（岩土工程专业论文）高地应力深部巷道分区破裂现象地质力学模型试验研究.pdfVIP

山东大学硕士学位论文 摘要 随着经济建设的不断发展，深部洞室岩体工程越来越多，埋藏深度越来越大， 大量工程现场监测发现深部巷道围岩中出现了破裂区和完整区间隔排列的分区 破裂化现象。为了从模型试验上模拟这种现象，本文以国家自然科学基金项目为 依托，以淮南矿区丁集煤矿为背景工程进行了深部巷道分区破裂相似材料三维地 质力学模型试验，结合对现场监测结果和模型试验的对比分析，初步揭示了深部 巷道围岩分区破裂的形成特征和破坏机制，研究结果对深部巷道分区破裂的控制 设计和施工具有十分重要的意义。本文的研究工作和相关研究成果如下： ( 1 ) 以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景，根据原岩物理力学参数， 进行了大量的相似材料力学参数测试试验，得到了满足相似要求的模型相似材料 和材料配比。 ( 2 ) 参与设计研制了高地应力真三维加载地质力学模型试验系统，该系统 能自动进行试验模型前后、左右、上下方向的独立、同步真三维加载，有效保证 了模型巷道在轴向加载状态下进行开挖，解决了地下洞室试验模型轴向加载开挖 的难题。 ( 3 ) 采用铁晶砂胶结新型岩土相似材料和自行研制的高地应力真三维加载 模型试验系统，通过三维地质力学模型试验在国内首次再现出了深部巷道围岩的 分区破裂化现象。 ( 4 ) 通过多种测试仪器和测试技术获得深部巷道围岩内部的应变和位移呈 现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律，模型试验得到的洞周围岩分区破裂层 数和破裂区分布范围与现场实测结果基本一致，表明地质力学模型试验能够有效 模拟深部巷道在高地应力作用下的非线性变形特征和破坏规律。 ( 5 ) 根据模型试验现象和试验结果，分析了轴向应力，洞径、洞型、采动 及时间因素对分区破裂的影响，初步揭示了深部巷道围岩分区破裂的形成特征和 破坏机制，为高地应力深部巷道围岩的非线性变形理论研究奠定了坚实的试验基 础。 关键词：高地应力；深部巷道；分区破裂：相似材料；地质力学模型试验 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h e r ea r em o r ea n dm o r ed e e p u n d e r g r o u n dr o c km a s se n g i n e e r i n g ，t h eb u r i e dd e p t hi sm o r ea n dm o r ed e e p ，a n a l t e r n a t i o no ff r a c t u r i n g a r e aa n di n t a c ta r e a p h e n o m e n o n s o - c a l l e dz o n a l d i s i n t e g r a t i o nw a sm o n i t o r e di nal o to fe n g i n e e r i n gs i t e i no r d e rt os i m u l a t et h e p h e n o m e n o nb ye x p e r i m e n t ，t h ea r t i c l ew a ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a , g e o - m e c h a n i c a lm o d e lt e s tr e s e a r c hw a sd o n eb a s e do nt h ed e e p m i n er o a d w a yo fd i n g i ic o a lm i n ei nh u a i n a nm i n i n ga r e a , c o m b i n i n gt h ei n - s i t u m o n i t o r i n gr e s u l ta n dm o d e lt e s tr e s u l t , t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a n g i n gl a w so f z o n a ld i s i n t e g r a t i o na r es u m m a r i z e d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ei m p o r t a n tf o rt h ec o n t r o l d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fz o n a ld i s i n t e g r a t i o ni ns u r r o u n d i n gr o c km a s s o fd e e pm i n e r o a d w a y s t h er e s e a r c hw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fo r i g i n a lr o c ki nt h ed e e pm i n e r o a d w a yo fd i n g j ic o a lm i n ei nh u a i n a nm i n i n ga r e a , p l e n t yo ft e s te x p e r i m e n t so f s i m i l a rm a t e r i a lw e r ed o n e ，t h eo p t i m a lp r o p o r t i o no fs i m i l a rm a t e r i a lf o rt h em o d e l t e s tw a sd e t e r m i n e d ( 2 ) a3dg e o m e c h a n i c sm o d e lt e s tl o a d i n gs y s t e mo fh i g hg r o u n ds t r e s sw a s d e v e l o p e d ，t h el o a d i n gs y s t e mc a nl o a da l o n gp r ea n dp o s t ，l e f ta n dr i e # t ，u p p e ra n d l o w e r , t h el o a d i n gs y s t e me f f e c t i v e l yg u a r a n t e et h ee x c a v a t i o nu n d e rt h ea x i a l l o a d i n g d i r e c t i o nc o n d i t i o n ，t h ed i f f i c u l t yo fe x c a v a t i o n o fa x i a l - l o a d i n gd i r e c t i o nw a ss o l v e d ( 3 ) an e wg e o t e c h n i c a ls i m i l a rm a t e r i a la n d3 dg e o m e c h a n i c sm o d e lt e s t l o a d i n gs y s t e mo fh i g hg r o u n ds t r e s sw e r ef i r s t l ya p p l i e di nd o m e s t i c ，t h ez o n a l d i s i n t e g r a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c km a s si nd e e pt u n n e lw a sr e a p p e a r e db yt h e3 d g e o m e c h a n i c sm o d e lt e s t ( 4 ) t h ec h a n g i n gl a w so fs t r a i na n dd i s p l a c e m e n t so ft h es u r r o u n d i n gr o c k sw e r e g o tb ym e a n so fv a r i o u sa d v a n c e da n de x a c tm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h el a y e rn u m b e r a n dd i s t r i b u t i o nr a n g eo ft h ez o n a ld i s i n t e g r a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c km a s si nt h e m o d e lt e s ta l eb a s i c a l l yi na c c o r d a n c ew i t ht h ei n - s i t um o n i t o r i n gr e s u l t i ti n d i c a t e s 山东大学硕士学位论文 t h a tt h eg e o m e c h a n i c sm o d e lt e s tc a ne f f e c t i v e l yr e v e a l st h en o n l i n e a rd e f o r m a t i o n f e a t u r e sa n dt h ef a i l u r el a wi nd e e pt u n n e lo fh i g hg r o u n ds t r e s s ( 5 ) b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h em o d e l t e s t ，t h ee f f e c t so fa x i a ls t r e s s ，c a v i t yf o r ma n dt u n n e ld i a m e t e ro ft h ec a v e m ，m i n i n g a c t i v ep r o c e s sa n dt i m ef a c t o r so nz o n a ld i s i n t e g r a t i o nw a sa n a l y z e d ，t h ef o r m i n g f e a t u r e sa n df a i l u r el a w s o ft h ez o n a ld i s i n t e g r a t i o no fd e e pt u n n e lh a v eb e e n p r e m i l i n a r yr e v e a l e d ，w h i c hl a y sas o l i dt e s tf o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gn o n - l i n e a r d e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s mo fd e e pt u n n e l k e yw o r d s ：h i 曲g r o u n ds t r e s s ，d e e pt u n n e l ，z o n a ld i s i n t e g r a t i o n ，s i m i l a rm a t e r i a l ， g e o m e c h a n i c sm o d e lt e s t 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：箍迅 e t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：叠主玉蓬导师签名：域日期：趁兰丛兰r 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 随着对能源需求量的增加和开采深度的不断加深，浅部资源日益减少，国内 外矿山都相继进入深部资源的开采状态。据不完全统计，国内外开采超千米深的 金属矿山有8 0 多座，其中大部分在南非和俄罗斯。煤炭占我国能源结构的7 0 以上，而9 0 的煤炭产量来自井工开采。目前已探明的储量中，约5 3 的矿山 埋深超过1 0 0 0 m ，根据目前资源开采状况，中国煤矿开采深度以每年8 - - 1 2 m 的 速度增加，东部矿井正以每年1 0 , , 2 5 m 的速度发展。目前我国的新汶、开滦、 淮南、兖州、淄博等多数或部分矿井的开采深度均已超过8 0 0 m ，部分矿井开采 深度达到1 0 0 0 - - 1 3 0 0 m 。可以预计在未来的2 0 年我国很多煤矿将进入到1 0 0 0 - - - 1 5 0 0 m 深度。在今后的1 0 - - 2 0 年内，我国的金属和有色金属矿山将进入1 0 0 0 - - - 2 0 0 0 m 深度开采，可以看出深部开采是未来矿山资源开采发展的趋势。 随着开挖深度的增加，人们认识到岩石所处的赋存环境有很大的改变，深部 岩体处于“三高”即高地应力、高地温、高孔隙水压力的环境下。深部岩体工程地 质条件恶化、破碎岩体增多、地应力增大、水头压力和涌水量加大、地温升高， 导致了深部洞室围岩稳定性控制与支护的难度加大。深部洞室围岩应力作用极其 复杂，常常是自重应力、构造应力和采动应力等多种应力因素的综合作用，而且 水平方向应力高。在这种环境下，深部岩体的组织结构，基本行为特性和工程响 应均发生根本变化。尤其是高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为。这 些现象对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁，特别是深部巷道的变形破坏 现象与浅部相比有很大的不同，采用传统的连续介质力学理论无法科学的解释， 引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的 热点。其中深部巷道围岩的分区破裂化现象【1 4 堰口是其中之一。 按照传统的连续介质弹塑性力学理论，浅部巷道开挖后围岩从内到外依次分 别为破裂区、塑性区和弹性区。而在深部巷道围岩中则出现了图1 1 所示的破裂 区和完整区交替间隔排列的现象，即为分区破裂化现象。钱七虎院士1 5 】将分区破 裂化现象定义为“在深部岩体中开挖洞室或者巷道时，在其两侧和工作面前的围 岩中，会产生交替的破裂区和不破裂区，这种现象为分区破裂化”。 山东大学硕士学位论文 图1 - 1 深部巷道围岩分区破裂化现象 虽然国内外对深部洞室围岩分区破裂化现象的研究从现场监测、模型试验和 数值计算等方面已经取得了一些初步的研究成果，但研究还处在初级阶段，对分 区破裂化现象产生的条件及变化规律认识还不清楚。在模型试验方面，潘一山通 过模型试验仅发现有沿加载方向开裂的裂纹，未能得到分区破裂现象。顾金才院 士虽然通过模型试验得到了分区破裂现象，但该模型试验不是以实际工程为背景 进行的相似材料模型试验，试验中未考虑材料的相似性和洞室的实际开挖过程， 未能模拟出深部洞室的高地应力三维加载过程。 本文以国家自然科学基金项目“高地应力深部巷道围岩的非线性变形破坏机 理与锚固特性研究”为依托，以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景，通过进 行相似材料高地应力作用的深部巷道开挖三维地质力学模型试验来模拟深部巷 道在高地应力条件下的破坏方式和破坏特征。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 现场观测的研究现状 深部岩体分区碎裂化现象于2 0 世纪7 0 年代在南非2 0 7 3 m 深的金矿中首次 被发现。图1 2 是g d a d a m s 和a j j a g e r 6 j 在南非w i t w a t e r s r a n d 金矿2 0 0 0 - 3 0 0 0 m 深处采场采用钻孔潜望镜监测到顶板间隔破裂情形。 2 山东大学硕士学位论文 01 一发现有裂隙的钻孔 23m 罨目预测裂隙带的展布 图l - 2 南非w i t w a t e r s r a n d 金矿巷道顶板分区破裂化现象 俄罗斯科学院( 原苏联科学院) 西伯利亚分院对分区破裂化现象于2 0 世纪 8 0 - - 9 0 年代进行了深部矿井现场实验研究、实验室模拟实验研究、理论分析以 及现象的应用研究。图1 3 绘制的是e i s h e m y a k i n 等【7 - 1 0 1 俄罗斯的塔尔赫斯科十 月矿区t a i m y r s k i i 矿山一1 0 5 0 m 巷道围岩的岩石分区破裂化的纵剖面图。 o 言2 0 0 譬。4 0 0 8 0 0 2 0 0 9 0 0 菖 6 0 0c 3 0 0 奄 o 图1 - 3t a i m y r s k i i 矿山巷道围岩的分区破裂化现象 方祖烈在我国的金川镍矿区某深部巷道采用多点位移计监测围岩变形，得 到如图1 4 所示的的围岩分区破裂现象。 1 296 30 h m 瞪歪盈磕裂区 03691 2 h i 完蔓区 图l _ 4 金川镍矿区深部巷道分区破裂现象 3 山东大学硕士学位论文 刘耐1 2 1 在我国金川镍矿区某深部巷道测得垂直于巷道侧墙的钻孔沿径向方 向的围岩应力实测结果。该结果与浅部隧道围岩应力分布规律有很大不同。 d e m a l a m 和s m s p o t t i s w o o d e l l 3 】利用已有的相关监测资料，分析了采矿矿 场顶板岩层间隔破裂随时间和采矿活动的发展和形成，同时探讨了矿震与矿场顶 板围岩分区破坏的关联性。 e j s e l l e r s 和e k l e r c k 1 4 1 通过试验研究了深埋隧洞围岩不连续面对间隔破裂 的影响作用，发现在满足一定要求的情况下，不连续面可能成为隧洞围岩间隔破 裂的起源之一。 山东大学的李术才和王汉鹏【1 5 】在淮南矿区丁集煤矿采用矿井钻孔电视成像 仪对巷道断面围岩不同钻孔内的破裂情况进行了监测，监测到了围岩内的分区破 裂化现象。图1 5 为现场监测到的分区破裂现象。 口 圈 图1 5 淮南矿区丁集煤矿巷道分区破裂现象 1 2 2 分区破裂化机制的研究现状 e m 1 l l e m 且k n n 掣j 从理论方面研究了分区破裂化现象产生的机制，如图1 - 6 所示。e 1 4 i i i e m ，i k h h 分析了深部巷道围岩在卸荷条件下裂缝的产生，与实验室 试件在小侧向压力条件下竖向加载时穿透裂缝的产生具有相似性。该相似性表明 第一个裂缝区形成的机制是在应力集中导致的最大支撑压力处，由于巷道自由面 的影响，产生径向的拉伸变形并达到围岩的极限应变，导致第一个破坏区中的裂 缝张开，以及围岩向着巷道自由面位移的发展导致了“伪掌子面”，即“伪自由表 面”的形成，从而引起围岩再次发生应力重分布。应力重分布将导致第二个“伪自 由表面”的形成，从而进一步引起围岩内应力的重分布。上述过程不断发展，一 直延续到围岩重分布的应力达不到围岩的破坏条件为止。 4 山东大学硕士学位论文 z r ( b ) 图l 石分区破裂化现象产生的机制 k y p r i e h a 1 7 】教授研究了分区破裂化效应的时间因素。他指出：分区破裂化现 象的机制是由时间过程所确定的，该过程是由巷道围岩卸荷产生，并由初应力水 平所决定；分区破裂化效应既可以由机械化开挖、即由慢速卸荷模型产生，也可 以由钻爆法开挖、即由快速卸荷产生，但是慢速卸荷下产生的分区破裂化效应较 之快速卸荷下需要更高的应力水平。 钱七虎院士【1 ，5 ，蚓将岩石分区破裂化现象引入国内并对其进行了初步的研 究。他认为分区破裂化现象发生的机理主要是由于较高的初始地应力和巷道开挖 形成卸荷面，破裂区的数量也取决于初始地应力水平的高低。同时钱院士也对深 部岩体结构以及变形的特点进行了分析，提出了深部岩体问题的研究方法。 王明洋1 9 。2 2 1 等研究了深部巷道围岩地质力学能的“量子化效应，指出深埋隧 洞围岩间隔破裂的出现，对于隧洞的支护形式、掘进方法、支护范围都需要重新 5 东大学坝：学位论文 考虑。 刷小下和钱七虎【2 ”把深部巷道的丌挖看作动力问题，运动方程采用位移势 曲数，运用弹性力学和断裂力学，确定了破裂区岩体的残余强度和产生破裂区的 时问，进而确定丁破裂区和非破裂区的宽度和数量。 贺永年等1 2 4 1 根据隧道嗣崭分区破裂研究资料，确认分区破裂是深音【5 高地戍 力隧洞围岩的种广泛的规律性行为，是种新的工程地质力学现象，揭示了渫 部隧洞围岩的另一种平衡过程及其新的平衡稳定形式。 mb k y p e h 和bho n a p ) i h l 2 5 1 存对大量试验资料数据库的分析和理呛研究 的基础上，给出了备破裂区的半径和厚度表达公式，但是该公式仪适用丁特定矿 区，对于我国深部巷道还需要深入研究。 唐春安和张永彬利用自行研发的r f p a 三维数值汁算软件，在大连大学材 耕破坏力学数值试验研究中心的联想】8 0 0 高性能计算机上，通过近1 0 0 0 万自由 度的数值模拟得到矩形带网孔试样在平行网孔轴向加载，边界约束条什下的环状 间隔破裂形成过程，如图1 7 所示。 图】7 环状阃隔破裂形成过程 山东大学硕士学位论文 1 2 3 地质力学模型试验的研究现状 地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研 究的一种方法，近年来，国内外专家学者针对高地应力条件下深部巷道围岩分区 破裂化现象进行了模型试验研究，其中具有代表性的试验如下。 e 1 4 l l i e m a l c m h 2 7 1 等为了校核深部巷道现场实验发现的分区破裂化效应，研究 其产生的条件和规律，在实验室进行了等效材料模型试验，包括平面应变和三维 立体模型实验，巷道形状分别为圆形和拱形断面，分别考虑了支护和不支护( 锚 固和喷混凝土) 的作用。平面应变模型从3 个面上进行加载，三维立体模型从5 个面上进行加载。围岩由连续介质和裂缝介质组成，巷道通过钻孔建立，模型的 相似比分别为l ：5 0 和l ：1 0 0 。巷道和模型的尺寸比是o 1 2 0 1 7 。加载的强度 ( 初始地应力) 为考虑构造而削弱后的岩体单轴抗压强度的1 1 1 9 倍。巷道在 预加应力的模型材料中开挖，得到分区破裂化现象。 n r 珊h x 删【2 8 】等通过对平面和三维模型研究结果分析得出如下结论：w 节理岩体巷道周围介质的破坏，第二应力分量0 2 将产生重要的影响；无论岩体 巷道断面和模型特点如何改变，围岩巷道的分区破裂化效应( 即破坏和非破坏交 替的现象) 是确定的；传统的围绕巷道的3 个区( 围岩破坏区、塑性区和弹性区) 的围岩变形和破坏概念是相应于埋深较浅的岩体工程的荷载条件。 潘- - l h t 2 9 , 7 2 , 7 3 】等以石膏为材料制作3 0 c m x 3 0 c m x l o c m 的模型，模型中心预留 直径为6 c m 的穿透钻孔，该试验以平面应力方式加载，通过模型试验发现岩石 环形裂纹的出现与围压、加载方式和岩石力学特性有关，分别从巴西劈裂和蠕变 的角度研究了分区破裂化现象。但该试验仅发现有沿加载方向开裂的裂纹，未能 得到分区破裂现象。 顾金才【3 0 】等以水泥砂浆为材料，进行了预留洞室的圆柱体压缩模型试验， 发现在平行洞室轴向的高应力作用下，洞室围岩出现多条裂缝，裂缝之间存在未 破坏区域，用模型试验方式证明了分区破裂的存在。模型试验结果表明，在深部 条件下，沿巷道轴向压应力较大是引起巷道围岩间隔破裂的重要原因。但该试验 不是以实际工程为背景进行的相似材料模型试验，试验中未考虑材料的相似性， 也没考虑洞室的实际开挖过程，加载采用平面应变加载，未能模拟出深部洞室的 高地应力三维加载过程。同时该试验主要以破裂现象观察为主，未在试验模型内 7 山东大学硕士学位论文 布设任何测量仪器观测分析洞室围岩的变形变化规律。图1 8 为圆筒压缩试验模 型示意图。 q ji i 1 钢壁圆筒 ，t ，t t t ，tt 。 ； ； 4 i = ； e e 多 8 ； ：- 。： - 一4 。 n ； i i ； j “ 多 走 ； - 二 ， - 图1 - 8 圆筒压缩试验模型示意图 廖美春【3 l 】等就深部岩体分区破裂模拟试验模型几何尺寸的确定提出了一系 列几何尺寸公式，并通过模型试验来论证这些尺寸公式的合理性，试验模型外裹 特制的气囊，然后在外面套上气囊反力装置，充气的气囊即可对模型施加均布荷 载p 来模拟深部岩体所处的初始地应力状态，在模型的一端开孔来模拟在深部岩 体中的开挖。图1 - 9 为试验模型的示意图。 图1 - 9 圆筒压缩试验模型示意图 煤矿巷道构筑过程是一个极为复杂的过程，由于围岩的千差万别，存在各种 非线性特征，围岩的应力与位移发展规律至今还未能很好地掌握。理论分析和数 值计算研究结果也还只能定性地采用。巷道模型试验是研究煤矿巷道的一个重要 手段。模型试验在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，真 8 山东大学硕士学位论文 实、全面、直观、准确地反映巷道掘进过程中围岩支护体系各方面的变化和影响， 特别是能较好的反映和模拟一些破坏机理和现象。一方面可以与数学模型相互验 证，另一方面也为发现一些新的力学现象和规律，为建立新的计算分析方法和数 学模型提供重要的依据。近年来，岩体力学模型试验在模型材料、测试技术、试 验研究等方面得到广泛的发展，使其由定性分析转向定量分析，并与有限元计算 配合进行工程结构和岩体稳定性分析研究，成为在复杂岩体条件下研究工程稳定 和应力应变机制的重要手段【3 2 1 。 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本文以国家自然科学基金项目“高地应力深部巷道围岩的非线性变形破坏机 理与锚固特性研究”为背景，通过进行相似材料三维地质力学模型试验来模拟高 地应力条件下深部巷道开挖后的破坏方式和破坏特征。本文的研究内容可分为以 下三个方面： ( 1 ) 以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景，根据原岩物理力学参数， 进行了大量的相似材料力学参数测试试验，得到了满足相似要求的模型相似材料 和材料配比。 ( 2 ) 参与设计研制了高地应力真三维加载地质力学模型试验系统，该系统 能自动进行试验模型前后、左右、上下方向的独立、同步真三维加载，有效保证 了模型巷道在轴向加载状态下进行开挖，解决了地下洞室试验模型轴向加载开挖 的难题。 ( 3 ) 采用分层填筑夯实的方法实现三维地质力学试验模型的制作和模型各 测量元件的埋设；采用内窥可视化实时监控系统，严格控制了巷道的开挖偏差度： 通过多种测试仪器和测试技术获得深部巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和 波谷间隔分布的波浪形变化规律，模型试验得到的洞周围岩分区破裂的层数和破 裂区的分布范围与现场监测结果基本一致。 1 3 2 技术路线 根据淮南矿区丁集煤矿的原岩条件，得到满足相似要求的模型相似材料和材 料配比，使其弹性模量、抗压和抗拉强度等力学参数满足试验要求，然后进行相 似材料高地应力作用的深部巷道开挖三维地质力学模型试验。试验完成后，把试 9 山东大学硕士学位论文 验模型按不同进深分层剖开以便观察模型内部的情况，通过对比分析淮南矿区丁 集煤矿的现场观测结果与模型试验结果，深入了解高地应力条件下深部巷道围岩 的破坏方式和破坏特征，并对分区破裂化现象产生的机制进行初步的分析。图 1 1 0 为本文的技术路线框图。 查阅文献资 前 r 期 准 备 试验参数的选择 i i 。 -。 1r1r 1r 1 r l 模型尺寸的确定相似材料的研制试验设备的开发 测量元件的购置i 1p 试验模型的安装和制作 试 验 过 1r程 试验模型的开挖与测试 一 1r 模型试验结果分析 1r 现场监测结果与试验结果对比分析 后 期 | 一 ：。2 4 8 i 一 一垦嫂 1 注：图中尺寸单位为m m 短t 斤顶尾端加载板 图4 - 2 千斤顶和加载板连接示意图 4 l 山东大学硕士学位论文 4 2 2 2 0 v 9 每只分流阀配带8 只油顶 漉阀配带压力传刊器 分流阎 耠流闽配带压力传 q 母8 舸 ：舾弛8 姗积扣弛 山i 山 j 7 j 厂l 拦 山乏， 6、 3 4 e翼圆 2 弋 3 l 1 卜油箱 2 _ 虑油器3 璃压油泵 4 一电机 5 一电磁溢流阎6 _ 单向阀7 - 耐震压力表 8 一电磁换向阀9 一一拖八分配阀 图4 - 3 液压加载控制系统油路设计图 2 虻3 z j ： 4 z j 二5 z j ： 6 z j 一 1 5 1 ( 1 y 电机 图4 _ 4 液压加载控制系统电路设计图 上下电磁阀进 上下电磁i i i d 退 前后电磁阀进 前后电磁阀退 左右电磁阀进 左右电磁阀退 山东大学硕士学位论文 4 3 模型试验系统的构成 本高地应力真三维加载模型试验系统，包括智能液压控制系统、高压加载系 统和反力装置系统。 高压加载系统设置于反力装置系统内，智能液压控制试验台通过高压油管与 高压加载系统连接，高压加载系统包括千斤顶和加载板，千斤顶的一端通过内六 角螺栓与加载板的一个侧面连接，另一端与反力装置系统连接，加载板上设有引 线孔，六个加载板与千斤顶连接相对的另一侧面分别紧靠在试验模型的六个侧面 上。高压加载系统包括8 个设计吨位为5 0 吨的千斤项，1 6 个设计吨位为4 0 吨 的千斤顶，6 块长宽皆为0 6 m 、厚度为4 0 r n m 的正方形加载板。每块加载板上对 称均匀布置4 个千斤顶，千斤顶的前端通过m 1 2 内六角螺栓与法兰盘和反力传 递板连接，千斤顶的后端通过m 1 2 内六角螺栓与加载板连接。高压加载系统主 要用于给试验模型施加高地应力，该系统单个千斤顶的设计推力为5 0 0 k n ，每 块加载板施加给试验模型的最大荷载为2 0 0 0 l n 。 智能液压控制系统包括：试验控制台、电机、油箱、电磁溢流阀、电磁换向 阀、分配阀、压力传感器、高压油管等。试验控制台配置有智能传感器、数字压 力表、高压油泵、单向阀、滤油器、电源开关、指示灯和加载控制按钮。智能液 压控制系统主要用于试验模型前后面、左右面、上下面的独立、自动加载与稳压。 在控制台面上设有前后、左右、上下三个加载控制按钮和三个数字压力表，当前 后、左右、上下三个分时加载系统加压到数字压力表所设定的压力值时，各分时 系统能长时间保压和稳压。试验过程中，即使出现油路部分回油或油管少量漏油 的情况，该智能液压控制系统也能迅速的补偿油路损失来恒定所需压力值。 反力装置系统包括：模型反力架，法兰盘和反力传递板。模型反力架沿洞室 轴线方向长2 m ，垂直洞室轴线方向宽1 7 5 m ，高1 7 5 m ，模型反力装置由盒式铸 钢构件和角钢构件通过高强连接螺栓连接组成，盒式铸钢构件上设有引线孔。反 力传递板一侧面紧靠模型反力装置的内壁，法兰盘通过内六角螺栓固定在反力传 递板的另一相对侧面上，高压加载系统的千斤顶通过内六角螺栓固定在法兰盘 上。反力装置系统用于承担试验模型加载传来的反力。 模型试验系统中千斤顶、反力传递板和反力架的连接方式如下：加载千斤顶 通过m 1 2 i 内六角螺栓与加载板相连，千斤顶前端首先通过m 1 2 内六角螺栓与直径 4 3 山东大学硕士学位论文 为1 8 0 m m 的法兰盘连接，然后法兰盘再通过m 1 2 内六角螺栓与反力传递板连接， 反力传递板尺寸为长8 5 0 - - 1 0 5 0 m m 、宽1 8 0 m m 、厚3 0 m m ，反力传递板紧靠模型 反力架内壁。加载系统采用双缸回油卸压方式，既可以进行模型加载试验，又可 以进行模型卸载试验。 4 4 模型试验系统的技术优势 为解决相邻加载板因三维加载引起模型体压缩而出现的相互妨碍，即“打架” 现象，在试验模型外面设置了中空的正方体导向框，导向框由1 2 根横截面尺寸 为5 0 m m x 5 0 m m 的正方形实心不锈钢框架柱通过可拆卸的高强螺栓连接组合而 成，导向框外部尺寸为0 7 m x o 7 m x o 7 m ，内部尺寸为0 6 m x o 6 m x o 6 m ，导向框 由四根高强螺杆支撑在模型反力架的底板上。加载板保留5 m m 进深置入导向框 内，每块加载板预留4 5 m m 的模型压缩量，6 块加载板的加载面分别紧贴试验模 型的前后、左右、上下六个面，试验模型尺寸为0 6 m x o 6 m x o 6 m ，加载板通过 高压加载系统和智能液压控制系统给试验模型施加三维荷载。 为减少加载板与试验模型之间的摩擦力，在加载板与试验模型接触的加载面 上粘贴聚四氟乙烯减摩材料。为减少加载板与导向框之间的摩擦力，在加载板和 导向框框架柱互相接触的侧壁也分别粘贴聚四氟乙烯减摩材料。 前后加载板上通过可拆卸螺栓连接有直径为2 0 0 m m 的导洞盘，模型巷道开挖 前借助导洞盘给拟开挖的洞室沿其轴向施加荷载，当轴向荷载达到设计值后，拆 下前面加载板上的导洞盘进行模型巷道的开挖，后面加载板上的导洞盘仍保持加 载，待洞室开挖到后面加载板时，再拆下后面加载板上的导洞盘，从而可以有效 保证模型巷道在轴向地应力状态下进行开挖，解决了地下洞室试验模型轴向加载 开挖的难题。 通过对比本模型试验系统和国内外同类型的模型试验系统，本模型试验系统 具有如下显著的技术优势： ( 1 ) 系统能自动进行试验模型前后、左右、上下方向独立、同步的真三维加载。 ( 2 ) 采用中空的正方体加载导向框，有效解决了相邻加载板因三维加载引起模 型体压缩而出现的相互妨碍，即“打架”现象。 ( 3 ) 有效的保证了模型巷道在轴向加载状态下进行开挖，解决了地下洞室试验 模型轴向加载开挖的难题。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 三维试验模型尺寸较大，试验模型尺寸为06 m x o6 m x o6 m ，这是目前国内 深部地下洞室开挖撮大的相似材料三维地质力学试验模型。 ( 5 ) 模型系统加载荷载值大，泵站工作压力为3 25 m p a ，每块加载板能够施加 的最大荷载为2 0 0 吨，考虑1 ：5 0 的模型相似比，该系统可模拟的地下洞室 最大埋深近万米，可有效模拟深部巷道岩体开挖的变形破坏过程。 ( 6 ) 模型系统加载自动化程度和加载精度高，通过智能液压控制试验系统，自 动实现模型各侧的独立、同步、高应力加载，系统分级加载精度为1 。 ( 7 ) 系统能保证模型试验的长期稳压。当加压到设定压力值后。系统通过智能 液压控制试验台自动切断油泵供油，并保持油压稳定，试验过程中，即使 由于油路的部分回油或少量漏油，系统也能迅速地补偿油路损失来恒定所 需压力值。 ( 8 ) 系统加载功能多，通过分时控制实现模型的一维、二维和三维加载。 ( 9 ) 采用双缸回油卸压方式，可进行模型加载试验，又可进行模型卸载试验。 ( 1 0 ) 反力装置系统刚度高、整体稳定性好。 图4 - 5 为加工成型模型试验系统照片。 ( 酌系统内部正视图( b ) 系统内部俯视凹( c ) 系统内部侧视幽 d 1 系统外部正视闰曲系统外部侧视嘲 图年5 高地应力真三雏加鞋模型试验系统 山东大学硕士学位论文 深部巷道高地应力三维加载地质力学模型试验系统可广泛应用于水电、交 通、能源、矿山、国防等工程领域的深部地下洞室模型试验研究，应用前景广阔， 经济效益显著。目前该系统已获得国家实用新型专利授权。 4 5 本章小结 高地应力真三维加载模型试验系统具有同步、独立、高地应力加载，加载自 动化程度和加载精度高，加载功能多，实现洞室轴向加载开洞，加载系统刚度高、 整体稳定性好、操作简单方便等优点；该试验系统可广泛应用于水电、交通、能 源、矿山、国防等工程领域的深部地下洞室模型试验研究；目前该系统已申请国 家发明专利。 山东大学硕士学位论文 第五章深部巷道分区破裂三维地质力学模型试验研究 5 1 分区破裂的现场观测 淮南矿区丁集煤矿巷道埋深9 1 0 m ，现场监测位置选择在丁集矿9 1 0 m 西部 1 1 2 采区南轨道大巷和采区水仓内仓。巷道所处的岩层近似水平，轨道大巷和水 仓内仓位于1 1 2 煤底板，巷顶距1 1 2 煤法距l o - 1 5 m ，岩性为砂质泥岩、中砂 岩和粉细砂岩。监测断面位置位于采区水仓南8 0 m - - - 2 3 5 m 左右，轨道大巷和水 仓内仓断面形状均为半圆拱形，断面尺寸为5 0 0 0 m m x 3 8 8 0 m m 和2 8 0 0 m m x 2 4 0 0 m m 。 图5 1 为巷道监测点平面位置图，图中监测点a 距离水仓8 0 m ，监测点a 与b 相距6 0 m ，监测点b 与c 相距9 5 m ，水仓内仓布置了1 个监测断面d ，其位置 选在起坡处。 ：猃趣s ：采区名人名g 坳蝴雪位置冬黼 删】郴轨鑫 j _ 卅：= 舭k 纩鸺籼孑式出 高瀛蜗削 糊留妪 j r 图孓l 监测点平面位置图 为监测巷道围岩分区破裂化现象，采用中国矿业大学生产的k d v j - 4 0 0 矿用 矿井钻孔电视成像仪对巷道进行了现场观测，它是一种便携式防爆型探测仪器， 用以观察锚杆孔或其它工程孔内部情况。采用高分辨率彩色电视摄像头对巷道围 岩钻孔内的裂隙和破坏及岩层情况进行观测，在液晶显示屏幕上显示钻孔内壁构 造。仪器具有颜色逼真、图像清晰( 分辨率可达0 i m m ) ，自动化程度高，体积 小，重量轻，操作简便等显著优点。图5 2 为钻孔电视视频截图，钻孔电视能清 楚的分辨出不同岩层内岩石的完整与破坏情况。 4 7 东大学硕士学位论文 图5 - 3b 断面围岩分区破裂分布圈5 - 4d 断面围岩分区破裂分布 图5 - 3 为b 断面围岩分区破裂分布，山图可以看出：巷道圈岩内部大致分为 四个破裂区，巷道表面25 m 3 m 范围内围岩的破坏最为严重，为传统意义上的 巷道围岩松动圈。五个钻孔内的围岩均存在分区破裂化现象，并且破裂区距巷道 表面的深度大致相同，将五个钻孔内处于同一破裂圈的深度平均后得到每个破裂 分区的范围。第一个破裂区范围为o 27 m ，第二个破裂区范围为37 45 m ， 第三个破裂区范围为59 66 m ，第四个破裂区范围为76 83 m 。 图5 - 4 为d 断面围岩分区破裂分布。由图可以看出：巷道围岩内部大致分为 四个破裂区，巷道表而lo m 20 m 范围内同岩的破坏最为严重，为是传统意义 山东大学硕士学位论文 上的巷道围岩松动圈。五个钻孔内的围岩均存在分区破裂化现象，并且破裂区距 巷道表面的深度大致相同，将五个钻孔内处于同一破裂圈的深度平均后得到每个 破裂分区的范围。第1 个破裂区范围为0 1 5 m ，第2 个破裂区范围为2 1 - - - 2 6 m ， 第3 个破裂区范围为3 2 3 4 m ，第4 个破裂区范围为3 8 - - - 4 1 m 。 通过分析钻孔电视观测到的巷道围岩的内部破裂情况，得到如下结论： ( 1 ) 钻孔电视对于观测巷道围岩内部的破坏情况，包括裂隙的大小、破坏形状 非常有效，可以非常直观的了解巷道围岩内部的破坏状态和岩层分布。 ( 2 ) 丁集矿内4 个监测断面均观测到巷道围岩内部存在分区破裂化现象。 ( 3 ) 巷道围岩裂隙均与观测钻孔轴向垂直，说明钻孔内围岩的裂隙破坏是由于 巷道开挖造成的。 ( 4 ) 巷道的尺寸对巷道围岩内分区破裂的半径和厚度影响较大，即围岩分区破 裂的半径与巷道尺寸基本呈线性关系，巷道尺寸越大围岩分区半径越大。 以上为淮南矿区丁集煤矿深部巷道现场监测的部分情况。我们以淮南矿区丁 集煤矿深部巷道作为研究背景工程，在现场分区破裂观测的基础上进行了相似材 料三维地质力学模型试验，通过试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程，研 究深部洞室围岩的破坏形式和变化规律。 5 2 试验模型的加工制作 试验以淮南矿区丁集煤矿深部巷道工程为研究对象，该巷道断面形状为半圆 拱形，断面尺寸为5 0 0 0 m m x 3 8 8 0 m m ，埋深9 1 0 m ，巷道主要位于中砂岩和粉细 砂岩地层内，矿区地应力场主要以水平构造应力为主，实测地应力水平侧压系数 为1 5 。 ( 1 ) 模型模拟范围与几何相似比尺的选取 地质力学模型试验的几何相似比尺为1 5 0 ，原型模拟范围为：长( 沿洞轴线 方向，即x 向) 宽( 垂直洞轴线方向，即y 向) 高( 沿高程向，即z 向) = 3 0 m x 3 0 m x 3 0 m ，据此得到模型的模拟尺寸为：长( 沿洞轴线方向，即x 向) 宽( 垂直洞轴线方向，即y 向) 高( 沿高层向，即z 向) = o 6 m x o 6 m o 6 m 。 开挖巷道断面形状为半圆拱形，原型断面尺寸为5 0 0 0 m m x 3 8 8 0 m m ，模型断面尺 寸为l o o m m x 7 7 6 m m 。图5 5 为试验模型的尺寸图。 4 9 山东大学硕士学位论文 图5 - 5 试验模型尺寸图 ( 2 ) 模型相似材料的配比 根据相似原理和原型材料的物理力学参数，可计算出巷道模型材