寺庄矿区工程岩体稳定性及采场合理跨度研究.pdf

分类号 U D C 密级 编号 十初大学 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 论文题目圭廑芝匡三猩羞堡整塞睦 盈苤堑金墨堕廛盟宝 学科、专业主笾王猩 研究生姓名主蕉 导师姓名及 专业技术职务奎2 基整撞 分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． U DG ⋯⋯⋯⋯⋯⋯． ㈣㈥9 9 ㈣8 73Y 2 1 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 硕士学位论文 寺庄工程矿区岩体稳定性 及采场合理跨度研究 S t u d yo nE n g i n e e r i n gR o c kM a s sS t a b i l i t ya n dS t o p e R e a s o n a b l eS p a ni nS i z h u a n gM i n e 作者姓名 学科、专业 学院 系、所 指导老师 申延 采矿工程 资源与安全工程学院 李夕兵 论文答辩日期 叁2 △金美 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已在论文中作了明确的说明。 作者签名毕 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。 作者签名举 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着矿产资源的升值，以及国家对工程安全的日益重视，经济、 安全、高效的开采成为矿山首要工作。由于地质条件复杂，地下岩体 质量的快速确定成为矿山安全开采的前提条件。以岩体质量评价为基 础，科学优化采场跨度，实现矿山工程高效、经济开采成为了本论文 主要探讨的课题。 本文以山东省焦家金矿寺庄矿区为工程背景，做出了如下方面研 究工作 1 调查、实测矿区地质条件、岩体节理裂隙发育情况，分析 影响岩体质量及稳定性因素。 2 采用分形理论阐释岩体节理裂隙内部特性，揭示节理分形 特征对岩体稳定性的影响。计算得出节理间距和节理产状分布分维 数，并作为评价岩体质量的一个重要指标。 3 采用混沌优化B P 神经网络，并以大量矿山评价岩体质量 的指标数据作为神经网络的输入，以岩体质量等级作为其输出，建立 岩体稳定性智能辨识模型。应用此模型于寺庄矿区工程位置2 号脉、 7 号脉、Ⅳ号脉，规划出矿区岩体稳定性预测平面图。为采场跨度优 化研究和巷道支护方案的提供提供科学依据。 4 对室内试验得出的岩石力学参数进行折减，得出不同岩体 质量下岩体力学参数。在不同岩体质量条件下，应用大型有限元软件 A N S Y S 对上向进路充填法的采场跨度进行数值模拟。科学的总结出 不同矿岩等级下，采场跨度最佳推荐值。并应用于矿区工程位置2 号 脉、7 号脉、Ⅳ号脉，确保矿区的安全、高效、经济开采。 关键词岩体稳定性，分形理论，神经网络，智能辨识，A N S Y S ， 采场最佳跨度 A B S T R A C T W i t ht h e i n c r e a s i n gv a l u eo fm i n e r a lr e s o u r c e s ，a sw e l la st h e n a t i o n a l i n c r e a s i n ge m p h a s i so ne n g i n e e r i n gs a f e t ye x p l o r i n g m i n i n g r e s o u r c e si nas a f e t y , h i g he f f i c i e n c ya n dl o w c o s tw a yi sb e c o m i n gt h e p r i o r i t yf o rm i n ec o m p a n i e sa n dm i n eo p e r a t o r s ．D u et ot h ec o m p l e x g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h ed e p o s i t ，f a s td e t e r m i n a t i o no fr o c km a s s q u a l i t yi nu n d e r g r o u n de x c a v a t i o ni sap r e r e q u i s i t ef o rs a f em i n i n g ．T o r e a l i z et h ea i mo fe c o n o m i ca n de f f i c i e n tm i n i n g ，t h ec l a s s i f i c a t i o no f t h e r o c km a s sq u a l i t ya n ds t o p e s p a na r ei n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r , a n d f o l l o w i n gw o r kh a sb e e nc o m p l e t e d ． 1 T h eg e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dr o c km a s sa n di t s jo i n t sw e r e i n v e s t i g a t e da n dm e a s u r e d ，a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rb o t hq u a l i t y a n ds t a b i l i t yo fr o c km a s sw e r ea n a l y z e d ． 2 I nl i g h to ft h ef r a c t a lt h e o r y , t h ei n h e r e n tp r o p e r t i e so fr o c k { o i n t s w e r ed e s c r i b e da n dd e t e c t e dt h ee f f e c t so ff r a c t a lf e a t u r e so nr o c km a s s s t a b i l i t y ．T h ef r a c t a ld i m e n s i o no fb o t hj o i n ts p a c i n ga n d j o i n td i s t r i b u t i o n w e r ec a l c u l a t e d ，w h i c hw a st a k e na sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o rt oe v a l u a t e t h er o c km a s sq u a l i t y ． 3 B yt h em e a n so fc h a o so p t i m i z a t i o nm e t h o do fB Pn e u r a ln e t w o r k ． t h eo u t c o m eo fr o c km a s s q u a l i t yc l a s s i f i c a t i o nw a so b t a i n e da f t e r i n p u t t i n gt h ec a l c u l a t e dd a t ao fr o c km a s sq u a l i t y ．A f t e rt h i s ，t h er o c k m a s ss t a b i l i t yi n t e l l i g e n ti d e n t i f i c a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d ．A c c o r d i n g t ot h i sm o d e l ，ap l a n eg r a p hw a sd r a w nt op r e d i c tt h es t a b i l i t yc o n d i t i o n s o fr o c km a s si n2 撑，7 撑a n dI V 撑v e i n si nS i z h u a n gm i n i n ga r e a ．w h i c hc a n p r o v i d eu s e f u lr e f e r e n c e sf o rm es t o p e ss p a no p t i m i z a t i o na n dr o a d w a y s u p p o r t i n gd e s i g n ． 4 T h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s sw i t hd i f f e r e n tq u a l i t i e s w e r ed e t e r m i n e db yt h e p r o p o r t i o n a l r e d u c t i o n o ft h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fr o c ks p e c i m e no b t a i n e di nl a b o r a t o r y ．A c c o r d i n gt ot h er o c k m a s sq u a l i t y , t h eu p w a r dd r i f ts t o p p i n gp r o c e s sw i t hv a r i o u ss t o p es p a n s w a ss t i m u l a t e db yA N S Y S ，a l a r g eF E M s o f t w a r e ．A f t e rs u m m a r i z i n gt h e 中南大学硕士学位论文 s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h eo p t i m a ls t o p es p a nw a sd e t e r m i n e da n da p p l i e di n 2 撑，7 群a n di vv e i n st oe n s u r et h es a f e t y , e f f i c i e n c ya n dl o w c o s tm i n i n g i nS i z h u a n gm i n i n ga r e a ． K e yw o r d s R o c km a s ss t a b i l i t y , f r a c t a lt h e o r y , n e u r a ln e t w o r k ， i n t e l l i g e n ti d e n t i f i c a t i o n ，A N S Y S ，o p t i m a ls t o p es p a n 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．1 岩体质量分级研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 采场结构参数优化研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 本文研究内容、方法与思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．1 主要研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．2 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 第二章寺庄矿区工程地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．1 矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 矿床地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．3 岩浆岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．4 矿石物质组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 2 ．3 岩石力学性质试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．3 ．1 取样地点及矿岩性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．3 ．2 力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l5 2 ．3 ．3 试验结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．4 现场节理裂隙调查与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．4 ．2 节理裂隙调查方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．4 ．3 节理裂隙调查数据统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．4 ．3 各中段节理裂隙调查数据与统计分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 2 ．4 ．4 节理裂隙分布对岩体质量与稳定性的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 第三章岩体节理分形特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 岩土工程中的分形理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．1 分形维数及计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．1 ．2 分形理论在岩土工程中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 岩石节理裂隙的分形特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．1 节理间距分布的分形特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．2 节理产状分布的分形特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 中南大学硕士学位论文目录 第四章基于分形特征的岩体稳定性智能辨识模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 人工神经网络⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．1 人工神经网络介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 ．2 人工神经元模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 ．3 神经网络结构及学习⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．2B P 神经网络与混沌优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．1B P 神经网络介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．2 ．2B P 网络的学习算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．2 ．3 混沌优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．3 寺庄矿区矿岩稳定性智能辨识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．1 智能辨识模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．3 ．2 智能辨识模型的检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．3 ．3 寺庄矿区矿岩稳定性预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 第五章不同岩体质量下进路采场结构参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 有限元软件A N S Y S 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 ．1 有限元法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．1 ．2A N S Y S 分析过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．2 寺庄矿区开采方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 寺庄矿区采场结构参数数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．1 寺庄矿区不同岩体质量力学参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．3 ．2 模拟计算方案的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．3 ．3 建立模拟计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 5 ．4 模拟计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．4 ．1 第一主应力分布分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 5 ．4 ．2 第三主应力分布分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．4 ．3 单元最大应变能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 5 ．4 ．4 综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 0 5 ．4 ．5 实际应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 攻读硕士学位期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 参加的科研项目及获得的奖励⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 课题研究背景及意义 本课题来源于“焦家金矿寺庄矿区岩体工程稳定性评价研究“ 项目。目前， 随着矿床开采深度的增加，矿岩受到的地应力也逐渐增大，岩体节理裂隙发育程 度、岩体破碎程度也越来越严重。在矿山实际开采中，时常发生采场冒顶片帮现 象，若不能对矿岩稳定性及时预测，就不能及时采取合适的支护方式和采场结构 参数，这样安全、高效开采将成为担忧的问题。 因此，为科学地优化采场结构参数以确保采场安全，开展寺庄矿区岩体工程 地质调查，依据岩体节理裂隙发育状况，借助数学方法、岩石力学方法、计算机 数值模拟方法等，准确对岩体质量进行评价及预测，继而根据不同岩体质量等级， 科学地确定出合理的采场结构参数，实现焦家金矿寺庄矿区安全、高效开采，增 大其资源利用率，增加其经济效益。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 岩体质量分级研究方法 对于岩体质量研究已将近百年时间，由于各地理区域、环境条件、岩体岩性 的不同，使得岩体质量也不完全相同。因此，根据岩体工程的设计施工需要，及 时准确对岩体质量进行分级就显得尤为重要【l J 。 2 0 世纪7 0 年代以前，岩体质量评价往往是定性或半定量以单因素进行的， 比如普氏系数f 分类法、岩石单轴抗压强度分类法、R Q D 分级方法【2 】等。2 0 世 纪7 0 年代以后，岩体质量评价渐渐由单因素向多因素方向转变，并且与工程实 际情况联系在一起。主要有1 9 7 3 年南非B i e n i a w s k i L 3 J 提出的R M R 分类法；1 9 7 4 年挪威B a r t o n [ 4 , 5 】提出的Q 分类法 巴顿岩体质量分类 、美国W i c k h a m t 6 】提出 的R S R 分类法；1 9 7 9 年中国谷德振、黄鼎成【7 j 提出的岩体质量系数Z 分类法； 1 9 8 0 年王思敏等人【8 】提出弹性波指标Z a 分类法、关宝树【8 】提出围岩质量Q 分类 法、杨子文【8 】提出岩体质量指标M 分类法；1 9 9 5 年中国规范的工程岩体分级 标准 G B 5 0 2 1 8 - 9 4 【9 】；1 9 9 7 年中国水利水电边坡工程登记小组提出的C S M R 分类等。 在工程实际中比较常用的主要有以下几种岩石质量指标R Q D 分类、工程 中南大学硕士学位论文第一章绪论 岩体B Q 分级、岩体的岩土力学R M R 分类、巴顿岩体质量Q 分类。 1 岩石质量指标R Q D 分级 岩石质量R Q D R o c kQ u a l i t yD e s i g n a t i o n 分级【2 】是根据钻探得到的岩芯完 好程度来评判岩体的质量，从而对岩体质量进行分级，计算公式如下 V ，- R Q D 缕1 0 0 ％ 1 ．1 一 三 式中厶一1 0 c m 及以上岩芯的总累计长度； 三一钻孔总长度。 根据R Q D 值的大小，将岩石质量划分成5 个等级，见表1 ．1 。 表1 - 1 岩石质量指标R Q D 分级 由于规定大于1 0 c m 以上岩芯长度作为区分岩石完整性最合理的界限并无充 分的科学依据，因此常用采用延拓R Q D 的定义对岩石质量进行描述【1 0 ，1 1 】，其公 式变化为 R Q D ，擎川。％ 1 ．2 式中，z ，表示在同一钻探方向上第i 个大于给定阈值f 的间距阈值或整段岩石 长度。R Q D ．则是对应给定阈值f 的岩石质量指标，与原来的R Q D 定义区分开。 2 Q 分级法 巴顿岩体质量分级 Q 分级法【5 】采用6 个参数来代表隧道岩体质量好坏的Q 值，6 个参数为岩 石质量指标R Q D 、节理面蚀变系数，。、节理含水折减系数，一节理粗糙度系数 ，，、节理组数，。、岩体应力折减系数S R F ，其计算公式如下 Q 2 竽n 专t ．I 志 ‘， a U J U 。 1 ．3 上式反映了岩体质量的三个方面，鱼竽代表岩体完整性，代表结构面形 ‘，p , ／ t ，口 态、充填物特征以及次生变化程度，志代表水或其它应力对岩体质量的影响。 Q 值得分范m 0 [ o ．0 0 1 ，1 0 0 0 ] ，分为9 个等级，代表着围岩质量从极差到极 好，见表1 - 2 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 3 工程岩体质量B Q 分级 我国在1 9 9 4 年1 1 月颁布了国标工程岩体分级标准【9 1 。该分级方法采用 两步分级方法首先通过定性和定量结合方法分别确定岩石强度和岩体完整性系 数，即确定岩体的基本质量B Q ；其实结合工程实际情况及特点，如地应力、地 下水和结构面产状等，对上步得出的B Q 值进行修正，确定其岩体等级。 岩体的基本质量指标B Q 用下式表示 曰Q 9 0 3 仃。 2 5 0 K 矿 1 - 4 式中 吒一岩石单轴饱和抗压强度 御a ； 厂、2 髟一岩体完整性系数；K v f 警l ，咋、‰分别为岩石与岩体纵波速度。 ＼咋／ 修正后的岩体的基本质量指标B Q 用下式表示 【B Q ] 召Q 一1 0 0 K 1 K 2 K 3 1 - 5 式中五一主要结构面产状影响修正系数； 疋一地下水影响修正系数； K ，一天然地应力影响修正系数。 按B Q 值和岩体质量定性特性将岩体质量划分为5 个等级，见表1 ．3 表1 ．3 岩体质量B Q 分级表 中南大学硕士学位论文第一章绪论 4 R M R 分级法【3 】 R M R 分级法又称为C S I R 岩体质量评价法，该系统由岩石单轴抗压强度足、 岩石质量指标 R Q D R 2 、结构面间距R ，、结构面条件R 。、地下水条件R ，和结 构面产状与工程走向的关系兄6 个因素决定，并对这些因素逐个进行评分，其各 因素评分相加总和即为R M R 值，其岩体质量评价与R M R 值之间的关系如表1 - 4 所示 R M R R l R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 1 - 6 表1 ．4R M R 分级表 随着近几年计算机的快速发展、普及应用和各学科间的交叉融合，对于岩体 质量分级也有了一些智能方法，如神经网络分类【1 2 1 4 】、模糊综合分类【1 5 1 7 】、灰 色聚类分类【1 2 ～2 1 1 、可拓分类阻 2 7 1 、分形理论分类【2 8 3 1 1 、专家系统分类【3 2 3 5 1 、距 离判别分类【3 8 】等，这些方法丰富了岩体质量分级。 1 分形理论分类 分形理论由B ．B ．M a n d e l b r o t 创建，根据分形的定义，许多复杂、难以定量描 述的形状等，等可以从中找到自相似结构，再可用分形进行相应的描述【3 9 1 。许多 学者专家研究出岩体结构面具有自相似特性，可以用分形理论对其进行研究。 L aP o i n t e [ 4 0 】根据分形理论，在研究天然岩体结构面网络基础上，运用计算机 进行岩体结构面网络模拟，发现二者具有很好的自相似性。P o u l t o n 掣4 l 】发现， 分维数与R Q D 值、岩体强度、开挖速率和导水性存在一定关系，较高的分维数 表示较低的R Q D 值、较低的岩体强度、较高的开挖速率和较强的导水性。 国内学者丁多文【4 2 】认为岩体结构面与结构体分形维数决定了岩体质量的两 个指标。根据结构网络图，分别求出了结构面和结构体的分形维数砩F 和％。 D P F 越大，反映结构面分布越复杂，岩体质量越差；％越大，反映结构体大小 分布的状况是大的结构体所占分量趋于增加，岩体质量趋于变好。为此，引入岩 体质量分维数D D 陌一D ，F ，D 的取值范围为O 一2 。将O 2 分为5 个区间，相应 的岩体质量也分为5 个级别，见表1 ．5 。 表1 - 5 岩体质量分级表 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 易顺民等人【4 3 1 研究表明岩体结构面网络分维数值是岩体强度、环境和工程 地质的函数，较全面、客观地反映了岩体质量的优劣特征。所以，可以通过结构 面网络分维数值来表示岩体质量的好坏，继而将岩体质量进行分级，分级标准见 表1 ．6 。 表1 - 6 按岩体结构面网络分维分级 2 神经网络分类 神经网络是一种并行数据处理方法，以大量实测数据为样本进行学习，训练 后得到权值和阈值，在进行检验。通过样本数据的输出和输入，不断对权值和阈 值进行修正，对输出节点误差值进行修正，当达到给定的精度时，计算结束。应 用于岩体质量评价中，可把影响岩体质量因素和已知岩体质量等级作为输入和输 出进行训练，得出的模型，可对未知的岩体质量等级进行预测。 3 灰色聚类法 在地下矿床开采过程中，影响岩体质量的因素较多，能掌握的信息量有限， 难以确定因素之间的映射关系。灰色聚类是指建立在灰类的白化函数生成基础上 的一种方法，将聚类对象对应于不同聚类指标拥有的白化数，按几个灰类进行归 纳，然后进行聚类，具体步骤为 a ．根据给定d 。的构造样本矩阵； b ．确定灰类白化函数 ； c ．求聚类权巧成，表示第，个指标对应于第k 个灰类的权，其公式为 j r ／i 。上 。1 ．8 7 肚2 ‘二一 L 。， ∑‰ 产l d ．求灰色聚类系数仃聩，表示第，个聚类对象对于第k 个灰类的灰色聚类系 数，其公式为 ％ ∑厶 颤 刁肚 1 8 j l e ．构建聚类向量吼 仃f l ，q 2 ，⋯，盯腑 ； f ．进行聚类，在盯，中挑选最大者判断聚类对象所属灰类。 4 模糊综合评价法 模糊综合评价法是指综合考虑受多种模糊因素影响的系统，对其进行总体评 价的一种方法。由于影响工程岩体质量的因素众多，且这些因素对岩体质量的影 中南大学硕士学位论文第一章绪论 响具有模糊性、层次性、差异性等特点，应用模糊综合评价法进行岩体质量评价 可以全面、客观地反映影响岩体质量的各种因素，可以提高岩体质量评价的可靠 性，因而该方法成为了实际工程中应用最为广泛的方法之一。根据对工程岩体质 量影响因素的分析，采用二级模糊综合评价模型进行工程岩体质量评价。模糊综 合评价法流程见图1 ．1 。 J l 建立二级模糊对象园建立模糊关系矩阵一 素集一 1r1r I 建立模糊对象评价集一确定各个层次权重及 总极重一 1r ’r 构造隶属函数一建立二级模糊综合评 价模型一 I Ip 进行模糊综合评价，得 出评价结果 I 图1 - 1 岩体质量模糊综合评价流程 5 距离判别分类法 距离判别分析法是从各训练样本中提取已有的各总体信息，构造一定的判别 准则，来判断新样本属于哪个总体。其基本思想是比较样本和每个总体的马氏 距离，并将其判定属于马氏距离最近的那个总体。将距离判别分析法应用到岩体 质量评价中，建立岩体质量评价的距离判别分析模型，选择评价指标作为距离判 别分析模型的判别因子，以工程岩体实测数据作为学习样本进行训练，建立相应 线性判别函数对待判样本进行评价，具体步骤为 a ．判别参数的确定； b ．距离判别分析模型的建立，进行样本训练； C ．判别模型的检验。 从岩体质量评价研究的进展过程来看，其发展趋势大致有4 点Ⅲ】 1 广泛 性，即重视引入新理论、新方法，计算机辅助作用越来越重要； 2 针对性，即 岩体质量评价从理论分析转入实际应用，针对某类具体工程岩体进行评价 3 综合性，即岩体质量评价从单因素分级发展到多因素分级； 4 可比性，即不同 的评价方法互相融合、互相比较、互相验证。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．2 ．2 采场结构参数优化研究方法 采用合理的采场结构参数是控制地压，危害实现高效、安全开采的重要措施 【4 5 】。对于采场结构参数优化研究，目前国内外主要采用解析法、经验类比法、数 值分析法和综合分析法等。 1 解析法 目前，应用解析法对矿岩稳定性进行分析时，采用复变函数法对矿岩应力与 应变进行计算，并得出弹性解析解【4 6 】。解析法具有分析速度快、精度高和易于进 行规律性研究等优点，不足之处是对受地面荷载和地表边界影响的浅埋隧道围岩 分析时，在处理数学公式上存在一定的困难【4 7 ，4 8 1 。因此，解析法只能分析有限的 工程实际问题，但其分析结果，可以提供一些有规律性的认识。 2 经验类比法 参考国内外相近矿山，统计分析后确定采场结构参数。此方法根据经验类比， 结果偏于保守，并且人为主观因素过多。但其优点在于方法简单、可行，在国内 外矿山中被广泛应用。 3 数值分析法 数值分析法在大体上分为两类方法，一是以有限元法 F E W 【4 9 1 、边界元 法【5 0 1 、有限差分法【5 1 】为代表的连续介质力学分析方法，一是以离散单元法 D E M 【5 2 1 、块体单元法【5 3 1 、D D A 法【5 4 1 为代表的非连续戒指力学分析方法。 有限元法在2 0 世纪5 0 年代出现并得到广泛应用，解决了血多经典力学解析 法难以解决的实际工程力学问题。它基于最小总势能变化原理，方便处理各种非 线性问题，灵活的模拟岩体工程复杂施工过程，因而成为实用性最强、应用性最 广的数值模拟方法。它将连续的求解域离散为一组有限个单元的组合体，解析的 模拟或逼近求解区域【5 5 1 。 但由于自身理论缺陷，在处理一下几种非连续问题时显得无能为力【5 6 】 1 界面单元设置过多； 2 次生非连续界面无法处理； 3 对于复杂地质条件的地 下工程，若不进行大量简化，会造成计算工作量大、计算精度不准确等影响； 4 界面弹簧刚度选取困难； 5 对应力出现奇异性问题处理麻烦。 边界元法是以数学上求解边界积分方程为基础，在边界上剖离、分析单元， 将边界积分方程转化为离散的线性代数方程组，然后通过数学方法得到离散线性 代数方程组的解，即原问题边界积分方程解，进而获得区域内的解，其实质是数 值分析的方法。边界元法的解只有计算误差，没有离散误差，对于模拟复杂几何 形状，降低了维数，节省了数据准备的工作量。与有限元比较，边界元以存在解 析基本解为前提条件，基本解的寻找困难也是制约边界元法广泛应用的一个主要 因素，并且边界元法对奇异性问题也难处理【5 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 有限差分法最具有代表性的软件是由美国I t a s e a 咨询公司开发的F L A C 3 D t h r e eD i m e n s i o n a lF a s tL a g a n g i a n A n a l y s i so fC o n t i n u e 。它采用显示有限差分格 式求解场的控制微分方程，仅需通过本构关系，由应变直接计算应力。在某种程 度上克服了有限元与离散元不能统一的矛盾。它在非均质各向异性和非线性为主 的岩体介质也具有很好的适应性，目前已成为现代岩体工程计算分析的主流方法 [ 5 8 1 O 离散元是国外分析节理岩体的主要方法，该方法克服了连续岩体力学的局限 性，在模拟节理岩体失稳条件及运动趋势方面有其独到的优点，二维离散元程序 U D E C 和三维离散元程序3 D E C 已成功应用于放矿力学、巷道稳定性和边坡工程 研究中【5 9 】。 块体单元法是2 0 世纪7 0 年代后期提出的，该理论认为结构面把坚硬和半坚 硬岩体纵横切割成大小不一的镶嵌块体，根据块体可移性和有界性寻求可移块 体，将围岩稳定问题转换到分析关键块体的稳定问题上【6 0 】。 D D A 方法是由G o o d m a n 与石根华提出的块体系统不连续变形分析方法。 D D A 模型构建一整套块体系统运动学理论，有效的模拟具有非连续面岩体的变 形特性以及运动趋势【6 1 1 。由于该模型把岩体完全离散化，与实际情况不完全吻合， 因此，该模型与有限元法的结合，将是其研究应用的发展方向【6 2 】。 4 综合分析方法 在早期，综合分析法主要是通过建立影响采场结构参数的各因素之间的数学 表达式来选取最佳参数。到后来，逐渐引入人工智能方法 如神经网络、遗传算 法 [ 6 3 , 6 4 ] 、反分析方法[ 6 5 1 、断裂损伤力学方法[ 6 6 1 、和不确定理论 如模糊数学、 灰色理论 [ 6 7 , 6 8 1 。 随着资源开采规模的日益扩大，依靠经验的方法已经很难