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中图分类号型垒墨2 U D C 鱼2 垒 硕士学位论文 学校代码l Q 圣三 密级公珏 基于颗粒流的深部巷道围岩稳定性研究 S t u d yo fS t a b i l i t yo fS u r r o u n d i n gR o c k o f D e e p R o a d w a y b a s e do nP a r t i c l eF l o w C o d e 作者姓名朱俊 学科专业矿业 工程 研究方向安全技术及工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师唐礼忠教授 副指导教师 论文答辩日期盘 三答辩委员会主席 中南大学 二。一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明㈣ 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。 计， 作者签名挺玉鲮日期盘旦 年』月出日 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。 作者签名塾壁 导师签名盏幺么夕 日期出I 生年上月尘日日期出比年上月趋日 万方数据 硕士学位论文 摘要 基于颗粒流的深部巷道围岩稳定性研究 摘要随着国民经济日益发展，人类对于矿产资源的需求不断增加， 促使矿山开采向着深部发展。深部巷道围岩由于受到高地应力、高动 力扰动的条件影响，极易出现变形破裂等不稳定现象，这将严重威胁 矿山的安全生产。因此，进行深部巷道围岩稳定性研究具有重要理论 和实际意义。 本文以冬瓜山铜矿为工程背景，结合9 7 3 项目“深部硬岩爆破开 挖诱导岩爆与破裂诱变机理”及项目“多盘区多采场大规模高应力动 力扰动复杂条件下岩层破坏机理及其控制技术研究“ ，通过理论阐述、 现场调查、室内试验和数值模拟等方法，对其深部巷道围岩稳定性进 行研究。本文研究内容和主要成果如下 1 开展了冬瓜山铜矿地质调查，通过地质调查，科学评价了 巷道围岩岩体构造和质量，通过折减方法确定岩体相关力学参数，为 后期围岩稳定性数值分析提供调参依据。 2 通过岩石室内力学试验，获取岩石相关力学参数和应力． 应变曲线。岩石力学参数可用于确定岩体力学参数，并反映巷道围岩 相关力学性质。 3 进行单轴压缩实验和加载速率效应研究的数值模拟试验。 通过调整颗粒流细观参数建立切实可靠的数值模型，得到了岩石微观 力学响应机制，并分析了岩石体积应变、破坏模式等性质的加载速率 效应。 4 进行单一岩性巷道开挖平衡数值模拟。通过对模型布置监 测点，分析巷道围岩在开挖后各监测点速度、位移、应力等变化情况， 得出此岩性巷道开挖后围岩各量变化的一般规律。 5 建立2 个不同岩性组合巷道模型，模拟其开挖平衡过程， 将其各自模拟结果进行对比分析。同样，将其分别与单一岩性巷道开 挖模拟结果对比分析，得到巷道围岩稳定性受岩性改变的影响规律。 关键词围岩稳定性；颗粒流；力学性质；数值模拟；单一岩性；不 同岩性 分类号T U 4 5 7 Ⅱ 万方数据 硕士学位论文 摘要 I I I 万方数据 硕士学位论文 A B 盯R A C T S t u d yo fS t a b i l i t yo fS u r r o u n d i n gR o c ko fD e e pR o a d w a y b a s e d o nP a r t i c l eF l o wC o d e 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 fn a t i o n a le c o n o m i c ，h u m a n ’S d e m a n do fm i n e r a lr e s o u r c e si si n c r e a s i n g ，p r o m p t i n gm i n i n gg r a d u a l l yt o g ot od e e p ．D u et ot h ee f f e c t so fh i g hs t r e s sa n dh i g hd y n a m i cd i s t u r b a n c e ， s u r r o u n d i n gr o c ko fd e e pr o a d w a yi sS Op r o n et od e f o r ma n df r a c t u r e ， w h i c hw o u l db eS e r i o u st h r e a t e nf o rm i n i n g ’S s a f e t yp r o d u c t i o n ． T h e r e f o r e ，i tp l a y si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o s t u d yt h es t a b i l i t yf o r t h er o c ks u r r o u n d i n go fd e e pr o a d w a y ． S e t t i n gD o n g g u a s h a nC o p p e rM i l l e a s e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ， r e l y i n go nt h ep r o j e c t9 7 3 ‘‘t h em u t a g e n i cm e c h a n i s mo f r o c kb u r s ta n d r u p t u r eo fd e e ph a r dr o c kb yb l a s ta n de x c a v a t i o n ”a n dt h ep r o j e c t ”t h e r e s e a r c ho fr o c kd a m a g em e c h a n i s ma n di t sc o n t r o lt e c h n o l o g yu n d e r c o m p l i c a t e dc o n d i t i o n sw h e nl a r g e - s c a l eh i g h - s t r e s sp o w e rd i s t u r b si n m u l t i - p a n e l 、m u l t i s t o p e ”，t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h es t u d yo fs t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k o fd e e pr o a d w a yi nD o n g g u a s h a nC o p p e rM i n e ， t h r o u g ht h e o r e t i c a le x p l a n a t i o n s ，s i t es u r v e y s ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ．T h ec o n t e n ta n dm a i nr e s u l t sa r ea s f o l l o w s 1 B yg e o l o g i c a ls u r v e ya tD o n g g u s h a nC o p p e rM i l l e ，e v a l u a t e d s c i e n t i f i c a l l ys c i e n t i f i c a l l yt h es t r u c t u r ea n dq u a l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k i nd e e pr o a d w a y , a n dw o r k e do u tt h er o c ks 仃e n g t hp a r a m e t e r sw i t ht h e m e t h o do fr e d u c t i o n ，w h i c hp r o v i d e d s c h e d u l i n gb a s i sf o rn u m e r i c a l a n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c k ’Ss t a b i l i t yf o r t h el a t t e r ． 2 R e l e v a n tm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa n ds t r e s s s t r a i nc u r v eo fr o c k s a r eo b t a i n e db yp h y s i c a la n dm e c h a n i c a le x p e r i m e n t si nl a b o r a t o r y ．T h e m e c h a n i c sp a r a m e t e r so fr o c k sc a l lb eu s e dt od e t e r m i n er o c ks t r e n g t h p a r a m e t e r s a n dr e f l e c tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f d e e pr o a d w a y ’S s u r r o u n d i n gr o c k ． 3 B ya d j u s t i n gm e s op a r a m e t e r st oe s t a b l i s he f f e c t i v ea n dr e l i a b l e p a r t i c l ef l o wn u m e r i c a lm o d e l ，m e c h a n i c a le x p e r i m e n t su n d e ru n i a x i a l c o m p r e s s i v ea r es i m u l a t e d ，w h i c ho b t a i n e dt h em e c h a n i s mo fr o c k ’S m i c r o m e c h a n i c sr e s p o n s ea n da n a l y z e ds o m ep a r a m e t e r s ’e f f e c to fs t a t i c l o a d i n gr a t e ，s u c ha sv o l u m e t r i cs t r a i n ，f a i l u r em o d e sa n dS Oo n ． i v 万方数据 硕士学位论文垒 坚坠旦 f 4 、T h ee x c a v a t i o np r o c e s so fr o a d w a y a t s i n g l el i t h o l o g y i s s i m u l a t e d ．B ya r r a n g i n gm o n i t o r i n gp o i n t s ，w ec a no b t a i n e d t h ec h a n g eo f i t ’sv e l o c i t y , d i s p l a c e m e n t ，s t r e s s ，e t c ．I na d d i t i o n ，t h eg e n e r a ll a w so f e a c hv a r i a t i o n ’Sc h a n g ei nt h ee x c a v a t i o np r o c e s so fr o a d w a ya ts i n g l e l i t h o l o g yc a na l s ob ef i g u r e d o u t ． 5 T h ee x c a v a t i o np r o c e s so fr o a d w a ya tt w od i f f e r e n tL i t h o l o g y i s s i m u l a t e d ，a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i s o ft w os i m u l a t i o n r e s u l t s1 S c o n d u c t e d ．S i m i l a r l y , w ec o n d u c t e dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs i m u a l t i o n r e s u l t so f r o a d w a ya ts i n g l el i t h o l o g ya n dt w od i f f e r e n tL i t h o l o g y , a n d o b t a i l l e dm ei n f l u e n c eo fl i t h o l o g y a t s t a b i l i t y o fd e e p r o a d w a y ’S s u r r o u n d i n g r o c k ． K e y w o r d s s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k ；p a r t i c l e f l o wc o d e ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s i n g l el i t h o l o g y ；d i f f e r e n tl i t h o l o g i e s 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 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅱ A B S l R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅳ 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 深部巷道围岩稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 主要研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 颗粒离散元法发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 冬瓜山铜矿矿岩的地质力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 冬瓜山铜矿地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 地质特征与构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2 地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 冬瓜山铜矿矿岩物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．1 巷道矿岩物理性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．2 巷道矿岩力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．3 巷道围岩岩体力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 矿岩力学性质数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 颗粒流基本理论和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1 颗粒流程序P F C m 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．2 颗粒流基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．3 颗粒流数值计算的基本思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 岩石细观参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．3 ．1 矽卡岩单轴压缩试验数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．3 ．2 矽卡岩室内试验与数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 万方数据 硕士学位论文 目录 3 ．4 矽卡岩静态加载速率效应研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．4 ．1 加载速率与试样应力～应变的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．4 ．2 加载速率与体积应变的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．4 ．3 加载速率与破坏模式的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 单一岩性岩层巷道围岩稳定性数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 冬瓜山铜矿巷道围岩稳定性实际情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 巷道开挖数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．1 开挖模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．2 监测球布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．3 ．3 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 不同岩性岩层组合对巷道围岩稳定性影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．2 不同岩性组合巷道开挖数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．2 ．1 模拟方案确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．2 ．2 数值模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．2 ．3 数值计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 7 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 V Ⅱ 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 随着资源消耗大为增加，浅部资源开采已逐渐不能适应人类对于矿产资源的需 求。近些年来，越来越多的矿山进入深部开采。据不完全统计，国外开采深度超千米 的金属矿山已超8 0 座。其中以南非数量最多，已多于4 0 座，有一半以上矿山深度已 达2 0 0 0 ．3 0 0 0 m 。开采深度已超过3 0 0 0 m 的矿山有埃兰兹兰金矿、斯坦总统金矿和博 克斯堡金矿等，卡里顿维金矿是目前开采深度最大的地下矿山，深度已达4 0 0 0 m [ 1 - 9 1 。 各个国家对于深部开采划分标准不太一样，如德国为8 0 0 ．1 2 0 0 m ，英国为7 5 0 m ，日 本为8 0 0 m 等。我国煤矿还没有明确的深部开采标准划分，金属矿山则将深部开采深 度标准定为7 0 0 ．1 0 0 0 m 。近年来我国有一些金属矿山已进入深部开采，如安徽铜陵的 冬瓜山铜矿，目前超1 0 0 0 m 进行深部开采的竖井已建成2 条；湘西金矿深度超过8 5 0 m 的有3 8 个中段；栖霞山铅锌矿开采深度也已超过6 0 0 m 。此外，还有金川镍矿、乳山 金矿等许多矿山都将进行深部开采。据相关数据预计结果，今后2 0 年内，我国进入 1 0 0 0 “ - - 2 0 0 0 m 深部开采的金属及有色金属矿山数量将持续增多【3 ’1 0 1 。 由于深部岩石处于高应力的静力场和开采爆破过程等影响的动应力场，即“高应 力 动力扰动”的组合力作用下，岩石表现出与浅部开采不同的力学特性。在矿井深部 持续的采矿作业下，由于深部岩体应力场在不断变化，深部巷道围岩的应力状态比较 复杂，巷道可能出现剪胀带和压缩带交替存在的分区破裂情况，进而出现裂隙，引起 深部硬岩巷道的变形和破裂问趔1 1 ’1 2 】。随着裂隙的不断发育，对巷道围岩的影响越来 越大，进一步使得巷道出现严重破坏和大变形失稳，此时，常伴随着冒顶、岩爆、岩 层坍塌等有害现象的发生，导致当前支护形式失效【1 3 】。由于深部支护成本增加且支护 效果不明显，其他开采成本，如矿岩提升、排水、通电等也增加，将使深部开采趋向 于大规模、有计划开采。另一方面，矿山围岩系统是一个非线性的复杂系统，其组成 部分包括地质构造、岩体、岩体工程结构、采矿作业等。岩体内部各部分相互影响、 相互制约，采矿作业如开挖、充填、支护等交替完成。同时，爆破活动的发生，也会 影响围岩的稳定性，因为爆破导致围岩内部应力迅速变化，其脆性增加，出现破裂现 象。基于上述原因，为保证深部矿山安全高效开采，开展深部矿山巷道围岩稳定性研 究，深入探寻深部巷道围岩岩体变形破坏机理和规律，进行巷道围岩弹塑性区域中的 应力场和位移场等研究显得尤其重要。 安徽铜陵冬瓜山铜矿矿床位于狮子山矿区内，主要受背斜控制，现有矿井已至地 下1 0 0 0 m ，表现出高应力特征以及岩爆倾向。矿山自投产开始，到2 0 1 1 年已采掘回 采了大量矿房和部分矿柱。这种交替开采、充填活动使矿山应力等状况非常复杂，微 震活动加剧。巷道围岩由于经受巨大压力，同时巷道本身的现场实际环境很复杂，即 巷道多处于单一岩性岩层内或处于多岩性岩层交界处，导致巷道围岩出现大面积破 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 坏，造成重复性支护量增大等诸多问题。地质调查过程中发现，采场底部出矿巷道出 现两帮鼓出、冒顶、锚杆失效、喷层剥落等破坏。这些无疑给矿山带来重大的安全隐 患，影响矿山安全生产。因此，研究其深部巷道围岩力学特性，掌握其变形破坏规律， 探求巷道围岩稳定性控制技术成为现实需要，其能为后续矿山开采作业、巷道支护提 供参考依据。 目前，由于计算机技术的发展，分析岩土工程问题的重要方法一数值分析法日趋 成熟，成为解决相关工程问题新的途径和有效方法。目前的数值分析方法主要有有限 元法、边界元法、有限差分法、离散单元法、不连续变形分析法、流形方法[ 1 4 1 。其中 离散元法【l s ] 最早是由c u I l 1 a l l 提出，经D r e s e h e r 掣1 6 1 验证其可行性后，经过三十多年的 发展形成的解决离散的、非连续问题的重要方法。离散元法的应用范围主要是非连续 介质材料，适合于求解大变形和非线性问题。它能够更真实地表达节理岩体的几何特 征，便于处理节理岩体的各种力学问题。同时，它还可以采用其自身算法，根据需要 在颗粒体模型的基础上建立复杂几何结构的模型，通过颗粒单元间不同的连接方式来 表现多种介质间的接触物理关系，从细观角度更有效地模拟岩体的开裂、分离等现象。 因此，离散元法已成为解决岩土工程问题的重要手段。 本文正是基于冬瓜山铜矿巷道围岩的工程特殊性认识，即巷道处于单一岩性岩层 或多岩性岩层交界面处的实际情况，以及离散元方法的特点，结合9 7 3 科学基金项目， 从细观角度，对深部巷道围岩稳定性进行分析研究，对指导现场实际作业与支护有重 要意义。 1 ．2 深部巷道围岩稳定性研究现状 1 ．2 ．1 主要研究方法 一般来说，研究巷道围岩稳定性的方法和手段主要有以下几种 1 现场实测研究 现场实测主要是通过各种测量监测手段，测定巷道围岩的主要力学特性及在开挖 前后岩体应力、位移等改变。通过现场测试所获资料，分析论证围岩的地应力场、岩 体特性、岩体变形等情况。现场实测获取的基本参数是巷道在现实地质等因素影响下 的真实反映，可为分析问题提供可靠保证。其缺点主要表现在工作内容繁琐、实测时 间长，且所花费用较高，另外，其可能受到现场条件制约而使得实测进行困难或无法 进行。 2 工程类比研究 工程类比研究过程简单、快速，它是将现有情况相似的工程实例作为参照物，由 参照物的稳定性情况对研究对象进行判断。这一方法的缺点主要体现在，由于实际工 程是一个非线性复杂系统，其复杂性使得找到条件极为相似的实例较为困难，如果只 万方数据 硕士学位论文1 绪论 是主要部分相似或局部相似，将导致现有对象的稳定性分析出现偏差。 3 理论分析研究 理论分析研究是通过运用岩石力学、巷道围岩稳定性等相关理论知识，对某一巷 道围岩实例进行应力、位移等分析。理论分析是矿山采矿作业、巷道支护等方案确定 的基础，但其又不能脱离现场实际环境，必须结合现场实测资料，确定合理有效的问 题解决方法。 4 模拟实验研究 模拟实验研究是采用各种数值分析软件，建立与现场工程相近的模型，人为改变 某个或某些参数，以得出单一变量或多个变量对围岩稳定性的影响规律。目前，模拟 实验研究得到应用广泛，各类数值分析软件如F L A C 、P F C 等都发展迅速，可作为解 决问题的有效手段。 1 ．2 ．2 国内外研究现状 进入深部开采的矿山，由于受到高地应力、动力扰动等复杂因素作用下，巷道围 岩受到压力及其变形量都增大，这就对巷道围岩的稳定性理论研究提出了更高的要 求。目前，对于围岩稳定性问题，国内外做了不少的研究，取得了一些成果。 1 国外研究现状 对于变化深度、变化地质条件下巷道围岩压力分布规律、稳定性分析等理论研究， 原西德、前苏联、英国等国都贡献颇多，尤以前苏联、原西德最为突出。在深度方面， 原西德在2 0 世纪6 0 年代就己致力于8 0 0 ．1 2 0 0 m 深井矿山开采问题研究，之后1 0 年， 研究深度增加至1 2 0 0 ．1 5 0 0 m ，其研究成果主要体现在建立了岩层控制系统。前苏联 一直加强巷道围岩压力控制技术研究，而其成果也成为巷道围岩研究的理论基础。其 他国家如英国、印度、日本、波兰等都进行过相关研究并取得了丰硕的成果【1 7 ．1 9 1 。 1 深部巷道围岩应力分布 通过数值计算，原西德学者G ．E v e r l i n g 发现矿井深度为1 0 0 0 m 、1 2 0 0 m 、1 6 0 0 m 处的竖向地应力依次增大，其值分别为2 2 - 2 4 M P a 、3 1 M P a 、4 2 M P a ，另外，其所属 研究团队还对深部巷道顶板围岩应力分布规律进行了数值模拟，并从模拟结果中确切 得到了相关结论，即开采深度不断增大，原岩的竖向地应力也将不断增大。 2 深部巷道围岩稳定性评价 前苏联用uc 岩石抗压强度 、厂 上覆岩层容重 两个作为巷道稳定性分板的 指标 表1 ．1 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 表1 - I 前苏联巷道围岩稳定性分析指标f 2 0 】 y H ／吒 巷道围岩稳定性 0 ．2 5稳定 0 ．2 5 ．0 ．4较稳定 0 ．4 ．0 ．6 5 不稳定 英国学者给出巷道失稳的最大深度[ 2 1 , 2 2 1 E 。 凰，7 吼1 2 r 1 ．1 此式中，风。为巷道失稳的最大深度；刁为载荷影响系数，取O ．8 ；y 为上覆岩层 容重；吒为岩石抗压强度；K 为裂隙影响系数 巷道失稳的最大深度与岩石强度、岩石裂隙影响系数的关系如图1 ．1 所示。 { 墨 图1 - 1 巩。、吒、K 三者关系图 由图1 ．1 中可以得到某一岩石抗压强度、裂隙影响系数下巷道围岩失稳的最大深 度。 前西德埃森采矿研究中心的学者通过研究后认为，围岩移近量是其稳定性分析的 综合有效指标。此外，他们得出巷道顶板围岩的力学性质是其稳定性的决定因素，可 以考虑通过采用顶板围岩岩性评价来评定巷道围岩的稳定性。而不受采动扰动影响的 部分巷道极限深度公式为 耳嗽 1 3 8 x ／o “ 。 1 - 2 由上式可得到不同岩性巷道失稳的最大深度，见表1 ．2 。 4 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 表1 - 2 不同岩性巷道围岩失稳的最大深度【2 3 】 3 深部巷道围岩位移量分析 巷道围岩变形量是进行支护的重要依据。对于围岩变形量随深度的变化规律，前 苏联得出了有益结论，即巷道围岩的位移量随着开采深度的加大呈现近似增长规律， 当其大于或等于6 0 0 m 时，深度每增加l O O m ，巷道顶底板围岩的相对位移值将增加 1 2 ％左右。 通过大量现场实测，得出了开掘初期顶底板、两板位移量的经验公式【2 4 】 ％D ．D J 『以le x p 丝竺虹竺也一1b1-3 L o 。 J ％o ．D 嘶以Ie x p 竺坐竺垃一Jh 1 ．4 L o c J 式中，％、“口为顶板、两帮在t 时间内的变形量；劬、q c 为顶板与两帮的压力； ，为上覆岩层的容重；吒为抗压强度；c r o 为引入的抗压强度；b 、h 为最初宽度与高 度。 2 国内研究现状 关于巷道围岩稳定性方面的研究，我国开展相对较晚，但目前也取得了一些成果。 国内有关这方面问题的开展主要是依据其相关理论知识及借鉴国外的可靠经验，也有 不少学者编著书籍并公开发表了学术论文。1 9 9 8 年，煤炭研究总院刘玉棠等【2 5 。2 7 1 开展 了煤矿特殊环境倾斜煤层巷道围岩稳定性的研究。此后，我国缓倾斜、倾斜煤层回 采巷道围岩稳定性分类案获得煤炭部批准，并广泛应用于全国大小型煤矿，在此方 案中，将顶板、底板、两帮强度叭矿层埋深H 、垮落步距L 、煤柱宽度X 、采高比 N 等7 个指标作为巷道围岩稳定性的判断依据，并依此将围岩分为5 种类型。此外， 有学者采用类比分析法研究了锚喷情况下巷道围岩稳定性，也有人提出可以运用松动 圈理论来评价巷道围岩稳定性。 岩石力学特性是进行围岩稳定性分析的基础和前期工作，对此，很多学者做了大 量研究，如周宏伟、谢和平、左建平【7 】等总结阐述了岩石力学性质受高地应力影响的 研究现状，内容涵盖了岩石的流变、强度性质、破裂特性等。贺永年、韩立军【2 叼等揭 示了岩石强度失效与围岩破坏的关系，分析了工程开挖的卸压与岩石脆性、延性破坏 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 的关系。徐营【2 9 】较系统地分析了深部巷道围岩失稳破坏与中、岩石局部化变化的内在 联系。 另外，关于巷道围岩在开挖、爆破采矿作业环境下其应力、变形等稳定性的研究 也有很多。孙淑娟、王琳【3 0 】等建立深部巷道开挖的动力响应分析模型，推导了相关扰 动方程，用于评价巷道岩体随开挖过程的破坏形态。姜耀东、赵毅鑫[ 3 1 - 3 3 】等在开滦矿 区、唐山矿、赵各庄矿进行围岩变形、破裂、矿进应力呈现的现场实测，通过实测资 料结合数值模拟，认为该矿在深部开采时极可能出现大变形流变和底鼓。邹喜正【3 4 】 探究了巷道形状对其围岩稳定性的影响，计算得到圆形巷道周边的应力、位移，得到 构造应力对巷道稳定性的影响规律，用于指导工程实践。柏建彪、王襄／g [ 3 5 】等将深部 软岩巷道作为研究对象，提出了通过主动控卸压释放围岩膨胀变形能的方法。孟庆彬、 韩立军[ 3 6 1 等通过多种地质测试手段，针对具体工程实例深入研究了深部巷道围岩变形 破坏机理。高富强、高新峰p 7 】等采用数值计算软件，模拟了动力扰动下巷道围岩的力 学响应，得到有意义的结论。潘岳等【3 8 】分析计算了巷道开挖过程中围岩弹性区和软化 区中的偏应力应变能，让我们对开挖后围岩的力学响应有了新的认识。 此外，不少学者提出了一些影响因素如硐室的尺寸大小、巷道支护、岩层埋深、 岩体质量、裂隙、地应力等与围岩稳定性关系的图集，在指导具体矿山作业时有很大 价值。 综上所述，对于深部巷道围岩稳定性研究方法手段主要有室内实验、现场调查、 数值模拟等，或者将这些方法结合起来运用。其中，离散元数值方法在此问题研究的 运用较少。鉴于离散元方法的特点，它能有效模拟岩体的开裂、分离现象，从细观角 度再现岩体破坏过程，并分析其内部响应机制，采用离散元方法研究巷道围岩稳定性 有着良好的适用性基础。 1 - 3 颗粒离散元法发展现状 离散单元法经过长期的发展，成为了有效解决岩土工程界问题的重要手段。鉴于 工程材料形态常呈现非连续性，材料内部受力和运动多是几何或非线性问题，所以有 限元等连续介质理论方法很难达到求解目的。离散单元法则适应于岩土体的不连续性 结构。它除了应用于材料内部微观响应分析、边坡和巷道的稳定性研究，同时在研究 地震、爆炸等动力过程和地下水的渗流、热传导等物理过程方面也有涉及。 源于分子动力学的离散元法于2 0 世纪6 0 年代首先在国外提出，后逐渐被应用至 各个领域，如岩石力学、土力学等。其创立与发展概况见表1 ．3 。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 表1 - 3 离散元法发展年代表 年代发展 1 9 7 1 1 9 7 9 1 9 8 0 1 9 8 9 1 9 9 6 2 0 0 2 应用于岩石力学 应用于土力学，推出二维、三维程序，提出软颗粒模型 研究散体流动，提出硬颗粒模型分析剪切流 引入T R U B A L 程序，发展颗粒模型 应用于剪切区问题研究 应用于应力路径问题研究 有不少学者运用离散元方法进行各类工程问题研究。澳大利亚学者余艾冰在其实 验室运用离散元方法，进行多类工程问题的模拟，并得到了相关有效结论。日本学者 O d a 、S a t a k e 、K i
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