第2章矿山岩体的原岩应力及其重新分布

2)地质构造运动后,遗留下一部分应力，为地质残余构造应力
第一节
第二节 第三节
构造运动+残余应力
第四节
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第一节 第二节 第三节 第四节
地震区带划分图
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唐山大地震使工矿企业遭受严重毁坏，开滦煤矿因断电瘫 痪，井下积水1.5亿吨，38万米巷道被淹机电设备三万多台，350 万平方米的建筑几乎全部倒塌。北方瓷都唐山，2千台设备只剩 下300余台，40多万平方米的建筑只有1万平方米没倒。唐山钢 厂工业建筑遭到严重破坏，民用建筑几乎全部震毁。1万多吨机 电设备受到不同程度的损坏……唐山市的直接经济损失约30亿 元，唐山地区的损失达54亿元。
第一节 第二节 第三节 第四节
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构造应力目前无法用数学力学方法计算,但它有以下特点:
(1) 主要是水平应力，以压应力占绝对优势。(地壳运动是水 平,挤压运动)
(2) 构造应力分布不均匀，主应力的大小与方向往往变化很大
(3) σ2 、σ3，构造应力具有明显的方向性
(4) 根据测定，浅部开采时,构造应力比自重应力影响更大
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目前，研究巷道周围岩体的应力状态，是对复杂条件简化， 粗略地求解巷道变形的机理，还是十分有益的。
简化： (1)回采空间视为各种理想的单一形状的孔(圆形，矩形) 。 (2)岩体视为完全均质的连续弹性体。 (3)岩体是无限或半无限体，可为平面应变问题进行分析 。
第一节 第二节 第三节 第四节
平面应力问题: 设很薄的等厚薄板，外力平行于面板 （墙壁、薄板粮、砂轮）
第一节 第二节 第三节 第四节
3
本章内容
第一节 岩体中的原岩应力
第二节 岩体中的弹性变形能
第三节 孔周围的应力分布
第一节 第二节
第三节 第四节 围岩极限平衡与支承压力分布
第四节 4
第一节 岩体中的原岩应力
第一节 第二节 第三节 第四节
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矿山开采前,首先要研究巷道所在岩体区域的原岩应力场
原岩: 地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体.
平面应变问题: 设柱形体，横截面不沿长度变化，外力与约束平行于横截面(不沿长度变)
（挡土墙、水坝、巷道围岩）
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第一节 第二节 第三节 第四节
空间问题转化为平面问题示意
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垂直应力σ1
根据侧压力系数λ,巷道所处的 应力场分为两类:
巷道
水平应力σ2 σ2= λσ1
1、双向等压应力场λ=1 2、双向不等压应力场0≤λ＜1
体积改变能Uv 体积畸变能Ud
第一节
第二节 地下岩体中，集聚的弹性能与应力状态有关，随开采深度的 第三节增加，与深度平方成正比增大，这对深部开采有重要作用。
第四节 16
采矿工程中，开挖可使岩体中大量能量释放，带来的影响:
有利的方面：
工作面落煤时可节省动力
不利的方面：
第一节 第二节 第三节 第四节
形成有害的冲击矿压
4）最大主应力与最小主应力一般相差较大。
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第二节 岩体中的弹性变形能
第一节 第二节 第三节 第四节
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由材料力学知识，物体受外力作用而产生弹性变形，在物 体内部将积蓄有应变能 。
地下岩体处在复杂的和强大的自重应力和构造应力场中， 会发生体积改变与形状改变，储存大量的弹性能U ，弹性能包 括两个部分：
垂直应力
侧向应力
第一节 第二节 第三节 第四节
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第一节 第二节 第三节 第四节
自重应力
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关于侧压系数λ：
海姆认为，因长时蠕变及应力均化作用, 1
（静水压力理论） 金尼克认为，仍处于弹性状态，符合虎克定律，
1
（ 弹性侧压理论）
一般，μ=0.2—0.3，最大μ=0.5，λ=0.25—0.43，最大为0.5 。
r
r
d r
dr
0
2、 几何方程——应变与位移满足几何尺寸关系；
r
du dr
λ=1
u r
3、物理方程——应力与应变满足虎克定律。
第一节 第二节 第三节 第四节
E
r E
z E
1 E
第二章 矿山岩体的原岩应力及其重新分布
第一节 第二节 第三节 第四节
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主要研究内容： 本章介绍开采后回采工作空间的应力再分布，支 承压力概念及围岩分区。
第一节 第二节 第三节 第四节
2
本章的重点: 1、原岩应力的概念 2、岩体中弹性能的作用 3、回采空间周围支承压力分布
难点： 圆孔周围应力分布规律
第一节 第二节 第三节 第四节
巷道围岩应力的计算图
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第一节 第二节 第三节 第四节
d 2
r d r
r
d r
（极坐标系） 确定径向应力σr与切向应力σθ(σt)
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一、圆孔围岩应力的计算
1、双向等压圆形巷道径向应力σr与切向应力σθ(σt) 求解三个基本方程：
1、平衡微分方程——应力与体力满足静力平衡关系；
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第三节 孔周围的应力分布
第一节 第二节 第三节 第四节
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来自百度文库
目前尚无法用数学力学的方法精确地求解出巷道周围 岩体内各处的应力分布状态。
原因： (1)岩体及岩石的力学性质及原岩应力场的特征未完 全掌握 (2)几何形状复杂 (3)巷道和回采空间周围岩体是非均质，各向异性的 复杂介质
第一节 第二节 第三节 第四节
(5)构造应力在坚硬岩石层中出现比较普遍
水平方向为主
第一节
浅部坚硬岩层
第二节
第三节
第四节
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原始应力分布特点：
通过理论研究、现场测量，受构造应力影响，原始应力分 布具有明显的特点： 1）测铅直应力基本等于上覆岩层重量； 2）水平应力普遍大于铅直应力；
3）平均水平应力与铅铅直直应应力比力值/随水深平度应增加力而减小；
原岩应力场:
天然存在于自原重岩应内而力与任何人为因素无关的应力场. 自重应构力: 造岩应体力自重引起
构造应力: 地质构造运动.(地震,火山,海啸)
第一节
第二节
膨胀（收缩）应力: 矿物质遇水膨胀
第三节 第四节
地温应力
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一 自重应力
在距地表深度为 H处,任意取一单元立方体,这个单元体上所 受的垂直应力σ1（σz），侧向应力为σ2 （σx ），σ3 (σy)，形成岩 体单元上的自重应力。
实际应用中： 浅部坚硬岩体用金尼克公式，深部塑性大岩体用海姆公式。
第一节 第二节 第三节 第四节
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二 构造应力
理论上自重原岩应立场的水平应力是被动的，水平应力<垂 直应力。
实践上,在地质褶曲带,断层附近,背向斜部位有剧烈应力变化, 实际测定中,水平应力>垂直应力。
原因:
1)地壳中的地质构造运动使局部岩层处于构造应力场中,如 地震 ,为现代构造应力