（安全技术及工程专业论文）深部岩体高应力巷道稳定性评价.pdf

摘要 随着经济和技术的发展，我国地下工程开挖量与日剧增。随着岩石开采越 来越向地壳深度发展，对于深部巷道稳定性分析及控制有了越来越高的要求。 因此，对深部高应力条件下，进行巷道稳定性进行分析以揭示其中的一些规律， 对深部巷道的稳定性控制尤为重要。 开挖进行到地下较深的岩层后，深部岩体的组织结构、基本行为特征和工 程响应均发生根本性变化，也导致深部开采中灾变事故的出现。本文通过对深 部岩体的力学特性及深部巷道围岩变形特性的分析，得出本论文探讨的两个问 题：一个是巷道周围围岩的破坏区方位，第二个是如何控制巷道围岩的位移在 可控制范围内。 本文用f l a c 3 d 模拟了采深5 0 0 米左右的巷道在地应力以及围岩压力下围 岩的受力状态，在构造应力场中，巷道顶部、巷道两基角浅部岩层均处于应力 集中区，水平剪切破坏可能发生在应力集中的巷道边角或巷道中部附近。工程 实际中应观察并注意这些位置的变化，及时搞清楚应力分布情况、位移变化情 况及张应力的变化，这对巷道围岩稳定性的控制有重大意义。 关键字：深部岩层；f l a c 3 d ；稳定性评价；应力集中 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i ca n dt e c h n o l o g i c a l ，t h en u m b e r o f u 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 o no fo u rc o u n t r yi si n c r e a s i n g i td e m a n d sh i g h e r r e q u i r e m e n to f t h es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc o n t r o l l i n go ft h ed e e pr o a d w a ya st h e r o c ke x p l o i t a t i o nd e v e l o p m e n tt om o r ed e p t ho ft h ec r u s t s oi nt h ed e e pa n dh i g h s t r e s sc o n d i t i o n s i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt or e v e a ls o m er u l e so ft h es t a b i l i t yi nt h e d e e pt u n n e lc o n t r 0 1 i nt h ed e e pc r u s t ，t h eh i g hs t r e s s ，h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp o r ep r e s s u r ee n v i r o n m e n t o fr o c ka r ec h a n g e dw h i c hl e dt od e e pm i n i n gi nt h ec a t a s t r o p h i ca c c i d e n to c c l u i n t h i sp a p e rb a s e do nt h ea n a l y s i so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd e e pr o c ka n d d e f o r m a t i o np r o p e r t i e so fd e e pr o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c k t w oi s s u e si so b t a i n e d i nt h i st h e s i s t h ef i r s ti st h ea z i m u t hd e s t r u c t i o no fs u r r o u n d i n ga r e aa r o u n dt h e t u n n e l t h es e c o n di sh o wt oc o n t r o lt h ed i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c kw h i c hc a n b ec o n t r o l l e di nt h er a n g e u s i n gf l a c 3 d ，i ts i m u l a t e ss t r e s ss t a t eo fs u r r o u n d i n gr o c ki nt h ep a p e rw h e n t h e t u n n e lu n d e rt h ep r e s s u r ef r o mc r u s t a l - s t r e s sa n ds u r r o u n d i n gr o c ki nt h ed e p t ho f 5 0 0 m i nt e c t o n i cs t r e s sf i e l d ，r o o fa n ds u p e r f i c i a ls t r a t ai nc o m e r so ft u n n e la r ea r e a o fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n ；h o r i z o n t a lf a i l u r eb ys h e a rm a yb eo c c u r r e dn e a rc o m e ro r m i d d l ep a r to ft u n n e l s ，w h e r es t r e s sc o n c e n t r a t e s t h ec h a n g e si nt h e s ep o s i t i o n s s h o u l db eo b s e r v e da n da r e n d e di ne n g i n c e r i n gt of i g u r eo u ts t r e s sd i s t r i b u t i o n ， d i s p l a c e m e n ta n dt e n s i l es t r e s sc o n d i t i o nw h i c ha r eo fs i g n i f i c a n c et ot h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k k e y w o r d s ：d e e ps t r a t a ；f l a c 3 d ；s t a b i l i t ye v a l u a t i o n ；s t r e s sd i s t r i b u t i o n i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 论文选题依据和意义l 1 2 国内外研究现状。l 1 2 1 深井巷道围岩压力理论的研究现状。1 1 2 2 巷道围岩稳定和围岩压力理论的研究现状3 1 3 研究内容与方法4 第2 章霍州矿区地质概况与岩体工程测试6 2 1 霍州矿区概况及地质条件6 2 1 1 矿区工程概况6 2 1 2 矿区工程地质条件6 2 2 霍州矿区地应力分布特征及规律7 2 3 霍州矿区围岩的物理力学参数8 2 3 1 岩体的物理力学性质8 2 3 2 结构面的基本力学特征l l 2 4 本章小结15 第3 章霍州矿区巷道围岩稳定性的特征及破坏机理研究1 6 3 1 围岩压力理论与计算1 6 3 1 1 深井围岩压力的体现。1 6 3 1 2 影响围岩压力的因素l8 3 2 霍州矿区巷道稳定性主要影响因素1 9 3 2 1 围岩材料的质量19 3 2 2 岩体的完整性1 9 3 2 3 地下水2 0 3 2 4 围岩地应力2 0 3 2 5 巷道断面2 0 3 2 6 某些综合因素2 0 3 3 深部高应力岩体巷道围岩压力特征。2 0 3 4 霍州矿区开采井巷围岩变形破坏规律分析2 3 3 4 1 巷道变形量大，变形速度快，持续变形2 3 3 4 2 流变已成为深部巷道变形的主要特征2 3 3 4 3 巷道底鼓量大2 3 3 4 4 冲击地压发生的频率和强度增大2 4 3 5 围岩应力与围岩压力对巷道围岩稳定性的影响分析2 4 第4 章霍州高应力碎胀岩体巷道的稳定性的数值模拟2 5 4 1f l a c 3 d 简介2 5 4 2 高应力碎涨岩体巷道稳定性影响的数值模拟计算模型的确定2 5 4 2 1 模型特点2 6 4 2 2 应力分析原则2 7 4 3 数值模拟结果分析3 0 第5 章结论与展望3 7 5 1 结论及建议3 7 5 1 1 对深部岩层巷道稳定性的认识3 7 5 1 2 对深部岩层巷道稳定性的建议3 7 5 2 展望3 8 参考文献。3 9 附录4 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 i 论文选题依据和意义 当前认识地下工程围岩破坏稳定规律和围岩压力理论的基本方法主要是经 验的工程类比和结构力学方法。这两种方法都没有从地应力和围岩应力认识其 变化破坏规律，因而不会得到很好的认识【1 1 。现在随着科技的发展，研究者们开 始从围岩变形、破坏的根本作用力一地应力出发，研究围岩应力、变形和破坏 规律，以及从围岩与支护的共同作用认识围岩压力理论 2 1 。随着数值模拟软件 的出现，人们可以轻松而准确的进行围岩应力与围岩压力分析。这些都成为我 们进行安全科学生产的有利条件。 目前我国许多矿井随着开采深度和强度的增加，其安全问题也越来越受到 重视，因此预测矿体和围岩由于开挖和矿石开采而引起的位移场，评价巷道的 安全性也就越来越重要1 3 1 。本文通过分析围岩的弹性、粘性和存在弱面的特点， 从围岩的应力与围岩压力出发研究造成巷道失稳的原因，使对围岩稳定性的评 价更稳妥可靠，维护方法和支护设计更科学、更安全可靠和经济合理，使地下 空间和地下资源的利用更充分。 基于上述分析，本文将结合霍州矿区煤矿开采的实际要求，通过研究围岩 应力、变形、破坏。为霍州矿区以后的开采中，受构造应力影响的巷道布置、 破坏规律及控制提出了一些理论依据与原则，保证下一步开挖的巷道能够更为 合理地布置，更为有效地控制巷道的稳定性，因而选题具有重要的理论与现实 意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 深井巷道围岩压力理论的研究现状 随着采矿、地下工程开发发展的需要和测量技术、计算机以及相关学科的 发展，人们对矿山压力理论知识的掌握越来越丰富。尤其是弹性、塑性和流变 理论等基础理论的发展，以及有限元法、电子计算技术的应用，使岩石力学的 武汉理工大学硕士学位论文 理论分析和计算，获得了有效地进步与发展【4 】。 1 9 0 5 年，瑞士地质学者海姆提出了地应力的概念【5 】，1 9 2 5 年金尼克根据弹性 理论的分析，提出垂直应力刎等于水平应力的理论l 婀，厂、h 。 分别代表岩体容重、泊松比和深度。但这种假说不是地应力状态的普遍规律， 不能计算，只能通过实测得到。 最近十年来，地下工程围岩稳定性分析已经逐渐摆脱了海姆和金尼克的假 说的约束，进一步认识到构造应力的客观存在。并且得出以下结论： 地应力是个非稳定的应力场，岩体中原始应力绝大部分是以水平应力为 主的三向不等压的空间应力场。三个主应力的大小和方向是随着空间和时间而 变化的【6 1 。 实测垂直应力盯，基本等于上覆岩层重量，h k 布林总结，在深度为 2 5 2 7 0 0 米范围内，仃v 呈线性增长( 7 1 ，大致相当于按平均容重y = 2 7 克厘米3 计算出来的重力脚 水平应力吒普遍大于垂直应力仃v 澳大利亚学者盖尔( g a l e ) 提出最大水平应力理论【5 】，该理追认为：矿井岩 层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力 一般为最小水平应力的1 5 2 5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影 响，它有三个特点： ( 1 ) 与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好； ( 2 ) 与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮； ( 3 ) 与最大水于应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差，如图1 1 所示。 断面 应力，i 中 图1 1 构造应力场对巷道布置作用 2 i 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 巷道围岩稳定和围岩压力理论的研究现状 随着地表资源的枯竭，采矿的掘进越来越向更深层次发展，但是围岩的物 理力学性质千差万别，对巷道的稳定性程度影响不一，尤其在较深层次的巷道 围岩，更是受到多方作用力而变的复杂。因此保持巷道畅通和完好稳定状态对 改善井下劳动条件和作业环境、预防事故发生尤为重要【s 】。 本世纪2 0 年代前，对于巷道稳定性的评价工作处于古典压力理论阶段，这 类理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆盖层的重量【9 】。但随着开挖的加 深，太沙基和普氏提出了松散压力理论，认为支护结构上的压力不是上覆岩层 重量，而是塌落松动圈范围内的围岩重量，塌落高度与地下工程跨度和围岩性 质有关；但没有科学的确定出塌落拱的高度和形成过程【l o 】。 后来的轴变论从理论上论证了“围岩塌落能自行稳定，自行稳定的围 岩具有自承能力 1 0 l 。这一理论与古典、散体地压理论分析问题的出发点不一 样。前者是以支护结构及荷载作为前提条件来研究围压理论，而轴变论是 从岩体应力为前提条件来研究围岩压力规律，因为它是围岩变形、破坏的根本 作用力。随后，5 0 年代后期，出现了弹塑性理论。6 0 年代末，出现了考虑支护 与围岩共同作用的弹塑性理论解，同时出现了考虑围岩节理、裂隙的计算解f i 。 上述对围岩稳定性分析大多属于解析法，虽然可以通过与其近似的简单性 状的封闭解的形式来估计，但要需要对性状较复杂的巷道的应力分布作详细了 解，只能借助于数值计算方法。 数值分析法由于能很好地考虑岩体的非均匀性和介质的非线性本构性态等 问题，可以有效地解决经典解析法无法克服的缺陷，随着计算机的发展和计算 技术的提高，现已成为解决地下工程问题的有力工具。该分析方法辅以监测资 料和工程实例相验证，大大提高了可靠性和实用性，在地下工程围岩稳定性分 析中得到了广泛的应用。常见的数值分析方法有以下几种： ( 1 ) 有限元法【】 有限元法，是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题 的数值求解方法。可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，是 地下工程岩体应力应变分析最常用的方法【l2 1 。该方法部分地考虑了地下结构岩 体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布，并可近似地 依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制。但其要求对巷道围岩地 质变化( 如岩体深部岩性变化的界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规 3 武汉理工大学硕士学位论文 律等) 和介质物性( a p 岩体的各个组成部分在复杂应力及其变化的作用下的变形 特性、强度特性及破坏规律等) 有较为准确的了解。 ( 2 ) 边界元法 边界元法是在有限元法之后发展起来的一种较精确有效的工程数值分析方 法，它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元插值离散， 化为代数方程组求解。它与基于偏微分方程的区域解法相比，由于降低了问题 的维数，而显著降低了自由度数，边界的离散也比区域的离散方便得多，可用 较简单的单元准确地模拟边界形状，最终得到阶数较低的线性代数方程组，所 以与有限元相比，具有计算时间短、计算范围大等特点，但边界元法对奇异边 界较难处理【t 3 ( 3 ) 有限差分法 r eg o o d m a n 等( 19 6 8 ) 提出了无厚度接触单元( 即g o o d m a n 节理单元) 【6 】其 特点是直接以岩体中节理的分布形态和力学特征为基础，进行应力、应变和稳 定性计算考虑解理【1 4 】。许多学者在有限元基础上，提出了一些方法，如刚体弹 簧元分析法、刚性有限元法、流动单元法等。基于上述方法，为了克服有限元 等方法不能求解大变形问题的缺陷c u n d a l l 根据有限差分法的原理，部分学者提 出了f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u s m ) 数值分析方法。该方法与有限 元法相比，能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快，其缺 点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性【1 5 】。 1 3 研究内容与方法 随着社会的发展，地下工程不仅数量越来越多，而且规模趋向大型化，埋 藏深度越来越大。地下巷道围岩稳定性问题更加突出。因此，了解地下巷道的 压力特点【1 6 l 和了解岩体自身应力以及各方压力对其稳定性的影响就尤为重要。 科技的发展，出现了大量的新理论、新方法，如：g p s 空间测量、人工神经网 络理论、粒子群最优化算法等。它们与传统的岩石力学理论相结合，使得近代 岩石力学理论的研究有了长足的进展。这些基础性理论研究工作，对开采工程 的地应力研究和地下洞室围岩稳定性分析无疑有着重要的应用前景。 在借鉴高峰博士对霍州矿区地质构造背景详细分析和大规模系统布点进行 矿区地应力实测的基础上，综合运用理论分析、数值模拟等手段，系统研究霍 州矿区围岩应力及围岩压力其对巷道围岩稳定性的影响。研究造成巷道失稳变 4 武汉理工大学硕士学位论文 形的有效应力的影响作用。并以具体矿井为工程研究对象，将研究成果应用于 指导高应力破碎巷道稳定性的安全评价工作，从而达到理论研究与工程实践相 钍厶 ；日口o 论文主要研究内容如下： ( 1 ) 分析霍州矿区各种围岩及各种洞形的围岩应力、变形和破坏规律； ( 2 ) 分析霍州矿区在采深5 0 0 m 范围内围岩应力、变形、破坏过程、从岩石 力学理论出发计算其围岩应力和围岩压力对巷道稳定性的影响； ( 3 ) 用f l a c 3 d 进行模拟分析巷道的受力状况，并与计算相结合对巷道失稳变 形进行预测，为围岩破坏的防治提出合理的意见。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章霍州矿区地质概况与岩体工程测试 2 1 霍州矿区概况及地质条件 2 1 1 矿区工程概况 霍州矿区位于山西省中南部，霍西煤田中部。矿区东起霍山断裂，西至紫 荆山断裂，南至洪洞县南，北接汾西矿区，跨越霍州、汾西、洪洞、蒲县四县 市，东西宽5 0 公里，南北长4 0 公里，面积1 5 6 5 平方公里【b 】。 矿区交通便利，南同蒲铁路和1 0 8 国道纵贯南北，生产矿井均有铁路专用 线与国道相接，南连侯月、陇海线，北接石太、太焦线，距太原1 9 6 公里、北 京7 2 3 公里、西安4 4 2 公里。1 0 8 国道与各矿井之间的矿区公路构成网络。 矿区地处霍山、吕梁山两个隆起带间，以低山和黄土丘陵地貌为主，地形 南低北高，东西两侧向汾河河谷倾斜，海拔标高5 0 0 - - 1 3 0 0 米。区内河流均属 黄河支流汾河水系。 2 1 2 矿区工程地质条件 矿区处于祁吕贺“山字型 构造东翼外带及新华夏系构造复合部位，以断 裂构造为主，伴有较开阔的褶皱。构造线多以北东一北北东方向展布的高角度正 断层为主，主要有霍山、赤峪、十里铺、罗云山、上团柏、下团柏、张瑞及万 安断层等。褶皱主要有霍山背斜、汾河背斜、赵城向斜等。 区内含煤地层有石炭系中统本溪组及上统太原组、二叠系下统山西组，共 含煤层1 5 层，总厚度1 4 5 6 米，含煤系数l o 8 6 。其中主要可采煤层7 层。 区内煤层赋存较浅，煤层倾角5 。m 1 5 。，局部可达2 5 。左右。除李雅庄 矿井为高沼气井外，其余矿井均为低沼气；煤尘具有爆炸性；煤层不易自燃。 煤层项底板多为砂岩、砂质泥岩及泥岩，只有9 号煤层顶板为石灰岩，属于难 冒项顶板。区内9 、1 0 、1 1 号煤层位于奥陶系灰岩及太原组k 2 灰岩含水层之间， 受水威胁严重，水文地质条件复杂。5 、6 号煤层底板易底鼓。区内岩溶陷落柱 十分发育，每平方公里多达7 0 个，一般为1 0 个左右【i 引。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 霍州矿区地应力分布特征及规律 霍州矿区各测点地应力的应力分量实测结果，这里我只选取采深+ 5 0 0 m ( 即 l y z 2 1 ，l y z 2 2 ，c c l ，c c - 2 矿段) 的测量结果如表2 l 所示。 表2 - 1 霍州矿山地应力测试结果 测点深度m 应力分布量m p a ! !生 ! ! 旦! 坦! 曼 l y z - 2 l5 7 91 3 8 92 5 5 41 4 4 4- 4 0 70 6 30 3 4 l y z - 2 25 7 91 3 7 12 6 8 l1 4 4 2_ 4 2 50 7 2旬3 3 c c 15 6 61 6 6 4 l o 4 81 3 8 73 1 02 3 81 9 4 c c - 26 2 51 2 7 21 8 4 51 5 3 0一1 7 6 - 0 9 52 0 0 根据实测结果计算出各测点地应力的主应力状态，如表2 2 所示。 经数理统计和理论分析，可以得出霍州矿区+ 5 0 0 m 采深的巷道地应力分布状 态的一般规律： ( 1 ) 霍州地区+ 5 0 0 m 采深所布置的测点中最大主应力与水平面夹角均小于 3 0 。，霍州地区最大主应力为水平方向，最大应力与最小应力的比值在1 5 弛4 6 之间水平应力具有明显的方向性。 表2 - 2 霍州矿区各测点主应力大小和方向 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 主应力与深度关系图2 2 可以看出，最大主应力随深度的增加而增加， 最小主应力吧大小也随着深度h 呈现近似线性的增加趋势。用线性拟合进行回 归分析，得到霍州矿区最大、最小主应力与埋深的关系式为： 最大主应力q 随埋深h 的变化： 10 0 3 8 6 h 一0 3 9 0 q 2 1 0 0 8 0 h 一2 2 3 1 6 o 置胀5 3 咖，m p a ( 2 - 1 ) ， h 5 3 0 m 最小主应力0 3 随埋深h 的变化：盯3 = 0 0 2 4 9 h - 2 4 1 2 ，m p a 2 3 霍州矿区围岩的物理力学参数 影响岩体力学性质的因素很多，主要有：岩性、岩体结构、地应力、地下 水、地温地震等；但最主要的是岩体结构，岩体结构是控制岩体变形、破坏和 力学性质的最主要因烈怕】。 霍州矿区的岩体是个复杂的地质体，它的复杂性主要表现在以下2 个方面 岩体形成时间长，构造带复杂，岩体赋存环境具有复杂性； 岩体经过长时间的构造运动，本身条件也具有复杂性。 2 3 1 岩体的物理力学性质 岩石( 岩块) 的力学性质的含义包括两个。岩石的变形特征和强度特征。 它一般采用室内岩石试件的力学参数指标和试验曲线来反映【1 7 】。如通过岩石的 单轴或三轴压缩试验可求出岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。 ( 1 ) 岩体的物理力学性质 岩体是由一种或多种岩石组合而成的结合体，它包括结构面和结构体两个 单元体，岩体与岩石不同，它具有完整性或连续性差，非均匀性和各向异性显 著，裂隙多，水文地质复杂和受水渗透压力大等特点【l 耵。 根据岩体的特征，现在从岩石的密度、孔隙率、硬度等方面来分析霍州矿 区岩石的物理力学性质如表2 3 所示 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 3 霍州矿区岩石的物理力学性质 岩石名称密度( p ) 比重孔隙率自然吸硬度软化系 水率 k g m m 2 数 细砂岩 2 3 5 2 6 0 砂纸泥岩 2 4 - 2 6 0 花岗岩2 6 2 2 8 5 3 1 2 0 7 9 4 5 80 9 2 贫矿 3 0 21 0 1 50 1 o 5 富矿3 0 53 0 7 o 8 1 o 1 0 9 3 1 22 2 混合岩 2 6 2 2 7 02 7 lo 2 5 3 7 0 ，、一0 4 9 0 3 7 4 7 40 8 8 从岩体的结构观点来看，岩体强度决定于结构面和岩石强度，岩石的这些 特性也从某些侧面反映了岩体的物理力学性质。 ( 2 ) 岩体的强度性质 岩体的强度决定于结构面和岩石强度。岩体是受宏观的结构面控制，各向 异性的不连续体【1 9 】。岩体的剪切强度包络线是介于结构面强度包络线和岩石强 度包络线之间的曲线，岩体强度与岩石和结构面的强度关系如图2 1 所示。 图2 1 岩体强度与岩石和结构面强度关系 9 武汉理工大学硕士学位论文 通过对霍州矿区几个采点的岩石进行分析，得到岩石的各种强度指标测试 结果见表2 4 表2 _ 4 岩石各种强度指标值 摩擦角( 度)粘聚力抗拉强弹性模泊松抗压强 m p a度m p a量g p a比度m p a 砂岩 2 7 82 7 21 1 7 砂质页 1 4 43 4 8 岩 富矿 3 43 81 2 2 5o 3 24 4 4 1 贫矿 4 8 3 7 1 6 2 8 6 5 7o 3 53 2 7 9 花岗岩 5 1 o5 5 11 1 81 1 8 31 3 分析表中数据可知，矿区单块岩石的单轴抗压强度较高，而抗拉强度较低， ( 3 ) 岩石的变形破坏规律 从岩石的蠕变试验可得出岩石变形的全过程曲线，岩石材料的变形由三个 阶段即压密阶段、弹性阶段、常速塑性阶段( 破坏阶段) 。压密阶段以弹性变形为 主，若在这一阶段卸荷，其应变可以恢复，弹性变形时的应力应变服从虎克法 则。粘性流动e 变形以塑性变形为主，也包含有弹性变形。岔：里粘性流动变 形的本构方程为著名的牛顿方程： 。 占：c t - - o i ( 2 2 ) 占= 一 i = z z ， 1 式中，o r 为流动变形初始应力( m p a ) ，r 为材料的粘滞系数。由试验可知， 霍州矿区的岩石具有明显的流变性。西部富矿在达到峰值以后，并非迅速破坏， 而明显产生了应力松弛和蠕变2 0 1 。而东部砂岩则达到峰值后急剧破坏，蠕变和 应力松弛现象在接近残余强度前略有反映；在未达到峰值强度前，而西部多为粉 砂岩矿，其应力应变关系曲线近于下凹的曲线，说明这两种岩石以弹塑性变形 为主，其余部分片麻岩的应力应变曲线有下凹的曲度，说明它们有较明显的塑 弹性变形【2 1 1 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 岩体的分类 当结构面强度小于结构体强度时，结构效应对围岩稳定起着重要的影响。 根据结构效应可以把岩体划分为不同的结构岩体。不同的结构类型岩体，具有 不同的完整性，应当运用不同的力学方法加以处理。 中国科学院地质研究所谷德振教授根据岩体结构不同，划分出岩体类型。 最初划分为六类，即块状结构、镶嵌结构、破裂结构、层状结构、层状破裂结 构和散体结构。最近又引入以弹性波表示的完整性系数i ，将岩体结构分为四类， 即整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构，这种分法对围岩稳定进行 理论分析，具有实用意义，见表2 5 。 根据以上表格数据，与实验结果，可以看出，霍州矿区岩体大多属于层状 结构和块状结构，级别分属，v 左右，但是随着矿山深度的加深，环境呈现 复杂化，地下水以及应力对岩石产生的极大的作用力，使岩石呈现出破裂结构 特点。 2 3 2 结构面的基本力学特征 弱面的存在( 在此泛指节理、层理、夹层、断层等) 破坏了岩体的连续性， 并且对岩体的应力状态及变形特征都有较大影响。结构面是控制岩体基本力学 属性和变形破坏规律的最主要的因素瞰l 。霍州矿区岩体的结构面大致可分为两 大类：l 习t l 性结构面和软弱结构面。刚性结构面：主要发育在花岗岩( v ) 、混合岩 ( i 、厚层大理岩中。此类结构面多粗糙、无充填物、抗剪强度高。软弱结构 面一般埋藏较深，在深度开采时极为普遍，且与工程关系密切，是影响矿区岩 体与工程稳定性的主要因素。 昏甚i j 赧l堇鞲避目爨姆g旺世纂翅艘壬耸弧i山。zu矗0避蠼田螭赠赛永l星8【5胥们籁帐匣彰式昶i鬈hv趟艘鲻1lj筝博和l毒憾制鲻堆弧。cb佰n篮n墨-i籁帐掣铡怅婚和ih o _ n 2 ? 占 ? ? nh ? oo o 答n “昌 o u h n o oo “ o sooo o n 量 o n 蝌 8 8 噬 坟 h g和卜8 棰 ? dn 监 8 a 球叫 v 七j 啦 限 o o 、一 a 删 蝎 悼 o o 永 c o v h v 籁 1 谣 o o 导2 o 霉 o d 呻 o o6on管 蜷 8 6 d ?222 s 导 o 2v 髓 2 2 od6o 旧 o o o 苎 霉 呻 d 6 型 姆 暖 麟 坦 州 蝠 明 j | 签 诂 值癌 昶 督 霉露 目 状 蝾辐 副 霉 莲羹 嘤 甚 话 营甚 撩 餐 霉 督 冠霉 粼 旧 螺好蠊 甚 基敲 h 孳 看霉 逻 舔 霉 熙谣 删 1 ， 嚓 墨 辽 积蟠 蝾 掣掣 掣 ：， 甚 爆 墨 匠 聋 蜜 扯 杈 喀 蝎丰h球 熬颦 肇 越 繇 斗h 揶 和 旧 幕 索 糨 霹 赣 靛瑚 嶷 黑 星 晕 巅 乏 黑嶷 乏 乏己 一 娟 j f 燃 乏 一 乏 皇 疆 1 暾烛 置 富 墨 一曲 + h _ 、 - _ _ n、- ， 呻 o 呻 o 巅 曲 6o 1 i i l 卜 7 ? o 6 o dd o v v v v掣h 6 测d 根 划群 捌 ，、 岳 嗵掀 0 o 昌oo粕 n 鬈杂 vvv 投 8 永 暇 _? 叵 o 旧 h ：霹o 螺 v 到 霉窭霉 冠 霉 螺霉 粼 棰j ：l 螺螺 螺 蜾 承螺 冠w 蛙并等 篓 鲞 挺宾谋 姆 铡晕i ：嗵 嗵 臻 等崩 故 教 噬 湘 妒 hn= “= n 量n富n 目馨嗡烈称蜒好故架n文懈钗秘趟扑+隧扑kh剐辎僖 武汉理工大学硕士学位论文 1 )结构面基本特征。 结构面或者不连续面是指岩体中各种不同成因和不同特性的地质界面，如 层面、片理、断层、节理等。不同成因和不同规模的结构面，具有不同的物理 力学特性，在岩体变形过程中所起的作用不同。根据中国科学院地质研究所古 德振教授以岩体结构的观点对结构面进行分类，见表2 - 6 所示，分析霍州矿区最 发育的软弱结构面按照特征划分，可以归类为i i i 、结构面。岩体的完整性较 好，节理间距大约在0 5 m 左右，节理状态为表面粗糙，间距 l m m 、节理岩壁 坚硬，有孔隙水压力。i i i 级结构面成分多以断层泥和断层碎块所组成。 表2 - 6 古德振结构面分类表 级结构面名规模地质类型工程地质问题 别称长 宽 i区域性巨数十数米深断裂带大断裂区域稳定性、岩体稳 型地质结公里以上定性、山体稳定性 构面 i i 工程区大数百 l 5断层、不整合面、 层间错动、山体稳定性、岩体 型地质结到数 米 大型侵入岩体接触带、原生软弱稳定性 构面千米夹层 i工程岩体一般l包括宽度小于l 米的上拦所述的岩体稳定性 中型结构为数米结构面、泥化夹层、风化夹层、 面百米剪切错动带 岩体小型数米 0 1层面、节理、片理、劈理、原生 岩体稳定、直接影响 结构面到数米冷凝节理、风化卸载裂隙、裂隙岩体强度和变形性 十米夹泥能 v岩体微型数米隐闭细小节理、微节理、不发育的片影响岩块的力学特 结构面以内 理和层理征 2 ) 结构面的抗剪强度。 因软弱结构面光滑，有充填物，因此，抗剪强度较低，据岩石弱面剪切试 验结果( 见表2 - 7 ) 可知，结构面的内摩擦角缈一般变化与1 0 。 - - 4 5 。之间，粘结 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 力c 变化于0 3 公斤厘米2 之间，显示了较大的分散性。 表2 7 各种结构面抗剪强度分析 结构面类型内摩擦角内摩擦角系数粘结力c 泥化石1 0 2 0o 1 8 - - - 0 3 60 - - 0 5 粘土岩层面、泥灰岩层面、页岩层面 2 0 3 0o 3 6 0 5 8o 5 1 0 砂岩层面、硕岩层面。石灰岩层面 3 0 - - 4 0o 5 8 0 8 4 滑石片言片理面、云母片岩片里面 1 0 2 0 o 1 8 0 3 60 - - - 0 5 一般片理面2 0 3 00 3 6 - , 0 5 80 5 1 0 光滑破碎面 3 0 - - - 4 00 5 8 o 8 40 5 1 0 粗糙破碎面 4 0 - - , 4 80 8 4 - - - 1 1 10 8 3 0 3 ) 泥岩层的物理力学性质和膨胀性。 霍州矿区岩体结构面中断层泥的物理力学指标测试结果见表2 - 8 。 表2 8 的结果表明，断层泥属于一种膨胀性粘土岩，与一般的膨胀性土类相 比，具有密度大、孔隙比小，含水量低的特性。试验测得新鲜岩样的膨胀力平 均为0 0 9 3 m p a ，膨胀量达2 1 1 ，膨胀后含水量大大增加，达到2 7 3 ，接近 塑限含水量，断层泥的抗剪强度很低，c 值接近于o 。 2 8 断泥层的物理力学指标 天然含水量 1 0 4 流限6 2 0 膨胀力o 0 9 3 m p a宿限2 9 3 膨胀后含水量 2 7 3 塑性指标3 2 7 膨胀量 2 1 1 扰动样残余剪切力 1 5 。3 0 。 密度 2 2 1 4 9 c m 3 co 比重2 7 4 5固结慢剪切力 1 4 。3 0 。 孔隙比0 3 6 9 c0 0 4 4 饱和度 7 7 4 4 )结构面的变形。 结构面的变形主要有两种：法向变形和切向变形。 法向变形表现为软弱结构面有一定厚度u ，在法向作用下要产生法向变形、， 式中u 为软弱结构面的最大压缩值。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 舻“。( 1 - z a ( 2 - 3 ) 为软弱结构面的法向压缩刚度，当软弱结构面为有明显厚度的软弱夹 层时，则产生压缩挤出变形。 剪切变形主要表现为刚性岩块沿结构面滑移，这也是矿山中普遍存在的变 形。如工程围岩的片帮、边坡岩体沿结构面的滑移等。一般用剪切刚度( 融) 来表 示其变形特征，剪切刚度实际上是剪切变形曲线的斜率即： p 告( 2 - 4 ) “：土( c r j 一仃) 仇 软弱结构面的变形多以流动滑移变形方式出现， 不能用应变速率来表示，而应用变形速率产来表示， 形本构方程为【2 2 1 ： “= 一o ，一仃。，) ( 2 - 5 ) 它与材料变形法则不同， 则常速流动变性阶段的变 ( 2 6 ) 式中r s 为粘滞刚度系数；仃“为流动变形起初剪应力( m p a ) 。 5 ) 岩体的流变特征 岩体的流变即岩体在应力作用下变形随时问增长而增大的现象。它包括应 力松弛和蠕变。矿山工程最常见的流变现象为巷道收敛变形【2 3 1 。 2 4 本章小结 霍州矿区地质条件复杂，形成以断裂、片层为主的构造形迹，大小断裂 纵横交错，十分发育。本章从岩石的力学性质、力学特征、强度、变性特征等 方面分析了霍州矿山的具体条件。为接下来的数值分析奠定了基础。 霍州矿山的岩体由于结构面发育，从而形成岩石的单体强度较高，岩体的 强度低，且具有明显的流变性的特征，具有软岩的特征。霍州矿区的应力测量 结果说明，即随着深度的增加各个主应力的值呈线形增加的趋势，最大与最小 主应力之差也在增加，这对巷道的稳定性是很不利的。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章霍州矿区巷道围岩稳定性的特征及 破坏机理研究 3 1 围岩压力理论与计算 围岩压力也称地压，是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形、破坏的 作用力，它包括由地应力( 即原岩应力) 引起的围岩应力以及围岩变形受阻而 在支护结构上的总作用力2 4 】。 进入深部以后，岩体在三向压力作用下，岩层压力大、围岩变形量大、巷 道难维护是深部开采巷道矿压显现的特点之一。 3 1 1 深井围岩压力的体现 ( 1 ) 围压随深度增加的加深 原西德学者g e u k 2 5 】，通过数值模拟钭算得出1 0 0 0 m 深度处垂直应力可达 2 3 2 5m p a ，1 2 0 0 m 深度处为3 0 m p a ，预计1 6 0 0 m 深度处达4 0 m p a ，即原岩 ( 铅直) 应力与开采深度基本呈线性关系如公式3 1 。 ( 3 1 ) 式中日为开采深度，m ； 7 上覆岩层平均容量，0 0 2 3 - , , 0 0 2 5 m n m 3 t l r 2 2 o r 32 ；t r h 式中五钡0 压系数 实测资料表明，侧压系数五在开采深度小时较分散，而随着开采深度加大， z 逐渐趋近于i 。因此，深部开采的原岩应力场可以按海姆假说即 仃i = 仃2 = 仃3 = r h 近似估算。 掘进或者采动影响，应力要发生从新分布并作用于巷道围岩。当重新分布 的应力小于围岩极限强度时，巷道围岩处于弹性状态；大于极限强度时，围岩 处于塑性状态甚至破裂松动状态，此时在巷道围岩中形成弹性区、变型区和破 裂区，弹性区围岩处于弹性状态，变型区围岩处于塑性应变软化状态，破裂区 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 围岩处于残余强度状态。 当巷道围岩处于弹、塑性状态时，支护问题比较简单。然而，当巷道围岩 处于破裂松动状态( 残余强度状态) 时，由于这部分围岩已失去自承能力，围岩稳 定性差，巷道变形量大，因此支护将变得困难。巷道围岩破裂范围越大，围岩 稳定性越差，支护也越困难【2 6 】【2 7 l 。 ( 2 ) 高孔隙压力 地下水可能以两种方式影响岩体的力学性能。最为明显的是通过有效应力 起作用，有效应力一般定义为支配多孔材料的力学特性的应力。这个概念由太 沙基最早提出，它是一种作用在多孔材料的总应力或作用应力和孔隙压力的函 数。地下水的存在，分隔岩块的节理中的承压水减小岩石表面之间的有效法向 应力，因此减小了由于摩擦面可能产生的潜在抗剪力。裂隙或孔隙中承压水的 影响将减少岩体的最终强度。 孔隙压力影响岩石变形性质，有效应力与孔隙流体压力有关，孔隙流体压 力的变化将引起有效应力的改变，孔隙压力的变化可使煤、岩体的力学性质( 如 变形及强度特性) 发生明显的变化弹性模量的测试结果表明：当煤、岩石的试样中 含有水或瓦斯等流体时，其弹性模量的变化很大在单轴情况下，弹性模量依赖 于孔隙压力，并随孔隙压力的增加呈直线关系衰减而在有围压作用的情况下， 衰减变缓严格地讲，弹性模量与孔隙压力和围压都有关系【2 引。 一般情况下，弹性模量与孔隙压力之间的变化关系不按直线规律衰减，而 与围压有关但在孔隙压力不太高的情况下可用直线规律来表示弹性模量与孔隙 压力之间的关系如图3 1 所示 图3 1 弹模与不同孔隙之间的关系图 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 孔隙压力对煤试样岩体弹性模量的影响如图3 1 所示孔隙流体的力学作用 和影响与围压作用相反，即孔隙压力增加将使弹性模量减小，反之增加总的来 说，弹性模量及前面所述的强度都将随孔隙压力增加而降低，随孔隙压力减小 而增加。 一般情况下，岩石中含有孔隙，但孔隙压力较小，一般都小于围压，所以 它的力学响应曲线往往介于孔隙压力为零时和孔隙压力等于围压时的两条曲线 之间，其强度也在两者之剐2 9 1 。 3 1 2 影响围岩压力的因素 1 岩石岩性及应力状态对围岩压力的影响 岩石的力学性质是指它的强度( 包括各种强度和c 、e 等值) 和屈服值， 强度小的岩体。围岩压力必然大，反之亦然。岩体的塑性变