（采矿工程专业论文）基于应力边界法厚大矿体采场结构参数数值模拟优化研究.pdf

中南大学硕士论文摘要 摘要 随着计算机技术的迅速发展，数值模拟仿真分析已广泛用于岩土 及地下工程的研究和设计中，其费用比物理模型低，且能定量地计算 和分析回采过程中采场围岩中的应力大小、位移变化规律和塑性区发 展情况，确定它们每步回采的动态变化过程，从而对采场围岩的稳定 性状态作出判断。 数值模拟的初始地应力场是否与实际地应力场吻合，是决定地下 工程数值模拟是否成功的基本条件。虽然现场实测是提供地应力资料 最直接的方法，但是各测点的测量成果仅反映了测点局部应力场特 征，然而，在工程现场由于场地和经费等原因，不可能大面积进行实 测。本文以吴庄铁矿为研究对象，完成的主要工作有： l 、对采场围岩破坏机理及失稳判据进行了阐述，并对目前比较 常用的围岩强度判据、容许极限位移量以及塑性区的是否相互贯通三 种判据进行了分析。因为影响采场围岩稳定性的因素众多，关系错综 复杂，本文采用三种判据对采场围岩稳定性进行综合判断。 2 、根据工程区域内有限的地应力观测值，并结合地形、地貌资 料，采用了应力边界法对初始地应力场进行拟合。应力边界法为 f l a c 3 d 模拟岩土工程的初始地应力场提供了新的思路，即在形成初 始地应力场过程中，计算模型不设速度边界条件，仅在模型表面根据 地应力观测值施加应力边界条件并保持恒定。 3 、在初始地应力场计算过程中，分析了弹性一步求解法的不妥 之处，本文提出了采用分阶段弹塑性两步骤求解法生成初始地应力 场。该方法在应力初始化过程中具有很大的灵活性，得到的初始地应 力场也更符合现场实际。 4 、通过上述数值模拟方法反演得到的初始地应力场，对3 0 种不 同采场结构参数方案进行了大量的数值模拟计算，并对回采过程中采 场围岩应力、位移变化规律及塑性区分布情况进行了详细的分析比 4 牧。 5 、根据上述计算结果，绘出了采场跨度与顶板拉应力之间、采 场长度与顶板拉应力之间的关系曲线以及它们对顶板岩层拉应力的 中南大学硕士论文摘要 联合影响曲面。研究结果表明：采场跨度对采场项板岩层稳定性的影 响远远大于采场长度。采场顶板的暴露面积大小不是决定采场顶板岩 层的稳定性的惟一因素，项板暴露面的形状对顶板岩层稳定性影响也 很大。采用长条形顶板暴露面形状，能提高采场生产能力和保证回采 的安全性。因此，对于急倾斜厚大矿体提出了“大盘区、小跨度的 设计理念。 关键词应力边界法，分阶段弹塑性求解法，暴露面形状 i i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no f g e o t e c h n i c a l a n du n d e r g r o u n dp r o je c t s i t n o to n l yc o s t sl e s st h a n p h y s i c a l m o d e lb u ta l s oc a nc a l c u l a t ea n da n a l y z ep a r a m e t e r s q u a n t i t a t i v e l yd u r i n gr e c o v e r y , w h i c hi n c l u d es t r e s s i nt h es u r r o u n d i n g r o c k , l a wo fd i s p l a c e m e n tc h a n g e sa sw e l la sv a r i a t i o n so fp l a s t i cz o n e t h e ni ti sa b l et od e t e r m i n et h e i rd y n a m i cc h a n g e si ne a c hs t e po f r e c o v e r ya n dj u d g e t h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c k t h ef a c tt h a tt h ei n i t i a l s t r e s sf i e l dg e n e r a t e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni si nl i n ew i t ht h ea c t u a lo n ei s t h eb a s i cc o n d i t i o nt h a t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fu n d e r g r o u n dp r o j e c t s w o r k s a l t h o u g h m e a s u r e m e n to ns i t ei st h em o s td i r e c tw a y t oo b t a i ng e o s t a t i cs t r e s sd a t a ， t h er e s u l t sr e f l e c to n l yp a r t i a ls t r e s sf i e l da r o u n de a c hm e a s u r e dp o i n t f u r t h e r m o r e ，i t su n a b l et om e a s u r e al a r g ea r e ab e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n o ff i e l do rf u n d i n g t h i sp a p e rh a ss t u d i e dw u z h u a n gi r o nm i n e ，t h e m a i n a c h i e v e m e n t si sa sf o l l o w s ： f i r s t ，i ts t a t e st h ef a i l u r em e c h a n i s ma n dt h ei n s t a b i l i t yc r i t e r i o no f s u r r o u n d i n gr o c ki ns t o p e s i ta l s oa n a l y s e sr o c ks t r e n g t hc r i t e r i a ，l i m i t e d d i s p l a c e m e n tc r i t e r i o na n dt r a n s f i x i o no fp l a s t i c z o n ec r i t e r i o n ，a l lo f w h i c ha r ec u r r e n t l yc o m m o n l yu s e d t h e r e a r e m a n yf a c t o r s t h a t i n f l u e n c et h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ki ns t o p e s ，a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e mi sc o m p l e x ，s ot h i sp a p e rj u d g e st h es t a b i l i t ys y n t h e t i c a l l y u s i n gt h et h r e ec r i t e r i o n sa b o v e s e c o n d ，c o m b i n i n gw i t h t h el i m i t e do b s e r v e dv a l u eo fg e o s t a t i c s t r e s si np r o j e c tr e g i o n ，t h i sp a p e ru s e st h es t r e s sb o u n d a r ym e t h o df o r i n i t i a ls t r e s sf i e l df i t t i n g t h i sm e t h o dp r o v i d e san e wi d e af o rs i m u l a t i o n o fi n i t i a ls t r e s sf i e l di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gw i t hf l a c t h i si d e a i i i 中南大学硕士论文 a b s t r a c t c a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w s ：d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n i t i a ls t r e s s s t a t e ，i td o e s n ts p e c i f yv e l o c i t yb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h ec a l c u l a t i o n m o d e l ，i n s t e a d ，a c c o r d i n gt ot h el i m i t e do b s e r v e dv a l u eo fg e o s t a t i cs t r e s s ， i to n l yi l l u m i n a t e ss t r e s sb o u n d a r yc o n d i t i o n so nt h es u r f a c eo ft h em o d e l a n dk e e p st h e mi n v a r i a b l e t h i r d ，b ya n a l y z i n gt h el i m i t a t i o no fe l a s t i cs o l u t i o nf o ri n i t i a ls t r e s s f i e l da tat i m e ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ee l a s t i c - p l a s t i cs o l u t i o nb ys t a g e s w i t ht w os t e p s ，w h i c hi sm o r ef l e x i b l ea n dw i l lm a k et h ei n i t i a ls t r e s s f i e l df i tt h ea c t u a lo n eb e t t e r f o u r t h ，u s i n gt h ei n i t i a ls t r e s sf i e l do b t a i n e dw i t ht h em e t h o da b o v e ， t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h i r t ys c h e m e ss u b s t a n t i a l l yb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s es c h e m e si n v o l v ed i f f e r e n ts t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o fs t o p e i n a d d i t i o n ，t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e dc o m p a r i s o no fs t r e s s i nt h e s u r r o u n d i n gr o c k ，l a wo fd i s p l a c e m e n tc h a n g e sa sw e l la st h e d i s t r i b u t i o n o fp l a s t i cz o n ei na l ls t o p e s f i f t h ，b a s e do nt h er e s u l t sa b o v e ，c u r v eo fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s t o p es p a na n dt h er o o ft e n s i l es t r e s s ，c u r v eo fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s t o p el e n g t ha n dt h er o o f t e n s i l es t r e s sa n dc u r v e ds u r f a c eo fi n f l u e n c ef o r t h er o o ft e n s i l es t r e s sm a d eb yt h et w of a c t o r sa b o v e ，h a v eb e e nd r a w l e d t h e s ei l l u m i n a t et h a tt h ei m p a c tt h a tt h es p a no fs t o p em a k e si sf a r g r e a t e rt h a nw h a tt h el e n g t ho fs t o p ed o e s ，a l t h o u g ht h et w of a c t o r sa l l i n f l u e n c et h es t a b i l i t yo fs t o p er o o fr o c k a n dt h es t a b i l i t yi sd e c i d e db y n o to n l yt h ee x p o s e ds i z eb u ta l s ot h es h a p eo fe x p o s e ds u r f a c e t h e r e f o r e ， f o rs t e e pt h i c ko r eb o d y , t h i sp a p e rp r o p o s e st h ep h i l o s o p h yo fd e s i g n c a l l e d “l a r g ep a n e l ，s m a l ls p a n k e yw o r d s ：s t r e s sb o u n d a r ym e t h o d ，e l a s t i c p l a s t i cs o l u t i o nb y s t a g e s ，s h a p eo fe x p o s e ds u r f a c e i v 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。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己在在论文中作了明确的说明。 作者签名：邋 眺咩年! 月尘日 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。 作者签名：三拦述墨墼导师签名 牵月! 中南大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 矿产资源是人类社会生存和发展的重要物质基础。建国6 0 年来，我国矿产 资源的开采取得巨大的成就，建成了比较完善的矿产供应体系。矿业作为国民经 济的基础产业，提供了我国所需要的9 5 的能源，8 0 的工业原材料和7 0 以 上的农业生产资料，为支持经济高速发展、满足人民物质生活日益增长的需求提 供了广泛的资源保障，做出了重要的贡献。 2 1 世纪是现代科学技术高速发展和现代工业生产高速增长的时期，人们对 矿产资源的开发利用规模和强度也是人类史上从来没有的，各种有色、黑色金属、 煤炭、化工材料等得到了最大限度的开发利用。经济迅速增长导致资源消耗速度 明显加快，需求迅速增长，资源供需形势日趋严峻。矿产资源是不可再生资源， 可持续发展战略日益为人类所重视，在现代科学技术条件下，人们一方面将最大 限度地开采矿产资源以满足当前的社会发展需要，另一方面又要最大限度的节约 和利用矿产资源，以维持长期的可持续发展战略目标。 采矿设计优化，其目的就是在保证开采系统稳定和生产安全的前提下，最大 限度地减少支护工作量，大幅度地提高采矿强度和生产效率，增加矿石产量，提 高企业的经济效益、社会效益和环境效益。因此确定合理的结构参数是采矿设计 优化中主要的问题。传统的设计方法主要为经验类比法，设计人员根据少数几个 指标如普氏系数等，参考类似矿山的成功经验进行设计。由于矿岩的差异性，即 使普氏系数相同，由于矿岩成分不同，形成历史过程不同，其物理力学特性也表 现出很大的差异性，即使在同一矿山的不同阶段，虽然普氏系数相同，所体现出 来的矿岩特性也相差很大。因此，传统的经验类比法的设计往往或者保守，则采 场结构参数过小，造成矿柱矿量增加，回采时矿石的损失加大；或者设计偏冒进， 则采场地压显现加剧，支护工程量增加，甚至因采场结构参数失稳而造成矿石的 永久损失剧增。太保守或太冒进的设计都是不可取的，因此有必要寻求新的设计 优化方法。 现代岩石力学数值仿真模拟方法，为进行采矿设计定量计算和分析，实现开 采设计的优化提供了有力的工具，利用数值仿真模拟等手段，在方案设计阶段即 可模拟矿体回采全过程，预测回采过程的地压规律，对采场围岩的稳定性状态作 出判断，从而为采矿设计优化提供相应的依据。 数值模拟的初始地应力场是否与实际地应力场吻合，是决定地下工程数值模 中南大学硕士论文第一章绪论 拟是否成功的基本条件。虽然现场实测是提供地应力资料的最直接的方法，但是 各测点的测量成果仅反映了测点局部应力场特征，然而，在工程现场由于场地和 经费等原因，不可能大面积进行实测。因此，有必要根据有限点的实测资料，进 行一定的分析，来模拟工程区域内的地应力场，为数值模拟计算提供较为可靠的 初始地应力条件。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 采场结构参数优化研究的方法 采用合理的采场结构参数是控制地压危害实现安全高效开采的重要措施。目 前在采场结构参数优化过程中，对采场围岩稳定性的评价分析方法很多，大致可 以分为解析法，数值分析法，不确定性方法，其它方法等( 见图1 1 ) 。 围岩稳定性 分析方法 解析法 数值分析法 薹确定性方 法l 其他方法 模糊数学理论 可靠性理论 灰色理论 反分析法 图卜1采场围岩稳定性的分析方法 1 、解析法 当前，应用解析法进行围岩稳定性分析时，经常采用复变函数法进行围岩应 力与变形的计算，并能求出弹性解析解。解析方法多用于圆形隧道的求解，当硐 室是非圆形时，就需要通过保角变换将单位圆外域映射到硐室外域，而硐室的映 射函数是问题的求解关键【1 2 _ 】。解析法具有精度高，分析速度快和易于进行规 律性研究等优点，但解析法对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析 在数学处理上存在一定的困难【4 ，5 1 。 总体来讲，解析分析法可以解决的实际工程问题比较是有限的。但是，通过 2 法 法法分 元元差 限界限有边有 ，l 学 力法质方介析续分 连 法法 鬻愀 离块叻 力法质方介析续分连学 中南大学硕士论文第一章绪论 对解析方法及其结果的分析，往往可以获得一些规律性的认识，这是非常重要和 有益的。 2 、数值分析方法 数值分析法包括连续介质力学法和非连续介质力学方法。 ( 1 ) 连续介质力学方法 连续介质力学分析方法是以连续介质理论为基础，将岩体等效为一种连续固 体介质，按固体力学的方法分析其在工程荷载水平下的力学特性与破坏过程【6 】。 连续介质力学分析方法主要包括有限元法、边界元法和f l a c ( f a s tl a g r a n g i a n a n a l y s i so fc o n t i n u a ) 等。 2 0 世纪5 0 年代出现并得到广泛应用的有限元法，使经典力学解析法难以解 决的工程力学问题都可以用有限元法求解。它是基于最小总势能变化原理，能方 便地处理各种非线性问题，能灵活地模拟岩土工程复杂的施工过程，因而是目前 工程领域实用性最强、应用最为广泛的数值模拟方法，它将连续的求解域离散为 一组有限个单元的组合体，解析地模拟或逼近求解区域【7 1 。有限单元法是将所考 虑的区域分割成有限大小的小区域( 单元) ，这些单元仅在有限个节点上相连接。 根据变分原理把微分方程变换成变分方程。通过物理上的近似，把求解微分方程 问题变换成求解关于节点未知量的代数方程组的问题。 它可以用来求解弹性、弹塑性、粘塑性等问题，可以考虑粘性流变、渗流、 温度、热导与应力场耦合、损伤及动力学效应等。由于自身理论的缺陷，在处理 以下几种非连续问题时显得无能无力【8 】，只能对原生的非连续界面进行计算， 对次生的非连续界面无法处理；界面单元不能设置太多；界面弹簧刚度选取 较为困难；由于地下工程的地质条件比较复杂，运用有限单元法对其进行分析 时，往往要经大量简化才能实施，这对计算结果的精度会造成一定的影响，同时 有限元法前后处理的工作量和计算工作量也都很大；由于相邻界面上只能位移 协调，对于奇异性问题( 应力出现间断) 的处理比较麻烦。 边界元法是以边界积分方程为数学基础，只在边界上剖分单元，把边界积分 方程离散为线性代数方程组，再通过数值方法求解线性代数方程组，从而得到原 问题的边界积分方程的解，进一步得到区域内的解的一种数值分析方法。由于在 边界积分方程中采用了解析基本解，边界元法通常具有比一般的数值方法更高的 精度。当插值函数能精确描述边界变量的精确分布时，边界元法的解将没有离散 误差，只有计算误差。与区域解法相比，边界元法降低了维数，从而对模拟复杂 的几何形状，大大节省了数据准备的工作量。与有限元相比，边界元以存在解析 基本解为前提条件，基本解的寻找困难也是制约边界元法应用于地下工程结构分 析中的一个主要因素。另外边界元法对奇异边界也较难处理【9 1 。 3 中南大学硕士论文第一章绪论 基于有限差分法的f l a c 3 d ( t h r e ed i m e n s i o n a lf a s tl a g a n g i 8 1 1a n a l y s i so f c o n t i n u e ) 是由美国i t a s e a 咨询公司开发的三维快速拉格朗日分析程序，是一种 基于显式有限差分法的面向工程力学问题计算的数值分析方法。该程序可以较好 地模拟岩土体或其他材料的力学行为，在材料的弹塑性分析、应变软化和大变形 分析以及施工过程与支护结构的模拟等方面具有其独到的优点。 三维快速拉格朗日分析采用显式有限差分格式求解场的控制微分方程，不需 要形成刚度矩阵，也不需要通过迭代满足本构关系，仅需通过本构关系，由应变 直接计算应力。其主要特点为：通过对三维介质的离散，使所有外力与内力集 中于三维网络节点上，进而将连续介质运动定律转化为离散节点上的牛顿定律； 时间与空间的导数采用沿有限空间与时间间隔线性变化的有限差分来近似； 将静力问题当作动力问题来求解，运动方程中惯性项用来作为达到所求静力平衡 的一种手段。 由于f l a c 3 d 在计算中采用显示差分求解方法，在某种程度上克服了有限元 和离散元不能统一的矛盾。且其对非均质各向异性和以非线性为主的岩体介质具 有良好的适应性，加之日趋完善和强大的各种非线性本构模型和数值计算模式， 以及功能强大的处理软件，已成为现代岩体工程计算分析的主流方法m 。 ( 2 ) 非连续介质力学方法 非连续介质力学方法在进行硐室围岩稳定性的分析时，被看作为被不连续面 分割的离散状组合体( 节理岩体) ，或规则形状颗粒的组合体( 粒状体或球状结 构岩土体) 。块体或颗粒通过边界接触力相互联系，根据特定的本构模型，接触 力随单元的刚体运动或位移而变化。分离体允许产生有限位移乃至脱离接触，并 可在计算过程自动地调整。 非连续介质力学数值方法主要包括离散单元法、块体理论、不连续变形分析 等。 离散元法强调岩体的非连续性，求解域由众多的岩体单元组成，单元之间不 要求完全紧密接触，单元之间可看成是角一角接触、角一边接触或边一边接触， 由于单元受节理等不连续面控制，在以后的运动过程中，单元节点可以分离，且 随着单元的平移和转动，允许调整各个单元之间的接触关系。离散元法是分析节 理岩体的重要方法，克服了连续体力学的局限性，在模拟节理岩体运动趋势及失 稳条件方面有其独到的优点，然而也存在着缺点，例如： 接触点上变形与强度参数的概念与工程界所提供参数的概念是不同的，而 且，若结构处于正常工作极限状态，点接触假定也不太符合实际； 关于块体之间阻尼系数、运算的时间步长等参数的确定和块体单元的划分 带有极大的随意性和盲目性，对最终结果的影响尚有待探讨。 4 中南大学硕士论文 第一章绪论 块体理论是2 0 世纪7 0 年代后期由石根华为代表提出的，该理论认为坚硬和 半坚硬岩体被结构面纵横切割成大小不一的各种镶嵌块体，它根据块体的有界性 和可移性的特性来寻求可移块体，将围岩稳定问题简化为寻求和分析关键块体的 稳定问题【l l 】。 d d a 方法是由石根华与g o o d m a n 提出的块体系统不连续变形分析方法 ( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o n a n a l y s i s ) 。d d a 模型建立了一套完整的块体系统运 动学理论，较好的模拟具有非连续面的岩体的运动与变形特性【1 2 1 。由于d d a 模 型将岩体完全离散化，这与实际岩体的情况不十分相符，如能将其与有限元法相 结合，应是d d a 模型应用研究的发展方向【1 3 】。 3 、不确定性方法 影响地下硐室围岩稳定性因素主要有构造结构面组合形态、地应力状态以及 地下水的赋存状态等，这些因素具有很大的不确定性，表现为随机性和模糊性， 因此，对地下结构岩体分析采用模糊数学和可靠度方法进行研究f 1 4 h 5 1 。 4 、其它方法 包括灰色关联方法、断裂和损伤力学方法【1 6 1 、反分析方法【1 7 】等。 根据灰色关联分析原理，从多维空间概念出发，将距离平方和最小扩展为广 义加权距离最小，通过求条件极值建立了地下工程围岩稳定分级的灰色关联优化 模型，在工程实例应用中，具有一定的实际使用价值【l 引。 围岩稳定性的评价是一个相当复杂的过程，通常伴随着变形的非均匀性、非 连续性和大位移等特点，是一个高度非线性问题。对于具体的工程问题到底使用 连续介质方法还是非连续方法，要看不同问题的特殊性，纵观围岩稳定性分析方 法的发展，各种方法均未能完满解决工程实际问题，但是可以将不同的方法混合 起来使用，充分发挥每种方法的优点，以求达到优势互补。采用几种有用的方法 进行耦合，将是未来发展的一种趋势。 1 2 2 国内外地应力研究现状 在岩体工程开挖之前的岩体或者在岩体工程影响区之外的岩体中存在的三 维应力，叫岩体初始地应力，又称原岩应力。地下洞室开挖后，初始地应力场受 到扰动，产生应力重分布，并引起洞室的变形。地下工程的失稳主要由于开挖过 程中引起的岩体应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形而造成的，而开挖 施工过程中应力重分布是否会达到危险的程度要看初始地应力场的具体情况而 定，所以初始地应力是影响地下洞室工程稳定的最主要的基本因素之一。 l 、地应力认识的发展 人们对于地应力的形成原因的认识经历了漫长的过程。1 9 1 2 年，瑞士地质 学家海姆( a h e i m ) 在阿尔卑斯山大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分 中南大学硕士论文第一章绪论 析，首次提出了地应力的概念【1 9 】，并假设地应力是一种静水应力状态，即地壳中 任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即 o r = o v = 加 ( 1 1 ) 式中 盯。水平应力； 仃。垂直应力； y 上覆岩层容重； h 深度。 1 9 2 6 年，前苏联学者金尼克( a h g e n n i k ) 修正了海姆的静水压力假设， 认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力( 水平应力) 是泊 松效应的结果，其值应为加乘以一个修正系数。他根据弹性力学理论，认为这 个系数等于- - u ) ，即 盯v2 膨 ( 1 2 ) u o r h2 砂五 ( 1 3 ) 同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地应 力的大小，而且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主。他们的不同 点只在于侧压系数的不同。然而，许多地质现象，如断裂、褶皱等均表明地壳中 水平应力的存在。早在2 0 世纪2 0 年代，我国地质学家李四光就指出：“在构造 应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超出 垂直应力分量。”【2 0 】 到了2 0 世纪5 0 年代初，瑞典科学家哈斯特( n 。h a s t ) 博士发明了测试地 应力的仪器和方法，首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量的工作，测得了 岩石中的绝对应力值及其方向。通过对大量实测数据的分析，哈斯特发现存在于 地壳上部岩石中的地应力，大多呈水平状或近水平状，且水平应力值高出垂直应 力值，甚至高出几倍、十几倍【2 。他的这一发现，从根本上动摇了延续了很长时 间的地应力是重力引起的垂直应力的观点，而认为构造运动是形成地应力的一个 重要因素。后来，大量的地应力测量和研究成果都表明在地壳岩体中普遍存在着 水平方向的构造应力，同时，通过对比分析发现，构造应力的分布是不均匀的， 也不是在各个地方都存在的。由此而认为重力作用和构造运动是引起地应力的主 要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大，当前的应力状 态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。人们还发 现，除上述两个因素外，在一些地区岩浆侵位也是形成地应力的因素之一。 6 中南大学硕士论文第一章绪论 2 、地应力的测试方法 要了解一个地区的地应力状态，最可靠的方法就是进行现场地应力测量。岩 体的初始应力主要受地表地形、岩体构造变动程度及构造活动性、岩体非均质性 和各向异性等影响【2 2 】。应力大小和主应力方向随深度、地域而变化。自2 0 世纪 6 0 年代以来，世界上已有4 0 多个国家开展了岩体应力测量工作，积累了大量的 实测数据资料。目前国内外普遍采用的地应力测量方法有声发射法、应力解除法 和水压致裂法三种。 声发射，简称为a e ( a c o u s t i ce m i s s i o n ) ，是材料变形破坏时发出声波的现 象。人们利用这种现象，研究岩石的破坏过程和预报岩体破坏。岩石声发射还有 一个特殊现象，当外加应力小于岩石历史上所受过的最大主应力时，声发射活动 不明显，而当外力超过历史上所受最大应力时，声发射活动突然加剧，而且各个 方向都如此，这种现象叫凯塞( k a i s e r ) 效应。声发射凯塞效应为岩体应力测量 和研究提供了一种途径。由于各个方向对岩石试件加压都有凯塞效应发生，也就 是说岩石对岩体有记忆功能，可以通过现场取回试件在室内进行压力试验，测出 岩石在历史上所受过的最大主应力。 用声发射法测定原岩应力的测试工作量小，经济，因此受到重视。但是，测 得的应力是历史上所受过的最大应力，不一定是现今岩体中的原岩应力。因为在 取试件的过程中也有应力集中，如果这个应力集中也能记忆下来，则无法确定测 定的应力是原岩应力还是取样产生的应力集中。同时，还与构造运动的幕期有关。 关于声发射测定构造应力的可行性和局限性目前还有不同的看法1 2 ”。 应力解除法【2 4 】包括孔底应力解除法、孔径变形法和孔壁应变法。应力解除法 基本原理：岩体工程中某点岩石处于三向压缩状态，假定处于线弹性变形状态， 如果用某种方法使其脱离母岩，则其所受的应力得以解除，必然发生弹性恢复， 用仪器测得恢复变形，则为： s ，：垒，占v _ 垒，f ：垒( 1 - 4 )q2 一，占y2 上，f ：2 一 x 。 vz 根据弹性恢复应变，利用弹性力学公式则可计算岩体初始应力。这个过程可 以归结为：破坏联系，解除应力；弹性恢复，测出变形，转求应力。 2 0 世纪，m k h u b b e r t 等提出了用水压致裂法测量地应力的理论【2 5 2 6 1 ，到 8 0 年代，该方法已经在全世界范围内得到了较为广泛的应用。它的突出的优点 是能测量岩体深部的应力，己见报道的实测最大深度为5 1 0 0 m 2 7 1 ，这是其他方 法所不能比拟的。对于越来越多的地下工程( 如深埋隧洞) 而言，由于埋深很大， 般的测量方法的局限性无法克服( 除非开挖地下井巷) ，水压致裂法成为唯一 的适用方法。同时，水压致裂法不需要精密复杂的井下仪器，且无须知道岩石的 7 中南大学硕士论文 第一章绪论 力学参数，因此，其应用得到了飞速发展，受到了越来越多的青睐。其缺点是必 须假定铅垂方向为一个主应力方向，而在浅部三个主应力严格水平和垂直的情况 较少。 3 、地应力场的数值模拟反演计算研究 虽然现场实测地应力是提供地应力场最直接的途径，但是在工程现场，由于 测试费用昂贵、测试所需时间长和现场试验条件艰苦等原因，不可能进行大量的 测量。而且地应力场成因复杂，影响因素众多，各测点的测量成果受到测量误差 的影响，测量结果受到测量误差的影响，且各测点的测量成果仅反映了测点局部 应力场特征，使得地应力测量成果有一定程度的离散性。因此，必须进行地应力 场的分析计算，以获得更为准确的整个考察区域内的地应力场。 关于初始地应力场反演方法一般可以分为两种情况：一种是利用地下工程掘 进过程中实测的位移值，反演小范围的初始地应力场，这种根据实际工程提供的 原始位移值数据来反演初始地应力场的方法，称为初始地应力场位移反演方法。 典型的位移反演方分析法有：日本神户大学的樱井春辅【2 8 】提出的位移一应变反馈 确定初始地应力与地层参数值的有限单元法；杨志法【2 9 】提出的初始地应力场计算 的t b a 位移反分析法；郭明伟 3 0 】提出了优化位移边界反演三维初始地应力场的 研究；余志雄【3 1 】等提出基于v s v r 和g a 的初始地应力场位移反分析方法研究 等等。 另一种是测量有代表意义的点的初始地应力值，通过反分析，求出大范围内 的地应力场。这是因为现场测量初始应力的成本很高，反演分析可以大大节约费 用，与之对应的初始地应力反演分析方法称为应力反演分析法。对应力反演分析 法进行研究的学者很多，因此提出的方法也很多：刘元勋，邓抒豪【3 2 】在实测资料 的基础上，提出了边界荷载调整法，该方法按照假定的计算域调整边界荷载，用 有限元求解域内的应力场；李永松【3 3 l 介绍了基于三维有限元正演分析和将岩体自 重及构造应力作为地应力的主要组成因素的地应力多元回归反演方法。并以深圳 抽水蓄能电站为实例，通过拟合实测地应力资料获得对应于地应力构成因素的回 归系数，并得到整个工程区的岩体初始应力场，取得了较好的效果；余成学，熊 文林【3 4 】利用应力函数及有限元方法，建立用待定参数表示的初始应力场，通过和 实测应力值比较，用优化方法计算待定参数值，得到初始应力场，该方法考虑岩 体结构、岩性及地形等因素对初始应力场的影响，具有良好的实用价值。肖呀”j 提出了采用三维有限元反演初始地应力场，并用三维正交多项式拟合三维应力函 数；朱伯掣3 6 】把自重应力作为已知值，在地应力的反演分析中只是对构造应力进 行反演，并进行了理论上的论述；庞作会【3 7 】发表的文章“复杂初始地应力场的反 分析 中则给出了可以代表任意分布的初始地应力场的力学模型；李仲奎p 驯结合 8 中南大学硕士论文第一章绪论 f l a c 3 d 有限差分程序，参照其他数值模拟初始地应力场的方法，提出基于应力 边界的快速应力场拟合方法，并在工程中获得了较好的应用等等。 1 3 本文研究内容、方法和思路 从生产的角度出发，高的矿石回收和低的贫化，避免浪费是保证矿山企业正 常营运的手段。从安全的角度考虑，对于开采形成的地下岩体工程稳定性不容忽 视，较大的矿柱和较小的矿房尺寸是保证采场围岩稳定的有效途径。因此，高效 的回采矿石和开采形成的采场稳定性成为一对矛盾，本文主要工作是根据吴庄铁 矿的岩体条件，对采场结构参数进行优化，确保矿山在地下采场的稳定前提下安 全生产，又可使矿山资源得到合理的利用。 1 3 1 主要研究内容 l 、查询大量的文献资料，阐述了目前采场结构参数优化的方法，对各种方 法的优缺点进行了评述。基于有限差分法的f l a c 3 d 分析软件具有对非均质各向 异性和以非线性为主的岩体介质良好的适应性，加之日趋完善和强大的各种非线 性本构模型和数值计算模式，并且在某种程度上克服了有限元和离散元不能统一 的矛盾等优点，故本文选用f l a c 3 d 分析软件作为采场结构参数数值模拟优化研 究的方法。 2 、对采场围岩破坏机理及失稳判据进行了阐述，并对目前比较常用的围岩 强度判据、容许极限位移量以及塑性区的是否相互贯通三种判据进行了分析。因 为影响采场围岩稳定性的因素众多，关系错综复杂，很难找出一个普遍适用的定 量失稳判据，本文通过建立弹塑性非线性模型进行数值模拟计算，求出回采结束 后围岩的应力大小、极限位移量以及塑性区分布情况，采用围岩强度理论、容许 极限位移量及塑性区的相互贯通三种判据进行综合分析的方法，对采场围岩稳定 性进行综合判断。 3 、初始地应力场的反演研究 数值模拟的初始地应力场是决定地下工程数值模拟成功的基本条件。由于进 行地应力现场实测费用昂贵、测试所需时间长和现场试验条件艰苦等原因，且各 测点的测量成果仅反映了测点局部应力场特征，使得测量结果具有一定程度的离 散性。结合工程区域有限的地应力观测值和地形、地貌资料，并参考地应力场分 布的一般规律，采用数值模拟反演分析方法，是得到整个工程区域初始地应力场 是一种有效的途径。本文经过对f l a c 3 d 的不断研究和尝试，并参照其他数值模 拟初始地应力场的方法，采用了应力边界的地应力场拟合方法。 在采用应力边界反演生成初始地应力场过程中，国内不少学者往往采用弹性 一步求解法。即：在初始地应力场反演过程中，将材料的本构模型设置为弹性模 9 中南大学硕士论文第一章绪论 量，并将体积模量与剪切模量设置为大值，然后求解生成地应力场。这种方法应 用在地下工程有些不妥之处。这是因为，在实际的工程中，即使是在初始地应力 场的作用下，岩体内部存在屈服区也是有可能的，在应力初始化过程中采用弹性 求解显然是和现场实际是不吻合的。为此，本文提出了分阶段弹塑性两步骤求解 法生成初始地应力场。该求解过程分两个阶段进行：首先，将粘聚力和抗拉强度 设置为较大值，进行弹性求解，直至体系达到力平衡状态；接着将粘聚力和抗拉 强度重置为初始定值进行塑性阶段的求解，直至体系最终达到力平衡状态。待得 到满意的初始地应力场后，由于模型没有设定位移边界，在平衡过程中会产生很 大的位移，再将模型所有的节点产生的位移清零，接着可以添加位移边界条件进 行后续计算。 4 、根据吴庄铁矿矿体条件，结合分段空场嗣后充填采矿法的特点，选定合 理的计算方案和建立计算模型范围，对实验室岩体物理力学参数进行弱化处理。 结合有限的地应力观测值，采用应力边界法，并在应力初始化过程中应用分阶段 弹塑性求解法对工程区域初始地应力场进行反演。待得到合理的初始地应力场分 布后，对计算模型施加边界条件，并在计算过程的不同阶段，通过应用不同的材 料模型及加载条件，来模拟矿体开挖，充填过程。 5 、通过上述数值模拟方法反演得到的初始地应力场，对3 0 种不同采场结构 参数的计算模型，采用f l a c 3 d 分析软件进行了大量的计算，并详细分析了回采 过程中采场围岩应力大小、位移变化规律及塑性区发展情况。 6 、根据以上计算的结果，绘出了采场跨度与顶板拉应力、采场长度与顶板 拉应力关系曲线以及两者对顶板拉应力的联合影响曲面。在顶板厚度一定的情况 下，采场顶板岩层拉应力随着采场跨度的增大而增大，且增加幅度越来越大；随 着采场长度增加顶板岩层拉应力增加的幅度趋缓，当采场长度增加到一定长度 时，顶板岩层拉应力趋于稳定。得到结论：采场围岩稳定性不仅与顶板暴露面大 小有关，暴露面形状对其影响也是至关重要的。优化采场顶板暴露面积形状是控 制地压的重要手段之一，采用长条形顶板暴露面形状，能提高采场生产能力和保 证回采的安全性。因此，对于该矿提出了“大盘区、小跨度 的设计理念。 1 3 2研究方法及思路 数值模拟仿真分析具有费用比物理模型低，且能定量地计算和分析回采过程 中采场围岩中的应力大小、位移变化规律和塑性区、破坏区的分布状况及监测每 步回采的动态变化过程，从而对采场围岩的稳定性状态作出判断等优点，已广泛 应用于地下工程的研究和设计中。 本文采用对岩体介质材料有很好适应性的f l a c 3 d 三维有限差分软件对采场 结构参数进行数值模拟优化研究。通过对3 0 种不同方案的采场结构参数进行了 1 0 中南大学硕士论文 第一章绪论 大量的计算，比较不同的采场结构参数条件下的围岩稳定性状态，最终确定最佳 的采场结构参数。从而在保证安全生产的前提下，最大限度地减少采准工程量， 具体研究思路见图1 2 。 图i - 2本文研究思路 中南大学硕士论文 第二章围岩破坏机理与失稳判据 2 1 概述 第二章围岩破坏机理与失稳判据 解