松动圈理论在地下深部层状围岩支护中的应用研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯ U D C 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．⋯⋯．松动．凰墨硷在地王添叠星鉴⋯⋯ ⋯⋯⋯一国．羞塞搋盘的廛用．研究⋯⋯⋯． 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯采～堑⋯王一焦⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯．互圭．童⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯⋯奎生熹⋯耋攮⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 分类号 UDC 硕士学位论文 密级 编号 松动圈理论在地下深部层状围岩支护中的应用研究 A p p l i c a t i o no fS u p p o r tT h e o r y f o rE x c a v a t i o nD a m a g e d Z o n ei nD e e pL a y e r e dR o c kM a s s 作者姓 学科专 学院 系、 指导教 万串串 采矿工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 年5 月 ．． ．．、、．、 ．． 名业彦师 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 主蛙 日期 迦f 兰年上月』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。 作者繇卑导师 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 由于自然界层状岩体分布的广泛性，并且国家近几年各种工程建 设趋于高峰期，致使层状岩体的工程稳定问题变得越来越受重视，反 映到地下工程中则集中体现在岩体的支护上。层状岩体作为一种复杂 岩体，其强度及变形性质通常呈现出横观各向同性或正交各向异性等 特征，并且其破坏方式及机理也明显异于其他岩体，因此在设计层状 围岩支护方式前需充分研究其破坏机理。为此，本论文通过引入围岩 松动圈支护理论，利用理论分析、数值模拟、现场监测等手段就深部 层状岩体围岩支护问题展开了深入研究。主要研究内容和结论性成果 如下 1 研究了无层状岩体中圆形巷道围岩的应力分布，得到了巷道 围岩的塑性区半径和松弛区半径，并探讨了巷道深度、巷道半径、围 岩抗剪参数与围岩松动圈的关系；在此基础上，定性研究了层状岩体 对围岩松动圈的影响，发现层状岩体的强度及变形特征具有显著的倾 角效应，并且其数值大小依赖于岩石材料的各向异性程度。 2 运用R F P A 2 D - S R M 计算软件，分别研究了无层状岩体及层状 岩体中巷道围岩的松动破坏情况，验证了该软件的适用性，并探讨了 不同层理倾角、不同侧应力系数下层状岩体中巷道围岩损伤弱化及裂 纹萌生、扩张、贯通直至洞室破坏失稳过程，定性分析了层状岩体的 工程稳定问题。 3 通过引入围岩松动圈支护理论，依次探讨了巷道围岩的主要 支护对象、巷道支护围岩松动圈分类方法以及锚杆支护机理。以该理 论作为指导，详细调查了沙坝土矿深部巷道的破坏情况，测试研究了 红页岩的物理力学性质，现场测试了巷道表面与内部岩体的变形破坏 规律，设计了一种协调变形吸能锚杆，最终优化了目前矿山使用的支 护方式与施工工艺，并进行了现场工业试验，取得了良好的技术经济 效果。 关键词层状岩体，红页岩，松动圈支护理论，现场监测，支护设计 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T D u et ow i d ed i s t r i b u t i o no fl a y e r e dr o c km a s si nn a t u r e ，p l u st h e t e n d e n c yo f t h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nt oap e a l 【p e r i o di nr e c e n ty e a r s ， s t a b i l i t yp r o b l e m so ft h o s ee n g i n e e r i n g i n l a y e r e d r o c km a s sa r e b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t ．F o ru n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，t h e s t a b i l i t yc o n s i d e r a t i o n sa r ef o c u s e do nt h er e a s o n a b l es u p p o r tm e t h o do f t h es u r r o u n d i n gr o c km a s s ．A sac o m p l e xr o c km a s s ，t h es t r e n g t ha n d d e f o r m a t i o np r o p e r t i e so fl a y e r e dr o c km a s sa r eu s u a l l yt r a n s v e r s e l y i s o t r o p i co ro r t h o t r o p i c ，a n di t sf a i l u r em o d ea n dm e c h a n i s m a r ed i f f e r e n t f r o mo t h e rr o c km a s ss i g n i f i c a n t l y ．T h e r e f o r e ，i t sf a i l u r em e c h a n i s m s h o u l db es t u d i e ds u f f i c i e n t l yb e f o r ed e s i g n i n gt h es u p p o r t i n gm e t h o do f s t r a t i f i e ds u r r o u n d i n gr o c km a s s ．S u b s e q u e n t l y , t h es u p p o r tt h e o r yb a s e d o ne x c a v a t i o nd a m a g e dz o n ei si n t r o d u c e d ．S e v e r a lv a l u a b l ec o n c l u s i o n s a r eo b t a i n e db ym e a n so ft 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 na n d f i e l dm e a s u r e m e n t ．T h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i v er e s u l t sa r ea s f o l l o w s 1 T h e s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h e s u r r o u n d i n gr o c km a s s o ft h e c i r c u l a rr o a d w a ye x c a v a t e di nn o n l a y e r e dr o c km a s si Sa n a l y z e d ．a n di t s r a d i u s e so fp l a s t i cz o n ea n dr e l a x a t i o nz o n ea r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y , t h e nt h el a w so fr o a d w a yd e p t h ，r a d i u s ，s h e a rp a r a m e t e r so ft h e s u r r o u n d i n gr o c km a s sa n dt h er e l a x a t i o nz o n ea r ed i s c u s s e d ．O nt h i s b a s i s ，t h ee f f e c t so ft h eb e d d i n gp l a n eo fs t r a t i f i e ds u r r o u n d i n gr o c km a s s o nt h er e l a x a t i o nz o n ea r ea n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y ．I ti sf o u n dt h a tt h e s t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o np r o p e r t i e sa r ei n f l u e n c e db yd i po ft h eb e d d i n g p l a n er e m a r k a b l y , a n d t h e i rm a g n i t u d e sd e p e n do nt h e d e g r e eo f a n i s o t r o p yo fr o c km a s s ． 2 T h el o o s ea n df a i l u r ec o n d i t i o n si nt h es u r r o u n d i n gr o c km a s so f t h ec i c u l a r r o a d w a ya n d s e m i c i c u l a ra r c h r o a d w a y e x c a v a t e di n n o n - l a y e r e dr o c km a s sa n dl a y e r e dr o c km a s sa r es t u d i e db yam e c h a n i c a l c a l c u l a t i o ns o f t w a r e 卜- R F f ．A 2 D - S R M ．T h ea p p l i c a b i l i t yo ft h es o f t w a r e i Sv e r i f i e d ．I na d d i t i o n ，t h ew h o l ep r o c e s sf r o mc r a c k si n i t i a t i o n ， e x p a n s i o na n dt r a n s f i x i o nt or o a d w a yf a i l u r ei nl a y e r e dr o c km a s sw i t h d i f f e r e n td i p so ft h eb e d d i n gp l a n ea n dl a t e r a ls t r e s sr a t i o sa r ee x p l o r e d 1 1 中南大学硕士学位论文 a n df i n a l l yt h ee n g i n e e r i n gs t a b i l i t yo fl a y e r e dr o c km a s si sa n a l y z e d q u a l i t a t i v e l y ． 3 O nb a s i so ft h es u p p o r tt h e o r yb a s e do ne x c a v a t i o nd a m a g e dz o n e ， t h em a i ns u p p o r t i n go b j e c t so fs u r r o u n d i n gr o c km a s s ，c l a s s i f i c a t i o n m e t h o d so fe x c a v a t i o nd a m a g e dz o n ea n ds u p p o r t i n gm e c h a n i s mo fb o l t s a r ee x p l o r e d ．U n d e rt h eg u i d e n c eo ft h et h e o r y , t h ed e s t r u c t i o n so fd e e p r o a d w a y si nS h a b a t uM i n ea r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l ，t h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr e ds h a l ea r et e s t e d ，t h el a w so fd e f o r m a t i o na n d f a i l u r eo fr o a d w a ys u r f a c ea n di n t e r n a lr o c km a s sa r em e a s u r e di ns i t e ，a d e f o r m a t i o n c o o r d i n a t e da n de n e r g ya b s o r p t i o nb o l ti sd e s i g n e d ．A n d f i n a l l yan e ws u p p o r t i n gt y p ea n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya r ep r o p o s e d ． I ti Si n d i c a t e dt h a tt h en e wo n e sc a l lh a v eb e a e rt e c h n i c a la n de c o n o m i c e f f e c t st h r o u g ht h ei n s i t et e s t s ． K E YW O R D SL a y e r e dr o c km a s s ，r e ds h a l e ，s u p p o at h e o r yb a s e do n e x c a v a t i o nd a m a g e dz o n e ，f i e l dm e a s u r e m e n t ，s u p p o r t d e s i g n I i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S l R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题依据与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 层状岩体研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 围岩松动圈研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 研究内容、方法和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1l 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 1 ．3 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 1 ．3 ．3 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．12 第二章巷道围岩松动圈的理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 围岩松动圈概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 无层状岩体圆形巷道围岩松动圈大小⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．2 巷道围岩塑性区半径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．3 巷道围岩松弛区半径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 ．4 不同深度对围岩松动圈的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．2 ．5 不同巷道半径对围岩松动圈的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．2 ．6 不同围岩抗剪参数对围岩松动圈的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 2 ．3 层状岩体对围岩松动圈的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 第三章巷道围岩松动圈的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1R F P A 2 D 软件概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．1R F P A 2 D 软件基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．2R F P A 2 D 软件分析流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 强度折减版R F P A 2 D S R M 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 无层状岩体中巷道围岩松动圈的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．1 数值试验模型及力学参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 ．2 围岩松动圈的数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 3 ．4 层状岩体中巷道围岩松动圈的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．1 力学参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 I V 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．4 ．2 不同层理面倾角对围岩松动圈的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．4 ．3 不同侧应力系数对围岩松动圈的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 第四章基于围岩松动圈理论的巷道支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 巷道围岩的主要支护对象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 4 ．1 ．1 围岩变形分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．1 ．2 碎胀变形的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 ．3 碎胀变形的时间性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 ．4 碎胀变形的工程性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 巷道支护围岩松动圈分类方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．1 围岩松动圈的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．2 围岩松动圈与支护的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．3 基于围岩松动圈理论的支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．3 ．1 单体锚杆支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．3 ．2 群体锚杆支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 第五章松动圈支护理论在矿山支护中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．1 沙坝土矿概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．2 现有支护方式简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l 5 ．3 巷道破坏情况调查研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l 5 ．4 红页岩物理力学性质测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．4 ．1 矿物成分及微观结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．4 ．2 各向异性力学性质测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．4 ．3 水理力学性质测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．4 ．4 红页岩变形力学机制评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．5 新开挖红页岩巷道变形破坏规律的现场测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．5 ．1 巷道围岩表面位移监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．5 ．2 巷道围岩松动圈测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 5 ．6 矿山支护设计与施工工艺优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 5 ．6 ．1 锚杆大变形设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 5 ．6 ．2 新型支护方式设计与施工工艺优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 5 5 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 7 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 8 V 中南大学硕士学位论文目录 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 5 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 6 V l 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 选题依据与研究意义 第一章绪论 近些年来，随着西部大开发战略的逐步实施，许多大型工程建设迅速发展， 包括水利水电工程、铁路工程、高速公路工程等，期间遇到了大量的岩土工程问 题，比如层状岩体中洞室的稳定问题等【l ‘3 1 。据统计，自然界中作为地表岩石构 成之一的沉积岩占到了陆地面积的三分之二，而我国达到了7 7 ．3 ％左右，尤其在 云贵地区，层状软岩的分布相当广泛。此外，有些喷出岩、副变质岩也呈现出层 状构造特征。因此，层状岩体的工程稳定问题不容小视。 层状岩体是一种典型的复杂岩体，往往具有一组或多组优势结构面，优势结 构面大多属于物质分异面，平行优势结构面方向的岩体组成基本相同，力学性质 也基本相同；而垂直优势结构面方向的岩体组成则呈现频繁的软硬交替，力学性 质差异较大。对于层状岩体而言，其强度及变形性质通常呈现出横观各向同性或 正交各向异性等特征，并且其破坏方式及机理也明显异于其他岩体【4 】。 在矿山工程建设中也经常会遇到在层状岩体中开挖洞室的情况，其围岩稳定 问题一直是岩石力学工作者致力解决的。众所周知，在地下开挖洞室必然会扰动 周围岩石介质，导致岩石内应力转移、集中，并降低岩石的强度，使空间周围岩 石发生变形甚至破坏，一般围绕开挖空间会形成环状的破裂区，称之为巷道围岩 松动圈。董方庭等人于上个世纪8 0 年代初由松动圈发展了一套支护理论【5 】，该 理论以现场测试的围岩松动圈厚度作为支护方式选择的参考因素，具有操作简 便、经济可靠等优点，在矿山工程应用中取得了良好的效果。但是对于地下层状 围岩支护的理论目前研究较少，仅限于组合梁等理论[ 6 1 ，该理论已经不能完全满 足层状岩体的工程稳定要求，要想正确选择层状围岩的支护方式，必须首先着手 于探究层状岩体的破坏机制，而这正是本文的出发点和落脚点。 基于此，本文依托贵州开磷 集团 有限责任公司与中南大学资源与安全工程 学院签订的“沙坝土矿高应力软岩巷道支护技术研究“ 项目，．开展了地下深部层 状围岩支护的研究。该项目旨在解决开磷集团沙坝土矿深部开拓及采准巷道支护 困难等问题，由于赋存在矿体下盘的红页岩具有典型的层状构造特征，并且开拓 及采准工程埋深逐渐加大，加上现场施工管理失当等诸多因素，导致了目前巷道 支护难度越来越大，支护成本也随之增高。为此，对红页岩的工程力学属性开展 了一系列的研究，以获得此种层状岩体的变形破坏规律，同时将松动圈理论引入 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 到地下层状围岩的支护设计中，最终提出了一种适用于层状岩体中洞室的合理支 护方式。本研究成果不仅为开磷集团下属矿山的生产实践提供了理论指导，而且 还可以为其他同类矿山提供参考依据，具有重大的理论意义、现实意义和广阔的 应用前景。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 层状岩体研究现状 对于层状岩体的研究，多年来，各国学者做了很多工作。基于M o h r - C o u l o m b 强度准则，J ．C ．J a e g e r [ 7 1 亍 19 6 0 年发展了单弱面理论。E ．H o e k 和E ．T ．B r o w n 瞵J 在分析了大量的现场岩体试验统计成果后于1 9 8 0 年首次提出了岩体极限主应力 与岩块之间的经验性公式，即岩体经验强度准则，也称H o e k B r o w n 强度准则。 在这之后H o e k 通过修改H o e k - B r o w n 中的经验参数，得到了含一组结构面的层 状岩体的强度特性。1 9 8 1 年，J ．W ．B r a y 等【9 】在H o e k - B r o w n 强度包络线的基础上， 提出了岩体内在破坏面上抗剪强度的计算公式。此后，D ．P ．A d h i k a r y 等【1 0 】发展了 C o s s e r a t 介质理论，N ．VZ v o l i n s k i i 和K ．N ．S h k h i n e k [ 1 ，H ．B ．M f i h l h a u s [ 12 ’1 3 】等都 在相关领域做了大量的研究工作。 我国对于层状岩体的研究虽然起步比国外晚，但研究成果颇丰。1 9 8 9 年， 鲜学福和谭学术【4 】发展了J ．C ．J a e g e r 的单弱面理论，将其分为层间粘聚力为零与 不为零两种情况，以M o h r - C o u l o m b 准则对其进行了系统的研究。在这之后，由 于国家各种工程建设的需要，涌现了一大批学者投入到层状岩体的理论及数值计 算研究中，进一步推动了工程层状岩体的发展。 如前所述，在研究层状岩体的力学特性时，常将其简化为横观各向同性介质， 以下就从各方面简介一下国内外学者对于层状岩体各向异性特征的研究成果 1 变形各向异性特征的试验研究 变形各向异性特征的试验研究内容主要是测试不同层理倾角的泊松比及变 形模量以及两者随倾角及围压的变化规律。国内外许多学者围绕片岩、砂岩、页 岩、泥质板岩等做了各种试验，如P i n t o [ 1 4 】和R e a d 掣1 5 】对片岩进行了单轴压缩 试验，B e h r e s t a g h i 等【1 6 1 、N a s s e r i a 等【1 7 】对四种片岩进行了单轴和假三轴压缩试验， 详细研究了变形各向异性随层理倾角与围压的变化。A m a d e i t l 8 】对两种砂岩进行 了单轴压缩试验，并总结了各向异性弹性参数的室内和现场试验方法及其变化规 律，A I ．H a r t h i [ 1 9 1 研究了砂岩在动态以及静态两种试验下的各向异性特征。L i a o 等[ 2 0 2 1 l 对泥质板岩分别进行了直接拉伸试验和采用超声波测试法研究其变形参 数。T a l e s n i c k 等瞄】通过试验比较验证了层状岩体在单轴压缩、径向劈裂和圆环 试验等三种测试下，其各向异性变形参数的有效性。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 我国学者席道瑛，陈林等[ z 3 1 综合超声波测试方法与静态单轴压缩试验研究 了砂岩变形参数的变化规律，其试验结果与采用L e k h n i t s k i i 横观各向同性理论导 出的公式有很好的一致性。陈胜宏，王鸿儒等1 2 4 ] 利用M o r l a n d 应变迭加原理将岩 体应变分为岩石应变与节理应变，由几何关系导出了其综合应变。徐光黎【2 5 】探 讨了岩体强度和变形模量的经验估算方法。周火明，盛谦等1 2 6 】通过模型模拟了 层状复合岩体等效变形模量的尺寸效应。 综合上述研究成果可知，层状岩体弹性模量的最小值一般出现在层理倾角 4 0 0 “ - - 6 0 0 的情况，如图1 ．1 中B 线所示，而A 线只是其中的一种特殊情况。据席 道瑛等四J 的试验结果，层状岩体的泊松比一般随层理倾角的增大而增大，如图 1 ．2 所示。 E j G P a 图I - 1 砂岩弹性模量与层面倾角的关系 据A m a d e i 昙墨‘善萼口 图l - 2 砂岩泊松比与层面倾角的关系 据席道瑛等 2 强度各向异性特征的试验研究 对于强度各向异性特征的试验研究，可以追溯到J ．C ．J e a g e r t 7 l ，E ．H o e k 和 E ．T ．B r o w n [ 2 7 】等人，他们通过研究含单一节理、单组节理、两组正交节理的岩石 材料，提出了肩型、U 型和W 型的各向异性强度特征曲线，如图1 ．3 所示。 在这之后，国内外许多学者针对各种不同的岩石材料的各向异性强度特征进 行了大量的室内试验研究。D e k l o t z 等【2 8 1 、B r o s c h 等【2 9 1 、S i n g h 等1 3 0 ] 对片岩、片 麻岩进行了研究；D o n a t h 等【3 、A t t e w e l l 等【3 2 1 、N i a n d o u 等【3 3 1 研究了页岩和板岩； R a o 等【3 4 】、A 1 一H a r t h i l l 9 】等研究了砂岩和大理岩。另外，A l l i r o t 等1 3 5 】对硅藻岩、T i e n 等【3 6 1 对人工合成岩、M a t s u k u r a 等【3 7 】对多孔流纹岩、分别进行了强度各向异性特 征方面的试验研究。 我国学者周大干跚对砂岩和油页岩进行了相关的试验研究赵平劳[ 3 9 , 4 0 ] 研究 了层状岩体的抗剪及抗压强度的各向异性特征；张玉军、刘谊平等【4 l 】提出了一 种描述层状岩体抗剪参数C 、妒值随层理倾角变化的经验表达式；朱泽奇、曾亚 武【4 2 】分析了层理倾角对层状岩体的破坏模式及相应的单轴抗压强度的影响；田 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 象燕等[ 4 3 1 对饱和大理岩和砂岩的应变率效应和各向异性特征进行了研究。此外， 朱浮生、王永嘉[ 4 4 1 ，耿大新、杨林德【4 5 1 ，徐能熊、何满潮【4 6 】等也都作过相关的 研究。 0 “ 1 O 单一节理 功 一组节理 Ⅲ 两组节 制 睽 巡 辖 层理倾角卢 。 图1 - 3 含单一节理、一组节理和两组正交节理的各向异性强度特征曲线 综合上述研究成果可知，层状岩体的强度具有显著的倾角效应，并且抗压强 度的最大值一般出现在平行或垂直层理面的方向，且大部分各向异性岩石材料抗 压强度的最小值出现在3 0 0 附近。层状岩体各向异性强度特征曲线随节理类型而 定，分别有肩型、U 型和W 型等，并且其数值大小依赖于岩石材料各向异性程 度。各向异性岩石材料的破坏模式也随层理倾角变化，但主要表现为如下三种形 式一是沿弱面的滑移破坏，二是斜交层理面的剪切破坏，三是沿弱面的劈裂破 坏。 3 层状岩体模型和模拟研究 层状岩体由于岩体材料的各向异性、不连续性、不均匀性等特点，使得在岩 土工程中难以采用解析法来分析其应力和变形。即使采用也必须进行大量的简 化，其结果难以指导工程实践。随着现代计算力学数值分析方法的迅速发展，在 岩土工程中已经得到了越来越广泛的应用。与现场试验和大型物理模型相比，数 值计算方法具有简便、快捷、成本低、可以较真实地模拟岩体材料的构造特征以 及施工过程等优点，因而在层状岩体分析中的作用越来越凸显。 王启耀，蒋臻蔚等H 7 J 考虑偶应力的C o s s c r a t 介质理论，基于M a t l a b 平台编 制了相应的计算程序，对水平层状岩体巷道的变形特征及影响因素进行了模拟研 究。朱泽奇，盛谦等【4 8 】利用改进的遍布节理模型，应用于某水电站巨型地下硐 室群的层状岩体围岩变形及破裂特征分析，得到的结论与现场情况相近。黄书岭， 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 徐劲松等【4 9 l 提出了层状岩体复合材料硬化一软化模型，描述层状岩体在强度和变 形方面的各向异性以及渐进破裂 或滑移 特征，用V C 语言编程嵌入到 F L A C 3 D 软件，实现了非线性数值计算功能。林杭，曹平等【5 0 1 运用F L A C 3 D 软件 模拟了层状岩质边坡的破坏模式，并采用强度折减法分析结构面倾角与稳定性之 间的关系。 总的来说，随着对层状岩体结构的不断深入研究，一些新理论，比如并行计 算算法、大系统理论、混沌理论、耗散理论、小波分析、分形几何等在工程中都 得到了大量的应用。在工程实践之后，将会相继提出对应的层状岩体的强度屈服 准则，更加深入地研究层状岩体的力学特性。且在未来的研究中，数值计算方法 会主导一些新模型的开发，进一步促进软件的更新换代，同时各种数值方法的耦 合也会逐渐出现，以弥补相互间的不足。 1 ．2 ．2 围岩松动圈研究现状 目前对围岩松动圈的研究，归纳起来主要有以下三种方法松动圈实测研究、 理论分析研究、数值模拟计算研究。它们从各个角度证实了围岩松动圈的存在， 全面科学地揭示了围岩松动圈的形成机理。现简要介绍一下上述各个研究成果 一 实测法研究现状 围岩松动圈的形成具有很多不确定因素，属于灰色系统，单纯从力学角度来 研究其特性存在很多困难，而实测法则是从现场直接测量松动圈的范围，客观地 反映围岩松动圈的真实状态，具有简单、实用性。松动圈实测的方法很多【5 1 ‘5 4 】， 大致可以分为以下两大类一类是直接观察比较法，另一类是物理方法。 1 常用的直接观察比较法包括观钻孔电视法、钻孔取芯法、多点位移计法 等。 观钻孔电视法它的基本原理是将与地面电视相连通的特制的孔内摄像机伸 入钻孔，观察记录孔壁岩石状态来判别松动范围。该方法的关键之处在于信号转 化技术，即它将探头所在的钻孔深度值转化为数字量并进行编码，并与摄像机拍 摄的视频信号一齐载入动态字符叠加器中，待上述两种数字信号叠加后，通过视 频信号的形式传输至录机中进行同步记录或反馈在显示器中，进行实时监视。该 方法适用范围很广泛，不受钻孔方向的限制；并且探测结果清晰、直观，具有空 间立体感；此外，该设备方便携带、操作简便，适合在井下等复杂的环境下使用。 钻孔取芯法该方法类似于地质探矿时采用的地质取芯方法，其基本原理就 是钻取一定的岩芯并将其由近及远按顺序排列，经比较确定松动范围。该方法简 单