（工程力学专业论文）岩石分区碎裂化现象的现场观测数据分析、蠕变机理及模拟实验研究.pdf

辽j 。丁程技术人学硕士学垃轮文 摘要 随着时间推移，越来越多的工程开始进行深部丌采，在 深部高地应力拍作用下出现的岩石分区碎裂他现象区| 为与 现存的列丽岩状态的认识相违背l 巾引起了国内外许多学者 的广泛兴趣。 本文介绍了岩石分区碎裂化现象的已有的研究进展及 主要的研究方法。对深部围岩的应力状态、波速情况、应变 状杰、钻屑量及电阻情况的现场删测数据进行分析，部分深 部巷道围岩应力反常态，显示出应力大小钼闻分布的格 局，网岩中的波速并非始终呈一个变化趋鳄，表现出转孔深 的“不t f 娥”的变化特征，深部巷道围岩的应变在沿孔深方 向上，压密区和松弛区相问出现，在对问上，表现出同一位 置的岩体压缩和松弛状态交替出现，钻屑量和电阻观测结果 均反映部分巷道围岩呈现疏密相i 刮的分布状态。从物理演化 过程和蠕变角度分析岩石分区碎裂化现象的破碎区m 现的 过程建立力学模型来预 妥l 各个破碎区出现的时间。对岩石 分区碎裂化现象的实验研究进行初步探索。用石膏做模拟材 料，用自光数字散斑观测试件的表面变形情况，观测结果显 示，石膏试制- 并未出现分嚣碎裂现象。 关键词：岩石分区碎裂化现象岩石潍部开采 声光数字散斑 坚! 三堡垫查查兰堡：! 兰些丝兰一 a bs t r a c t ast i mef l y i n g 、1 3 30rea n d1 t 1 0ree n g i l leer i n ga e d o t i ei n t h ed e e ple ve 1 z or t a id is i n t e g r a t i o n isde ve 1o pe du n derh i g h s tr es si ndee p1e v e i ，a n dma n ysc h o l a rsa r ei n ter es t e di ni tas i tisd i f f ere n tf r o mpr ese n tt he or y0 fa d ja ce n t r oc k p r e 5 e n t rese ar c hac h i e v e | e n ta n dt h e m a i j l s t u d y m e t h o dha ve bee 1 3i t i tr o d u ce d i nt h is p a p er t he s i t e o bs er v a t io nh a v ebe e l l _ d 0 1 2e i 1 3t heas pec t0 fs tr es ss t a t e ， w a veve 1 0c i t ys t a te ， s tr a i ns t a te ，t es tdr i l l i l 2 9 w e i g h a n d e 1e c tr icr es is t a n ce s t a t ea 1 10 f0bser v a t i o n0 u tc 0 m es re f l e c t s o mca d ia ce n tr oc k e x is tz 0 1 3 a 1d is i n t egr a t i0r 1 a ppe ar a n ce d r oces so fcra c kc or i oe n t r a t io nz o n e isa na l y ze di np h y s ics a n dc re e pas p e c t r r lec ha n ics1 1 7 1 0 de 1 isf o u n de dt 0f or ec as t w h e nt hecr a c kc 0r lc e n tra t i 0 1 1a p p ea r e x pcr i me 1 3 ts t u d y0 f z 0 n a ld is i n t e gr a t i 0 1 3h asb ee ne x p l 0 r e d w ec h 0 0s eg y ps u l i la s s i m u la tema ter ia l ， o bser ves ur f a ce de f or i n a t i0 n 0 1 1t h e s ar l l p le b u tz 0 1 3 a 1d is i r i t e gr a t i0 nd 0 es 1 3 t a p p e ar k e yw o r d z 0 n a ld is i n t egr a t i0 n r 0c km i l l in g i i 3dee p1e ve l d s c m 辽，亍工程技术大学硕士学位论文 1 综述 1 ，1 问题的提出 为满足社会与经济发展日益增长的需要，地下工程的”发不断向深部发 展，深部开采和地下工程是发展的必然。据不完全统计，国外开采超千米深 的令属矿山有8 0 多座，南非西部深水平金矿，采矿深度已达3 7 0 0 m ，我国煤 矿，r 采的最大深度己到1 0 7 0 m ，预计在未来2 0 年内，很多煤矽将进入到1 0 0 0 m 到15 0 0 m 的深度。深部开采必然诱发出一系列工程火害，尤其是深部环境 的“二三高一时”效应，即高应力、高地温、高 l 隙压和时叫效应，使得深部 开聚面l 每严重的挑战，矿难事故屡屡发生，仅2 0 0 5 年，我国去年煤矿发生 死广事故3 3 4 1 起，死亡5 9 8 6 人，2 0 0 5 年2 月1 4 日，辽宁省阜新孙家湾矿 难造成2 13 人死亡，1 人失踪的惨剧。对深部采场变形规律的认识还不全面 是造成以上工程灾害的重要原因，迫切需要对其进行进一步的了解和研究。 岩石分区碎裂化现象就是在深部采场的地应力接近或超过岩石单轴抗 压强度时，在巷道围岩呈现塑性状态下出现的- - ；f 0 0 新的巷道围岩变形规律。 这个现象的发现打破了传统的对巷道围岩破碎状态的理解，即把巷道围岩简 化为破碎区、塑性区和弹性区( 原岩应力区) ，它认为巷道围岩是破碎区和 未破碎区交替出现的结构。岩石分区碎裂化现象中各个参数的准确描述可以 使深部丌采更加经济安全地进行，对深部丌采是非常重要的，例如，开挖沿 着破碎区轮廓进行，铺杆的端部应处于未破碎区内，在爆破时，破碎区内用 弱爆力炸药，未破碲区内用强爆力炸药等。 关，一这个现象的认识，从理论上和试验f 的研究还很少，本文将从现场 础l 测数掘分析、演化机理和相似利料模拟实验_ = 三个角度列其进行研究。 1 2 国内外研究现状 俄罗斯学者分别从现场观o h , u 并h 实验的角度验证了这一现象的存在，并在 理论解释方面做了进步的探索，v n o p a r i n 1 】从地质结构的角度进行了分 析，认为破碎区的出现是岩体在准静念变形过程中，达到不稳定状念时，发 牛动力破坏，并形成新的稳定结构，这一结构在后续的一定加载范围内保持 稳定，这样的过程重复便形成区域化交瞥破裂现象；一些学者从非平衡热动 力学角度及非欧几何的方法出发，研究了岩体破坏的演化过程及岩石分区碎 裂现象的形成，但是这一方法没有触及岩体的块系构造，存物理图景方面还 小太明确。 文2 1 提出稳定化振动的假设，指出交替破碎结构的发展形成是与钻探和 爆钍芷的动力过程相联系的。但是，这一假设有两点质疑：( 1 ) 由爆破产生的时 辽宁工程技术大学硕士学位论文 问变化不能由稳定化振动来拙述，( 2 ) 在现场和模型上观察到的交替破碎结构 不仪仅伴随着动应力的作用而且伴随着静应力的作用。 文【3 】把与巷道外轮廓甲行的裂纹与来自外部震源的地震波的作用联系 起来。且在实验和理论方面做了大量的研究，无论是室内实验还是现场观测， 满足张应力破坏条件的拉伸波不是必须要与巷道外轮廓相似。而上i 这一理论 在矿井中没有动载荷作用的情况下解释分区碎裂结构是有一定困难的。 文 4 解释了分区碎裂演化过程中应力变化情况和出现这现象的条件。 在满足大采深的条件下，在峰值压力区的单元体将经受大的主应力和较小的 侧应力作用，应变5 z 从最初的压应变转为拉应变，裂纹将沿着与“有效的主 应力”平行的方向传播，在距巷道表面一定距离处 c 处将同步j 生一个支撑压力区，重复上一过程会产生第二个破碎带，只要大 采深条件成立，这一过程将继续。 文 5 基丁弹性力学理论，得出发，仁分区碎裂现象的深度，指出分区碲裂 化现象的出现与岩体中所有龟爱特征相关，交替破碎i i j 能在实际上不同的深 度m 现，墩决于岩石的力学系数。得出了巷道周边到最远破砰区的距离的经 验关系式，这些在实验中和原地确定的分区碎裂的参数的一致性使得可以利 用这些经验关系式来预测巷道同岩破碎情况，并为改革掘进方法，确保支护 安全有效提供指导。 文f 6 1 从平衡热力学的角度出发，揭示了巷道附近分区碎裂化现象的物理 基础，捕述了岩石从掘进巷道后的弹性状态到成熟的分区碎裂结构的失稳演 化过程，并用数值实验模拟了这一关系。 文f 7 i 建立了地下巷道附近描述应力场分布的非欧几罩德连续模型。用非 欧几晕德参数来决定岩石中的弹性变形的1 i 相容性，显示了破碎区叫能与岩 石的某一部分相似，在这一部分这个参数呈现最大值，一个分析允许把巷道 周围岩石交替破碎破坏的宏观特征与非欧儿里德参数联系起来。 af b o r z v r h 分析了煤巷周围顶板岩石和煤层的分区碎裂的特征，认为岩 石和煤碎裂程度随时f 叫而变化，且不仅取决于变形系统的强度，也取决于岩 体丌采不良工作面的松散和压缩的部分作用而实现的变化的阶段。 钱七虎【9 根据很多工程实例归纳出了岩石分区碎裂化现象的规律，对发 生条件予以概述，并用岩石分区碎裂化现象来界定深部岩体工程。 1 3 本文所要做的工作 国内对岩石分区碎裂化现象的认识还处于起步阶段，并没有现场的观测 数据表明这个现象的存在，破碎区出现的演化过程还不清晰明确，关于这方 面的实验探索也未见报道，针对以上情况，本文将展开以下工作： 1 、对岩石分区碎裂化现象现场观测数据进行分析，从应力、波速、应 凌、钻屑量和电测五个方面的数据分析围岩状态。用波速等手段探测深部巷 道围岩状态。 2 、探索岩石分区碎裂化现象中破碎区出现的过程。从岩石分区碎裂化 现象的物理机制和蠕变两个角度对它的演化机理进行探索，建立力学模型来 预测破碎区出现的时间。 3 、用相似材料对岩石分区碎裂化现象进行实验研究。用白光数字散斑 技术观测石膏试件全场变形，测定表面的变形情况。 辽宁i 程技术大学硕士学位论文 4 2 分区碎裂化现象的现场观测数据分析 本章将对岩石分区碎裂化现象予以介绍，然后将从围岩应力状态、围岩 中的波速、应变变化情况、钻屑量及电测血种手段对深部围岩状态的观测数 据进行分析，研究是否有与传统认为的围岩状态不同的结果。 2 1岩石分区碎裂化现象介绍 巷道罔岩岩石分区碎裂化现象是存矿山进入深部丌采后发现的新的地质 现象。巷道围岩的破碎区与未破碎区是以巷道为中心，旱准圆杆形立体同心 状交替出现，它们的形状与巷道外轮廓几何相似，如图2 1 所示，菘道周罔 面有细线的部分是裂隙带，未画细线的为未受破坏的地带，同时也是应力集 中地带，裂隙的方位有着立体同心的性质。应力集中的程度取决于岩体的 强度、岩石压力等，碎裂带的条数与采深、围岩强度、弹性模量等有关。根 据对岩石分区碎裂化现象的初步分析，采深、构造、动力情况均可以影响它 据对岩石分区碎裂化现象的初步分析，采深、构造、动力情况均可以影响它 的出现。 ( b ) 图2i 岩石分医碎裂化现象示意图 1j 辽亍工程技术大学硕士学位论文 2 2 深部围岩状态观测 在浅部，巷道围岩通常被简化为破碎区、塑性区和弹性区( 原岩应力区) 。 进入深部开采后，由于深部特殊地质环境使围岩产生了一系列与之相适应的 变化，主要特征是在巷道两帮和顶底板压密区和松弛区相f 叫出现，由于巷道 横断面上各个方向的应力集中程度不同，使得压密区和松弛区相问分布的情 况有时只有一帮出现，有时在顶板和两帮都出现，或者成准圆柱形分布，且 随时间而不断调整变化，这种现象在应力、声波波速、应变、钻屑量及电阻 测量上均可以反腆出来。 2 2 ，l 深部巷道围岩应力数据分析 深部巷道部分围岩应力状态反常态，显示出心力大小相问分布的格局， 这种现象在许多深井矿区均可观察到。 图2 2 显示的是金川矿区某试验道垂直于巷道侧墙的钻孔中应力与孔深 的关系。会川矿区硫化镍铜矿是世界级超大型矿集区( 仅次于力u 拿大的 s u d b u r y 矿区和俄罗斯的n o r i ls k t a l n a k h 矿区) ，也是中国最大的矿区，矿体 处于高地应力区，有埋深大，岩体破碎、丌采条件极差的特点，矿体位于5 0 0 6 0 0 米之下，最大采深超过1 0 0 0 米。该矿区部分测7 l 显示，在距硐壁不同深 度上，围岩应力呈不规则变化，如巷道埋深为5 0 0 米的某1 2 0 0 中段试验道， 垂直于巷道侧墙的钻孔n o ! ，沿径向方向上，围岩应力呈跳跃式变化，显示 出多个压应力区和拉应力区相间分布的格局( 图2 。2 ) 。该钻孑l5 1 m 处和7 米处的o t 显著小于附近的应力值，而深度4 2 m 处和62 m 处的应力值却较其 邻近的测点高，多个压应力区和拉应力区分布格局是与经典应力分和模式相 悖的。 i 利2 2 金川i 某试验道钻孔的不同深度处吲岩麻力实测结果12 1 前苏联库尔斯克半岛中部的西平矿区地处以水平构造应力为主的高地应 力区，实测水平最大主应力3 0 1 7 m p a 7 8 1 7 m p a 应力方向为1 2 0 0 左右， 毫 辽宁工程技术大学硕士学位论文 岩( 矿) 石强度盯r = 6 0 m p a 2 7 2 m p a ，岩体裂隙发育。图23 显示的是前苏 联库尔斯克半岛中部的西平矿区拉斯丰恰尔金属矿+ 6 0 0 m 水平的围岩应力 测量结果，也显示出与理论不符的复杂特征，不论石门巷道还是运输巷道， 所有测孔的测量结果均表明，沿钻7 l 深度方向卜，罔岩成力多次出现大小相 间分布，而且次主应力，方向也随着深度而多次改变。在曲甲矿区基络夫金属 矿采场内，巷道的围岩应力亦显示出与拉斯丰恰尔矿相同的分布特征，既有 正常的分布规律，电有不“正常”的特征。 侧帮 项板 图2 4p q 平矿区拉斯丰恰尔矿+ 6 0 0 m 水平运输巷道罔岩府力洲量结果【12 1 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 0 0 4 0 8 0 幽25伯平矿区基洛丈金属矿第通风巷道围岩庶力测量结果【12 盯印a | j ! l ，f p ji 卫八j 、立i ，k l o 弋。! 公i ， 擎矿y 蜒少。 4 0 0 4 0 8 0 o | n 佳1 a 、 l m j 、澎群滚辽 ! ；“、 j i - ， ： ! ? 、7 剀2 6 | j l 甲矿区丛洛夫金属矿石门巷道岩应力测量结果 12 2 2 2 深部巷道围岩波速数据分析 在完整的岩体中弹性波传播的速度较快，而在有裂隙发育的岩体中弹性 波传播速度较慢，同时，应力的增大会使结构面闭合，岩体被压密从而波速 增大，可以根据波速大小来判断围岩完整情况，也可以判断围岩虑力变化情 况。 图27 和图2 8 是会川矿区的波速检测结果，在松动圈内波速值极低，甚 至无法检测到声波，表明围岩已经丌裂，可以预测松动圈厚度约为1 8 m 2 5 m ，在1 号和2 号钻孑l 处我们看到，除了松动圈以外，1 号钻孔的8 m 处 和2 号钻孔的7 m 、1 1 m 处分别有波速下降的现象，图2 8 中，松动圈以外1 号和6 号钻孔波速有波动，这表明，在不同深度上，田岩并非全部处丁压缩 状态，而是呈现结构面张开与闭合相问分布的状态；，同时图28 也显示，巷 道变形越大，破坏越严重，结构面张丌也越大，而且产生结构面张开的围岩 范围也越大。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9m 幽2 7金川矿区1 15 0 硐段丽岩波速【12 图28 金川矿区12 0 0 硐段同岩波速【12 】 在下坑隧道的测量结果表明，不仅在松动圈内，而且在松动圈外的围岩， 均表现出随深度的“不正规”变化特征，不论在侧墙( 。图2 9 ) 还是在硐顶 ( 图2 1 0 ) ，均出现随深度的压缩与相对张开的现象。 o 扰动阶段 氆i 扰动强烈阶段 素攮静赣j 调整平衡阶段j 禽 虎力j t 熟蘩 1 蝴l 幽2 9r 坑隧道某边埔的波速变化曲线【12 图210 r 坑隧道拱都网岩波速变化特征【12 1 2 3 深部巷道用岩虑变数据分析 图21 2 为金j i l 矿1 15 0 中段某试验道l 号孔的沿孔深的应变，图2 1 3 为 1 2 0 0 中段某试验道的测试结果。图中正应变表示岩体松弛张开，负应变表示 岩体压缩。如图2 1 2 所示，在观测的前1 0 天内，硐壁和孔深1 1 m 的地方处 于拉伸状态，3 0 天的时候，应力状态发生明显变化，硐壁的拉应变陡然增大， 3 5 m 处爪府蛮也增大到一7 5 】o 一3 ，5 m 处测点由压缩转为拉伸，其余各点 应变均有所减小，这说明应力向巷道壁处集中。6 0 天的时候，围岩应力继续 发生明显的变化，硐壁处拉应变达到最大值，5 m 处由拉伸转为压缩，而7 m 处的拉应变进一步促使1 l m 处由拉转为压。9 0 天和1 1 0 天的两条曲线很接 潮 删 姗 黼 瓣 鲁 辽亍i 嚣技术大学硕士学位论文 近，俐岩达到了相对稳定的状念。图213 是1 2 0 0 中段某试验道围岩应变随 深度和时间的变化曲线，在第1 0 天的刚候，硐擘处拉应变较人，8 m 处碌现 拉张性质，5 5 天的时候并处府变均继续增大，15 7 天时，4 m 处出现压应 变，6 m 处出现较大的拉臆变，呈现出拉压交替现象。 两网均表明，在沿测孔深度上，压密区和松弛区桐问出现，一部分岩体 发生较大的位移而另一部分发生较小的位移甚至有方向栩反的位移。在时问 上，同一点处的围岩应史因时间不同而异，表现出同点压缩和张驰交替出 现，并向深度有所减弱。 围岩移动范围 7 一x 。x 7 。弋 ，、 | 粤：掣坚塑、 1 粤挈挚辈! ! ：塑】2。4 、 幽一2 l2 金川i 矿医1 15 0 中段试验道1 号测7 l 同岩应变随深度利时问的变化曲线【12 辽宁j - - 4 呈技术大学硕士学位论文 剀213金川矿区12 0 0 中段试验道刚岩麻变随深度和时间的变化曲线 12 会川地下部分巷道表现出与普遍规律不同的特殊性：在时1 4 j 上，围岩 某点处，压缩( 结构面闭合) 与相对拉伸( 结构面张丌) 交替发展，并不断 l 均围岩洙部转移，在空问上，压缩与相对拉伸相间分布，日随时问而不断变 化，这些特征与业已确立的科学概念是f i 相符的。 2 2 4 深部巷道围岩钻屑量数据分析 徐州矿务集团三河尖煤矿丁f 采深度7 0 0 m 以f - 多次发生冲击地压。在 7 2 0 4 工作面压力f 常区域的煤层中扣煤粉钻，直径4 2 m m ，深度6 8 m ，间距 5 m ，钻孔平行于煤层倾斜方向，高度距底板1 2 m ，标准煤粉量显示出波动特 征。它的l d 录方法是：记录其每孔每米煤粉量，然后用加权平均法列其进行 处理然后画出煤粉量曲线，标定煤粉量峰值。 孔槔砸 图214煤粉量变化曲线 13 诱发冲南前：2 一诱发冲击币：3 标准煤粉鼙 千秋矿1 8 1 4 2 工作面位于矿井西部姚四采区下山西翼，工作面平均采深 3 5 58 5 m 。图中三个钻孔在距煤壁2 米和5 米处钻屑量明显增加，说明该处 有应力集中，围岩疏密相划分布。 蕊 j+量棚每媾 辽宁工程技术大学硕士学位论文 鲻摄纛眶膏m 剀2 15钻屑量与煤壁距离关系曲线 2 ，2 5 深部巷道围岩电阻情况介绍 俄岁斯学者在o k t y a b r s k i i 矿一9 5 7 1 0 5 0 m 深度的巷道用电测的方法 对巷道围岩进行了观测，结果如图2 1 6 218 所示，“巷道的掘进引起了岩 体裂隙度较高地带( 标有深色花纹) 的形成。裂隙带的厚度达10 一l5 米， 从潜望镜观测和所作的蓝线图中看出，离巷道外廓最近的裂缝带的边界距外 廓1 3 米，最远的裂缝带( 在一1 0 5 0 水平的巷道) 距巷道外廓9 一1 1 米， 而且发生裂缝的方位同巷道的外形相仿。在严重破裂的岩石地带之f 叫，有着 相对未破坏的岩石，其裂隙度接近岩体的自然状态。”且对掘进面前方岩体 的电阻情况也进行了观测，结果如图2 】9 所示，电流值低的矿体地段对应 的是探测到裂缝的地带，而且探测到的裂缝地带的参数同上面所说的单个巷 道周边的情况相同。 幽216 o k t y a b rs k i i 矿一9 5 7 m 巷道1 号监测面剖面剀【1 】 辽宁工程技术大学硕士学位论文 217 o k l ：y a b rs k i i 矿9 5 7 m 巷道2 号监测面剖面幽 i 幽218 0 k t y a b rs k i i 矿105 0 m 巷道2 号监洲商剖面幽 1 】 p 倒219 捌进面前方钻孔电测图( i 2 3本章小结 本章介绍了岩石分区碎裂化现象。对该现象进行了现场观测资料的数据 分析，部分深部巷道围岩应力一反常念，显示出应力大小相间分布的格局。 从波速方面，围岩中的波速并非始终呈一个趋势，表现h 随孔深的“不f 规” 的变化特征。深部巷道围岩的应变在沿孔深方向上，压密区和松弛区桐间出 辽宁工程技术大学硕士学位论文 现，在时间上，表现出同一位置的岩体压缩和松弛状态交替出现，并向孔深 方向有所减弱。从钻屑量上亦可反映出疏密相问的状态。国外学者对巷道围 岩和掘进而前方岩体进行了电阻测量，结果显示出电阻值高低相问分和的格 局。 以上观测结果均显示出与传统对巷道围岩状态的认识不相一致。出现这 一现象的可能原因一方而是测量的误差造成的，另一方面是巷道围岩中有分 区碎裂现象。分区碎裂现象与深部岩体环境有密切关系，i i 章将叙述深部 岩体的基本特征及对围岩的影响。 辽j 丁程挫术大学硕卜学位论文 3 岩石分区碎裂化现象演化过程、蠕变机理及时间预测研究 上章对岩石分区碎裂化现象进行了现场观测的研究，这个现象的出现 是与它的环境息息相关的，本章将介绍深部环境特征，从岩石分区碎裂化现 象的物理机制和蠕变两个角度对它的演化机理进行探索，分析微裂纹在巷道 围岩巾从出现到交汇，最终形成破碎区的过程，并选用改进的西原模型预测 破碎区出现的时间。 3 1 深部工程界定问题 越来越多的工程面将在深部进行，但到底何谓深部，深部到底与浅部有 哪些不同，这里有必要明确一下何谓深部，随着对深部的了解的增多，人们 对“深部”概念的理解也在发展。不同的人根据不同的出发点给深部以不同的 定义。 何满潮把国际岩石力学学会定义的硬岩发生软化的深度作为进入深部 工程的界限。即假设覆岩的容重为2 5k n m 3 ，则硬岩发生软化的临界深度为 5 0 01 1 - 1 。因此将大于5 0 0m 深度范围的地下i ，程称为深部工程，把小于5 0 0m 的范围的地卜工程称为浅部工程。依据不司深度出现的岩打力学破坏现象、 采矿中的排水系统特点和井壁结构特点，将深部工程分为3 类，即较深工程、 超深工程和极深工程 1 1 1 。在发现岩石分区碎裂化现象之后，钱七虎认为岩 石分区碎裂化现象是深部岩体工程响应的特征和标志，在分析深部岩体工程 圈岩的变形、破裂和稳定性时必须考虑岩石分区碎裂化现象及破裂区的残余 强度，它决定了深部岩体工程( 例如巷道和洞室) 的开挖、支护方案的特点和原 理【9 。按照传统的连续介质弹塑性力学的概念，由于巷道的丌挖、应力集中 及应力重分布，在巷道的围岩中形成了相互依次配置的区域，在这些区域内岩 石处于不同的应力、变形状态，由巷道周围从里到外分别为破裂区、塑性区 和弹性区。而在深部岩体工程围岩中l 贝0 出现破裂区和非破裂区多次交替的 现象。以前把显著塑性变形和塑性圈作为深部工程的主要特性似乎没有反映 深部岩体工程响应的本质特性和特征现象，因为浅部岩体工程的巷道周围也 会产生塑性变形和塑性圈。基于岩石分区碎裂化现象米界定深部岩体工程， 就可以得到深部岩体工程的明确的具体概念。但是对于广泛的深部岩体的工 程地质和岩体力学条件，不可能得到“深部”的一个具体量值。俄罗斯学者 v n o p a l i n 认为“大深部”不可能对所有矿山地质条件确定一个具体的数值。 大深部开采应理解为一种临界深度，在这种深度下单个巷道周围升始产生动 力现象，并由于巷道表面应力集中和位移而出现岩石的塑性变形。岩石压力 辽宁t 程技术人学颂l 学位论文 的基本特征，f 如在深部所观察到的，是在巷道周围的岩石转入某种临界的 即所谓极限的应力状态。实验研究表明，在深度水平上巷道周围大范围转入 临界状态，并且开采深度不但丌始直接影响这些范围的规模，而且影响范围 内岩石状态。此外还有其他些相关的深部工程界限划分的参考参量 i 】。例 如采场生产中动力异常程度、次性支护适用程度、煤岩自重应力接近煤层 弹性强度极限程度、地温梯度显现程度等 2 4 。 3 2深部围岩环境特征介绍 了解深部工程围岩的力学特性，探讨深部围岩稳定性控制技术以及非线 性力学设计问题极为重要。影响深井开采及灾害控制的原因归纳起来宅要有 3 大冈素：高应力、高地温、高孔隙压。主要是高应力导致的岩爆、冒顶等 灾害；高地温产生的恶劣工作环境。有必要先了解。下深部岩体特征：深部 围岩与浅部围岩有很大的不同，主要表现为地应力场、地温场和地下渗流场 的变化特征。 应力场特征：掘已有的地应力资料显示，深部岩体形成历史久远，留有 远古构造运动的痕迹，其中存有构造应力场或残余构造应力场。二者的叠合 累积为高应力，在深部岩体中形成了异常的地应力场。据南非地应力测定， 深度为3 5 0 0 5 0 0 0m 时，地应力水平为9 5 1 3 5m p a 。 温度场特征：越往地f 深处，地温越高。地温梯度一般为3 0 。c k i n 5 0 。c k i n 不等，常规情况下的地温梯度为3 0 。c k i n 。有些地区如断层附近或 导热率高的异常局部地区，地温梯度有时高达2 0 0 。c k m 。岩体在超出常规 温度环境下，表现出的力学、变形性质与普通环境条件下具有很大差别。地 温可以使岩体热胀冷缩破碎，而且岩体内温度变化1 。c 可产生0 4 - - 0 5m p a 的地应力变化。据文献记载，1 0 0a 前在建期间( 18 9 81 9 0 5 年) 的s i m p l o n 地铁隧道f 瑞士一意大利，全长1 9 ，8k i n ) 的岩体温度为5 6 。c 。岩体温度升高 产生的地应力变化对工程岩体的力学特性会产生显著的影响。 渗流场特征：在常规条件下，裂隙岩体的水渗流符合达西定律。在地下 深处的岩体，由于高地应力、高地温等的影响，水的渗流和对岩体的力学影 响具有不剧一般的特点，有时甚至会引起地质灾害。 在以上的i 个场中应力场的作用是最重要的。这是因为对于深部的岩 体，虽然地温较高，但由于涉及范围相对有限，其温度变化不大，故可视为 恒温而纳k x , 岩体性质的影响之内，而可不予单独考虑。温度场对岩体的作 用包括两个方面，其一，影响岩体的力学属性，如温度升高，使岩体由脆性 向延性转化、强度和弹性模量降低，加强岩体的风化等；其二，通过应力( 温 堑! 三堡篓查盔兰堡：! 兰! 兰望兰 ! 竺 度应力) 作用间接影响岩体的特性。前者可归于岩体力学性质之中，后者归 入应力场巾，作为应力场的组成部分。渗流场对岩体的作用也可归结为两个 方面：一是产生动、静水压力而降低有效应力：二是对岩体组成物质( 岩石 和结构面中的填充物) 产生水化作用，劣化岩体的力学性能。与温度场一样， 渗流场的这两方面作用分别归于岩体的力学性质和应力场中。一方面渗流场 作为应力场的组成部分，另一方面，应力场对渗流场又有一定程度的制约作 用。在较高围压下，由于结构面紧密闭合，地下水并无渗流途径，故无渗透 力作用存在。而在地下水对岩石( 尤其是软弱结构而中的物质) 的作用方面， 虽然夹泥会在地下水的作用f 发生膨胀并产生膨胀力，但当此力不超过围压 时，央泥的性质1 i 可能发生根本性变化。综上所述，岩体的环境场中最重要 的是应力场。对深部围岩的研究归结为在应力场卜围岩性质的研究。 岩石在深部条件下表现出与浅部有很大的不同，比较有趣的是出现了岩 石分区碎裂化现象，即破碎区与未破碎区相问交替山现的现象，这无法用传 统的弹塑性连续介质力学理论来解释。了解它的演化过程是对其进行诈确理 论分析的前提，f 面对其演化过程进行介绍。 3 3岩石分区碎裂化现象物理机制及演化过程分析 岩石分区碎裂化现象的演化过程从热力学角度考虑，是远离平衡态的热 力学丌放过程；是动量不守恒、能量亦耗散、不符合圣维南变形协调条件的 非平衡念过程。 巷道在被丌挖之前，岩体处于三向应力平衡状态，丌巷后围岩应力将发 牛两个显著变化，一是巷道周边径向应力下降为零，刚岩强度明显下降，二 是围岩中出现应力集中现象，一般认为集中系数大于2 。如果集中应力小于 岩体强度，那么围岩将处于弹塑性稳定状态，当应力超过嗣岩强度之后，巷 道围岩周边将首先发生弹性叫弹，岩石力学试验表明，岩体的初始应力越高， 围岩的回弹量越大，在硐壁上应力变化最显著，回弹量也最大，周边岩体( 以 a 为半径的圆环处) 破碎，同时引起定范围内围岩径向应力的释放，应力 峰值向岩体深部转移。弹性能一部分转移到深部，一部分消耗在裂纹扩展的 表而能h 辽宁工程技术火学倾一二学位论文 图3 1岩b 分区碎裂化现象应力示意幽 在岩体深部峰值作用区( b 处) 那些平行于硐壁的节理( 裂纹) 优先张 丌，并发展交汇，裂纹的张开使其两边的岩体在径向上受到挤压，分别向两 边移动，a b 部分岩体向巷道罩移动，使巷道发生收敛，随后岩体会有瞬时 回弹，b 处裂纹表现为先张大再缩小，在一点处测得的应力表现出增大( 峰 值移动) 减小( 裂纹张丌，径向卸载) 增大( 弹性回弹) 减小 ( 径向应力释放) 这样一个跌宥起伏的过程，在一点处的位移表现出向巷道 移动，再向回移动这样个往返的过程，有观测显示，裂纹一旦形成，径向 应力即行释放。经过这样一个过程之后，如若围岩应力仍然高于岩体强度， 围岩并没有达到稳定状态，应力峰值继续向岩体深部移动，深部将继续破坏， 在c 点处，出于应力峰值的作用，平行_ 丁硐壁的裂纹张丌，并扩展交汇，其 两侧的岩体受到挤压作用，其巾，a c 处的岩体将再次受到围岩从力作用而 向巷道移动，b 处的岩体将继续发生破碎，同时这部分岩体在向巷道移动时 因受到硐壁岩体的阻碍而再次发生弹性回弹，裂纹沿着巷道外轮廓方向扩 展，这样的过程将一直重复到围岩达到极限平衡状态为止。 每一个过程的重复都将对前面已形成的裂纹区施加一次力的作用，而加 重其破坏稃度，第一个裂纹区因受到力的作用次数最多且初始峰值应力最大 而破碎程度最严重，第二、三个依次次之。出现一个破碎区便会有一部分应 变能消耗在裂纹的扩展上，从而转移到深部的应变能越来越少，因此碎裂带 的宽度会随着距硐壁距离的增大而越来越小，直至消失。 关于a b 和b c 之删未受破坏的围岩，其内部仅有残余应力分布，其 残余应力状念由岩体的残余强度决定。 辽宁t 程技术大学硕士学位论史 巷道围岩状念不仅在空f 刚上表现为破碎区和完整区相问出现，在时间上 也是变化的，对于围岩内某些裂纹处而言，在不同的时间可能处于不同的状 态，或压缩，或相对张开。破碎区裂纹随着时间不断显现出张开闭合 张开的变化，如下图所示， 闭合 张开 闭 张开 溯 图3 2破碎带山现过稃中裂纹变化情况分析 粉m删一闭谫 u”佾凇洲必镰”、孙刀晰谢獭珂长心， 匿= 二二曼一 蹲罩! 。勰 黼 牵三萨 择簿 幽3 4岩 i 分区碎裂化现象嘲岩应力变化示意因 此外，由以上的应力变化可知，现在大多数深部巷道锚丰t 等支护措施不 能起到很好的支护作用是一种必然。巷道支护的实质是给围岩提供一定的侧 压，但支护阻力与围岩的应力相比很小，较小的支护阻力难以改变围岩应力场 的演化进程。要想完伞控制住岩体的变形需要很高的支护阻力，目6 u 的支护 是做不到的。据了解在金川矿区，迄今为止所有支护结构所能提供的作用有 限，并：_ 卜能阻止高应力区围岩在时间和空间上的周而复始的演化，还有，当 对强烈变形和严重破坏的硐室返修时，由于通常的返修仅是拉底或开帮，使 其恢复所要求的硐室尺寸，著用相同的方法对其支拶，而并末改变罔岩本身 的变形破坏机制，围岩依然按原有的模式发生演化。因此，即使对此返修， 巷道变形破坏依然屡禁不止，而且再次变形破坏的类型和特征基本与以前相 同。 辽。j 。丁程技术人学项：i 学位论义 3 4 岩石分区碎裂化现象的蠕变机理分析 在长期工程实践中，国内外发展了一批适合浅部地下窄间丌发中的关键 技术和特定性分析的评价体系。这些技术都是建立在连续介质力学范畴内的 岩石力学理论基础上的，按照传统的岩石力学理论，当地卜洞室丌挖时，在 洞室周围依次出现处于不同应力一应变状态的破碎区、塑性区和末扰动弹性 区，这些区域的大小由岩体的初始应力场、岩体强度特征值以及洞室的形状 和大小来确定。深部与浅部确很火的不同，深部岩体由于地应力的作用围岩 己处于峰值后的应变软化阶段，在高应力、高温度、高空隙压力作用下，岩 体大部分破碎，其中有裂隙、节理、结构面等发育，岩体更多的显现出塑l 生、 大变形、流变和强烈的时问效应。使得以前的巷道变形规律的理论不适用于 深部情况，需要从新的角度来描述深部罔岩变形，下面让我们从蠕变的角度 对岩石分区碎裂化现象的机理进行分析。 蠕变是指在成力定内情况下，应变随时问的变化情况，如图35 所示， 当应力ox 低丁i 时，则不发生蠕变，如曲线b 所示，o 一为蠕变下限。 o 【 幽3 5 不- j 麻力水平r 岩f i 的蠕变 当应力高于。一时，岩石完整的蠕变曲线如柏线a 所示，o a 段为加载后 瞬刚产生的弹性应变，a b 段是随时闽增长的初期蠕变，此时岩石中的孔隙、 裂隙发牛压密、闭合，其应变速率逐渐减小，在此段卸载时，弹性应变瞬时 恢复，粘弹性应变随时间逐渐恢复到零；b c 段是稳态蠕变，在裂缝闭合之 后，出于恒定应力的作用，岩石中耨的裂纹不断生成，微裂纹密度增大，若 在此段卸载，弹性应变瞬时恢复，但岩石巾留有不可恢复的塑性变形：c d 段是加速蠕变阶段，在微裂纹密度增大到某一极限值时，应变速率迅速增加， 直至岩石破坏。当应力很高时，岩石的稳态蠕变阶段很短或者没有显现，岩 石直接发生破坏，如曲线c 所示。 辽宁t 程技术人学侦十学位论文 蠕变曲线反映的只是应变与时间的关系，并没有反映出岩石失去承载 能力时的具体应变及对应的应力，交替破碎现象的出现与应力有直接的联 系，如何把二者联系起来呢? 如图36 所示，无论是岩石试件的蠕变破坏还 是常规加载破坏，最终都是由于应变达到极限值，试件失去承载能力导致破 坏失稳，山软岩的蠕变试验与应力虑变全过程曲线晌比较可以看出，试件 在恒定廊力作用下岩石发生破坏刚 蛊 三小 o o 1 5 f f? p “讯 ? o _ 石 i ? h 1o ? o q 2 二 。来断裂 j 。 术舯裂 个断裂 蚓36 软岩的蠕变试验与应力一府变全过程曲线的比较 16 l0 斗 ) 0 0 3 0 05 0 0t 0 0 9 0 0 1 0 斗 图38 大理岩蠕变( 令过程曲线后暖) 破坏包络线情况 0 。瑚 | m m 0 。珊 m m 辽宁工程技术人学硕卜学位论史 的轴向应变与应力一应变全程曲线峰值后部分非常接近，而且随着应力值减 小，破坏时的轴向应变增大，在较低的应力作用下，岩石达到破坏时的应变 值要比高应力下的应变值大，如果认为图3 a 点的时刻第个破碎区外始形 成，b 点的时刻第二个破碎区开始形成，则在岩性不变的情况下，第二个碎 裂区的出现要比篇一个经历更长的时间。 关于“岩石失稳时虑变发展到极限值”的观点，有很多学者做过研究。 l a m a ( 19 7 3 ) 利用大理岩试什进行过不同应力大小的常荷载试验。如图3 8 所示，试验表明，对于破坏| j i 区蠕变包络线处于通常的应力一应变线之外， 而在破坏后区蠕变破坏的包络线非常接近通常的包络线。i 下秀( 1 9 9 9 ) 研 究了蠕变及疲劳破坏与单轴压缩破坏过程之i 刨的关系，疲劳试验中，重复加 载过程中的应力一应变曲线是正常的单轴压缩加载中的理想应力一应变曲 线中省掉了大于上限应力以上的曲线部分的另一一种形式的路径，蠕变的转移 试验得到同样的关系。如图39 所示 验l l l ，同样的关系也得到证实( 本山 另已证实，正常恒应力加载的蠕变试 19 9 3 ) 。葛修润对单轴压缩状态的砂 岩、大理岩和花岗岩试什疲劳破坏变形及机理做了试验研究，表明岩石的疲 劳破坏受到静态应力一应变全过程曲线的控制，疲劳破坏时的变形量与周期 荷载的l 限应力在静态应力一应变全过程曲线后区对应的变形量相当 3 7 】。 幽39疲劳试验中的上限扪向应变增 加路线t j 理想席力一应变曲线关系 图3 10蠕变试验中的麻一应变路线与 理想应力一应变曲线的火系 r 2 根据深埋圆形洞室二次应力状态的弹性分布，。- - 2 p 1 一号 辽宁t 程技术火学顺+ 学位论文 、rj 寻= 个破碎区j f 径 p 一一无穷远处静水压j ) o r 一一巷道围岩径向压力 图31 1岩石分医碎裂化应力分布幽 考虑一维问题，在巷道j ：i ：挖之后，o ，随着，的增大而越来越接近p ，p 为无穷远处静水压力。随着r 的增大围岩承受的压力越来越大，逐渐超过蠕 变下限，衰减蠕变阂值而达到稳态蠕变，岩石逐渐显露出流变性质，微裂纹 在距巷道r o 远处开始积累，微裂纹密度越来越大，由于岩石的颗粒、胶结物 和初始裂纹方向等冈素不同，裂纹扩展方向也不同，导致各向异性程度越来 越大，e 和兄随着裂纹的发展而逐渐变化。应变随着时间电在积累，当应变 值达到第i 阶段蠕变的闽值时( 此时裂纹密度也达到最大值) ，在岩石内部 形成了应变集中区，岩石呈现应变软化性质，应变率迅速增大，岩石发生宏 观断裂，第一个碲裂区开始形成，碎裂区内裂纹的大量扩展消耗了积累的变 形能，使集中的应力得以释放，峰值应力降低，在碎裂区外边缘处。r 降为零， 巷道圈岩结构发生改变，经过一段时f 日j 晌自我调整，重新进入相对平衡状态。 重复上一个过程，由于应力在距巷道中心为- 处达到蠕变下限，蠕变在此处 重新丌始，裂纹也在此处重新开始积累，当应变达到断裂的临界值时，第_ 个碎裂区”始形成，这里并没有考虑破碎区彤成所需的时间。 在 7 _ 处，在第二个碎裂区形成之后，这个区域内的应力卸载，岩 石中弹性应变瞬时恢复，粘弹性应变也随时间逐渐延迟恢复到零，这罩的岩 石更接近于自然状态。 当d 叫、于岩石的长期强度时，蠕变不再发生，微裂纹也不再扩展，巷道 围岩达到了平衡的极限位置。 关于碎裂圈与巷道外轮廓呈几何相似的特征，从蠕变的角度解释：巷道 围岩岩性变化不大，存相等应力作用j i = - ，在距巷道中心相同距离处，同时发 生微裂纹的扩展及宏观断裂，这方面有待进一步研究。 辽宁 ，程技术人学坝j 一学位论文 3 5破碎区形成的时间预测研究 岩石蠕变本构模型是用于描述岩石应力一应变一时间关系的数学物理 模型，它是沟通试验一理论一应用之间的媒介。在长期的研究工作中，人们 曾提出过许多种刘岩土材料适合的蠕变( 或流变) 本构模型，从它们的形式 上看，这些本构模型大体上可分为三类：经验公式；组合模型；积分形式的 模型。 3 5 1 经验公式 经验公式是根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达式。目前 的经验公式一般用于描述初期蠕变和等速蠕变；对于加速蠕变，至今尚未找 到简单适用的经验公式，按其形式分，目前有关材料蠕变的经验公式主要有 三种类型： ( 1 ) 幂函数型其基本形式为 s ( f ) = a t ”( o ” 盯，时，常力( 盯2 0 - o ) 作用下，该模型 的应变可表示为 ，= 协- 去f ( 1 - e x p ( - 百e 2 忡警e 挂1i b “一c e l = 1 6 1 0 4 m p a ，e 2 = 1 1 4 3 1 0 4 m p a ，r ，= 21 3 5 1 0 m p a - d ，7 7 ，= 7 0 8 1 0 8 m p ad t 的系数经调整分别取为03 3 3 3 、3 0 2 3 和1 0 。，取某类砂岩的全程应力一应 变曲线和在不同应力下的蠕变曲线，如图3 t 4 ( a ) 所示，在4 5 m p a 应力的作 用下，砂岩破坏时对应的应变为0 0 0 5 6 ，存图31 4 ( b ) 中，4 5 m p a 应力作用 的蠕变曲线上，与o 0 0 5 6 刑应的时间为3 0 天，也就是说在巷道丌挖后3 0 天左右，砂岩应变发展到极限，围岩内部出现宏观裂纹，裂纹不断发展、交 汇，在巷道外廓连接成与巷道形状相似的破碎圈。围岩上的应力转移到了距 离巷道较远的未破碎的岩体上，蜂值应力降为3 4 m p a ，在该应力作用下砂岩 的极限应变为o0 0 6 9 ，3 4 m p a 作用下的蠕变曲线上与0 0 0 6 9 相应的时间为 6 8 天，第二个碎裂圈形成需要6 8 天的刚间，同理，如图3 1 4 ，第三个碎裂 圈形成需要9 7 天。 迂于t 程技术大学硕士学也论文 歪 ( a ) ( h ) 罔314 蠕变预测岩石分区碎裂化现象时间示例蚓 3 。6 本章小结 本啬介绍了与岩石分区碎裂化现象密切相关的深部岩体的特征。把应力 场、温度场和渗流场的影响归结到个场，即应力场的影响。 对岩石分区碎裂化现象的演化过程进行了初步探索，认为破碎区的出现 是应力峰值向围岩深部转移的结果，且围岩状态是随时间而变化的，某一处 圈岩可能表现出时而压缩时新松弛的状态。 从蠕变角度分析破碎区出现的过程，依据“岩石失稳是与应变密切相关 的”，认为破碎区的出现是岩石的应变发攫到极限值，裂纹交汇贯通而至。 把岩石的蠕变曲线和单轴压缩曲线联系起来，用