（矿业工程专业论文）锚注支护在金川不良岩体中的应用研究.pdf

昆叫理1 。人学工程硕二l 学位论文摘要 摘要 随着金川集团有限公司对矿山可持续发展和做大做强的需要，确保公司自有矿 l f 原料供给稳步提高，佥川集团公司加大了对矿山改扩建工程的资金投入，以加快 矿山井下建设速度，为公司大发展奠定基础。多年来，由于金川岩体条件较差，地 应力大，严重制约井下主要开拓、采准巷道的掘进速度，直接影响矿山生产有条不 紊的进行。金川矿山井下巷道掘进在原有喷锚网基础上进行注浆加固即锚注支护 有效的解决了金川不良岩体中掘进存在的施工难度大、速度慢、安全性差等问题 通过多年的试验、研究和总结，收到了很好的经济和社会效益。 本论文通过对金川矿山具体的地质特征、矿床工程地质、水文地质条件、岩石 力学条件等综合分析，有针对性地提出了利用锚注支护技术解决金川不良岩体中巷 道掘进存在的问题，取得了良好的效果，不仅加快了矿山井下工程的施工进度而 且一定程度上降低了施工成本。论文从注浆理论分析、试验方案、材料选取、设备 使用、检测以及应用效果等诸多方面进行了阐述。通过实际应用，锚注支护技术在 金川矿山不良岩体的应用是科学、合理、可行的。 关键词：金川矿山；不良岩体；锚注支护技术 昆射理t ：大学下程坝一卜学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ej i n c h u a ng r o u pc o m p a n y sn e e d so fm i n i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n d b e c o m i n gs t r o n g e r ，e n s u r i n gt h ec o n t i n u o u sm i m n gr a wm a t e r i a l ，t h ec o m p a n yh a s i n c r e a s e dt h ec a p i t a li n p u to fp r o j e c ti no r d e rt oa c c e l e r a t et h es p e e do fm i n i n g u n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o na n de s t a b l i s h i n gf o u n d a t i o nf o rt h ec o m p a n y sb i gd e v e l o p m e n t f o rm a n yy e a r s ，b e c a u s eo ft h eb a dr o c kc o n d i t i o na n db i gg r o u n ds t r e s s ，i tl i m i t e dt h e m a i no p e n i n ga n dt h es p e e do fd r i f td r i v i n gs e r i o u s l y ，d i r e c t l ya f f e c tt h em i n i n g m e t h o d i c a l l y u s i n gg r o u t i n gi ns h o t c r e t ea n db o l ts u p p o r t ，w ec a ns o l v et h ep r o b l e mo f d r i f td r i v i n gi nb a d l yr o c ke f f e t e l y t h r o u g hl o n ge x p e r i m e n t ，r e s e a r c ha n ds u m m a r y ，w c h a v eg o tv e r yg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t t h r o u g ha n a l y s i st h em i n e ，s u c ha ss p e c i f i cg e o l o g i c a lf e a t u r e ，d e p o s i tg e o l o g y ， 坶d r o g e o l o g yc o n d i t i o na n dr o c km e c h a n i c sc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rh a v eu s e dt h es h o t c r e t e a n db o l ts u p p o r tt os o l v et h ep r o b l e mw i t hg o o de f f e c t t h i sh a v en o to n l ya c c e l e r a t e dt h e m i n i n gp r o g r e s s ，b u t a l s oo nc e r t a i nl e v e l ，r e d u c e dc o n s t r u c t i o nc o s t t h i s p a p e r i n t e r p r e t sm a n ya s p e c t s ，s u c ha st h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fg r o u t i n g ，t e n t a t i v el a y o u t ， m a t e r i a ls e l e c t e d ，e q u i p m e n tu s i i 培，d e t e c t i o n 够w e l la sa p p l i c a t i o ne f f e c t s o ，i ti s s c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l et h a tg r o u t i n gi ns h o t c r e t ea n db o l ts u p p o r tu s e si nj i n c h u a n m i n i n g k e y w o r d ：j i n c h u a nm i n i n g ；b a dr o c k ；g r o u t i n gi ns h o t c r e t ea n db o l ts u p p o r t l i 昆明理工大学工程硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。本声名的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：；书1 ；牙 1 日期：蚺俸月膨e l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅， 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印或其它手段 保存论文。 翩弥叠匮 论文作者签名：i 亟丑! ：重 e t 期：1 n 孵坤月j 吕日 昆明理工人学t 程硕十学位论文 第一章0 】，j 第一章引言 1 1 锚注支护技术研究的意义 随着金川矿山开采的大规模进行和开采深度的逐渐增加，巷道围岩状态同趋 恶化，软岩地压问题日益严重，原来具有各种弱面的非连续介质一岩体处于原始 平衡状态。当金川矿山开采巷道开掘以后，这种平衡状态瞬时受到破坏，巷道围 岩因地压变形释放大量能量，原有的围岩弱面迸一步扩展，同时产生许多新的裂 隙，甚至围岩出现膨胀、松动及破碎等现象，巷道变形量大、来压快、流变时间 长。如果采用不适当的支护措施，巷道围岩变形愈加剧烈，支护困难，施工难度 加大，最终将导致巷道变形破坏，破坏后的巷道围岩将更加破碎，再生裂隙更加 发育，给支护带来极大困难。而使用长锚索、钢筋砼及喷锚网+ 钢拱架等支护方 式，不仅施工成本高。而且施工难度大，施工效率低，此种情况严重影响着金川 矿山建设周期，给正常的矿山生产带来被动局面。 为了改善巷道稳固状况，通常可采取两种有效措施：一是改善围岩结构及性 能，二是采用合理的支护措施。对于软岩巷道，后者支护措施成本高，往往难以 奏效。改善围岩结构及其性能、提高围岩承担上覆岩层压力的能力和充分发挥围 岩潜在的自承载能力，是利用和充分发挥围岩自身内部潜能、改善巷道支护效果 的一条有效途径。 围岩注浆加固是一种改善围岩结构及其性质，提高围岩接体性和自承载能力、 降低支护成本、提高支护效果的可行办法。围岩注浆加固是利用浆液把围岩的各 种弱面充实，并使弱面充填体和四周岩体重新胶合起来，从而提高围岩整体稳定 性和围岩的力学性能，改善围岩的物理性能，增强围岩自承载能力。围岩注浆加 固与其它巷道支护形式相结合，不仅能改善围岩岩性和应力分布，而且会减小巷 道围岩变形，减轻钢性支架承受的外载压力，改善支架的受力状况。 近几年，将注浆加固与锚杆支护技术有效地结合，为巷道和大硐室的掘进与 维护开辟了一条新的途径。本论文通过对金川不良岩体和锚注支护技术相关理论 的研究，进一步通过试验分析，确定注浆的相关参数，探索将锚注支护技术更好 的应用于金川矿山不良岩体，以控制围岩的变化给生产带来的负面影响，从而确 保金川矿山建设工程大提速。 昆删理t 大学丁程硕士学位论立第市一j 矗 1 2 注浆技术发展概况 注浆是一项实用性很强、运用范围很广的工程技术。它的实质是用液压、气 压或电化学方法，把一些能凝固的浆液注入到岩体的孔隙、裂隙等结构面中，使 岩体形成强度高、抗渗性能好、稳定性高的新结构体，从而改善了岩体的物理力 学性质。注浆的目的，一是对岩体起防渗作用，二是起加固作用。 1 2 1 国外注浆技术发展现状 注浆技术最早始于18 0 2 年，法国用木制冲击泵注入粘土和石灰浆液加固地 层。1 8 2 6 年英国发明了硅酸盐水泥后，注浆材料开始以水泥浆液为主。1 8 6 4 年， 阿里因普瑞贝矿井首次用水泥注浆对井简堵水。1 8 8 6 年，英国研制成功了压缩空 气注浆机，促进了水泥注浆法的发展。十九世纪末、二十世纪初，注浆技术在法 国和秘鲁煤矿的主井施工堵水中获得巨大成就，同时高压注浆泵也研制成功。由 于水泥浆液可注性较差，1 8 8 4 年化学浆液在印度闯世，并用于建桥固砂工程。1 8 8 7 年到1 9 0 9 年，德国和比利时先后获得水玻璃注桨材料和双液单系统注浆法专利。 1 9 2 0 年，乔斯顿( j o o s t e n ) 发明了用水玻璃、氯化钙注浆的“乔斯顿注浆法”。二_ 卜 世纪四十年代，注浆技术的研究和应用进入一个鼎盛时期，各种水泥浆材和化学 浆材相继问世，尤其是六十年代以来，有机高分子化学浆材得到迅速的发展。随 着注浆材料的飞速发展，注浆工艺和注浆设备也得到了巨大发展，注浆技术的应 用规模越来越广，它涉及到几乎所有的岩土和土木工程领域，比如矿山、铁路、 油田、水利水电、隧道、地下工程、岩土边坡稳定、市政工程、建筑工程、桥梁 工程及地面沉陷等各个领域。但是自从1 9 7 4 年日本福冈发生丙烯酰胺注浆引起环 境污染，造成中毒事故后，化学注浆曾一度陷入低谷。日本由此禁止除水玻璃之 外的其它注浆材料的应用，世界各地也禁止使用毒性较大的化学浆材。l 十年代， 由于化学浆材的性能改善，化学注浆技术又得到了继续发展。 目前，注浆技术的发展普及世界各地，研究和施工队伍不断发展壮大。f 本 研究机构有东京大学、京都大学、东邦化学工业及研究所、日本化学工业( 株式 会社) 等，另外，注浆工程公司达几十家，其中日本综合防水株式会社在东南弧 和香港等地的承包注浆工程享有盛誉。美国从事注浆研究的公司有西北大学、斯 坦福大学、氰胺公司等。美国联邦公路部署主持两项研究，一是研究注浆现状和 工艺，二是评价现有化学注浆材料。英国从1 9 1 9 年开始成立注浆研究公司，目前， 英国有六个大的注浆公司在国内外承包注浆工程。德国从事注浆研究的有柏林夫 2 昆明理1 大学工程烦。卜学位论文 学、卡尔斯路赫大学、慕尼黑大学、纽伦堡基地研究所和埃森矿业研究中心。 l ，2 2 国内注浆技术发展现状 我国注浆技术的研究和应用较晚。五十年代初期，我国才开始使用注浆技术。 四十年来，我国在注浆技术方面的研究和应用发展迅速，规模较大。最具权威性 的研究机构有水利电力科学研究院、煤炭科学研究院、长沙矿业研究院、广州中 国科学院化学注浆公司、铁道科学研究院、清华大学、东北大学、中国矿业大学、 同济大学和中南工业大学等。1 9 9 1 年，中国岩石力学与工程学会成立了岩石锚圄 与注浆技术专业委员会。 显然，注浆技术在地下工程中占据重要地位，美国地下工程工艺研究协会与 发展分会提出了按优先考虑原则依次排出的l5 个研究课题中，注浆技术研究课 题居于第二位，可见，注浆技术受到世界各国的普遍重视。 昆明理t 火学丁程硕士学位论文 第一章余川镍矿岩体工程地质特征 第二章金川镍矿岩体工程地质特征 会川硫化铜镍矿床，原称甘肃省永昌县自家咀子硫化铜镍矿床。自1 9 5 8 年发 现以来，经甘肃地矿局第六地质队勘探证实，矿床规模巨大，矿体集中，金属储 量丰富，可供利用的有益伴生组分众多，与国内外同类型矿床相比是罕见的。 金川矿床长约6 5 k m ，宽几十米至五百多米，延深达千米以上。含矿母岩为 超基性杂岩体，由于北东东向斜切断层破坏或相隔，将含矿超基性岩体分成四个 相对独立的矿区，由西向东依次为三矿区、一矿区、二矿区、四矿区。一、二矿 区已开发，三、四矿区尚未开发。 一矿区长约1 5 k m ，矿体埋藏浅，有一个主矿体，镍金属储量占全矿区1 6 5 ，：二矿区规模大，长约3 k i n ，矿体埋藏较深，距地表2 0 0 3 8 0 m ，矿体向深部 延深千米以下，矿体厚大，最大水平厚度达2 0 0 m 以上；镍金属储量占金川矿床 的7 5 2 ，矿体富，含镍金属2 以上的富矿石占二矿区镍金属储量的7 6 ，二 矿区有两个主矿体，即西部一号矿体，东部二号矿体。号矿体镍金属储量占二 矿区的7 7 3 ，是二期开采的主要对象。 2 。1 岩体工程地质分类 通过工程地质调套、分析研究，依各类岩体的岩性、地质构造、岩体结构和 水文地质特征等，金川镍矿划分为工程地质岩组( 带) ，归纳出各工程地质岩组的 工程地质特征，作为工程地质预测的依据；为采矿工程的地质编录、岩体稳定性 调查分类、工程地质预报及工程岩体稳定性的初步分析、评价提供依据。 会川镍矿工程岩体失稳的决定因素在于岩体的结构特征，起决定作用是软弱 结构面的特性、强度及其相互之间的组合与受力关系；它们直接控制着工程岩体 变形、破坏的发生和发展。所以，金川镍矿岩体分类的核心是岩体结构。 岩体结构是由两个要素组成的，即结构体和结构面。结构面的大小、产状、 密度及其中充填物( 或夹层) 的性质和发育状况，以及被结构面分割的结构体的大 小都是岩体结构类型划分的重要因素。 2 1 1 结构面特征 在会川镍矿地质发展史中，尤其是在地质变形中。在岩体内形成不同类型、 不同方向、不同规模、不同性质的地质界面统称为结构面，如断层、层面、片理、 昆州理丁大学工程颂i ：q - 位论文 第二章盒川镍矿岩怫丁：程地质特征： 一 节理以及侵入体的接触面等。 矿区内结构面的成因类型主要有： 沉积结构面，如第四纪砂砾岩层面： 变质结构面，片岩片理面、片麻岩的片麻理面等； 火成结构面，如火成岩与围岩的接触面，火成岩的原生节理等； 构造结构面，受构造应力作用在岩体中所产生的破裂面或破碎带，包括 节理、断层和层问错动带等。 在金川镍矿有如下发育规律：走向压性断裂，一般规模较大，为矿区的主干 断裂，如f l 、f 1 6 断层等：一组“x ”形扭性断裂，近南北方向规模较小，数量多， 近东西向规模较大，数量少，如f 8 、f 1 6 - l 断层等；横向张扭性断裂，一般规模小， 数量多，如f 1 7 、f c 断层等。 2 。l 。2 结构面的分级 根据结构面的规模、结构面夹层的厚度、成份和岩体破坏程度，对岩体稳定 性的影响，把矿区结构面划分为五个等级，见表2 1 。从表中可以看出： ( ) i i i 级以上( 部分级) 结构面为软弱结构面，v 级( 和部分级) 结构面为 硬性结构面； ( 2 ) 结构面的等级越高，岩体的破坏性越大，对岩体工程稳定性控制越强，影 响范围越大。 表2 - 1 矿区结构面分级表 级荆jj l l i iv 延伸蕺十公盟以上， 长教公里宽1 0 “ 一般延伸在数百米范围长数米、数 连续性差l 勺 蝻构而规模破碎帮宽度十条米 内宽度在1 m 以内的各 1 0 _ ，无甥显厚 刚性接触的 数i 米| ；l 上 左右厦其以下翱l 小的或酶 种破碎带度或小于5 c m 微裂l i i j 主要包括明显不整 微小节型雎 结构而地主要指区域性深太断 合面原生软弱夹小断层、屡衙惜动丽，包括贯通性好 微裂黥亦包 层、层间销动带、 接触面以及萁它小破 l l 勺节理、片理 颤_ 类 i ! 裂 括结台蚶f r ：j 断甚及接能破碎带碎带等层理、劈理等 层理 辞 控制山体稳定制约 不仅破坏了冉 影响压城稳定性、d i岩体破蝽边界和靠 对稳定性所 律稳定性，如工程直式它们之闻戚与i 控刳工程f 9 岩的稳定体的完糖性， 接通过则可作为独缎、i 缓与缓密集 性工程遇到此娄特构蟛响坩仲的强分布随机降 起构作用面时器要加强支护或处虚，而且影响低岩体强度 立的岩体结构类型则带之问相互组台 控制岩体的稳定性构成可能失托的块 理聍柑体的变形 破坏方式 件 f i 6 、f 8 ，岩体蚀銮劈理及延k 性强小节理艟 代袭结构而 l 小断层、小靳脉等 带等 的。性理擞裂隙 昆 州理下人学工程硕- j 二学位论文 第二章金川镍矿岩体1 ：程地质特钲 由结构面切割而成的结构体的级别，取决于结构的相应级别，按规模可划分 为四级结构体：断块体、山体、块体和岩块。结构体都有相对独立性的工程地质 单元，不同单元对矿山开发有不同的影响。 i 级结构体。断块体，由f 1 断层和金川河横向断层等切割的地质单元，它控 制金川镍矿地质发展和区域稳定性，长约7 k i n 以上。 i l 级结构体山体，由i i 、m 结构面或与i 级结构面组合切割而成的工程地质 单元。 i i 、级结构体块体，由级结构面在i i 级结构体内切割而成，i i i 级结构体 控制着地下开采大面积地压的范围和露天开采局部边坡滑移体的范围。 级结构体一岩块，主要由级结构面或i i i 级结构面组合切割成最小级结构 体。 2 1 3 岩体结构类型 综合考虑结构面、结构体的工程地质特征及其对工程岩体不均一性、不连续 性，特别是对岩体工程稳定性影响程度等方面，金川镍矿的岩体结构类型见下表。 表2 - 2 岩体结构分类表 岩体结构籽体完接性主要结构面及其抗剪特征 岩块俯槛抗 h 结构面问距 完整性系数主要结构面磨 强度( m p a ) 娄亚娄级别类型 ( c m ) 擦系戥f 粮体鲭街 i o o o7 6 存在l v 、v 经刚性结构面 0 6 0 控体块状 刚性结构面、局部为破 结 句块状结构 1 0 0 5 0 o 7 5 03 5以、v 轾为主0 4 0 0 6 0 3 0 6 ( 】 碎结构面 嘲性结构面、柔性结构 堪状詹状结构 5 0 3 0o6 0 3 0 i i i 、l v 圾为主 0 3c 卜一06 】 3 ( ) 而 结构 薄屁状鲭构( 3 0 3 0 i l 刚性结构面、破碎结构 镶嵌结构 o 5 0 o3 5i v 、v 掇密集04 0 0 叫 6 f l 碎 面 裂 届状碎裂结 05 0 ( 骨架岩u 、n i ，j v 镪均 。 0 梨斯曩 o 4 002 0 0d 0 结构层中较大)发育 畦碎结构面、泥化结杓 在洲 t 右 构各级结构面舣横丽 碎裂结构 l o o3 00 1 5 0 加 3 ( 】 交纵 节理密集显无序献分布表现为泥包块岩块强度无意 敝体结构 2 0 m为主有最不稳定 滑面十分规模大 ( i i 二) 岩艨侵入坏)检散地雎 发育 多种岩浆 中尊屉蚀 层丽、接 拾徽地堆10 9 - 4 有一定鲻较稳瑚 岩侵入的 壹丈理岩艟面以及 4 卜j 5 60 0 ( 坏佃左右 为主地 中薄层大 层状结构 有岩脉侵 层闻滑动 方允稳矗! 理岩组 面较发育 )压较小 火 ( j 1 1 ，) 删 序层大理块状晶品 接带、 4 0 0 耻 转 蚀变带主班为掉 无地压显 带 岩组块状结构大理岩有 9 7 1 1 08 1 0 0 。0 l m 衄稳立 ( 1 i l j 少量岩脉 少，层面 ( 报好) 块 结台力好 ( i f l ) 多种岩浆 中薄屡蚀 层面层问形变地 岩频繁穿滑动面、0 1 0 _ l压、橙敲 插的中肆 层状碎裂变大理岩欠稳定一 偿大理岩 碎裂结构有大量岩 各种接触 4 l 0 0 ( 报1 0 l 以内塌方地压均 戢侵入 面十分发 坏)有地雎 不稳定 组( 1 i u育较大 均质条带混合岩带 层状镶 柜台岩以 层旧锚 4 ，o 。 松散地噩 嵌碎裂结 盈角闪动，接址 1 1 4 7 1 0 岩、花岗 带节理发 1 6 68( 一 欠稳定 构压较小 岩蒋育殷) 中租粒花 ；i 节理为 4 1 以掉块为形变地压 托岗譬带( v )镶嵌结构6 980 0 0l m 左右 稳嗣 岗岩 主发育 偏小 ( 好) 1 x 卜l 二辉橄撬 主要为小 东部 oo o 1 n 矗书 掉蚨 形蜚地“ 较稳定 岩、撒控 破碎带、 7 65 一i 聃 ( 坏一偏小 _ 禽矿趣基性岩带块状碎裂辉石岩 接触带节 好) ( v 】)结构南矿、贫 理密热 矿、特寓 带东部o 1c 卜 被西部完 西部形变地脒 矿等3 9 1 5 7 2 4 m 有塌方 偏大 灾稳嘲 接( 坏) 8 昆明理：r 大学 = 程硕十学位论文第二章金川镍矿岩体_ t 程地质特征 o 值稳定性分级有：很好、好、一般、坏、很坏和极坏。不同结构类型的岩 体所对应的o 值一般为：散体结构：q = o 0 1 o 1 ( 极坏) ；层状碎裂和碎裂结构： q = 0 1 1 o ( 很坏) ；层状结构：o = 1 0 4 0 ( 坏) ：镶嵌结构：0 = 4 0 4 0 ( 好) ； 块状结构：q = 4 0 o 1 0 0 o ( 很好) 。 据岩体结构、o 值大小并结合工程特性，为工程提出合理的支护型式，具体 如图2 1 所示。 a - 鲁袅岛 图2 1 支护型式选择图 ( 2 ) 岩体地质力学( r m r ) 分类评价法。岩体地质力学( r m r j 分类法是1 9 7 3 年美国的z t b i n e n a w s k i 教授提出的，它针对现场岩体或钻孔岩心的主要6 个力 学参数进行调查统计，6 个参数分别为： 】1 完整岩石材料的单轴抗压强度； 2 ) 岩石质量指标( 月q d ) ： 3 ) 结构面间距； 4 ) 结构面条件； 5 ) 地下水条件； 6 ) 结构面方位。 对前5 个岩体参数进行评价打分，得到5 个胄值r j 、r 2 、r 3 、尺4 、月5 ，然 后得到基本的r m r 值，即r m r = 琅n j 堙+ r 3 + r 4 + r j ，最后利用结构面方位与工程 的关系对r m r 值进行修正，最终得到r m r 值( 见表2 4 、2 5 ) 。 2 2 矿区地应力规律 金川镍地层属早元古代的古老变质岩系。矿区经历了自吕梁运动以来的各自 构造运动，新、老构造体系的多次叠加，致使矿区应力场历经多次变化。 昆 蜘理工大学丁程项d 学位论文销二章金川镍矿岩体t 程地质特铆 表2 - 4r m r 的总体评价与岩体分类表 评价表 1 0 0 8 l8 0 6 l 6 0 4 i4 0 一2 1 分类号ij li l ii vv 椭述非常好的岩体好岩体一般岩体坏崧体非常坏柑体 表2 - 5 置 组岩体分类的意义 升类号f儿i i ij vv 平均自椽时间1 5 l 垮度i o s8 - 垮度6 十月5 m 垮度7 d2 5 m 垮度l o h lm 垮度3 0 m i “ 岩体的凝聚力c ( k p a )7 4 03 0 0 4 0 02 0 0 3 0 01 0 0 2 0 0( 1 0 0 岩律内鼙擦角( d 6 3 5 。一4 0 2 5 一3 5 。1 5 。- 2 5 。( i5 2 2 1 地应力规律 地应力规律是根据区域地质构造调查和原岩应力量测结果分析得到的，两次 地应力测量结果见下表： 表2 - 6金川矿区地应力测量结果描述表 犀大主成力方中闻主戍力冉嫩小土碰山方向和u f 州 槲量位簧嚣性螺度 向和惯角向和倾角倾角( 卑) 二矿地袁1 8 k m 处大理岩2 0z4 m 衄0 。2 0 3m n r1 9 7 7 2 m p a 问火理岩4 4 35m o h n 2 0 4e 二矿西主井1 3 5 0 中 花岗岩3 7 5 1 9 ，8 m p a 段n 3 。e 1 08m p a1 9 7 5 二矿两上井1 2 5 0 中 花崩岩4 8 0 2 4 5 1 p a 1 5 4m p a1 9 8 0 段n 2 5 e 5 0 m p a3 3 4 m p a 2 82 m p a 二矿东剐井j 3 0 0 中 火理岩4 6 0n 1 3 0 fn 7 f i es 6 3 。i !1 9 7 6 段 馕角6 s e 怅俩角6 s e 俩倾抽8 l w 倾 3 2 m p a2 1 4 m p a2 0 6 m p a 二矿1 2 5 0 中段3 8 ” 特寓矿 4 8 0n 3 2 es 4 3 。en 6 0 _1 9 7 8 钉沿脉道 捌角6 s f 恒倾角6 7 。n - 倾倾抽2 2 s e 倾 3 4 4 m p a2 t 1 m p a 26 - d n 龙酋旷i4 6 0 中段1 2 特富矿 2 0 n 4 2 in 4 8 。es 4 1 e 1 0 7 7 行穿辕 钡她3 9 n - 颇 近永平倾角5 l s e 颧 1 6 8 i p a 12l m d a58 m p a 龙阿目、5 8 0 巾段1 d 大理岩1 z on 2 8 4 -n 3 5 4i$ 6 3 i j l q 7 8 行穿酥道 颤角5 l s e 顺愤角1 6 。俩倾角2 8 。n - 倾 2 2i m p a】14 m d a97 m p a 一矿1 2 0 0 中段1 3 彳_ l ： 高矿 5 2 0n 5 46 n 2 7 。-s 5 3 _1 9 h 6 牡时 倾角1 2 。倾角3 3 8 。倾角5 36 1 8 4 m p b9 4 m p a 68 n n 8 二矿1 2 0 0 巾段2 l 行 亩矿5 2 0n 3 3 r ；8 5 w s d 7 。_ 巷逆 愤角2 1 6 。 倾姐5 67 。倾角2 d 。 2 0 5 m p a 91 9 m d 3 9 9 p a 同l 商矿 5 2 0n 8 6 。n 7 en 1 0 w1 9 8 6 倾，自4 7 。倾角2 8 。倾珀4 29 昆删理t ：大学t 程硕j 学位论文第二市盒川镍矿岩体1 ：程地质特符 分析表6 中的实测结果，可得出矿区地应力有如下几个规律： 从求出的应力椭球( 见图2 2 ) 可看出，最大主应力轴接近水平，表层矿 区的地应力以水平应力为主导，并且都是压应力，地下工程的变形破坏迹象也表 明矿区以受水平作用的构造应力为主导。 在应力数值上，表层地应力值较小，最大水平应力值约为3 m p a 左右。该 数量级与华北地区所测的结果相近似，说明矿区地表应力并不大。但应力值随深 度增加而增大，在2 0 0 - 5 0 0 m 深度最大主应力值一般为2 0 3 0 m p a ，最高达5 0 m p a 。 平均水平应力和垂直应力的计算公式为： 口，2 r h 9 = 3 于口0 4 笏力( 肝a ) 式中口r 为垂直应力( m p a ) ：o 何为平均永平应力( m p a ) ；，为容重“m 3 ) ；h 为深度( m ) 。 矿区水平应力随深度变化曲线见图2 3 。该图表明；随深度的增加，水平最 大主应力与最小主应力的差值有增大的趋势，这对地下工程的稳定是不利的。平 均水平应力随深度增加而增大，它与上覆岩层自重的比较见圈2 - 4 。 爸娄戛篓凌笺兰多一鬟荨董兰若笺蔓苫毒詈箩一一 弋受至豸量至三遥三三 兰量；藿至；藿三三 一墅诞至多多廷萎多乓兰至多一 一塞兰毽耋妻乏篓； 图2 2 金川二矿区1 3 0 0 中段测点不同法线方向各截面应力椭圆图 挹f l t j 理丁_ 大学工程硕f ：学位论文 第二章金川锦矿岩体t 程地质特征 m p a 1 02 03 04 05 06 0 1 0 0 醚 2 0 0 卜、“ 毫3 0 0 卜i 2 、 王4 0 0 1 心 5 0 0 卜、 图2 3 金川矿区水平主应力随深度变化赫线图 注：两虚线间为水平最小主应力范围 两实线间为水平最大主应力范围 m p a 1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 图2 4 金川矿区平均水平应力，垂直应力以及 侧压效应水平应力随深度的变化曲线 图中表明，矿区在一定的深度范围内，水平应力大于垂直应力，且平均水平 应力比垂直应力随深度增加梯度要大，平均水平应力与垂直应力的比值随深度的 变化见图2 5 。 据国内外有关资料的统计，得到的平均水平应力与垂直应力的比值随深度变 化见图2 - 6 。 i 抛 互3 0 0 z 栅 5 0 0 胁 0 1 52z 533 54 图2 - 8 金川矿区平均水平应力与垂直应力比值随深度变化曲线 罗 一 一 昆明理1 。大学工程硕一i 学位论文 第二常金川镍矿岩体1 程地质特征 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 瑶) 0 51 o 1 52 o 2 53 o3 5 f 一- i 臻：r 一卜i k f- 。f 。：。：。，。一j 卜。? 一。：。7 - 。：- 。一。芦 r j 。： 图2 - 6 平均水平应力与垂直应力比值随深度变化 从这两个图来看，金川矿区在地表以下5 0 0 m 以内的变化规律基本与国外测 量结果的统计规律是一致的。 在矿区不同深度和构造部位，所铡得的主应力的方向和倾角有所变化。矿 区东部测出的主应力方向偏东，倾角接近于水平，而矿区西部测出的最大主应力 方向偏西，与水平面夹角较大，这说明在不同的构造部位其应力值的大小与方向 都有所变化。 2 2 2 矿区地应力来源 前节叙述了矿区的地应力规律，那么地应力是如何形成的? 现国内外专家普 遍认为矿区地应力的来源主要有以下五个方面： ( 1 ) 由岩体自重引起的地应力。在她表以下h 处，仅考虑岩体自重，则垂直应 力( o ，) 和水平应力( 口坊分别为： 口。= pg h 盯产百9 曲 式中p 为密度；g 为重力加速度；v 为泊松比，取v = o 2 5 0 3 l ，这显然仃。 口v ，这说明矿区地应力并非单纯由岩体自重所引起。 ( 2 ) 板块运动引起的地应力。据板块构造分析，金川矿区位于中国大陆的主应 力迹线之中；因此，矿区地应力场主要受新构造应力场与构造残余应力场所控制。 昆踢理t 大学t 程谈：学位论文 第二章命川镍矿岩体t 程地威特征 溺至萋 印 图2 7 中国大陆板块图 ( 3 ) 剥蚀引起的地应力。由于地壳表层被风化剥蚀，以致垂直应力相对降低， 水乎应力若相对保持不变。在这种情况下，水平应力显然比现有岩体自重引起的 垂直应力要大得多。 ( 4 ) 封闭应力。岩石是非均质介质。当地壳经受压力或温度的变化以后，岩石 中的各种晶体将产生变形，由于晶体之间存在有一定的摩擦力，在变形的过程中， 局部受到阻碍，引起了应力积累。在这种情况下，即便卸载，变形也不能完全恢 复。因此，岩石中有部分应力被封存，并且处于平衡状态，这部分应力称为“封 闭应力”。在矿山工程实践中也经常可以遇到封闭应力释放的现象，如“岩爆”和 “饼状岩心”。 ( 5 ) 构造残余应力。在造山运动中，岩层在强大构造应力作用下，产生断层、 折皱等构造形迹。在它们形成过程中，并没有使全部构造应力得以释放，而有 部分残余应力得以封存，而处于平衡状态。当工程开挖后，这部分构造残余应力 就要释放。在矿山地下巷道中经常可看到因构造残余应力而引起的变形破坏。 2 3 矿山岩体的力学特征 岩体是经历过多次而反复的地质作用，遭受过变形破坏，形成一定的岩石成 分、一定的结构、赋存于一定的地质环境中的地质体。岩体力学特性就是已经破 坏的地质体在应力的作用下再变形和再破坏的规律。 金川镍矿岩体是个复杂的地质体，它的复杂性主要在几个方面： ( 1 ) 岩体赋存环境复杂性； ( 2 ) 岩体本身条件的复杂性。 影响岩体力学性质的因素很多，具体为：岩性、岩体结构、地应力、地f 水、 1 4 昆i w 理丁大学工程硕：l 学位论文 第二章金川镍矿岩体丁程地质特j ： 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 性质的最主要因素，即“岩体结构控制论”。 2 3 1 岩石的力学性质 岩石的力学性质是单块完整岩石材料的力学特性。它一般采用室内岩石试件 的力学试验参数指标和试验曲线来反映。如通过岩石的单轴压缩试验可求出岩石 的单轴抗压强度( 口。) 、弹性模量( 占) 和泊松比( 矿) 。 231 1 岩石的物理性质 反映岩石物理性质的参数主要有：密度、比重、孔隙率、含水量和吸水率等。 会川镍矿岩石的物理性质参数测试结果见表2 7 。 表2 7金川镍矿岩石物理性质参数测试结果表 蝌度自然吸水率 岩石名称比重孑l 隙率( 研 碗j 韭软化系数( ( g c 一) ( 船 火理岩 2 5 7 一z 8 627 i 一2 9 d10 25 60j l 8 9 2 4 1 607 3 一i 蝌 = 辉微榄岩 29 32 9 3 501 70 1 一10 贫矿 3 0 2i l 50 l 一0 5 育矿 30 530 7 31 20 8 1 - 220 卜09 特富矿4 8 7 4 6 2 2l50 ，1 3 一o4 6 掘合芊2 6 2 2 7 0 27 l02 5 03 73 7 0 - 4 7 dod 9 08 8 花岗岩 2 6 2 - 2 ，6 93 1 2 4 8 50 7 9 - 09 2 群踩岩 26 4 2 8 6 28 5 03 3 7 0 4 7 4仉9 7 斜长角c q 岩 26 53 1 206 2 岩石的物理性质是岩石矿物组成、结构构造的综合反映。因此，它也是影响 岩石力学性质的主要因素之。 2 3 1 2 金川岩石的强度特性 矿区岩石的各种强度指标测试结果见表2 - 8 。 甚i 岿理1 。人学工程硕j ：学位论文 第二章会川镍矿岩体1 程地质特 i i t 表2 8金川二矿区岩石力学参数测试表 m 讲1 l 乖轴压缩变角翦刚性试验 验 内 抗拉强 ￥。石弹性模斑 抗瑾凝聚蜂值强聩余度 英疆量强度公撺弹性横 u 札 强度泊i 登比力 度 强度泊轮比 ( 9 p a ) f e 角 量( 9 1 a ) ( 9 p a ) ( m p a )( m p a )( 9 p a ) 1 0 6 1 a )( ) 西部 柏一i501 2 0 3i - 80 1 8 06 9 一】z 6 91 5 一5 56d 一76 理。 9 2 2 7 5 22 西龋二二i ，5 l4 0 i0 z 2 04 31 0 5 一1 9 3】5 一l9 一】001 6 一o69 1 9 辉橄榄 8 一i l a d i 量5 6 02 65553 78 4 3 5 。 7 o + 西部童 0 2 8 - - 04 35 25 1 15 1 - - 0 o2 b 一041 _ 81 2 0 一1 0 5 3 8 76 7口- d7 05 一1 0 口3 558 733 580 4 3 5 1 0 0 + 西 ；l ；岔 4 0 1 00 2 0 0 9 l2 一1 2 73 8 0 2 5 061 1 3 2 4口一_ 1 004 5 8 0 一j8 0 # 。72 37 59，3 6l 4 5 1 5 0 + 9 5 一1 52 5 7 0 1 8 一o5 2 7j 2 0l h 特寓矿o - - ，1 5 0 4 2 u42 3 d 4 2 9 5 + 永部太 9 9 1 1o 2 一o 4 一 口p 9 5d 6 拌冀33 7 4 5 。 1 0 0 + 求掷贫8 1 6 一l39 9 0 9 - 0 口_1 0 04 2 曰2 592 5 4 2 7 o 琦、部商 7 8 一1 336 6 0l 争0 仰2 1 0 2 5 一l02 9 - - 0 口 + ， 7 04 64 5 7 矿723 5003 2 d 6 0 9 5 4 7 9 10 3 2 1 o1 3 一o 充填体口 一，0 9 53 8 1 951 7 3 8l 分析表中数据可知： 矿区单块岩石的单轴抗压强度较高，一般为4 9 - - 一1 6 0 m p a ，雨抗拉强度较 低，为4 1 1 9 8 m p a ，约为口。的1 1 0 ，反映了岩石抗压不抗拉的特性； 同一种岩石，因样品采集的位置不同，试验值差异也很大： 岩石的强度不是一个固定值，它可随围压、加载速度和时间的变化而变化。 昆明理下大学l t 程硕：j 学位论文 第一二章金川镍矿岩体工程地质特行 _ - - - - _ _ 一” 见表2 - 9 所示，反映了强度随围压增加而增大的情况。 据岩石刚性试验褥知，岩石破坏后仍有一定的强度，即残余强度，可达1 5 一 1 5 m p a 。 表2 - 9 金川矿区矿岩三轴试验结果表 圉压抗压强度弹性横量 泊栓比凝浆力c内摩擦姐 岩石名称 ( m p a )( m p a )c d ( 】p a ) ( m p a ) 1 01 5 5 69 3 0 2 夫理岩3 02 3 967d 7 022 6d 0 5 0：j 6 081 1 8 3 0 3 2 2 6 2i 2 0o 2 4 二辉橄撬岩 3 03 2 999 3 7o3 63 51 5 。 5 04 5 93l l2 602 ：j l oj 6 6 571 0o 2 8 贫p 。3 02 3 46 93 703 l 1 6 2 8 d 8 ： 7 。 5 d4 4 1 1 1 2z 5 0 3 6 1 0 1 7 8158 003 i 市矿3 0 2 4 7 569 0：1 8：h 。 s 03 2 7 96 5 7o3 2 l o2 6 2 91 0 7 0o 2 6 特高矿3 04 6 78 0 002 i2 3 4 75 6 。一d g 。 5 06 1 61 0 5 002 1 2 3 1 3 岩石的变形特性 从岩石的蠕变试验可得出岩石变形的全过程曲线，见图2 8 。图中曲线所示 岩石材料变形由四个阶段组成：如为瞬时变形：幻为阻尼流动变形；妇为常速 流动变形；耐为加速变形，即破坏阶段。 8 d 一一7 一t a _ 11 ) 匕二二二二：二= ： 卜 1 一 口1 0 。一一一一t + 一s 图2 8 岩石变形过程曲线图2 9 弹性变形时应力一应变曲线 昆叫理工大学工程硕士学位论文第二章金川镍矿岩体工程地质特 i i ， 瞬时变形以弹性变形为主，弹性变形时的应力一应变曲线成线性相关( 图 2 - 9 ) ，服从虎克法则： 占2i 。 粘性流动变形以塑性变形为主，也包含有弹性变形，应力一应变曲线见图 2 1 0 。 粘性流动变形的本构方程为著名的牛顿方程： = 式中口，为流动变形初始应力) ；叼为材料的粘滞系数。 由试验可知，矿区岩石具有明显的流变特性( 见图2 一1 1 ) 。但不同的岩石其变 形型式和变形过程是不相同的。图2 。1 1 为二矿区几种主要岩石的应力一应变曲 线，从图2 1 1 中曲线可以看出： 图2 1 0 粘性流动变形时应力一应变曲线 一1 糯 重1 4 0 6 瑚 和 2 d o 图2 1 1 金川二矿区1 号试