巷道支护基础理论与围岩控制(硕3)

膨胀压力
• 是指由于围岩吸水发生膨胀而对支护体产生的压力。 • 这种压力实质上是变形压力的一种，只是它因含有大量蒙
脱石等膨胀性矿物的粘土岩所特有的一种围岩压力。
冲击压力
• 又称矿山冲击、冲击地压、岩爆等，是矿压显现的动力现 象之一。它是在集中应力作用下，煤、岩体内积聚的弹性 应变能在一定条件下突然释放，使煤、岩体发生急剧脆性 破坏或大块煤体突然向已采空间抛射的现象。
二、巷道围岩力学性质
直接顶初次跨落
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１、岩石结构组成
２、开采煤层顶底板岩层特点
– 埋藏深度100~1000m，压力250~2500t； – 绝大多数顶板有直接顶、老顶和直接底、老底。
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３、材料破坏机理
• 压破坏 • 剪切破坏 • 拉伸破坏
岩块单轴压缩两种破坏形态
４、岩石与软钢应力－应变曲线
岩石循环加载曲线
岩块轴向与横向应力应变曲线
三向应力试验
泥岩三轴试验曲线
大理石三轴试验曲线
点载荷试验
直剪试验
岩石抗剪强度试验
岩石抗拉强度试验
岩石试件主破裂面
岩石破裂面
５、极限莫尔圆包络线
莫尔圆物理意义
应力状态的图示
莫尔圆的定量关系
莫尔库仑准则
合理利用巷道围岩的自承力
• 为了利用围岩的自承力，就要容许围岩产生某些变形。 这种变形会使围岩中的能量得到一定释放，从而起到 一定的“卸载作用”，这将有利于减轻支架受载。但 应当注意的是，这种变形应是有限制的。
4、变形压力理论
• 等压、各向同性、弹性圆形巷道； • 最大应力在巷道周边，为原岩应力２倍； • 双孔洞时小洞周边应力高； • 解释了巷道周边先破坏，逐步向深部发展的现象。
圆形巷道受不等载荷围岩应力
• 最大周向力为原岩应力的３倍； • 最小周向力为负１倍的原岩应力。
椭圆巷道周边应力
• 周向拉应力更大； • 可解释脆性体破坏机理。
巷道支护基础理论与控制技术
中国矿业大学（北京） 马念杰
主要内容
一、巷道围岩应力及其分布 二、巷道围岩力学性质 三、巷道支护主要原则 四、巷道围岩控制 五、深部巷道围岩控制的突出难点
一、巷道围岩应力及其分布
１、太沙基地压学说
• 巷道顶板压力等于上覆岩层重量； • 两帮压力按挡土墙压力理论计算； • 适用浅部、松散岩层。
２、普氏地压假说
• 地下硐室开挖后顶板和两帮出现松动压力； • 顶板压力等于冒落拱内岩石的重量； • 两帮压力用挡土墙压力理论计算。 • 在大多数情况下适用。
３、原岩应力实测结果
• 垂直应力为0.027Ｈ，越深越准确。 • 水平应力一般大于垂直应力（２/３）。 • 水平应力是垂直应力1.5倍占３０％。
开采后上覆岩层分区与分带
A— 煤壁支撑影响区(a—b); B—离层区(bc); C—重新压实区(cd); I—冒落带; II—裂隙带; III—弯曲下沉带; —支撑影响角
工作面周围应力集中
两相邻采空区周围的应力分布
煤巷上方应力升高
围岩松软破碎； 受采动强烈影响，地应力大； 巷道剧烈变形；
煤柱底板应力分布
松脱压力
• 由于地质弱面的切割、采动引起的离层或岩 块冒落等原因所造成的松散岩体作用于支护 结构物上的压力，称散体地压或松脱压力。 当支护结构不能有效地限制围岩变形的发展， 而在周围岩体内形成松动圈时，往往导致松 动围岩压力的出现。
• 松脱压力可采用松散介质极限平衡理论或块 体极限平衡理论进行分析和估算。
• 圈内岩体的基本特征是裂隙增多。由于塑性圈内 岩石逐渐松弛，而丧失部分承载能力，使原来巷 道周边附近岩石承受的一部分应力转移给邻近的 一定深度的岩体，因而塑性圈也随之逐步扩展到 岩体内的一定深度。
圆形巷道塑性区分布
松动圈
• 巷道周围岩体发生破裂和松动的区域，通常称为松动圈。 • 其范围一般为0.5~1.5m，它与岩体性质及抗压强度等有关。
变形压力
• 是指由于围岩产生指向巷道(硐室)的位移时挤压支护体而 造成的压力。
• 它在围岩与支护体相互作用过程中施加于支护体上。在 “围岩–支架”力学体系中，只要围岩变形而支护体又限 制其变形，围岩就对支护体施加变形压力。
• 变形压力和支护体的刚度有关。在一定的条件下，支护体 刚度越大，变形压力也越大。围岩变形不仅包括弹性变形， 塑性变形，而且还包括与时间有关的流变变形。对于松软 岩体尤为明显，其值远比弹、塑性变形大，而且随时间而 不断增加,因而支护体所受到的变形压力也不断增加。
三轴压缩极限应力圆
单轴压缩极限应力圆
共轭破裂面
库仑准则
用强度准则判断稳定性
斜直线型莫尔包络线
格里菲斯机理
格里菲斯准则
三、巷道支护主要原则
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
支架－围岩相互作用曲线
1-围岩位移曲线； 2–支架工作特性曲线； 3–围岩松动破坏后的位移曲线；A、B、C–支架可能的工作点； Pmax、Pmin—支架承受的最大承载力和最小承载力； Δumax—允许围岩最大位移量
矩形巷道周边应力
• 最大应力在角部。
层状围岩巷道围岩区分布规律
(a)―实体煤巷道；(b)―煤柱巷道；(c)―沿空巷道；(d)― 无 直 接 顶 、 底 的 煤 柱 巷 道 。 分 布 状 态 ： (a)―“ ＊ ” 型 ； (b) 、 (c)―半“＊”型；(d)―缺上（或下）的半“＊”型。与圆形巷 道、基本巷道分布状态不同，是研究动压、软岩巷道矿压的基 础。
５、开采形成的支承压力
老顶断裂前的结构形式及其周围的应力再分布 A—应力增高区; B—应力降低区; C—应力不变区
煤层顶底板
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老顶初次来压和周期来压
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老顶周期来压
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不同类型覆岩开采后的破坏情况
1—冒落带; 2—裂隙带 a—覆岩为软岩层; b—覆岩为中硬岩层; c—覆岩为坚硬岩层
煤柱应力
英国煤柱应力测量结果
巷道影响区
• 是指巷道周围岩体中由于掘进巷道而使应力比原岩应力发 生明显变化(大于5％)的地区。
• 该区的范围与矿山岩石的性质、开采深度、巷道的形状和 尺寸等有关，一般影响范围的直径为巷道最大线性尺寸的 2～4倍。
６、塑性圈
• 在集中应力作用下，当巷道围岩所受应力超过其 屈服强度时，就会产生塑性变形，在巷道周围形 成一个塑性变形区，其边界称为塑性圈。