金川深部巷道变形及支护时效性研究.pdf

分类号 U DC 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 十I 初大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目⋯垒川．添部苍遒变形磊交护赋垫隆研定⋯ 学科、专业⋯⋯⋯⋯．建筑鱼．圭．本．王堡⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯孽⋯⋯照⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 导师姓名及 专必支术职务⋯⋯⋯⋯⋯曹⋯垩⋯熬撬⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 分类号 U DC 密级 编号 硕士学位论文 金川深部巷道变形及支护时效性研究 S t u d yo n t h eT i m e d e p e n d e n tD e f o r m a t i o n a n dS u p p o r t o fD e e pR o a d w a yi nJ i n c h u a n 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 谭鹏 建筑与土木工程 资源与安全工程学院 曹平教授 论文答辩日期＆趱幺髟 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 年0 2 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，除了论文中特另, J ／m 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 日期迎年上月型日 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。 2 丝年土“ 监E t 硕士学位论文 摘要 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研究中 的一个重要领域，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，由于深部巷道所处的环境复杂，其岩石 力学问题一直都是研究者们关注的焦点。 金川镍矿作为我国最大的硫化铜镍矿，是全国三大资源利用基地 之一。但随开采深度不断的增加，巷道的围岩应力问题也越来越突出。 深部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，有的巷道甚至在开挖阶段，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。本 文针对复杂工程环境下的金川深部巷道稳定性展开一系列研究工作。 1 根据金川的前期地质报告对模糊不清的地质体进行了彻底 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 i l - 矿 岩石的单轴强度较高，但岩体的整体强度较低，深部巷道岩体表现出 明显的流变特性。 2 通过本文的研究得造成金川二矿深部软岩巷道变形破坏 的主要原因是深部巷道围岩节理、裂隙极为发育，在较大的地应力以 及水平构造应力影响下，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。根据 矿区实际情况，从长期看片帮、底鼓是矿山巷道破坏的主要表现形式。 3 运用F L A C 3 D 有限差分程序软件模拟巷道围岩的变形与支 护。对巷道工程围岩的力学性态和变形的时间效应进行三维非线性数 值模拟，建立了巷道围岩位移一时间关系曲线，分析了巷道围岩位移 和应力随时间的变化规律。针对金川的深部巷道破坏特征，提出不同 了的支护方案，并分别讨论了不同支护方案的优缺点。 4 本文通过对金川深部工程力学性质和支护技术的研究，认 为金 1 1 - 矿深部软岩巷道的支护措施，可以根据不同工程段的岩层情 况，采取经济合理的支护方式。在稳定性很差的地段则宜采用喷锚网 U 型钢 底拱的组合为适，控制巷道变形，维护巷道的长期稳定性。 关键词深部巷道，巷道支护，变形，F L A C 3 D 数值模拟 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T A BS T R A C T D e f o r m a t i o nf a i l u r ea n d s u p p o r t i n g o f d e e p s o f t r o a d w a y e x c a v a t i o ni sk n o t t yp 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 yu n d e rc o m 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 s r e s e a r c hs t a r t e d ，d e e pr o a d w a yo fr o c km e c h a n i c sp r o b l e mh a sb e e n f o c u s e do nb yt h er e s e a r c h e r s ． J i n - c h u a nN i c k e lM i n ei st h el a r g e s tc o p p e r - n i c k e ls u l f i d em i n e r a l i nC h i n a ．I th a se x p e r i e n c e ds t r o n gt e c t o n i cm o v e m e n t ．i t sm i n i n gd e p 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 t a n d i n g ．I nr e c e n ty e a r s ，t h es a f e t yi 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 f l u e n c e db yd e f o r m a t i o n ，d e s t r u c t i o na n d s u p p o r t i n g o fr o a d w a y ．R a p i d ，l o n gd u r a t i o na n dl a r g ed e f o r m a t i o n m a k et h ee x c a v a t i o nd i f f i c u l tt oc o n t i n u e ，w h i c hh a de v e rs e e ni nh i s t o r y o fJ i n - c h u a nN o ．2m i n i n g ．T h i st h e s i sl a u n c h e das e r i e so fr e s e a r c hw o r k a i m i n ga ts o l v i n gt h ep r o b l e ms o f tr o c kr o a d w a yi nt h ec o m p l e xp r o je c t e n v i r o n m e n to fJ i n ．c h u a nm i n e ． 1 A c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a lr e p o r t s ，w em a d eat h o r o u g h i n v e s t i g a t i o nf o rb 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 f J i n c h u a nm i n e i sc o m p l i c a t e da n du n i a x i a ls t r e n g t ho f r o c ki sh i g h ，b u ts t r e n g t ho f r o c k m 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 t y ，a c c o r d i n gw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o f tr o c k ． 2 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 a p e r ，t h em a i nr e a s o n o f d e f o r m a t i o nf a i l u r ei nt h ed e e pr o a d w a yi sw e l l d e v e l o p e df a u l t sa n d jo 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 fg r 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 e r 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 d a ss 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 ． 3 U s i n g f i n i t ed i f f e r e n c es o f t w a r eF L A C 3 Dt os i m u l a t e d e f o r m a t i o na n ds u p p o r to ft h 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 f f e r e n ts u p p o r ts c h e m eh a db e e np u tf o r w a r d ，t h e nd i s c u s s i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n ts u p p o r ta n do p t i m i z e dt h e m ． 4 W i t ht h er e s u l t so fr e s e a r c h ，t h ef o u r t hm e t h o dC a ne f f e c t i v e l y T T r e s t r a i nr o a d w a yd e f o r m a t i o nd 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 ． u n d e r s t a n d i n ga n ds u g g e s t i o n s h a v eb e e np r o p o u n d e df o rt h e r o a d w a ys u p p o r t ． S o m e d e e p K E YW O R D S D e e p r o a d w a y ，s u p p o r to fr o a d w a y , D e f o r m a t i o n ， F L A C 3 Ds i m u l a t i o n I I I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．i 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 岩石流变学研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 巷道围岩变形的时间效应研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 深部节理岩体流变研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 第二章围岩变形与破坏机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 岩石的变形及破坏过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 围岩力学性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．1 围岩的蠕变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．2 围岩的长期强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．3 围岩的破坏机理及稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．3 ．1 岩石的破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．3 ．2 围岩稳定性的力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．3 。3 考虑岩石时间特性的围岩稳定性认识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．4 围岩的支护理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．4 ．1 围岩的粘弹性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 。4 ．2 围岩与支护的相互作用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 2 ．4 ．3 破坏区半径及喷锚机理的力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 第三章金川深部软岩巷道变形破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 。1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 6 3 ．2 工程地质力学特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．2 ．1 地质构造特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 。2 。2 水文地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．2 ．3 岩层主要岩性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．2 ．4 深部原岩应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．2 。5 岩体结构面特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 金川深部巷道变形及破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 ．3 ．1 深部巷道变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 。3 ．2 深部巷道破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 第四章数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．2 软岩巷道支护数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．1F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．2 单元模型选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．3 模型建立及参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 中南大学硕士学位论文目录 4 ．3 ．1 模型计算范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．3 ．2 模型计算参数及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 第五章数值模拟结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 巷道开挖模拟分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．2 支护方案模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．2 ．1 支护方案一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 9 5 ．2 ．2 支护方案二⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．2 ．3 支护方案三⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．2 ．4 方案效果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．3 最佳支护时间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 攻读学位期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 1 ．发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 2 ．主持或参加的科研工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 课题研究的目的和意义 随着我国经济的快速发展，金属矿产资源在国民经济中的地位和重要性也 迅速得到提高。金川作为我国最大的镍矿生产基地，为满足国家对矿产资源的 不断需求，产业规模不断扩大，开采深度不断增加，开采也早已全部转为地下 作业。金川矿区所在的地质结构极为复杂，且地质力学条件很差。随着现实工 程要求的不断增加，工程埋深也不断增大，而目前掌握的浅部岩石力学理论已 经难以很好的为深部岩石工程提供有效的支持，金川深部开采巷道的稳定性问 题也成为金川矿区的一个极为突出的难题。 深部地下工程的实质是在高应力的深部岩层中开挖出所需要的地下空间， 并且修建成能够为正常工程作业提供安全支护且在规定年限内正常使用的支护 结构【l 引。然而在所有深部工程的设计施工中巷道围岩的稳定性问题是亟待解决 的，尤其是在巷道规划运营的使用年限内必须保证其安全性。因此，对深部巷 道围岩变形及支护研究应加以足够的重视了。 金川深部巷道处于高应力作用下，尤其是在地质构造活动强烈地区，岩体 工程特性较差并且残余构造应力较大。当深部岩体一旦受到工程施工扰动作用 时，如巷道的开挖，原有的相对应力平衡状态就会被打破，围岩将进入另一个 阶段的力学发展，即新平衡的建立【3 】。如巷道工程在开挖时除了承受岩体本身 的自重应力和强大的构造应力强烈作用外还有围岩的重分布所形成的压力，因 此在施工时要防止可能发生的巷道围岩的变形、剥落甚至是坍塌。然而，已有 的大量现场资料和文献研究数据表明，即使深部巷道开挖业已完成，引起围岩 变形发展的“空间效应”不再起作用时，围岩的变形由于“时间效应”的作用 还会有所发展【4 5 】。由于巷道开挖后在围岩二次应力场作用下，巷道围岩的应力 调整和变形并非在短时间内就发展完成的，伴随着巷道的开挖，围岩的塑性区 也亦随着时间不断的发展产生了作用在巷道衬砌上的塑性力。巷道围岩由于岩 石的蠕变变形和岩体节理面受应力重分布影响重新组合而产生位移，围岩在宏 观上往往表现为向巷道内缓缓的移动收敛，巷道的变形和围岩的压力均随时间 的发展而不断的发生变化从开挖开始到数年或是数十年，直到围岩在时间特性 的作用下逐步的最终趋于收敛，而这种从围岩变形产生到围岩破坏的过程是需 要一定的时间的积累的，具有明显的蠕变特性【6 】。例如加拿大的哈塔湖工程用 在竣工两年后出现严重的裂隙破裂，在四年后破坏范围扩大一倍，相关单位进 中南大学硕士学位论文第一章绪论 行了五年的研究跟踪监测工作后，发现衬砌支护随时间破坏发展的程度正是由 于围岩后期流变压力随时间增加的缘故造成的而加拿大的另一些工程实例有 的则是在几十年之后才出现明显的变形破坏的。由此可见巷道开挖后围岩的变 形和稳定性与时间效应有着直接关系。 巷道围岩的变形时间效应是导致巷道工程中衬砌结构发生失效，产生变形 破坏的主要原因。由于巷道结构长期受到岩石的流变压力，随着时间的发展巷 道内部净空的变形也将会逐步增加，如果得不到有效治理甚至会发生灾难性后 的后果【8 ] 。因此巷道内部净空收敛量的控制就显得尤为重要。若在实际工程的 基础上建立巷道开挖数值模型，并能对巷道围岩变形随时间的变化量进行估算， 将对研究巷道工程岩体的蠕变动态特性和巷道工程的支护设计施工具有重要意 义【1 0 - 12 1 。 伴随着矿山开采深度的不断增加，金川深部岩层的力学性质也随之发生了 很大的变化，同时工程所承受的水平地应力也持续发展，垂直地应力迅速增大。 随着深度的不断增大，地质条件也不断的恶化，破碎岩体增多，岩体节理裂隙 更加发育、地应力增大、大变形、强流变导致深部采场围岩和巷道的稳定性问 题愈加突出。新掘进的深部巷道最短在2 ～3 天内就可能会发生侧帮、顶板开裂， 整体规格缩小等现象，严重地影响着安全生产以及基建进度。同时由于深部巷 道工程发生严重的变形破坏，致使集团公司每年都要有大笔专项资金用于进行 大量的返修工作，导致经济成本的快速增加。金川矿区的巷道及其围岩的稳定 性是项目开展的难题，极大地限制了金川矿区的开发建设。因此研究金川矿区 深部岩石的力学特性和岩石蠕变效应显得十分重要，为巷道及硐室的稳定性和 支护系统设计提供理论依据。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 岩石流变学研究现状 岩土工程流变力学是研究岩土体与时间因素有关的变形、力学行为、本构 关系、流动与失稳破坏的变化规律，是将时间因素作为相对独立的影响参数考 虑并应用到岩土体的应力和应变的基本法则中去【1 3 】。改变了经典弹性和塑性理 论中岩土体应力一应变状态是恒定，仅取决与所加荷载的大小和顺序的改变，不 考虑时间效应的认识。 流变学的研究历时过程虽然十分长远，最早的历史记载始于埃及的 A m e n e m h e t 对流体粘度影响因素的测定，但直到1 9 世纪3 0 年代才形成了较为 完整的学科体系。1 9 2 8 年，由美国的B ．C ．B i n g h a m 教授提议并在1 9 2 9 年创立 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 了被公认流变学历史新纪元的美国流变学会，创办了流变学杂志【l 4 1 。1 9 4 8 年荷兰G e u z eE ．C ．W ．A ．[ 1 5 1 和我国陈宗基【1 6 】教授，首先对土进行了系统的流变学 的科学研究并提出了宾汉粘滞塑性流动定律，从此将流变学理论引入到岩土工 程界。此后的数十年以来，岩体流变学的研究取得了大量成果和进一步的发展， 主要包括对试验方法、解析理论和数值模拟及工程应用等方面的研究。 1 9 6 5 年，我国教授陈宗基【l6 】通过对围岩节理岩层进行的流变力学实验研究， 在其公布的研究成果中提出了围岩应力场与时问效应的论述【1 7 】。在8 0 年代利用 多功能三轴仪进行了大量的岩石流变力学的实验，并对岩石的流变和扩容现象 进行了深入的探讨。在1 9 8 4 年又提出了第三屈服强度的概念，即岩土体由粘弹 性向粘塑性转化的强度转折点。 1 9 5 7 年，I t o [ 1 8 】等人进行了迄今为止持续时间最久的岩石力学弯曲蠕变实验， 历时跨度长达几十年。实验对象为3 根辉长岩和6 根花岗岩式样。 孙钧【1 9 】教授结合许多大型岩土工程，对饱水状态下的花岗岩的拉伸蠕变力 学性质进行了深入的研究，进行了大量的流变力学实验和现场测试，并在实际 工程中得到广泛的应用。 朱合华【2 0 】教授对考虑水作用下的岩石蠕变特性进行了实验研究，发现含水 量对岩石的极限蠕变变形量有明显影响，而且干燥状态的岩石道道稳态蠕变的 时间与饱和状态下的岩石所需的时间相差较大。 日本山下秀【2 1 1 、D e m b e r e l f 2 2 ] 等人对单轴压缩条件下的岩石蠕变破坏进行了 研究。并对试件不同蠕变阶段的粒径变化进行显微镜照片扫面，发现在硬岩的 蠕变过程中试件粒径不断减小的情况。 尚嘉兰1 2 3 1 、李廷芥㈨等人利用扫描电镜 S E M 对香港白岗岩等岩样在单 轴压缩作用下进行细观结构观察，为岩石细观结构力学的演化分析提供了实验 事实基础。 凌建H At 2 5 】利用C a m S c a n 4 0 0 ．D V 电子扫描电镜对红砂岩在恒载作用下的细 观结构对时间的发展变化进行了分析研究。 李永盛【2 6 】通过对单轴压缩下的岩石蠕变实验，分别比较研究了不同岩性的 岩石在各阶段的蠕变持续时问和蠕变速率变化规律。 金丰年【2 7 】通过对不同岩石的大量蠕变实验研究，提出了岩石在受压和受拉 的应力作用状态下，表现出具有近似的力学演化特性的观念。 国内外还有大批的专家学者[ 2 8 - 3 2 】对岩石的流变实验和理论进行了丰富而且 有效的学术研究，有许多成功的运用和指导了现实的岩土工程并不断的反馈充 实自身的流变理论，并取得了许多研究成果。 通过对岩石和岩体的流变力学实验与流变理论的研究，人们总结发现了一 中南大学硕士学位论文第一章绪论些应力一应变、加载历史、时间等力学影响因素方面的规律，并通过实验得到了一定程度的验证。对于许多岩石的力学特性，经过合理的抽象和简化，可以用不同形式的几种基本单元模型进行排列组合，给出较为合理有效的表述。这些组合模型能够更加的简明的显现应力一应变一时间之间的相互关系，是沟通流变理论和实际工程应用的桥梁。常用的基本流变模型元件有以下三种弹性单元、塑性元件和粘性元件。早期常用的流变串并联组合模型有M a x w e l l 模型、K e l v i n模型、广义K e l v i n 模型、B u r g e s 模型和B i n g h a m 模型等。通常，对于较为简单的岩体流变问题，可以根据理论研究寻找解析解，而大多数岩土工程，例如铁路隧道、地下空间、地下开采和深层掘进等流变问题则需要采用相应的数值计算的方法进行模拟和研究，以便能够更加真实的展现岩土体的流变力学行为，计算机技术的快速发展也为数值模拟的实现提供了更为广阔的空间。孙钧教授在岩土体的流变特性这一领域做了比较系统全面的研究，包括了数值模拟和参数反演和确定的等数值计算的流变特性分析，取得了丰富的研究成果。王芝银【3 3 】利用有限元对隧道围岩粘弹性损伤流变力学的模式研究；以及同李云鹏等人运用边界元和有限元对地下工程建立的位移反分析法和程序设计；并对岩窑顶板流变断裂过程进行了数值模拟和反演分析。还有许多研究者进行了考虑岩土体流变损伤的工程数值模拟研究，对含缺陷的岩土体进行流变学的研究，探讨了与时间相关的损伤扩展、破坏过程和形变机理，涉及不同含水量岩石流变、热力场流变、化学场流变、多应力场耦合流变和流变分岔等问题，并包括各种相应的基于有限元、边界元和有线差分法等理论开发和研究的岩体工程流变数值模拟软件，成果丰富，这些数值模拟研究都为岩体流变力学问题的迅速发展奠定了坚实的基础。通过流变实验或是数值计算所确定的流变力学参数存在一定的随机波动性和离散不确定性，这是由于试样无法完全符合原有现实工程而客观存在的。7 0年代发展起来的参数反演在一定程度上消除了试件尺寸效应的不良影响。孙钧等所提出的岩土力学反演问题的随机理论；许多学者对流变力学参数反演做了大量的研究，对岩石力学反问题的研究；如杨志法【3 4 】等人分别在各自的研究成果中详细的分析了地下工程中位移反分析的原理；另外各种与反演理论相关的优化理论算法和人工智能也同时被引入岩土工程领域，如遗传算法、退火算法、蚁群算法、神经网络和模糊运算等，并在实际岩土工程中得到应用。1 ．2 ．2 巷道围岩变形的时间效应研究在巷道的开挖施工过程中，随着时间的发展和开挖面向前移动，巷道围岩4 中南大学硕士学位论文第一章绪论向内部空间的位移变形和围岩受力情况也呈现一个三维动态的非线性变化。在软岩或高地应力的巷道及其他地下工程中的时效性变形将表现的更加明显。巷道围岩变现出的这种变形破坏具有明显的累积性和时间效应，既不同于围岩松动圈中的滑动破坏，也区别于岩爆等常见的脆性断裂【3 5 】。因此在评定巷道的安全稳定性的时候，需要考虑巷道围岩的时间效应，尤其对于具有较为明显的三维非线性力学特性的软岩地下工程。由于大多数的岩土体都具有流变性，因此巷道围岩的变形位移不仅仅是空间上的关系式，而且还是一个含有时间因素的复杂关系函数。由于岩土体具有很强的非线性属性，因此只有在考虑了巷道围岩流变时效性的情况下，才能对巷道支护反力随时间的变化做出合理的解释，并对围岩支护系统的相互作用机理和最佳支护方式做更进一步的研究，完善巷道受力变形的支护理论。巷道开挖的实质是围岩压力卸载的过程，伴随着围岩的卸荷回弹，被开挖部分的围岩应力也将得到逐步释放，由于开挖面的约束，对端面局部范围内围岩的逐步应力释放大小和时长会产生影响。实质是将巷道围岩开挖后的应力释放视为考虑时间因素t 的围岩位移收敛规律研究。刘保国、杜学东【3 6 】则在已有的分析理论的基础上，将围岩变形的时间因子引入运用到解析方法中，对巷道围岩的接触应力进行了时间规律的总结和分析。表卜1 国内外部分隧 巷 道变形实例【3 7 3 8 】研究结果表明，支护结构与围岩之间的接触压力随时间有明显的变化，尤其是在巷道周边岩性条件较差的岩层中。此后，刘保国、张清【3 9 】通过对有限元方法对开挖围岩建立数值模型，进行了不同条件下考虑时间特性的围岩位移变形模拟计算。孙钧【4 0 】、朱合华在J ．S u l e m 和M ．P a n e 提出的等效支撑面约束的虚拟支撑力法的基础上进行了加深，进一步研究了开挖围岩的释放系数，在1 9 9 4 年的研究 中南大学硕士学位论文第一章绪论成果中阐述了广义虚拟支撑力法。此后何满潮和朱维申利用开挖断面的径向变形位移释放系数完成了对开挖面虚拟支撑力的表述。G G a l l i ，K a l a m a r a s GS [ 4 1 ] 等人先后对地下工程进行了三维工程数值模拟，并通过不同的粘弹性本构模型对开挖面的影响和围岩一衬砌的接触应力变化发展规律进行了研究。E ．E b e r h a r d t [ 4 2 】教授通过地下工程三维应力场的有限元开挖模拟，对开挖面附近的应力场的时空演化做了较为细致的研究，并认为在此期间不仅有应力大小的演化，还有主应力轴随时间的转换。金丰年和钱七虎也通过三维有限元数值的模拟，进行了相应的研究。通过粘弹性数值模型的建立，分析了地下厂房开挖后围岩位移和稳定性随时间的变化规律并通过三维有限元模拟对围岩的流变性进行了研究。巷道围岩产生的变形除了应力逐步释放这个原因外，还有一个重要因素，那就是由于围岩以及支护结构等固有的流变属性而随时间的发展，所造的长期变形。当巷道的开挖施工进行时，围岩以及支护结构自身的流变属性并不明显。当巷道开挖所引起的应力释放作用结束后，围岩以及支护结构的粘弹塑性将继续作用存在，并成为后期引起巷道应力和变形随时间演化的主要作用因素。当围岩变形过大，周边岩体进入时效屈服阶段，而未得到及时有效的治理的话，将会导致巷道的大变形甚至是失稳破坏。根据自行推到出来的粘弹性位移理论公式，对地下工程围岩位移变形的流变时效性规律进行了研究。结果表明由于开挖断面围岩的流变时效性，位移变形总量随时间的发展不断的增加，如果不能对后期的流变压力和变形采取有效的支护措施，则可能会导致因原有支护承受过大的荷载而发生破坏。经过对比实验研究，巷道的开挖截面越大，工程所处的地层地应力越大，在巷道围岩的周边变形量就越大，变形的速率也就越快。王贵君【4 3 ] 等在衬砌支护作用力为一个恒定值得前提下，以粘弹性为基础，对巷道围岩的时间一变形特性曲线进行了详细分析，并的得出了考虑时间效应下的位移变形的封闭解答。杨林德Ⅲ】等则通过对地下厂房围岩位移监测数据的整理分析，提出了确定地层时效特征参数的方法。万志军[ 4 5 】通过对围岩流变性和稳定性的研究，总结出了随时间变化的岩石强度衰减公式并指出围岩的流变变形曲线呈现出指数函数变化规律。杜守继【4 6 】模拟了软岩巷道随时间的变形特征和收敛情况，并对最佳支护时机和作用效果进行了分析。范秋雁【4 。7 ] 在岩石流变的基础上，提出围岩的稳定性分析的最佳支护状态。此外，王桂芳【4 8 1 、张玉军M 9 1 、刘全林‘5 0 】等大批的科研工作者对巷道围岩、围岩一衬砌相互作用系统的变形时间特性问题进行了相关的深入研究。纵观已有的众多科研成果，多数的地下工程三维数值模拟计算，注重了巷 中南大学硕士学位论文第一章绪论 道施工的空间效应的分析模拟。而考虑岩体流变效应，反应巷道施工时间效应 的力学演化的三维数值计算相对较少，同时考虑岩体的时效性、开挖的工序、 空间效应等众多巷道开挖因素的综合数值仿真模拟，也许是今后仿真平台的重 要方向。 1 ．2 ．3 深部节理岩体流变研究现状 长期以来，岩石力学研究的采取将岩石抽象简化为“理想体”的方法，即 视岩石为一个连续的、各向同性的均质材料，以便得出岩石的某些重要力学性 质和规律。因此，弹性、弹塑性或弹粘性力学等经典连续介质力学的方法常被 用来解决实际工程中遇到的岩石力学问题。然而，很多时候在面对实际工程中 遇到的岩石力学现象时，经典的连续介质力学方法常常无法做出合理的解释。 特别是随着浅部岩石力学理论难以对深部工程提供支持，而经典的连续介质力 学方法无法进一步深入的研究深部岩体的破坏过程和机理，一些潜在的深部工 程灾害也逐步显现出来。 实际工程所处的自然岩土体几乎毫无例外的在其形成过程中，在漫长的地 质构造作用下历经了多次应力场的改造，具有了不同程度上的裂纹损伤，而并 非“理想介质”。这些原生的裂纹损伤若在实际工程施作中不同程度受到外界扰 动而可能进一步的发展甚至发生破坏，导致工程稳定性受到威胁，例如巷道围 岩的塌落、地表沉降等均与岩体中裂纹的扩展过程有关。国内外大量的实际工 程案例也同样表明，几乎所有的岩体工程在开挖后应力场充分布的作用下，使 岩体中的原生裂纹损伤等弱面随时间的增长不断地扩展、蠕变，最终发生宏观 的断裂破坏。大多数实际工程失稳破