金川二矿区巷道围岩力学参数空间效应数值分析

1、第23卷 第1期岩石力学与工程学报 23(1：64682004年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2004金川二矿区巷道围岩力学参数*空间效应数值分析侯哲生1 韩文峰2 李 晓1(1中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029 (2天津城建学院 天津 300381摘要 用有限元位移反分析法，对金川二矿区某巷道的围岩力学参数(变形模量 进行了空间效应的数值分析。分析结果表明，在岩体破碎、工程地质条件恶劣且处于高地应力环境中的金川矿区，巷道由于开挖卸荷，岩体质量下降，相应的力学参数变化很大。最后，初步得出了此巷

2、道围岩变形模量的空间分布规律。 关键词 岩体力学，金川二矿区，空间效应，有限元法分类号 TU 452 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(200401-0064-05NUMERICAL ANALYSIS ON SPATIAL EFFECT OF MECHANICAL PARAMETER OF SURROUNDING ROCKS IN JINCHUAN DEPOSIT Hou Zhesheng1，Han Wenfeng2，Li Xiao1(1Institue of Geology and Geophysics，The Chinese Academy of Sciences， Beiji

3、ng 100029 China(2Tianjin Institue of Urban Construction， Tianjin 300381 China Abstract FEM back-analysis of displacement is used to explore the spatial effect of deformation modulus of surrounding rocks in Jinchuan deposit II. After analysis，it is found that the deformation modulus is changed greatl

4、y as a result of excavation and unloading of surrounding rocks which is situated in the environment of high stress field and bad engineering geology conditions. At the same time，the spatial distribution of deformation modulus is obtained. Key words rock mechanics ，Jinchuan deposit II，spatial effect，

5、FEM1 前 言金川镍矿是我国三大资源综合利用基地之一。其矿体长约6.5 km，宽几十到五百多米，深达千米以上。含矿母岩为超基性岩体，被NEE 向斜切断层分割为四个相对独立的矿区，自西向东依次为三、一、二、四矿区。二矿区占金川矿床矿产储量的75%，其中品位在2%以上的富矿又占全矿金属镍储量的76%，因此二矿区的生产和建设是金川镍钴基地建2001年12月24日收到初稿，2002年3月16日收到修改稿。 * 国家重点基础研究发展规划(973资助项目(2002CB412702。设的关键。由于经历了地质构造运动长期的继承性活动，又遭受了岩浆岩频繁的侵入与穿插作用，矿区岩层破碎，完整性差，工程地质条件恶

6、劣，给矿山的生产和建设带来了极大的困难，制约了金川镍矿的开发。尤其处在不良岩层中的巷道，在施工中难以顺利完成。出现这种情况的原因，一方面是由矿区恶劣的工程地质条件和高地应力等因素所致；另一方面，在井巷的设计和施工中，缺乏合理和科学的岩体力学参数依据也是重要原因之一。作者 侯哲生 简介：男，28岁，1998年毕业于西安建筑科技大学采矿工程专业，2001年在兰州大学获岩土工程专业硕士学位，现为中国科学院地质与地球物理研究所在读博士研究生，主要从事岩土工程数值模拟及稳定性分析方面的研究工作。E-mail ：hzscy。第23卷 第1期 侯哲生等. 金川二矿区巷道围岩力学参数空间效应数值分析 65 目

7、前对岩体力学参数的研究方法有现场试验法、室内试验法、经验类比法和反分析法等，由于反分析法具有方便易行等许多优越性，已广泛地应用于实际工程中。反分析法分为应力反分析法、位移反分析法和混合反分析法。其中的位移反分析法更是普遍得到工程技术人员和科研人员的青睐1。对于地下巷道围岩力学参数的位移反分析，目前通常把围岩视作具有均一参数的一种介质，这样所得的反分析参数结果只能是围岩的平均参数值。而实际上，地下巷道开挖后，围岩距巷道壁深度不同，相应的力学参数分布呈现出一定的空间效应。鉴于这种情况，尽管已有人提出过考虑塑性区的双介质模型反分析法，但都不能得出更切合实际的参数空间分布规律。因此，作者在本文中将巷道

8、的围岩分为多层，采用用多点位移计测得的位移资料，实施数值分析方法，对巷道围岩的力学参数空间效应作了一些分析，希望能对这一问题的解决作一点有益的探索。本文选取中国科学院武汉岩土力学研究所和金川有色金属公司1991年“金川镍矿二矿区不良岩层巷道稳定性研究”课题总报告的部分原始位移实测资料，采用弹塑性有限元位移反分析法，对该课题试验巷道开挖后围岩(二辉橄榄岩 变形模量的空间效应做了一些探索，获得了此参数随空间变化的一些规律，以期为今后类似工程的设计与施工提供可靠的岩体力学参数依据。21.5 m的辉绿岩脉外，其余全为二辉橄榄岩，其结构面主要为构造结构面。其中级结构面11条，级结构面35条。巷道各类结构

9、面的密度由NW 向 SE 有递增的趋势。如线密度由4.88条/m增至7.15条/m；面密度由8.32条/m2增至12.62条/m2；RQD 值相应地由46%降至14.98%。试验巷道地质状况 见图1。根据试验巷道揭露的岩性、地质构造与岩体结构等工程地质特征的差异，将其划分为3个工程地质段：第1段(010.8 m，第2段(10.820.6 m，第3段(20.637 m。本文所选取资料为30.5 m断面的深部围岩位移资料。本断面属于第3段中，此段二辉橄榄岩中以，级张性裂隙占优势，按产状划分多于5组，结构体形态复杂，长轴一般为0.20.3 m，呈镶嵌碎裂结构，属碎裂介质。此类结构的岩体在巷道开挖时，

10、其变形破坏受结构面控制，岩体变形以结构面滑移、闭合、镶嵌交合等形式为主。从宏观上看，岩体变形大、扩容现象明 显3。3 钻孔深部位移实测资料本文用于反分析的原始位移资料为该试验巷道多点位移计1#观测断面左孔孔内的最后一次位移观测值。1#观测断面各孔位移观测值示意图见图2，1#观测断面左孔内位移观测值见图33。2 试验巷道地质状况简介试验巷道位于二矿区中段12行底盘穿脉，含 矿超基性岩体临近其底盘的二辉橄榄岩相中。巷道埋深530 m，轴向S5122E ，全长37 m。试验巷道所揭露的岩体，除有一条水平厚度为4 弹塑性模型本论文采用弹塑性有限元分析，屈服准则采用Drucker-Prager 准则，即

11、F =I 1+J 2+ (1 图1 试验巷道地质展开图Fig.1 Geological outspread of test tunnel 66 岩石力学与工程学报 2004年图2 1#观测断面各孔孔内位移观测示意图 Fig.2 Displacement data observed within the bore forsection 1# 图3 1#断面左孔内位移观测值与深度关系 Fig.3 Relation between observed in-bore displacement ofleft bore and depth at section 1#式中：I 1与J 2分别为应力张量第一不

12、变量与应力偏量第二不变量，与为材料参数。5 有限元计算模型 图4 有限元分析模型图 Fig. 4 Model for FEM analysis6 有限元分析方法实际上，当巷道开挖后，随着围岩质量的下降，其力学参数(包括泊松比、粘聚力、内摩擦角和变形模量 均不同程度地发生了变化。严格地讲，应同时对所有这些参数进行反演，但其中变形模量对围岩变形最敏感4，且若反演参数过多将会使计算非常复杂，甚至不可能实现。故在此计算前，各层介质的泊松比、粘聚力、内摩擦角和介质10(支护材料 的变形模量取为已知值(表1 ，只对介质19的变形模量进行分析。本文数值分析手段采用反分析法中的直接法，手工调整待分析参数的输入

13、值，目标函数取为n2S =U s (i U j (i i =1U s (i (2 表1 各层介质力学参数Table 1 Mechanical parameters of every layer层号泊松比内聚力 内摩擦角变形模量 c / MPa /( E /MPa 1 0.25 0.2 38 2 0.25 0.2 38 3 0.25 0.2 38 4 0.25 0.2 38 5 0.25 0.2 38 6 0.25 0.2 38 7 0.25 0.2 38 8 0.25 0.2 38 9 0.25 0.2 38 10 0.245.0508 000第23卷 第1期 侯哲生等. 金川二矿区巷道围岩力

14、学参数空间效应数值分析 67 式中：U s (i 为各测点的实测位移值，U j (i 为各测点的计算位移值。确定了目标函数后，接下来的具体计算过程即为不断调整介质19的变形模量，进行多次计算，比较所有目标函数，最小的目标函数所对应的符合精度要求的参数值即为反分析的最终结果。从具体操作来讲，此调整参数的计算过程是一个参数逐步逼近真实解的过程。首先，选取较大的调整幅度(相邻两次调整的参数差 ，进行若干次计算，得出目标函数最小时所对应的参数值，记为E 1(k ，其中k =1，2，9。判断该解是否符合精度要求，若符合，则停止计算；否则，缩小参数调整幅度，以E 1(k 为平衡值，在其附近选取参数值，再进

15、行若干次计算，将E 1(k 也考虑在内，求各次目标函数的最小值，记为E 2(k 。判断该解是否符合精度要求，若符合，则停止计算；否则，再遵循上面的方法继续计算，直到计算参数值符合精度要求。这一结果即为最终结果(图5 。图5 分析方法框图 Fig.5 Flow chart of analysis在这个过程中，由于人为控制参数带有一定的主观性，故计算过程有可能不能覆盖所有的参数范围。但是，人为控制具有一个显著的优点，即随着计算次数的增加，就会发现目标函数趋于较小值的参数范围，这样可以大大减少计算量，较快地获得预期参数值。虽然这样得到的解有可能带有一定的随意性，即有可能还存在更小的目标函数，但对于工

16、程实际来说，解的精度已经足够了。7 有限元分析结果计算结束后，所得计算位移值列于下表2。 由表2看出，除了距孔口6 m处的计算位移值与观测位移值差别较大外，其他计算位移值与观测位移值均较接近。因此从总体上来讲，反分析所得的变形模量是有效的。对应于上述计算位移值，介质19的变形模量列于表3和图6。表2 计算位移值与观测位移值比较表 Table 2 Comparison of calculated and observeddisplacements距孔口深度/m观测位移值/mm计算位移值/mm0.0 26.54 27.047 0 1.8 11.61 11.753 0 3.5 2.49 2.431

17、6 6.0 0.26 1.082 8 7.20.000.000 0表3 各种介质的变形模量Table 3 Deformation moduli of various media层号 距巷道壁深度范围/m变形模量E /MPa1 0.00.9 700 2 0.91.8 800 3 1.82.7 1 400 4 2.73.5 2 600 5 3.54.7 4 800 6 4.76.0 6 200 7 6.06.6 7 800 8 6.67.2 9 300 97.213.510 000图6 变形模量与围岩位置关系曲线Fig.6 Relation between deformation moduli a

18、nd locations ofsurrounding rocks 68 岩石力学与工程学报 2004年从表3和图6可以看出，从巷道壁向里，二辉橄榄岩的变形模量逐渐增大，其中：(1 02 m范围内，变形模量虽然有升高的趋势，但均在1 000 MPa 左右以下，升高率为150 MPa/m左右。由此估计在巷道壁处，变形模量在700 MPa以下；(2 24 m范围内，变形模量的升高率逐渐增大(曲线的切线斜率逐渐增大 ，从1 000 MPa左右上升到4 500MPa 左右，升高率为1 250 MPa/m左右；(3 45 m范围内，升高率又相对4 m处变小，从4 500 MPa左右上升到5 000 MPa

19、左右，升高率为500 MPa/m左右；(4 57 m范围内，变形模量的升高率再次逐渐增大，从5 000 MPa左右上升到8 000 MPa左右，升高率为1 500 MPa/m左右；(5 7 m以远范围内，变形模量的升高率再次相对变小，从8 000 MPa左右上升到最外围的10 000 MPa。从总体上看，此曲线从左至右呈现出台阶式的上升规律，这与廖勒等提出的洋葱状多重壳层应力分布模型的概念是一致的5。也就是说，在开挖后280 d左右时，从深处到巷道壁方向上，二辉橄榄岩的变形模量呈现出台阶式下降规律，其中在02 m，45 m和7 m以远这3段内，其变形模量变化率相对比较小，在 24 m和57 m

20、这两段内，变形模量变化率相对较大。由此可得，由于巷道的开挖，使靠近巷道壁处的围岩(二辉橄榄岩 的变形模量从10 000 MPa下降到700 MPa以下，后者只有前者的7%。另外，从以上反分析结果看出，最外层岩体的变形模量为10 000 MPa，此值即为岩体未受开挖影响的初始变形模量，因此，在此计算域内岩体的原始变形模量为10 000 MPa。而各介质层因开挖造成的变形模量的下降量则为原始值与变化后值的差，分别列于表4和图7。表4 变形模量变化量与深度关系Table 4 Variation of deformation moduli with depth层号 距巷道壁深度范围/m变形模量变化量E /MPa1 0.00.9 9 300 2 0.91.8 9 200 3 1.82.7 8 600 4 2.73.5 7 400 5 3.54.7 5 200 6 4.76.0 3 800 7 6.06.6 2 200 8 6.67.2 700 97.213.5 图7 变形模量变化量与围岩位置关系曲线 Fig.7 Variation of deformation moduli with locationsof surrounding rocks8 结 论本文通过有限元法，对金川二矿区某试验巷道 开挖后围岩力学参