（固体力学专业论文）高地应力金属矿山开采及支护方案的数值模拟.pdf

at h e s i si ns o l i dm e c h a n i c s n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f h i g hg r o u n d s t r e s s m e t a lm i n e m i n i n ga n ds u p p o r t i n gs c h e m e b ys u nq i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i uj u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 j 皇二 恧。 学位论文作者签名：盈、弓琶 日期：w 昕。7 1 留 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东北大学有关保留、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论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：骚劢 签字日期：矽。c f 、，7 、留 导师签名： 签字日期： 增 o d c ( 、- 7 、g f，i“fbrff 东北大学硕士学位论文摘要 高地应力金属矿山开采及支护方案的数值模拟 摘要 本世纪我国越来越多的金属矿山进入深部开采，深部开采中巷道与采场维护理论与 浅部有明显区别。在深部开采中要着重分析高地应力巷道围岩变形破坏机理及采场应力 重布机理，从而找到切实可行的高地应力巷道围岩变形控制方案及更合理的开采方案。 本文首先阐述了国内外急倾斜薄矿脉开采方法，巷道支护理论的发展，锚杆支护技 术的研究历史及现状，岩石的力学性质，生产因素对矿山压力的影响，接着以山东省金 洲矿业集团公司金青顶矿区号矿体为工程背景，以a n s y s 有限元软件为分析工具， 建立3 d 有限元分析模型，在塑性分析中采用a n s y s 提供的d r u k e r - p r a g e r 准则，针对 5 3 5 m 中段的片帮和岩柱剥落现象，在原单进路采矿方案的前提下，提出双进路环形巷 道采矿方案，并对两种方案下放矿过程进行模拟，还提出在各采矿中段保留隔离矿柱的 采矿方案，以5 3 5 m 中段和5 8 5 m 中段之间为例对有无隔离矿柱情况放矿过程进行模拟， 并将各种方案下出矿穿脉与采场局部应力场和应变场随放矿过程的变化进行对比，可以 直观分析各种方案的优劣。 本文还分析了深部巷道开挖及支护过程，比较了无支护、锚杆支护、预应力锚杆支 护、锚杆衬砌联合支护和预应力锚杆衬砌联合支护情况下围岩应力、塑性区的变化情况， 分析巷道局部，拱顶及两帮随进尺开挖的应力场及塑性区，考虑各种支护方案对其应力 场及塑性区的影响情况，探讨了深部巷道支护的必要性和有效性，以便指导实际施工中 根据实际情况使用合理的支护方案。 关键词：环形巷道；a n s y s ；塑性；隔离矿柱；支护 i i n u m e r i c a lsi m u l a t i o no f h i g hg r o u n ds t r e s s m e t a lm i n e m i n i n ga n ds u p p o r t i n gs c h e m e a bs t r a c t t h i sc e n t u r y , i nc h i n a ，m o r ea n dm o r em e t a lm i n e sd e v e l o pi n t od e e pm i n i n g , t h e r eh a v e ac l e a rd i s t i n c t i o nb e t w e e ns h a l l o wa n dd e e pm i n i n gi nt h et u n n e la n ds t o p em a i n t e n a n c e t h e o r y i nd e e pm i n i n ga n a l y s i s ，i no r d e rt of i n dp r a c t i c a lh e i g h t so fs u r r o u n d i n gr o c ks t r e s s a n dd e f o r m a t i o nc o n t r o lo fam o r er a t i o n a le x p l o i t a t i o no ft h ep r o g r a m ，w es h o u l df o c u so n 1 1 i 曲g r o u n ds t r e s so fs u r r o u n d i n gr o c kd 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 ma n dt h es t r e s so f h e a v yc l o t hs t o p em e c h a n i s m i nt h i sa r t i c l e ，w eg i v eb o t ha th o m ea n do na b r o a dt h es t e e pt h i nv e i nm i n i n gm e t h o d s ， t h ed e v e l o p m e n to ft h et h e o r yo nt u n n e ls u p p o r t ，a n c h o rs u p p o r t i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h e s h i s t o r ya n da c t u a l i t y , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c k s ，t h ei m p a c to fp r o d u c t i o nf a c t o r so n t h ep r e s s u r eo fm i n e s t h e nu s et h ej i n z h o um i n i n gg r o u p ，s h a n d o n gp r o v i n c ej i n q i n g d i n g n o i im i n i n ge n g i n e e r i n ga sb a c k g r o u n d ，u s ea n s y ss o f t w a r ea sa n a l y s i st o o l ，e s t a b l i s h3 d m o d e l s ，i np l a s t i ca n a l y s i su s et h ed r u k e r - p r a g e rc r i t e r i o n a c c o r d i n gt o - 5 3 5 mr o c kp i l l a r a n dr i bs p a l l i n gp h e n o m e n o n , o nt h ep r e m i s eo fo r i g i n a ls i n g l e - m i n i n gs c h e m e ，p r o p o s et h e d u a l r i n gt u n n e lm i n i n gs c h e m e ，t h e ns i m u l a t et h et w os c h e m e sa l o n gt h ep r o c e s so fo r e d r a w i n g ，a l s op r o p o s e dt h es c h e m e i ne a c hm i n i n gm i d d l e ，u s et h e - 5 3 5 ma n d - 5 8 5 mm i i l i i 培 m i d d l ef o re x a m p l e ，t h e ns i m u l a t et h et w os c h e m e sw h e t h e ro rn o tar e t a i ni s o l a t ep i l l a ra l o n g t h ep r o c e s so fo r ed r a w i n g , c o m p a r et h ec h a n g e so fs t r e s sf i e l da n ds t r a i nf i e l dp u n c t u r eo f v e i na n d s t o p ea l o n gt h ep r o c e s so f o r ed r a w i n gi ne a c hs c h e m e ，w ec a ni n t u i t i v ea n a l y s i st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f v a r i o u ss c h e m e s t h i sa r t i c l ea l s oa n a l y s i st h ed e e pt u n n e le x c a v a t i o na n ds u p p o r t i n g ，t h er e l a t i v e l yo fn o s u p p o r t i n g , a n c h o rs u p p o r t i n g ，p r e s t r e s s e da n c h o rs u p p o r t i n g ，a n c h o ra n dl i n i n gs u p p o r t i n g , p r e s t r e s s e da n c h o ra n dl i n i n gs u p p o r t i n gc i r c u m s t a n c e ss t r e s sa n dp l a s t i cz o n ec h a n g e s ， a n a l y s i st h es t r e s sa n dp l a s t i cz o n ea tt h el o c a lo ft u r m e l ，t h er o o fa n ds l o p ea l o n ge x c a v a t i o n p r o g r e s s ，t a k i n gav a r i e t yo fs u p p o r tp r o g r a m sf o rt h ec h a n g e so fs t r e s sa n dp l a s t i cz o n e ， i n v e s t i g a t et h en e c e s s i t ya n de f f i c i e n c yo fd e e pt u n n e ls u p p o r t i n gi no r d e rt og u i d et h e p r a c t i c a lc o n s t r u c t i o nu s er e a s o n a b l es u p p o r t i n gs c h e m e k e yw o r d s ：r i n gt u n n e l ；a n s y s ；p l a s t i c ；i s o l a t ep i l l a r ；s u p p o r t i n g i i i 东北大学硕士学位论丈 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t - i 第l 章绪论l 1 1 问题的提出1 1 2 国内外急倾斜薄矿脉开采方法1 1 2 1 国外急倾斜薄矿脉开采方法1 1 2 2 国内急倾斜薄矿脉开采方法2 1 3 软岩巷道支护理论的国内外发展情况2 1 3 1 软岩巷道支护理论的国外发展情况2 1 3 2 软岩巷道支护理论的国内发展情况3 1 4 锚杆支护技术国内外研究历史及现状5 1 4 1 国外锚杆支护理论研究发展概况5 1 4 2 国内锚杆支护理论研究发展概况”6 1 5 本文主要工作8 第2 章矿山岩石力学基本理论9 2 1 弓i 言9 2 2 岩石的组构特征”9 2 3 岩石的基本物理性质1 0 2 4 岩石的强度l o 2 4 1 单轴抗压强度”1 1 2 4 2 单轴抗拉强度1 1 2 4 3 抗剪强度1 1 2 4 4 三轴抗压强度1 1 2 5 岩石的变形性质及破坏形式1 2 2 5 1 岩石的变形性质一”1 2 东北大学硕士学位论文 目录 2 5 2 岩石的破坏形式1 4 2 6 岩石强度准则1 4 2 6 1 莫尔一库伦( m o h r - c o u l o m b ) 强度准则1 4 2 6 2t r e s c a 屈服准则1 6 2 6 3m i s e s 屈服准则16 2 6 4 德鲁克一普拉格( d r u k e r - p r a g e r ) 准则1 6 2 7 生产因素对矿山压力的影响1 7 第3 章采场结构优化的数值模拟2 l 3 1 引言21 3 2 采场底部结构出矿进路参数优化2 l 3 3 采场底部结构出矿进路参数优化分析2 3 3 3 1 模型的建立2 3 3 3 2 施加边界条件和载荷2 3 3 3 3 参数的确定2 4 3 3 4 计算方法步骤2 4 3 3 5 弹性情况下两种采矿方法比较2 5 3 4 双进路环形巷道采矿方法放矿过程中的塑性分析2 8 3 5 隔离矿柱采矿方法的有限元模拟”3 0 3 6 本章小结3 4 第4 章巷道支护设计的数值模拟3 7 4 1 引言3 7 4 2 基本模型建立与求解3 7 4 2 1 模型建立及参数选择3 7 4 2 2 计算方法3 8 4 3 计算结果及分析4 0 4 3 1 初始地应力下整体应力分析4 0 4 3 2 开挖过程引起的地应力重新分布4 0 4 3 3 开挖完成后无支护与各种支护方案下整体结果分析4 1 4 3 4 巷道拱顶及两帮沿进尺开挖方向支护效果分析4 7 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 5 巷道拱顶及两帮沿锚杆长度方向支护效果分析5 0 4 4 本章小结5 3 第5 章结论与展望5 5 5 1 结论5 5 5 2 展望5 6 参考文献5 7 致谢一5 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出 本世纪我国越来越多的金属矿山进入深部开采，随着开采深度的增加，一系列工程 灾害如岩爆、瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等日益严重，且深部开采中巷道与采场的 维护理论也与浅部有十分明显的区别1 1 1 。这种差别的根源在于岩石所处的赋存环境上的 差异，深部与浅部在赋存环境上的差别尤其是高地应力条件下，深部岩体的组织结构、 基本行为特征均发生根本性的变化，表现出十分特殊的力学行为，这也是导致深部开采 中事故出现多发性和突发性的根本原因所在。深井矿山地压问题将成为制约我国矿山安 全生产、资源回收和企业经济效益的主导因素之一。 为了从根本上解决上述工程灾害，必须综合考虑深部岩体和矿体赋存的环境和开挖 卸载损伤等因素，分析高地应力巷道围岩变形破坏机理及采场应力重布机理，从而找到 切实可行的高地应力巷道围岩变形控制方案及更合理的开采方案。为此，有必要开展对 高地应力巷道围岩工程特性及随矿体开挖过程围岩变形破坏机理的研究，这也是保证巷 道围岩稳定性和深部高地应力矿山持续稳定发展的关键。 巷道一旦被开挖，岩体原有的三向平衡应力状态被打破【2 】，在深部开采条件下，围 岩很快产生碎胀变形破坏，造成巷道周边破碎岩体增多、巷道再支护困难等一系列问题， 导致灾害事故增多。另外，高地应力下的巷道如果不采取适当的维护措施，巷道围岩变 形将会更加剧烈，最终将导致巷道失稳破坏，破坏后的巷道围岩将更加破碎，再生裂隙 更加发育，巷道掘进与支护也变得更加困难，如何安全、经济、快速的支护，有待支护 方案的深度优化。 现在，围岩工程控制理论取得了长足的发展，支护形式也随之发生了重大的变化。 支护理念由被动转为主动，巷道的支护己由传统的棚式支护向锚杆支护转化。在地下工 程领域，锚杆支护得到推广和普及。可以说，锚杆支护是可以充分利用围岩自承载能力 的一种主动的支护形式，在各种地下工程中得到了大力的推广和使用【3 1 。 1 2 国内外急倾斜薄矿脉开采方法 1 2 1 国外急倾斜薄矿脉开采方法 1 虱# t - 急倾斜薄矿脉通常采用浅孔留矿法或削壁充填法开采【4 矧，由于受脉幅所限， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 采矿场内难以实现机械化，劳动强度大，作业条件差。此外，为了保持采场的最小工作 宽度，往往要开挖部分围岩，贫化率相应增加，使采矿成本和矿石加工费大幅度提高。 这些年来，随着无轨采矿的推广应用以及深孔凿岩、光面爆破和锚杆支护技术的不断革 新，国外急倾斜薄矿脉的开采技术也有很大进展，新的采矿方案相继出现，技术经济指 标明显改善。 其他主要采矿方法有，分段空场采矿法，无底柱分段空场法，无底柱分段留矿法， 天井中深孔采矿法，无底柱分段崩落法，a v m 采矿法，混合倾斜天井和矿柱采矿方法， 钻孔劈裂采矿法，平行密集深孔采矿法。 分段空场法是沿矿脉倾向划成分段，然后采用分采或混采开掘分段平巷，最后从各 分段平巷向矿脉钻凿炮孔，以分采矿脉，不采围岩；分采矿石部分落入各分段平巷内， 部分通过狭窄空区溜至采场下部的放矿漏斗。该方法尽管可以降低矿石贫化率，但需要 开凿较多的分段平巷，实际上是以采切工程量的增加降低贫化率。该方法尚未普遍使用， 对于生产管理、技术水平一般的小型矿山更难以推广应用。而削壁留矿法更适合于中等 稳固的围岩以及厚度相对较大的矿体网。 1 2 2 国内急倾斜薄矿脉开采方法 国内急倾斜薄矿脉通常采用长采场连续采矿法，无底柱浅孔留矿法，中深孔采矿法， 顺路溜井局部出矿留矿法等。 浅孔留矿采矿的采场结构和工艺比较简单8 1 ，易于掌握，管理方便，留矿堆可以辅 助支撑两盘围岩；通风条件较好，坑木消耗少，利用自重放矿，不需要过多的设备和电 耗，采场生产能力比较高，采矿成本低等优点受到许多矿山的青睐，是使用较为广泛的 一种采矿方法。 1 3 软岩巷道支护理论的国内外发展情况 1 3 1 软岩巷道支护理论的国外发展情况 ( 1 ) 早期理论 2 0 世纪初发展起来的以海姆、朗肯和金尼克理论为代表的古典压力理论认为，作用 在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量。但随着开挖深度的增加，人们发现古典压力 理论许多方面都有不符合实际之处，于是，坍落拱理论( 也称为松软压力理论) 应运而 生，其代表有太沙基理论和普氏理论【9 1 。此类理论认为：坍落拱的高度与地下工程跨度 - 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 和围岩性质有关，其最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。 2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题，其中最著名的 是f e n n e r 公式和k a s t n e r 公式【10 1 。 ( 2 ) 新奥法理论 新奥法【1 1 。1 3 1 是6 0 年代奥地利工程师l vr a b c e w i c z 在总结前人经验的基础上，提 出了一种新的隧道设计施工方法，目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。新奥 法的核心是利用围岩的自承作用来支承隧道，使围岩成为支护结构的一部分而与支护体 共同形成支承环。1 9 8 0 年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为“在岩体 或土体中设置的以使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的设计 施工方法”。 ( 3 ) 应变控制理论 日本的山地宏和婴井春辅提出了围岩支护的应变控制理论，该理论认为：巷道围岩 的应变随支护结构的增加而减少，而许用应变则随支护结构的增加而增大。因此通过加 强支护结构可较容易地将围岩的应变控制在许用应变范围内。支护结构的设计则是在由 工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。 ( 4 ) 能量支护理论 2 0 世纪7 0 年代m d s a l a m o u 等人又提出了能量支护理论【1 4 1 ，该理论认为：支护 与围岩的相互作用共同变形，在共同变形过程中围岩释放一部分能量而支护则吸收一部 分能量，但总的能量没有变化，因此主张利用支护结构来使其自动调节围岩释放的能量 和支护体吸收的能量使其相互调节平衡作用。 ( 5 ) 数值计算方法 目前，数值计算方法日趋成熟，如有限元、有限差分、边界元、离散元等，以此为 基础出现了大量的计算软件，如a n s y s 、a b a q u s 、f l a c 、a d i n a 等都开始逐渐为 用户熟悉，这些软件与支护理论相结合，在地下工程得到了广泛应用，为地下工程围岩 支护理论及其方法的研究提供了更加有力的工具。 1 3 2 软岩巷道支护理论的国内发展情况 我国松软岩土体巷道支护技术研究工作始于1 9 5 8 年。2 0 世纪8 0 年代以来，与软岩 工程相关的全国性学术会议召开了2 0 余次，使地下工程软岩问题的理论研究进入了一 个新的阶段【1 5 】。主要理论有： 一3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 轴变论 于学馥教授在2 0 世纪5 0 年代提出轴变论”理论【1 6 1 ，它是运用连续介质和静力学 方法提出来的理论，该理论认为地应力是引起围岩变形破坏的根本作用力，所以强调把 工程所处的实测地应力作为力学分析的前提条件，坍塌改变巷道轴比，导致应力重新分 布，高应力下降低应力上升，直至自稳平衡。巷道垮落后的稳定轴比“高、宽之比”是 有规律的，它决定于地层原始应力的分布状态。轴变论根据地应力、围岩应力、岩体力 学性质和变形特征，对地压进行分类是分析围岩变形破坏、地压活动规律和选择巷道维 护方法的基础。但是轴变论是分析围岩破坏规律的理论，重点强调了轴比的重要性，并 没有谈如何支护。 ( 2 ) 联合支护理论 冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基础上发 展起来的【1 7 - 2 0 1 ，认为对于松软岩土围岩要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。 由此发展起来的支护形式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联 合支护技术。 ( 3 ) 锚喷弧板支护理论 孙钧、郑雨天和朱效嘉等提出的锚喷弧板支护理论是对联合支护理论的发展【2 0 】。该 理论认为对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度后，要坚决顶住，即采用高标 号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚决限制和顶 住围岩向中空位移。 ( 4 ) 关键部位耦合组合支护理论 何满潮提出的关键部位耦合组合支护理论，认为：巷道支护破坏大多是由于支护体 与围岩体在强度、刚度、结构等方面存在不耦合造成的。要采取适当的支护转化技术， 使其相互耦合，复杂巷道支护要分为两次支护，第一次是柔性的面支护，第二次是关键 部位的点支护。 ( 5 ) 松动圈理论 松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的f 2 1 乏3 1 ，其主要内容是：凡是坚硬围 岩的裸露巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并 不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防 止围岩松动圈发展过程中的有害变形。 松动圈理论的优点是简单直观，对中小松动圈有很重要的价值，但对大松动圈尤其 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 是高应力软岩的采准巷道，实践表明，该理论有一定的局限性。 在软岩巷道支护中，技术永远先于理论，许多新的结构已经开始用于工程实践，但 没有相应的理论指导，因此亟需发展新的软岩支护理论，完善软岩巷道支护理论体系。 1 4 锚杆支护技术国内外研究历史及现状 1 9 11 年美国a b e r s c h l e s i n 的f r i e d e n s 煤矿首先应用了岩石锚杆支护巷道顶板，1 9 1 8 年 美国西利西安矿的开采首次采用了锚索支护，以后锚固技术的应用范围开始扩大。1 9 3 4 年阿尔及利亚的c h e u r f a s 大坝的加高工程首次采用1 0 0 0 0 k n 级预应力锚杆作为抗倾覆锚 固，这是世界上第一例采用预应力锚杆加固坝体，并获得成功。在以后的时间里，先后 有印度的坦沙坝、南非的斯登布拉斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希斯坝也同 样采用了预应力锚杆加副2 4 1 。 我国锚杆支护技术的应用始于2 0 世纪5 0 年代后期，当时有京西矿务局、河北龙烟铁 矿、湖南湘潭锰矿等使用了楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入6 0 年代，除了矿山巷道之外， 我国开始在铁道隧道、边坡工程、水库大坝、地下工程等大量地采用锚固技术。 目前世界上各类锚杆多达6 0 0 多种，它们广泛地应用在工业民用建筑、隧道桥梁、 矿山建设、高陡边坡、大型地下洞室、大型弧门闸墩、大坝及坝基各类建筑物的加固、 抗浮工程、抗倾覆工程、锚拉工程等。锚杆支护技术的快速发展也带动了锚杆支护理论 的研究。 1 4 1 国外锚杆支护理论研究发展概况 目前国外对锚杆支护的机理研究较多，可归纳为以下几种【2 5 之8 】： ( 1 ) 悬吊理论 1 9 5 2 年l o u i sa p a n e k 等发表了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷 道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。 对于回采巷道揭露的层状岩体，直接顶板均有弯曲下沉变形趋势，如果使用锚杆及 时将其挤压，并悬吊在老顶上，直接顶板就不会与老顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用 主要取决于所悬吊的岩层的厚度，层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量，还受锚杆 长度、密度及强度等因素的影响。这一理论提出的较早，满足其前提条件时，有一定的 实用价值。但是大量的工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆亦能发挥支 护作用，所以这一理论有局限性。 ( 2 ) 组合梁理论 - s 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板，可看作是由巷道两帮作为 支点的一种梁，这种岩梁支承其上部的岩层载荷。 使用锚杆将各层“装订 成一个整体的组合梁，防止岩石沿层面滑动，避免各层出 现离层现象。但是，这种理论在处理岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题和梁的抗 弯强度问题时有一定的局限性。 ( 3 ) 组合拱理论 组合拱理论是由tal a n g 和p e n d e r 通过光弹试验提出来的。组合拱理论认为，在拱 形巷道围岩的破裂区中，安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力， 如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够小，各个锚杆的压应力维体相互交错，这样使巷道 周围的岩层形成一种连续的组合带( 拱) 。 这个组合拱可承受上部岩石的径向载荷，如同碹体起到岩层补强的作用，承载外围 的压力。组合拱理论的不足是缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步探讨，与实际情 况有一定差距，在分析过程中没深入探索围岩一支护的相互作用。 ( 4 ) 销钉理论 销钉作用表现为两方面：a 利用锚杆将不稳定块体钉到深部稳定的围岩上；b 软岩 洞室围岩常发生压剪破坏，破坏了的岩体将沿最不利的滑移面滑动。如沿洞室周边径向 布置锚杆，由于锚杆与滑移面斜交，锚杆就会起到防剪抗滑作用。 1 4 2 国内锚杆支护理论研究发展概况 近十几年来，国内很多学者对锚杆作用机理做了大量的深入研究与探讨，在上述这 些经典锚杆支护理论的基础上，进一步揭示了锚杆支护的实质，促进了锚杆支护理论研 究的发展，扩大了锚杆支护技术应用的范围。提出了下面几个具有代表性的理论1 2 4 ： ( 1 ) 全长锚固中性点理论 全长锚固中性点理论由东北大学王明恕教授等提出。该理论认为在靠近岩石壁面部 分( 锚杆尾部) ，锚杆阻止围岩向壁面变形，剪力指向壁面。在围岩深处( 锚杆头部) ，围 岩阻止锚杆向壁面方向移动。锚杆上的剪力指向相背的分界点，称为中性点，该点处剪 应力为零，轴向拉应力为最大。由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大，轴向拉应力逐渐 减少。该理论近年在国内理论分析中其“中性点”观点被普遍接受，但其理论形式还存 在着一定的争议，因为它难以解释锚杆尾部的断裂机理，有人认为该理论假设未设托盘 之故。 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 围岩强度强化理论 该理论的要点是：a 岩体经锚杆锚固后，其峰值强度和残余强度均得到提高，随着 锚杆布置密度的增加，强度强化系数逐渐增大，锚杆布置密度一定时，锚杆对岩体残余 强度的强化程度大于对岩体的峰值强度的强化程度。b 锚杆可有效改善原岩体的力学参 数。c 利用锚杆支护，可以提高锚固区域岩体的强度，可以有效的减小巷道围岩塑性区， 破碎区半径及巷道表面位移，保持巷道围岩稳定。该理论的分析方法是将锚杆的作用简 化为对锚固围岩从锚杆的两端施加径向约束力，由实验室锚固块体试验确定围岩塑性应 变软化本构关系，再利用弹塑性理论定量分析锚杆的支护效果。 ( 3 ) 锚固力与围岩变形量关系理论 该理论对锚杆锚固力的内涵及作用进行了深入研究，认为锚杆对围岩的锚固作用是 通过锚固力来实现的，而锚固力是依赖围岩变形而产生和发展的。锚杆支护一般在洞室 开挖完成后实施，此时围岩的弹塑性变形已经完成，使锚杆产生锚固力的是围岩峰后的 剪胀变形。随着剪胀变形的发展，锚杆从径向和切向两个方向上产生限制剪胀变形的力， 。 剪胀变形越大，锚杆的径向和切向的锚固力越高。锚杆的锚固作用使得围岩在较高的应 力状态下获得稳定平衡。 ( 4 ) 锚固平衡拱理论 该理论认为，锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果，但在围 岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。在巷道周围，锚杆 与其锚固范围内的岩石构成一种锚固支护体，当这个锚固体中的岩石围岩集中应力作用 下发生破坏时，其承载能力降低并产生变形，同时围岩的集中应力向深部转移，使锚固 体卸载。在此过程中，锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用，使塑性破坏后易于松动 的岩石构成具有一定承载能力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。 锚杆支护理论研究存在的问题： ( 1 ) 理论研究明显滞后于工程应用研究； ( 2 ) 对锚固体力的传递只有定性描述，在设计中大都采用粘结应力均匀分布的形 式； ( 3 ) 锚杆加固机理也没有统一的认识，缺乏行之有效、合理的计算方法； ( 4 ) 理论分析和数值分析与实际情况出入较大。 我国锚杆支护主要存在的问题： ( 1 ) 锚杆支护应用范围还不广泛； 7 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 2 ) 主要使用锚固力低、可靠性差的端锚锚杆及全锚锚杆，树脂全长锚固锚杆使 用比例很小； ( 3 ) 锚杆密度大( 间距一般为0 6 0 8 m ) ，安装速度慢，跟不上掘进速度。 1 5 本文主要工作 本文以山东省金洲矿业集团公司金青顶矿区i i 号矿体为工程背景，其矿体为急倾斜 薄矿脉，目前已开采到5 3 5 m 中段。采用的方法为浅孔留矿法。在开采过程中5 3 5 m 中 段以上，采场与巷道均是安全的。但巷道和采场随着深度的增加，片帮和间柱剥落愈加 严重，岩体的节理发育程度也越来越高。另外，矿山原来采用的中段运输线路布置方式 为沿脉平巷加穿脉布置，这种布置方式在采场造成了采动地压强烈，使出矿穿脉巷道处 于高应力区，巷道变形、破坏严重。 本文主要研究内容： ( 1 ) 结合矿山的实际情况，优化采场布置，提出在5 3 5 m 中段运输线路采用环形 运输布置，在原来的单进路采矿方法基础上提出双迸路环形巷道采矿方法，并通过 a n s y s 软件进行模拟，分析两种方案随放矿过程的应力变化，并对结果进行分析，验 证双进路环形巷道采矿方法的合理性。然后对其进行塑性分析，进而更合理的指导采矿 作业； ( 2 ) 提出在各中段间保留隔离矿柱的采矿方案，以5 3 5 m 中段和5 8 5 m 中段为例， 在两个中段之间保留隔离矿柱，对有无隔离矿柱情况放矿过程进行模拟，分析随放矿过 程的塑性区的变化，并通过比较验证其合理性； ( 3 ) 模拟7 3 5 m 中段巷道开挖及支护的过程，通过分析无支护及各种支护情况下 应力场及塑性区的变化情况，探讨深部巷道支护的必要性和合理性，以便指导实际施工 中根据实际情况使用合理的支护方案。 8 - 东北大学硕士学位论文第2 章矿山岩石力学基本理论 第2 章矿山岩石力学基本理论 2 1 引言 在岩石力学与工程领域中最常涉及到的对象就是岩石或岩体，而岩石又不同于一般 固体力学介质，具有特殊的结构。岩石力学工作者最关心的就是岩石或岩体在受力情况 下的变形、屈服、破坏以及岩石破坏后的力学效应等现象，而这些现象的发生与发展并 不像某些金属材料那样，有较明确的规律可循。岩石由于成岩机理不同，地质作用不同， 受载荷作用不同等因素，从而使岩石或岩体呈现明显的非线性、不连续性、不均质性和 各向异性等复杂特性。由于岩石或岩体的上述特性，岩石力学具有一个很重要的特性就 是以实验为重要基础【2 9 1 。 岩石力学是研究岩石和岩体力学性态理论及应用的科学，它是与岩石和岩体对所在 物理环境中力场的反应有关的力学分支。研究地壳岩体因开挖而诱发的变形和破坏及其 控制方法的学科属于岩石力学。采矿工程中一系列重要的设计及生产环节，诸如露天矿 边坡设计及不稳定边坡处理，地下矿开拓系统及开采顺序的确定，巷道、硐室及采矿场 地合理布局、支护方式及支护量的估算，采矿方法及其构成要素的选定，地层控制及空 区处理，岩层移动及井下和地面对象的合理布局及保护性开采等等，都涉及岩石力学理 论和实践问题。 2 2 岩石的组构特征 岩石是自然界中各种矿物的集合体，是自然界经历漫长地质年代而形成的产物，是 组成地壳的主要物质。根据岩石的成因一般将岩石分为三大类：岩浆岩、沉积岩、变质 与坚【3 0 】 徊 。 岩石的组构是岩石组织和构造的统称，是影响岩石力学性质的根本因素。所谓组织 是指岩石的结晶程度、矿物颗粒大小、形状以及颗粒之间的连接特征。按照结晶程度可 分为全结晶型和非全结晶型。全结晶岩石的特点是组成岩石的所有矿物具有完全的结晶 作用。非全结晶岩石一部分由结晶颗粒组成，另一部分由非晶质玻璃胶结体组成。非全 晶质岩石性质与胶结特征和胶结物成分有很大关系。 岩石的构造是岩石材料的又一大特征，构造是指岩石组成成分在空间上的相互排列 及所占的位置。岩石的构造可以是有规则的，也可以是不规则的，主要分为整体结构、 多孔状结构和层状结构。 9 东北大学硕士学位论文 第2 章矿山岩石力学基本理论 岩石的组构特征是影响岩石力学性质的重要因素，也是岩石分类的重要依据。由于 岩石成因多样性，同时含有弱面、节理，使得岩石的离散性很大，其岩性和力学性质也 在很大范围内波动。 2 3 岩石的基本物理性质 ( 1 ) 岩石的容重 岩石的容重是指岩石单位体积( 包括空隙体积) 的重量，其表达式为 厂= 矿w ( 2 1 ) 其中，y 为岩石容重( k n m 3 ) ；形为被测岩样的重量( 1 澍) ；v 为被测岩样的体积( m 3 ) 。 通常情况下，岩石的容重越大，则其强度便越高，反之强度越低。 ( 2 ) 岩石的密度 岩石的密度是指岩石单位体积的质量，又分为颗粒密度和块体密度两种。可表示为 p = 歹m ( 2 2 ) 其中，p 为岩石密度( g c i ：n 3 ) ；m 为岩石质量，( g ) ；v 为被测岩样的体积( m 3 ) 。 岩石的密度是选择石材、评价岩石风化程度、分析工程岩体稳定性及确定围岩压力 等所必需的计算指标。 ( 3 ) 岩石的比重 岩石的比重是指岩石的干重量除以岩石的实体体积，再与4 。c 水的容重相比。其表 达式为 g l = 丧 ( 2 3 ) 式中，g s 为岩石的比重；形为岩石的干重量( 蝌) ；k 为岩石的实体体积( m 3 ) ；为 水4 0 c 时的容重( 1 0 k n m 3 ) 。 另外，岩石的基本物理性质还包括岩石的空隙率、空隙指数、吸水率、饱水率及饱 水系数等【3 0 1 。 2 4 岩石强度 岩石变形过程 石强度【3 1 1 。一般包 东北大学硕士学位论文第2 章矿山岩石力学基本理论 2 4 1 单轴抗压强度 在单轴压缩条件下，岩石所能承受的最大压力称为单轴抗压强度，或称为非限制性 抗压强度【3 2 。3 1 。岩石抗压强度一般是在压力机上对岩石试件进行加压实验测定的，是岩 石最基本也是最重要的一个力学指标。 2 4 2 单轴抗拉强度 岩石试件在单向拉伸时所承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度3 4 1 。由于岩石 的抗拉强度很低，在岩石工程中一般不允许出现拉应力。拉破坏是工程岩体和自然岩体 主要的破坏形式之一【3 5 1 。 影响岩石抗拉强度的因素和抗压强度的因素基本相同，包括岩石本身性质和实验条 件两个方面。但起决定作用的是岩石本身性质，诸如矿物成分、粒间胶结及孔隙、裂隙 情况等。 2 4 3 抗剪强度 在剪切载荷作用下，岩石抵抗剪切破坏的最大剪应力称为岩石的抗剪强度。岩石抗 剪强度是需要研究的岩石最重要的工程力学特性之一，往往比岩石抗压强度及抗拉强度 更有意义。岩石的粘聚力c 和内摩擦角矽是岩石的两个重要的力学参数，也是岩石力学 估算和建立强度判据不可缺少的指标，它们通过各种岩石剪切试验测定。按照剪切试验 方法不同，岩石抗剪强度通常分为三种剪切强度。 ( 1 ) 抗剪断强度，是岩石试件在一定法向应力作用下，沿剪切面剪断时的最大剪 应力，反映了岩石的粘聚力和摩擦力。岩石的抗剪强度通过抗剪断试验获得，方法有直 剪实验、变角板剪切实验和三轴实验等。 ( 2 ) 抗切强度，它是指岩石试件在法向应力为零时沿剪切面剪断时的最大剪应力。 岩石的抗切强度通过抗切试验求得，方法有单( 双) 面剪切和冲切实验等。 ( 3 ) 摩擦强度，是指试件在一定的法向应力作用下，沿已破裂面再次剪切破坏时 的最大剪应力，与之对应的是摩擦实验。 2 4 4 三轴抗压强度 三轴抗压强度是指岩石试件在三向压应力作用下试件破坏时的最大轴向应力。在一 定的围压作用下，岩石的三轴压缩强度为 东北大学硕士学位论文 第2 章矿山岩石力学基本理论 吼= 二_ ( 2 4 ) 以