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地应力及其分布（fēnbù）规律

1、地应力的基本概念

地应力是存在于地层中的未受工程（gōngchéng）扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。

广义上也指地球体内的应力。

它包括由地热﹑重力（zhònglì）﹑地球自转速度变化及其他因素（yīnsù）产生的应力。

地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。

此外地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。

2、地应力的成因

产生地应力的原因是十分复杂的，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：

板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆浸入和地壳非均匀扩容等。

另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场。

其中，构造应力场和自重应力场为现今地应力场的主要组成部分。

当前的地应力状态主要由最近的一次构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。

由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外，地应力场还受到其他多种因素的影响，造成地应力状态的复杂性和多变性，

地应力成因之一：

地幔热对流（图1、图2）

地应力成因（chéngyīn）之一：

板块边界受压（图3）

地应力成因（chéngyīn）之一：

岩浆浸入（图4）

3、地应力的影响（yǐngxiǎng）因素

地壳深层岩体地应力分布（fēnbù）复杂多变，造成这种现象的根本原因在于地应力的多来源性和多因素影响，但主要还是由岩体自重、地质构造运动和剥蚀决定。

1）岩体自重的影响

岩体应力的大小等于其上覆岩体自重，研究表明：

在地球深部的岩体的地应力分布基本一致。

但在初始地应力的研究中人们发现，岩体初始应力场的形成因素众多，剥蚀作用难以合理考虑，在常规的反演分析中，通常只考虑岩体自重和地质构造运动

2）地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响

地形地貌对地应力的影响是复杂的，剥蚀作用对地应力也有显著的影响，剥蚀前，岩体内存在一定数量的垂直应力和水平应力，剥蚀后，垂直应力降低较多，但有一部分来不及释放，仍保留一部分应力数量，而水平应力却释放很少，基本上保留为原来的应力数量，这就导致了岩体内部存在着比现有地层厚度所引起的自重应力还要大很多的应力数值。

3）构造运动对地应力的影响

在地壳深层岩体，其地应力分布要复杂很多，此时由于构造运动引起的地应力对地应力的大小起决定性的控制作用。

研究表明：

岩体的应力状态，一般其铅垂应力分量是由其上覆岩体自重产生的，而水平应力分量则主要由构造应力所控制，其大小比铅垂应力要大得多。

4）岩体的物理（wùlǐ）力学性质的影响

从能量的角度看，地应力其实（qíshí）是一个能量的积聚和释放的过程。

因为岩石中地应力的大小必然受到岩石强度的限制，可以说，在相同的地质构造中。

地应力的大小是岩性因素的函数，弹性强度较大的岩体有利于地应力的积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体因容易变形而不利于应力的积累。

5）水、温度（wēndù）对地应力的影响

地下水对岩体地应力的大小具有显著的影响，岩体中包含有节理、裂隙等不连通层面，这些裂隙面里又往往含有水，地下水的存在使岩石孔隙中产生孔隙水压力，这些孔隙水压力与岩石骨架的应力共同组成岩体的地应力。

温度对地应力的影响主要体现在地温梯度和岩体局部受温度的影响两个方面。

由于地温梯度而产生的地温应力，岩体的温度应力场为静压力场，可以与自重应力场进行代数迭加，如果岩体局部寒热不均，就会产生收缩和膨胀，导致（dǎozhì）岩体内部产生应力。

4、地应力的分布规律

1）地应力是一个相对稳定性的非稳定应力场，且是时间和空间的函数

三个主应力的大小和方向是随着空间和时间变化的，因而它是个非均匀的应力场。

地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的；但就某个地区整体而言，变化不大。

如我国华北地区，北西到近于东西的主压应力。

在某些地震活跃的地区，地应力大小和方向是随时间的变化也是非常明显的，在地震前，处于应力积累阶段，应力值不断升高，而地震时，集中的应力得到释放，应力值突然大幅度下降。

主应力方向在地震发生时会发生明显改变，震后一段时间又恢复到震前状态。

2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量

E.Hoek和E.T.Brown总结出的实测垂直应力随深度H变化的规律。

在深度为25~2700m范围内，实测垂直应力呈线性增长。

在埋深小于1000m时，测量值与预测值可能差别很大，有的甚至相差达到5倍，因此这个方程可以很好地估算出所有应力测量值的均值，但绝对不能用它来得到任一特定位置处的准确值，因此最好是测量而不是估算来确定垂直应力分量。

部分地区垂直应力（yìnglì）与埋深的关系（图5）

3）水平（shuǐpíng）应力普遍大于垂直应力

实测资料表明，几乎所有地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角（jiājiǎo）一般不大于30度，最大水平主应力普遍垂直应力，两者之比一般为0.5~5.5，在很大情况下都大于2。

总结目前全世界地应力实测（shícè）结果，得出σh,max/σv之值一般为0.5~5.0，大多数为0.8~1.5。

这说明，垂直应力在多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，极个别情况下为最大主应力。

4）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小

E.Hoek和E.T.Brown研究了世界各地116个现场地应力测量资料，平均水平应力与垂直应力的比值K。

部分地区水平应力系数与埋深的关系（图6）

5）最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系

6）最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差（xiānɡchà）较大，显示出很强的方向性

7）地应力的上述（shàngshù）分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大

最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致（dàzhì）与坡面平行（图7）

本预览：

第六章巷道矿压显现（xiǎnxiàn）规律

第一节巷道围岩应力及变形规律

一、受采动影响巷道的围岩应力

（一）原岩体内掘进巷道引起的围岩应力

双向等压原岩应力场内圆形巷道围岩应力分布如图6-1所示。

如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围，出现塑性变形区，为弹塑性介质。

巷道围岩应力分布如图6-2所示。

图6-1圆形巷道围岩弹性变形应力分布图6-2圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布

p—原始应力；σt—切向应力；σr—径向应力；

pI—支护阻力；r—巷道半径；R—塑性区半径；

A—破裂区；B—塑性区；C—弹性区；D—原始应力区

在各向等压条件下，圆形巷道塑性区半径R和周边位移u的计算式为：

PCctg1sinRr0PCctgi

u1sin1sin2sin（6-1）1sin2sin

i（6-2）

式中P─原岩应力（yìnglì）；

PI─支护（zhīhù）阻力；

r0──圆形巷道（hàngdào）半径；

Φ─围岩（wéiyán）的内摩擦角；

C─围岩的粘聚力；

G─剪切弹性模数。

①巷道的周边位移随巷道所在位置原岩应力的增大，呈指教函数关系迅速增长；指数的大小取决于φ的变化，φ值越小，指数越大，u值增长愈迅速。

②巷道的塑性区半径R和周边位移u随内摩擦角φ和粘聚力C的减小，即围岩强度降低，显著增大。

（二）回采工作面周围支承压力分布

采空区四周形成支承压力带（图6-3）。

工作面前方形成超前支承压力，它随着工作面推进而向前移动，称为移动性支承压力或临时支承压力。

工作面沿倾斜和仰斜方向及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，在工作面采过一段时间后，不再发生明显变化，称为固定性支承压力或残余支承压力。

回采工作面推过一定距离后，采空区上覆岩层活动将趋于稳定，采空区内某些地带冒落矸石被逐渐压实，使上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支承。

因此，在距工作面一定距离的采空区内，也可能出现较小的支承压力，称为采空区支承压力。

r0sinPCctg1sin1sin2GPCctg2sin

本预览：

图6-3采空区应力重新分布概貌

1—工作面前方超前支承压力；2、3—工作面倾斜、图6-4煤层凸出角处叠加支承压力

仰斜方向残余支承压力；4—工作面后方采空区支承压力

支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。

应力增高系数K是支承压力峰值与原岩垂直应力的比值；支承压力分布参数有：

煤体边缘的破裂区宽度0，塑性区宽度（支承压力峰值距离）x0，支承压力的影响距离x1。

目前，上述参数主要由现场实测取得。

工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，相当2～3.5倍回采高度。

影响范围为40～60m，少数可达60～80m，应力增高系数为2.5～3。

工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为15～30m，少数可达35～40m，支承压力峰值位置距煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3。

采空区支承压力应力增高系数通常小于1，个别情况下达到1.3。

相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。

上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加，在煤层向采空区凸出的拐角，形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达5～7，有时甚至更高（图6-4）。

（三）采动引起的底板岩层应力分布

图6-5a为一侧采空煤体，作用于煤体上的支承压力近似三角形分布，应力增高系数为3。

图6-5b、图6-5c均为两侧采空煤柱，煤柱宽度分别为B和2B，B一般等于工作面超前支承压力影响范围。

作用于煤柱上的支承压力分别呈钟形和马鞍形分布，应力增高系数分别为5和3.5。

x

abc

图6-5三种（sānzhǒnɡ）典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布

a—一侧采空煤体；b—两侧（liǎnɡcè）采空煤柱（宽度为B），呈均布载荷；c—两侧采空煤柱（宽度（kuāndù）为2B），呈马鞍形载荷。

①一侧采空煤体及两侧采空、宽度较大的煤柱，作用于煤层上的支承（zhīchénɡ）压力的影响深度约为1.5～2B；两侧采空、宽度较小的煤柱，作用于煤柱上的支承压力的影响深度约为3～4B。

②两侧采空、宽度较小的煤柱，底板岩层内同一水平面上σZ以煤柱中心线处最大。

一侧采空煤体，底板岩层内同一水平面上σZ最大值在煤体下方，距采空区边缘数米处。

两侧已采、宽度较大的煤柱下，底板岩层内同一水平面上σZ以煤柱中心线处较小，靠近煤柱边缘出现峰值。

③无论在何种形式煤层载荷作用下，底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角为影响角ψ，ψ一般为300～400。

二、构造应力对巷道稳定性的影响

构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。

构造应力包括地质构造发生过程中，在地下岩体内所产生的应力；以及已结束的地质构造运动残留于岩体内部的应力。

程角度看，古构造应力、新构造应力和在岩石生成过程中形成的结构内应力都属于构造应力。

构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。

水平应力是由岩层自重引起的水平应力，岩层之间的磨擦力和粘聚力以及水平构造应力组成。

构造应力具有明显的方向性，巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。

在构造应力影响