质构成，在结构面与临空面的不利组合或结构面风化潮解的围岩构成中施工，施工过程中使用爆破、开挖等施工形式，进而造成围岩出现松动等情况，通常情况下这种破坏主要集中在巷道顶板及两帮。
（3）重剪现象。
这种情况产生的原理是由围岩本身应力形成的，通常出现在岩性坚硬而存在发育弱面的岩层中，受到原岩应力场等因素的影响。
岩石力学-岩石地下工程围岩应力解析法分析
面围岩中的最大的应力是周边的切向应力，且周 边应力大小E，v弹性参数无关，与断面的绝对尺 寸无关。同样，它和原岩应力场分布、巷道的形 状很有关系。另外，断面在有拐角的地方往往有 较大的应力集中。
5、井巷围岩的弹性与粘弹性位移 1）弹性位移 ①特点：
由 d 0 d
得
m 1
（6-31）
将此m值代入（6-30）得到
p0 p0 （6-32）
4、矩形和其他形状巷道周边弹性应力 常见的非圆巷主要有梯形、拱顶直墙、椭圆、
拱顶直墙反拱等。
1）基本解题方法 原则上，地下工程比较常用的单孔非圆巷围岩
的平面问题弹性应力分布，都可用弹性力学的复 变函数方法解决。
③塑性区半径
（6－53） （6－54） （6－55）
6）讨论
① Rp与R0成正比，与p0成正变关系，与c， ，P1成
反变关系；
②塑性区内各点应力与原岩应力p0无关，且应力圆 均与强度曲线相切（注意联立方程中有屈服条件， 此为极限平衡问题特点之一）。
③支护反力P1=0，RP最大。 ④指数 1sin 物理意义，可近似理解为“拉压强度
1 2
(1
)
p0
(1
2
R02 r2
3
R04 r4
)
sin
2
（6－28）
3）讨论
① 1 时，式（6-28）变为
p0 (1
R02 r2
)
r
p0 (1
R02 ) r2
②周边应力情况 r R0 时，r r 0有
r 0
地应力对巷道围岩稳定性影响分析
地应力对巷道围岩稳定性影响分析摘要：通过对巷道布置与地应力关系的分析，论述了地应力对巷道围岩稳定性的影响以及巷道开挖引起的围岩应力和围岩结构变化，对巷道变形破坏机理进行了分析。
关键词：地应力；巷道；围岩；稳定性中图分类号：P315.72+7 文献标识码：A 文章编号：The Influence of Crustal Stress on the stability of Surrounding Rock RoadwayNiu Quanmiao(Wuhai V ocational and Technical CollegeWuhai Inner Mongolia016000 China)Abstract: Through the analysis of the relationship between roadway layout and crustal stress, discussed the influence of crustal stress on the stability of surrounding rock and the stress and changes in rock structure induced by rock tunnel excavation .Then analyzes the on the mechanism of the deformation of the roadway.Key words: crustal stress; roadway; surrounding rock；stability1 引言地应力是影响巷道围岩稳定性的重要因素。
随着煤矿开采强度与广度的不断增加,开采深度越来越大,地质条件也越来越复杂,地应力对巷道围岩变形与破坏的影响更加突出。
煤矿中的一些灾害,如顶板冒落、冲击矿压、煤与瓦斯突出及透水等事故,均与地应力有直接或间接的关系[1]。
巷道围岩应力变化分析
巷道掘进后，围岩的原岩应力平衡状态被破坏，围岩应力重分布进入塑性状态，一方面导致塑性区扩大和两帮位移增长，另一方面使一些强度低的岩石因应力达到强度极限而破坏，随之产生裂缝或剪切位移，造成破坏岩石的大量脱落，为了保持围岩，稳定以及硐室结构的安全，在围岩稳定性评价的基础上进行支护，以改变围岩的物理力学性质，改善围岩内部的应力及应力分布，降低支承压力区的承载能力，使支承压力向围岩深部转移，从而提高围岩的稳定性。
巷道掘进时，巷道围岩压力以压应力为主，在巷道两帮和拱脚处应力较大，容易出现应力集中，导致出现片帮和巷道拱脚岩石破裂。
顶板由于卸载作用，巷道出现最大切向拉应力，并分布在顶板一定范围内，极易出现顶板岩石离层现象。
煤矿开采中的岩石力学与围岩稳定性
06
结论与展望
研究结论
岩石力学在煤矿开采中具有重要应用价值， 通过对围岩稳定性的研究，可以有效预防和
减少矿山灾害的发生。
岩石力学实验和数值模拟是研究围岩稳定性 的重要手段，通过实验和模拟可以深入了解 围岩的变形和破坏机制，为工程实践提供科
学依据。
围岩稳定性受到多种因素的影响，包括地应 力、地质构造、地下水、煤层赋存条件等， 需要综合考虑这些因素进行评估。
针对不同类型和规模的煤矿开采工程，需要 采取不同的岩石力学和围岩稳定性分析方法 ，以确保采矿安全和高效。
研究不足与展望
01
目前对于围岩稳定性的研究仍 存在一些不足之处，例如对于 地质条件的复杂性和不确定性 考虑不够充分，需要加强这方 面的研究。
02
岩石力学和围岩稳定性分析方 法需要不断改进和完善，以提 高预测精度和可靠性，更好地 服务于采矿工程实践。
煤矿开采中的岩石力学与 围岩稳定性
汇报人：可编辑 2023-12-31
目录
• 引言 • 岩石力学基础 • 围岩稳定性分析 • 岩石力学在煤矿开采中的应用 • 案例分析 • 结论与展望
பைடு நூலகம்
01
引言
研究背景与意义
研究背景
随着全球能源需求的持续增长，煤矿开采作为主要的能源供应来源之一，其安全性和效率问题备受关注。岩石 力学和围岩稳定性是确保煤矿开采安全的关键因素，因此，开展相关研究具有重要的实际意义。
通过实时监测和数据分析，预测 围岩稳定性变化趋势，及时发出 预警信息。
04
岩石力学在煤矿开采中的应用
开采方法与岩石力学
开采方法选择
根据岩石力学特性，选择合适的开采 方法，如长壁开采、放顶煤开采等， 以确保开采过程的安全和效率。
施工巷道的围岩应力及来压分析
施工巷道的围岩应力及来压分析施工巷道的围岩应力及来压是施工过程中需要重点分析和考虑的问题。
在进行施工工程之前，首先需要对巷道围岩进行调查和评估，确定巷道围岩的性质、厚度、倾角等基本参数。
然后，根据巷道的设计方案和施工工艺，结合现场的实际情况，进行应力及来压分析。
巷道的围岩应力分析是指对围岩的应力状态进行研究。
一般来说，巷道围岩的应力状态可以分为两种情况：一是围岩受到一定的外力作用而形成的应力状态；二是围岩失去平衡后自身产生的应力状态。
在施工巷道中，由于施工过程中的爆破、挖掘和支护等工作会对围岩产生应力作用，因此需要对这些外力作用进行分析和评估。
巷道围岩的来压分析是指对围岩受到力的压力大小进行分析。
在施工巷道中，围岩受到上部土层、建筑物及水压力等的压力作用，这些压力会对巷道的稳定性和安全性产生影响。
因此，需要对来压力进行分析和计算，确定巷道围岩的受力情况，为巷道设计和施工提供依据。
对于施工巷道的围岩应力及来压分析，可采用数值模拟方法进行研究。
通过建立巷道围岩的数学模型，输入相关参数和边界条件，使用计算机软件对围岩的应力和来压进行模拟计算。
根据计算结果，可以评估巷道围岩的稳定性，并提出合理的支护措施和安全预警机制。
在进行施工巷道围岩应力及来压分析时，应注意以下几个方面：一是要充分考虑巷道围岩的地质条件，包括岩性、结构、断裂、节理等因素；二是要准确测量巷道围岩的应力和来压，尽可能获取真实的数据；三是要合理选择适应的数值模拟软件和方法，确保计算结果的可靠性；四是要结合施工工艺和支护措施，进行综合分析和评估。
总之，施工巷道的围岩应力及来压分析是保证巷道工程顺利施工和安全运营的重要工作。
通过合理的分析和评估，可以为巷道设计和施工提供科学依据，保障巷道的稳定性和安全性。
巷道围岩失稳机理分析
巷道围岩失稳机理分析摘要：文中提出了巷道失稳宽度B_的确定方法，以SA煤矿3107回风巷作为算例，得出结论是在煤柱宽度是20m时，巷道处于应力集中区内，围岩变形量大难以维护，产生明显的失稳现象，此后需预防冒顶事故的发生并采取合理的加强支护措施。
关键词：巷道围岩失稳；巷道失稳宽度0 前言开挖煤矿的巷道期间，良好的控制围岩对矿井的安全十分必要，若控制不当，不但破坏原有的平衡，也会打破围岩的稳定性。
近年来，巷道变形严重的原因是受到开采深度的影响，使得低压力增大，进而使原有的巷道出现了形变，挤压底鼓及片帮，支护能力下降，巷道的稳定系数降低。
而对煤矿的巷道进行挖掘或者回采的时候，也会影响巷道围岩的应力，使得巷道顶底板以及两边的岩体开始形变，且逐步移动到巷道的内部空间内，长此以往，围岩的稳定性会在形变的影响下外部形态出现变化，所以做好巷道围岩失稳类型和失稳机理分析显得十分必要，本文主要概述围岩失稳类型和分析失稳机理。
1 基于巷道失稳宽度的围岩失稳分析当围岩发生变形时从力学变形角度看，通常会出现从最初的稳定的弹性时期，之后通过过渡期的塑性发展到受到破坏的失稳状态，如图1所示。
Bmax代表的是巷道失稳宽度，通常是用来代表巷道围岩稳定性的目标，当巷道围岩比Bmax小时，这时巷道围岩处于一种稳定状况中，反之比Bmax大时巷道就会出现失稳现象。
围岩的两个变形阶段弹性和塑性时期是在巷道宽度Bmax到达顶级数值时产生的，采用科学的支护方法使围岩巷道保持弹性及稳定数值范围内；在塑性期内的围岩由于岩石发生扩展，围岩的应用力度降低，引起围岩变形。
从其它方面来说，应力状况的标准可以通过巷道失稳宽度Bmax表示。
巷道的平衡状态被破坏是因为巷道在开挖过程中其宽度比巷道失稳宽度Bmax大，造成围岩的稳定构造受到破坏，引起支护与围岩的支撑作用无法发挥，进而使围岩承力构造处于失衡状态，同时在每个不同阶段发生过程中巷道围岩构造的受力和分布状况都不相同，围岩的应力分布状态也不同，当巷道宽度比Bmax大时，其上述现象更为显著。
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1、圆形巷道次生应力分布
2 4 a2 1 1 a a r q p 1 2 q p 1 4 2 3 4 cos 2 r 2 2 r r 4 a2 1 1 a q p 1 2 q p 1 3 4 cos 2 r 2 2 r
a2 r p 1 2 r a2 p 1 r2
r 0
弹性区次生应力场特点： ①、各应力分量大小与巷道大小无关。 ②、各应力分量与岩石的弹性模量和泊松比无关。 ③、侧压系数对围岩应力有决定性影响。
当 1时,
3、矩形巷道次生应力分布
4、直壁拱形巷道次生应力分布
弹性区围岩应力分布规律： ①、围岩应力中，其决定作用的因素是：原岩应力、侧压系数、 断面以及a/r等。 ②、形状对围岩应力的影响往往比断面大小更明显。 ③、不论何种形状的巷道，其围岩应力均随着远离孔边急剧下降， 而且应力集中程度越高，下降幅度越明显。 ④、圆形巷道应力集中程度最低，平直周边容易出现拉应力，拐 角处容易产生高剪应力。 ⑤、巷道的高宽比对围岩应力分布有重大影响，断面的尺寸应尽 量与最大来压方向一致。
2、库仑-摩尔理论
r 2 sin r C ctg 2
r r pi Cctg a
2 sin
1sin
Cctg
2 sin 1sin
1 sin r pi Cctg 1 sin a
三、相邻巷道间的相互影响规律
相邻巷道间的相互影响规律： ①、当巷道断面相同时，其相互影响的距离可定为巷道最大尺寸 的3—5倍，当受爆破影响时，可增大为4—6倍。 ②、当相邻巷道中心连线与最大主应力垂直时，巷道间岩柱的应 力集中程度增加；当连线与最大主应力一致时，应力集中程度降 低巷道可相互起到屏蔽作用。
Cctg
由厚壁筒公式：
2 R02 R 0 r p 1 2 R 2 r r 2 R 02 R 0 p 1 2 R 2 r r
二、巷道围岩塑性区次生应力分析
1、圆形巷道次生应力(λ=1)
d r rd 2 dr sin r d r r drd 0 2 上式中忽略高阶无穷小，并令 d d sin d d , sin 2 2 r d r 0 r dr
2 4 a2 1 1 a a r p1 1 2 p1 1 4 2 3 4 cos 2 r 2 2 r r 4 a2 1 1 a p1 1 2 p1 1 3 4 cos 2 r 2 2 r 2 4 1 a a r p1 1 2 2 3 4 sin2 2 r r 当 1时, p q
r
2 4 1 a a q p 1 2 2 3 4 sin 2 2 r r
p 原岩垂直应力 q 原岩水平应力
a 巷道半径 r 距离巷道中心距离
r 岩体某点径向应力
岩体某点切向应力 r 岩体某点剪切应力
r r 0
b m a
椭圆形巷道周边次生应力分布随轴比的变化(λ=1/4)
轴比m=b/a
应力
5
两帮中央 顶底板中央
4
1.25p 1.25p
3
1.42p 0.75p
2
1.75p 0.25p
1
2.75p -0.25p
1/2
4.75p
1/3
6.75p
1.15p 1.75p
-0.50p -0.58p
第五章 岩石地下工程
一、基本概念
围岩：在岩体中进行开挖以后，扰动了原岩的自然平衡状态， 引起岩体中应力的重新分布，发生应力变化的那部分岩体称 之为围岩。 应力集中系数：巷道开往后的次生应力与开挖前的原岩应力 之比。 横向测压系数：水平应力与垂直应力之比。
二、巷道围岩弹性区次生应力分析
基本假设： ①围岩为均质，各向同性、线弹性、无蠕变或粘性行为。 ②巷道长度远远大于巷道断面尺寸，符合平面变形条件。 ③巷道深度远远大于巷道断面尺寸，因此可忽略巷道围岩自 重。
①、应力集中系数的影响。 ②、采动范围的影响。 ③、巷道周边应力分布的影响。
当 1时,
①、应力集中系数的影响。 ②、采动范围的影响。 ③、巷道周边应力分布的影响。
λ不同时切向应力随角度变化的对应值
θ
0°
λ 1 1/2 1/3 1/4
15° 2p 2.36p 2.49p 2.55p
30° 2p 2p 2p 2p
45° 2p 1.5p 1.33p 0.8p
60° 2p p 0.66p 0.5p
90° 2p 0.5p 0 -0.25p
2p 2.5p 2.66p 2.75p
2、椭圆形巷道次生应力分布
p
mm 2 cos2 sin2 2m 1sin2 m 2 cos2 sin2 m 2 cos2
③、当巷道断面不等时，随着两者半径之比的增大与距离的减小， 大巷道对小巷道的影响越来越大，而小巷道对大巷道则几乎没有 影响。试验表明，若大小巷道半径之比为20时，减小间距，可使 处于连线上的小巷道周边应力集中明显增大，但垂直于连线上的 周边应力明显降低，也起到了屏蔽作用。为降低大巷道对小巷道 的影响，可减小两巷道的半径比。