矿山地下工程开挖诱发系统地压灾害的研究.pdf

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1、中南大学硕士学位论文矿山地下工程开挖诱发系统地压灾害的研究姓名：胡建平申请学位级别：硕士专业：地质工程指导教师：彭振斌20050401摘要矿山地下工程施工灾害灾变规律的研究是其地下工程施工安全的基础。本文从地下工程开挖灾害宏观破坏特征的调查分析出发，首先明确致灾的主控因素和主控因素耦合体，以灾变规律为研究重点，为灾害的临灾预报与减灾控灾措施的实施提供理论依据。论文将灾变规律研究、灾变信息的监测和减灾控灾措施三者有机地结合起来。论文分别研究了地下工程开挖所导致的局部地压灾害、岩爆灾害、开采地表沉陷和系统灾害三种类型的灾变机制和灾变规律，并建立了相应的灾害研究程式，同时从工程实践出发，提出了相应的

2、工程处理方法。作者提出了系统地压灾害的概念，明确了其定义与内涵，并将我的迄今所发生的系统地压灾害划分为三个群次；以冒落矿震的动能释放及其破坏效应为研究重点，建立了采空区顶板冒落矿震所触发的系统地压灾害的静一动一静耦合数值计算方法和公式体系。在采空区顶板冒落矿震动能释放的研究中，定量分析了冒高、岩性以及侧向塌陷对破坏动能的影响；首次在冒落矿震动能释放研究中引入岩体碎胀系数影响因子，并将其具体到计算公式中，建立了更符合工程实际的冒落矿震破坏动能释放公式体系。关键词地下工程，开挖，系统地压灾害-A B S T R A C TT h er e s e a r c ho nc a t a c l y s

3、 m i cl a wo fu n d e r 罂伽de n g i n e e r i I l ge x c a V a t i n gd i s a s t e r si st t l eb a s i so fr e s e a r c ho nu n d e r 铲o u n de n g i n e e r i n ge x c a v a t m gd i s a s t e 瑙F r o m觚a l y z i n gm em a c r o s c 叩i cf a i l u r ec h a r a c t e d s t i co fu i l d 哪o u n de n

4、西n e e r i n ge x c a v a t i n gd i s a s t e r s，a u t h o rc l e a r e dt l l em a i nc o n t r o lf 如t o r so rc o u p l eb o d yo fm a i nc o m r o lf-a c t o r si n d u c i I l gu n d e r 掣。吼de n g i l l e e f i n ge x c a v a t m gd i s a s t e r s W i t l lt 1 1 ec a t a c l y s m i cl a w 豁

5、k e yr e s e a r c h i f l gp o i l l t，a u m o re s t a b l i s h e d 廿l es y s t e mo fu n d e r g r o u n de r 培i r l e e r h l ge x c a v a t m gd i s a S t e r sa n dp r o V i d e dm et 1 1 e o r e t i c a lb a s i sf o rc r i t i c a lh a z a r df o r e c a s t i n ga l l da d o p t m gc o m r

6、 o ld i s a s t e rm e a s u r e s T h es y s t e mo fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n ge x c a v a t i n gd i s a s t e r sw i mc a c a c l y s m i cl a、Mc a t a c l y s r n i ci n f o m a t i o nm o n i t o r-m ga J l dc 册n o ld i s a s t e rm s u r e so 穆锄i c a l l yc o n l b i n e dw a s

7、p d m 鲥l ye s t a b l i S h e di n t l l e t h e s i s T l l et l l r e eb a S i ct y p e so fd i s a s t e ri 1 1 d u c e db yu n d e r g r o u n de n g i I l e e m ge x c a v a t n ga sp a n i a le 砌p r e s s u r ed i s a s t e r，e a r d ls u r f a c ed e p r e s s i o na n ds y s t e m a t i ce a

8、 r t hp r e s s u r ed i s a s t e rw e r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l ya n di t sr e s e a r c h i n gf o 眦ss y g c e mo fd i s a s t e rw e r ea l s oe S t a b l i s h e di nt l l em e s i s f o r 吐I ep u 叩o s eo fe n 百n e e r i n g，m ee n g i l l e e r i n gn e a 恤e mm e t h o dw a s

9、v i e、e d I nt h et h e s i s，让l ec o n c e 鸥d e f m i t i o na n di n t e n s i o no fS y s t e m a t i ce a n hp r e s s u r ed i s a s t e rw e r ca d v a n c e df i r s tt i m e，a l l dS y S t e m a t i ce a r t hp r e s s u r ed i s a s t e rh a p p e n e di I lo u rc o u n t r)rw e r ed i V i

10、d e dm t om r e et)，p e s L o o k i n gm ek i l l e t i ce n e r 酣r e l e a s i n go fm a i n 仃e m o rd u et of a l l i l l g i na I l di t sd e S t m c t i o n 硒k e yr e s e a r c h m gp o i n t，卸t I l o re s t a b l i s h e dt 1 1 es 僦c d y I l 锄i c s t a t i cc o u p l en 哪e r i c a lc a l c u l

11、a t i o nI n e m o da n df o 珊u l as y s t e mo fm i n e 讹m o rd u et 0f a l l i I l g i 1 1 h lt l l er e s e a r c ho nk i n e t i ce n e 吲r e l e a S i n go fm i I l e 仃e m o rd u et of a l l i l l g i n，m ei n f l u e n c et ok m e t i ce n e r g yr e l e a s i n go ff a l l i n g-i nh e i 曲t，l

12、i l o l o g i c a lc h a r a c t e r s 龃ds i d ec o l l 印s ew a S删t a t i v e l ya n a l y z e d S h a t t e 曲ga I l dd i l a t i n gc o e 伍c i e mo fm c km a s s、，勰i t l _ n o d u c e di 1 1 t ot l l er e s e 盯c ho nk i l l e t i ce n e r g yr e l e a S m go fm i n e廿e I n o fd u et 0f a l l i I l

13、g-ma n d tw a sr e n e c t e di I l 也ec a l c u l a t i v ef o 姗u l a so fk i I l e t i ce n e r j 盯r e l e a s m g，t h ef o 衄u l as y s t e mo f l【i n e t i ce n e 唱yr e l e a S i n go fm i n e 臼他m o rd l l et of a l l i n 哥i I lm o r ec o n f o m i n gw i t t le n g i n r i n gr c a l i 妙w a se s

14、t a _ b l i s h e di n 屺l e s i s K E YW o R D S 吼d e r g r o u n de n g h l e e r i n g，e X c a V a t e，S y s t 锄a t i ce 枷lp r e s s u r ed i s 邪t e r原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果a 尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了

15、明确的说明。作者签名日期：己坚吐月2 生日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。名；样摊名一吼一年一月一日工程硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1 1 地下工程的简介地下工程是由于人工开挖或生产活动而在地层中形成的地下空间，它主要包括地下洞室、城市地下空间、水电地下洞室以及隧道等等。交通建筑需要修筑隧道、地下采矿所形成地下采空区、水电及核能等能源建设需要建筑引水隧道或地下厂房、拥挤的城市

16、拓展需要地下空间等等。进入2 1 世纪，随着国民经济的飞速发展，人口的密集程度增加，地下工程对人类社会的发展越来越重要。1 1 1 矿山地下工程我国正处在以开发与利用矿产资源为主要特征的工业化过程中，国民经济持续稳定的高速增长，需要消耗大量的矿产能源，这无疑会促进矿产工业快速向前发展。地下矿山开采会形成地下采空区，由于开采方法、巷道管理措施等的不同，地下矿山的结构形态是多种多样的，可以说矿山地下采空区是最复杂的地下工程之一。由于地下开采形成采空区而导致的诸如顶板冒落、片帮、涌水、瓦斯突发、岩爆以及地表沉陷等开挖灾害频频发生。随着地下浅层矿山资源的逐渐开采殆尽，开采向深部发展是必然的发展趋势。深

17、部开采由于受高地应力等条件的影响，必然会诱发一系列新的工程灾害，其主要体现在以下几个方面：巷道变形速度快，巷道围岩变形范围大，巷道持续变形、流变成为深部巷道变形的主要特征；采场矿压显现剧烈而造成采场失稳，另外易发生破坏性的冲击地压；随着开采深度的增加，巷道中岩爆危险性增加；瓦斯高度聚集，易诱发严重的安全事故；岩层温度将达到摄氏几十度的高温，作业环境恶化；矿山深部开采诱发透水的几率增大，透水事故趋于严重；井筒破裂加剧；煤自燃发火，矿井火灾及瓦斯爆炸加剧；深部开采还可能会对地表环境造成严重损害。由于深部岩石与浅部的岩石力学性质相差巨大，其研究方法也有很大不同。所以地下工程开挖主要面临三个方面科学问

18、题：岩石力学基础科学问题；重大灾害机理、预测和控制的科学问题；深部开采的理论与关键技术【l】1 2 矿山地下工程开挖诱发系统地压灾害的理论研究现状地下工程开挖灾害是由于地下开挖打破了地下岩体的原有力学平衡，从而使围岩发生应力重分布与应力集中，如果应力集中的程度超过了岩体的破坏极限就会引起岩体发生位移、冒顶、片帮、岩爆等一系列破坏活动，如果岩体的这些工程硕士学位论文第一章绪论破坏活动对人类生命财产或生产活动造成了毁损，就形成了地下工程开挖灾害矿山地下工程开挖灾害的研究对象是地下工程岩体，岩石力学的研究进展直接带动地下工程开挖灾害研究的向前发展，归纳起来，近年来岩石力学研究主要在岩石(体)力学基本

19、试验、岩石力学本构理论，岩石力学数值计算方法、岩石流变力学、岩石损伤力学、岩石断裂力学、岩石块体力学、岩石分形力学、岩石渗流及环境岩石力学和地下工程监测等方面取得了长足的进步与发展。由于地下工程围岩体的复杂多变和理论上的不完善，要找到一种理想的计算模型，全面、合理、准确地表达地下工程围岩体的力学行为非常困难，因此通过对地下工程围岩体的力学参数进行监测，根据所获取的监测信息了解地下工程围岩体的力学和变形状态，从而掌握工程灾患的发展进程，为工程措施的采取与实施提供理论依据，以期实现信息化施工。地下工程监测的内容主要有地下工程围岩体的应力量测和围岩体的位移量测两个方面。岩体的应力量测是现代岩体力学研

20、究的重要组成部分，它可为了解岩体稳定程度提供重要参数，也可以为地下工程开挖提供设计参数。自从1 9 6 9 年国际岩体应力测量会议以后，几乎所有国家的岩体力学研究机构、高等院校都非常重视研制和使用有效的岩体应力量测手段。目前世界上许多国家进行应力量测时，普遍采用应力解除法。过去国内外采用应力解除法进行应力量测时，都是假设岩体是线性弹性的，各向同性的、连续和均一的介质，然而这种假设并不符合岩体的真实情况，从而造成根据所建立的分析方程计算的结果与真实情况不相符。为了解决上述问题，提高测量精度，国内外学者进行了精心的研究，并取得了卓有成效的成果，如B A m a d e i 于1 9 8 2年提出了

21、岩石各向异性情况下应力量测的计算方法1 2 J，并于1 9 8 3 年系统阐述了岩石各向异性线弹性理谢3 1。我国学者颜荣贵等经过多年研究，建立了针对宏观各向同性的各向异性体应用三轴应变计套孔应力解除求解测点原岩应力的量测方法与计算公式体系，从而使目前国内外通用的各向同性岩体中套孔应力解除【4 l的原岩应力量测成为特例【5】。在以上研究中，考虑到了岩石各向异性对岩体应力测量的影响，比过去长期沿用的各向同性的线弹性理论向前迈进了一步，是应力测量理论研究的新进展。但是这也基本只适用于宏观各向同性的各向异性岩体，并不适用于所有类型的各向异性岩体，所以仍然不符合自然界岩石的真实情况，因而充分考虑岩石的

22、非线形、非均质和不连续性，建立起适合岩体非线性弹性和线性弹性的分析方程，以提高岩体应力量测的精度是今后岩体应力量测理论研究的发展方向。对洞室开挖后围岩的位移进行观测，是了解洞室围岩的力学动态，掌握地下工程开挖灾害的发展阶段，为施工设计提供准确的反馈信息，实现信息化施工的基本手段之一地下工程岩体位移监测的理论研究最重要的一个方面是反分析方法的研究。2工程硕士学位论文第一章绪论地下工程反分析方法包括确定性反分析与非确定性反分析两个方面，确定性反分析将围岩的变形过程及状态过程视为确定的，处于一种静态的过程，它所描述的对象可以用数学的方法准确地表达清楚；非确定性分析将开挖所引起的围岩位移交化过程视为一

23、个非确定过程，从而采用概率系统的方法进行描述【o J。系统地压灾害是由局部地压灾害所诱发，影响范围波及整个工程区域的大范围地压灾害事件，其涉及的范围比局部地压灾害大，造成的后果也比局部地压灾害严重，甚至可以摧毁整个工程体。迄今为止，我国的系统地压灾害事故主要报道于矿山开采中，如江西钨矿由于深部开采扰动断层构造面底部，从而沿断层面位错，上覆采空区中倾岩墙倒塌、暗空场冒落，进而破坏深部采场及矿山七大系统，最后导致整个矿区破坏；湖北宜昌盐池河磷矿由于地下开采导致山体大滑坡与山崩，最终掩埋了整个工人村和居民；1 9 9 5 年9 月湖南花垣锰矿南矿，。随着房柱法开采面积的增大，矿柱破坏，顶板冒落直至全

24、矿性地表塌陷破坏与整个矿山结构的破坏；广西南丹高峰矿由于大量民采涌入，留下大量未充填的空区和暗空场，今几十年来发生数十起冒落崩塌矿震、地表塌陷破坏、井下地压灾害，甚至在2 0 0 1 年发生7 1 7 重大透水事故，导致近百人死亡等等都是系统地压灾害事故的典型例子。由于受开采条件和大量无序民间开采的涌入，大量暗空场和末充填空区的存在是我国矿山所面临的普遍现象，由此导致的系统地压灾难事故也频频发生，加强对系统地压灾难的力学本质、灾变规律的系统研究，建立义相应的预警系统和研究程式是我国科研人员所面临的一个紧迫问题。颜荣贵等人从我国系列系统地压灾难事故的现实出发，首次定义了“系统地压灾难”的概念与内

25、涵，将我国所发生的系统地压灾难事件划分为应力型和构造型两种类型，并将其划分为三个群次；针对高峰型矿区地压灾害的事实，确立了“系统地压灾害”的研究思路与程式，建立了“系统地压灾害”规律的动静耦合数值分析方法，为系统地压的研究明确了发展方向p”J。1 2 1 地下工程岩爆灾害的研究现状岩爆是地下工程开挖过程中经常发生的危害性较大的地质灾害之一我国岩爆研究最早开始于煤炭部门，此后金属矿山、交通隧道、水利水电部门也对岩爆进行了较深入的研究，取得了一系列的成果与进展，归纳起来体现在以下几个方面：第一，岩爆的发生条件的研究。许多研究者从岩爆现象进行分析，并结合洞室埋深、地形条件和地质背景进行经验研究，在岩

26、爆成因和发生条件方面取得了进展，有的研究者在用试验方法研究了岩石破坏全过程之后，认为岩石破坏后的力学性质对岩爆的发生有直接影响，这种试验过去很难开展，自从刚性压力机工程硕士学位论文第一章绪论出现后才成为可能。此外，由于声发射技术的问世以及对岩爆和地震机制研究的需要，推动了岩石微破裂发生和发展过程的试验研究，并发现了破裂过程伴发的扩容现象。这些结果深化了对岩爆起因的认识，同时也是对岩爆用声发射作为现场监测的依据和建立岩爆理论的基础。第二，岩爆理论的研究。现有的岩爆理论主要有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、失稳理论、灾变理论、分数维理论等几种。以上各种理论对岩爆的发生进行了一定程度的

27、理性理解，但尚未完整地令人满意地揭示岩爆发生的本质规律。如强度理论的依据是经典的材料破坏准则，事实上，地下岩石工程结构体应力状态许多都超过材料强度极限，但发生岩爆的毕竟是极少数，在冲击性强的岩体中同样如此。能量理论是岩爆形成机理认识的一个飞跃，但其对产生岩爆的时间因素及能量释放的不均匀性及对各向异性的考虑不足，对各个不同部位、方向的能量积储和释放时间上的差异缺乏足够研究，未能说明岩爆发生时围岩释放能量的具体条件。刚度理论简单直观，但存在概念与计算上的困难，在一维情况下刚度与边界条件难以推算，三维刚度以矩阵形式表示无法进行量的比较，甚至使现场观测，实验结果与刚度理论结论相反的现象。失稳理论包含了

28、强度理论、能量理论、冲击倾向理论中某些合理部分，但无明确的失稳判别准则。基于现阶段的研究现状，在实际研究工作中，从具体的工程实践出发，依据具体的宏观破坏特征，为岩爆预测与防治目的进行具体工程岩爆机理研究仍然是研究的合适方向。1 2 2 开采沉陷的研究现状在我国，随着“三下开采”事业的发展，开采地表沉陷规律的研究取得了长足的进展，在煤矿开采中，建立了以概率积分法、负指数函数法和典型曲线法为基础的地表变形预计方法体系。上个世纪中后期，随着试验手段和计算机技术的不断发展，各种相似模型试验和解析半解析计算方法在开采沉陷研究中广泛应用，极大地丰富和发展了开采沉陷理论。l开采沉陷理论最先是从采矿业发展起来

29、的，近年来随着隧道、地铁等近地表开挖工程的迅猛发展，人们越来越重视对此类开挖工程的开挖地表变形规律的研。究。从开采沉陷理论研究的发展沿革来看，其主要经历两个研究阶段，第一是以唯象学为基础的经典方法和以经典力学理论为基础的反分析方法和正演分析法1 7 一剐。经典唯象学研究停留在对现象的外观描述上，即唯象学研究，绕开岩体的本构关系，从地表移动观测入手，直接将地表沉陷与地质开采因素联系起来，在大量的地表观测资料的基础上，进行统计分析，得到描述岩层与地表移动变形的4l#-盘d昝。工程硕士学位论文第一章绪论统计方法反分析经典力学方法是直接按量测位移求解逆方程而得到参数的一种方法；正演分析经典力学方法是利

30、用力学原理，通过假设，简化地将岩体抽象为一定的力学模型，在此基础上建立岩体的基本微分方程，然后根据给定的边界条件，求解微分方程，得到各种问题的应力、应变、位移等未知量。I 3 矿山地下工程开挖诱发系统地压灾害的研究存在的问题我国过去对系统地压灾害缺乏系统性的研究，往往仅从某事件的现象入手，仍然简单套用局部地压灾害的研究方法进行处理，所以无法对整个区域的系统地压规律进行把握，所建立的力学机制与模型片面化，甚至出现错误的研究成果，用这样的研究成果指导控灾，其结果有些是指导失败，有些甚至会导致更大的地压灾难。导致以上研究方法失败的原因主要为：(1)从某一局部的灾难事件入手，仍简单套用局部地压灾难的研

31、究方法来研究；(2)孤立地考虑各主控因素的影响，忽略各种主控因素的耦合作用，所建立的力学模型和得出的灾变规律无边反映灾变过程的真实情况；(3)从某一局部点出发，将某一地压灾害现象作为研究对象，将各种灾难事件割裂开来，忽略彼此之间的因果联系，无法把握系统地压灾害的本质规律；(4)只重视灾难的预报工作，忽略灾难规律性研究。1 4 地下工程开挖诱发系统地压灾害的研究意义中国是世界上灾害最严重的国家之一大规模的工程活动在不同程度上改变和重塑地质环境，诱发了诸如边坡失稳、地表塌陷、人工诱发地震等灾变危害。工程活动和地质环境相互作用的诱发灾害和重大工程灾变危害已经成为制约工程活动和重大工程安全运行的关键问

32、题，重大工程的自然灾害和灾变危害严重威胁着国家的经济建设和可持续发展。地下工程开挖灾害是由于地下开挖打破了地下岩体的原有力学平衡，从而使围岩发生应力重分布与应力集中，如果应力集中的程度超过了岩体的破坏极限就会引起岩体发生位移、冒顶、片帮、岩爆等一系列破坏活动，如果岩体的这些破坏活动对人类生命财产或生产活动造成了毁损，就形成了地下工程开挖灾害。随着地下工程建设快速发展，由于地下开挖导致的地质灾害也频频发生，它们有些造成工程体的局部破坏，有些甚至可以造成整个工程体结构的完全毁坏，从而给国民经济和人民生命财产造成重大损失。地下工程围岩局部失稳塌方是地下工程开挖灾害中最普遍、最基本的类型，任何地下工程

33、的开挖都不可避免地会出现不同程度的岩体失稳破坏现象，它们有些规模小，尚不形成灾害，但有些大规模的冒顶、片帮灾害可以造成严重的后果，甚至可能导致整个区域发生系统地压灾害。在矿山开采中，因采空区顶板冒落造工程硕士学位论文第一章绪论成的地压灾害也频频发生，这些地区因采空区规模大，所形成的大规模顶板冒落灾害引起的后果往往非常严重，有些甚至是灾难性的。因为地下开采造成地表移动变形，从而导致地表塌陷、边坡失稳灾害是地下工程建设中面临的重大课题。如山东莱州马塘金矿因开采导致地表严重塌陷，致使莱州至招远的国家级公路遭受严重的塌陷破坏而中断交通，民房被毁，人员伤亡随着城市地下工程建设的蓬勃发展，因城市地下开挖导

34、致地表下沉和变形从而造成地表建筑物破坏的问题越来越引起人们的注意。由于城市大多数建筑物都为高层建筑物，其对地表变形极为敏感，根据国内外经验，最为敏感的建(构)筑物所能承受的最大地表倾斜为2 5 m m，最大水平拉伸应变为1 5 m m o”。所以在城市地下工程开挖中，如何采取有效措施控制地表变形的量值以保护地表建筑物的安全是其施工过程中的一个关键课题。地下工程开挖导致的岩爆灾害是地下工程建设中常见的灾害之一，深井开采所面临的重大难题之一就是高应力集中所导致的岩爆灾害。除以上所列举的地下工程开挖灾害以外，对于因地下开采导致地下空区局部地压灾害并诱发整个工程区域发生大范围地压灾害的系统地压灾难因其

35、破坏力大，影响范围广而备受人们的关注。迄今为止，系统地压灾难事故的报道主要发生在矿山开采中，如湖北宜昌盐池河磷矿地下开采导致山体沿断裂大滑坡、山崩、塌陷；最终掩埋整个工人村的毁灭性灾害；广西南丹大厂矿区由于暗空场底板崩塌，导致2 0 0 1 年7 月1 7 日发生重大透水事故，造成近8 2 人死亡的重大灾难事故等等。正由于地下工程开挖所导致的灾难事故频频发生，给国家经济和人民生命财产造成重大损失，对于此类灾害的机制研究越来越引起人们的重视，国家也将其列入“十五”期间重点资助的科研课题之一。过去人们对于此类课题的研究总体上是临灾预报多于建立在规律研究基础上的长期预测，控灾多于预警，而忽略了对灾害

36、机理和规律的研究，从而导致预测不准，指导性不强，甚至指导错误的局面。对于地下工程开挖地质灾害的机制研究，在岩石力学研究取得巨大进步的今天，按以下思路对其进行研究很有必要而且成为可能：从灾害的宏观破坏特征的调查研究出发，利用主动监测和被动监测相结合的监测体系所提供的准确地学信息，把握灾害的力学机制，建立灾变规律的力学模型，从而把灾变过程与灾变主控因素、宏观破坏特征、灾变类别以及灾变规律通过相关信息，建立确定的最佳联系。这也是本论文的基本研究思路和研究意义之所在。6工程硕士学位论文第一章绪论1 5 本文的研究思路与主要内容l、首先明确地下工程开挖灾害和地下工程开挖诱发系统地压灾害的概念、内涵以及研

37、究方法2、就地下工程开挖所诱发系统地压灾害的灾害规律的把握和力学模型的建立为研究重点，主动监测与被动监测相结合的监测体系所提供的信息源的分析和反分析为手段，建立地下工程开挖诱发系统地压灾害的研究步骤和研究程式。3、地应力即存在于地壳岩体中的应力，它是一种三维应力场。随着地下工程的规模愈来愈大，开挖深度愈来愈深，地应力问题就显得愈来愈突出，地应力变化量测、位移与变形量测是地下工程地压监测体系两大必备的基础监测体系，它对于掌握地压活动规律、指导地压控制对策与措施的实施都是必不可少的主体环节，也可作为避灾预警的重要手段。如果重分布后的应力仍末达到岩体的破坏临界值，则岩体仍可保持稳定。但如果超过这个界

38、限而又没采取任何处置措施，则就会导致岩体的破坏，本文以地应力的监测为主要研究对象，研究光应力计量测的原理和方法。4、以采空区顶板冒落矿震的动能释放为研究重点，建立采空区顶板冒落矿震触发系统灾难的静一动静耦合数值计算方法与公式体系。7工程硕士学位论文第二章地下工程开挖过程中的能量转换和应力集中现象第二章地下工程开挖过程中的能量转换和应力集中的现象2 1 地应力及其工程意义地应力是存在于地壳岩体中的一种内在作用力，它是决定各种地下工程的稳定性的力学条件或力学依据。地应力对地质工程稳定性的影响是一个逐步认识的过程，随着地质工程的规模越来越大，所出现的各种地质工程问题或岩体稳定性问题愈来愈多，人们对地

39、应力的认识愈益深化，现在已没有人怀疑地应力特别是地质构造应力的存在对工程岩体稳定性的影响。随着地下工程的规模愈来愈大，开挖深度愈来愈深，地应力问题就显得愈来愈突出，据不完全统计，海南露天矿不稳定边坡的长度及潜在不稳定边坡段的长度与边坡总长度的比值高达2 7 左右。白云露天矿为1 7 也5 左右。煤矿露天矿的边坡稳定性问题更为严重。可以这样说，不存在没有边坡稳定性问题的地下工程，亦不存在不受地应力影响的地下工程及其边坡稳定性问题。其区别在于受地应力影响的程度不同而已。2 1 1 受地应力场控制的边坡变形破坏模式地应力即存在于地壳岩体中的应力，它是一种三维应力场。都是岩体中未受开挖扰动的原始应力或

40、是其组成部分，一经工程开挖扰动，必然在开挖区周围岩体中的一定范围内产生应力重分布，这部分围岩中重新分布后的应力称之为次生应力或感生应力，二次应力，扰动应力等。扰动应力的影响范围与工程类型及开挖尺度有关。就露天边坡工程来说，在平面上距离开挖边界的影响范围大致与露天工程开挖尺度相当，且愈接近开挖边界附近应力扰动的程度愈明显。地应力对边坡变形破坏模式的总体控制作用主要在于地质构造应力，通常可用水平地应力咖与垂直应力叫的比值这个相对的地应力系数来进行评判。地下工程是人工开挖形成的负凹地形，从而在其一定范围内的边坡岩体中使地应力场重新分布，产生次生应力效应或扰动应力效应，其总体分布特征与坡面地形形成的效

41、应是相同的。一般来说，在坡脚部位产生较大的应力集中，坡底或露天坑底则产生较大的水平应力，其应力集中系数可高达2 3 以上，甚至更大在坡面方向则产生较大的顺坡向切向应力，由于垂直于坡面方向的应力较小，特别是在靠近坡面处的附近，垂直于坡面方向的应力较小，接近或等于零，因此在边坡岩体中特别是在近坡面附近会产生较大的剪应力。上述总体上受地应力场控制的边坡岩体中的次生应力分布特征必然会影响边坡岩体的变形破坏形式及稳定状态，主要表现为边坡岩层的溃屈变形破坏，边工程硕士学位论文第二章地下工程开挖过程中的能量转换和应力集中现象坡岩体的倾倒变形及边坡切坡脚的滑动，且随水平地应力或构造应力作用的加强其作用愈加显著

42、。由于原岩应力场或地应力场受诸多地质因素的影响，因而有其复杂的组成，而且在一般情况下，这种应力场是一种不均一的应力场，具有复杂的应力分布状态。为了认识地应力的组成，有必要对地应力的组成部分进行分类，显然，对各种地质工程来说，现场量测的应力既可能是受开挖扰动的次生应力，也可能是未受开挖扰动的原岩应力。图2 1 地应力的分类及组成上述各种地应力成分十分复杂，在原岩应力中的各种应力成分所起的作用亦各不相同，应视具体情况进行具体分析。这些应力成分中有些是经常起作用的，如岩体自重应力及地质构造应力，而另一些则不一定经常起作用，如温度应力及动静水压力，有一些应力是可以进行定量评价的，而另一些应力则至今尚不

43、能进行定量评价。有一些应力通常在原岩地应力场中起主要作用，而另一些应力则对9工程硕士学位论文第二章地下工程开挖过程中的能量转换和戍力集中现象原岩应力的贡献较小。虽然在通常情况下，现场实测应力是复杂地应力组成的综合效应，但常常以岩体自重应力及地质构造应力为主，从而可以对地质构造应力进行定量评价，其方法是由现场实测地应力中减去相应岩体自重应力成分或岩体自重应力效应。当然在进行具体分析时还应结合具体地质构造条件。2 1 2 地应力的分布规律地应力场是一个非常复杂的应力场，根据目前的地应力实测资料的统计分析，地壳岩体中的地应力分布具有如下主要规律：1、应力场是不均匀分布的非稳定应力场由于地应力有其复杂

44、的组成，且受多种地质因素的影响，地应力场是一个不均匀的应力场，且在地壳较浅地质工程范围内表现更为明显。工程实践证明，地应力总体上虽然具有一定的分布规律，但其大小及方向从一个区段到另一个区段或者在不同部位又都是不尽相同的，无论是最大主应力还是中间主应力及最小主应力，在空间分布上都是变化的。地应力场的非稳定性还表现在地应力的大小及方向随时间的变化，这种地应力的变化主要是地质构造应力在起主要作用。如果工程范围内发生地震或地壳发生较显著的变形，地应力场可以发生更为显著及剧烈的变化。2、应力场的分区性地应力场的分区性源于地质体的结构，大至地球板块、全球性的构造单元，小至局部地质构造及岩体结构，无不影响地

45、应力场的分布状态，使得地应力的分布具有分区性，地应力的分区性是地壳岩体中地应力分布的重要特征之一，也是地应力非均匀分布的一种表现形式，其主要原因是因为大至地壳小至工程区的岩体均具有特定的结构，受不同规模的地质结构面切割，形成具有相应地应力分布特征的结构区。低一级结构区中的地应力虽然总体上受相应较高一级结构区地应力的作用、控制和影响，但它们之间又会存在一定甚至明显的区别，这是地质工程稳定性评价时不能简单采用大区域性地应力资料的主要原因。3、垂直应力(吼)基本上等于上复岩层的自重应力(1 H)大量实测地应力资料的统计分析结果表明，垂直应力(“)不但随深度呈线性关系，且大致相当于上复岩层引起的自重垂

46、直应力。从总体上来看，测点深度愈大实测垂直应力的分散性愈小，一般分散度仅为5 左右。我国实测地应力资料的统计分析结果亦符合上述基本规律，盯摊 1 2 的占7 9 左右，我国实测地应力的垂直应力一般要比理论山复岩体自重应力要大，其主要原因在于，我国所进行的地应力量测深度较浅，一般仅为2 0 0 米左右，较深的亦仅为5 0 0 米左右，不但较多地受地表因素等的影响，1 0工程硕士学位论文第二章地下工程开挖过程中的能量转换和应力集中现象而且可能较多地受地表剥蚀残余应力的影响，因为剥蚀残余应力效应的影响对地表岩体最为明显，且随深度的增加而逐渐弱化4、水平应力普遍大于垂直应力实测结果表明，岩体中的最大水

47、平应力绝大多数情况下大于垂直应力，且最大水平应力盯H 一与垂直应力的比值绝大多数在l 1 5 之间，最大比值可达3 0 左右甚至更大，最大水平应力普遍大于垂直应力，表明地壳岩体中普遍存在水平地质构造应力，这种水平方向的地质构造应力必然对工程及岩体的稳定性状态带来显著的影响，应该指出的是，实测结果表明，不仅最大水平应力普遍大于垂直应力，而且在较多的情况下水平方向的最小主应力常常亦大于或者显著大于垂直应力，可能主要是源于多期构造运动的残余构造应力的作用。5、地应力随深度呈线性关系大量的实测结果表明，地应力的数值与深度值有明显的线性关系，无论是垂直应力还是水平应力，亦无论是最大水平应力还是最小水平应

48、力均充分显示了这一特征。6、水平应力的各向异性实测结果表明，水平应力不仅通常大于垂直应力，而且在不同方向上的水平应力通常是不相等的，一般呈各向异性的应力椭圆分布形式，水平方向上应力分布状态的高度方向性表明，应力椭圆的长轴亦即最大水平主应力的作用方向总是与地质构造应力的作用方向相联系。最大水平主应力盯H 一与最小水平主应力盯H 咄的比值表征水平方向应力椭圆的各向异性特征7、地应力作用方向与深度的关系由于地应力场中岩体自重应力及地质构造应力是经常引起主要作用的因素，这就决定了地应力场的三个主应力方向，其中一个主应力基本上是垂直的，而另两个主应力基本上是在水平方向。工程实践表明，地应力量测的三个主应

49、力往往偏离于垂直方向及水平方向，且愈接近地表其偏离角度可能愈明显，其主要原因在于愈接近地表愈容易受地形等地质因素的影响，随着深度的增加，三个主应力的作用方向逐渐趋于稳定，偏离垂直方向和水平方向的角度亦逐渐减少。8、水平应力与垂直应力的比值随深度而逐渐降低水平应力与垂直应力的比值随深度而逐渐降低，不仅表现在最大水平主应力及最小水平主应力与垂直应力的比值方面，而且亦表现在平均水平主应力与垂直应力的比值方面。2 1 3 地应力的量测地应力变化量测、位移与变形量测是地下工程地压监测体系两大必备的基工程硕士学位论文第二章地下工程开挖过程中的能量转换和应力集中现象础监测体系，它对于掌握地压活动规律、指导地

50、压控制对策与措施的实施都是必不可少的主体环节，也可作为避灾预警的重要手段应力变化量测作为监测的必备环节，从技术到方法也不断得以发展，但电测与光测仍然是两大主导方向鉴于地下工程工作条件、工程周期较长、地下水及各类干扰影响显著，长效电测探头、元件埋设总会受到众多条件因素约束，转向于以光测作更多考虑，况且，矿山地压灾害监测中已多年使用光应力计就使用现状看，与国内所有地质工程地压控制研究一样，只用于确定主应力方向与最大剪应力值。以此为基础，具有在现在基础上极大提高利用价值的可能性。光应力计是一个中空的光玻璃圆筒，常用的规格为内孔径4 咖，圆筒高度3 0 4 0 呦量测时，用水泥、环氧类粘结剂等，把光应