冬瓜山铜矿出矿巷道围岩稳定性分析及控制技术研究.pdf

中图分类号 U D C T U 4 5 7 6 2 4 硕士学位论文 学校代码l Q 5 3 3 密级公珏 冬瓜山铜矿出矿巷道围岩 稳定性分析及控制技术研究 S t a b i l i t yA n a l y s i sa n dC o n t r olT e c h n i q u esR e s e a r c h o nt h eS u r r o u n d i n gR o c ko ft h eO r e - d r a w i n gR o a d w a y i nD o n g g u a s h a n C o p p e rM i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 舒计步 土木工程 岩土工程 资源与安全工程学院 唐礼忠教授 论文答辩日期冱丝 ￡ f答辩委员会主席 中南大学 二。一四年五月 万方数据 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教育机构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已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全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并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名螂 导师签名乏必 日期超出L 年上月型日 万方数据 硕士学位论文摘要 冬瓜山铜矿出矿巷道围岩稳定性分析及控制技术研究 摘要深部岩体复杂的物理力学环境大大增加了出矿巷道的围岩稳定 性问题，是深部岩体力学研究的重大课题。本文结合冬瓜山铜矿底部 结构出矿巷道的围岩稳定性问题，采用室内岩石力学试验、现场地质 调查、数值模拟和理论分析等方法，研究了出矿巷道在构造应力以及 动力扰动作用下的围岩稳定性。本文主要研究内容和成果如下 1 、对影响巷道围岩稳定性的主要因素以及巷道围岩与支护结构 的协调作用原理进行归纳总结，并进行了圆形巷道的弹塑性力学分析， 得到了巷道周边围岩弹性区和塑性区的位移和应力变化规律，结合 F L A C 3 D 软件对应力变化规律进行了验证，并指出直墙拱形巷道弹塑 性力学分析的当量折算法。 2 、进行冬瓜山5 2 线1 6 、1 7 、1 8 撑采场未支护时的出矿巷道在 采场回采以及回填时的稳定性情况进行F L A C 3 D 数值模拟，并对冬 瓜山铜矿实际的支护效果进行现场调查，将两者结果进行对比，得到 一些有益结论。 3 、进行了冬瓜山铜矿典型矿岩的现场选取以及室内单轴压缩试 验和三轴压缩试验，得到岩石的物理力学材料参数，并对岩石在单轴 压缩下的变形规律和破坏模式进行了研究；采用R M R 法对冬瓜山铜 矿6 0 线以北的围岩情况进行现场地质调查；结合室内岩石力学试验 结果和不同岩性岩体的R M R 评分值，以此为据对室内岩石力学参数 进行折减，折减结果以用于数值分析中去。 4 、对出矿巷道在不同构造应力系数下的位移、塑性区以及最大 拉应力进行了数值分析，得到高地应力条件下水平构造应力对出矿巷 道围岩稳定性的影响，揭示出矿巷道围岩的变形破坏特征。 5 、进行弹性状态下动力扰动作用对巷道围岩影响的理论分析， 得到入射面质点峰值振动速度与巷道临空面质点峰值振动速度的关 系，并对弹塑性状态时的情况采用F L A C 3 D 软件进行模拟得到；进 行动载峰值应力以及动荷载作用时不同构造应力系数下出矿巷道的 力学变形规律的研究。 6 、对锚杆、钢筋网以及喷射混凝土联合支护作用下冬瓜山铜矿 出矿巷道的围岩力学响应进行F L A C 3 D 数值分析。 关键词出矿巷道；动力扰动；数值模拟；围岩稳定性；围岩控制 分类号T U 4 5 7 J | 万方数据 硕士学位论文A B S T R A 了 S t a b i l i t yA n a l y s i sa n dC o n t r o lT e c h n i q u e sR e s e a r c h o nt h eS u r r o u n d i n gR o c ko ft h eO r e d r a w i n gR o a d w a y i nD o n g g u a s h a nC o p p e rM i n e A B S T R A C T T h ec o m p l e xp h y s i c a lm e c h a n i c se n v i r o n m e n to ft h e d e e pr o c km a s sh a sg r e a t l yi n c r e a s e d t h e s t a b i l i t yp r o b l e mo ft h e s u r r o u n d i n gr o c ko ft h eo r e ．d r a w i n gr o a d w a y ，w h i c hh a sb e e na n i m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c to fd e e pr o c km e c h a n i c s ．C o m b i n e dw i t ht h e s t a b i l i t yp r o b l e mo ft h eo r e d r a w i n gr o a d w a yw h i c hl o c a t e da tt h eb o t t o m o ft h es t o p ei nD o n g g u a s h a nc o p p e rm i n e ，t h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n g r o c ko ft h eo r e ．d r a w i n gr o a d w a yu n d e rd i f f e r e n tt e c t o n i cs t r e s sa n d d y n a m i cd i s t u r b a n c ei S s t u d i e dt h r o u g ht h ew a yo ft h ei n d o o rr o c k m e c h a n i c se x p e r i m e n t ，t h ef i e l dg e o l o g i cs u r v e y , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h ef o l l o w i n gc o n t e n t sa r em a i n l ys t u d i e d a n da n a l y z e di nt h i sp a p e r 1 ．T h es u m m a r yo ft h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h es t a b i l i t yo ft h e s u r r o u n d i n gr o c ko ft h eo r e ．d r a w i n gr o a d w a ya n dt h e c o o r d i n a t i o n m e c h a n i s mo ft h es u r r o u n d i n gr o c ka n dt h es u p p o r t i n gs t r u c t u r ea r e c o n d u c t e d ．B e s i d e s ．t h ee l a s t i c - p l a s t i ca n a l y s i so fc i r c u l a rt u n n e l i Sm a d e t og e tt h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sc h a n g er u l eo ft h ee l a s t i cz o n ea n dt h e p l a s t i cz o n eo ft h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h eo r e d r a w i n gr o a d w a y ．A tt h e s a m et i m e ．t h es t r e s sc h a n g er u l ei sv e r i f i e dc o m b i n e dw i mF L A C 3 D s o f t w a r e ．T h ee q u i v a l e n tm e t h o dw h i c hC a nb eu s e dt oa n a l y z et h e e l a s t i c ．p l a s t i cm e c h a n i c so ft h es t r a i g h tW a l Ia r c ht u n n e li sp o i n t e do u t ． 2 ．1 1 1 e s t a b i l i t y o ft h e u n s u p p o r t e do r e d r a w i n gr o a d w a y i n D o n g g u a s h a n 16 ， 1 7 ， 18s t o p el i n e5 2i ss i m u l a t e db yF L A C 3 D w h e n t h em i n i n ga n db a c k f i l l i n go fs t o p e ．B e s i d e s ，t h ea c t u a ls u p p o r t i n ge f f e c t o fD o n g g u a s h a nc o p p e rm i n ei s s u r v e y e do ns p o t ．So m eb e n e f i c i a l c o n c l u s i o n sC a nb eo b t a i n e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h et w os i t u a t i o n s ． 3 ．U s i n gt h et y p i c a lr o c ks a m p l eg e tf r o mD o n g g u a s h a nc o p p e rm i n e ， t h ee x p e r i m e n to fi n d o o ru n i a x i a lc o m p r e s s i o na n dt r i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s ti sc a r r i e do nt oo b t a i nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lm a t e r i a l p a r a m e t e r so ft h er o c k ，m e a n w h i l e ，t h ed e f o r m a t i o nl a wa n dt h ef a i l u r e m o d e so fr o c ku n d e rt h eu n i a x i a lc o m p r e s s i o na r es t u d i e d ．T h eg e o l o g i c a l s i t u a t i o no ft h er o c ki nt h en o r t ha r e ao ft h eD o n g g u a s h a nc o p p e rm i n e 万方数据 硕士学位论文 A B S T R A C T l i n e6 0i Si n v e s t i g a t e dw i t ht h em e t h o do f 剐M R ．T h er e d u c t i o no ft h e m e c h a n i c sp a r a m e t e r si sm a d ef o rn u m e r i c a la n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h e i n d o o rr o c km e c h a n i c se x p e r i m e n t sa n dt h e t h eR M Rs c o r ev a l u e s o b t a i n e df i o mt h ef i e l dg e o l o g i c a ls u r v e yr e s u l t s ． 4 ．T h ed i s p l a c e m e n t ，t h ep l a s t i cz o n ea n dt h em a x i m u mt e n s i l es t r e s s o ft h eo r e ．d r a w i n gr o a d w a yu n d e rd i f f e r e n tt e c t o n i cs t r e s sc o e 伍c i e n ti S a n a l y z e dt og e tt h ee f f e c to ft h eh o r i z o n t a lt e c t o n i cs t r e s so ns t a b i l i t yo f t h eo r e ．d r a w i n gr o a d w a y , w h i c hr e v e a l st h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c so f t h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h eo r e ．d r a w i n gr o a d w a y ． 5 ．T h ei n f l u e n c eo ft h es u r r o u n d i n gr o c ko fo r e ．d r a w i n gr o a d w a y u n d e rd y n a m i cd i s t u r b a n c ei St h e o r e t i c a la n a l y z e di ne l a s t i cs t a t e ，w ec a n k n o wt h er e l a t i o n s h i po ft h ep e a kp a r t i c l ev i b r a t i o nv e l o c i t yb e t w e e nt h e i n c i d e n tp l a n ea n dt h ef r e ef a c eo ft h er o a d w a y , a n dt h a to fm e e l a s t o p l a s t i c s t a t eo b t a i n e db vF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h e m e c h a n i c sd e f o r m a t i o nl a wo ft h eo r e ．d r a w i n gr o a d w a yu n d e rt h ea c t i o n o fd y n a m i cl o a d i n gp e a ks t r e s sa n dd i f f e r e n tt e c t o n i cs t r e s sc o e m c i e n t w i t hd y n a m i cl o a di ss t u d i e da sw e l l ． 6 ．T h es u r r o u n d i n gr o c km e c h a n i c sr e s p o n s eo ft h eo r e ．d r a w i n g r o a d w a y u n d e rt h ec o m b i n e d s u p p o r tp a t t e r n o f b o l t ，b a r m a t r e i n f o r c e m e n ta n ds h o t c r e t ejo i n ti sa n a l y z e db yF L A C 3D ． K e yw o r d s o r e d r a w i n gr o a d w a y ；d y n a m i cd i s t u r b a n c e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k ；c o n t r o lt e c h n o l o g y C l a s s i f i c a t i o n T U 4 57 V 万方数据 硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅳ 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅵ 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 问题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 巷道稳定性分析方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 巷道围岩变形控制理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 巷道围岩支护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．5 本文主要研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．6 本文主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 巷道围岩变形破坏理论与实际研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．1 深部巷道围岩的变性特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 巷道围岩变形破坏的主要影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．1 地质因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 工程因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 巷道围岩破坏类型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 巷道围岩应力的弹塑性力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．4 ．1 力学简化模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．2 平衡微分方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 2 ．4 ．3 塑性屈服条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．4 ．4 巷道围岩的弹塑性应力和位移⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．5 当量半径折算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 ．6F L A C 3 D 应力分析验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．5 巷道围岩与支护的共同作用原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 9 2 ．6 冬瓜山铜矿出矿巷道稳定性数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 2 ．6 ．1 冬瓜山铜矿地质特征概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．6 ．2 实际开采过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．6 ．3 开采过程简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．6 ．4 几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．6 ．5 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．7 冬瓜山铜矿出矿巷道破坏情况调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 6 2 ．7 ．1 蛇纹岩与矽卡岩接触带⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 V l 万方数据 硕士学位论文目录 2 ．7 ．2 粉砂岩区段底部结构围岩状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．7 ．3 围岩离层和碎裂化现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．8 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．冬瓜山铜矿岩石物理力学性质研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．1 岩芯试样选取与试件制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．1 ．1 岩芯试样的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l 3 ．1 ．2 岩芯试样的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．2 岩石密度、强度和静力变形参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．2 ．1 试验仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 ．2 矿岩密度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 ．3 矿岩强度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．2 ．4 矿岩变形参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．3 岩石力学参数工程折减⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．3 ．1 基于R M R 方法的矿山地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．3 ．2 地质调查实施及结果汇总⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 ．3 岩石力学参数工程折减⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 构造应力场中巷道围岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．1F L A C 3 D 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．1 ．1F L A C 3 D 软件的求解流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．1 ．2 F L A C 3 D 程序中土体的本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．1 ．3 F L A C 3 D 摩尔．库伦模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．2 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．2 ．1 几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．2 ．2 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．3 构造应力对巷道围岩稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．3 ．1 对巷道围岩位移的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 ．2 对巷道围岩最大拉应力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 ．3 对巷道围岩塑性区的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．4 垂直应力对巷道围岩稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 4 ．4 ．1 对巷道围岩位移的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．4 ．2 对巷道围岩最大拉应力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．4 ．3 对巷道围岩塑性区的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 万方数据 硕士学位论文目录 5 动力扰动作用下巷道围岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 ．1 几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 ．2 初始应力场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．1 ．3 动力计算条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．2 动力扰动作用下巷道围岩的力学响应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 7 5 ．3 动荷载峰值应力对巷道围岩稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 5 ．3 ．1 对巷道围岩位移的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．3 ．2 对巷道围岩塑性区的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．4 动荷载作用下构造应力系数对巷道围岩稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 5 ．4 ．1 对巷道围岩位移的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．4 ．2 对巷道围岩塑性区的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 5 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 6 冬瓜山铜矿出矿巷道围岩稳定性及控制技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．1 冬瓜山铜矿出矿巷道支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 6 ．1 ．1 冬瓜山铜矿出矿巷道支护概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．1 ．2 冬瓜山铜矿出矿巷道支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 8 6 ．2 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 攻读硕士期间发表的论文及学术成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 5 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 矿产资源作为现代文明发展的一个重要支柱，为经济发展提供了所需的原材 料，是国民经济发展的基础【1 ．3 】。基础设施建设的进步、经济的快速发展，使得 我国对矿产资源的需求量也在不断加大，随着浅部矿产资源的日益减少，越来越 多的矿山开采深度逐渐加大，开采条件也大大恶化，在开采过程中也相应的出现 了许多围岩失稳和支护破坏等问题【4 00 1 。 随着矿山浅部资源的不断减少，国内外许多金属矿山的开采深度一直在不断 地增大，近年来，越来越多的矿山开采深度超过1 0 0 0 m ，目前，南非已有金属矿 山计划向大于3 5 0 0 m 的超深部发展【4 ，1 1 。4 1 。深部岩体处在“三高一扰动”特殊的 地质力学环境之中，表现出了是与浅部岩体不同的变形特性、能量规律及破坏模 式，同时矿山开采也引起了采空区失稳、巷道围岩稳定性、岩爆等问题【l 5 ‘1 9 】。 矿山进入深部开采后，除了自重应力不断增大，对于深部岩体，构造应力往 往大于自重应力，其对岩体稳定性的影响越来越大，浅部开采时表现为硬岩特性 的岩体表现出软化特性、大变形、分区碎裂化、岩爆以及难支护、支护破坏等特 划9 ，2 0 1 。矿山的回采、回填以及他们引起的扰动作用打破了岩体中原有的应力平 衡状态而发生应力重分布，当应力超过岩体强度时，巷道围岩便会发生变形和破 坏，在巷道的开挖过程中，就需要及时采用喷射混凝土及锚杆等方式进行支护， 此外，随着开采深度的逐步加大，高地应力等复杂条件以及采场开挖回填等共同 作用下，出矿巷道更加容易出现挂网脱落、顶板破坏、锚杆拔出等问题，因此， 研究深部矿山出矿巷道的稳定性就显得尤为重要[ 1 5 - 1 8 , 2 1 , 2 2 ”。 此外，矿山处于复杂的地质环境之中，包含着许多不同的岩性，出矿巷道可 能位于不同的岩性之中、甚至处于岩层分界处，在应力场及开采回填作用之下， 出矿巷道将表现出不同的变形规律【2 2 彩】。研究巷道在不同岩性中的力学特性和变 形规律也很有意义。通过冬瓜山铜矿现场地质调查发现，当出矿巷道位于岩层分 界处时，分界处的岩体更加容易发生破坏。 深部巷道出现失稳及破坏的事故，不仅会给矿山带来不必要的经济损失，同 时，重复支护也会给矿山的安全生产造成威胁，因此，巷道开挖时，就需要考虑 到巷道的稳定性问题，同时，需要考虑到爆破振动对矿山巷道的重复作用，合理 的选用必要的支护措施和加固手段，保证巷道的稳定性，减少重复支护，保障矿 山的安全生产作业。 安徽省铜陵有色集团冬瓜山铜矿位于沿江多金属成矿带上的铜陵市狮子山 矿田内，是国内典型的超千米深井金属矿山，深部开采矿山原岩应力较大，现场 实测资料显示，．9 3 0 m 深度测点最大主应力高达3 8 ．1 M P a ，且水平构造应力为主， 1 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 矿山岩体表现出深部力学特性，具有高应力、大变形、难支护的特点，并具有岩 爆倾向性。巷道开挖后，巷道周边围岩发生应力重分布，次生应力较大，围岩在 支护前后容易出现稳定性问题，矿山采场的开挖引起的爆破振动作用更是加剧了 这一问题的严重性。 通过对冬瓜山铜矿巷道围岩破坏情况的现场调查，发现巷道在不同部位出现 了不同程度的破坏，比如巷道顶板碎裂化、顶板离层、巷道两帮鼓出、锚喷支护 钢筋网脱落等，这些都给矿山的安全造成了很大的威胁。矿山深部巷道处在复杂 的地应力状态下，水平构造应力与垂直应力比值不同时，巷道围岩表现出不同的 变形规律和破坏模式，此外，不同方向爆破振动的作用也会给巷道围岩造成不同 程度的影响，因此，研究巷道在不同构造应力系数以及爆破振动下的影响，对深 入揭示矿山巷道围岩力学特性、变形规律有着重要意义，也可以为矿山巷道的支 护设计提供理论依据。 1 ．2 巷道稳定性分析方法研究现状 在进行巷道围岩稳定性分析时，常用的方法有理论分析法、数值计算法、现 场监测法、围岩分类法、人工智能方法和反分析方法等。 1 理论分析法 对于围岩稳定性的力学分析，最开始的是1 9 世纪对以土层为主的松散地层 进行研究，发展到现在对各种应力状态下的软岩、硬岩以及破碎岩体等的研究， 研究内容也更为丰富，包括围岩的稳定性分析、分区碎裂化、岩爆机理以及支护 技术等各个方面，许多专家学者也得到了各种有益结论，丰富了岩石力学的知识 体系。围岩压力理论的发展主要经历了古典压力理论、散体压力理论以及弹性力 学理论和塑性理论，巷道在进行开挖时，由于自由面的形成使巷道周边围岩在卸 荷作用下发生应力重分布，如果围岩应力小于岩体的弹性极限强度，则岩体处于 弹性状态，否则，围岩将进入塑性状态，进入塑性状态的围岩会发生不可恢复的 塑性变形，需要注意的是，围岩发生塑性变形并不一定会出现失稳破坏，软岩巷 道在进行支护时，允许围岩发生一定的塑性变形后再进行支护，因此，现阶段弹 塑性理论在围岩压力和围岩稳定性分析时得到了广泛应用，蒋斌松、张强等将圆 形巷道围岩变形分为破裂区、塑性区和弹性区三种，应用弹塑性理论对巷道开挖 后周边围岩的应力和变形进行了理论分析，得到了处于破裂区、塑性区和弹性区 的应力、位移的封闭解析解，并确定了破裂区和塑性区的半径【2 6 】。由于岩体工 程的复杂性，岩体内部往往存在节理、裂隙、断层等不良地质，岩体往往都是各 向异性的，运用理论分析法，需要假设岩体是均质、各向同性的连续介质，然后 利用弹塑性方法进行力学计算，得到围岩的应力状态和位移状态，但是，这种方 法适合于圆形断面的巷道，对于复杂形状的断面巷道其求解则需要进行很多的简 2 万方数据 硕士学位论文1 绪论 化和假设，得到的结果也不具有普遍适用性【2 7 抛】，因此，对于像类似冬瓜山铜矿 直墙拱形断面巷道的围岩压力和稳定性分析，数值分析法起到了重要作用。 2 数值计算法 随着计算机技术的不断发展，数值计算软件在岩土工程领域得到了推广和应 用【3 0 。3 3 1 ，慢慢成为岩土工程领域中设计和研究的一个重要手段，数值方法主要有 两大类，分别为连续介质方法和非连续介质方法，根据不同的数值方法开发了不 同的数值分析软件，基于有限元法的A N S Y S 、A B A Q U S 软件、有限差分法的 F L A C 2 D 、F L A C 3 D 软件、离散元的P F C 2 D 、P F C 3 D 软件等得到了越来越多的 应用。杨海军、张继忠【3 4 ，3 5 】对东海深部巷道顶板的稳定性问题进行了现场实测 和基于A N S Y S 的数值分析，两者结果表现出一致的规律。薛亚东、张世平【3 6 J 利用F L A C 3 D 软件对动力扰动作用下巷道的稳定性进行了研究，并对锚杆的支 护作用效果也进行了探索。数值分析计算结果可以与现场监测见过进行比对，对 于揭示岩体不同的力学特性以及稳定性问题有着重要意义，此外，利用数值分析 软件，可以方便的模拟不同工况下的支护效果，对支护参数的选取和优化起到了 指导作用。 3 现场监测法 通过现场监测，可以得到岩体的应力状态以及位移变化等，微震监测系统的 运用，更是可以对矿山巷道、采场在爆破振动作用下的响应进行全面的监测，监 测结果对于矿山巷道、采场等的稳定性分析有着重要意义，并可以预测像岩爆这 种危害性极大的岩体失稳活动。现场监测法包含许多的方面，可以采用C M S 空 区探测仪测定巷道断面的收敛变形，运用钻孔多点位移计可以测定巷道围岩的相 对变形以及巷道围岩内部破坏状态，分析可得巷道围岩的松动范围，为巷道的支 护参数设计提供依据。 现阶段，随着金属矿山开采深度的逐步加大，巷道、采场的稳定性问题越来 越严重，矿山采场、巷道等的监测也变得越来越重要。安徽铜陵有色冬瓜山铜矿、 河北省梧桐庄煤矿等借助微震监测系统，对矿山巷道在深部采场爆破地震作用下 的测点振幅、波的频率、震源距离等进行监测分析，得到了地震波的衰减规律等 特性，对深部矿山围岩破坏规律有了更加深入的认识【3 7 。4 0 1 。对于巷道围岩的松动 圈等的监测，国内外对此已经做过相当多