（岩土工程专业论文）复杂地质条件下矿山地压分布规律及控制研究.pdf

l _ 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 | | i i ii l l1 1 1 1 ii l li ii iiii 17 3 9 3 4 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名_ ：夏堡日期：鲨蚯l 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 矿山地压是引起采矿工程和其他矿山岩土工程变形和破坏的根本作用力。弄清矿山地 压分布规律，对于矿山安全生产有非常重要的意义。在复杂的地质条件下，地应力的分布 本身就具有复杂性和多变性，而且各种采矿方法对矿区地应力分布也有很大的影响，因此， 复杂地质条件下矿山地压的分布规律及控制研究已经是矿山岩土工程的重要课题之一。 程潮铁矿地质条件复杂，所采用的无底柱分段崩落法对该区域地压分布规律影响较 大。程潮铁矿- 4 3 0 m 水平以上矿体以两个矿体的形式赋存，采矿分东、西区进行开采，从 而形成东、西区两个崩落带，在崩落带之间的中间无矿带应力集中程度非常高，会造成其 下部采场地压异常。因此，有必要对该矿地压规律以及控制措施进行研究，确保安全生产。 本文在程潮铁矿地质调查及对程潮铁矿岩石及矿石进行力学实验的基础上，对该矿东 西区结合带的地压分布规律进行了三维数值模拟分析，找出了该矿区地压分布规律；对该 矿区部分矿体回采顺序进行了优化模拟，以达到控制该矿东西区结合带地压的目的；对矿 区结合带岩体质量进行了分级评价，并在此基础上对东西区结合带巷道支护方案进行了优 化；最后将上述研究成果在该矿区东西区结合带的回采过程和地压控制中进行了应用，同 时，对东西区结合带地压和巷道变形规律进行监测，监测结果表明采用优化的回采方案后 采场应力集中程度降低了，采场地压得到了有效的控制，采区巷道也比较稳定，保证了矿 山安全生产。 关键词：矿山地压，数值模拟，回采顺序，岩体分级，巷道支护，变形监测 a b s t r a c t m i n i n gg e o s t a t i cp r e s s u r ei st h ef u n d a m e n t a lf o r c ec a u s e db ym i n i n ga n do t h e rg e o t e c h n i c a l e n 西n e e d n gd e f o r m a t i o no rf a i l u r e i t sv e r yi m p o r t a n tf o rm i n es a f e t yt oc l a r i f yt h ed i s t r i b u t i o n o fm i n i n gg e o s t a t i cp r e s s u r e i nc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h ed i s t r i b u t i o no fg e o s t r e s s i s c o m p l e xa n dv a r i a b i l i t y , a n dw h i c hi sa f f e c t e db ym i n i n gm e t h o d s s oi t h a sb e e no n eo f i m p o r t a n ti s s u e si nm i n eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a r e at or e s e a r c ht h ed i s t r i b u t i o nl a wa n dt h e c o n t r o l l i n gm e t h o d so f t h em i n i n gg e o s t a t i cp r e s s u r e c h e n g c h a oi r o ni si nt h ec o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，a n dm o r et h a nt h a t ，t h eg e o s t a t i c p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nl a wo fc h e n g c h a oi r o ni sa f f e c t e dg r e a t l yb yt h es u b l e v e lc a v i n gm e t h o d w i t h o u ts i l lp i l l a r t h e r ea r et w oi r o no r em a s so c c u r r e n c ea b o v e t h e 一4 3 0 ml e v e lo fc h e n g c h a o i r o n s ot h es t o p ew a sd i v i d e dt ot h ee a s ts t o p ea n dt h ew e s ts t o p e ，w h i c hi sc a u s e db y 铆o a v a l a n c h ez o n e a n dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no ft h er o c km a s sb e t w e e nt h et w oa v a l a n c h e z o n e i sv e r yh i g h ，w h i c hc a u s et h em i n i n gg e o s t a t i cp r e s s u r ea b n o r m a l i t yo f t h es t o p eu n d e rt h er o c k m a s s t h e r e f o r c ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h eg e o s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nl a wa n dt h ec o n t r o l m e a s u r e st oe n s u r et h es a f e t yp r o d u c t i o n j i nt h i sp a p e r , b a s i n go ng e o l o g i c a ls u r v e yo fc h e n g c h a o i r o nm i n ea n dm e c h a n i c s e x p e r i m e n to ft h er o c ka n dt h eo r e ，t h eg e o s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f b o n d i n gz o n ei ne a s t a n dw e s to ft h em i n i n ga r e aw a ss i m u l a t e db yt h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm e t h o d ，a n dt h e g r o u n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw a sf o u n d t h es t o p i n gs e q u e n c e o fp a r t so fo r e b o d yw a s o p t i m a l l ys i m u l a t e d ，i no r d e rt oc o n t r o lt h eg e o s t a t i cp r e s s u r eo fb o n d i n g z o n ei ne a s ta n dw e s t o ft h em i n i n ga r e a t h eq u a l i t yo fo r ei nb o n d i n gz o n ew a sc l a s s i f i c a t i o n l ye v a l u a t e d ，a n do n t h i sb a s i s ，t h er o a d w a ys u p p o r tp r o g r a mw a so p t i m i z e d t h er e s e a r c h r e s u l t sa b o v ew e r e a p p l i c a t e di ne x p l o i t a t i o np r o c e s sa n dg r o u n dp r e s s u r ec o n t r o lo f b o n d i n gz o n ei ne a s ta n dw e s t o fm em i n i n ga r e a m e a n w h i l e ，t h eg r o u n dp r e s s u r ea n dr o a d w a yd e f o r m a t i o np a a e r nw e r c m o n i t o r e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nd e g r e er e d u c e d ，g r o u n dp r e s s u r e w a sc o n t r 0 1 l o de f f e c t i v e l ya n dr o a d w a yi nm i n i n gs e c t i o nw a sa l s os t e a d y , a l lt h e s ee n s u r e d s a f e t yp r o d u c t i o no fm i n e a f t e ra d o p t i n gt h eo p t i m a ls t o p i n gs c h e m e k e yw o r d s ：m i n i n gg e o s t a t i cp r e s s u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m i n i n gs e q u e n c e ，r o c km a s s c l a s s i f i c a t i o n ，l a n e w a ys u p p o r t s ，d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t 】： 目录i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外地压研究方法与现状1 1 3 论文研究内容和技术路线6 第二章程潮铁矿工程地质调查及岩石力学实验研究7 2 1 程潮铁矿矿区地质调查7 2 1 1 区域地质地貌概况7 2 1 2 矿区地层7 2 1 3 矿区构造7 2 2 程潮铁矿东西区结合带工程地质调查9 2 2 1 结合带地质概况调查二9 2 2 2 闪长岩9 2 2 3 花岗岩9 2 2 4 矿体：i 9 2 3 岩石力学参数试验9 2 3 1 试件的选取和制备9 2 3 2 岩石力学参数实验测试系统及设备i - 1 0 2 3 3 岩石力学参数试验1 1 2 3 4 岩石力学参数实验结果数据1 2 第三章程潮铁矿东西区结合带地压分布规律数值模拟1 3 3 1 课题简介1 3 3 2 三维有限元几何模型的建立1 3 3 2 1 物理模型的建立1 3 3 2 2 有限元模型的建立1 4 3 2 3 岩体物理力学参数的选取1 4 3 2 4 边界条件以及求解1 5 3 3 程潮铁矿东西区结合带地压分布规律模拟结果1 5 3 3 1 矿区整体地应力分布规律1 5 3 3 2 程潮铁矿一3 9 5 m 水平地压分布规律1 7 3 3 3 程潮铁矿一4 3 0 m 水平地压分布规律1 9 第四章一3 9 5 m 水平与一4 1 2 m 水平矿体回采顺序优化模拟2 1 第页武汉科技大学硕士学位论文 4 1 矿体回采顺序优化模拟方法简介2 1 4 1 1 程潮铁矿矿体回采现状2 l 4 1 2 矿体回采顺序优化模拟方法简介2 1 4 2 3 9 5 m 水平矿体回采顺序优化模拟2 1 4 2 1 回采方案设计2 1 4 2 2 回采方案优化2 2 4 3 4 1 2 m 水平矿体回采顺序优化模拟2 4 4 3 1 回采方案设计2 4 4 3 2 回采方案优化2 4 第五章程潮铁矿东西区结合带地压控制实践2 7 5 1 程潮铁矿生产现状2 7 5 2 程潮铁矿东西区结合带岩体质量评价及巷道支护研究2 7 5 2 1 岩体质量评价方法概述2 7 8 9 o l l 3 5 7 8 8 8 0 0 o 0 2 4 5 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 5 5 5 5 5 5 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 地应力是存在于地层中的未受扰动的天然应力，也称原岩应力、岩体初始应力、绝对 应力等。它是引起采矿工程和其他岩土工程变形和破坏的根本作用力。准确的地应力资 料是实现采矿和岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。传统的采矿和岩土工程 中的地压问题是根据经验来判断的，当开挖活动是在小规模范围内和接近地表的深度上进 行的时候，经验类比的方法往往是有效的，但是随着开挖规模的不断扩大和不断向深部发 展，经验类比法已越来越失去其作用。为了采矿工程能安全有效的完成，就必须对影响工 程稳定性的各种因素进行充分调查，在诸多的影响岩体稳定性的因素中，地应力状态是最 重要最根本的因素之一乜1 。对矿山设计来说，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才 能合理确定矿山总体布置，选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的最佳断面形状、断面 尺寸、开挖步骤、支护形式、支护结构参数、支护时间等，在保证围岩稳定性的前提下， 最大限度地增加矿石产量，提高矿山经济效益，实现采矿工程的优化。一般来讲，大多数 金属矿产资源都是赋存在及其复杂的地质条件下，一方面，在这些复杂的地质条件下，地 应力的分布本身就具有复杂性和多变性，另一方面，随着矿产资源的不断开采，各种采矿 方法对矿区地应力分布也有相应的影响。因此，研究矿山地压的分布规律及控制措施已经 是矿山岩土工程的重要课题之一。 程潮铁矿一4 3 0 m 水平以上矿体以两个矿体的形式赋存，采矿分东、西区进行开采； 一4 3 0 m 水平以下矿体将连为一体，两个采区将要采通。在未采通之前，采动应力未得到有 效的释放和转移，中间无矿带应力集中程度非常高，会造成其下部采场地压异常，带来较 强的地压的显现，对采矿安全构成威胁，因此，有必要就东西区贯通期间采矿参数、放矿 管理、地压规律以及应采取的相应措施进行研究，为程潮铁矿采准设计和现场施工提供理 论依据，采取有效的措施减少采场的应力集中，使东西区顺利衔接，平稳过渡，确保安全 生产。因此，开展程潮铁矿东西区结合带采动地压规律分析及控制措施研究，找出东西区 贯通带采动地压规律，制定减少采场的应力集中和地压显现的相应措施，对于保证全矿生 产的安全具有非常重要的意义。 1 2 国内外地压研究方法与现状 地应力是存在于地层中的未受扰动的天然应力，也称原岩应力、岩体初始应力、绝对 应力等，它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天 岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，因此对地应力分布规律及控制措施的研究是实现 岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。地应力研究也是采矿设计和采矿过程中 的重要问题之一，其核心是找出矿山地压分布规律，采取一切手段保持和提高围岩的强度， 以确保开采系统的稳定性。自1 9 0 2 年h e l m 首次提出地应力概念以来口1 ，地应力研究已在全 世界范围内广泛展开，并不断取得新进展。 目前国内外对地应力研究主要包括下述几个方面。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 岩石力学基本性质的研究 近年来，随着电子计算机技术和有限单元法等数值模拟方法在地压研究中的快速发 展，有力的推动了国际岩石力学基本性质的研究。如果没有可靠的岩石力学基本性质的研 究，岩土工程中的数值模拟将无法进行。因此，近年来国际上对岩石力学基本性质研究比 较重视。如利用各向等压或各向不等压高精度伺服控制刚性试验机进行三轴实验，以研究 岩石的强度和应力应变全过程“1 ；室内或野外都发展了考虑到岩石的各向异性测定弹性参 数e 、e 2 、g ：、1 1 1 、如的方法，如承压板变形实验、水压法变形实验等；岩体强度变形等尺 度效应的试验、声波探测技术和声发射技术测定力学参数和地应力等方面的研究；以及利 用统计学方法来研究岩体几何特性和不同地质成因岩石地应力分布规律等；除此以外在岩 石流变学方面也进行了大量的实验研究工作，如岩石在长期载荷作用下以及反复载荷作用 下的强度和变形性质，利用勘探中所得岩心计算高地应力地区地应力等【5 】。但在模拟岩石 性状方面，还有许多问题需要解决，如地应力特别是在易发地震区域地应力随时间的变化； 大范围天然结构面的几何特征；岩体作为连续介质以及大范围岩体结构面的本构方程等哺1 。 为了有效的采用数值模拟方法，上述三个问题将是今后研究的重点。 ( 2 ) 地压数值模拟的研究 将数值模拟方法运用于岩土工程地压分析计算开始于上世纪6 0 年代h 1 ，其中，有限单 元法、有限差分法、边界元法和离散单元法是较早出现的数值模拟方法，也是目前在岩土 工程地压分析中运用较多的几种数值模拟方法。随着岩土体非线性问题和不连续问题的研 究不断展开，又相继产生了拉格朗日元法、非连续变形分析和流形元法等数值模拟分析方 法。 有限单元法是2 0 世纪6 0 年代f l j c l o u g h 等提出来的，经过4 0 多年的发展，它如今已经成 为工程分析中应用最广泛的数值计算方法。有限单元法是基于最小总势能变分原理埔1 ，以 其能方便地处理各种非线性问题，能灵活地模拟岩土工程中复杂的施工问题，以及其通用 性和有效性，有限单元法受到工程技术界的高度重视和广泛应用，伴随着计算机科学和技 术的飞速发展，有限单元法也得到了迅速的发展和完善，并用于处理各种复杂的工程问题。 有限差分法是求解给定初值和( 或) 边值问题的较早的数值方法之一呻1 。早期的有限 差分法主要用于解决弹性平面问题n p 川。近年来基于有限差分法显式算法的快速拉格朗同 分析程序f l a c 在采矿和岩土工程中也得到了较为广泛的应用。 边界元法产生于上世纪7 0 年代，也是较早出现的数值方法之一，主要运用于连续介质 和小变形的分析n 引。边界元法和有限单元法及有限差分法不同之处在于它属于连续介质积 分法，离散方式也只是在边界上划分单元。边界元法在采矿工程设计分析中效果相对有限 元法和有限差分法较差，尤其是在充填体计算分析方面效果较差。 离散单元法是由c u n d a l l 等人于1 9 7 1 年提出来的，是一种显示求解的数值方法，主要 用于处理不连续介质的分析问题n 卜1 5 1 。离散单元法产生的基本原理为牛顿运动定理，其离 散方式和有限单元法相同，都属于全区域划分单元，但在岩体单元划分过程中，离散单元 法考虑到了岩体节理分布等不连续面的存在，因此在以后求解分析过程中，单元节点可以 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 分离。目前，应用最为广泛的离散元程序有3 d e c 和u d e c ，它们都较为成功地应用于边坡、 地下矿山等的研究领域。 除上述几种数值方法外，随着工程实际和科学研究的需要，还相继产生了不连续变形 法、数值流形法、刚体元法及加权余量法等数值分析方法，这里就不再一一介绍，上述几 种常见的数值模拟方法对比情况见表1 1 所示。 表1 1 常见几种数值模拟方法 表1 2 列出了目f j 应用于岩土工程领域的部分数值模拟软件，其中a n s y s 有限元软件由 世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，它能与多数c a d 软件接口， 实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，a l o g o r ，i - - d e a s ，a u t o c a d 等，是 现代产品设计中的高级c a d 工具之一。a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析 于一体的大型通用有限元分析软件，已广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机 械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、 水利、日用家电等一般工业及科学研究。本课题数值模拟研究部分所采用的数值模拟软件 即为a n s y s l 2 0 。 表1 2 各种数值模拟软件功能对比表 ( 3 ) 岩土工程相似材料模拟试验研究 相似材料模拟试验以相似理论、量纲分析作为理论依据“踟，通过相似材料试验研究 岩体地压分布规律的一种试验方法，目前已广泛应用于水利、采矿、地质等行业。 相似模拟试验在矿山压力现象的研究应用，大力推动了此方法的发展，如德国埃森岩 石力学研究中心建立的2 m x 2 m 巷道模型和长达l o m 的采场平面应变模拟试验台，通过施加 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 千余吨外载荷，较准确地掌握了支架与围岩的相互作用关系；此外，前苏联矿山测量研究 院应用相似模拟试验方法研究矿体开采后的岩移情况也非常符合工程实际，意大利使用砌 块粘合成的拱坝所展开的实验研究也取得了较大成功。 我过的相似材料模拟实验始于上世纪5 0 年代中期，国家工业化带动的采矿业和水利水 电业的发展大力推动了我国相似材料模拟试验研究的发展，特别是在矿山地压研究中，相 似材料模拟试验的应用更加广泛，如潘一山等根据地下硐室岩爆问题的相似材料模拟研究 给出了模拟不同类型岩爆的相似系数，邓喀中等通过对采动岩体破裂规律的相似材料模拟 试验研究找出了岩体破裂、离层裂缝发育及采动岩体碎胀的规律等。 除此以外，许多高校和科研院所也相继展开了不同领域的相似材料模拟研究，这些研 究对发展相似材料模拟试验研究、建立模拟试验平台、处理试验数据等方面起到了巨大推 动作用。 ( 4 ) 非线性分析方法 实际工程中的岩体都是不连续体，其中不仅包括节理、断层、褶皱等不连续面，甚至 组成岩体的岩石也基本属于各向异性体，因此很多科学家很早就将非线性分析方法引入到 了岩石力学领域中，其中应用较多的非线性分析方法有耗散结构理论、协同论、突变理论、 混沌学和分形理论等，尤其是突变理论和分形理论在岩石力学领域中的应用更加广泛。 突变理论是法国数学家雷内托姆于1 9 7 2 年提出来的n9 。突变理论主要以拓扑学为工 具，以结构稳定性理论为基础，其实质是揭示事物的质变方式是如何依据条件变化的，即 突变理论就是用数学工具描述系统状态的飞跃，突变理论提出了一系列数学模型，用以解 是自然界和社会现象中所发生的不连续的变化过程，描述各种现象为何从形态的一种形式 突然地飞跃到根本不同的另一种形式。 突变理论自提出以来，便在自然科学的很多领域中得到了广泛应用。在工程技术领域 中，突变理论主要用于研究弹性结构的稳定性。突变理论在岩石力学领域中的应用也很成 功，如利用突变理论解释断裂力学和塑性力学中的失稳问题，研究弹性结构体的稳定性等。 利用突变理论研究岩土工程和采矿工程中的失稳问题在我国也得到了广泛应用啪。，如 唐春安等通过对岩石在荷载作用下破裂过程的非稳定性问题进行研究，得到了突变前后岩 样的变形突跳量和能量释放量的表达式；尹光志等建立了煤矿岩体失稳的突变模型，得出 了垂直应力和垂直应力控制空间使系统失稳的分叉集等。 分形理论是在美籍数学家曼德布罗特1 9 7 5 年提出分形几何学基础上的形成的研究分 形性质及应用的科学。分形理论基于自相似原则和迭代生成原则，主要用于研究数学领域 和自然界中经典欧氏几何无法表述的极其复杂和不规则的几何形体与现象，并用分形维数 定量刻画其复杂程度瞳。经过2 0 多年的发展，分形理论已趋于完善，表现出其对传统数学 和非线性科学的重大突破和补充。 分形理论诞生已有2 0 多年，在这2 0 多年的发展中，分形理论己广泛应用于解决岩土工 程问题，特别是解决地压问题乜剖。由于分形理论能h 很z 好的描述岩体复杂的几何形态和变形 过程，因此应用分形理论研究岩石介质变形破坏规律，相对在经典力学理论框架下建立的 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 理论模型，如连续介质力学理论和离散介质力学理论等有明显的优越性，分形理论的应用 及其与常规方法的结合，使岩石力学的理论和解决实际工程问题的技术手段得到了丰富和 完善，分形理论不仅能在理论上将岩石宏、细、微观理论研究统一在新的理论体系之中， 也为解决岩石力学理论与工程实践中的难题开创了新思想和新路线1 。目前分形理论已经 广泛应用于岩土工程行业中，如土的微结构分形、节理表面的分维、分维和岩石质量系数 ( r q d ) 间的关系、分形损伤、分形断裂等。 国内分形理论研究工作及其在岩石力学中的应用研究工作也有较快发展，其中具有代 表性的研究为中国工程院谢和平院士所创立的“分形一岩石力学 理论，分形一岩石力学理 论主要提倡在岩石力学问题的分析与求解过程中考虑分形的效应及影响。 ( 5 ) 人工智能与专家系统 人工智能是研究机器智能和智能机器的新兴学科，近期目标是研究如何用计算机去做 目前只有靠人的大脑才能完成的事情，诸如推理、思考、分析、决策、预测、理解、规划、 设计和学习等各种高级思维活动瞳4 嗡1 。专家系统是基于知识的智能系统，它拥有领域权威 专家的知识和经验，借助于推理方法解决那些需要专家才能解决的难题，并试图达到专家 的水平。目前解决特定岩体工程问题的专家系统很多，如围岩分类、围岩稳定与巷道支护 选型优化、边坡稳定性评估、采矿方法选择、顶板稳定性控制等。这些专家系统将专家经 验、工程经验、理论分析和现场实测资料结合起来，从而变革了若干找不到合适的数学模 型而不得不采用简化模型来代替的传统方法。 目前，神经网络技术己用于岩体力学参数的选择、巷道围岩位移量预测、支护参数选 择和矿山压力预测、地下采矿方法选择等方面的研究。 ( 6 ) 损伤力学在地压研究中的运用 损伤力学是固体力学的分支，主要研究材料或构件在各种加载条件下，其中损伤随 变形而演化发展并最终导致破坏的过程中的力学规律1 。损伤力学可大致分为连续损伤 力学、细观损伤力学和基于细观的唯象损伤力学汹3 。它与断裂力学一起组成破坏力学的主 要框架，以研究物体由损伤直至断裂破坏的这样一类破坏过程的力学规律。 损伤力学在地压研究中的运用主要体现在对岩石的损伤力学特性和模型的研究上啪1 。 甄红锋、张继勋、刘志远等的高地应力条件下围岩破损区岩体力学特性研究，利用细观损 伤力学的基本原理，建立了高地应力区围岩稳定分析的细观损伤力学模型，对围岩破坏全 过程进行了分析模拟，引入等效模型的概念，对破损区域内围岩在破坏前后分别建立等效 模型，进行数值力学试验，根据试验得到的力学特性曲线，对围岩开挖破碎带岩体主要力 学参数( 强度、变形模量等) 随施工过程的变化规律进行了深入的定量研究，得到了岩体主 要力学参数的变化数值，为岩体稳定分析和结构设计提供了可靠的依据，同时也进一步明 确了开挖后围岩扰动区域的划分标准。 除上述理论以外，还包括经典弹塑性及粘性理论、声弹理论、反演理论及岩石力学专 家系统等都早己在地应力研究中得到广泛应用。目前弹塑性及粘性理论任然是地应力研究 中应用最广泛的理论之一，很多岩石甚至岩体在工程实际以及理论研究中仍被看做是简单 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 的弹塑性体及粘性体，前面讲到的很多数值分析方法也都以弹塑性理论为基础。利用声弹 理论中的凯撒效应测量地应力也是地应力测量的主要方法之一渺圳。对于无法正演计算分 析的工程模型以及地质条件比较复杂的情况，反演理论的应用能很好的满足工程实际口5 | ， 正是因为这点，反演理论在地应力研究中也得到了很好的利用和发展，如位移反分析法， 应力反分析法，应变反分析法等，尤其以位移反分析法在工程实际中应用较多。 1 3 论文研究内容和技术路线 程潮铁矿地质条件复杂，所采用的无底柱分段崩落法对该区域地压分布规律影响较 大。程潮铁矿- 4 3 0 m 水平以上矿体以两个矿体的形式赋存，采矿分东、西区进行开采，从 而形成东、西区两个崩落带，在崩落带之间的中间无矿带应力集中程度非常高，会造成其 下部采场地压异常。因此，有必要对该矿地压规律以及控制措施进行研究，确保安全生产。 本文在程潮铁矿地质调查及对程潮铁矿岩石及矿石进行力学实验的基础上，建立了矿区三 维有限元模型，采用数值模拟分析方法对该区地压分布规律进行模拟研究，并分析找出该 矿区地压分布规律，并在此基础上对该矿区部分矿体回采顺序进行了优化模拟，以达到控 制该矿东西区结合带地压的目的。本文还对矿区结合带岩体质量进行了分级评价，并在此 顺序优化模 地压控制进 以找出结合 规模巷道变 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章程潮铁矿工程地质调查及岩石力学实验研究 2 1 程潮铁矿矿区地质调查 2 1 1 区域地质地貌概况 程潮矿区东起细王冲，西至塔桥庙，东西长约3 0 0 0 m ，南北宽1 5 0 0 m ，面积4 5 k m 2 。 程潮铁矿矿区主要为低山丘陵地貌，山脊的延伸方向受地质构造的控制，延伸方向基本与 地质构造的走向一致，呈北西西一南东东向延伸m 1 。地势总的趋势是东北高，西南低，东 部大洪山标高为2 2 5 5 8 m ；西部松应弯山标高为1 4 6 8 m ，矿区地表一般标高3 0 1 0 0 m 之 间，相对高差5 0 l o o m 左右。 2 1 2 矿区地层 矿区地层自上古生界到新生界较为齐全。分布有古生界的志留系、泥盆系、石炭系、 二叠系，中生界的三叠系、侏罗系、白垩系，新生界的第三系、第四系等，其中三迭系地 层分布最广泛，并常为岩浆侵入体之围岩。 本地区自古生代以来，经历了多次构造运动，褶皱、断裂均较发育，地层分布主要受 褶皱构造控制，三叠系以前的地层多出露在本区北部的鄂城、燕矾一带，属鄂城背斜的组 成部份；三叠系、侏罗系地层主要出露在本区的南部，为碧石渡向斜的组成部份；白垩系、 第三系分布在东北的大立山至黄山湖一带；第四系广泛分布于江河湖泊沿岸及地形低洼 处。 矿区内出露地层较单一，构造复杂，岩浆活动强烈，变质作用和围岩蚀变显著。矿区 内出露地层仅有中生界三叠系和侏罗系下统，均分布于矿区南部，此外尚有零星分布的第 四系堆积物。程潮矿区地层划分及岩性、岩相概况见表2 1 。 2 1 3 矿区构造 鄂城地区内主要发育有两个构造体系，一为淮阳山字型构造( 前弧西翼东南段) ，另 一为新华夏构造。其中，山字型构造是程潮矿区的主干构造，它决定了区内构造得总轮廓 和侵入体、铁矿床分布的总方向。矿区内构造较为复杂，主要为断裂构造，褶皱不发育， 仅有一单斜层构造，矿区介于淮阳地盾与江南古陆之间，淮阳“山”字型构造前弧西翼， 南临以幕阜山为主体的东西向构造带，西依新华夏构造的梁子湖凹陷，北靠南淮阳大断裂。 断层构造是本矿区构造的主要表现形式，无论是山字型构造体系的断层还是新华夏构 造体系的断层均发育。其中淮阳山字型构造体带中分布有5 处较为明显的断层，断层错动 方向均为n w 盘南移，断层走向分布在n e 3 2 。- n e 3 6 。之间，其中较大的断层为f 8 逆断层， 该断层分布在5 9 号勘探线南端西侧，断层延走向长达1 0 0 多米；新华夏构造带内分布有 6 处较大断层，断层延走向延长都超过了1 0 0 米，位于石家桥的f 。断层甚至超过了9 0 0 米。对程潮铁矿矿区影响较大的断层构造带为淮阳山字型构造带。 程潮铁矿矿区经历过多次构造运动，由于构造运动造成的水平构造应力的改变，使得 矿区主应力方向也多次发生变更，次级和更次级应力方向错综交织，由此所产生的节理也 极为复杂，矿区节理呈发育方向多、密度大、性质以剪节理为主，张节理少见、节理发育 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 程度受岩性控制明显的特点。 表2 1 程潮铁矿地层划分及岩性、岩相特征表 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 2 程潮铁矿东西区结合带工程地质调查 2 2 1 结合带地质概况调查 根据中国冶金地质勘查工程总局中南地质勘查院2 0 0 5 年对程潮铁矿矿区- 4 2 8 m 至 - 5 6 8 m 中段的勘察报告，东西区结合带主要岩体为闪长岩和磁铁矿，也分布着少量花岗岩。 结合带位于一3 9 5 m 一4 3 0 m 水平东区与西区相结合的地带，处于构造裂隙弱含水带。 结合带岩体节理密度大，节理平均线密度为1 2 条m ，其中细粒花岗岩的节理平均线 密度为1 4 6 条m ，最高可达4 l 条m ，铁矿的节理密度为1 2 6 条m ，最高可达3 4 条m 。 节理性质以剪性节理为主，张性节理少见。剪性节理面平直光滑，延伸较大多属闭合节理。 张性节理凸凹不平，延伸较小。节理发育程度受岩性控制明显。岩性坚硬、刚性强者一般 比岩性较软、刚性弱的岩石发育。 2 2 2 闪长岩 中一细粒结构，主要由更长石组成，另含少量角闪石，粒径0 8 2 m m ，岩石较致密、 坚硬，常见压碎现象，小裂隙发育，裂隙间多被硅酸盐矿物、绿泥石、透辉石和绿帘石充 填。岩石无风化或弱风化。但在闪长岩与矿体接触带几米的范围内，由于闪长岩受蚀变的 强烈作用，岩性变得较为松软，需要采取支护措施。 闪长岩中节理方位分布零乱，形态不规则，延伸亦较短。按其产状大致可以为三组： 一组走向n 3 0 6 0 。e ，倾向s e ，倾角4 0 6 0 。二组走向n 2 0 7 0 。w ，倾向n e ，倾角 5 0 8 5 。三组走向n 2 0 6 0 。w ，倾向s w ，倾角6 0 8 0 。 2 2 3 花岗岩 岩石刚性强，坚硬，小节理发育，节理面平直、光滑，部分节理面见擦痕，以剪性 节理为主，般延伸0 5 2 m ，多为闭合状，平均线密度为1 4 6 条m ，在局部可达到4 1 条m 。岩石无风化或弱，属稳固性较好的岩类。 花岗岩中节理面平直光滑，属闭合节理。有时可见绿帘石、硅酸盐、铁质矿充填其 间。节理延伸较长，最长可达2 4 m 。按节理产状大致可分为两组：一组走向n 4 0 6 5 。e ， 倾向s e ，倾角6 8 8 0 。另一组走向n 4 0 6 0 。w ，倾向n e ，倾角4 0 9 0 。 2 2 4 矿体 微细粒结构，块状构造，结构致密，该类矿石未受构造破坏，属稳定性较好的矿石。 矿体中节理性质与围岩相识，仍多属剪性节理。但发育程度远不及花岗岩和闪长岩， 组数较少，延伸较短，且西北向节理极不发育，基本上只有北东向节理。 2 3 岩石力学参数试验 2 3 1 试件的选取和制备 岩石力学参数实验主要是为程潮铁矿东西区结合带地压分布规律数值模拟计算提供 材料参数，因此需要知道矿岩及围岩密度、容重、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗 拉强度等物理力学指标，按照上述试验目的，确定进行的测试项目为密度试验、单轴抗压 强度试验、抗拉强度试验( 巴西劈裂法) 。 实验研究所采用的岩样取自程潮铁矿- 3 6 0 m 一8 0 0m 水平的岩样，岩样主要为钻探所 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 得岩芯，它们分别是大理岩、花岗岩、闪长岩、矽卡岩、磁铁矿，每类岩样各选取了6 个岩芯进行加工制备，钻探所得岩芯直径为5 0 r a m ，岩芯的长度确定为其直径的两倍。岩 样制备时，根据规定尺寸在切割机上将岩芯两端切割后再打磨平，试件加工精度符合水 利水电工程岩石试验规程( 中华人民共和国行业标准s l 2 6 4 2 0 0 1 ) 的要求，即试样两端 的不平整度允许偏差为0 0 5 m m ，端面应垂直于试件轴线，允许偏差为0 2 5 0 。 2 3 2 岩石力学参数实验测试系统及设备 进行岩石单轴抗压试验和抗拉试验的压力位移测试系统如图2 1 所示口 ，其中包括 y e 2 0 0 型液压机、a e 传感器、y h d 一3 0 型位移传感器、b h r 一4 型电阻应变荷重传感器、y d 一2 8 型动态电阻应变仪、p c l - 8 1 8 数据采集卡和微机。试验所用的其它器材还包括应变片和5 0 2 号胶水。 测试岩样密度的器材有游标卡尺和天平。 图2 1 压力位移测试系统 轴压装置采用y e 2 0 0 型压力机施加，最大可达2 0 0 吨；测向压力为油压千斤顶，最大 压强可达4 0 0 k g c m 2 。 a e 传感器采用p z t 5 ( 锆钛酸铅) 压电晶体制成。当有裂纹产生或扩展其伴随的弹性 波传至该晶体时，有一垂直应力作用在压电晶体上，则在压电晶体的两端将有一个电压 v = k x0 产生。其中。为垂直应力( m p a ) ，k 与压电晶体的压电常数、厚度及表面位移等 有关。 a e 传感器接收到的a e 信号一般是从几u v 到几十u v 的信号，为了避免信号衰减及干 扰，还信号需要经前置放大器放大后再送至微机。因此前置放大器应是高输入阻抗、低噪 声、低输出阻抗的放大器。并且传感器至前放的电缆应尽量短，一般不超过一米。该系统 使用的前置放大器为放大1 0 0 倍的低噪声放大器。 y d 一2 8 型动态电阻应变仪是一种具有自动平衡功能