（岩土工程专业论文）金川深部岩爆倾向性及隧巷围岩稳定性分析.pdf

， ni 。：、j 分类号v d c密级 硕士学位论文 金川深部岩爆倾向性及隧巷围岩稳定性分析 a n a l y s i so nt e n d e n c yo f r o c kb u r s ta n d s t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n g r o c ko f r o a d w a y i nd e p t hm i n eo fji n c h u a n 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 指导教师： 、j 一 衣水兄 岩土工程 资源与安全工程学院 曹平教授 答辩委员会主 中南大学 2 0 10 年0 5 月 9舢7 删69m 1 舢7iiily 作者签名：毒盎兰勃 日期：! ：坐l 年口三妇 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。 日期：竺坦年工月且i 日 硕上学位论文 摘要 摘要 金川镍矿因矿体埋藏深、地应力高、岩体破碎、开采条件极差等 因素闻名于世。近年来，随着金川主力矿山二矿区采掘深度不断加大， 深部岩体围岩质量恶化，地应力、水岩相互作用进一步加强等问题 逐步显现，严重影响了深部岩体工程的稳定性。集中体现在诸如岩爆 等地质灾变风险进一步加大，适用于浅部开采的隧巷支护型式与围岩 控制技术不能有效地控制深部环境下的岩体隧巷工程变形。面对越来 越严峻的实际情况，有必要对深部工程区域开展深入细致的多方位研 究，探究制约围岩稳定性影响因素，制定适合该复杂条件下的围岩稳 定性分析和控制方法。 本论文以金川公司科技攻关项目“金川矿山深部高强度采掘条件 下的岩石力学研究 为依托，结合金j i i - 。矿区工程实际，将现场监测、 工程地质调查、理论分析及数值模拟等多种方法有机地结合起来，探 索金川深部岩体工程的岩爆灾变倾向及渗流效应对围岩稳定性的影 响。本文主要进行了如下几方面的工作和研究： 1 对二矿区开展现场调研，深入实验区段采集岩石样本，系统 收集、整理、分析前人相关研究成果，揭示其深部地质构造、构造应 力场分布特征和岩体弱面发育特征等地质信息。 2 通过设置岩石力学常规实验和针对性实验成果，参阅相关理 论进行研究，利用模糊数学综合研究基于多因素影响下的深部岩体岩 爆灾变的倾向性。研究认为，考虑单一因素的判爆准则不适用于如金 川等深部复杂地质环境，而建议采用基于多因素共同影响的综合研究 方法判定岩爆等灾变的倾向性。并以此思想为指导得出金川深部六种 典型岩性均具有弱岩爆倾向的结果。 3 以考虑渗流效应对深部岩体稳定性影响为研究内容，运用大 型专业有限元软件m i d a s g t s 建立水力耦合下的等效连续介质计算 模型，对比模拟分析了在高应力作用下深部岩体开挖卸载过程中，有 无渗流效应对金川深部隧巷的影响。根据分析结果，本文认为，在高 地应力作用下，隧巷开挖引起的围岩应力重分布对渗流场分布规律有 显著影响，但渗流场的变化对围岩的变形及应力分布规律影响不大。 关键词：地应力，岩爆倾向性，渗流效应，数值模拟，围岩稳定性 i a b s t r a c t a bs t r a c t n i c k l eo r eo fj i n c h u a ni sw e l lk n o w nt ot h ew o r l df o ri t sd e e pb u r i e d d e p t h ，h i g hg r o s t a t i cs t r e s s ，c r u m b l er o c km a s sa n di l l - c o n d i t i o n e df o r e x p l o i t i n g w i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n gd e p t ho fj i n c h u a nn o 2m i n i n g d i s t r i c tr e c e n ty e a r , w h i c hi st h eb r u n to fj i n c h u a nn i c k l eo r e ，s e v e r a l t e c h n i c a lp r o b l m e so c c u ra n db e c o m et h eu r g e n tc o n c e r no fe n g i n e e r s ， s u c ha s d e g r a d a t i o n o f s u r r o u n d i n gr o c k ，r o c kb u r s t ，w a t e r - r o c k i n t e r a c t i o ni n d u c i n gs t a b i l i t yo ft u n n e la n ds oo n t h et y p e so ft u n n e l s u p p o r t i n ga n ds u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lu s i n gi ns h a l l o wm i n i n ga r en o l o n g e rs u i tf o rd e e pm i n i n g s oi ti sn e c e s s a r yt od of u l lr e s e a r c hi n t o d e e pm i n i n g a r e ai no r d e rt od e r i v em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c ts t a b i l i t yo f o f s u r r o u n d i n gr o c k ，a c c o r d i n g l y , r e l e v a n ta n a l y s i s m e t h o d sa n d c o n t r o l l i n gt e c h n i q u e f o rc o m p l i c a t e dc o n d i t i o na r ep r o p o s e d t h i sp a p e rp r o b e si n t ot e n d e n c yo fr o c kb u r s ti nj i n c h u a nn o 2 m i n i n gd i s t r i s ta n ds t u d ys e e p a g ee f f e c t e x e r t si m p a c to ns t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k ，w h i c hb a s e s o np r o j e c to f r e s e a r c ho nr o c k m e c h a n i c su n d e rc o n d i t i o no fd e e pa n dh i i m p a c tm i n i n gi nj i n c h u a n o r e a n dc o m b i n e ss i t u m o n i t o r i n g ，e n g i n e e r i n gg e o l o g ys u r v e ya n d n u m e r i c a la n a l y s i s m a i ne f f o r t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 s i t us u r v e yh a v eb e e nc o n d u c t e di nj i n c h u a nn o 2d i s t r i c t r o c k s a m p l e sc o n l l e c t i n g a n dp r e v i o u sr e s e a r c h d a t a a n a l y z i n gp r o v i d e i n f o r m a t i no fg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fw e a kp l a n eo f r o c k 2 n o r m a lr o c km e c h a n i c se x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e ds oa st o s t u d yt e n d e n c yo fr o c kb u r s t b a s e d o nr e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n d c o m p a r e dt op r e v i o u sr e s e a r c h ，f u z z ym a t h e m a t i c sh a sb e e nc h o s e na sa t o o lt os t u d yt e n d e n c yo fr o c kb u r s ti nd e e pm i n i n g ，w h i c hm a yi n d u c eb y s e v e r a lf a c t o r s s t u d yr e s u l t ss h o wt h a tr o c kb u r s tc r i t e r i aw h i c h c o n s i d e r so n l yo n ef a t o ra r en o ts u i tf o rd e e pm i n i n gi nj i n c h u a n s ot h i s p a p e ra d v i s e st h a tt h er e s u l t s w o u l db em o r e a c c e p t a b l eb yu s i n g c o m p r e h e n s i v es t u d y m e t h o dw h i c hc o n s i d e r s o v e r a l lf a c t o r s c o a t i v a t i o n b a s e do nt h ea d v i s e dm e t h o d ，t h i sp a p e rd e r i v e sw e a kr o c k i i 硕士学位论文 b u r s tt e n d e n c yo fs i xt y p i c a lt y p eo fr o c ks p e c i m e n sc o l l e c t e di nd e e p m i n i n gd i s t r i c t 3 a n o t h e re n d e a v o ro ft h i sp a p e ri st o s t u d ys e e p a g ee f f e c te x e r t i m p a c to ns t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ki nd e e pm i n i n g c o m p u t i n gm o d e l o fe q u i v a l e n tc o n t i n u u mu n d e rc o u p l i n gc o n d i t i o nh a sb e e ns e tu pb y u s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o ds o f t w a r em i d a s g t s t h e nn u m e r i c a l a n a l y s i so ft h em o d e lh a sb e e nc o n d u c t e db yc o m p a r i n gc o n d i t i o nt h a t s e e p a g ee x e r to ns u r r o u n d i n gr o c ka n dt h a to fi ti sn o t r e s u l t sr e v e a lt h a t s t r e s sr e d i s t r i b u t i o ni n d u c e db yt u n n e le x c a v a t i o nh a v ee v i d e n te f f e c to n d i s t r i b u t i o no fs e e p a g ef i e l d ，a n dc h a n g eo fs e e p a g ef i e l dh a v ef e e b l e i m p a c to nd e f o r m m i o na n d s t r e s sd i s t r i b u f i o no fs u r r o u d i n gr o c k k e yw o r d s ： c r u s t a ls t r e s s ，t e n d e n c yo fr o c kb u r s t ，s e e p a g ee f f e c t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k i i i 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 引言1 1 2 地下稳定性研究现状2 1 2 1 隧巷围岩稳定性研究的方法2 1 2 2 金川稳定性研究现状4 1 3 岩爆形成机理研究现状7 1 4 水对岩体稳定性的研究现状10 1 5 本文研究内容、目标和方法1 2 1 5 1 研究内容1 2 1 5 2 研究方法1 3 第二章地下硐室围岩稳定性的影响研究与变形特点。1 4 2 1 围岩破坏方式与机制1 4 2 2 影响隧巷稳定的主要因素1 5 2 2 1 地应力影响15 2 2 2 围岩类别1 6 2 2 3 岩体结构面1 6 2 2 4 地下水l7 2 2 5 采动的影响1 7 2 3 金川深部隧巷的破坏特征及变形规律。18 2 3 1 深部隧巷破坏特征18 2 3 2 深部隧巷变形规律2 0 2 4 本章小结2 2 第三章金i l - - 矿区概况及深部岩石力学性质研究2 4 3 1 金) l l - 矿区地质调查2 4 3 1 1 矿区地质构造2 4 3 1 2 矿区地质岩组与岩体结构类型区划2 6 3 1 3 深部岩体结构面调查2 6 3 2 水文地质调查31 硕士学位论文 目录 3 2 1 水文区划31 3 2 2 涌水量预测j 31 3 2 3 裂隙水对隧巷影响3 2 3 3 地应力环境3 3 3 4 矿区隧巷支护现状3 4 3 4 1 支护技术应用原则3 4 3 4 2 支护运用主要形式3 6 3 4 深部岩样室内物理力学实验3 8 3 4 1 岩石的物理性质3 8 3 4 2 岩块单轴抗压强度、弹性模量与泊桑比试验3 9 3 4 3 岩块抗拉强度试验4 2 3 4 4 峰前加卸载试验4 3 3 4 本章小结4 5 第四章金) t l - 矿区深部岩爆灾害倾向性的模糊预测4 7 4 1 岩爆预测的研究方法。4 7 4 2 金) l l - 矿区深部岩爆单因素倾向性评价5 l 4 2 1 基于自身岩性特征下的脆性系数法岩爆判据5 1 4 2 2 基于应力角度下的b a r t o n 岩爆判据5 2 4 2 3 基于能量理论下的弹性应变能指数( 睨，) 判据法5 3 4 2 4 基于岩体结构的围岩质量r m r 法5 4 4 3 基于模糊数学多因素评价5 5 4 3 1 建立评判因素集u 5 5 4 3 2 建立岩爆烈度评判集v 5 6 4 3 3 模糊关系矩阵r 及因素隶属函数的确定5 6 4 3 4 指标因素权重集a 的确定5 8 4 3 5 评判集b 及综合评判5 9 4 4 岩爆防治措施6 1 4 5 本章小结6 2 第五章金川深部隧巷围岩稳定性数值模拟研究 5 1 数值模拟软件简介6 4 5 2g t s 中流固耦合分析理论6 4 5 2 1 稳定流分析6 4 5 2 2 流动法则6 5 5 2 3 基本方程式6 5 硕士学位论文 目录 5 2 4 应力一渗流耦合分析6 6 5 3 计算模型的建立6 8 5 3 1 模型计算范围6 8 5 3 2 模型计算参数及边界条件6 9 5 4 渗流效应与隧巷围岩稳定性对比分析7 0 5 4 1 围岩应力场分析7 0 5 4 2 围岩变形分析7 3 5 4 3 开挖卸载对渗流场分析7 7 5 5 隧巷断面及支护改进建议7 8 5 5 1 隧巷断面的优选建议7 9 5 5 2 隧巷支护建议8 0 5 6 本章小结。8 1 第六章结论与展望。8 2 6 1 主要结论8 2 6 2 论文研究的创新点8 3 6 3 不足与展望8 3 参考文献8 5 j $ c 谢9 3 攻读硕士学位期间主要研究成果9 4 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自1 9 5 9 年法国m a l p a s s e t 拱坝失事及1 9 6 3 年意大利v a i o t 拱坝上游库区大 滑坡等事故的发生，使人们逐渐认识到岩体与与其所处地质环境中流体渗流的相 互影响，及后者对工程安全的重要程度。在绝大多数岩体工程中，岩体裂隙与孔 隙中的地下水活动是影响其稳定性不可忽视的因素。据统计，9 0 以上的岩体边 坡破坏和地下水渗透力有关，6 0 矿井事故与地下水作用有关，3 0 一4 0 的水电 工程大坝失事是由渗透作用引起的【l 】。在水电工程、石油开采、地下工程、边坡 工程等领域，都涉及岩体作用力、岩体地应力、地下水渗透力的相互作用及其耦 合问题。因此，研究岩体中地下水的活动规律，及其对岩体力学性质的影响，已 成为岩土工程界普遍关注的课题。 天然岩体是由岩石块体和非连续节理( 裂隙) 组成的多相不连续介质，并受不 同地质作用的遗迹切割。地下水赋存于这样的裂隙岩体中，其渗流状态及方向与 天然岩体中的大的空隙、特别是地质构造留下的断层等导水带有很大关系。分析 研究天然岩体中的水力学特性及其中水体的流动规律，己成为水文地质、岩体力 学等学科的新兴课题，并取得了丰富的成果，逐渐形成岩体水力学 ( r o e k h y d r a u l i c s ) 这门新的交叉性学科。该学科在水工、采矿、石油等考虑岩体 渗流的工程领域中得到了大量的实践，丰富了学科成果，指导了工程建设，已成 为当前岩体力学的热点之一。 存在于天然岩体中大量的随机孔隙和裂隙，不仅劣化了岩体的力学性能，也 严重影响了地下水在岩体中的力学表现和流动规律。研究裂隙岩体中地下水活动 规律的首要问题不单是局限于渗流场的单场分析，而是还要考虑裂隙岩体由于原 岩自重及构造应力作用所产生的应力场的作用，即渗流场与应力场间的耦合分 析。这其中，岩体的加压或卸载将引起岩体中孔隙( 裂隙的张开度) 的变化，改变 了裂隙岩体的渗透特性和渗流场的分布。同时，渗透场的改变又会引起岩体中应 力场分布的变化，从而构成了应力场和渗流场之间的耦合关系。 本文以在研项目“金川矿山深部高强度采掘条件下的岩石力学研究 为基础， 运用并深化其成果，通过对矿山深部岩体地应力场的测定、设置岩石常规力学实 验和针对性实验，参阅相关理论进行研究，利用模糊数学方法综合研究金川特殊 地质条件下基于多因素影响的深部岩体岩爆灾变的倾向性，并以水作用下深部岩 体稳定性为研究内容，深入探讨深部岩土工程中多场耦合作用下的变形破坏机 硕士学位论文 第一章绪论 理，最后运用专业大型有限元软件m i d a s g t s 建立耦合计算模型，模拟高应力、 高渗透压作用下深部岩体开挖卸载过程中的应力、变形趋势。 1 - 2 地下稳定性研究现状 1 2 1 隧巷围岩稳定性研究的方法 总的来讲，隧巷围岩稳定性分析方法大体可归纳为两大类：定性分析方法和 定量分析方法。 ( 1 ) 定性分析方法 定性分析方法是通过分析影响隧巷围岩稳定性的主要因素、失稳的力学机制 及可能的破坏形式，快速地对围岩的稳定状况及其发展趋势做出评价，一般包含： 工程类比法 利用具有类似条件的已建隧巷设计经验，根据拟建隧巷的工程地质条件、岩 体特性，进行综合的分析与比较，定性地判断工程岩体的稳定性，具有简单、快 速等特点。工程类比应用起来有较大的随意性，且需要使用者有较丰富的工程经 验。 工程地质法 工程地质法主要是根据岩石的强度、岩体的r q d 值、矿区地质构造、地下 水性态等多方面因素来评价隧巷围岩的稳定性。目前已有二十多种围岩分类法， 常用的有普氏分级法、岩芯质量指标法( r q d ) 、r m r 分类法、r s r 分类法、q 分 类法、围岩位移量分类法、围岩稳定性指数分类法、岩体工程地质力学分级和煤 炭部五类围岩分类表法等【2 】o 图解分析法 通过作图给出结构面、临空面上力的大小和方向，分析结构面之间、结构面 和开挖临空面之间的空间组合关系，确定出开挖临空面上受结构面切割而形成的 块体的体积，形状及与开挖临空面的空间关系，进而分析开挖面的稳定性。目前 常用的作图法主要有：赤平极射投影分析法、实体比例投影分析法、关键块体分 析法等。王思敬院士等1 2 l 在应用赤平极射投影和实体比例投影分析法进行地下工 程围岩稳定分析方面，进行了系统的、开拓性的研究，取得了大量的成果。 ( 2 ) 定量分析方法 定量评价是测试岩体的物理力学性质，建立简化的数学力学模型，用数学力 学的方法求解。 解析法 解析分析法是指采用数学力学计算求取闭合解的方法。在进行围岩稳定性分 2 硕：t 学位论文第一章绪论 析时，经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算，得出弹性解析解”l 。该 方法多用于求解圆形隧道，求解较为精确，参数也容易确定。当求解非圆形隧道 时比较繁琐，需要通过保角变换将单位圆外域映射到硐室外域。朱大勇掣3 1 提出 了一种新的可以求解任意形状硐室映射函数的计算方法，并将其用于复杂形状硐 室围岩应力的弹性解析分析。解析分析法可以解决的实际工程问题十分有限。但 是通过对解析方法及其结果的分析，往往可以获得一些规律性的认识。 模型试验法 模型试验法是根据相似原理和量纲分析原理，通过模型或模拟试验的手段来 研究围岩中的应力和位移分布状态。这类试验的最大优点是可以直观地显示出隧 巷变形破坏过程，进而研究其稳定性。常用的方法主要包括相似材料法、离心试 验和光测弹性法。曾亚武等1 6 j 、陈安敏等【7 】对具体工程的模型试验结果，说明模 型试验在地下硐室分析中的应用具有广阔的前景。但模型试验也存在不足之处， 很难保证所有物理参数都满足相似条件，测量数据受仪器精度影响大，所以只能 是对工程实际的一种近似。 数值分析法 2 0 世纪7 0 年代后，随着数值计算理论和计算机科学的发展，数值计算方法 逐渐运用到围岩稳定性分析中，并已成为有效的分析手段，越来越多地应用于围 岩稳定及变形问题的分析中。目前常用的数值分析方法主要有：有限单元法 ( f e m ) 、快速拉格朗日分析法( f l a c ) 、离散单元法( d e m ) 、不连续变形分析法 ( d d a ) 、流形法、边界元法( b e m ) 、无单元法等。 有限单元法( f e m ) 是最早得到应用，同时也是目前应用最广泛的一种数值分 析方法。目前已开发了多个二维及三维有限元分析程序。国内外学者【8 9 】在这方 面开展了大量的研究，取得了丰硕的成果。 为了克服有限元等数值分析方法不能求解岩土体大变形问题的缺陷，根据显 式有限差分原理，e a c u d a l l 针对材料非线性和几何非线性而提出的一种数值方 法【1 0 j 能有效模拟随时间演化的非线性系统的大变形力学过程，适用于求解连续介 质的大变形问题，且求解速度较快。陈帅宇等f l i 】、张练等【1 2 】、曾静等【1 3 】、朱维 申等1 1 4 】采用f l a c 方法研究了地下厂房的稳定性。 离散单元法1 9 7 0 年由c u n d a l l 1 5 】首次提出，并应用于岩土体稳定性分析的一 种数值分析方法。离散单元法允许单元发生大的平移和转动，因而能够分析岩体 大变形问题【l6 】。在稳定分析中，它的功能在于反映岩块之间接触的滑移、分离和 倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力。该法的优点是利用显式 时间差分解求解动力平衡方程，可方便地求解非线性大位移和动力稳定【l 。7 1 。裴觉 民1 1 8 】用离散元方法对块状岩体中的地下硐室进行了稳定性分析；王涛等 1 6 , 1 9 利用 三维离散元方法以及3 d e c 与3 d g i s 研究了地下硐室群围岩的稳定性。 硕士学位论文 第一章绪论 d d a 方法是一种分析不连续介质力学的岩土工程数值模拟方法，由美籍华 人石根华于1 9 8 6 年提出。该方法平行于有限元法，充分考虑了岩体的复杂性， 将结构面切割而成的块体作为分析单元，将动力学与静力学统一起来，用最小势 能原理把块体之间的接触问题和块体本身的变形问题统- n 矩阵中求解，具有完 备的运动学理论、严格的平衡假定、正确的能量消耗【2 0 之1 1 。s h i 等【2 0 】，邬爱清等 1 2 2 l 将d d a 方法用于硐室围岩变形与破坏特征分析中。 流形方法是由石根华等人发展的一种新的数值分析方法。数值流形元方法以 拓扑流形和微分流形为基础，吸收有限元和非连续变形分析的优点，应用有限覆 盖技术把连续和不连续变形力学问题统- - n 流形元方法之中，是一种十分适合岩 土工程分析的数值方法【2 1 1 。董志宏等【2 3 】将开发的数值流形元方法软件，应用于 地下硐室稳定性问题的计算分析，并开发了锚固支护模块f 矧。 另外边界单元法【2 弛6 1 ，无单元法【2 7 2 8 】也在地下硐室的稳定性分析中也得到了 不少应用，此外还出现了一些联合运用两种数值方法分析地下硐室的一些成果 【2 9 1 o 反分析法 在岩土工程领域利用反映系统力学行为的某些物理量推算该系统的各项或 一些初始参数，称为反分析法，主要分为位移反分析和应力反分析。位移反分析 是利用现场量测位移来反推工程区域的力学特性参数【3 0 l 。倪绍虎等【3 1 】，丁德馨 等【3 2 1 ，高玮等【3 3 】将遗传算法、粒子群算法等优化算法运用于地下工程位移反分 析中。应力反分析则是依据工程区域内有限个实测应力值，建立相应的数学力学 模型推求区域内的初始地应力【3 4 1 。金长宇等【3 5 1 和易达等【3 6 1 采用神经网络法和遗 传算法对岩体力学参数及地应力进行反演分析；谢红强等【3 7 1 将灰色控制系统理 论引入地应力反分析。 不确定性法 岩石力学虽然在理论和工程实践中都得到了较大的发展，但由于地下岩石工 程中还有大量随机性与模糊性等不确定性因素，导致其理论发展仍然落后于工程 实践。这些年来，国内外学者针对岩土工程的不确定性问题，提出了许多新的方 法。刘宁等【3 3 1 ，尚新生等【3 9 】针对地下工程的特点，开展地下结构可靠性的研究。 陈守煌【4 0 1 、盛继亮【4 、许传华【4 2 】研究了地下工程围岩分类的模糊评价分析模型。 冯玉国【4 3 】将灰色理论应用于地下工程围岩的稳定性分类中。 1 2 2 金川稳定性研究现状 金川矿区坐落于地质活跃地带与稳定地带的结合部，频繁的地质构造运动使 该矿区为一较高地应力和矿岩不稳定的难采矿床。各类地下工程的稳定问题继而 4 硕士学位论文 第一章绪论 成为制约金川矿山安全、高效生产的最根本的问题。无论是每条隧巷、采场、露 天边坡的的稳定与变形破坏，还是整体填充体及正在建设中的开拓工程的稳定， 这些稳定性问题都严重制约着矿山的安全可持续发展。 随着矿区逐步进入深部开采阶段，工程地质环境也相应发生了新的变化。随 着开采的延深，地应力持续加大，且分布已发生了显著变化，采场隧巷所处的环 境也随之变化，导致隧巷稳定状态趋于恶化。而且发育的节理岩体所产生的碎胀 蠕变，使隧巷变形增大，速度加快。同时，深部地下水较为丰富，导致碎裂岩体 自稳性恶化。加之多中段开采，采动应力更趋剧烈，对采场隧巷影响也日趋显著。 这一系列的不利因素，使深部工程围岩的稳定性问题愈加突出。如近年来二矿区 深部某些隧巷在开拓过程中，新掘进隧巷最短在2 3 天内就会发生侧帮、顶板开 裂、整体规格缩小的现象，出现前面掘支，后面返修的局面。有些地段虽成巷几 年，但变形缩颈现象不见稳定，已返修加固多次，几乎用尽了国内外各种先进的 支护形式，但仍未从根本上寻找出一种行之有效的支护方式，甚至某些地段开掘 一个月之内，四米多宽的隧巷两帮内挤收敛累计达两米。除此之外，深部开采采 场顶板稳定问题也越来越突出，现在采场顶部填充体以发生局部冒顶事故，既危 及工人人身安全，也影响了正常的矿区生产。同时，地下采空区有整体变形的现 象，且在地表发现了大量裂缝。根据监测，采空区的变形正在加剧。 深部应力环境和地质条件的改变，不仅导致隧巷稳定性变差，而且围岩的变 形机理和破坏模式也发生显著变化，导致适用于上部隧巷的支护型式与控制技术 不能有效地控制深部的采场地压。因此，作为金川矿区具有深远意义的挑战性研 究课题，不仅需要对潜在的不稳定区域给予充分、可靠地评价，更需要综合研究 各种不利因素对工程稳定的影响程度，探索适用于金川特殊地质环境下的围岩稳 定性控制方法。在地下工程稳定性方面，自建矿以来，特别是1 9 7 8 年金川i 被列 为国家资源综合利用基地以来，各路专家云集，与金川科技人员一起，对金川矿 山的开拓方式，采矿方法的设计，相应的稳定性探索等方面联合攻关，取得了显 著的成果 4 4 4 7 1 ： 1 9 6 9 年开始，历时十余年，中国科学院地质研究所分别与金川公司及设计、 地勘、建设单位，对金川矿区的工程地质进行了全面研究，在地质学家谷德振教 授的指导下，应用岩体工作地质力学的理论与方法，对金川矿区的区域稳定性进 行了评价；对金川矿区工程地质岩组进行划分；对金川露天矿边坡的稳定性进行 研究及评价；对金川二矿区、龙首矿一期建设的地下工程进行工程地质预报。其 关于金川工程地质研究成果具有原始创新意义。 1 9 7 3 年1 9 7 6 年，长沙矿冶研究院和中科院地质研究所，在金川公司、八建 公司、北京有色冶金设计研究总院等配合下，先后用光弹片法和电阻片法进行原 5 硕士学位论文第一章绪论 岩应力测量，得出金川地应力的一些规律，如长沙矿冶研究院得出水平应力大于 垂直应力两倍的结论，中科院认为水平分量大于或接近于垂直分量，水平方向和 两个应力分量一大一小，具有明显的方向性，其产状与金川控制性构造变形场是 一致的f 4 5 】。 1 9 7 5 年- 1 9 8 0 年，中科院地质力学所、国家地震地质大队、金川公司和兰州 地震研究所等，运用地质力学的理论和方法分析了金川矿区的区域稳定性；实测 了金川矿区及外围共十个点的应力值；系统地分析了金川矿区隧巷变形破坏的主 要原因，同时提出了防治措施；对开采的有关问题提出了一些建议f 4 5 1 。 1 9 7 9 年1 9 8 0 年，冶金工业部建筑研究总院与金川公司、北京钢铁学院进行 了金川复杂地质喷锚支护作用机理与应用技术的研究，采用矮墙半圆拱断面； 分两次支护：“先柔后刚 ；初始支护后用监测“围岩支护 力学形态，确定 最终支护的时间、类型、参数；采用仰拱封底。试验结果不仅对认识金川高挤压 地层“支护围岩”的关系上前进一步，而且对解决金j i l 高挤压地层的支护问 题具有实际意义的。 1 9 7 9 年1 9 8 6 年，北京科技大学和金川公司共同完成了金) l l - 矿区不良岩层 隧巷地压活动规律及其控制方法的研究，重点研究了金川不良岩层的蠕变特性及 隧巷地压活动规律，提出了有效控制地压的方法，认为现场监控设计法及用监测 数据来指导设计和施工，为金川不良岩层隧巷维护工作开拓了一个新的领域f 棚。 1 9 8 2 年1 9 8 4 年，北京大学进行了金川矿区断层泥特征及其与隧巷变形关 系的研究，取得了丰富和系统的断层泥研究资料，王仁教授等进行了金川隧巷 大变形的粘性流体有限元分析研究。 1 9 8 4 年1 9 8 6 年，中南工业大学完成了金川镍矿二矿区采矿方法的岩石力学 研究。 1 9 8 5 年1 9 8 8 年，金川公司和瑞典律鲁大学立特公司、北京有色冶金设计研 究院合作完成了中国瑞典关于金) l l - - 矿区采矿技术合作岩石力学研究 报告。报告在总结金) 1 1 - 矿区现有的岩石力学研究方法和成果的基础上，开展 两个试验采区稳定性的研究。主要研究内容有：工程地质调查分析、岩石物理力 学参数测定、原岩应力测量、试验采场综合监测、数值模似等。该项研究使金川 现场应力、位移监测、岩石试验、围岩稳定性评价及岩体加固等方面都有了新的 进展，并形成了二矿区沿用至今的采矿方法。 1 9 8 9 年，中科院地质与地球物理研究所陈宗基教授对地下隧巷长期稳定性 的力学问题进行了研究，完成了地质力学的地质调查、岩体力学实验、岩体应力 测量、硐室变形观测和金川不良岩层隧巷摩擦式锚杆预应力锚索分期支护及稳定 性研究。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 9 9 4 年1 9 9 7 年，北京科技大学蔡美峰教授和方祖烈教授等与金川公司一起 进行了金川二矿区大面积无矿柱连续开采围岩稳定性分析研究，对金川二矿 区深部工程地质分区和岩体分类、深部矿岩力学特性、深部地应力、大面积无矿 柱开采三维有限元和离散元分析、深部隧巷稳定性数值模拟等进行了研究和测 试。 2 0 0 2 年，中国科学院地质与地球物理研究所、金川镍钻研究设计院、金川 公司二矿区联合进行了深部多中段回采地压规律及灾变失稳预测与控制研究。并 于同年，金川科研工作者进行了金) q - 矿区深部隧巷稳定性与支护技术研究【4 刀。 2 0 0 4 年，金川公司二矿区进行了采矿盘区不均匀下降问题的对策研究并与 中南大学合作进行了1 1 5 0 m 中段大面积高应力水平矿柱中深孔采矿方法应用技 术研究。 2 0 0 5 年，兰州大学、金川公司二矿区合作进行了金川二矿区1 1 5 0 中段水平 矿柱回采前后应力场分布规律及其安全评估的研究【4 7 1 。 以上研究项目，从不同的角度围绕岩体稳定问题开展了多方面系统的研究工 作，其中许多研究成果应用于金川的实际生产建设，对金川矿区的稳产、高产起 了重要作用。 1 3 岩爆形成机理研究现状 岩爆是硬质脆性岩体受应力作用下拥有足够的弹性变形能储备后，遇到工程 开挖后，发生地应力分异，围岩应力由于二次分布而导致局部跃升及能量集中， 使围岩暴露面产生张一剪脆性破坏，并可能伴随声响和震动的围岩突然失稳现 象。在这一系列过程中，围岩由静态平衡向动态失稳发展，岩块( 片) 获得动能 隔离母体，经历了“劈裂成板一剪断成块一块片弹射 的渐进式动力破坏过程【4 引。 由于岩爆的严重破坏性，己引起人们的高度重视。到目前为止，世界各国采 矿界和岩体工程界的专家、学者对岩爆研究已历经了2 6 0 多年，在岩爆机理、岩 爆预测与预报以及岩爆防治诸多方面均取得了一些成果。但是，由于岩爆是极为 复杂的动力失稳现象，影响因素较多，不仅与地形地貌、地层岩性、岩体结构、 地质构造有关，而且还与地应力大小及其分布规律、作用特征、外界扰动、工程 活动的方式方法、深部复杂地质作用等因素有关，而且目前的研究还处于假说和 经验的阶段，所以至今尚未形成统一的理论与技术。在对岩爆形成机理的认识以 及在岩爆判据的研究上，更是众说纷纭，也很难作到准确预报和合理治理。正如 著名岩石工程学家e h o e k 所言：“目前对这种渐进破坏过程还很不清楚，它是岩 石力学、工程地质学等有关专家、学者所面临的一个挑战性难题”f 4 9 j 。纵观该领 域的研究，国内外学者主要从两方面进行了工作，一是从静力学理论方面( 它也 7 硕士学位论文 第一章绪论 是广泛采用的岩爆预测判据的理论依据) ，进行纯弹性分析，弹塑性分析或当成 变形局部化用分叉理论来分析；另是从动力学理论方面，依赖于静力学的先决 条件，把冲击波或弹性波在岩层中传播与岩爆联系起来，探究动力学扰动能否激 发岩爆【5 0 1 。近年来，随着研究的深入，对岩爆机理的研究取得了较多的成果，提 出了多种理论，尽管这些理论对岩爆这一复杂动力失稳现象的认识还不够深入， 但是，它们互相影响、相互促进，推动着对岩爆机理的认识从假说向成熟的理论 发展。这里，我们对相关理论研究分别予以概述： ( 1 ) 静力学理论机制 静力学理论的学者认为，岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体的存 在，且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因：某些附加荷载的触发是其产生的 外因。上述机理的另一种说法是，处于高地应力环境中的结构完整的硬脆性围岩， 在隧道开挖后，切应力达到或接近围岩无侧限压缩强度，在其它因素的诱发 下，围岩便以岩爆的形式出现失稳破坏。上述过程可以被总结为岩爆形成机制的 静荷载( 静力学) 理论，它也是广泛采用的岩爆预测判据的理论依据【5 l 】。目前，涉 及到静力学理论的有强度理论、能量学观点、断裂和损伤力学理论等等。 强度理论观点 强度理论认为，岩爆是重分布应力达到岩石强度时而产生的破坏。主要有两 种破坏方式张性破坏与剪性破坏。用格里菲斯理论解释，岩爆为拉伸破坏； 用摩尔一库仑准则解释，岩爆为剪应力作用产生的剪切破坏。陈宗基教授提出的 扩容理论也可作为解释岩爆发生机制的一种理论1 5 2 1 。 近代的强度理论主要考虑“岩体一围岩系统复杂受力状态的极限平衡条件， 并注重应用实测资料进行定量分析。一般认