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博士学位论文 水岩作用下金／ - - 矿区深部矿岩时效力学特性和稳 定性研究 S t u d yo nS t a b i l i t ya n dA g e i n gM e c h a n i c a lC h a r a c t e r i s t i c o fD e e pM i n eR o c ki nt h eJ i n c h u a n2 t hM i n eu n d e r 嘶f ．e r - R o c kI n t e r a c t i o n 作者姓名万琳辉 学科专业土木工程 岩土工程 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 论文答辩日期幽2 z ／答辩委员 中南大学 二零一二年十二月 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名互堑登连 日期三坐L 年业月上日 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。 博士学位论文 摘要 摘要 金 l l - - 矿区目前已开采至8 5 0 米水平，距地表已接近或超过1 0 0 0 米。随着开采进入深部以来，开采中各种问题接踵而来，如巷道断面 收敛、地下水的影响突出、上部充填体的稳定性等都严重影响矿区深 部的安全生产，为此，金川集团公司设立了第一个以深部岩石为研究 对象的科技攻关项目金川二矿区高强度采掘条件下的深部岩石 力学研究，研究金川二矿区深部岩石干燥和饱水两种状态下基础力 学特性及其应用，本文结合此科技攻关项目，开展了金 l l - 矿区深部 岩体力学参数取值、岩石亚临界裂纹扩展、岩石粘弹塑性及水影响的 研究。主要研究内容如下 1 统计以往地应力资料，提出了深部地应力预测的拟合方程， 根据已有8 5 0 1 0 0 0 米水平地质资料，采用有限元软件M i d a s G T S 模拟分析了8 5 0 - - 1 0 0 0 米水平的地应力；根据深部岩石力学实验及深 部地质调查结果，将现有岩体力学参数取值方法结合，给出了金川二 矿区深部岩体力学参数建议值。 2 针对深部存在的较完整岩体巷道，围岩裂纹的扩展、贯通造 成破坏的特点，选取大理岩与花岗岩作为研究对象，采用双扭试件常 位移松弛法研究了两种岩石饱水与干燥状态下亚临界裂纹扩展规律， 分析了水对亚临界裂纹扩展及门槛值的影响；在断裂力学基础理论与 应力腐蚀基础上，进行了亚临界裂纹扩展理论工程应用的初步研究。 3 深部巷道断面收敛严重，具有很强的流变特性，且水的存在 对其影响巨大，为此，选取了含辉橄榄岩及斜长角闪岩试样，采用分 级增量循环加卸载的流变试验方案，研究了两种岩石在干燥和饱水状 态下粘弹塑性，分析了水对两种岩石的粘弹塑性的影响。依据试验结 果，选取了广义开尔文模型模拟试验结果，确定了其流变参数，分析 了水对流变参数的影响。 4 对广义开尔文模型进行了改进，使其能适应岩石的破坏特点； 基于流固耦合理论，推导了流固耦合作用下岩石有限元流变模型，为 进一步程序开发研究提供了理论基础。 5 利用有限元软件M id a s - G T S 模拟分析了8 5 0 米水平深部巷道 博士学位论文摘要 的稳定性，依据分析结果，给出了巷道位置及断面选择的建议；利用 有限差分法软件F l a c 3 D ，模拟分析了深部巷道断面收敛的时效性， 依据模拟结果，给出了各个阶段支护重点部位；利用有限元软件 M id a s - G T S 从应力和接触面等方面模拟分析了上部充填体稳定性。 本文立足于金川二矿区实际工程，通过现场工程地质调查，运用 试验、理论分析与数值分析等研究方法，对金川二矿区深部典型岩石 和深部岩体工程稳定性问题进行了研究，其研究成果对金川二矿深部 安全生产具有较重要的理论和实际意义。 关键词地应力分析，岩体力学参取值，M id a s G T S ，水岩作用，亚 临界裂纹扩展，粘弹塑性，流变模型，F Ia c 3 D 博士学位论文 A B S T R A C T A BS T R A C T J i n c h u a n2 t hM i n eh a sb e e nm i n e dt ot h el e v e lo f8 5 0m e t e r s ，i t s a b o u t10 0 0m e t e r st ot h eg r o u n ds u r f a c e ．W i t hm i n i n g ，t h ed e e pm i n i n g p r o b l e mw a sg r a d u a l l yr e v e a l e d ，f o re x a m p l e ，t h er o a d w a y s e c t i o n c o n v e r g e n c e ，g r o u n d w a t e r , t h es t a b i l i t y o ft h eu p p e rp a r to fb a c k f i l l b o d y ，t h e ys e r i o u s l ya f f e c tt h ed e e pm i n es a f e t yp r o d u c t i o n ．T h e r e f o r e ， J i n c h u a nG r o u pC o m p a n ys e tu pas c i e n c ea n dt e c h n o l o g yk e yp r o j e c tf o r t h e s t u d y o ft h e d e e p r o c km e c h a n i c s - - - 一t os t u d yt h e b a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa p p l i c a t i o no fd e e pr o c ku d e rt h ed r yo r w a t e r - s a t u r a t e de n v i r o n m e n t ．B a s i n go ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yk e y p r o je c t ．t h ea u t h o rh a ss t u d i e d 血ep a r a m e t e ro fr o c km e c h a n i c s ，t h e p r o p a g a t i o no fr o c ks u b c r i f i c a lc r a c k ，r o c ke l a s t o - v i s c o p l a s t i ca n dt h e e f f e c to fw a t e r ．T h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 A c c o r d i n gt os t a t i s t i c s i n gt h ep r e v i o u sg r o u n d s t r e s sd a t a ，a f i t t i n ge q u a t i o n h a sb e e ng i v e nt o p r e d i c t t h ed e e p g r o u d s t r e s s A c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n g8 5 0 1 0 0 0m l e v e lg e o l o g i c a ld a t a ，t h eg r o u n d s t r e s so f8 5 0 ．10 0 0ml e v e lw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d ；A c c o r d i n gt ot h e t h ed e e pr o c km e c h a n i c se x p e r i m e n ta n dt h ed e e pg e o l o g i c a lf i n d i n g s ， t h ep a r a m e t e ro fd e e pr o c km e c h a n i c sw a sg i v e nb ys y n t h e s i so fe x i s t i n g r o c km e c h a n i c sp a r a m e t e rv a l u e s ． 2 T h ec r a c k so fr e l a t i v e l yc o m p l e t es u r r o u n d i n gr o c ki nd e e p t u n n e l sW a Sp r o p a g a t e d ‘a n dc o a l e s c e dt ot h ed a m a g eo ft u n n e l s ．T h e m a r b l ea n dg r a n i t es a m p l e sw e r ec h o s e dt os t u d yt h e1 a wo fs u b c r i t i c a l c r a c kg r o w t hu n d e rd r ya n dw a t e r - s a t u r a t e de n v i r o n m e n t sa n de f f e c to f w a t e ro ns u b c r i t i c a lc r a c kg r o w t hw a sa n a l y z e d ．O nt h eb a s i so ft h eb a s i c t h e o r yo ff r a c t u r em e c h a n i c sa n ds t r e s sc o r r o s i o n ，ap r e l i m i n a r ys t u d yo f t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fs u b c r i t i c a lc r a c kp r o p a g a t i o nt h e o r yw a s c o n d u c t e d ． 3 r n l ed e e pr o a d w a ys e c t i o ns e r i o u s l yc o n v e r g e n c e sw i t has t r o n g r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s a n dc o n v e r g e n c e d i s p l a c e m e n t w a sa f f e c t e d I I I 博士学位论文A B S T R A C T s e r i o u s l yb yw a t e r ．T h e r e f o rt h el h e r z o l i t ea n da m p h i b o l i t e sr o c ks a m p l e s w e r es e l e c t e dt os t u d yi t se l a s t o v i s c o p l a s t i cp r o p e r t i e su d e rt h ed r yo r w a t e r - s a t u r a t e de n v i r o n m e n tb yr h e o l o g i c a lt e s te x p e r i m e n t so fac i r c u l a r i n c r e m e n t a ls t e p1 0 a da n du n l o a dm e t h o d ．T h eg e n e r a l i z e dK e l v i nm o d e l w a sc h o s e nt os i m u l a t e r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，k e Yp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e da n de f f e c to fw a t e r w a sa n a l y z e d ． 4 T h eG e n e r a l i z e dK e l v i nm o d e lh a sb e e ni m p r o v e dt os i m u l a t e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o c kd e s t r u c t i o n ；B a s e do nF l u i d ．s o l i dC o u p l i n g T h e o r y , t h e f i n i t ee l e m e n tr h e o l o g i c a lm o d e lo fr o c ku n d e rt h e f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ne f f e c tw a sd e r i v a t e da n dat h e o r e t i c a lb a s i sw a s p r o v i d e df o rf u r t h e rp r o g r a md e v e l o p m e n tr e s e a r c h ． 5 T h ed e e pt u n n e lo f8 5 0 ml e v e lw a ss i m u l a t e db yt h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e ．M i d a sG T Sa n di t ’Ss t a b i l i t yw a sa n a l y z e d ．A c c o r d i n g t ot h er e s u l t so fa n a l y s i s ，t h er e c o m m e n d a t i o n sw e r eg i v e nt oc h o o s e t u n n e lp o s i t i o na n dc r o s s s e c t i o ns h a p e ；t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t yo fd e e p t u n n e l sc r o s s - s e c t i o nc o n v e r g e n c eW a Ss i m u l a t e db yF l a c 3 D ．A c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ev a r i o u ss t a g e so fs u p p o r t i n gk e yp o s i t i o n s w e r eg i v e n ．F r o mt h es t r e s sa n dt h ec o n t a c ts u r f a c e ，t h eu p p e rb a c k f i l l w a ss i m u l a t e dt oa n a l y z ei t ss t a b i l i t yb yt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e M i d a s ．G T S ． B a s e do nt h ea c t u a lp r o je c to fJ i n c h u a n2 t hM i n e ，t h ed e e pt y p i c a l r o c ka n dt h ed e e pr o c ke n g i n e e r i n gs t a b i l i t yh a sb e e ns t u d i e db y e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u r v e y , t e s t ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l a n a l y s i s ．T h er e s u l to fr e s e a r c hh a 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 l s i g n i f i c a n c et os a f e t yp r o d u c t i o no f J i n c h u a n2 t hM i n e ． K e yw o r d s g r o u n ds t r e s sa n a l y s i s ，t h ep a r a m e t e ro fr o c km e c h a n i c s ， M i d a s G T S ， w a t e r - r o c k i n t e r a c t i o n ， s u b c r i t i c a lc r a c k g r o w t h ， e l a s t o - v i s c o p l a s t i c ，r h e o l o g i c a lm o d e l ，F l a c 3 D I V 博士学位论文 目录 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 课题的来源与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．1 水岩相互作用研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．2 岩体力学参数取值方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．3 岩石亚临界裂纹扩展理论与试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．3 ．4 岩石蠕变 流、变 试验与流变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 ．4 本文主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 1 ．4 ．1 本文主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 第二章金I I I - - 矿区深部地质概况及深部岩体力学参数取值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．2 金川二矿区地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．2 ．1 工程地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．2 - 2 水文地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．3 水作用下金 l l - - 矿区深部典型岩石物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．3 ．1 水对岩石的软化作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．3 ．2 金 I f _ - 矿区深部岩石物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．3 ．3 金 11 - - 矿区深部岩石膨胀性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 2 ．4 金 t l - - 矿区8 5 0 米中段一1 0 0 0 米中段地应力有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 2 ．4 ．1 金J I I - - 矿区1 0 0 0 米中段以上已有地应力值统计分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 2 ．4 ．2 金川二矿区8 5 0 米中段一1 0 0 0 米中段地应力有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯3 2 2 ．5 金 t l z 矿区深部岩体力学参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 2 ．5 ．1 岩体力学参数确定的常用方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 2 ．5 ．2 金川二矿区8 5 0 米中段一1 0 0 0 米中段岩体质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 2 ．5 ．3 岩石力学参数工程处理及其结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 第三章水作用下岩石亚I I 缶界裂纹扩展试验与应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 V 博士学位论文 目录 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．2 岩石亚临界裂纹扩展应力腐蚀理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．3 试验原理、装置与方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．3 ．1 试验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 3 ．3 ．2 试件制各与试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 3 ．3 ．3 试验方案与过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．51 3 ．4 试验结果与数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 3 ．4 ．1 数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 3 ．4 ．2 干燥与饱水状态下试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 3 ．4 ．3 水对亚临界裂纹扩展的影响的分析讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 3 ．5 岩石亚临界裂纹扩展理论工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 3 ．5 ．1 裂纹扩展模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 3 ．5 ．2 时间相关的裂纹扩展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 3 ．5 ．3 工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 3 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 第四章饱水岩石室内流变试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 4 ．2 水环境下岩石流变试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 4 ．2 ．1 流变试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 4 ．2 ．2 试验试样制取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 4 ．3 ．3 试验方案与试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 4 ．3 试验数据处理与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 4 ．3 ．1 试验数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 4 ．3 ．2 试验结果与试样变形形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 4 ．4 干燥与饱水岩样黏弹塑变形特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 4 ．4 ．1 瞬时变形与瞬时弹模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 4 ．4 ．2 蠕变变形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 4 ．5 流变模型选取与参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 4 ．5 ．1 流变模型选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 4 ．5 ．2 模型参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 4 ．5 ．3 干燥岩样与饱水岩样的模型参数比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 第五章流固耦合岩石流变模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 3 V I 博士学位论文目录 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 5 ．2 改进的广义K E L V I N 蠕变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 5 ．2 ．1 岩样变形形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 5 ．2 ．2 对广义K e l v i n 模型的改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 5 ．3 流．固耦合岩石流变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 5 ．3 ．1 岩石流．固耦合基本理论‘3 ，4 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 5 ．3 ．2 岩石流固耦合作用下的流变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 9 第六章水岩作用下金川深部岩体工程稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 6 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 l 6 ．2 金 l l - - 矿区深部岩体工程破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 1 6 ．2 ．1 巷道变形与破坏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 6 ．2 ．2 充填体稳定状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 4 6 ．3 金川二矿区深部巷道稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 5 6 ．3 ．18 5 0 水平1 4 行盲风井通道简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 5 6 ．3 ．21 4 行8 5 0 米水平盲风井通道稳定性数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 7 6 ．4 巷道变形时效性模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 6 ．4 ．1F l a c 3 D 分析模型及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 6 ．4 ．2 本构模型选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 6 ．4 ．3 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 4 6 ．5 充填体稳定性分析小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 9 6 ．5 ．1 数值分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 9 6 ．5 ．2 计算结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 6 ．6 本章小结与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 4 6 ．6 ．1 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 4 6 ．6 ．1 建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 5 第七章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 6 7 ．1 本文结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 6 7 ．2 进一步工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 9 j 目E 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 9 攻读博士学位期间发表的学术论文及成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 0 V I I 博士学位论文 第一章绪论 1 ．1 引言 第一章绪论 随着国民经济的发展，各类大型岩体工程日益增多，如已建成葛洲坝水电 站、三峡工程、乌鞘岭铁路隧道、南昆铁路等，正在兴建的南水北调工程、锦 屏二级水电站以及正在开采的金川矿区、凡口铅锌矿等大型地下矿山。在大型 岩体工程的推动下，我国岩石力学与工程的相关研究工作得到了蓬勃发展，取 得了巨大成就，同时也面临着新的机遇和严峻的挑战阻‘。 水利、深部采矿巷道、海底隧道等众多岩体工程始终处于水环境中，其围 岩也始终处于饱和状态。在岩体工程施工和运营过程中，地下水与岩石相互影 响、相互作用。采矿巷道、公路、铁路及水利等各种大型岩体工程其服务年限 往往为十几年、几十年甚至上百年，所以在工程设计过程中就应该考虑且确保 水影响下的各项岩体工程长期运营过程中的稳定性。因此，研究水影响下岩体 工程稳定性及其时间相依性对确保水环境中岩体工程的长期稳定性具有重要意 义。 随着浅部资源的枯竭，资源开采向深部延伸。在国外，资源的开采深度早 已向千米以上及更深的地层发展。据不完全统计，国外开采超千米深的金属矿 山有8 0 多座【2 】。在国内，各类资源开采早己或正进入了深部开采阶段，其中在 煤炭开采方面，沈阳采屯矿、开滦赵各庄矿、徐卅f 张小楼矿、北票冠山矿、新 汶孙村矿等矿山开采深度均超过了1 0 0 0 米；金属矿开采方面，金川二矿区、冬 瓜山铜矿等开采深度都达到或已超过1 0 0 0 米。在水利水电工程中，我国锦屏二 级水电站的引水隧道是世界上埋深与规模最大的引水隧洞，其最大埋深已达 2 5 2 5 m ；而规划中的南水北调西线工程的隧洞埋深最大达11 5 0 m ∞3 。这些埋深达千 米以上的岩体工程已属于深部岩体工程，由于深部岩石所处环境与浅部岩石所 处环境的不同，其表现出来的力学特征也不同，目前深部岩石力学是国内外土 木交通、水利水电和采矿等领域的研究焦点。 天然岩体大多为各项异性的不连续介质，不可避免地存在特性各异的裂隙 H 1 。当它处于水环境中时，水将在裂隙岩体中运动，这样水与岩体之间就会产生 相互作用。水岩相互作用主要体现在力学作用、物理作用及化学作用。由于岩 体内应力的影响，使岩体内的裂隙长度和扩展方向发生了变化，进一步改变地 下水的渗流通道，即应力影响了地下水的渗流场；另一方面，裂隙中地下水通 过渗透压力、物理作用及化学作用亦改变着岩体中的裂隙结构，施加给岩体以 博士学位论文 第一章绪论 静水压力和动水压力，即地下水影响了岩体的裂隙结构及应力场畸1 。正是水岩相 互作用的这种特性，使其成为近2 0 年来岩石力学领域中的主要研究热点。 1 ．2 课题的来源与研究意义 金川有色金属 集团 公司是国内最大的镍生产基地，在国民经济中占有 重要地位。为提高国际竞争力，加快发展，在2 0 0 8 年矿山出矿量达到8 0 0 万吨， 2 0 1 0 年后矿山出矿量达到1 0 0 0 万吨的矿石产量。但是深部高应力矿床的高效、 安全和低耗开采技术与工艺研究将是金川矿山所面临的重要研究课题。 金川矿区在过去的几十年，依靠国内科研院所及本单位的研究人员，针对 生产中的岩石力学问题，开展了一系列相关研究，并取得了丰富的研究成果。 这些研究成果不但解决了生产中的岩石力学问题，还为进一步研究积累了丰富 的经验。进入深部开采的金川矿山，随着矿区多中段开采的进行，采动范围和 采动影响的不断加大，加上复杂的工程地质条件、高应力、水等不利因素的影 响导致支护难度加大，作业环境恶化、生产成本急剧增加，以支护失效等为代 表的工程灾害事故频度将会大增加。深部采场中高地应力、高渗透水压和高强 度采动应力下岩体整体强度低、结构破碎、遇水软化的不良岩层巷道围岩稳定 性问题异常突出。 深部岩体长期处于高应力、水环境下，在采掘扰动下会表现的深部岩石力 学行为与浅部会有很大不同。深部岩体的地应力的复杂性，深部岩体流固耦合 下的大变形、强流变性及水弱化性将是金川矿山深部开采面临岩石力学问题， 如巷道断面收敛的现象以及运输巷道变形持续时间长 可达2 年以上 。这些问 题的存在，使矿体的正常开采与巷道开挖受到了严重影响，为了给深部开采的 设计和生产提供技术支撑，迫切需要对矿山深部开采的岩石力学问题进行深入 研究。 鉴于上述问题，金川有色金属 集团 公司积极开展科技攻关，提出了金 川矿山深部高强度采掘条件下的岩石力学研究等攻关课题，依托中南大学与 金川二矿区、金川镍钻研究院矿山分院开展研究。对深部围岩的岩石力学基础 科学问题进行深入研究。本文依托该项目，对金川二矿区8 5 0 1 0 0 0 米水平工程 地质与水文地质进行调查研究、研究了该区域岩石进行了干燥与饱水两种状态 下的基础力学特性和岩体力学参数的选取；对该区域内岩石在水环境中的亚临 界裂纹扩展规律、流变特性及流变模型展开了深入研究，通过采用试验研究、 理论分析以等方法，获得了水对亚临界裂纹扩展影响的规律、水环境中深部岩 石流变规律；对亚临界裂纹扩展规律的应用进行了深入研究，同时，建立了合 博士学位论文 第一章绪论 适的流变模型；结合金 l l - - 矿区实际工程，对8 5 0 1 0 0 0 米水平采场及巷道开采 与开挖过程中的巷道围岩应力、变形规律及稳定性进行了分析。 1 ．3 国内外研究现状 本文主要从水岩相互作用、岩体力学参数取值方法、岩石亚临界裂纹扩展 理论与试验、岩石蠕变 流变 试验与流变模型等几方面进行研究现状综述。 1 ．3 ．1 水岩相互作用研究现状 水岩相互作用有化学作用、物理作用及力学作用三方面，这三方面往往是 不可分割的。化学过程是不可逆的，水对岩石矿物及裂隙中充填物的溶蚀和溶 解、对铁的氧化、对碳酸盐岩的侵蚀和潜蚀都属于化学作用；物理作用包括润 滑、软化、泥化及结合水强化等，其过程一般是可逆的，如软岩浸水后内摩擦 角降低，失水后又恢复；力学作用包括渗透压力及裂纹尖端的劈裂作用，在介 质的弹性范围内是可逆的晦1 ‘7 I 。 最早研究水岩相互作用的国家是前苏联。1 9 4 1 年，前苏联学者B 。ⅡO 且 _ bK0 就进行了岩体裂隙水力学试验研究。自此，水岩相互作用成为各国岩石 力学研究人员的研究热点。P ．A ．R e b i n d e r 等睛1 研究了不同化学溶液下岩石的力学 差异，并探讨了不同化学溶液的作用机理。L ．S ．B u r s h t e i n 旧3 研究了含水率对岩石 单轴抗压强度的影响。B ．A t k i n s o n n 町从应力腐蚀的角度研究了水对石英岩断裂的 影响。J ．M ．L o g a n 和M ．I ．B l a c k w e l l 口“、J ．D ．D u n n i n g H 鄙的研究结果表明水能明 显影响岩石的摩擦性质。耿乃光等口卵研究了含水率对结构面充填物物理性质的 影响，发现随含水率的增加弹性模量、粘性系数与抗压强度明显降低，而韧度 则增大。C ．GD y k e 等口4 3 研究了岩石强度对不同含水率的敏感特性。陈钢林等n 即 对饱和岩石与干燥岩石的单轴抗压强度和弹性模量进行了比较，
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