（采矿工程专业论文）硬岩层状顶板失稳规律与支护技术研究.pdf

分类号 u d c 一一 硕士学位论文 密级 编号一一 硬岩层状顶板失稳规律与支护技术研究 s t u d yo nf a i l u r el a w a n d s u p p o r tt e c h n i q u e o f s t r a t i c u l a t er o o fo fh a r dr o c k 作者姓名： 学科、专业： 学院( 系、所) ： 指导老师： 张磊 采矿工程 资源与安全工程学院 赵国彦 论文答辩日期：赵! 翌! i 墨里答辩委员会主席： 中南大学 2 0 1 0 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盈逐盈日期：也年月z 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。 期：丑坦年【月面 中南大学硕+ 学位论文 摘要 摘要 顶板垮落是金属矿山地下开采中严重的工程灾害之一，它不仅影 响采矿进度，同时也对井下作业人员生命安全构成威胁。由于金属矿 层状项板分布较少，故硬岩层状项板的支护研究也相对较少且处于起 步阶段。本文以中钢集团苍山铁矿层状顶板的支护为工程背景，对硬 岩层状项板的失稳机理及支护进行了研究，提出了合理的支护方案， 有着较强的理论研究意义和工程指导意义。 论文主要开展了以下方面的工作： ( 1 ) 采用理论分析方法，应用弹性力学中的薄板理论，将采场 硬岩层状顶板简化成平面应变板，推导两端固支和两端简支的边界条 件下岩层挠度、岩梁破坏的临界荷载、临界应力计算式； ( 2 ) 应用f l a c 3 d 数值模拟，研究了埋深5 0 一- , 3 0 0 m 时，采场 硬岩层状项板随上覆岩层的分层厚度、分层类型、矿体埋深等因素变 化的失稳规律； ( 3 ) 提出限制硬岩层状项板变形破坏的特殊支护原则、支护方 式与支护理论设计依据； ( 4 ) 以中钢集团苍山铁矿为工程实例，通过现场工程调查，分 析层状项板垮落与地质、采矿条件的关系；结合苍山铁矿的矿岩力学 实验对采场岩石进行稳定性评价；设计了三种支护方案：树脂锚杆+ 加长树脂锚杆联合支护、树脂锚杆+ 加长树脂锚杆+ 钢带联合支护和砂 浆锚杆+ 锚索的支护方案，通过数值模拟分析支护效果，确定了最优 支护方案。 关键词：硬岩铁矿层状结构顶板力学模型f l a c 3 d 数值模 拟支护方案 中南大学硕士学位论文a b s t ra c t a b s t r a c t r o o fc a v i n gi so n eo ft h em o s ts e r i o u se n g i n e e r i n gd i s a s t e r si n u n d e r g r o u n dm i n i n ga c t i v i t i e so fm e t a lm i n e s i tn o to n l yd e l a y st h e p r o g r e s so fp r o d u c t i o n ，b u ta l s ot h r e a t sa g a i n s tu n d e r g r o u n dw o r k e r s o w i n g t ot h el e s sc o m m o nd i s t r i b u t i o no fl a y e r e dr o o fi nm e t a lm i n e s ，t h e r e s e a r c ho ft h es u p p o r to fh a r dr o c kl a y e r e dr o o fi sr e l a t i v e l yl e s sa n ds t i l l a tt h ei n i t i a ls t a g e t h ei n s t a b i l i t ym e c h a n i s ma n ds u p p o r t i n go fh a r dr o c k l a y e r e dr o o fa r es t u d i e db a s e do nt h ep r o j e c to fl a y e r e dr o o fs u p p o r t i n gi n c a n g s h a ni r o nm i n ei nc h i n as t e e lg r o u p a n dt h er e a s o n a b l es u p p o r t s o l u t i o ni sp r o p o s e d ，w h i c hc o u l db eo f g r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d e n g i n e e r i n gg u i d a n c e t h er e s e a r c hw o r k sm a i n l yi n c l u d e ： ( 1 ) t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h eh a r dr o c kl a y e r e dr o o fo f s t o p ei ss i m p l i f i e da sp l a n es t r a i np l a t eb yt h ea p p l i c a t i o no ft h i np l a t e e l a s t i c i t yt h e o r y a n dt h ef o r m u l a so ft h ec r i t i c a ll o a d sa n dt h ec r i t i c a l s t r e s so fr o c kb e a mf a i l u r ea r ed e r i v e du n d e rt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so f b e a ms i m p l ys u p p o r t e da n df i x e ds u p p o r t e da tb o t he n d s ； ( 2 ) b y u s eo ff l a c3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ef a i l u r el a wo f h a r d r o c kl a y e r e dr o o fi nt h ed e p t ho f5 0 - - 3 0 0 mi ss t u d i e d ，w i t ht h ev a r i a t i o n o fd i f f e r e n tf a c t o r so f o v e r l y i n gs t r a t a ，s u c ha sr o o fl a y e rt h i c k n e s s ，s t r a t a t y p e ，o r e b o d yd e p t ha n d s oo n ； ( 3 ) t h ep r i n c i p l eo fs p e c i a ls u p p o r t ，s u p p o r tm e t h o d sa n dt h e o r e t i c a l d e s i g nb a s i so f d e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo fh a r dr o c k r o o fa r ep r o p o s e d ； ( 4 ) t a k i n gt h ee n g i n e e r i n gp r o j e c to fc a n g s h a n i r o nm i n ei n c h i n aa s ac a s e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a y e r e dr o o fc a v i n ga n dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n si sa n a l y z e dt h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o n a n dt h es t a b i l i t yo ft h e r o c ki ns t o p ei se v a l u a t e dc o m b i n e dw i t ht h er o c km e c h a n i c a lt e s t si n c a n g s h a ni r o nm i n e t h e nt h r e ek i n d so fs u p p o r tm e t h o d sa r ed e s i g n e da s j o i n ts u p p o r to fr e s i na n c h o r i n gb o l ta n de x t e n d e dr e s i na n c h o r i n gb o l t ， j o i n ts u p p o r to fr e s i na n c h o r i n gb o l t ，e x t e n d e da n c h o r i n gb o l ta n ds t r i p ， j o i n ts u p p o r to fm o r t a rb o l ta n da n c h o r t h eo p t i m a ls u p p o r t i n gm e t h o di s d e t e r m i n e dt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es u p p o r t i n ge f f e c to f i i 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em e t h o d s k e yw o r d s ：h a r dr o c k ；i r o no r e ；l a y e r e dr o o f ；m e c h a n i c a lm o d e l ； f l a c3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s u p p o r t i n gm e t h o d i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论一l 1 1 课题来源及研究意义l 1 2 国内外层状岩体的研究现状2 1 2 1 基于弹性梁或弹性板的层状岩体破坏研究2 1 2 2 基于铰接拱的岩层失稳规律研究3 1 2 3 层状岩体的支护研究5 1 3 本文的主要研究内容与方法7 第二章硬岩层状顶板失稳的理论分析9 2 1 硬岩层状岩体的结构面特征9 2 2 硬岩层状顶板的失稳形式及影响因素9 2 2 1 顶板失稳形式9 2 2 2 影响因素分析1 l 2 3 层状顶板失稳的力学分析1 3 2 3 1 层状顶板的力学模型假设与建立1 3 2 3 2 力学模型的推导与求解1 5 2 4 本章小结18 第三章硬岩层状顶板失稳的数值模拟分析1 9 3 1 数值模拟方案的确定1 9 3 1 1 数值模拟工具的选择1 9 3 1 2 数值模拟方案的确定2 0 3 2 数值模型的建立2 l 3 2 1 初始与边界条件的确定2 1 3 2 2 岩体力学参数的选取2 1 3 2 3 建立实体模型2 2 3 3 数值模拟结果及失稳分析。2 2 3 3 1 顶板等厚分层的模拟结果分析2 2 3 3 2 项板不等厚分层的模拟结果分析2 8 3 3 3 埋深不同时的顶板模拟结果分析2 9 3 4 本章小结3 1 第四章硬岩层状顶板的支护原则与机理3 2 4 1 硬岩层状顶板的支护原则3 2 4 1 1 抵抗层问分离的支护原则3 2 4 1 2 抵抗拉伸破坏的支护原则3 2 4 1 3 抵抗剪切破坏的支护原则3 3 4 1 4 联合支护原则3 3 4 2 硬岩层状顶板的支护机理3 4 i v 中南大学硕+ 学位论文 目录 4 2 1 锚杆支护原理3 4 4 2 2 锚索支护原理3 5 4 2 3 锚杆锚索协调支护原理。3 6 4 2 4 注浆支护原理3 6 4 2 5 钢带支护原理3 7 4 3 硬岩层状顶板的支护3 7 4 3 1 锚固方式选择3 7 4 3 2 锚杆参数设计3 8 4 3 3 锚索参数设计4 0 4 4 本章小结4 l 第五章苍山铁矿层状顶板的支护设计4 2 5 1 苍山铁矿工程概况4 2 5 1 1 苍山铁矿工程地质条件4 2 5 1 2 苍山铁矿开采现状4 3 5 2 苍山铁矿顶板垮落的现场调查与分析4 3 5 2 1 顶板垮落情况调查4 3 5 2 2 顶板垮落原因初步分析4 4 5 3 岩体的稳定性分析4 5 5 3 1 工程条件4 5 5 3 2 室内岩石力学实验4 5 5 3 3 岩体稳定性评价5 0 5 4 支护方案选择与参数设计5 3 5 4 1 支护方案选择依据5 3 5 4 2 支护方案确定5 4 5 4 3 支护参数设计5 5 5 5 支护效果的数值模拟分析5 8 5 5 1 围岩水平应力分布5 9 5 5 2 围岩垂直应力分布6 l 5 5 3 围岩水平位移分布6 2 5 5 4 围岩竖向位移分布6 4 5 5 5 支护结构受力分析6 5 5 5 6 岩层结构面的剪应力特征6 7 5 5 7 围岩屈服特征6 8 5 5 8 支护方案的确定7 0 5 6 本章小结7 l 第六章结论与建议7 2 6 1 结论7 2 6 2 进一步的研究建议7 3 参考文献。7 4 致谢7 9 攻读学位期间主要的研究成果8 0 v 中南大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 自然界中具有层状结构的沉积岩占陆地面积的三分之二，许多变质岩也具有 层状构造特征。 层状岩体是指有一组结构面占绝对优势( 如层面、片理面等) 的岩体【1 1 。它 是一种非均质、非连续、横观各向同性、正交各向异性的力学介质，属于自然界 中典型的复杂岩体之一。层状岩体最显著的特征是发育良好的层状构造和韵律结 构。层状岩体的变形主要受岩层荷载和层面所控制，其力学性质主要有以下几种： 岩体的强度主要取决于岩体中层面、软弱夹层、断裂和裂隙等结构面的数量、 性质和强度，这些结构面导致了岩体的不连续性、不均匀性和各向异性；岩体 的变形主要是由于结构面的闭合、压缩、张裂和剪切位移引起，岩体的破坏形式 主要取决于结构面的组合形式；岩体中存在着复杂的构造应力场。 我国一些地区如山东、云南、贵州等省份都存在着较多的层状结构岩体。近 年来，国家经济飞速发展，全国大力发展公路、铁路、水利水电等基础建设，全 国对铁矿产资源的需求正处于上升期，在很大程度上带动了铁矿矿山发展。中国 2 0 1 0 年铁矿石的需求量将较上年增加1 0 ，未来十年，中国对铁矿石的需求量 每年将以8 的速度增长。因此，在进口铁矿石的同时，应充分利用国内的铁矿 资源，一些难采难支护的铁矿也应该被重视。 中钢公司山东矿业公司是我国重要的铁矿生产基地之一，其下辖的苍山铁矿 现阶段开采的i i 、i i i 号矿脉呈马鞍状分布，含矿层主要包括条带状黑云母角闪 石英片岩夹磁铁角闪石英片岩、磁铁石榴子石角闪片岩等。矿体主要是磁铁矿石， 由于矿区内褶皱构造与断裂构造比较发育，所以含矿层多以层状节理分布。目前， 苍山铁矿采用普通房柱法进行开采，采场沿矿体走向布置。在矿山开采过程中， 由于采场暴露面积较大导致顶板岩层变形、移动甚至破坏，采场层状结构顶板曾 数次发生大面积的垮落，且冒落频度与矿岩块度都比较大，给回采安全造成重大 危害，不仅威胁到工人的生命安全，同时也影响了采矿进度与生产效率。由于金 属矿层状顶板分布较少，硬岩层状顶板的支护研究也相对较少且处于起步阶段。 因此，对苍山铁矿的采场层状顶板失稳问题开展技术研究，得到层状顶板的变形 和破坏形式，并设计出合理的支护方案，有效的控制硬岩层状顶板的变形与破坏， 以此实现矿床的安全开采，具有非常重要的理论应用与工程应用价值，同时也为 其它相似情况的金属矿山提供参考。 中南大学硕士学位论文 绪论 1 2 国内外层状岩体的研究现状 单层岩石的力学性质是层状结构顶板稳定性分析的基础，因此，国内外对单 层岩石的力学性质进行了大量的理论分析和试验研究工作，并通过计算机技术对 力学过程进行模拟和分析得到更加直观的结果。对于理论的研究，其主要研究内 容分为两个方面【2 】：一是假设岩层为弹性连续梁或弹性薄板时的破坏失稳研究； 二是假设岩层为铰接拱的失稳规律研究。对于数值模拟领域的研究，主要是采用 合理的本构模型，利用专业的模拟计算软件对岩体破坏过程以及支护效果进行研 究。 1 2 1 基于弹性梁或弹性板的层状岩体破坏研究 1 9 8 5 年孙广忠教授在文献【3 中以板结构为模型，将层状岩体假设为弹性梁， 研究在纵向和横向两个方向荷载作用下的失稳破坏规律。文献将岩层简化为两端 固支弹性梁，结合能量平衡原理进行力学分析，得出单层岩石发生破坏的极限纵 向荷载为： 只：4 7 r 2 e 一q s i n o f s ( 1 1 ) c r 2， 。 一 式中及i 、s 为岩层弹性模量、梁的惯性矩和跨度；q 、口为梁的横向荷载 和倾角，其中，q i = q s i n o f ，如图1 1 所示。 p 图1 - 1 梁弯曲变形一股模型 秦四清应用尖点突变理论分析了地下硐室岩层的失稳条件，分析得到两端固 支水平岩层挠度函数为【4 】： 少：等( 1 - - c o s 丝) ( 1 2 ) 失稳的充要条件为： ( 字刊3 + 2 4 _ 7 7 e i q 2 = o ( 1 3 ) 式中p 、q 、s 为板的横向荷载、纵向荷载和长度，如图1 - 2 所示。 2 中南大学硕士学位论文绪论 x 图1 2 力学模型 叶明亮【5 】应用复合材料力学理论，将岩层由下而上分析第n 分层岩层对岩梁 荷载影响，确定覆岩层对岩梁荷载g 值的影响厚度。根据弹性固支梁理论，得 到岩梁被拉裂的极限垮距： k = h , 2 t r , , q ( 1 - 4 ) 应用弹性悬臂梁理论，得到岩梁的应力分量表达式和最大拉应力计算式： = 詈匕一 g ( 1 - 5 ) 文献【6 】用薄板理论分析顶板的应力分布规律，根据最大拉应力强度理论建 立顶板初次及周期来压步距的计算式，利用该计算式在现场实施顶板来压预报结 果表明，用薄板理论研究薄层坚硬顶板的应力分布规律是合理的。 刘小丽，周德培【7 1 ，孙伟，谢飞鸿等【8 1 基于弹性薄板理论，利用能量方法分 别对缓倾角顺层岩质边坡的弯曲失稳机理进行探讨和巷道层状顶板的破坏进行 分析。文献 7 】考虑边坡长度的影响，推导了相应的计算公式，并与平面应变的 弹性梁分析得出的结果做对比，验证了文中方法的可行性。文献 8 】阐述了层状 顶板巷道围岩的变形破坏特征，得出顶板下沉的位移解析解，进而确定了顶板岩 层破坏的临界荷载。结果表明，用薄板理论研究层状顶板的下沉及应力分布规律 是合理的。 文献【9 】以岩层控制中的关键层理论为指导，应用弹性板理论对关键层理论 进行补充分析，得到其刚度条件和强度条件。结果表明，用板理论分析的结果与 梁理论推导的结果具有相同的表达形式。 1 2 2 基于铰接拱的岩层失稳规律研究 缪协兴【1 0 1 使用石膏、砖、混凝土材料模拟岩石组成裂隙体梁，将梁的两端 固定，应用光光弹实验法研究裂隙体梁砌块间纵向荷载分布规律。结果表明，砌 体块间挤压面上纵向荷载呈三角形分布，峰值并不位于边缘，合力位于挤压面高 度的1 3 处；拱铰处的脆性材料接触面平均挤压强度等于单轴抗压强度的0 3 倍， 如图1 3 所示。 中南大学硕士学位论文绪论 q 图1 - 3 裂隙体梁结构模型 张志文用石膏块模拟岩石制作裂隙体梁【i1 1 ，如图l - 4 所示。在实验过程中， 采用重物模拟横向荷载，同时保持横向荷载稳定，研究表明，裂隙体梁在下沉的 过程中逐渐形成铰接拱；最初阶段铰接拱的挠度随着跨度和荷载增大稳定增长， 接近破坏时则迅速增大；铰接拱发生滑动破坏的几何条件为岩层厚t _ _ l 4 1 t g ( q o 0 ) ； 当铰接拱跨中的下沉量等于( 1 5 - - 1 6 ) t 时发生变形失稳。文献 1 2 】指出岩层垮 厚比是岩层破坏的重要依据，当s t 1 0 时，岩层断裂后发生冒落。文献 1 3 ，1 4 1 也指出岩层下沉过程中形成铰接拱结构。 ) h 图1 _ 4 裂隙体梁试验模型图1 5 三铰拱结构模型 对存在正交型节理的层状顶板，文献【1 0 】指出岩层下沉从顶板跨中开始，迅 速形成三铰拱，见图1 5 所示，纵向荷载使节理闭合。假设纵向荷载沿挤压面为 三角形分布，当最大挤压应力等于岩石单轴抗压强度时岩石被压碎，三铰拱失稳， 以此条件推导出三铰拱稳定垮距计算公式： 驴考陬 ( 1 6 ) 式中芎为岩石压缩蠕变系数，仃，t ，丫为岩层单轴抗压强度、厚度和容重， n 为安全系数，n = 4 。 国外对一种判断岩层稳定性的迭代方法进行了一系列研究。该方法于1 9 4 1 年由e v a n s 提出，后获得b e e r 和m e e k ( 1 9 8 2 ) 、b r a d y 和b r o w n 、d i e d 舐c h s 【1 5 j ， s o f i a n o s 【1 6 1 。7 】等人的发展。该方法以单一岩层为研究对象，岩层荷载为自身重力、 两侧岩体的推力( 纵向荷载) 和摩擦力，其中推力为重力的诱导荷载，并假定它 在挤压面上为三角形分布和按抛物拱传递。岩层破坏方式有两种：推力过大造成 4 中南大学硕士学位论文 绪论 挤压面压碎引起变形失稳和推力过小时形成岩层滑落破坏。 文献 1 8 】阐述围岩失稳是按砌体拱、铰接拱、围岩失稳的顺序发展而来，将 开挖后的围岩看成为由岩块砌成的砌体拱，当超过平衡状态时，砌体拱会在复杂 外力的作用下，发生位移，部分裂隙裂缝变大，岩块之间的粘结力逐渐减小或消 失，只在边角互相牵制，形成铰接拱；铰接拱中的岩块位移发生蠕变，位移达到 一定程度时，组成该铰接拱的岩块失稳，造成塌方。这种情况重复进行，导致更 大的塌方。 杨建辉【1 9 , 2 0 1 等用模型试验方法研究不同初始纵向载荷、垮厚比条件下铰接拱 变形和破坏全过程，得到铰接拱全程纵向载荷、横向载荷、力臂系数与挠度关系 曲线。3 条曲线都具有峰值前、后2 个变形阶段，表明铰接拱破坏是一个渐进过 程。初始纵向载荷较低时，3 条曲线中力臂系数首先取得峰值，其次是横向载荷 曲线，最后是纵向载荷曲线，说明力臂系数对铰接拱破坏最为敏感；初始纵向载 荷较高时，3 条曲线同时达到峰值。随垮厚比增大，纵向载荷、力臂系数峰值基 本不变，横向载荷峰值减小，初始纵向载荷和垮厚比对铰接拱力学性质有重要影 响。 文献 2 1 】以层状复合岩梁为基础，将软弱夹层的厚度、位置作为影响因素来 研究铰接岩梁稳定性，得出当组合梁的中间软弱夹层厚度一定时，随着软弱夹层 离顶板越来越远，顶板所受的最大拉应力也越来越小；同时推导出了岩层厚度与 稳定垮距的关系，确定离层垮距为稳定性判别指标。 1 2 3 层状岩体的支护研究 ( 1 ) 层状岩体的支护理论研究 层状岩体的支护多数选择组合梁理论进行设计。当顶板岩层在上覆荷载的作 用下，各个岩层发生离层与挠曲破坏；通过施加锚杆支护后，锚杆增加的各岩层 之间的摩擦力与抗剪作用，将整个岩体转化成一个组合梁。组合梁的强度大于未 支护前的岩体强度。 侯朝炯教授将锚杆支护岩体强化理论应用于巷道锚杆支护机理研究中【2 2 1 ， 开展了相似材料模拟试验，研究表明锚杆支护岩体的峰值强度指标c 和残余强度 指标c 和均有不同程度的提高，残余强度提高较多。 勾攀峰、侯朝炯教授应用改进的单层岩石稳定性迭代判断法 2 3 。2 5 1 ，将整个锚 固层作为一个整体建立有别于单层岩石的模型，用锚固体强度指标代替岩石强度 指标来判别岩层是否破坏。英国d n 贝格比和澳大利亚w 盖尔等人研究发现水 平应力是影响顶板破坏的重要因素，当两者平行时巷道最为稳定，垂直时最差， 交时居中。根据这种理论，提出一种锚杆参数系统的设计方法，即以地应力测 5 中南大学硕士学位论文 绪论 量结果和岩体地质力学评估为基础，结合数值模拟进行锚杆参数的初始设计，最 后再通过观测结果进行修正，我国也有这方面的研刭2 引。 郭颂博士在调查了美国巷道锚杆支护情况后，提出了刚性梁理论1 2 。提出 当锚杆预应力达到一定值时可以消除锚固层内的离层，这与s s p e n g 的观点一 致【2 8 】。在这种情况下，水平应力不超过岩石抗压强度时，对锚固层起到夹持作 用，有利于顶板稳定，锚固层成为刚性梁。与此相似，德国近几年也提出了增大 锚杆预应力促进顶板稳定的观剧2 9 , 3 0 】。 侯公羽用万能压力机施加横向载荷，通过物理模拟方法研究层状岩体施加锚 拉支架支护后的力学行为，表明岩层断裂后形成了铰接拱结构。用弹性系统稳定 性理论研究断裂后铰接拱的分叉行为，将铰接岩块简化为弹性直杆，施加竖直方 向载荷。 张发明等人运用改进的块体理论【3 l 】，从结构面与层面组合的块体系统稳定 性分析方法进行探讨，提出可供同类方法参考使用的计算方法，通过实例验证， 为同类系统的锚固支护设计提供依据。李新平等将层状岩体砂浆锚杆支护系统 看成一种由岩体( 基体) 、锚杆( 增强材料) 和砂浆( 黏结材料) 组成的加固复合材料， 建立复合材料的细观力学等效模型【3 2 】。通过验证，表明所建立的理论模型与数 值模拟方法可靠。文献 3 3 1 浅析层状均质岩体中端头锚固锚杆支护参数的计算方 法，指出设计此锚杆支护参数应考虑的各种因素，并通过其他实例校核该公式。 钟放平【3 4 】通过现场试验表明锚喷支护用于水平层状围岩隧道可行。 杨峰，卿笃干，方坚宇【3 5 】等人研究不同强度岩层组成的软硬互层岩体的支 护结构变形受力特点，指出连拱隧道的设计与施工薄弱环节，通过锚杆支护加强 后围岩的整体强度得到改善，可为相关工程提供参考。 目前层状结构顶板稳定性的研究现状： 1 、通过组合梁的作用，加强层状岩体间的抗剪作用，使围岩成为整体结构。 2 、当岩层越厚时，岩层越不容易发生变形破坏，因此，有效的增加岩层厚 度，是解决层状岩体稳定性的重要途径。 3 、适当对锚杆施加预应力可以有效的增加锚杆的锚固力度，另外，水平应 力对层状顶板有一定的夹持作用，利于增加岩体的稳定性。 4 、锚杆支护提高岩体的强度，改变峰值后的强度和韧性，强化岩体。 近年来，顶板的安全问题随着采矿深度的增加而日益突出。流变力学、复合 材料力学、损伤力学、材料力学、理论力学等引入层状顶板支护的研究，使支护 理论得到很大程度的完善。目前层状岩体的支护技术很多，如：锚喷网、锚索支 护、刚隙柔层控制技术等。特别随着计算机技术和数值计算方法的发展，以有限 单元法、边界元法、离散元法等为理论基础的计算软件大量涌现，并应用于地下 6 中南大学硕士学位论文绪论 工程。 ( 2 ) 层状岩体支护的数值模拟研究 随着支护理论技术研究的发展和计算机模拟技术的不断进步，利用计算机对 支护理论和支护形态进行研究已成为当前的一种重要研究手段。本构模型的不断 建立以及计算机研究软件的不断开发使得这个领域在目前不断发展，如：s a p ， a n s y s ，a b q u s ，f i n a l ，a d i n a ，f l a c 等国际著名程序为地下工程围岩支 护理论及方法的研究提供了有利的工具，使得数值模拟的研究在国内外也有一些 取得的主要成果： 林崇德掣3 6 】应用离散元分析软件模拟了有支护和无支护情况下水平层状结 构顶板的变形和破坏过程，模拟的边界条件是：两侧施加水平应力并固定，上边 界固定，下边界开挖。模拟结果表明，无支护情况下层状结构顶板破坏是水平应 力作用的结果，而非竖直应力作用下的梁式破坏；顶板岩层承受单向切向应力作 用，经历了挤压破坏和弯曲变形的过程。施加锚杆支护后，锚杆与岩体形成锚 岩支护体，锚岩支护体是顶板的支护结构，它上部的岩体则是被支护体，是围 岩。锚岩支护体与无锚杆支护时的岩体相比，峰值强度没有显著变化，但峰值 后的强度( 残余强度) 得到明显提高，而且锚岩支护体可变形性好，是柔性支护体。 耿大新，杨林德等人【3 7 ，3 8 】通过对层状岩体力学性质的分析，运用数值模拟方 法，有效地模拟了层状岩体的变形特性，并分析了洞室开挖后岩体的变形特征。 金仁祥等采用离散单元法( d e m ) ，对陡倾角反倾层状岩质边坡开挖变形破坏 机制及其演变过程进行了模拟，并在此基础上提出了边坡防治工程建议。对于层 状岩体的流变特性的时效问题，也有过有限元数值模拟分析( 熊传义等) 。 s o f i a n o sa 1 应用离散元分析软件u d e c 研究了锚杆支护层状结构顶板的 稳定性，重点讨论了岩层厚度的对顶板稳定性的影响规律【3 9 t 柏1 。研究表明，随 着岩层厚度增大，锚固顶板跨中下沉量减小，厚度较薄时( 小于l m ) 减小速度较快， 超过l m 后减小速度变慢。岩层承载力随厚度增大而增大，厚度小于l m 时增大 较快，超过l m 增大较慢。王军【4 l 】考虑层状岩体的地质情况，应用数值建模建立 以6 m 和2 m 交错布置的长短锚杆优化方案，支护效果良好。 计算机模拟技术相对于理论研究的优点在于能够根据计算机模拟结果直观 的得到实验数据以及支护过程中的力学变化，对于工程的现场研究更加具有指导 意义，通过对模拟结果的借鉴和分析，能够很直观的解释和解决工程中遇到的岩 体破坏问题和支护形态问题。 1 3 本文的主要研究内容与方法 层状岩体的支护是一个较为复杂的问题，目前在硬岩岩体中，还有很多问题 7 中南大学硕十学位论文 绪论 需要研究，以下是本文的主要研究内容与方法： ( 1 ) 单层岩层的失稳破坏与各个影响因素之间的关联 采用理论分析，将硬岩层状顶板简化成平面应变板，应用弹性力学中的薄板 理论，分析单层岩板在两端固支和两端简支的边界条件下岩层失稳破坏的临界应 力、临界荷载和顶板挠度的计算式，分析岩层破坏与各影响因素的关联； ( 2 ) 岩层的分层与埋深等因素对项板失稳破坏的影响 应用f l a c 3 d 数值模拟，研究埋深1 5 0 m 时，顶板的分层厚度、分层类型 对顶板的下沉量、应力、层间剪切力、塑性区的影响；研究埋深5 0 - - - - 3 0 0 m 时， 顶板的变形随埋深的变化规律； ( 3 ) 提出适合层状岩体支护的支护原则与方式 根据层状岩体的理论与数值模拟的研究，提出限制硬岩层状顶板变形的特殊 的支护原则，并给出不同支护方案的理论计算依据； ( 4 ) 工程应用 1 ) 以中钢集团苍山铁矿为工程实例，深入现场调研，了解矿区岩层分布状 况，并对各岩层进行岩石取样； 2 ) 对岩石式样进行标准岩石力学式样加工，进行室内岩石力学实验，求得 各岩体力学参数，包括岩石容重、密度、抗拉抗压强度、弹模、泊松比等，并对 采场岩石进行稳定性评价； 3 ) 根据岩石条件，设计三种支护方案：长短树脂锚杆联合支护、长短树脂 锚杆+ 钢带联合支护和锚杆+ 锚索的支护方案，通过数值模拟分析支护效果，确 定最优的支护方案。 中南大学硕士学位论文 硬岩层状顶板失稳的理论分析 第二章硬岩层状顶板失稳的理论分析 岩体结构类型的划分方法很多，其中以谷德振和孙广忠教授提出的划分方法 最具代表性。谷德振教授将岩体结构分为块状结构、镶嵌结构、碎裂结构、层状 结构、层状碎裂结构和散体结构【4 2 1 。孙广忠教授将其分为一级块裂结构、板裂 结构，二级完整结构、断续结构、碎裂结构和过渡型散体结构【4 3 删，其中，层 状结构岩层即属于板裂结构。研究硬岩层状顶板的破坏规律，首先应对岩体的结 构面特征、破坏机理及其力学性质的进行研究。 2 1 硬岩层状岩体的结构面特征 硬岩层状岩体通常有三组弱面，一组是层理面，两组是节理面。层理面是指 在岩层沉积过程中所形成的结构弱面，原始产状多是趋于水平的。后来的构造运 动可以使其倾斜、直立、弯曲甚至发生破裂，形成褶皱、节理、断层、劈理等构 造形态。层理面的倾向与构造力的最大主应力方向平行。节理面的最初走向与构 造应力的最大主应力方向呈丌4 由2 交角，b 。表示节理面倾向，如图2 1 。倾 向与走向成直角相交，其最初倾角接近9 0 。，最初节理面是贯通岩层的。在岩 层逐渐倾斜的过程中，岩层沿层理面滑动导致使节理面上下错开。岩层中的节理 面是影响岩层稳定性的重要因素。 n 图2 1 层状岩体结构面特征 2 2 硬岩层状顶板的失稳形式及影响因素 2 2 1 顶板失稳形式 地下工程开挖前，地下岩层处于天然平衡状态。地下工程的开挖破坏了原有 的应力平衡状态，引起围岩应力重分布，出现应力状态改变和高应力集中。在高 9 中南大学硕士学位论文硬岩层状项板失稳的理论分析 应力作用下，产生向开挖空间的位移甚至破坏【4 5 4 6 1 。地下工程开挖后，顶板可能 发生破裂、垮落破坏，其破坏过程通常包括多种形式。经过现场观测，采场硬岩 层状顶板的破坏形式一般存在以下4 种类型4 7 。5 0 】：( 1 ) 剪切破坏；( 2 ) 拉伸破 坏；( 3 ) 挠曲破坏；( 4 ) 压缩破坏。岩体破坏可能是单独发生一种破坏，也可 能是几种破坏共同作用的结果。 ( 1 ) 剪切破坏 剪切破坏是指由于剪应力达到或超过岩体极限抗剪强度而形成的剪切破裂 面。层状岩体沿着剪切破裂面发生滑动后，剪应力随之减小。发生剪切破坏的原 因可能是顶板结构强度低，或是采场两帮项角处的压应力过高，当应力重新分布 后岩层容易发生剪切破坏，如图2 2 a ，b 所示。由于局部剪应力过大，顶板常常 发生切落现象。当层状岩体发生离层且分层厚度大于采场跨度的三分之一时，岩 层的剪切破坏一般会在层理面的离层间终止。在断层复杂的岩体中开挖，岩体发 生剪切破坏是一种常见现象。 ( 2 ) 拉伸破坏 拉伸破坏是由于顶板中的局部拉应力超过了岩体极限抗拉强度而形成的张 性破裂面，如图2 2 c 所示。当所有由于拉应力而产生的张性破裂面互相贯通时， 破裂面岩体将发生整体下滑。张性破裂面与剪切破裂面有很大的不同，一般来说， 张性破裂面比较粗糙，层面间并没有压碎的岩体颗粒等，而剪切破裂面则比较光 滑，层间多存在因岩体受到挤压而形成的矿岩粉末。 图2 - 2 层状项板变形破坏类型 ( 3 ) 离层与挠曲破坏 离层与挠曲破坏是指由于岩体弯曲而产生拉伸张裂，随着张裂的逐渐扩大， 最终导致岩体发生破坏。这种破坏通常发生在地下洞室的顶板层状围岩中，如图 2 2 d ，e 所示。由于顶板的岩层受到来自上部的压应力作用，在采场的两帮顶角 1 0 中南大学硕士学位论文 硬岩层状顶板失稳的理论分析 处的岩层发生滑动，产生朝向顶板中心线方向的位移，致使采场顶板下部的岩层 与紧靠它上部的岩层有脱离的趋势，随即发生离层，最终与上部岩层发生分离垮 落。在薄层状岩体结构中，当岩层的节理面与最大主应力的方向斜交时，岩层容 易沿该节理面而失利”】。 ( 4 ) 压缩破坏 压缩破坏是一种组合破坏方式，由岩层拉伸、剪切、离层挠曲所产生的裂缝 交织在一起而形成的挤压破坏。围岩所产生的裂隙首先在采场的顶、底板、四角 处发生，进而向深处发展，最终形成纵横交错的裂隙网。因此，采场中项板的围 岩将发生垮落、片帮等现象，直到形成冒落拱才稳定下来。所以说，岩体的压缩 破坏，实际上是多种破坏的组合方式。 2 2 2 影响因素分析 层状顶板的稳定性是一个复杂的问题，它受多种因素的影响，如岩层的赋存 状态、岩层的几何参数、围岩应力、岩层性质、采场开挖的形状以及高垮比等【4 8 , 5 1 】。 将影响层状顶板破坏的因素概括起来可分为自然因素和开采技术因素两大类 【5 2 ，5 3 】 0 1 、自然因素 ( 1 ) 围岩性质与结构特征 围岩性质是岩层变形与破坏的重要影响因素。一般来说，围岩强度较低时， 采场开挖后容易产生小规模的冒顶，相反，当围岩强度较高时，开挖后围岩不易 发生破坏，但是一旦发生冒落，其规模将会很大。现阶段，衡量岩石强度的力学， 指标众多，其中以岩石的单轴抗压强度最具代表性且容易获得，是岩石稳定性的 重要评价指标。然而，顶板的破坏不仅取决于岩石强度，还与岩层的结构特征有 着密切关系，其中影响最大的应是岩层间存在的复杂节理。通常可将节理分为以 下三类：原生裂隙，构造裂隙和压裂裂隙。原生裂隙是指岩层的形成过程中， 由于温度、矿物结晶及沉积作用而形成的结构弱面，层理就属于这种裂隙。构 造裂隙是指岩层形成后，经过后期的剧烈的地质变动所形成的弱面，多与层状节 理纵横交错分布。压裂裂隙是指在开采过程中可能形成的结构弱面。多种节理 的错综复杂，是造成层状顶板失稳的重要原因。 ( 2 ) 埋深 金属与非金属矿床的多数矿岩硬度与容重较大，其随着开采深度的加大，上 覆岩层重量增加较快，这直接影响到采场中原岩应力的大小。据资料，矿区开采 深度为8 0 0 m 时，其周边应力是未开采时岩层压力的2 倍。在地应力非常高的情 况下，围岩之间的挤、压、鼓现象就更为严重，其积聚的能量与深度的平方成正 中南大学硕士学位论文 硬岩层状顶板失稳的理论分析 比。因此，随着采场埋深的增加，发生顶板破坏事故的次数与强度都将增加。此 外，随着开采深度的增加，岩石的温度也随之增加，温度升高促使岩层由脆性向 塑性转化，易使岩层发生塑性变形。 ( 3 ) 倾角 岩层倾角也是影响层状岩层变形的一个重要因素。岩层的倾角确定其破坏方 式。当岩层水平分布时，多发生的是顶板弯曲，下沉，顶板冒落等破坏；若岩层 非水平或缓倾斜时，因为受压方向不同，岩层易出现不对称变形或破坏。如鼓帮、 底板滑落等。如果顶板中存