矿山压力及其控制原岩应力及其测量
矿山地应力测试方案
-矿山地应力测试工作方案湖北省XXXXXX勘察院2023年4月目录1 前言............................... 错误!未定义书签。
2 地应力旳基本原理........................ 错误!未定义书签。
2.1 地应力旳基本概念...................... 错误!未定义书签。
2.2 地应力旳构成部分和影响原因............ 错误!未定义书签。
2.3 地应力场旳变化规律.................... 错误!未定义书签。
2.4 我国地应力场旳区域划分................ 错误!未定义书签。
3 水压致裂法试验简介...................... 错误!未定义书签。
3.1 水压致裂法基本原理.................... 错误!未定义书签。
3.2 水压致裂法地应力测量旳重要设备 ......... 错误!未定义书签。
3.3 水压致裂法测试环节..................... 错误!未定义书签。
4 测试成果................................ 错误!未定义书签。
4.1 参数确定.............................. 错误!未定义书签。
4.2 现场实测.............................. 错误!未定义书签。
5 测试成果综合分析........................ 错误!未定义书签。
5.1 试验成果旳可靠性分析.................. 错误!未定义书签。
5.2 最大水平主应力旳量级.................. 错误!未定义书签。
5.3 最大水平主应力旳方向.................. 错误!未定义书签。
5.4 侧压系数及应力构成分析................ 错误!未定义书签。
王家臣-原岩应力其量测方法介绍详解
3.1 地球及其构造的一般概念地球的绝对年龄估计在50～55亿年。
在45～47亿年以前开始形成地壳，就是说地球诞生在47亿年以前。
整个太阳系也是在不到50亿年前由尘埃和大气形成。
我们目前所熟知的地球，具有适于人类生存的大气和丰富的资源，这颗行星的内部仍在活动。
这点已由地震、火山、张开和闭合的大洋及漂移开来的大陆所证实。
根据对深部地带进行地震研究而得到的现代概念，地球可分为地壳、上地幔、下地幔、外地核和内地核。
地壳的平均厚度为32km ，而且在大陆上的变化范围是20～70km ，在海洋中其变化为5~15km 。
地壳是以莫霍面为分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛维奇契首先发现了M 面。
在该面以下，弹性纵波的速度p v 突然增长，达到8km/s ，而在地壳中通常是6～7km/s （最大值为7.4km/s ）。
上部地幔物质密度：33～37kN/m 3；地壳物质密度：27～30kN/m 3。
在地壳范围内，可按地震波特征分为三个主要分层：现在，采矿工作主要是在小于1000~1800m 的深度内进行。
在欧洲，有些矿速增层）地球内部结构示意图弹性纵波速度p v ＝2.0~5.0km/s ，厚度10～15kmp v ＝5.5~6.0km/s ，最大厚度30～40km p v ＝6.5~7.4km/s ，其厚度为10～20km井的开采深度约达2000m；在南非及印度，个别金属矿井的开采深度已超过3000～3500m。
开采石油和天然气的深度达到6000~7000m。
最深的构造钻孔和勘探钻孔已超过12000m，并开始实现钻孔深度达15000m的计划。
上述数字提供了有关地球开发深度的概念及其人类当今已经直接达到和可能近期达到的深度。
显然这些深度属于地壳上部的范围内，其厚度与地球直径相比微不足道。
然而浅部地壳的组成结构及其应力状态是矿山岩石力学和矿压理论关注的重点问题之一。
3.2 原岩应力天然状态下地壳中存在地应力，通常在地学中称之为地应力。
矿山压力与岩层控制
矿山压力与岩层控制一．名词解释矿山压力：由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力。
原岩应力：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。
充填开采：就是用充填材料来充填已采空间，借以支撑围岩，防止或减少围岩垮落和变形的顶板管理技术，采用此方法管理顶板的采煤方法称为充填开采。
关键层：对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层。
锚固力：锚杆对围岩所产生的约束力称为锚固力。
根据约束方式分为：托锚力，黏锚力，切向锚固力；根据锚固阶段分为：初锚力，工作锚固力，残余锚固力。
沿空留巷：在上区段工作面采过后，通过加强支护或采用其他有效方法，将上区段工作面运输平巷保留下来，作为下区段工作面的回采时的回风平巷称为沿空留巷。
沿空掘巷：在上一区段工作面运输平巷废弃后，待采空区上覆岩层移动基本稳定后，沿被废弃的巷道边缘，掘进下一工作面的区段回风平巷称为沿空掘巷。
冲击矿压：是压力超过煤岩体强度极限，聚积在采掘工程周围煤岩体之中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落破坏等。
充分开采：当采空区尺寸相当大时，地表最大下沉值不再随采空区尺寸增大而增大的开采状态称为充分采动。
二．简答题1.原岩应力概念组成部分以及场规律特点：（☆）答：天然存在于原岩内与人为因素无关的应力场称为原岩应力场。
其主要组成部分是自重应力场和构造应力场。
其规律特点：（1）实测铅直应力基本上等于上覆岩层重量。
（2）水平应力普遍大于铅直应力。
（3）平均水平应力与铅直应力的比随深度增加而减小。
（4）最大水平主应力和最小水平主应力一般相差较大。
2.构造应力场的特点：答：由于地质构造运动而引起的应力场称为构造应力场。
其特点：（1）构造应力以水平应力为主，具有明显的区域性和方向性。
煤矿井下矿山压力监测与控制
煤矿井下矿山压力监测与控制煤矿井下矿山压力监测与控制是煤矿安全管理的重要环节，它对保障矿工安全、预防矿井灾害具有重要意义。
在煤矿生产过程中，地质构造、开挖和采掘等因素会导致煤矿压力的不断变化，从而增加了矿山的危险性。
因此，对煤矿井下的矿山压力进行监测和控制，能够及早发现问题，采取相应的安全措施，有效防范矿井灾害的发生。
一、煤矿井下矿山压力监测原理在煤矿井下进行矿山压力监测，通常采用传感器对压力进行实时监测。
常见的矿山压力监测传感器包括应变片传感器、压力传感器、位移传感器等。
这些传感器通过与监测点连接，能够对井下地质构造和巷道的压力进行测量和反馈。
煤矿井下矿山压力监测的原理基于物理学中的力学原理，通过传感器对应力进行测量，进而推算出地质构造和巷道壁面的压力大小。
传感器接收到的信号会传输到监测终端，通过数据分析与处理，可以实时了解矿山的压力状态。
二、煤矿井下矿山压力控制方法煤矿井下矿山压力的控制，是通过采取一系列的工程措施来实现的。
具体方法如下：1. 支护措施：针对高压巷道和变形地层，采用合理的支护方式，如钢支架、锚杆等，以增强巷道的稳定性，减轻矿山的压力。
2. 防治煤与瓦斯突出措施：针对产状不良的煤层，采取钻孔抽放、水封止水等措施，以减少煤与瓦斯的压力，避免矿山突出事故的发生。
3. 巷道围岩控制措施：加强对巷道围岩的支护和加固，预防岩体滑动和冒顶等事故的发生，维护矿山的稳定。
4. 矿山通风控制：通过合理的矿井通风系统设计与管理，调节瓦斯和煤尘的浓度，降低井下瓦斯爆炸和煤尘爆炸的风险，保障矿工的生命安全。
5. 建立安全监测系统：在煤矿井下建立完善的安全监测系统，如矿山监控系统、瓦斯抽放监测系统等，能够对矿山压力、瓦斯浓度等关键参数进行实时监测和分析，提高灾害预警与应急处置能力。
三、案例分析：某煤矿井下矿山压力监测与控制实践某煤矿针对井下压力问题开展了矿山压力监测与控制工作。
通过对矿山中巷道围岩和煤体的压力进行实时监测，能够及时发现地质构造变形和巷道围岩压力增大的情况。
矿山压力与测控技术
1岩体的基本特征：岩体的非均质性、岩体的各向异性、岩体的非连续性。
2岩体应力应变曲线分析：四个阶段：压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段。
（作图）3采动空间：采动后，在煤岩层中形成的空间称为采动空间。
采动：在煤层或岩层中开掘巷道和进行开采工作称为对煤岩层的采动。
矿山压力：采动后作用于围岩中和支护物上促使围岩向采动空间移动的力。
矿山压力显现：煤岩体采动后，在矿山压力作用下，通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象。
4构造应力：由于地质构造运动而在岩体内积存的应力称为构造应力。
5围岩运动的形式：两帮运动、顶板运动、底板运动6影响矿山压力显现的因素：a深度影响b岩层性质的影响c 地质构造的影响d巷道尺寸和形状的影响e时间影响f其他采掘工程的影响。
7直接顶和老顶相互转化的原因：a地质条件的变化b采动条件的变化c改变采空区顶板处理方法e改变开采顺序。
8衡量矿山压力显现程度的指标：（1）顶板下沉量：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶板移近量。
（2）顶板下沉速度：指单位时间内的顶板移近量，mm/h，可以表征顶板活动的剧烈程度。
（3）支柱变形与折损（4）顶板破碎情况：常以单位面积顶板中冒落面积所占的百分数来表示，衡量顶板控制好坏的质量标准。
（5）局部冒顶：指采煤工作面顶板形成的局部坍塌（6）大面积冒顶：工作面由于顶板来压导致顶板沿工作面切落。
煤壁片帮、支柱钻底、底板鼓起也是矿压显现指标。
9支承压力：煤层开采后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤层、岩层和矸石上的垂直压力称为支承压力。
10直接顶的完整程度取决于：一是岩石的力学性质，二是直接顶岩层内各种原因造成的层理和裂隙的发育情况。
11采高与控顶距的关系：在一定条件下，采高是影响上覆岩层破坏状况的重要因素。
采高越大，采出的空间越大，工作面上覆岩层破坏也越严重。
在同样位置的老顶岩层取得平衡的机会就越小，而且在分、支承压力的作用下，工作面煤壁也越不稳定，易于片帮。
《矿山压力及岩层控制》(Ground Pressure and Strata Control)课程教学大纲
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。
第3章 原岩应力及其量测
第三章 原岩应力及其量测3.1 地球及其构造的一般概念地球的绝对年龄估计在50～55亿年。
在45～47亿年以前开始形成地壳，就是说地球诞生在47亿年以前。
整个太阳系也是在不到50亿年前由尘埃和大气形成。
我们目前所熟知的地球，具有适于人类生存的大气和丰富的资源，这颗行星的内部仍在活动。
这点已由地震、火山、张开和闭合的大洋及漂移开来的大陆所证实。
根据对深部地带进行地震研究而得到的现代概念，地球可分为地壳、上地幔、下地幔、外地核和内地核。
地壳的平均厚度为32km ，而且在大陆上的变化范围是20～70km ，在海洋中其变化为5~15km 。
地壳是以莫霍面为分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛维奇契首先发现了M 面。
在该面以下，弹性纵波的速度p v 突然增长，达到8km/s ，而在地壳中通常是6～7km/s （最大值为7.4km/s ）。
上部地幔物质密度：33～37kN/m 3；地壳物质密度：27～30kN/m 3。
在地壳范围内，可按地震波特征分为三个主要分层：速增层）地球内部结构示意图弹性纵波速度p v ＝2.0~5.0km/s ，厚度10～15kmp v ＝5.5~6.0km/s ，最大厚度30～40km p v ＝6.5~7.4km/s ，其厚度为10～20km现在，采矿工作主要是在小于1000~1800m的深度内进行。
在欧洲，有些矿井的开采深度约达2000m；在南非及印度，个别金属矿井的开采深度已超过3000～3500m。
开采石油和天然气的深度达到6000~7000m。
最深的构造钻孔和勘探钻孔已超过12000m，并开始实现钻孔深度达15000m的计划。
上述数字提供了有关地球开发深度的概念及其人类当今已经直接达到和可能近期达到的深度。
显然这些深度属于地壳上部的范围内，其厚度与地球直径相比微不足道。
然而浅部地壳的组成结构及其应力状态是矿山岩石力学和矿压理论关注的重点问题之一。
3.2 原岩应力天然状态下地壳中存在地应力，通常在地学中称之为地应力。
岩石力学原岩应力及其测量
2、计算方法
1 3 21 3 cos 2
r 0
当 0
33 1 Pi 33 1 t Ps 3
当考虑水压力时
Pi 33 1 T P0
Pr 33 1 P0
五、应力解除法
将具有初始应力的岩体用人为的方法解除其应力，使岩体 变形恢复，再通过某种手段测出岩体恢复的变形（应变或位 移），然后按弹性理论求出岩体应力（主应力的大小和方 向）。
x
1 E
x
y
y
1 E
y
x
xy
21
E
xy
（二）、孔径变形法
在欲测岩体应力处先钻一大孔到指定深度，然后在孔底平 面钻一同心小孔，在小孔内安装不同类型的孔径变形传感器， 再用环形套钻延伸小孔，形成与基岩分离的筒状岩芯。由于 卸载使小孔孔径发生变化，根据孔径变形传感器测出孔径三 个方向的变化量，按弹性力学公式即可确定垂直于钻孔平面 的岩体应力状态，这种方法称为孔径变形法。
构造应力场分布特点： 1、应力可能是压应力，也可能是拉应力。 2、以水平应力为主，一般水平应力大于垂直应力。 3、分布很不均与，以地壳浅部为主。
地壳浅部原岩应力分布的规律： 1、原岩应力场是一个相对稳定的非稳定的应力场。
2、实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量。
3、水平应力普遍大于铅垂应力。
4、平均水平应力与铅垂应力的比值随深度的增加而减小。
z H
x
y
H
1
H
xy yz zx 0
当深度H内有多层岩石，且各层岩石容重不同时：
铅垂应力
n
z i Hi
水平应力
x
i1
y
1
i i
n
iHi
i 1
张集煤矿北区原岩应力实测与分析
张集煤矿北区原岩应力实测与分析王传兵;丁晨曦;张继兵【摘要】采用应力解除法,对张集煤矿北区测点的原岩应力进行实测和分析,得到了各测点原岩应力的大小和方向.结果表明,张集煤矿北区的最大水平主应力分别约为最小水平主应力的1.65~2.79倍和垂直应力的2.58~2.66倍,原岩应力的分布对深部煤矿岩层的变形破坏形式和矿压显现规律均有较大的影响.根据实测发现原岩应力的最大水平应力方向为NWW-SEE方向,为减小原岩应力对巷道围岩稳定性的影响,巷道走向宜布置为NWW-SEE方向.张集煤矿原岩应力的实测和分析对揭示矿压显现规律具有重要意义,对巷道走向布置具有参考价值.【期刊名称】《中国煤炭》【年(卷),期】2017(043)005【总页数】4页(P43-46)【关键词】应力解除法;原岩应力;深部开采;矿压显现【作者】王传兵;丁晨曦;张继兵【作者单位】淮南矿业(集团)有限责任公司,安徽省淮南市,232001;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京市海淀区,100083;淮南矿业(集团)有限责任公司张集煤矿,安徽省淮南市,232001【正文语种】中文【中图分类】P554原岩应力是存在于地层中的天然应力，是导致工程变形破坏和地质灾难的动力因素，也是工程稳定性分析所必须考虑的要素之一。
原岩应力的准确测量对各种岩土工程的开挖设计和地质运动规律的研究均具有重要意义。
原岩应力的现场实测是获得原岩应力数据的重要手段，并在实测的基础上进行统计回归分析，能够得到所研究的地质体的主应力大小和方向。
原岩应力的测量方法有多种，就应用范围而言，最常用的方法有应力解除法和水压致裂法。
本文采用应力解除法对淮南矿业集团张集煤矿北区原岩应力进行实测和分析，进一步揭示原岩应力与矿井巷道布置、巷道围岩稳定性之间的关系，为深部矿井的岩石力学计算和岩体力学模型建立提供可靠的原岩应力参数。
张集煤矿东南部为陈桥背斜构造，西部的地层走向为北偏西约75°，北部向正北方向延伸。
第九讲 原岩应力与测试
• 空芯包体应变计及应变花的粘贴：
• 空芯包体应变计地应力测量的解除过程：
钻大孔 传感器安装
磨平孔底
应力解除过程
导向角
取出岩芯
传感器安装孔
• 安装结构图：
• 解除套取的岩芯
–2000年，国家十 五攻关项目。
800 应变(微应变) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20
在钻孔壁上，θ ＝0°时， σθ取得极小值：
（4-10）
3 2 1
（4-12）
那么，在钻孔壁上，岩石发生张破的条件是克服孔壁环向最小 应力值和岩石的抗拉强度T，即为：
Pi 3 2 1 T
（4-13）
当井壁开裂后，关闭加压泵，井壁裂隙进一步向前扩展，压力 曲线下降。当裂隙扩展到孔周边应力集中区以外（即原岩应力 区，3-5倍的钻孔直径）时，压力下降至一个恒定值Ps，此时的 Ps即为σ2：
1号测点应力解除曲线
应变片1 应变片2 应变片3 应变片4 应变片5 应变片6 应变片7 应变片8 应变片9 应变片10 应变片11 应变片12 套孔解除深度(cm)
30
40
50
60
• 解除测试结 果图。 • 2000年，地 下780m深处。 国家十五攻 关项目。
700 600 500 400 300 200 100 0 0
' 2
于是，离心力增量ΔF的水平分量为：
• 由上式可见：当r＝0 （两极）和λ＝0（赤道） 处，f2’都等于零；而在中间纬度地带（λ＝450） 时 f2’取得最大值。这充分说明构成地球表层的 物质在总体上被水平力推向赤道，而水平力的分 布规律为：自两极开始到南北纬450处（李四光教 授计算得出最大处在44057’04’’），水平力逐渐增 大至最大，之后又向赤道方向逐渐减小。 • 在上述经向水平构造应力作用下，地球上必然产 生与赤道平行的长条山脉，并且应在中纬度地区 最为发育。事实证实了这一点：全球性的东西构 造带主要出现在纬度250～500之间。 • 我国的阴山－天山东西向构造带、秦岭－昆仑东 西向构造带、南岭东西向构造带就是这种南北向 水平挤压应力造成的。国际上的实例请同学们到 世界地图上去查证。
矿山压力及岩层控制
饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。
w
Ww V
w wg
（g/cm3） (kN /m3)
式中：WW——饱水状态下岩石试件的质量 (g)； V——岩石试件的体积(cm3)；
g——重力加速度。
（二）比重（相对密度）(Δ)
岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的 质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在 内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公 式为：
Ws V
Vnb Ws
Ws Vnb1 d 1
V W1
w
式中：W s为干燥岩石的重量；γd,γw分别为干燥岩石和水的重度。
（2）岩石的饱水率（ω2）
岩石的饱水率指在高压（150个大气压）或真空
条件下，岩石吸入水的重量Wω2与岩石干重量Ws之比，
即：
2
W2 Ws
100%
根据饱水率求得岩石的总开空隙率n0：
典型变形性质：
弹脆
直线型
弹塑
下凹型
塑弹
上凹型
弹粘
平缓 型
塑弹塑
S型
二、岩石单向压缩变形性质：
1、轴向变形：
1
E
2、横向变形：
2
1
E
普通试验机下岩石应力、应变曲线
刚性试验机下岩石应力、应变曲线
刚性试验机
3、全应力应变曲线：
（1）0A段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限σA。 （2）AB段：近似直线，弹性阶段，σB 为弹性极限。 （3）BC段：屈服阶段，σC为屈服极限。 （4）CD段：破坏阶段，σD为强度极限，即单轴抗压强度。 （5）DE段：即破坏后阶段,σE为残余强度。
式中：
Id2
mr md
W2 W0 100% W1 W0
原岩应力学术价值及测定方法探究
原岩应力学术价值及测定方法探究王志斌(大连大学建筑工程学院辽宁大连116622)摘要：本文阐述了原岩应力的基本理论、指导原则和主要技术; 原岩应力对的学术意义，对原岩应力的测量方法做了介绍, 特别是对目前世界上应用最广泛的套孔应力解除法, 在查阅了近10年的相关文献的研究成果的基础上, 作了比较详细的论述和评价。
关键词：原岩应力；地应力测量；直接测量法；间接测量法；绪言岩体介质有许多有别于其他介质的重要特性, 由岩体的自重和历史上地壳构造运动引起并残留至今的构造应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。
就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。
地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。
这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖“荷载”通常是地下工程问题中的重要荷载。
由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖“荷载”，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。
正因为如此，在岩石力学发展史中有关地应力测量、地应力场模拟等问题研究和地应力测试设备的研制一直占有重要的地位。
地应力测量与研究的崛起和发展，是20世纪在岩石力学领域中非常振奋人心的科研成果，它的应用已普及土木、水电、矿山、交通、军工等系统的工程建设和地震机制研究中。
基础理论1 何谓原岩应力是指岩体处于天然产状条件下所具有的内应力。
有的称为岩体初始应力, 或天然岩体内应力,这种天然的内应力主要是由于地壳构造运动而产生的水平应力造成的, 其次是上覆岩层的自重作用造成的内应力还有变异应力及其它应力。
2 原岩应力的划分原岩应力是在漫长的地质历史时期中逐渐形成的, 主要是重力场和构造应力综合作用的结果。
有的地方在岩浆活动及岩体的物理化学变化等作用下形成的。
矿山压力与岩层控制原岩应力及其分布
图2-13 λ=0，1/7，1/2，1时，圆孔周围 应力分布
图2-13所示为λ=0；1/7；1/2；1在θ=00； 900；1800；2700时的应力分布。因此，圆 孔两侧的切向应力集中系数处于2～3之间。 当λ=1/3时，则可得切向应力
为 t
r14
t 2 1 (1 r ) 3
矿山压力与岩层控制
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。 由地心引力引起的应力场称为自重应力 场，地壳中任一点的自重应力等于单位面积 的上覆岩层的重量。 由于地质构造运动而引起的应力场称为 构造应力场
⑤ 其它各点的应力大小则与孔径有关。若 定义以σ t高于1.05σ 1或σ r低于0.95σ 1为巷 道影响圈的边界，则σ t的影响半径r1，工程 上有时以10％作为影响半径，则σ 1的影响半 径Ri≈3r1。有限元计算常取5r1的范围作为计 算域。 ⑥ 由公式（2-32）和（2-33）可知，在双 向等压应力场中圆孔周围任意点的切向应力 σ t与径向应力σ r之和为常数，且等于2σ 1。
1 岩石的泊松比为0.2～0.3， ＝0.25～ 1 0.43。 2、静水应力状态假说：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 ＝1.0 z x y H
1
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。前 者是指正在经受地质构造运动的作用， 在地质构造发生过程中，岩体内产生的 应力。后者是指已经结束的地质构造运 动残留于岩体内部的应力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.1 地球及其构造的一般概念
地球的绝对年龄估计在50～55亿年。在45～47亿年 以前开始形成地壳，就是说地球诞生在47亿年以前。整 个太阳系也是在不到50亿年前由尘埃和大气形成。我们 目前所熟知的地球，具有适于人类生存的大气和丰富的 资源，这颗行星的内部仍在活动。这点已有地震、火山、 张开和闭合的大洋及漂移开来的大陆所证实。
根据对深部地带 进行地震研究而 得到的现代概念 ，地球可分为地 壳、上地幔、下 地幔、外地核和 内地核。
郭里采层（导电 莫霍面（弹性纵波波速从地壳
率和地震波速迅 的6~7km/s迅速增加到8km/s）
速增加的分界层）
0km 400km
地壳
1000km
上地幔
3000km
下地幔
5000km 6000km
外地核 内地核
地球内部结构示意图
地壳的平均厚度为32km，而且在大陆上的变化范围 是20～70km，在海洋中其变化为5~15km。地壳是以 莫霍面为分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛维奇契 首先发现了M面。在该面以下，弹性纵波的速度 突然 增长，v p达到8km/s，而在地壳中通常是6～7km/s（最大 值为7.4km/s）。上部地幔物质密度：33～37kN/m3； 地壳物质密度：27～30kN/m3。
在地壳范围内，可按地震波特征分为三个主要分层
沉积岩
康拉德面
假定的 花岗岩层
玄武岩 层岩
弹性纵波速度＝2.0~5.0km/s， 厚度10～15km
弹性纵波速度＝5.5~6.0km/s， 最大厚度30～40km
弹 性 纵 波 速 度 ＝ 6.5~7.4km/s ， 其厚度为10～20km
它是两个分层之间弹性波速度变化的 地震分界面
现在，采矿工作主要是在小于1000~1800m的深度内 进行。在欧洲，有些矿井的开采深度约达2000m；在南非 及印度，个别金属矿井的开采深度已超过3000～3500m。 开采石油和天然气的深度达到6000~7000m。最深的构造 钻孔和勘探钻孔已超过12000m，并开始实现钻孔深度达 15000m的计划。
上述数字提供了有关地球开发深度的概念及其人类当 今已经直接达到和可能近期达到的深度。显然这些深度属 于地壳上部的范围内，其厚度与地球直径相比微不足道。 然而浅部地壳的组成结构及其应力状态是矿山岩石力学和 矿压理论关注的重点问题之一。
3.2 原岩应力
天然状态下地壳中存在地应力，通常在地学中称之为 地应力。其主要包括由岩体重量引起的自重应力和地质构 造作用引起的构造应力等。地应力这个概念是由瑞士地质 学者Haim在1905～1912年间首次提出来的。地应力是在 历史地质作用下发展变化而形成的。它与岩体自重、构造、 运动、地下水及温差等有关，同时又是随时间、空间变化 的应力场。但在工程年代，应力场受这种地质作用时间的 影响可以忽略。在采矿工程中，把这种未受采掘扰动影响 的岩体原始应力，又称为原岩应力。
采矿工程中，地下采掘空间对周围岩体内的原岩应力场 产生扰动，使得原岩应力重新分布，并且在井巷和采场的 围岩中产生几倍于原岩应力的高值应力（所谓的二次应 力）。围岩随之变形，随着时间的延长，围岩变形继续扩 大，甚至引起围岩破坏或支护物破坏，这就是我们常说的 矿山压力显现。由此可见，矿山压力的来源与原岩应力密 切相关，围岩稳定性显然是以原岩应力场为前提条件的。 在计算任何人工开挖的岩体周围的应力分布以前，必须测 量或估算开挖前的应力状态。
3.2.1 地壳浅部原岩应力实测结果
地壳内部的原岩应力场是一个颇为复杂的问题，人们获 得原岩应力状态的途径，主要是通过现场实测来实现。虽然 各个国家和地区对原岩应力测量做了大量工作。但是关于完 整应力状态的资料却获得很少，且测量深度也都在3000m之 内，故属地壳浅部。
1953年瑞典H.Hast在斯堪的纳维亚半岛首先进行了原岩 应力实测工作。此后，欧、美、澳大利亚和我国都先后开展 了大规模原岩应力实测工作。E.T.Brown和E.Hoek（1978） 研究了遍及世界不同地区的原岩应力测量，并进行了汇总。 在进行资料选择时，对于那些特别反常的地质条件（如近期 仍出现构造活动的地区）的实测结果均略去，只选用了可靠 的结果。见下图(p44)。
统计结果表明，铅直应力与深度的关系为：
z 0.027 z(MPa)
这是一个重要的铅垂应力估算公式。 值得注意的是上式的比例系数与地壳浅部岩石的容重相吻 合，通常：
20 ~ 30 KN / m3
即实测结果说明，铅直应力与上覆岩层的重力相一致。
• 平均水平应力：
hav
1 2
x
y
• 平均水平应力与铅垂应力σz之比K，随埋藏深度Z 的变化关系。通过分析发现K值通常取值为：
100 0.3 K 1500 0.5
Z
Z
• 深应度力小σz于；5当0深0米度时＞，10水0平0米应，力水σ平h.a应v明力显与大垂于直垂应直力 趋于相等，处于静水压力状态。这是因为三个主
应力差值很大时，岩石不可能承受很高应力，否
则必然发生破坏，达到新的平衡。
3.2.2 原岩应力中各应力分量之间的比
(1)平均水平应力σh.av与垂直应力σz的比较 从上面两个图的统计结果看，一般情况下，σz相 当于上覆岩层的自重，而水平应力的波动范围就比 较大。且一般大于铅垂应力，其产生原因。一般归 结为地壳的构造运动。据国内外实测资料统计，平 均水平应力σh.av与σz的比值大部分在0.8~1.5之间;
(2)水平应力σy与σx间的比较 地壳内水平应力中的两个主应力σx与σy在数值上 一般不相等，这一统计结果反映出了水平应力具 有较强的方向性；
(3)铅垂应力σz与自重应力Pz之间的比较 岩体上覆岩层的重量是形成岩体初始应力的基本 因素之一。一般认为岩体的铅垂应力大体上相当 于上覆岩层的重力Pz，但并非所有实测结果都如 此，从我国的实测结果表明，铅垂应力σz与单位 面积上的上覆岩层重力Pz的比例在0.43~19.8之间 变化。
3.2.3 自重应力
自重应力：由于岩石自重引起的应力称为自重应力
(1) Haim法则（1878年，译为海姆）