铝土矿围岩性质时空效应与巷道稳定性研究.pdf

中图分类号 U D C 博士学位论文 学校代码 Q 3 兰 密级 铝土矿围岩性质时空效应与巷道 稳定性研究 S u r r o u n d i n gR o c kP r o p e r t i e sT i m e S p a c eE f f e c ta n d R o a d w a yS t a b i l i t yR e s e a r c hi nU n d e r g r o u n d B a u x i t eM i n e 作者姓名张春阳 学科专业采矿工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师曹平教授 副指导教师 论文答辩日期答辩委员会主 中南大学 二。一三年十一月 万方数据 学位论文原创性声明嬲幽嬲必 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。 作者签名墨嫱坦日期坐巫；_ 年址月_ 兰．1 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。 作者签名型盔 旦 日期4 年4 月4 日 导师签名 万方数据 铝土矿围岩性质时空效应与巷道稳定性研究 摘要随着国民经济发展，国内铝土矿的需求也越来越大。铝土矿多 以露天开采为主，随着地表易采铝土矿资源的日益枯竭，复杂地质条 件下的铝土矿地下开采也逐渐成为铝土资源开发的重要组成部分。本 文以三门峡铝土矿地下开采为例，开展复杂地质条件下的巷道掘进、 支护稳定性研究。三门峡铝土矿矿体隐伏于河床之下，虽然对河流进 行了改道，但是矿区地质条件特别复杂，包括软弱页岩、断层、灰岩 破碎带等严重影响了巷道施工速度。因此，为了解决困扰三门峡铝土 矿巷道掘进、支护遇到的难题，提高巷道施工速度，本文结合已有相 关研究资料，采用地质调查与探测、室内岩石力学实验、理论分析、 数值模拟、现场试验等方法，综合分析了影响矿区巷道稳定性的主要 因素。最后针对矿区巷道掘进、支护面临的主要问题，提出了相应的 研究方案，本文主要研究内容和成果如下 1 、通过现场调查与探测，获取了掌子面前方不良地质体的分布 特征，对矿区主要围岩进行了回弹强度测试，评价了矿区围岩Q 值 范围，采用瞬变电磁仪、T R T 6 0 0 0 对矿区不良地质体进行了超前探测 和分析；提出了T R T 6 0 0 0 结合少量超前钻的联合超前预报方案，为 不良地质条件下巷道施工提供保障。调查发现影响雷沟矿区2 号回风 井、3 号罐笼井的主要问题是灰岩破碎区、页岩软弱区及断层破碎带， 7 号井主要问题是页岩软弱区、溶洞及地下水。 2 、通过现场取样，在室内加工岩样后，采用分级增量循环加卸 载的方式研究矿区主要围岩蠕变性质，理论分析了围岩蠕变损伤机理 及微裂纹扩展规律，结合实验数据推出了围岩蠕变经验模型。将围岩 蠕变总量细分为瞬时弹性应变￡m 。、瞬时塑性应变￡I 小黏弹性应变￡。。 和黏塑性应变￡∞，根据各蠕变分量特征，提出了改进的伯格斯 B u r g e r s 流变模型。采用最小二乘法分别辨识了经验模型和改进的 伯格斯 B u r g e r s 模型蠕变参数，实验数据拟合验证了模型的正确性， 为巷道变形数值模拟研究提供了帮助。 3 、理论分析了巷道开挖应力和位移演化规律，结合流变力学基 本原理，同时也分析了巷道粘弹塑性力学特征。针对矿区巷道掘进、 支护中存在的主要问题，选取巷道掘进时遇到的典型地质条件为研究 对象，通过M I D A S ．G T S 建立模型，再导入F L A C 3 D 进行巷道开挖稳 定性计算。计算结果表明，巷道穿越的不良地质体中部区域围岩变形 万方数据 最大，应力也最为集中，可见该位置属于巷道稳定性最差的薄弱区域； 对于稳定性差的薄弱区域，可以考虑适当增加支护体强度，并及时支 护。施工时首先采用T R T 6 0 0 0 结合部分超前钻，探明不良地质体沿 巷道走向的长度，确定巷道最薄弱区域位置，用于指导巷道掘进和支 护施工。 4 、结合数值模拟分析和当前已有支护方式，在确保巷道稳定的 前提下，为了加快巷道掘进、支护速度，提出了以钢纤维喷射混凝土 为主的联合支护方式，替代施工速度较慢的砌碹支护以及锚喷网支护 中的钢网，薄弱区域可以适当考虑安装锚杆。现场工业试验表明，采 用钢纤维喷射混凝土支护不仅能够确保围岩稳定，而且也提高了施工 速度，具有应用的可行性，可以根据围岩实际情况选择合理的喷射厚 度。最后，针对泥化页岩区域的巷道掘进、支护难题，在结合当前施 工方案的基础上，提出了新的钢钎棚支护方式，该支护方式不仅具有 超前支护效果，而且能够和二次支护一起形成整体式支护结构。 关键词铝土矿地下开采；巷道稳定性；蠕变实验；数值模拟；钢纤 维喷射混凝土；现场工业试验；钢钎棚支护 I I l 万方数据 S u r r o u n d i n gR o c kP r o p e r t i e sT i m e - S p a c e E f f e c ta n dR o a d w a y S t a b i l i t yR e s e a r c hi nU n d e r g r o u n d B a u x i t eM i n e A b s t r a c t 呲m ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y , d o m e s t i cd e m a n d s o fb a u x i t eb e c o m em o r ea n dm o r el a r g e ．B a u x i t ei sg e n e r a l l ye x p l o i t e db y o p e n ．p i tm i n i n g ，w i t hs u r f a c ea n de a s ym i n i n gr e s o u r c e s a r ed e p l e t e d ， u n d e r g r o u n dm i n i n g u n d e r c o m p l i c a t e dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sh a s g r a d u a l l yb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to fb a u x i t er e s o u r c ed e v e l o p m e n t ．I n t h i sp a p e r , S a nM e nx i ab a u x i t eu n d e r g r o u n dm i n ei st a k e nf o re x a m p l e ， r o a d w a ye x c a v a t i o na n ds u p p o r ts t a b i l i t ys t u d i e sa r ec a r r i e do u tu n d e r c o m p l i c a t e dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ．T h eo r eb o d y i sb u r i e du n d e rt h e r i v e r b e d ，a l t h o u g ht h er i v e rc o B r s ei sc h a n g e d ，b u tt h em i n eg e o l o g i c a l c o n d i t i o n si Sc o m p l i c a t e d ，w e a ks h a l e ，f a u l t ，l i m e s t o n ef r a c t u r ez o n ee t c ， h a v eas e r i o u si m p a c to nt h es p e e do fr o a d w a yc o n s t r u c t i o n ．T h e r e f o r e ，i n t h i sP a p e r , i no r d e rt os o l v er o a d w a ye x c a v a t i o na n ds u p p o r tp r o b l e m s ， i m p r o v er o a d w a yc o n s t r u c t i o ns p e e d ，a f t e rc o n s u l t i n gr e l e v a n tr e s e a r c h d a t a ，t h em a i n f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e s t a b i l i t y o fr o a d w a ya r e c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e db yg e o l o g i c a ls u r v e ya n de x p l o r a t i o n ，i n d o o r r o c km e c h a n i c se x p e r i m e n t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n df i e l dt e s t s ．C o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hp r o g r a mw h i c hi sa i m e dt os o l v e t h ep r o b l e m so fr o a d w a ye x c a v a t i o na n ds u p p o r th a sb e e np r o p o s e d ，t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r es h o w n a sf o l l o w s 1 D i s t r i b u t i o n so fa d v e r s eg e o l o g i c a lb o d yw h i c hi s a h e a do f w o r k i n g f a c ea r eo b t a i n e db yo n - s i t ei n v e s t i g a t i o na n dd e t e c t i o n ， s u r r o u n d i n gr o c kr e b o u n ds t r e n g t ht e s t sa r ec o n d u c t e d ，r o c kQ v a l u e sa r e e v a l u a t e d ，a d v a n c e dd e t e c t i o na n da n a l y s i s a r ec a r r i e do u tb yT R T 6 0 0 0 a n dT E Mi n s t r u m e n t ．An e wa d v a n c e dp r e d i c t i o np r o g r a mw h i c hi S c o n s i s to fT R T 6 0 0 0a n dl e s sa d v a n c ed r i l li Sp r o p o s e d ，t h en e wp r o g r a m w i l lp r o v i d ee r i e c t i v ep r o t e c t i o nf o rr o a d w a yc o n s t r u c t i o nu n d e ra d v e r s e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ．S u r v e yr e s u l t s s h o wt h a tm a j o rp r o b l e m sw h i c h e f f e c t2 t ha n d3 t hs h a f ta r el i m e s t o n ec r u s h i n ga r e a ，s h a l ew e a k a r e a sa n d f a u l tf r a c t u r ez o n e ，a n dt h ep r o b l e m sw h i c hi s7 t hs h a f tf a c e dw i t ha r e s h a l ew e a ka r e a s ，c a v e sa n dg r o u n d w a t e r ． 2 A f t e rf i e l ds a m p l i n ga n ds a m p l e sp r o c e s s i n g ，c r e e pp r o p e r t i e so f I V 万方数据 m a i ns u r r o u n d i n gr o c ka r es t u d i e db yg r a d e di n c r e m e n t a lc y c l ew a y , r o c k c r e e pd a m a g e m e c h a n i s m sa n dm i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n l a wa r e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ，r o c kc r e e pe m p i r i c a lm o d e li sd e r i v a t e db yt h e e x p e r i m e n t a l d a t a ．R o c kt o t a l c r e e p s t r a i nc a nb es u b d i v i d e di n t o i n s t a n t a n e o u se l a s t i cs t r a i n S m e ，i n s t a n t a n e o u sp l a s t i cs t r a i n ￡1 1 1 D ， v i s c o e l a s t i cs t r a i n ￡c ea n dv i s c o p l a s t i cs t r a i n ￡c 。，a c c o r d i n gt oe a c hc r e e p c o m p o n e n tc h a r a c t e r i s t i c ，a ni m p r o v e dB u r g e r s B u r g e r s r h e o l o g i c a l m o d e li sp r o p o s e d ．P a r a m e t e r so fe m p i r i c a lm o d e la n d i m p r o v e dB u r g e r s m o d e la r ei d e n t i f i e db yt h em e t h o do fl e a s ts q u a r e s ，t h ec o r r e c t n e s so ft h e m o d e li sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a ld a t af i t t i n g ，a n di tw i l l h e l pf o r r o a d w a yd e f o r m a t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． 3 R o a d w a ye x c a v a t i o ns t r e s sa n dd i s p l a c e m e n te v o l u t i o n sa r e a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , t h e na c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so fr h e o l o g y , m e c h a n i c a la n a l y s i so fv i s c o e l a s t r o p l a s t i c i t yi sc a r r i e do u tf o rr o a d w a y s t a b i l i t y ．F a c e dw i t ht h em a i np r o b l e m so fr o a d w a ye x c a v a t i o na n d s u p p o r t ，t y p i c a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r et a k e na sr e s e a r c ho b je c t ，T h e m o d e li se s t a b l i s h e d b yM I D A S ．G T Sa n di m p o r t e dt oF L A C 3 Df o r c a l c u l a t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tm a x i m u md e f o r m a t i o na n ds t r e s sm o s t c o n c e n t r a t e da r e ai sl o c a t e di nt h em i d d l eo fa d v e r s eg e o l o g i c a lb o d y w h i c hr o a d w a yp a s st h r o u g h ，a n dt h el o c a t i o ni sa l s ot h ew o r s ts t a b i l i t y a r e a ．F o rt h e s ea r e a s ，t h e s u p p o r tb o d ys t r e n g t hi n c r e a s ea n dt i m e l y s u p p o r tm e a s u r e ss h o u l db ea p p r o p r i a t e l yc o n s i d e r e d ．A tf i r s ta d v e r s e g e o l o g i c a lb o d yl e n g t hw h i c hi sa l o n gr o a d w a yd i r e c t i o nw i l lb ed e t e c t d b yT R T 6 0 0 0a n ds o m ea d v a n c e dd r i l l i n g ，S Ot h a tt h e w e a k e s ta r e a l o c a t i o no fr o a d w a yw i l lb ei d e n t i f i e df o rr o a d w a ye x c a v a t i o na n d s u p p o r tc o n s t r u c t i o n ． 4 A c c o r d i n gt on u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sa n dc u r r e n ts u p p o r t m e t h o d ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fe n s u r i n gr o a d w a ys t a b i l i t y , i no r d e rt o s p e e du pr o a d w a ye x c a v a t i o na n ds u p p o r t ，c o m b i n a t i o ns u p p o r tm e t h o d w h i c hi sm a i n l yw i t hs t e e lf i b e rs h o t c r e t ei sp r o p o s e d ，t h en e wm e t h o di s u s e dt or e p l a c ec a s t - i n - s i t uc o n c r e t es u p p o r ta n dt h es t e e lm e s h ，b o l t sw i l l b ep r o p e r l yc o n s i d e r e di nw e a ka r e a s ．F i e l di n d u s t r i a lt e s t ss h o wt h a tt h e s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ki se n s u r e d ，c o n s t r u c t i o ns p e e di si m p r o v e d ， i tc a nc l e a r l yb es e e nt h a tt h en e wm e t h o dh a v ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n V 万方数据 f e a s i b i l i t y , r e a s o n a b l es p r a y i n gt h i c k n e s sw i l lb ec h o o s e na c c o r d i n gt ot h e a c t u a ls i t u a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k ．F i n a l l y , f o rc l a ys h a l er e g i o n ，b a s e d o nt h ec u r r e n tc o n s t r u c t i o np r o g r a m ，an e wd r i l lr o ds h e ds u p p o r tm e t h o d i sp r o p o s e d ，t h es u p p o r tm e t h o dn o to n l yh a sa d v a n c es u p p o r te f f e c t ，b u t c a r la l s of o r maw h o l es u p p o r t i n gs t r u c t u r et o g e t h e rw i t hs e c o n d a r y s u p p o r t ． K e yw o r d s b a u x i t eu n d e r g r o u n d e x p e r i m e n t ；N u m e r i c a lS i m u l a t i o n ； t e s t s ；d r i l lr o ds h e ds u p p o r tm e t h o d m i n i n g ；r o a d w a ys t a b i l i t y ；C r e e p S t e e lf i b e rs h o t c r e t e ；F i e l di n d u s t r i a l V I 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V I I 1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 本文研究来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 工程超前探测研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．1 瞬变电磁仪法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．2T S P 超前地质预报法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．3 地质雷达法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 ．3 ．4 直流电阻率法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 ．3 ．5 激发极化法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 ．6T R T 超前探测系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 岩石长期稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 ．1 岩石蠕变性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．4 ．2 国内岩石蠕变研究情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．4 ．3 国外岩石蠕变研究情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 1 ．5 巷道稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 1 ．6 本文研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 矿区地质与超前探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．1 矿区简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．2 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．2 ．1 区域地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～2 3 2 ．2 ．2 矿区水文地质分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．2 ．3 矿区工程地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．2 ．4 矿区施工巷道现场调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 2 ．2 ．5 矿区岩体工程分类调查与评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 2 ．3 矿区瞬变电磁仪探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 2 ．3 ．1 瞬变电磁仪简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 2 ．3 ．2 现场探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 2 ．4 矿区T R T 6 0 0 0 超前地质预报⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 2 ．4 ．1T R T 6 0 0 0 探测程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 Ⅵl 万方数据 2 ．4 ．2T I H 6 0 0 0 探测数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 3 3 巷道围岩蠕变实验及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．2 单轴抗压强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．2 ．1 现场取样与加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．2 ．2 单轴抗压试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．3 单轴压缩蠕变试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．4 蠕变数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 3 ．4 ．1 蠕变分量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 3 ．4 ．2 应变速率分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 3 ．4 ．3 应力应变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 3 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 4 矿区主要围岩流变模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 4 ．2 岩石流变元件及模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 4 ．2 ．1 基本流变元件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 4 ．2 ．2 基本流变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 4 ．2 ．3 基本流变模型曲线特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 4 ．3 流变模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 4 ．3 ．1 模型建立原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 4 ．3 ．2 模型选择分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 4 ．4 流变模型公式推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 4 ．4 ．1 一维蠕变模型推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 4 ．4 ．2 蠕变模型三维形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 4 ．5 模型参数辨识与拟合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 4 ．5 ．1 模型参数辨识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 4 ．6 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 8 5 矿区巷道稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 5 ．2 矿区巷道稳定性面临的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 5 ．3 巷道开挖稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 5 ．3 ．1 巷道稳定性弹塑性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 5 ．3 ．2 模型开挖分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 V I I I 万方数据 5 ．4 巷道长期稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 5 ．4 ．1 巷道稳定性粘弹塑性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 7 5 ．4 ．2 流变模型及参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 5 ．4 ．3 流变模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 0 5 ．5 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 7 6 巷道稳定性优化方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 8 6 ．1 矿区巷道支护现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 8 6 ．1 ．1 常规支护方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 8 6 ．1 ．2 特殊区域巷道支护及评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 9 6 ．2 老窿或溶洞区域分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 6 ．2 ．1 大体积采空区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 6 ．2 ．2 民采井⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 6 ．2 ．3 溶洞⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 2 6 ．3 短期自稳复杂巷道稳定性优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 3 6 ．3 ．1 钢纤维喷射混泥土简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 3 6 ．3 ．2 钢纤维喷射混泥土试验巷道选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 4 6 ．3 ．3 钢纤维喷射混凝土工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一118 6 ．3 ．4 钢纤维喷射混凝土变形监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 9 6 ．4 难以自稳巷道稳定性优化方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 6 ．5 结j 沧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 4 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 5 7 ．1 研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 5 7 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 4 攻读博士学位期间的研究成果及奖励⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 5 I X 万方数据 博士学位论文1 绪论 1绪论 1 ．1 引言 采矿是国民经济的重要支柱，也是一门传统而古老的产业。随着全球经济 发展，对于自然资源的需求量也越来越大，由于矿产资源的不可再生性，全球矿 山资源也逐渐面临枯竭，易采、品位好的矿藏已经逐渐成为过去。目前矿山开采 的发展趋势是一方面要加强矿石综合利用水平，提高加工冶炼技术另一方面要 加强低品位或难采矿山开采，例如，深部开采、海底开采及河、湖底开采等。 面对当前采矿业的发展趋势，这些复杂条件下的矿山开采也面临着许多技 术难题。例如，对于深部开采，肯定会面临深部高地应力作用，导致巷道流变变 形严重，相关典型矿山如金川公司，深部高地应力已经成为制约金川公司深部开 采的世界性难题。此外，随着陆地资源的减少，采矿也向着水域下发展，近年来 海底采矿发展迅速，例如我国三山岛金矿海底采矿就是成功的典范由于海底采 矿方式不同于传统采矿，也衍生了许多新的采矿设备和技术，例如，简曲【1 】研制 了海底表层多金属结核矿开采的集矿机；陈勇、桂卫华等[ 2 】对深海开采机器人进 行了仿真定位研究；赵国彦、岳严良【3 】以三山岛金矿为对象，结合海底开采灾害 和相关经验，提出了防止海水涌井、井下通风等综合治理措施。当然海底开采也 面临着岩石力学问题，刘爱华、董蕾[ 4 】运用工程类比和力学分析相结合的方法， 初步确定了海底开采顶板