4第二章矿山压力与矿山压力显现730

矿山压力与岩层控制17本章主要介绍矿山压力、矿山压力显现基本概念以及二者之间的辩证关系，本部分内容是最为基础的部分，因为正确地建立“矿山压力”及“矿山压力显现”的基本概念，弄清它们之间的联系及区别，是正确进行矿山压力控制研究和实践的基础。矿山压力与矿山压力显现§2.1矿山压力及其在围岩中的分布2.1.1矿山压力的概念2.1.2矿山压力的来源2.1.3矿山压力的分布§2.2矿山压力显现2.2.1矿山压力显现的概念2.2.2矿山压力显现的条件2.2.3矿山压力显现的相对性§2.3矿山压力与矿山压力显现之间的关系2.3.1矿山压力与矿山压力显现间的辩证关系2.3.2关于支护的作用问题§2.1矿山压力及其在围岩中的分布2.1.1矿山压力的概念采动：在煤或岩层中开掘巷道和进行回采工作称为对煤（或岩）层的“采动”。采动空间：采动后，在煤（或岩）层中形成的空间称为“采动空间”，如图2.1中A所示。围岩：采动空间周围岩体包括图2.1中所示的顶板（T），底板（D）及两帮（B）岩层，统称为“围岩”。ABBTD图2.1采动空间与围岩煤及岩层采动前，一般都在覆盖层重力、构造运动作用力等地质力的作用之下，处于三向受力的原始平衡状态。煤及岩层采动后，由于支承条件的改变，其原始平衡状态即遭破坏，各岩层边界上的作用力及分布在各点的应力（包括大小及方向）随之改变。假设地表是水平的，岩层水平赋存，第二章第二章矿山压力与矿山压力显现20且只受到覆盖岩层重力的作用，则该岩层采动前后垂直应力变化的一般情况可用图2.2表示。采动后重新分布于围岩各个层面边界上的力及岩层中各点的应力将促使该部分岩体产生变形或遭到破坏，从而向已采空间运动。采动后作用于岩层边界上或存在于岩层之中的这种促使围岩向已采空间的运动的力（即采动后保使围岩运动的力），称为矿山压力。显然，按此概念定义的“矿山压力”既是指分布于岩层内部各点的应力，又包括了作用于围岩上的任何一部分边界上的外力。q=γHabcσ3σ1σ1σ1σ3σ3σ3σ1σ1σ3σ1σ3Hq=γHabcσ3σ1σ1σ1σ3σ3σ3σ1σ1σ3σ1σ3H（a）开采前（b）开采后图2.2开采前后应力分布2.1.2矿山压力的来源采动前，原始岩层中已经存在的应力，是矿山压力产生的根源。采动前的原始应力场的特征，包括原岩中各点主应力的大小、方向及垂直应力与水平应力间的比值等，决定了采动后围岩应力重新分布的规律。采动前原岩中各点的应力，就其来源主要有以下三个方面：①覆盖岩层的重力；②构造运动的作用力；③岩体膨胀的作用力，包括岩体因温度升高或遇水膨胀而产生的力等。（1）重力研究及实践已基本证明，在未受构造运动影响的地区，处于某一深度的岩层中，覆盖岩层重量所引起的垂直压应力可由下式表示：Hy1（2.1）式中1y—作用于该点的垂直压应力，Pa；H—该点距地表深度，m；—覆盖岩层的平均容重，kN/m3。矿山压力与岩层控制21Hxyzσ=1σy1σ=2σz1σ=3σσ=1σσ=2σσ=3σx1x1y1z1图2.3单元体受力状态如果假设该岩层是基本均质的弹性体，其弹性模量用E表示，则图2.3所示的单元体受力平衡条件为：0)(0)(11x1111111zyzyxxzxEEE即由此可得出该点在垂直压力的作用下产生的水平压应力为：Hyzx1111（2.2）式中—岩石的泊松比（横向变形比例系数）；—侧压系数，其值为：1（2.3）显然，值愈大，则该岩石在垂直压力作用下产生的水平压应力（即侧向压应力）也将愈大。井下各种岩石的泊松比值相差很大，矽质及硅质胶结的坚硬砂岩15.0~1.0；泥质胶结的岩石，如泥质页岩35.0~3.0；含朦脱石等成份的泥质胶结岩石，遇水时值可达到0.5。此时，1，岩石将处于静水压力状态之下，这些正是在软岩中开掘巷道维护困难的原因。在一般采深条件下，井下常见岩石的泊松比如表2.1所示。表2.1井下常见岩石泊松比岩石名称泊松比（μ）值岩石名称泊松比（μ）值石灰岩细砂岩中粒质砂岩0.18—0.270.11—0.200.10—0.15砂质页岩泥质页岩0.20—0.350.30—0.45第二章矿山压力与矿山压力显现22岩石在高压下进入塑性状态或遭到破坏后，其值将明显增大，并迅速向1的静水压力状态转化。现场实践证明，处于浅部μ值很小的高强度岩层（例如砂岩）在埋藏深度超过1500m的条件下，其μ值就可接近0.5，即λ值将趋近于1。这是当开采深度超过一定数值以后，水平挤压力（侧压力）随开采深度的增加往往会出现呈非线性比例大幅度增长的原因。综上所述，可以看到由覆盖岩层重量决定的重力原始应力场有下列特点：①垂直应力及水平应力都是压应力，且水平应力是由垂直应力的作用所引起。因此，在一般深度条件下，水平应力都要比垂直应力小得多。②垂直压应力随深度的增加呈正比例的增加。但是伴生的水平压应力在深度超过某一定数值以后，随深度增加是非线性的，增加的比例随围岩性质的不同而不同，其基本规律是随采深增加的增长比例逐渐扩大。此外，由于各类岩石从弹性状态过渡到塑性状态均需达到一定的应力值，其水平应力随深度增加而迅速增长的情况都有一定的深度界限。因此，矿山压力随采深增加而成比例增加的说法是不确切的。为了正确解决矿山压力控制问题，必须找出不同岩石水平压应力迅速增长的深度界限。③在采动前，岩层中任何点的垂直平面和水平面上都不存在剪应力分量，也就是说，分别作用于两平面上的应力都是主应力。④应力场中各点最大最小主应力的方向基本不变，同一深度水平处于同一岩层中的应力值大小也基本上相同，而且与时间无关。因此，自重应力场基本上是一个比较均一的稳定应力场。（2）构造应力单一的自重应力场存在于未产生过构造运动的地区或虽有过构造运动，但受构造运动作用力影响不大的部位（例如远离背斜和向斜轴部、岩层倾角变化比较平稳的单斜构造部位）。在受构造运动作用力影响强烈的地区，特别是临近背、向斜轴等构造线的部位，构造运动形成的应力场往往是重要的。在这些地区特别是深部的岩层中各点的应力（包括大小和方向）将是自重应力场和构造应力场在该点应力的综合叠加，其最大主应力的大小和方向，在多数情况下往往是由构造运动形成的应力所决定的。构造运动作用力来源于地壳的运动。关于地壳运动的动力来源问题，有地壳收缩说，槽台说、海底扩张说、地壳板块运动说及我国李四光等学者的地质力学及岩浆活动隆起和侵入说等各种学派和学说。垂直方向推动力形成的构造（即垂直成因构造）多是如图2.4（a）所示的简单隆起或单一的背斜构造。在这类简单的构造单元中，靠近背斜轴部的岩层往往同时受到强烈挤压而出现压薄的现象。该部分岩层中常有很高的垂直压应力和水平压应力，储存有较大的弹性能。矿山压力与岩层控制23相反，处于该构造两翼边缘的岩层中往往会有拉应力存在。显然，在这们的构造单元中，如果在背斜轴附近开掘和维护巷道，特别是当巷道平行其轴线（垂直最大主应力方向）时，会遇到很大的困难，可能会出现岩石大面种挤压片塌，甚至产生冲击地压等严重情况。（a）（b）图2.4构造应力水平方向推动力为主的构造（即水平成因构造）多是背斜向斜交错出现的波浪形式，每一个背斜构造单元各个部分岩层中的应力分布情况如图2.4（b）所示，即靠近背斜轴部，往往出现岩层变厚和层间分离的现象。因此，该部位的岩层中，垂直及水平压应力值将较小，当岩层的挠度超过限度时，甚至会出现较大的拉应力。相反，在两翼边缘，也就是靠近向斜轴的部位，将存在很大的水平挤压应力。显然，在这个部位岩石中平行于轴线开掘和维护巷道也会遇到很大困难。如果巷道开在强度较高呈脆性破坏的岩层中，同样有产生冲击地压的危险。在国内外一些开采深度较大的矿井中进行应力测量的结果发现，垂直成因的构造单元中，背斜轴部岩层中的垂直应力可以达到自重应力)(H的3~4倍。水平成因构造单元中的水平方向最大主应力可以比垂直应力高出3~5倍，达到自重应力值的8~10倍，甚至更大。如果以2y代表来自垂直方向推动力产生的构造应力值，则由此伴生的水平方向构造应力值将由下式表示：22221yyzx（2.4）如果构造运动推动力来自水平方向，其最大水平应力以2x表示，则处于深部的岩层，同样可以假设022zy，由此可以得出其他两个方向的构造应力值，即22221xxzy（2.5）必须指出，在水平成因构造的应力场中，对于埋藏深度较小，覆盖层总厚度不大的岩层，或者第二章矿山压力与矿山压力显现24被冲刷剥蚀部分露出地表的岩层，经历长时间的流变过程之后，可以出现00zy或的情况。在这种情况下，水平面上两个方向的主应力往往并不相等。实测证明，最小水平应力与最大水平应力的比值往往可以达到0.5~0.8。水平方向两个主应力往往差别较大，是构造应力场的一个重要特点。综上所述可知，受构造运动作用的地区，天然的原始应力场中各点的应力是自重应力与构造运动残余应力叠加的结果。受构造运动影响的原始应力场有如下特征：①各点应力受构造影响，即使同一深度水平，各点间的应力在大小、方向，垂直应力和水平应力的比值等各个方面都有很大的差别。两个方向上的水平应力往往也并不相等。因此，受构造运动影响的原始应力场是一个应力分布很不均匀而且在一定程度上受到时间影响的应力场。在这样的原始应力场中进行采掘工作，必须考虑时间、地点特别是构造条件（包括构造单元的性质、构造线分布等）对矿山压力的重要影响。②由于存在很大的水平挤压应力，最大水平压应力与垂直压应力的比值比自重应力场大得多。根据实际资料统计，在受构造运动影响比较小的部位，该比值一般变化于0.8~1.5之间，而在临近构造线局部地段，该比值可以达到3~5。单一的自重应力场中的水平应力与垂直应力的比值，在一般深度条件下只有0.2~0.3。水平应力值较大及水平应力值往往高于垂直应力值是构造影响应力场的最重要的特征。考虑水平应力的作用，是在受构造影响地区特别是邻近构造线的部位进行开采工作应当特别注意的问题。③最大主应力的方向受构造作用的控制。据实践证明，多数情况下的最大主应力都垂直于褶曲轴等构造线的方向。因此在实际工作中应当注意避免在邻近构造线的部位平行构造线开掘和维护巷道。④岩石强度愈高，完整性愈好、应力的最级也愈大。这是因为坚硬的高强度岩层往往能够在构造运动过程中吸收和积聚能量，而且能够长时间的保存下来。相反，岩性松软或强度低的岩层，或者强度虽高但已遭破坏的岩层，积聚能量的能力很弱，积聚的能量也很容易在长时间的流变过程中释放掉。这是在受构造影响的坚硬岩层或其相邻接的岩层中开掘巷道，容易产生瓦斯或煤层突出、冲击地压等事故的一个重要原因。⑤埋藏深度愈大的岩层，构造应力的量级也愈大。相反，在地壳浅部的岩层中，特别是节理裂隙比较发育或塑性变形能力较强的岩层中，由于很难积聚新的构造应力，而且原有的构造应力在长时间的流变中被解除。这也正是处于地壳浅部的一些岩层中，即使经历过比较强烈构造运动的影响（形成断裂，断裂构造线纵横交错），却仍保留了单一自重应力场特征的一个重要原因。构造运动对原始应力场的影响在一定深度条件下强化的特点告诉人们，在讨论矿山压力控制设计问题时，不能简单的注意开采深度的影响，更重要的是根据矿井具体地质条件，找到矿压控制设计决策必须作出矿山压力与岩层控制25变化的临界深度界限。⑥岩层中有较多的断裂破坏是经历过构造运动的标记，也是确定构造应力场以及最大主应力可能方向的判据。例如，如图2.5（a）所示岩层，距地表深度不大，厚度方向大小断裂破坏纵横交错，靠背斜轴岩层上表面张裂破坏发育；下部存在很多由压缩引起的“X”型断裂，锐角迎向厚度方向；背斜两翼有拉伸的正断层出现，据此可以判断出该构造是垂直成因构造。最大压应力σ1垂直岩层层面。由于岩层两翼受拉，最小水平主应力方向与背斜轴垂直。可以推断这一构造破坏发展的大致过程是：在垂直推力作用下，岩层首先受到压缩，垂直及水平应力逐渐增加；随后岩层隆起，在隆起过程中岩石垂直方向上的压力继续