地应力与巷道支护

九、次生应力场
这种应力场是指人类在岩体中开凿硐室，而使原有 的应力场遭到破坏，地应力会在硐室周围形成一个 新的应力场。这一应力场次生应力场。并在巷道的 围岩中产生应力集中现象。 特点：范围小，仅分布在硐室周围； 由原始的地应力和硐室形状及大小共同决定； 可用数值分析的办法来模拟。 选取巷道形状优化围岩应力场。 圆形巷道，椭圆巷道，拱形巷道，梯形巷道。
（四）水压力和热应力
存在于岩体型隙或孔隙中的水，静止时呈现静水压 力，流动时产生动水压力。在通常情况下，静水压 力只是起到减轻岩体质量的浮力作用，浮力的大小 等于水的密度与所考虑点的水头高度的乘积。岩体 中地下水位的升降，可引起岩体重量的减少或增加， 因此，静水压力要视具体情况具体分析其产生的作 用。
二、测量应变
三、包体变形
四、破裂
十二、应力解除法
应力解除法是岩体应力量测中应用较广的应用 基本原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时， 人为地将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时， 岩体单元上所受的应力将被解除。同时，该单元体 的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器， 测定这种弹性恢复的应值或变形值，并且认为岩体 是连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借 助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。
σ1
p
o σ2 σ2 o
p
A σ1 A （a） （b）
应力恢复法原理图
主要试验过程简述
1.在选定的试验点上，沿解除槽的中重线上安装好量测元件。量测元件可以是千分表、钢弦应变 计或电阻应变片等，若开槽长度为B，则应计中心一般距槽B/3，槽的方向与预定所需测定的应 力方向垂直。槽的尺寸根据所使用的压力枕大小而定。槽的深度要求大于B/2。 2.记录量测元件——应变计的初始读数。 2 3.开凿解除槽，岩体产生变形并记录 应变计上的计数。 B 4.在开控好的解除槽中埋设压力枕， 1 l 并且水泥砂浆充填空隙。 5.待充填水泥浆达到一定强度以后， B 3 y 即将压力枕联结油泵，通过压力枕 2 对岩体施压。随着压力枕所施加的 力p的增加，岩体变形逐步恢复。逐 步记录压力p与恢复变形（应变）的关系。 6.当假设岩体为理想弹性体时，则当应变计回复到初始读数时，此时压力枕对岩体所施加的压力 p即为所求岩体的主应力。
钻孔套孔应力解除的的主要工作步骤
1—套钻大孔；2—取岩芯并孔底磨平；3—套钻小孔；4—取 小孔岩芯；5—粘贴元件测初读数；6—应力解除；7—取岩芯；8—测 终读数
钻孔变形计
(a)钢环式
(b)悬臂钢片式
孔底应力解除法法工作步骤
十三、应力恢复法
应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法，目前此法仅 用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便。
地应力测量方法一览表
测量原理 测量方法 解除方法 使用条件 可信度 一、测量变形 1.钢环变形计 2.钢弦应力计 3. 3.压磁应力计 4.液压计 5.孔底应变丛 6.光弹双向应变计 7.孔壁之轴应变丛 8.光弹柱塞 9.罗拾光弹应力计 10.水压致裂 11.声裂声发射 套孔解除 套孔解除 套孔解除 套孔解除 孔底解除 孔底解除 套孔解除 套孔解除 套孔解除 不用解除 不用解除 要求不严 要求不严 岩石完整 要求较高 岩石完整 岩石完整 岩石完整 适用于软岩 适用于软岩 要求不高 要求较高 较高 较高 较高 参考 较低 参考 较高 参考 参考 较高 较低
六、岩体构造应力
地壳的各种地质构造是在大范围内的巨大的地质构 造应力场作用下发生和形成的。在各个不同的地质 年代里，都有不同的地质构造运动发生，地质构造 运动过程一般需要很长时间。在同一个地区，一个 构造运动结束之后，或者就在这个构造运动发生的 过程中，又有新的构造运动发生，就会形成新的构 造应力场与老构造应力场的叠加，形成复杂的复合 构造应力场。各种复杂的地质构造就是在长期的地 质构造运动作用下形成的。
十四、地应力测试结果的应用
地应力测试结果的可信度 定量分析，定性使用； 测试结果具有区域性； 多点结果基本上能够反映出地应力场的方向， 但还要结合地质构造共同分析； 巷道压力测试和地应力测试的结果有本质的 不同。
地应力对巷道破坏的形态的影响
综合考虑巷道的形状和围岩的岩性 一般来说，巷道的破坏主要和第一主应力有 关，通常是压剪破坏，由巷道的破坏形态可 以初步判定主应力与巷道的空间方位； 高地应力会使岩石具有软岩特性； 根据地应力合理设计巷道和地应力的空间方 位。
八、岩体初始应力状态
岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质 构造运动所引起的。显然，岩体的地质构造 应力是与岩体的特性（例如岩体中的裂隙发 育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等） 有密切关系，也与正在发生过程中的地质构 造运动以及与历次构造运动所形成的各种地 质构造现象（例如断层、褶皱等）有密切关 系。每一地区都有一个特定的应力场。
十、地应力和巷道支护之间的关系
地应力是影响巷道支护的决定性因素。
主要是地应力的大小和方向，判别地应力场的 主应力方向对设计巷道支护方案极为重要。 不同的地应力方向对应于不同的巷道破坏形态。
岩性对巷道稳定是另外一个重要因素。岩体 （或岩石）的强度对与地应力存在着相对关 系。
十一、岩体初始力状态的现场 量测方法
二、垂直应力随深度的变化
垂直应力：上覆岩层的 重量决定垂直应力的大 小。垂直应力随深度成 线形的变化。 大概相当于按平均密度 为2.7g／cm3计算出来 的重力γH。
三、水平应力随深度的变化
水平应力：由于岩体受垂直方向 的挤压，和水平方向的约束，而 形成水平应力。 垂直应力与水平应力相互影响和 相互制约。最终达到一个相对平 衡的状态。 水平应力随深度的变化平均水平 应力通过研究南部非洲、美国、 日本、冰岛及加拿大等地区的应 力测量结果可以看出，尽管随着 地质环境的变化其结果有所差异， 但揭示出地壳内水乎应力随深度 增加呈线性关系增大是普通规律。
岩体应力现场量测的目的是在于了解岩体中存在的 应力大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态 以及为支护及岩体加固提供依据。岩体应力量测还 可以是预报告体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具。 岩体应力量测可以分为岩体初始应力量测和地下工 程应力分布量测，前者是为了测定岩体初始地应力 场，后者则为测定岩体开挖后引起的应力重分布状 况。从岩体应力现场量测的技术来讲．这二者并无 原则区别。
地应力与巷道支护
一、地应力的形成及特点
岩体的初始应力，是指岩体在天然状态下所存在的内在应 力，在地质学中，通常又称它为地应力。 地应力的成因：岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地 质构造运动所引起的。 地应力与地质构造之间的因果关系 整体上讲地应力是一切地质构造形成的原动力，反过来地 质构造又会影响到地应力的分布和大小
四、水平应力与垂直应力之间的关系
在均匀岩体中，岩体的自重初始应力状态为
σ z = γH σ x = σ y = λσ z
z
τ xy = 0

H
σx
σj
σx x
式中，λ为常数，称 为侧压力系数，λ<１。
y
岩体自重垂直应力
五、水平应力与垂直应力大小
一般来说，水平应力要大于垂直应力。 原因分析： 地球是一个球形体，岩体所受到的重力是指 向地球的中心，在强大的重力作用下，会在 地壳中产生巨大的环向压力，即水平应力， 一般来说，这一压力要远远大于垂直压力。 从而形成地球岩体中复杂的地质构造。也给 煤矿的巷道支护带来很大的困难。
（二）地质条件对自重应力的影响
地质构造对自重应力也有影响。背斜褶曲 的影响，在褶曲两翼显示出应力增大，而在 褶曲中部则应力降低。也可以推测，在向斜 的两翼会出现应力降低、而在向斜核部显示 出应力增大的现象。
（三）岩性对地应力的影响
在地质构造应力场作用下，使岩体产生弹性变形和塑性变形， 因而使岩体中储存着弹性能，岩体的塑性变形使部分能量转 化为热能及位能，或者由于岩体的流变特性，使得构造应力 场中的地质构造应力得以部分释放。因此，在地质构造运动 中，岩体中储存的能量是通过弹性变形才能达到的，岩体的 弹性变形越大，则岩体储藏的能量就越多。当岩体中的应力 达到强度极限，岩体产生破坏。除岩体中保存一部分残余变 形外，其储存的能量将部分或全部释放，构造应力也就部分 或全部消失。若岩体中的应力尚未达到强度极限，但由于岩 体的蠕变特性，也会使构造应力部分消失。因此，地质构造 运动产生地质构造应力，但岩体中储存的构造应力不可能无 限地积累起来，视所处地区不同或地质条件不同，岩体的构 造应力可能全部或部分释放，成为残余应力。
六、岩体构造应力
由地质特征推断的应力方向（a）~（e）均为平面图
σ1 上 下 σ1 上 下
σ1 σ1
（a）正断层 σ1 σ1
（b）逆断层 （c）平推断 层
σ3
（d）岩脉
（e）褶皱
七、影响岩体初始应力状态 的其他因素
（一）地形 地形的起伏会影响岩体内的自重应力。但这 种地形的影响只是在地表下一定深度范围内 较明显。山谷的谷底的应力由于凹口的应力 集中而很大。在均质岩层中，凹口的应力集 中现象还比较规则，而在非均质岩层中，岩 体中的应力变化还会随岩性的变化而变得更 复杂 。