金川二矿区软弱岩层破碎理论及支护技术研究.pdf

分类号 U D C 硕士学位论文 ㈣ Y 2 19 9 ；j i l 百西 密级一 编号 金川二矿区软弱岩层破碎理论及支护技术研究 S t u d y o nt h ec m s h i n gm e o 巧a n ds u p p o r tt e c l Ⅱl o l o g yo 士 s o Rs t r a t amJ i I l c h u a nN o ．2m i I l i l l gd i s t r i c t 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 罗磊 岩土工程 资源与安全工程学院 曹平教授曰l 弘 0 论文答辩日期兰坐尘乒 答辩委员会主席二翅 中南大学 年月 分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯ U D C ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 十南大学 C E N T R A LS O U T HU N ⅣE R S I T Y 硕士学位论文 ． 论文题目金川．三堑垦熬羁羞星臻磕堡逾鍪塞 ⋯⋯⋯⋯⋯塑基本研究⋯⋯⋯⋯⋯ 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯羞⋯圭⋯墨一猩⋯⋯⋯⋯⋯一 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯呈⋯⋯磊⋯⋯⋯⋯⋯⋯～ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯⋯蛊一垩⋯熬撬⋯⋯⋯⋯⋯． 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名 荔蕴 日期圣竺 年兰月生日 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。 日期型L 年』月』日 摘要 深部软岩巷道变形破坏以及支护问题一直都是岩石力学领域中 比较棘手的问题，特别是遇到地质条件比较复杂的情况。自从人们开 始岩石力学的研究工作以来，深部巷道的岩石力学问题一直都是研究 者们关注的焦点问题，但是深部巷道所处环境复杂，各种问题耦合一 起，最典型的特点就是“三高一扰动’’。尽管对深部巷道软岩的研究 工作一直没有突破性的进展，但也取得了一定的研究成果。 金川是我国典型的深埋矿体，随着浅部资源的逐渐减少乃至枯 竭，其开采的深度不断的加深，巷道的围岩应力问题也越来越突出。 特别是近几年，巷道变形破坏支护问题，已经严重的影响了矿山的安 全生产和经济效益，以前的支护手段，如普通锚杆支护、U 型钢拱架 支护、双层锚喷以及锚喷网等一系列的支护手段都已经不能够满足深 部巷道的稳定。当开采深度在1 0 0 0 m 以下时，矿山的开拓施工都难 以持续，巷道初始变形速度之快、持续时间之长以及变形量之大，都 是二矿区历史上从未出现过的，有的巷道仍然在开拓阶段，还没投入 使用返修工程就已经开始，这给金川矿山的生产带来了非常大的麻 烦。如何针对金川深部软岩巷道变形破坏机理对深部高应力复杂地质 条件下碎胀软岩进行支护，是金川矿区亟待解决的问题。本论文结合 金川二矿区深部开采的岩石力学问题等专题，进行如下几方面研 究 1 根据金川的前期地质报告对模糊不清地质体进行了彻底的 深入的调查研究，认为金川矿区所处的地质整体较为复杂且金川二矿 岩石的单轴强度较高，但岩体的整体强度较低，且深部巷道岩体表现 出明显的流变特性，是符合软岩的特性。 2 通过对大量取样的室内岩石物理实验，对二矿区的岩石力 学参数进行准确的测定，基于软岩软化路径及塑性破坏区理论，提出 了针对金川二矿深部巷道软岩破碎的具体认识观点，对金川深部软岩 巷道岩石力学问题的研究以及软岩巷道的支护都有很大的帮助。 3 通过本文的研究得造成金川二矿深部软岩巷道变形破坏 的主最要的原因是深部巷道围岩节理、裂隙极为发育，大部分属于支 离碎裂的结构，在较大的地应力以及水平构造应力和采动影响下，岩 体呈现碎胀蠕变特性，变形主要表现为破裂岩体在围岩应力作用下沿 结构面的滑移、错动和裂缝扩张等。 4 运用F L A C 3 D 有限差分程序软件在弹塑性理论的基础上模 拟巷道围岩的变形与支护，针对典型的深部软岩巷道，提出不同的支 护方案，根据模拟的结果分析分别讨论不同支护方案的优缺点并进行 优化。 5 从本文的研究结果，认为金川二矿深部软岩巷道的支护措 施采用混凝土喷射、锚杆、锚索联合支护方案能够有效的抑制巷道的 变形发展，维护巷道的稳定，同时针对深部软岩巷道支护问题提出了 几点认识和建议。 关键词软岩，岩体强度，巷道支护，F L A C 3 D 模拟 A B S T R A C T D e f o r m a t i o nf a i l u r e2 u l ds u p p o r t i n go fd e 印s o Rr o a d ．w a ye x C a v a t i o n i sk n o t 够p r o b l e mi nt h ef i e l do f r o c km e c h a n i c sa l lt h et i m e ，e s p e c i a l l y u n d e rc o I n p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ．S i n c er o c km e c h a n i c sr e s e a r c h s t a n e d ，d e e pr o a d 、Ⅳ乏哕o fr o c km e c h a n i c sp r o b l e mh a Sb e e nf o c u s e db y t h er e s e a u r c h e r s ，b u te n V i r o 嘞e mo fd e e pr o a d w a yi sV e 巧c o m p l e x ，w h a t ’ sm o r e ，V a r i o u sk i n d so f 啡l e s t i o n sc o u p l e dt o g e t h e r ，t h em o s tt y p i c a l c h a r a C t e r i s t i ci s t h r e eh i g h sa n do n ed i s t u r b a l l c e ．D e s p i t er e s e a r c ho f d e 印s o 丘r o c kr o a d w a yh a sb e e n n ob r e 出h r o u g hp r o g r e s s ，b u ta l s om a d e s o m ea c h i e v e m e n t s ． J i n c h u a ni s 咖i c a ld e e po r eb o d i e si no u rc o u l I 乜y ，w i t ht h es h a l l o w r e s o u r c e sr e d u c ea n de V e nd 巧u p ，c o r r e s p o n d i n g ，i t s m i n i n gd 印t h i n c r e a s eg r a d u a l l y ，t h ep r o b l e m so fs u r r o u n d i n gr o c ks t r e s si sm o r ea n d m o r eo u t s 切n d i n g ．I nr e c e n ty e a r s ，t h es a f e t ，i nm i n ep r o d u c t i o na n d e c o n o m i cb e n e f i t sh a Sb e e ni n n u e n c e db yd e f o m l a t i o n ，d e s 仃u c t i o na n d s u p p o r t i n go fr o a 1 W a y ；t h e 仃a d i t i o n a ls u p p o r tm e a n s ，s u c ha so r d i n a r y b o l ts u p p o r r t ，Us h 印e ds t e e la r c hs u p p o r ta n db o l t i n gn e t se t ，h a sn o tb e e n a b l et ok e e pt h ed e e pr o a d w a ys t a b i l i 够．W h e nm i n i n gd e p t hb e l o w 10 0 0 m ，t h em i n ed e V e l 叩m e n tc o n s t 九l c t i o na r eh a r dt oc o n t i n u e ，r 印i d ， l o n gd u r a t i o na n d1 a r g ed e f b m a t i o nm 呔et h ee x c a v a t i o nd i m c u l tt o c o m i n u e ，w h i c hh a de V e rs e e ni nh i s t o 巧o fJ i n c h u a nN o ．2m i n i n g ；s o m e r o a d w a yh a v e n ’tp u ti n t ou s e ，b u tr e p a i rw o r kh a v es 僦e da l r e a d y ，w h i c h i s u r g e n tt os o l V e ．A c c o r d i n gt o “J i n c h u a nN o ．2m i n i n gd e e pr o a d w a y r o c km e c h a n i c sp r o b l e m ，’，f o l l o w i n g2 u s p e c t so fr e s e a r c hh a Sb e e nc a r r i e d O n 1 A c c o r d i n gt o t h e g e o l o g i c a lr 印} o r t s ，w e m a d ea t h o r o u g h i n v e s t i g a t i o nf o r b l u r r e dd i s t r i c t ．T h i n k i n gt h a tg e o l o g yo fJ i n c h u a nm i n e i sc o n 叩l i c a t e da n du n i a x i a ls t r e n 垂ho f r o c ki sh i g hs 仃e I l g t h ，b u ts t r e n 垂h o f r o c km a S si sl o w ，W h i c hs h o wo b V i o u sr h e o l o g i c a lp r o p e r r t y ，a c c o r d i n g w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o Rr o c k ． 2 R - o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r sh a db e e nd e t e m i n e da c c u r a t e l yb y i n - h o u s ep e 仃o p h y s i c a le X p e r i m e n t a lf o ral o to fs 锄p l e s ．M e c h a l l i s mo f T T T d e e ps o f tr o c k 行a C t u r ea b o u tJi n c h u a l lN o ．2m i n eh a db e e nb r o u g h t f o r v Ⅲdb a s e do nt h es o R e np a mo fs o Rr o c ka n dt h ep 1 2 u s t i c 行a c t u r e d r e g i o nt h e o 巧，、Ⅳh i c hc o n d u c et or e s e a r c hr o c km e c h a n i c sa n ds u p p o r to f d e e ps o Rr o a d w a y ． 3 F o l l o w i n gt h er e s e a r c h i n t h i s p 印e r ，t h em a i nr e a s o no f d e f o m l a t i o nf a i l u r ei nt h ed e e pr o a d w a yi s w e l l - d e V e l o p e df a u l t sa n d j o i n t so fs u r r o u n d i n gr o c k ．B e c a u s eo f 铲e a tg r o u n ds t r e s s ，h o r i z o n t a l t e C t o n i cs t r e s sa n d m i n i n gm o V e m e n t ， t h er o c km a S s p r e s e n t c r a c k - e x p a n s i o nc r e e pc h a r a C t e r i s t i c ，t h em a i nd e f o r m a t i o nm a n i f e s t e da s s l i p ，d i s l o c a t i o na n dc r a c ke x p a n s i o n ，e t c ． 4 U s i n g f i n i t ed i f - f e r e n c es o f 陬，a r eF L A C 3 Dt os i m u l a t e d e f o m ．1 a t i o na 1 1 ds u p p o r r to ft 1 1 es u r r o u n d i n gr o c k ，b a s e do ni t sr e s u l t ， d i 丘．e r e n t s u p p o r ts c h e m eh a db e e np u tf 0 嗍d ，t h e nd i s c u s s i n g t h e a d v 觚t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i 仃e r e n ts u p p o r ta n do p t i m i z e d t h e m ． 5 W i t hr e s u l t so fr e s e a r c h ，t h es h o t c r e t i n g ，b o l t i n ga n dc a b l e c o m b i n a t i o n s u p p o r t i n g c a ne a ’e c t i V e l yr e s 讹i nr o a d w a yd e f o m a t i o n d e V e l o p m e n t ，m a i n t a i ni t ss t a b i l i t y ．A sw e n2 u ss o m eu n d e r s t a n d i n ga n d s u g g e s t i o nh a sb e e np r o p o u n d e df ．o rt h ed e e ps o Rr o a C l w a ys u p p o r t ． K E YW O R D S o Rr o c k ，r o c km a s ss t r e n g t h ，s u p p o r to fr o a d w a y ’ F L A C 3 Ds i m u l a t i o n Ⅳ 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．i 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 软岩理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 软岩巷道变形破坏理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 软岩巷道支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 论文的研究目的及研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第二章金川二矿区工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 矿区地理位置及主要构造位置简述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 工程地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 ．1 地质构造特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．2 ．2 水文地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 岩体结构面特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 ．1 结构面的成因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．2 结构面的规模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．3 结构面的产状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 矿区应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 第三章深部软岩力学性质室内试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．1 深部软岩基本物理力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．1 选取样本⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．2 试样的加工数量、规格以及精度的要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．3 试验仪器及设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 试验过程、结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．1 单轴抗压强度的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．2 抗拉强度的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．3 抗剪强度的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．4 三轴压缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．2 ．5 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 第四章软岩的工程力学特性与深部软岩巷道破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 软岩的定义与分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．1 ．1 软岩的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 ．2 软岩的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 软岩的工程力学特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2 ．1 软岩的基本力特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．2 软岩的工程特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 金川软岩的巷道破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 ．1 巷道围岩受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．2 软岩巷道的承载机理以及及软岩的软化路径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．3 破坏区半径心和位移U 的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．4 工程实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 第五章软岩巷道的支护理论及数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 软岩巷道支护理论及原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．1 ．1 软岩巷道的支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 ．2 优化支护最佳时间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．1 ．3 围岩和支护相互作用原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 ．4 软岩巷道支护原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 ．5 软岩巷道支护方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．2 金川软岩巷道支护现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．2 ．1 金川巷道支护方式简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．2 ．2 金川巷道支护经验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 软岩巷道支护数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．3 ．1 F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．2 数值模拟建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 ．3 开挖模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．3 ．4 支护模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 攻读学位期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 1 ．发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 2 ．主持或参加的科研工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 1 ．1 引言 第一章绪论 地下工程岩石力学问题的研究世界难题之一就是深部软岩巷道变形控制，也 是国内外学者们都非常关注重点研究的方向之一。伴随随我国经济的腾飞，资源 开发的需求必然进一步增加，而浅部资源的枯竭，使得资源的开采也将不断向深 部转移。深部矿山井巷处于高应力作用下，尤其是在地质构造活动强烈地区，不 仅使岩体工程特性较差并且残余构造应力较大，以往适用于浅层开采的传统支护 方式已经远远不能满足现在的生产的需求。深埋巷道特别是软岩巷道逐渐出现一 系列棘手的问题，如矿压显现强烈、巷道开拓后变形速度大、变形持续时间长且 维护困难等现象，生产效率和经济效益严重滑坡，更有甚者会发生事故，威胁到 在井下作业人员的生命安全。 深部软岩破碎巷道的支护，一直以来都困扰着世界矿业界的专家学者。从 2 0 世纪8 0 年代起，我国的支护专家、学者和众多的科研工作者潜心的研究软岩 巷道的支护稳定问题，付出了大量心血甚至生命的代价，取得了丰硕的成果，为 深部软岩巷道的支护问题树立了一盏灯塔。但到目前为止，深部软巷道仍然没有 得到根本的解决。 由于我国的软岩分布较广，很多矿山采掘过程中，都会遇到软岩工程问题。 由于缺乏足够的科学准确的数据，以及各地区软岩工程特点的差异，对软岩的概 念理解的不同，导致了软岩定义的相对“独立性”，各种称谓层出不穷，百花齐 放。如“软岩”、“不良岩层”、“复杂岩层”、“破碎岩层”等各种名词名词。尽管 称谓不同，但他们都由共同的特征，即松、散、软、弱四个字，和致密、坚硬易 支护的岩体有着完全不同的岩石力学特性。就这个意义而言，传统上围岩的软硬 或地应力水平的高低的特点已经不能用来描述软岩的特性了，要将两者结合起 来，综合考虑。金川二矿区的围岩恰恰就是属于这一类。 金川矿山以“深、大、富、碎”的特点著称，深指的是矿体埋深，均在5 0 0 m 以下，如今二矿区已经开采到了1 0 0 0 m 以下；大指的是金川矿区是世界超大型 硫化镍铜矿床之一；富指的是金川矿山镍品位较高，并且伴生金属品种丰富，可 回收的金属元素多碎指的是经过地壳的多次构造运动，金川所处的地质体断层、 节理和构造裂隙都很发育，矿体和围岩十分破碎。金川硫化镍铜矿是世界上大型 镍矿生成基地之一，也是我国重要的镍资源产地，金川的镍占有国内8 5 ％的市场。 由于矿体埋深大，处于高应力的地压环境中，导致岩体破碎软化，从而导致巷道 1 变形初期速度大，变形持续时间长难支护等特点。由于较大的地应力导致岩石物 理和力学性能发生了变化，岩体的变形破坏程度以及方式与浅埋岩体有着根本性 的区别，一些在浅部常用的方法，已经不能适用于深部围岩。虽然金川矿山巷道 支护研究已超过1 0 年，积累了一些经验，也取得了良好的的效果，但开采深度 的日益深入开采面积的日益增大，都使得巷道周围应力分布发生了显着的变化， 应力值不断增加，目前金川有记录的最大应力值为4 5 M p a 。近年来，许多巷道更 是未投入适用就进行反修，而且有的巷道多次返修，但效果并不明显。根据二矿 统计，仅2 0 0 1 年前三个季度的实际返工量就已经达到7 0 6 5 ．9 m ，远远的超出了 预计返工，修理费用高达共计1 3 1 9 8 ．9 万元。数额巨大的返工花费不仅耗费了公 司的大量的资金增加了生成成本，也给矿井通风，运输，供电等系统带来了一系 列问题，扰乱正常的生产，严重影响产量。因此，深部巷道碎胀蠕变软岩支护问 题的解决将给世界上深部开采带来革命性的意义。此外，可以借鉴国内许多类似 的地下工程，比如南非的金矿开采已达3 5 0 0 m 以上，其地应力之大可想而知， 尽管深部岩体的物理性质等有很大差异，但其在高应力下表现出来的流变特性大 同小异，巷道变形破坏、围岩的支护稳定都是值得我国科研者学习。 1 ．2 软岩理论研究现状 1 ．2 ．1 软岩巷道变形破坏理论研究 R ．F e l m e r 【1 】 1 9 3 8 首先是由提出了软岩巷道围岩变形及围岩压力的弹塑性分 析方法，19 51 年H ．K a s n l e r l s 【2 】对此重新作了重要修正。F e l m e r 和K a s 仃l e r l s 都把 巷道围岩当作理想的弹塑性介质，假设围岩破坏前后强度没有发生变化，与极限 强度值相等，事实岩体的强度已经折减为残余强度，所以按照F e l m e r 和K a s 臼1 e r l s 的假设计算出来的围岩塑性区半径都是偏小，相应的围岩位移变形也是偏小；而 A l r e y 建立的应变软化模型将岩体假设为理想脆塑性力学模型，A l r e y 公式中岩体 达到极限强度后，强度立即迅速的降到岩体的残余强度，没有遵循岩体破坏后强 度逐渐降低的特性，因此根据A l r e y 公式计算出的塑性半径与巷道变形位移都是 偏大的。不论是F e l r l l e r 和K a s t I l e r l s 还是A l r e y 他们当时都没有认识到岩体破坏 后强度是逐渐降低这一特性，所以所计算出来的结果与实际工程也相差很大，不 能简单的就服务于实践中去。 随着损伤断裂力学的快速发展，岩石等非弹性材料的性质以及破坏机制得到 了很好的解答。1 9 7 6 年D o u g i l l 根据断裂面的概念研究岩石的脆塑性损伤行为， 并利用岩石以及混凝土等像是材料进行损伤力学模拟实验研究，1 9 7 9 年 D r a g o n M r o z 建立了连续介质模型【3 】；K m j c i n o v i c 、K a c h a n o v 、C o s t i n 等学者从 2 不同角度出发，将损伤断裂力学运用于岩石材料，完善了理论研究并建立相应的 模型，从而丰富和完善了岩石力学的研究内容。M o s s ＆G u P t a 利用实验所得出来 的结果建立了脆性岩石扩容破坏的本构模型。 1 9 7 5 年R u d i n c k 和础c e 【4 】创建了分叉理论，所谓的分叉理论就是把岩土局部 变形所导致的剪切带作为一种分叉现象加以研究。V 打d o u l a b s 和P a P 锄a s t a s i o u 【5 】 等学者运用分叉理论对巷道稳定性进行研究，对硬质巷道围岩破坏的非唯一性以 及失稳性等问题都作了合理的解释，并解释了硬岩巷道围岩出现多样性破坏形式 这一现象。分叉理论受到各国科学家的重视，在岩土工程中学者们根据分叉理论 解释了可以出现凹陷、膨胀、颈缩以及各种形式的剪切带破坏形式，即同一种岩 石破坏形式多样性和不确定性。 1 9 9 5 年标志我国软岩工程技术研究繁荣的中国岩石力学与工程学会成立了 软岩工程专业委员会。伴随国民经济的快速发展，城市地下空间的开发利用，深 部矿山采掘等一系列问题的产生，软岩地下工程的迫切需要，给地下工程科研工 作者提出了新的重要研究课题。 刘长武教授1 6 J 分析葛泉煤矿葛泉矿区域构造地质特征及其力学成因的基础 上，认为软岩巷道围岩的应力的增加是由于构造应力引起的，特别是深部水平地 应力一般都是垂直地应力的两倍左右，巷道变形破坏的方式及其方位都是由水平 地应力决定的。在水平地应力的作用下，巷道底板首当其冲，成为整个支护体系 中薄弱环节之一，在与巷道最大主应力相垂直方向出现了大面积开裂、塌落，底 板矿压显现问题也非常严重，出现受压破坏、底鼓。 贺永年，何亚男【7 】认为软岩巷道底鼓变形全过程为首先是顶板压力通过该 巷道两帮岩柱传递，底板受到挤压后与两帮围岩同时发生下沉，底板由于受到严 重挤压变形发生断裂，然后底板隆起形成底鼓。 通过对霍州煤电白龙矿区松软膨胀巷道围岩破坏机理进行分析。刘立东，王 俊虎【8 】等认为巷道上覆岩层压力越大，就会导致巷道围岩沿软弱面向巷道内挤 压，发生碎胀形变就越明显，产生的碎胀压力就越大，巷道围岩产生裂隙就越大； 由于空气中含有的水分被岩层吸收，岩体吸水后开始膨胀，当膨胀发生到巷道支 护抗力不足以抵抗围岩压力时，巷道就发生了变形破坏。 来兴平，蔡美峰【9 】等利用相似材料模拟实验的方法，对软岩巷道项板破坏过 程进行了模拟研究。结果分析认为巷道的变形破坏可划分为三个阶段第一阶段 为变形阶段，这一阶段可分成两种情况，巷道整体均匀变形阶段和巷道非均匀变 形阶段，即巷道整体均匀变形阶段和巷道非均匀变形阶，巷道整体均匀变形阶段 段表现为项底板、两帮的相对位移移量差别不大，巷道非均匀变形阶表现与巷道 整体均匀变形阶段截然不同，此时两帮的变形量小于项底板的变形量，并随着时 间的推移，这种差异越来越明显；第二阶段为巷道破坏变形阶段，在此阶段的特 征是巷道两帮发生片帮、顶板发生冒落。第三阶段为再变形和再破坏阶段，在此 阶段的特征是巷道反复的出现发生变形、破坏。 潘一山【1 0 ’1 1 】等利用限单元法以及相似材料模拟试验对巷道底鼓的时间效应 以及软岩遇水膨胀引起的底鼓现象加以研究，认为巷道底板下一定范围内的岩 体、两帮下部底板岩体以及两帮围岩，是底鼓的岩体的三个主要组成部分，并建 立了底板岩层渗水膨胀软化模型。 张晓春，缪协兴【1 2 】利用R F P A 分析系统，对层状的硐室围岩的层裂和破坏方 式进行了数值模拟，并得到发生层裂结构的厚度。同时，结果还表明，围岩的岩 石材料的均质度对受压岩体内裂纹的演化扩张有决定性的作用。巷道围岩由于受 到均质度范围的影响，均质度不同表现的破坏形式不同，较高为层裂破坏，较低 为局部弱化失效。 黄旭，马念杰【1 3 】等对张晓春，缪协兴的成果进行了更深入的研究，在计算 出沉积岩层顶板破坏力学行为条件下，将软岩层状顶板赋于不同的厚度分别进行 了数值计算，来探讨巷道稳定性了与软弱岩层厚度的关系，最终得出了不同厚度 软弱岩层的巷道开挖后的破坏过程和破坏后冒落的形状，提出了针对不同厚度软 弱岩层的层状顶板巷道的支护措施。 刘泉声，张华，林涛【1 4 】等认为深部软岩巷道围岩所处的应力环境相对复杂， 跟浅埋巷道围岩受力截然不同，根据淮南矿区深部软岩巷道地应力场分析可知， 软岩巷道开挖后，巷道围岩的受力状态发生了改变，从三向应力状态改变为二向 应力状态，如支护不能及时有效地跟上，表面围岩围岩强度很快就会小于压剪应 力，围岩就会很快由表及里发生大变形、破裂、碎裂、整体失稳。其次，巷道附 近围岩有效应力随着采深增加以及地下水渗透压力作用，迅速增大，并致使围岩 应力超过其强度发生破坏失稳。 樊克恭，翟德元【l5 】等对软岩弱结构围岩巷道破坏失稳机理进行了分析，认 为导致弱结构体围岩出现塑性破坏区的主要原因是巷道开挖后，围岩应力重新分 布过程中弱结构体产生滑移、破裂；并且这种变形破坏有流变效应，不过随着时 间的推移破裂的范围和变形量不明显，此时，弱结构岩体的滑移、错动、剪胀变 在原生和新生破裂面上更加明显；巷道其它部位围岩变形破坏由于受弱结构体变 形破坏的影响加剧，向开挖空间移动从而造成巷道失稳。 靖洪文，宋宏伟，郭志宏[ 16 】等提出了“稳定的围岩松动圈厚度”这一概念。 围岩松动圈厚度能全面反映围岩应力和围岩强度等因素综合作用结果，其可定量 分析软岩工程塑性破坏区半径、位移等，进而分析围岩非线性变形破坏机理。他 们通过工程实践证实所研究的碎胀变形机制及支护参数设计方法的可行性及可 靠性。 伍永平，黄超慧，来兴平【1 7 】等研究表明岩体与水的物理化学作用是导致底 鼓的重要因素。通过对自然与饱和状态下软岩的物理力学特性测试结果对比，研 究了软岩遇水相互耦合后膨胀、泥化及强度迅速降低等特性。提出了软岩巷道底 鼓的治理的建议应以提高岩体强度、改善围岩结构为出发点，重点治水及加固 巷道帮角。 于广吲1 8 ，1 9 】运用分形几何对地下工程开挖受扰动后岩体初始裂隙分布、裂纹 扩展及断裂表面分布进行了分析，描述了其随时间的动态演化规律，揭示了岩体 受力变形过程的力学机能、应力状态、物理和化学性质的演化，更深层次认识岩 体变形破坏的非线性、复杂性、岩体动力学演化过程中的突变现象和岩体裂纹演 化的协同效应。 1 ．2 ．2 软岩巷道支护理论 1 ．国外研究现状 1 新奥法理论【2 0 】 上世纪6 0 年代奥地利专家L ．V R a b c e w i c z 总结