缓倾斜层状岩体顶板稳定性研究.pdf

中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码至Q 墨墨墨 密级 公五 缓倾斜层状岩体顶板稳定性研究 S t u d yo f G e n t l eD i pR o c kF o r m a t i o nR o o f S t a b i l i t y 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 吴均平 地下空间科学与工程 地下结构稳定性 资源与安全工程学院 刘爱华教授 论文答辩日期翌 ；乏兰答辩委员会主 中南大学 2 0 1 3 年5 月 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已在论文中作了明确的说明。 作者签名j 牛 日期旦年上月旦日 学位论文版权使用授权书 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 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 硕士学位论文摘要 缓倾斜层状岩体顶板稳定性研究 摘要针对贵州开阳磷矿缓倾斜层状矿体采场软弱直接顶易冒落、垮 塌的问题，依托“开磷矿山井巷支护体系与支护标准化研究”课题， 通过现场调查以及数值计算方法开展理想弹塑性假定下采场项板的 稳定性研究，主要做了以下工作 1 、获取地层信息、地应力信息和岩石物理力学参数，根据现场 调查结果，对顶板进行分类，折算岩体力学参数。 2 、针对不同版本的A N S Y S 软件，编写相应i a V a 程序构造初始应 力文件，提出高版本的E X C E L 简易方法，用A N S Y S 等效节点反力 法实现初始地应力平衡，对A N S Y S 三维地应力场模拟方法流程进行 总结。 3 、建立缓倾斜层状岩体的A N S Y S 有限元模型，构造出符合实测 资料的初始三维地应力场和初始零位移场，并对采场进行开挖。通过 不断增大采场的埋深及其对应的地应力，重复进行多次开挖模拟试 验，近似模拟出采场顶板破坏过程。对分层高度为1 0 m 、顶板跨度2 0 m 的采场，比较开挖后不同埋深顶板的应力、位移和塑性应变，探究厚 直接项和薄直接顶的破坏模式和机理。 4 、采用基于位移突变判据的强度折减法求顶板的安全系数，评 价直接顶的稳定性。建立有序样品回归类聚类方法，精确获取位移一 一折减系数关系曲线的突变点。对分层高度为1 0 m 、顶板跨度2 0 m 的 采场，求出不同埋深和厚度组合下各关键点的安全系数。用平面折线 图分析埋深和厚度各自对直接顶安全系数的影响，用三维曲面图分析 埋深和厚度对直接顶安全系数的共同影响。 关键词缓倾斜层状岩体；顶板稳定性；初始地应力场；顶板破坏机 理；安全系数；A N S Y S 分类号 S t u d yo f G e n t l eD i pR o c kF o r m a t i o nR o o fS t a b i l i t y A b s tr a c t “ T h ed i r e c tr o o f o ft h eg e n t l ed i pb e d d e do r es t o p eo f G u i z h o u K a i y a n gp h o s p h a t em i n ei sw e a ka n de a s yt of a l l ，S Ot h es t a b i l i t yo fr o o fi s s t u d i e dt h r o u g hf i e l d i n v e s t i g a t i o na n di d e a le l a s t i c - p l a s t i cn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ．T h ef o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nd o n e 1 O b t a i n i n gs t r a t i g r a p h i ci n f o r m a t i o n ，c r u s t a ls t r e s si n f o r m a t i o na n d r o c kp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa n dc a l c u l a t i n gt h er o c km a s s m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ． 2W r i t i n gJ a v ap r o g r a m st os t r u c t u r ei n i t i a ls t r e s sd o c u m e n tf o r d i f f e r e n tA N S Y S v e r s i o n s ，a n dp u t t i n gf o r w a r dE X C E L s i m p l em e t h o df o r ■’1 ’ 一 一 m g nv e r s i o n ；S u m m a r i n gt h es i m u l a t i o np r o c e s so ft h r e ed i m e n s i o n a l s t r e s sf i e l d ． 3E s t a b l i s h i n gt h eA N S Y Sf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f g e n t l ed i pb e d d e d r o c km a s s ；C o m p a r i n gt h e s t r e s s e s ，d i s p l a c e m e n t sa n dp l a s t i cs t r a i n so f r o o f si nd i f f e r e n td e p t h s ，a n de x p l o r i n gt h ef a i l u r em o d e sa n dm e c h a n i s m s o f t h i c ka n dt h i nd i r e c tr o o f s ． 4E v a l u a t i n gt h es t a b i l i t yo ft h ed i r e c tr o o fw i t hs a f e t yc o e f f i c i e n t w h i c hi sd e f i n e db yt h es t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o db a s eo nd i s p l a c e m e n t m u t a t i o nc r i t e r i o n ．E s t a b l i s h i n go r d e r e ds a m p l er e g r e s s i o na s s o r t sc l a s s m e t h o d st oo b t a i nt h ep r e c i s ed i s p l a c e m e n t ．r e d u c t i o nc o e f f i c i e n tc u r v e ，s m u t a t i o np o i n t ；F i n d i n go u tt h e s a f e t yf a c t o ro fe a c hk e yp o i n tw i t h d i f f e r e n td e p t ha n dt h i c k n e s sc o m b i n a t i o n sa n d a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f d e p t h ，t h i c k n e s sa n db o t h ． K e y w o r d s g e n t l ed i pb e d d e dr o c km a s s ；r o o fs t a b i l i t y ；i n i t i a lg e o s t r e s s f i e l d ；r o o ff a i l u r em e c h a n i s m ；s a f e t yc o e f f i c i e n t ；A N S Y S CIa s sific a tio n 硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．I 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．i i ．2 顶板稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．1 研究方法和手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．2 顶板破坏机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．3 顶板稳定性影响因素研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 本文的研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 I ．3 ．I 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 资料搜集和现场调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 地层情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 地应力情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．3 采场围岩情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3 ．1 开阳磷矿矿层及顶底板岩性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．3 ．2 开阳磷矿顶板现场调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．2 ．i 直接项代表类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．2 ．2 直接顶安全处理措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．4 岩体物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 ．1 岩石物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．4 ．2 节理裂隙调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 ．3 岩体力学参数折算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3A N S Y S 软件及初始地应力场的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．1A N S Y S 软件及其在岩土工程中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．1 有限单元法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 ．i ．2A N S Y S 软件及其在岩土工程中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 V 硕士学位论文 目录 3 ．2A N S Y S 中地应力场的精确模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．1A N S Y S 地应力场模拟的难点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．3 解决地应力模拟发生扭曲的方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 3 ．2 ．4 消除初始附加位移的方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 ．5A N S Y S 三维地应力场模拟方法及流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。2 7 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 4 顶板破坏机理数值研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．1 地应力下顶板破坏模式研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 数值计算过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．3 厚直接顶破坏模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．3 ．1 三向正应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．3 ．2 第一主应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．3 ．3 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．3 ．4 离层破坏分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 ．5 位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．4 薄直接顶破坏模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4 ．1 三向正应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．4 ．2 第一主应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．4 ．3 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．4 ．4 离层破坏分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．4 ．5 位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 5 项板稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．1 顶板稳定性评价标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．2 强度折减法破坏判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．3 有序聚类方法在位移突变判据中的应用⋯⋯⋯⋯“⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．3 ．1 有序样品聚类法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．3 ．2 有序样品回归类聚类法求安全系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．4 顶板稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．4 ．1 安全系数计算实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．4 ．2 安全系数计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 5 ．4 ．3 埋深的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 5 ．4 ．4 厚度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 V 硕士学位论文 目录 5 ．4 ．5 埋深和厚度的共同影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 6 结论和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 引言 长期以来，冒顶片帮一直是地下矿山的重大危险源，关系到井下作业人员及 设备的安全，是制约地下矿山企业安全生产的瓶颈【卜3 1 。在我国金属非金属地下 矿山井下各类事故中，冒顶片帮事故死亡人数占3 0 ％q O ％，1 次死亡3 人以上发 生率最高。根据作业场所不同，地下开挖空间的顶板分为巷道型顶板和采场型顶 板。采场型顶板相对巷道型顶板暴露面积和跨度更大，危害更严重，治理更困难。 研究地下矿山采场项板的稳定性，有助于保护职工生命和国家财产安全，保证企 业生产效率，具有重要的现实意义。 不同地下矿山的岩层、地质构造、采矿方法和参数等均有所不同，都将对采 场顶板的稳定性造成影响。贵州开阳磷矿矿体缓倾斜，采用上向分层充填采矿法 进行回采，随着开采深度不断增大，采场稳定性问题逐渐显现，由于直接顶岩体 较软弱，在回采过程中会发生破坏、冒落，甚至垮塌，给顶板暴露面下作业人员 及设备的安全造成极大威胁。本文将以此为背景，研究贵州开阳磷矿缓倾斜层状 岩体采场顶板在主要影响因素下的破坏模式和机理，对其安全性进行评价。 1 ．2 顶板稳定性研究现状 1 ．2 ．1 研究方法和手段 目前，顶板稳定性相关的研究方法主要包括理论方法1 4 - 7 ] 、相似模型试验方 法【8 - 1 2 】和数值模拟方法 1 3 1 。 理论方法，就是将采场顶板简化成不同形状、边界条件的梁、板、拱模型， 采用弹性或塑性原理计算出不同位置的内力和挠度，以最大挠度或弯矩确定最危 险截面，通过强度准则验算该截面是否安全并以此确定顶板的安全性。 相似模型试验方法，就是在相似原理的基础上，通过对用土、石膏等材料制 成的相似模型进行加载试验，对模型的破坏过程进行观察，从而推断出项板的破 坏模式。 数值模拟方法，就是运用各种数值分析软件建立相应的采场数值模型，进行 仿真计算。目前常用的数值模拟软件有基于有限差分法的F L A C [ 1 4 d5 1 、基于有限 单元法的A N S Y S ／1 6 - 1 7 ] 、基于离散元法的3 D E C [ 1 8 】和东北大学开发的R F P A [ 1 9 1 。 硕士学位论文1 绪论 1 ．2 ．2 顶板破坏机理研究现状 对顶板破坏类型和破坏机理的研究已有较多成果，这些研究多是针对煤矿顶 板，且以间接顶板的稳定性为主。项板的破坏模式，根据其破坏的宏观现象，可 分为拱形冒落、矿房整体一次冒落和大规模采空区冒落【2 0 】；根据其内部力学机 制，可分为离层挠曲、剪切、拉断和挤压流动破坏【2 1 1 。缓倾斜层状顶板变形失 稳机理，包括缓倾斜层状岩层的非对称作用、水平构造应力作用、矿帮软弱失稳 增跨作用和底鼓塑性流动诱发等机制【2 2 1 。 王启耀[ 2 3 1 认为顶板弯曲变形破坏是水平层状围岩的主要破坏方式，变形破 坏程度与岩层厚度及层面剪切刚度有关。孙伟【2 4 】将采场顶板简化为固支的弹性 薄板，发现顶板挠度从中央向边缘减小，因此认为顶板从中部开始破坏，并向两 帮扩展。刘红元f 2 5 】认为开挖卸荷作用引起垂直层面向下的膨胀变形导致直接顶 离层冒落，破坏机理为拉破坏。 章传飞【2 6 】对硬岩层状顶板的研究表明，跨中拉应力集中，两帮顶角剪应力 集中。贾蓬【2 7 】对多层顶板的研究表明，最下层中部和端部剪应力集中区最先出 现裂纹，中部裂纹由下向上扩展，端部裂纹由上向下扩展，最终形成三条主裂纹。 贺广零【2 8 】用法拉索夫厚板理论，推导了顶板受拉和冲切破坏的临界厚度。 多项研究表明，层状顶板的破坏模式与应力形式有如下关系在剪切应力主 导作用下，顶板整体垮落，在剪切应力和拉应力共同作用下，顶板拱形冒落[ 2 9 - 3 2 1 。 黄旭【3 3 】则认为围岩的破坏模式与应力大小有关，应力较低时为拉破坏，应力较 高时为拉、剪破坏并存。 林崇德【3 4 】认为层状顶板是在水平压力作用下的破坏，由于径向应力释放、 切向应力增高，在围岩中形成无侧向约束的单向压力区，在单向集中压力作用下 产生塑性破坏，或沿节理弱错动、离层引起弯曲变形破坏。吴志忠【3 5 】同样认为 围岩是先由压应力引起的挤压破坏，岩石裂隙扩张和体积膨胀造成周边岩层弯 曲，而产生弯曲拉应力，导致顶板岩层破坏。 杨建辉认为，顶板厚跨比较小时发生压曲破坏【3 6 1 ，竖向地应力使项板岩层变 形形成铰接拱，水平地应力导致铰接拱压碎破坏【3 7 J 。 张树光【3 3 1 用离散元分析了内摩擦角对顶板稳定性的影响，发现随着摩擦角 增大，顶板变形减小，由滑动破坏向弯曲破坏过渡。 李东印【3 9 】认为较大的岩层强度差异、较高的垂直及水平应力造成了复层顶 板的离层和过度变形，导致项板破碎、冒落，应该及时对顶板进行主动支护，并 加强两帮支护。 王金安【4 0 】认为顶板的断裂是“0 ．X ’’型破坏。第一阶段顶板从四周边界中点 硕士学位论文1 绪论 开始破坏，扩展到四边完全成为“O “ 形塑性铰支边界；第二阶段，项板中心点 处产生塑性铰向两侧扩展，到一定长度后分岔成向四角扩展的“X ”形塑性铰线。 可见，顶板破坏模式和机理非常复杂，不同的研究模型都是在各自的假设和 简化的基础上得到的，因此结论不尽相同。上述研究多针对水平层状岩层顶板， 且集中在对间接顶稳定性的研究上，而对于缓倾斜层状岩体中采场软弱直接顶稳 定性的研究甚少，这将是本文的主要研究对象。 1 ．2 ．3 顶板稳定性影响因素研究现状 顶板稳定性的影响因素众多，影响机制复杂，通常的研究都是单独分析每个 影响因素的作用。在诸多研究中，最受关注和重视的因素是侧压、顶板厚跨比、 顶板厚度、顶板跨度、顶板的分层厚度等。 侧压对顶板稳定性的影响，有人关注的是测压的值，有人关注的是侧压系数。 贾蓬[ 2 7 1 认为，增大侧压有利于顶板岩层的稳定性，随着侧压增大，水平层 状岩层的破坏范围和位移都变小。 杨建辉∥7 1 的研究表明，随着侧压增大，当侧压力系数小于某值时位移基本 不变，当侧压力系数超过该值时位移迅速增大。黄达【4 1 】对软弱层状项板的研究 发现，侧压系数小于l 时比大于l 时的顶板破坏范围要大，但挠度较小不易离层， 故认为减小测压系数有利于顶板下位岩层稳定。 顶板厚跨比对顶板稳定性的影响，不同研究得出了相反的结论。 贾蓬【2 7 】认为，厚跨比较大时，顶板岩层较稳定，破坏后形成稳定的梯形洞 室，厚跨比较小时，薄层岩体易发生大范围垮落。章传飞【2 6 l 却得出了相反的结 论，当跨厚比减小时，顶板破坏的临界应力增加，顶板的稳定性增强。 顶板厚度对项板稳定性的影响，一般认为较大厚度的顶板更稳定。 孙伟[ 2 4 】基于弹性薄板理论的研究表明，项板破坏的临界应力随顶板厚度增 加而增大。杨建辉【3 7 】认为，岩层厚度增大会改善顶板稳定性，但厚度超过一定 程度后改善幅度较小。章传飞[ 2 6 1 研究发现，保持项板跨度不变，增大岩层厚度 将增强板稳定性。 项板跨度对项板稳定性的影响，一般认为减小项板跨度可提高项板的稳定 性。 吴爱军[ 4 2 1 认为，减小跨度可提高顶板发生压曲破坏的临界载荷，增大安全 系数。孙伟[ 2 4 】认为，跨度增加时上部岩层挠度增大，顶板处于卸压状态，应力 释放程度增加，应力减小，岩层容易发生破坏。此外，黄旭f 3 3 】还研究了高跨比 对层状顶板稳定性的影响。 硕士学位论文1 绪论 软弱夹层对项板稳定性的影响。软弱夹层对顶板稳定性不利，一般研究重点 考虑其厚度及与顶板临空面的距离变化对顶板稳定性的影响。 黄旭[ 3 6 1 的数值计算研究发现，当软弱岩层较薄 2 m 以内 时，软弱岩层及下部 岩层弯曲下沉发生整体冒落，而上部坚硬岩层保持完好，当软弱岩层较厚 4 m 时，软、硬岩层的接触区域产生局部拉坏并最终发生拱形整体冒落。贾明魁1 3 l J 认为，软弱夹层离顶板临空面越近，坚硬岩层厚度越薄、软弱岩层厚度越大，围 岩破坏范围越大，变形破坏越难以控制。官山月【3 2 】也研究了软弱夹层位置与顶 板稳定性的关系。 顶板分层厚度对稳定性的影响，一般是指当直接顶岩层较厚时，其内部细分 为许多小的分层，这些小分层厚度对整个顶板稳定性的影响。 章传飞【2 6 】认为，随着分层厚度的增加顶板位移量呈下降趋势，分层越多越 容易发生顶板挠曲与离层破坏。 实质上，顶板稳定性受诸多因素共同影响。上述研究由于研究条件和对象不 完全相同，对单一因素影响规律的研究结论也不尽相同，不能一味地套用，只能 作为参考。本文对贵州开阳磷矿采场顶板稳定性影响因素进行研究时，主要将考 虑随深度变化的地应力和真实存在的不同直接顶厚度对顶板稳定性的影响。 1 ．3 本文的研究内容和技术路线 1 ．3 ．1 主要研究内容 本文以贵州开阳磷矿地下开采为背景，主要运用A N S Y S 数值分析软件，建 立三维地层模型，构造符合实测资料的初始地应力场，进行采场分层开挖计算， 探究采场顶板破坏模式和机理，以安全系数作为评价指标，研究埋深和厚度对直 接顶稳定性的影响。 1 了解地层情况，获取岩石物理力学性质，进行现场工程地质调查，将 岩石物理力学参数折减为岩体参数，建立研究范围内地层的A N S Y S 有限元模型。 2 获取实测地应力资料，探究A N S Y S 中模拟初始地应力场的有效方法， 在地层有限元模型中施加符合实测数据的地应力场。 3 改变A N S Y S 中有限元模型的参数，研究厚直接项和薄直接顶在地应力 下的破坏模式和机理。 4 用有限元强度折减法求顶板安全系数，选择位移突变作为破坏判据， 探究确定位移突变点的精确方法。用求得的安全系数作为评价指标，研究埋深和 厚度对直接顶稳定性的影响。 硕士学位论文 1 绪论 1 ．3 ．2 研究技术路线 资料搜集 岩嚣物理 力攀参数 现场调查 薹罢攀馨二j j 采场顼扳僚意 地下水情况 。‘爪嘲嗽戳懈西， 数 撵直接璜破坏 薄直接顶破坏埂深及摩度对顶 模式 i 结论鸯展蘩 图1 ．1 主要研究技术路线 5 晌 硕士学位论文 2 资料搜集和现场调查 2 资料搜集和现场调查 2 ．1地层情况 贵州开阳磷矿矿区地层从上至下如表2 ．1 所示。 表2 - 1 贵州开阳路磷矿矿区地层情况表 层位描述 系统组段 代号 颜色岩性 厚度／m 第四系 Q 黄／褐黄色 土1 0 ～2 0 下 明心寺组 毛m 灰绿麻灰色含粉砂质页岩 3 6 0 寒武系 统 牛蹄塘组 e , n 黑色碳质页 泥 岩 3 9 ～5 0 浅灰／深灰／ 硅质自云岩 黄灰色 5Z b d n 51 1 ～1 4 泥质白云岩 灰绿色 页岩 4Z b d n 4 浅灰色细晶白云岩 3 1 ～5 0 灯影组 3 Z b d r l 3 灰／深灰色细晶白云岩 6 2 ～8 3 灰／浅灰色 白云岩 上浅灰色细晶白云岩 1 2Z l x l n l 29 5 ～1 4 7 统 浅灰／灰色 细～微晶白云岩 震旦系 灰／黄灰色 鲕状细晶白云岩 乳白色硅质岩 3Z b d 含磷砂砾岩 0 ～1 陡山沱组 含磷页岩 2Z b p 灰／深灰色 磷块岩 4 ～6 细～中粒石英砂 1Z b d灰绿色 5 ～1 8 岩 下 2 ～3 南沱组 Z a l l l l 紫红色页岩 统未见底 6 硕士学位论文2 资料搜集和现场调查 2 ．2 地应力情况 地应力【4 3 】是地层中未受工程扰动的天然应力，它表示岩体内单位面积上由 于地壳变形而引起的作用力，主要形成作用是重力场和构造应力场，有时也包括 岩体的物理化学变化及岩浆侵入等作用。 在矿山工程中，地应力是引起采矿工程围岩和支护的变形与破坏的根本作用 力，随着采矿规模不断扩大和不断向深部发展，地应力的影响愈加严重，往往会 造成地下巷道和采场的坍塌破坏m 1 。因此，地应力情况是地下工程中必须考虑 的因素。 地应力的形成经历了漫长的历史时期，地壳构造运动是一个复杂而不可逆的 过程，岩体本身的特性也是具有不确定性，因此人们很难用一种确定的数学、物 理模型来描述地应力的分布规律，一般通过现场测量工作而在一定程度上加以解 决【4 3 】。 中南大学地应力研究课题组己对贵州开阳磷矿矿区开展了现场地应力测量 工作。在各矿段共选取了九个测点，其中马路坪矿段四个，用砂坝矿段两个，青 菜冲矿段一个，用沙坝矿段两个。课题组采用的三维地应力测量主要设备是瑞典 吕勒欧大学专利技术，德国生产的高精度地应力测量仪L U T 岩石三轴应变地应 力测定仪。 得到九个测点的测量结果后，为方便以后的数值模拟地应力边界条件的计 算，采用最d x - - 乘法对所有测点的各向主应力值进行线性回归得到如下方程m 】 最大主应力S s l 2 ．1 1 0 ．0 4 9 H M P a 2 ．1 最大水平主应力．趾m 觚 趾m 。x 2 ．7 6 0 ．0 2 8 H M P a 2 ．2 最小水平主应力．趾m 证 ．m i n 1 ．8 3 0 ．0 1 7 H M P a 2 3 垂直主应力S o s y 0 ．7 4 0 ．0 1 4 H M P a 2 ．4 式中，日一测点埋深，m 。 硕士学位论文 2 资料搜集和现场调查 图2 1 显示了 - m a x 、最- m 缸和S 的值随埋深增大而增大的线性规律，最- m a x 增长最快，趾曲次之，邑最慢。 S x - m a l i S y 0却O4 0 0e ∞囊∞ 埋豫，m 图2 - 1 最一一、最一曲、母随埋深的变化 图2 2 显示了最- m 时趾晌与S 的比值 侧应力系数 随埋深的变化规律。 除了近地表，S x - m 舣与S 比值为2 ．2 2 ．3 ，S x m 诅与邑的比值为1 ．3 ～1 ．4 ，侧应力 较大。 2 ．3 采场围岩情况 02 0 04 0 08 0 08 0 0 深度，m 图2 - 2 侧应力系数随埋深的变化 2 ．3 ．1 开阳磷矿矿层及顶底板岩性 1 马路坪矿段矿层及项底板岩性描述 国 嚣 ∞ 俘 谂 s O ∞氅鼍，簇拳霹避麓 ； 如 “ 加 憾 “ 藏啜穴鹾翠 硕士学位论文2 资料搜集和现场调查 上盘矿位于灯影组白云岩中，矿体呈层状，厚0 ～1 0 m 平均4 ．5 m 。矿层倾 向1 0 0 - - , 1 2 0 。，倾角2 0 , - 4 5 。 一般3 0 。左右 。 直接顶厚1 2 m ，由伴随页岩发育的含锰质藻细晶白云岩构成，部分地段由 厚o 5 m 的含水云母泥质页岩构成。直接顶岩体节理发育，较破碎，易冒落，不 稳固。直接顶上部夹有直径O ．1 0 ．5 m 灰白色同心圆状、椭圆球状硅质团块或泥质 条带，下部偶见厚0 ．0 5 - - - 0 ．4 m 磷块岩小透镜体。间接顶板自下而上分别为较致 密、中等稳固的角砾状白云岩，细晶白云岩或硅质团块，性硬、较稳固的鲕状白 云岩，F 8 ～1 0 。 下盘矿层位于陡山沱组石英岩上，矿体呈层状，厚4 ．5 ～8 ．2 m 一般6 m 左右 。 矿层与地层产状一致，倾向1 0 0 , - , 1 3 5 。，倾角2 0 - - 4 5 。 一般3 5 。左右 。矿层节 理发育，中等稳固一不稳固，F 7 ～1 1 。 直接项由厚0 ．5 ～5 m 局部超过5 m 的碳、硅酸盐类岩石构成，不稳定。间 接顶由假鲕状白云岩构成。矿层底板为灰绿色厚层状石英砂岩，坚硬，较稳固， F 8 ～1 0 。 2 青菜冲矿段矿层及顶底板岩性描述 矿层位于上陡山沱组石英岩上，矿体呈层状，厚4 ．5 ～9 ．2 m 一般5 - - , 6 m 左右 。 矿层与地层倾向1 0 0 - - , 1 3 5 。，倾角2 0 ～4 5 。 一般3 5 。左右 。矿层节理发育，中 等稳固～不稳固，F 7 ～1 1 。 上盘矿与下盘矿的顶板一样，大部分为灯影组白云岩、局部为含锰或磷的砂 砾岩。其直接项和间接项的情况与马路坪矿段基本一致。矿层底板为灯影组白云 岩或陡山沱组石英砂岩，一般为灰绿色厚层状石英砂岩，坚硬，较稳固，F 8 ～1 0 。 3 用砂坝矿段矿层及顶底板岩性描述 地层为单倾斜地层，倾向2 8 0 0 “ - 2 9 3 0 ，倾角1 0 0 - - - , 3 0 0 。矿层同地层产状，倾 角一般1 0 “ - - 5 5 。，厚3 “ - - 8 m 平均4 ．7 9 m 。 直接顶由松软易风化的灰绿色含水云母泥页岩构成，易冒落、小规模坍塌， 极不稳固。矿层底板为灰绿色厚层状石英砂岩，力学强度较高，未发现任何不良 工程地质现象。 2 ．3 ．2 开阳磷矿顶板现场调查 为了对贵州开阳磷矿顶板进行更加直观的了解，在矿山相关技术人员的带领 下有针对性地对部分采场的项板进行了现场调查，并根据岩性、厚度对其进行分 类，同时了解了当前的一些顶板支护措施。 直接顶的观察方法由于岩层为缓倾斜层状，分层联络巷道在上盘白云岩中， 硕士学位论文 2 资料搜集和现场调查 因此从分层联络巷道往矿体开凿石门时需要首先穿过顶板岩层，便可以在未开采 前获知该采场的项板岩性及厚度等情况。图2 ．3 显示了矿层、直接顶、基本项间 的赋存关系，自下而上依次为矿层、直接顶和基本顶，各层之间界线明显。 图2 ．3 分层明显的矿层、直接顶和基本顶 2 ．3 ．2 ．1 直接顶代表类型 根据直接顶的厚度、岩性及其与上部岩层的接触情况，可将现场调查的采场 顶板分为以下几种类型白云岩夹杂黄泥质粘土直接顶、大裂隙切割直接顶、灰 页岩直接顶和厚白云岩直接顶。 1 白云岩夹杂黄泥质粘土直接项 该类直接顶岩层的主要组成成分为易破碎的白云岩，有黄色的泥质粘土夹杂 其中，易碎，白云岩厚度为3 0 - - 4 0 c m ，以7 3 2 分层北l 号盘区的采场为例，如图2 - 4 所示。 2 大裂隙切割直接项 该类直接顶由白云岩组成，但节理裂隙发育，沿某一方向有明显的大裂隙， 将直接项切割成条状，以7 2 2 分层南1 号盘区的采场为例，如图2 ．5 所示。 3 灰页岩直接顶 该类直接顶由均质灰页岩组成，厚度2 ～3 m ，遇水易膨胀，容易垮塌，跨落 呈碎块状，难以支护，以7 3 2 分层南2 号盘区的采场为例，如图2 ．6 、2 - 7 所示。 4 厚白云岩直接项 该类直接项一般完整性较好，厚度一般为4 - - , 5 m ，直接项和老顶层由一层黄 泥隔开，黄泥强度很低，导致直接顶和老顶层的接触面衔接不紧密，进行矿房回 采时，容易垮塌，以8 2 0 中段的7 号盘区1 矿房为例，如图2 ．8 、2 - 9 所示。 现场的顶板情况非常复杂，有的难以归入其中一类，有的同时兼备不同类型 硕士学位论文 2 资料搜集和现场调查 特点。本论文对矿区大范围内顶板的一般情况进行研究，故而将岩层内的节理裂 隙、胶结团块进行简化，不考虑其对岩层宏观结构的影响，认为岩层是均质且各 向同性材料，通过降低岩层物理力学性质参数来等效考虑节理裂隙等不良构造的 弱化作用。 图2 ．4 白云岩夹杂黄泥质粘土直接顶 图2 - 6 垮落的灰页岩直接顶 图2 ．5 大裂隙切割直接顶 图2 ．7 遇水软化的灰页岩 图2 - 8 厚白云岩直接顶 图2 - 9 厚白云岩直接顶与老顶间的黄泥层 硕士学位论文 2 资料搜集和现场调查 2 ．3 ．2 ．2 直接顶安全处理措施 由于直接顶稳定性差，易发生冒落，因此必须采取相应的处理措施。据调查， 目前贵州开阳磷矿采用的处理方法有以下几种 1 挑顶 挑顶作业一般是指把采场的直接顶下部岩体通过机械或爆破的方法去除，对 于较坚硬的岩体，多采用人工打眼、爆破法。通常不进行挑顶作业，主要有以下 几点原因直接顶岩层比较厚，凿岩钻孔、装药爆破、装载运输、堆放落石等工 序耗费较多的人力和物力。图2 ．1 0 为挑顶作业过程。 2 锚杆 锚网支护 对于直接顶较薄 一般不超过2 m 的顶板，可使用锚杆 锚网支护措施，如 图2 ．1 1 所示。锚杆可改善顶板围岩应力条件，锚网的主要作用是托住浮石。 3 锚索 锚网支护 对于直接顶较厚 一般大于2 m 的顶板，由于工业化生产的管缝式锚杆长 度只有1 ．9 m ，无法穿过直接顶到达基本顶，不能发挥良好的锚固作用，因此需采 用锚索支护，锚索间排距为2 m 2 m ，同时挂锚网防止浮石坠落，如图2 ．1 2 所示。 锚索支护要求直接顶自身具有一定的稳固性；对于稳固性不强的直接顶，直接选 择挑顶处理；对于较厚的直接顶，可挑一半，留一半，再用锚索进行锚固；如果 直接顶太厚且破碎，则直接放弃矿房回采。 图2 ．1 0 挑顶作业图2 - 1 1 锚杆 锚网支护 图2 ．1 2 锚索 锚网