（采矿工程专业论文）高地应力下大型地下洞室群开挖与支护方案的优化研究.pdf

东北大学硕士论文摘要 高地应力下大型地下洞室群开挖与支护 方案的优化研究 摘要 资源开采、石油储存、地热开发等已向深部发展。国家战略能源储备中大型 地下储气库及储油库也将在深部地下空间中建造。我国西部开发战略的实施，加 快了水电站建设，在今后十年之内新建的大型水电站和蓄能电站，主要分布于两 部高山峡谷地区，这些水电站大多选择为深埋式地下厂房构筑物，现代地下工程 中所开挖的洞室集中了“跨度大、走向长、埋层深、地应力高、洞室群”的特 点。 本论文以国家杰出青年科学基金( 5 0 3 2 5 4 1 4 ) 高应力下地下工程稳定性的 智能分析与优化及其依托工程课题拉诬瓦水电站高地应力条件下大型地下洞 群围岩稳定及合理支护措施研究中的部分内容来开展研究工作。 拉西瓦水电站地下厂房岩体主要为花冈岩，针对厂区地应力高的显著特点， 对采自地下厂房的花岗岩进行了室内试验研究，通过单轴压缩试验获得了花岗岩 的基本力学参数；进行了不同围压下的常规三轴压缩试验，研究其破坏特性及规 律，对花冈岩的弹脆性破坏特征用基于莫尔库仑强度准则的粘聚力弱化、摩擦力 强化本构关系来进行描述；针对厂房跨度大、边墙高的典型大型洞室群的特点， 基于f l a c 3 d 平台对厂房开挖进行了六种组合方案的模拟计算，研究不同开挖 台阶高度和不同开挖步序对围岩稳定性的影响，用应力场、位移场、能量释放率、 塑性破损区等指标对开挖方案进行评价，比较出最好的开挖方案；对评价出的方 案进行了不同支护参数下的开挖支护模拟计算，分析比较支护参数对围岩稳定性 的影响，确定较优的支护方案；通过模拟计算定性的给出洞室围岩需要加强支护 处理的区域和方位( 位移较大，塑性区严重，应力集中或出于拉应力状态等围岩 区域) 以及关于开挖步序调整的建议。 对高地应力条件下的地下洞室开挖与支护的研究，直接关系到了洞室围岩的 稳定问题和工程的安全问题，所以有积极的意义，也是势在必行的。 关键词：高地应力，大型地下洞群，能量释放率，弹脆性破 i i s t u d yo ne x c a v a t i o na n ds u p p o r ts c h e m eo p t i m i z a t i o n f o r c a v e r ng r o u pu n d e rh i g hg e o s t r e s s a b s t r a c t r e s o u r c ee x p l o i t a t i o n ，o i ls t o r i n g ，g e o t h e r m a ld e v e l o p m e n te t c ，h a v eb e e nd e v e l o p e d i n t od e e pe a r t h t h el a 唱e s c a l eu n d e r g r o u n dn a t u r a lg a ss t o r a g ea n do i lr e s e r v o i ra l s ob u i l ti n d e e pu n d e r g r o u n dc a v i t yi nt h en a t i o n a le n e r g ys t r a t e g i cr e s e r v e w i t ht h ea c t u a l i z i n g o fw e s t d e v e l o p m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o no fh y d r o e l e c t r i cs t a t i o nw i l ls p e e du pi nt h ef u t u r et e ny e a r s t h en e w l yb u i l tg r e a tp o w e rh y d r o e l e c t r i cs t a t i o n sa n ds t o r a g ep l a n t sa r em a i n l yl o c a t e da t w e s t e r nh i g ha l t i t u d e sa n dg o r g e sr e g i o n ，a n dm o s to ft h e ma r eu n d e r g r o u n dc a v e r n si nd e e p e a r t h r e c e n t l y , c a v e r n sa r eb u i l tw i t ht h ec h a r a c t e r so fl a r g es p a n ，l o n gi ns t r i k e ，g r e a td e p t h a n dh i g hi n s i t us t r e s s e s ，c a v e r ng r o u p si nu n d e r g r o u n dp r o j e c t sa r en o tu n c o m m o n t h em a i ns t u d yw o r ko ft h i sp a p e ri sb a s e do nt h ei n t e r n a t i o n a lo u t s t a n d i n gy o u t h s c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 3 2 5 4 1 4 ) - t h eo p t i m i z a t i o na n di n t e l l i g e n c ea n a l y s i so nt h es t a b i l i t y o fu n d e r g r o u n dp r o j e c tw i t hh i g hi n - s i t us t r e s s e s ”a n dt h ep r o j e c tp r o b l e m _ “t h es t u d yo n t h er o c kw a l ls t a b i l i t yo ft h el a r g e s c a l ec a v e r n g r o u p sa n dr e a s o n a b l es u p p o r t i n gu n d e r t h eh i g hi n s i t us t r e s s e so fl a x i w ah y d r o p o w e rs t a t i o n ” t h er o c km a s si sg r a n i t ea tt h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s eo fl a x i w ah y d r o p o w e rs t a t i o n t h i sk i n do fr o c ki sh a r d ，a n dt h eg e o s t r e s s e sa r ev e r yh i g h t h em a i nc o n t e n t sr e p o r t e di n t h ep a p e ra r e ：( 1 ) l a b t e s ts t u d yo nt h eg r a n i t eo fl a x i w au n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e t h r o u g h t h eg r a n i t eu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ，t h eb a s i cm e c h a n i c sp a r a m e t e r sh a sb e e no b t a i n e d ，a n d t h er o c kf a i l u r ec h a r a c t e r sa n dr u l e sh a v eb e e ns t u d i e df r o mt h eg r a n i t er e g u l a rt r i 。a x i a l c o m p r e s s i o nt e s t t h ee l a s t i c - p l a s t i cf a i l u r ec o n s t i t u t i v er e l a t i o no fg r a n i t ei se x p r e s s e db yt h e c o h e s i o nw e a k e n i n ga n df r i c t i o ns t r e n g t h e n i n gb a s e do nt h em o h r c o u l o m br u l e ( 2 ) w i t h c o n s i d e r i n gt h ec a v e r ng r o u p c h a r a c t e r sf o rl a r g es c a l es p a na n dh i g hs i d ew a l l ，s i xc o m p o s i t e v a r i a t i o n so fc a v e r ne x c a v a t i o nh a v eb e e ns i m u l a t e dw i t hf l a c - 3 d t os t u d yt h ee f f e c t so f d i f f c ：r e n te x c a v a t i o nb a n kh e i g h t sa n dd i f f e r e n te x c a v a t i o ns e q u e n c e so nt h es t a b i l i t yo fr o c k w a l l b yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ei n d i c e so fs t r e s sf i e l d ，d i s p l a c e m e n tf i e l d ，e n e r g yr e l e a s e r a t e a n dp l a s t i cf a i l u r ez o n et oe v a l u a t et h es i xs c h e m e s ，a n dt oc h o o s et h em o s to p t i m a lo n e ( 3 ) s u g g e s t i o n so n e x c a v a t i o nr e i n f o r c ea d j u s t m e n ta r eq u a l i t a t i v e l ym a d eb ys i m u l a t i o n c o m p u t i n go nt h eb a s e so fa r e a s ( t h o s ew i t hg r e a t e rd i s p l a c e m e n t ，l a r g e rp l a s t i cz o n e s ，h i g h e r 东北大学硕士论文 a b s t r a c t s t r e s sc o n c e n t r a t i o no rt e n s i l es t r e s s ) a n dd i r e c t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c ko fc a v e r n sn e e d e d t ob es t r e n g t h e n e d s t u d yo nt h ee x c a v a t i o na n ds u p p o r to fu n d e r g r o u n dc a v e r n si nh i 曲l ys t r e s s e dz o n ei s d i r e c t l yr e l a t e dt ot h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo fs u r r o u n d i n gr o c ko fc a v e r n sa n di si m p e r a t i v e w i t hp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：h i l g hg e o s t r e s s ，u n d e r g r o u n d c a v e r n g r o u p ，e n e r g y r e l e a s e d r a t e ， e l a s t i c p l a s t i cf a i l u r e 溜l 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，不包含其他人已经发表 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r 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签翻黼森 曰期：彬肚 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。本人同意东北大学荫，以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进循检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题依据和研究意义 随着我国西部大开发战略的实施，为了充分利用我国丰厚的水力资源以加速 经济的发展，一座座大规模的水电站正在兴建。目前我国将要开发的水力资源主 要分布于西部高山峡谷地区，这些水电站大多选择为深埋式地下厂房，而且在今 后一段时期内兴建的大型水电站和蓄能电站多数均需建超深( 埋深大于5 0 0 m ) 或 超大型( 跨度大于3 5 m 、高度大于6 0 m ) 地下洞室群作为其主要的构筑物，如拟 建的雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深达2 4 0 0 m 4 引，虎跳峡的引水隧洞上 覆岩体达千余米，在建的拉疆瓦水电站主厂房开挖尺寸达3 1 0 3 0 7 4 m ( 长宽 高) 。南水北调西线工程将涉及埋深愈1 0 0 0 米超深隧道的营建。此外，我国的 资源开采、石油储存、地热开发等已向更深的地下发展：红透山铜矿目前开采已 进入9 0 0 l1 0 0 米深度，冬瓜山铜矿现已建成两条超1 0 0 0 m 竖井来进行深部开采； 深部岩体埋置放射性核废料已列入国家的试验计划；国家战略能源储备中大型地 下储气库及储油库也将在深至1 0 0 0 米的深部地下空间中建造。 在建造这些大型的地下工程时，认真研究洞室区岩体的初始应力场以及洞室 开挖过程中围岩应力的变化规律，不但是判断围岩稳定性的条件，也是确定洞室 围岩加固方案的基础。在确定围岩应力场环境的基础上，通过对洞室开挖过程进 行研究，可得出对洞室围岩稳定性和围岩变形破坏特征的规律性认识，并能对围 岩加固措施的有效性进行判断，最终实现开挖与支护方案的优化。 因为无论是能源，如水电、煤炭、石油这些主要资源的开采，还是交通建设 如开隧洞、架桥梁、平路基乃至各类矿产和天然建筑材料，都涉及到地下洞室的 开挖与支护过程，所以在全世界岩石力学的研究课题中，地下工程围岩稳定和地 层控制的研究内容也是占了很大的比重。对于地下工程在开挖期和运行期的围岩 稳定性研究，以及研究如何用最小的开挖支护代价来保证这些地下空间在施工和 运行期有足够的安全性，这些都有着积极意义。 数值仿真计算已经成为岩土界进行工程问题研究的一种重要手段，通过对设 计方案的模拟，可以对工程的实际施工进行预测和提供一些指导性的建议，为实 际工程创造经济效益和安全效益。正在建设中的拉西瓦水电站其地下厂房是巨大 型地下洞室群，岩体脆硬，地应力高，洞室开挖后，围岩受力极其复杂，其力学 行为的演化是一个动态过程。借助数值计算的手段对拉西瓦水电工程地下洞室群 开挖与支护的多种设计方案进行模拟，并在此基础上对围岩的初始应力场环境、 影响围岩稳定性的主要因素、开挖与加固方案的有效性和合理性进行全面讨论， 东北大学硕士论文 第一章绪论 以期对工程实际施工提供参考建议，并为工程建成后的洞室围岩稳定提供依据。 本论文以国家杰出青年科学基金( 5 0 3 2 5 4 1 4 ) 高应力下地下工程稳定性的 智能分析与优化及其依托工程课题拉西瓦水电站高地应力条件下大型地下洞 群围岩稳定及合理支护措施研究中的部分内容来开展研究工作。 1 2 国内外研究状况 近年来，随着世界经济的发展，公路或铁路隧道建设、矿山地下开发、水电 站的地下工程也在快速的发展，而且这些地下工程中其“长、大、深、群”的特 点日趋明显，加之它们所处的地质条件往往易于形成高地应力，这就易于导致岩 爆危害的发生，因此高地应力与岩爆对地下工程围岩稳定性的影响问题已经引起 世界的广泛关注。 1 2 1 高地应力的含义f 1 j 国内外对高地应力的含义迄今还未达成统一的认识。例如，工程实践中多将 大于2 0 m p a 的硬质岩体内的初始应力称为高地应力；法国遂协、日本应用地质协 会和前苏联顿巴斯矿区等部门在勘查、设计阶段则采用岩石单轴抗压强度肋和最 大主应力矾的比值r b c r l ( 即岩石强度比) 来划分地应力高低级别( 表1 1 ) 。 表1 1 国外部分国家地应力分级方案 ：! 垒垒! 曼! ：! i 曼q 曼! 兰箜垒曼! 垒曼曼i i ! 塑i q 塾墨璺垒曼! 坠璺。q ! 曼q 堡曼鱼兰璺i 8 窭 地应力级别高地应力中等地应力低地应力 岩石强度应力比( r b s 1 ) 4 我国陶振宇教授( 1 9 8 3 ) 对高地应力给出的定性规定：所谓高地应力是指其 初始地应力状态，特别是它们的水平初始应力分量大大超过其上覆岩层的岩体重 量。其规定强调了水平地应力的作用。天津大学薛玺成等( 1 9 8 7 ) 建议用下式来划 分地应力量级： n i l ，1 0 ( 1 一1 ) 式中，1 一实测地应力主应力之和；口一相应测点自：重应力主应力之和；托一比值。 表1 2 地应力分级方案( 薛玺成等，1 9 8 7 ) ，t a b 1 e 1 2 g e o s t r e s s c l a s s i f i c a t i o ns c h e m e ( x u ex i c h e n g , 1 9 8 7 ) 。， 地应力级别一般地应力 较高地应力高地应力 2 东北大学硕士论文 第一章绪论 显然，表1 2 中薛玺成等人的地应力分级方案在物理概念上与陶振宇教授的 高地应力定性规定并无本质上的区别。 姚宝魁、张承娟( 1 9 8 5 ) 认为，陶振宇等人的分级、评价方法没有考虑岩体 的变形和稳定条件，因而在工程建设实践中没有实用价值。他们认为，应从工程 岩体的变形破坏特征出发，来考虑地应力对不同岩体的影响程度，建议以下式作 为判断高地应力的标准： 口，( ，0 1 5 0 2 0 、) 尺6 ( 1 2 ) 实际上，上式继承了b a r t o n 等人( 19 7 4 ) q 系统分类指标的物理概念。我国 建设部、国家技术监督局1 9 9 4 年联合发布的岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 卜9 4 ) 附录2 中也采用岩石强度应力比r b 吼来划分高地应力级别，这是到目前为止可 参照的我国最具权威性的规范标准，它规定硒q - 4 7 为高地应力，劢a i 4 为极 高地应力。这一规定与表1 1 中的国外部分国家地应力分级方案相比有很大出入， 可以反映出不同国家对高地应力的定义是很悬殊的。 高地应力是一个相对的概念，它与岩体所经受的应力历史和岩体强度、岩石 弹性模量等诸多因素有关。中科院孙广忠教授( 1 9 9 3 ) 曾指出：强烈构造作用地 区，地应力与岩体强度有关；轻缓构造作用地区，岩体内储存的地应力大小与岩 体弹性模量直接有关，即弹性模量大的岩体内地应力高、弹性模量小的岩体内地 应力低。孙广忠教授还提出了高地应力地区的六大地质判断标志( 表1 3 ) ，表中还 列出了低地应力地区的一些地质判断标志，以便对比分析。 表1 3 高、低地应力地区的地质标志 ：! 量坠! 璺羔：圣鱼曼q ! ! 奠基璺堕l 翌q 塾i g 塾! ! ! ! 婴i 塾：萋i ! 坠兰塑显曼璺! 壁g i q 塾 高地应力地区的地质标志低地应力地区的地质标志 1 围岩产生岩爆、剥离现象1 围岩松动、塌方、掉块 2 围岩收敛变形大 2 围岩渗水 3 软弱夹层挤出 3 岩体节理中有夹泥 4 钻孔出现饼状岩芯4 岩脉内岩块松动、强风化 5 开挖无渗水现象5 断层或节理中有次生矿物晶族、孔洞等 6 开挖过程有瓦斯突出 1 2 2 有关高地应力的研究 高地应力力学问题的提出最早源于矿藏的深部开采。深部资源开采一直是国 内外采矿工程界一个十分重要的研究课题，国外从2 0 世纪8 0 年代初期开始深部 开采问题的研究。以南非为代表，其他国家如美国、加拿大、澳大利亚、波兰、 俄罗斯等政府、工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结合进行深 部资源开采相关的基础课题研究。南非政府、大学与工业部门密切合作，于1 9 9 8 东北大学硕士论文 第一童绪论 显然，表l2 中薛玺成等人的地应力分级方案在物理概念l 与陶振字教授的 高地应力定性规定并无本质上的区别。 姚宝魁、张承娟( 1 9 8 5 ) 认为，陶振宇等人的分级、评价方法没有考虑岩体 的变形和稳定条件，因而在：c 程建设实践中没有实用价值他们认为，应从二f 稽 岩体的变形破坏特征出发，来考虑地应力对不同岩体的影晌程度，建议以下式作 为判断高地应力的标准： o r ，己f 0 1 5 0 2 0 ) r b ( 2 ) 实际上，上式继承了b a r t o n 等人( 1 9 7 4 ) q 系统分类指标的物理概念，我i l f 建设部、国家技术监督局1 9 9 4 年联台发布的岩土工程勘察规范f g b 5 0 0 2 1 9 4 ) 附录2 中也采用岩石强度应力比r b q 柬划分高地应力级别，这是到目前为止j j 参照的我国最具权威性的规范标准，它规定剧o l = 4 - 7 为高地应力，硒。i 4 为极 高地应力。这一规定与表1 1 中的国外部分国家地应力分级方案相比有很大m 入， 可以反映出不同国家对高地应力的定义是很悬殊的。 高地应力是一个相对的概念，它与岩体所经受的应力历史和岩体强度、岩：酊 弹性模量等诸多因素有关。中科院孙广忠教授( 1 9 9 3 ) 曾指出：强烈构造作用地 区，地应力与岩体强度有关 轻缓构造作用地区，岩体内储存的地应力大小与岩 体弹性模量直接有关，即弹性模量大的岩体内地应力高、弹性模量小的岩体内地 威力低。孙厂一忠教授还提出了高地应力地区的六大地质判断标志l 表1 3 ) ，袅中还 列出了低地应力地区的一些地质判断标志以便对比分析。 表1 3 高、低地应力地区的地质标志 ! 生! ! 童鱼! q ! 蝗堑i 鲤鲤i 吐二! ! 燮i 型堕! ! ! ! 塑! 堡g i 些 高地应力地区的地质标志低地应力地区的地质标志 l 围岩产生岩爆、剥离现象l 围岩松动、塌方、掉块 2 围岩收敛变形大2 围岩渗水 3 软弱夹层挤出3 岩体节理中有夹泥 4 钻孔出现饼状岩芯4 岩脉内岩块松动、强风化 5 开挖无渗水现象5 断层或节理中有次生矿物晶族、孔洞等 6 开挖过程有瓦斯突出 1 2 2 有关高地应力的研究 高地应力力学问题的提出最早源于矿藏的深部开采。深部资源开采一直是国 内外采矿工程界一个十分重要的研究课题，国外从2 0 世纪8 0 年代初期开始深部 开采问题的研究。以南非为代表，其他国家如美国、加拿大、澳大利亚、波兰、 俄罗斯等政府、工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结合进行深 部资源开采相关的基础课题研究。南非政府、大学与工业部门密切合作，于1 9 9 8 部资源开采相关的基础课题研究。南非政府、大学与工业部门密切台作，于：1 9 9 8 东北大学硕士论文第一章绪论 年，干始启动“d e e pm i n e ”研究计划，旨在解决( 3 0 0 0 - 5 0 0 0 m ) 深度的开采安全等 一系列问题；加拿大8 0 年代开展了为期1 0 年的两个深井研究计划；美国i d a h o 大学、m i c h i g a n 大学与西南研究院和美国国防部合作，就岩爆引发的地震信号进 行了研究；西澳大利亚大学在深部开采方面也进行了大量工作；我国8 0 年代末 也开始了这方面的研究，一些高校和研究所对深部资源开采的理论和技术进行了 一些研究，取得了大量有价值的研究成果【引。 高应力会改变岩石的力学特性。岩石在不同的围压下表现出不同的峰后特 性，在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高围压下转化为延性( d u c t i l e ) ，脆一 延转化是岩石在高围压下表现出的一种特殊的变形性质( 图1 1 ) ，目前的研究大多 集中在判断标准上。k a r m a n 首次用大理石进行了不同围压条件下的压缩试验， p a r t e r s o n 在室温条件下也对大理石进行了一系列试验研究，发现随着围压增大岩 石变形行为由脆性向延性转变的特性。m o g i 发表过类似试验结果，指出岩石脆 一延转化常与岩石强度有关。 123 ：s 而 氛 荟 苦 一 皂 = ( a ) w o n b e y a n 大理岩【3 】 ( b ) y a m a g u c h 大理岩【4 】 图1 1 不同围压下岩石的脆性延性转化现象 f i g 1 1t h ec o n v e r s i o np h e n o m e n a o fr o c kb r i t t l e n e s sa n dd u c t i b i l i t yu n d e rd i f f e r e n t c o n f i n i n gp r e s s u r e 巷道深部开采高应力诱发的工程灾害【5 】主要有以下几个方面： 1 巷道变形 与浅部一样，深部巷道支护的目的仍是尽量保持围岩的完整性以及避免破碎 岩体进一步产生位移。深部开采一方面臼重应力逐渐增加，恳时由于深部岩层的 构造一般比较发育，其构造应力十分突出，致使巷道匿岩压力大，巷道支护成本 增加。据煤炭行业的有关资料，近l o 年巷道支护成本增加了i 4 倍，巷道翻修 量占整个巷道掘进量的4 0 。深部巷道难支护盼原因来自两个方面，一是深部巷 道的底鼓十分严重，煤矿中有的巷道2 0 余年底鼓不止，累积底谷量达数十米； 二是岩爆危险性增大，如南非某金矿l9 9 5 年9 月在深度2 5 0 0 m 的巷道中发生了 一次岩爆，据当地地震台网测定，其震级为3 6 级，巷道遭到了严重的破坏，所 4 东北大学硕士论文第一章绪论 幸无人员伤亡。d u r r h e i m 等( 1 9 9 7 ) 研究了其发生的原因，认为主要是由于离地 应力、发育的地质构造和岩层中含有易碎的页岩等几方面因素的综合影响结果。 因此深部巷道所处的地质环境以突出高地应力和岩爆危险性为主。 深部巷道支护设计的关键是如何定量评定岩爆造成地损害，以下一些经验是 值得借鉴的( 0 r tle p p ，19 9 2 ) ：( 1 ) 中度震级的岩爆将导致岩块弹射速度达到甚 至超过1 0 m s ，这样的弹射速度足以毁坏常规的加强支护系统；( 2 ) 采用能量理论 设计的支护系统( 即让压支护系统) 将完全有可能承受岩爆带来的冲击；( 3 ) 深 部巷道让压支护系统的效能可通过巷道中实施控制爆破试验来检验。 需要强调指出的是，深部有岩爆危险的岩爆烈度性质和岩体破坏过程是巷道 支护设计极其重要的两个方面，同样重要的是巷道所处的应力环境。如果说浅部 中、低应力条件下的巷道支护更多的取决于业已存在的地质构造等不连续面的 话，深部高应力中巷道支护设计的最重要因素则是巷道围岩因掘进造成的断裂破 坏带的影响，因此支护设计必须考虑新生断裂结构的影响。总的来看，高应力硬 岩环境下的巷道支护应强调破裂岩体残余强度的利用，尽量减小岩体的峰后( p o s t f a i l u r e ) 变形，并尽量使巷道围岩处于三向受力状态，因此应选用早承载的高 强度支架。另外，同样是根据南非的经验，在有岩爆危险性的区域，巷道支护应 采用喷射混凝土进行加固( d u r r h e i m 等，1 9 9 7 ；b o n i f a c e 等，1 9 9 8 ) 。 岩爆危险区的理想支护方式应具有以下特征( k a i s e r ，1 9 9 3 ) ：( 1 ) 支护体应具 有较高的初始刚度；( 2 ) 大变形条件下支护系统同样具有较好的承载能力；( 3 ) 支护 系统具有良好的柔性( d u c t i l i t y ) 等。 由于巷道设计过程中存在诸多不确定因素，如支架载荷、破坏机理等，因此 所谓的严格意义上的工程设计方法在巷道支护设计中没有多大意义，深部巷道支 护设计也是如此。从设计意义上，深部有岩爆危险区域的巷道支护仍具有与浅部 支护十分不同的特点，如：( 1 ) 不能简单地通过提高支护强度的方法来防止岩爆造 成的危害；( 2 ) 为了防治岩爆对支护体构件造成的破坏，应尽量将支护构件设计成 具有让压( y i e l d ) 特性的支护系统区域中，巷道支护设计理念与浅部有很大的不 同，浅部支架突出“支 方面的作用，而深部巷道确更多地应体现其“让压 ( y i e l d ) 的功能，即合理的支护设计应允许支架有充分的变形能力，确保支架在发生岩爆 时不被折断。 2 采场矿压显现 随着采深的增加，岩爆危险性也随之上升，常规的顶板管理方法再也不能有 效地维护开采空间，因此顶板管理方法必须进行相应地调整。目前深部开采采场 顶板控制方面的经验还不多，除了合理布置采区和改进支护方法外，从局部措施 上，还可以在高应力区采用卸压的方法来减小岩爆的发生几率( g r o d n e r ，1 9 9 9 ) 。 另外与深部围岩危险区巷道支护设计样，采场支护设计也应从能量的观点出发 东北大学硕士论文第一章绪论 ( w a g n e r ，1 9 8 4 ；k i d y b i n s k i ，1 9 9 0 ；a c h e a m p o n g 等，2 0 0 0 ) 。最近几十年发展 起来的数值计算方法在确定合理的深部开采采区布置方面是十分有效的研究方 法( b r a d y ，1 9 9 0 ) 。 3 岩爆 采掘导致岩层的突然破坏，往往伴随着开采空间的大应变、大位移以及岩层 碎块从母岩中的高速脱离，向开采空间抛出，抛出的岩体质量从数吨到数千吨不 等。广义上，采掘导致的动力现象通常称为矿震( s e i s r n i c i t y ) ，只有那些对开采 空间造成损害的矿震才习惯地称之为岩爆( b r a u n e r ，1 9 9 4 ；g i b o w i c z ，1 9 9 4 ) ； 矿井中的岩爆大致可分为三类( w a n g e r ，1 9 8 4 ) ，即：( 1 ) 发生在局部范围内的岩 爆，只导致局部区域的损害和破坏；( 2 ) 岩爆在大范围内产生影响，但并未造成局 部区的损害；( 3 ) 岩爆发生在离采场和掘进工作面一定距离之外，但也会在局部范 围内产生严重损害。第一种类型显然与采掘活动有十分密切的关系，第二种类型 是由于大范围矿震引起的，第三种与断层活动有关。 如果说浅部岩石强度理论是以摩尔一库仑准则为主的线性破坏准则为主的 话，那么深部高地应力下则更多地采用了非线性强度准贝 j _ 。h o e k 和b r o w n t 6 1 通过 大量岩石实验和现场监测提出了一个著名的经验强度准则： 0 1 = 0 3 + m o c 仃3 + s 0 2 ( 1 3 ) 式中m 及s 为经验常数，仃c 为岩石单轴抗压强度，m 为一个有限的正值， 反映岩石的软硬程度，s 值反映岩体破碎程度。该强度准则充分考虑了高地应力 和岩体结构对强度的影响。考虑到岩体本身和赋存环境的复杂性，h o e k 将该公 式推广到更一般情形： o 1 - - 0 3 + o ch 毒叫4 ， l 若 | ( 1 q ) 式中，m 小和倪为岩体特性参数。 r a m a m u r t h y 和s i n g h 在莫尔一库仑强度准则的基础上，提出了一个表征高地 应力下完整岩石的更一般形式的强度准则： ，、卢 警- b q d 。i j 式中b ，p 为岩石类型参数。s i n g h 还根据大量试验数据，总结了非常高的 倾向应力下( 高达7 0 0 m p a ) 的现有岩石非线性强度准则【7 l ( 见图1 2 ) 。 南非金矿过去几十年的开采实践表明：深部开采过程中岩爆的产生是有一定 6 东北大学硕士论文 第一章绪论 规律的，总结起来主要有3 点规律：( 1 ) 岩爆的产生与岩层的剪切破坏有关，尤其 是岩层沿预先存在的不连续面产生滑移占主导地位；( 2 _ y 岩爆多发生在采掘活动频 繁的区域，统计表明，深部开采大部分岩爆都发生在工作面附近( 1 0 0 2 0 0 m ) 范围 内；( 3 ) 深部开采岩爆的发生具有一定的随机性。因此岩爆的预测预报只能建立在 统计观点基础上，而准确预报岩爆发生的时间与地点几乎是不可能的，但有点是 可以肯定的，即当一些不利因素如开采空间大、支撑压力高、断层发育等同时出 现时，产生岩爆的几率将大大增加。所以在此基础上发展的岩石力学模型对于预 测岩爆的发生是十分有帮助的。 o e 挂3 图1 2 高应力条件下岩石强度准则 f i g 1 2r o c kf a i l u r ec r i t e r i o nu n d e rh i 曲s t r e s s 采深增加引起岩爆危险性增大的机理十分复杂，从开采环境看，采深的增加 将导致煤层顶底板压力的增大，尤其是开采空间附近顶底板移近量的急剧增大， 对煤层的夹持作用更加明显，十分有利于煤岩中弹性能的聚集；并且煤层自身的 物理力学性能也将发生明显的改变，将由浅部的脆性状态转化为深部的准粘性 ( q u a s i v i s c o u s ) 材料，十分容易由煤岩体的流变过程( t h e o l o g i c a lp r o c e s s ) 演化为岩 爆。例如，南非金矿的深部开采中，即使是非常坚硬的岩石，因受到采掘影响而 向新的平衡态的转移过程也不是瞬间完成的，而是一个随时间演化的过程。近几 7 东北大学硕士论文 第一章绪论 年一些研究人员已开始关注这一现象，他们发现在深部开采中，坚硬岩层也具有 十分明显的时间效应现象，而一旦将这种岩石样本在实验室进行试验，却几乎观 测不到时间效应现象或观测到流变速率十分低，实验室的试验结果与现场观测结 果之间的差异十分明显，无法解释现场观测到的十分明显的时效现象。d u r r h e i m 和b o n i f a c 等也研究了岩爆发生的原因，认为主要是由于较高地应力、发育的地 质构造和岩层中含有易碎的页岩等几方面因素的综合影响结果。 岩爆是高地应力条件下，隧道开挖后来不及作初期支护或初期支护加囤强度 不够的情况下所发生的围岩失稳现象，一般二次衬砌完成后，较少再有岩爆现象 发生。岩爆就其破坏机制而言，是一种开挖卸荷条件下高地应力区地下洞室岩体 自身积蓄的大量弹性应变能突然猛烈释放所造成的拉张脆性或张、剪脆性并存的 急剧破裂或爆裂破坏灾害现象。爆裂破坏所造成的岩块( 片) 则可以爆裂松脱、爆 裂剥离爆裂弹射或抛掷等不同方式脱离母岩体，进而直接威胁施工人员、设备的 安全，增大超挖和落石的处理，增加支护工程量，直接影响工程进度和造价。 发生岩爆时的主要特征可以归纳为以下几点： ( 1 ) 围岩坚硬、质脆，岩爆岩石单轴抗压强度大于5 0m p a ： ( 2 ) 岩爆活动既不发生在非常完整的岩体中，也不发生在节理很发育的i i 、i i i 类围岩中，主要发生在、v 类围岩中，具有明显的岩体结构效应。 ( 3 ) 岩爆洞段岩体表面较为干燥，有地下水存在或断裂部位不发生岩爆。 ( 4 ) 掘进过程中，掌子面至3 倍洞径范围内岩爆活动一般较为频繁，且多发生 在断面周边不圆顺处及壁面凹凸不平处等洞室周壁应力易集中部位。距掌子面3 倍洞径之外的范围，岩爆则逐渐减少。 ( 5 ) 岩爆洞段的埋深可大可小，埋深不是判定岩爆发生与否的重要依据。例如， 秦岭隧道埋深7 7 m 就有2 次岩爆发生。 ( 6 ) 岩爆发生的时间迟早不一，有的开挖爆破稍后随即就会发生，有的则要滞 后若干时日或一个多月才会发生。 ( 7 ) 岩爆随时间的延续有向深部累进性发展的特征，因而岩爆地段应及时采取 合理有效的喷锚初期支护措旌，否则后患无穷。 1 2 3 国内外对岩爆预测预报的研究f 3 8 “】 工程实践中为便于实际操作，国内外学者大多将岩爆烈度划分为轻微岩爆、 中等岩爆、强烈岩爆3 级，并主要采用洞壁围岩切向应力盯口，与其单轴抗压强 度r b 之比值r b 作为岩爆判据。r b - ：0 3 ，一般不会发生岩爆；q 3 曝硒 囱i o 、o m 。n p 。a , 密吼仃m “一4 7 g t ，o m a x 5 0 3 2 3 0 c c r m x = 。5 惜岩爆 摩萎2 驾 叫地嘉赫6 0 m p 结力 2 a _ ”a ；【。”“” 兰兰兰竺三：! ：三兰乏2 盖量 3 2 1 2 能量指标 能量指标的建立以能量理论为基础。能量理论是2 0 世纪6 0 年代由c o o k 等 人首先提出的，认为当岩体一围岩系统在力学平衡状态破坏时，系统释放的能量 大于消耗的能量时，即产生岩爆，即岩石中积累的弹性应变能是岩爆发生的内部 主导因素。该理论解答了岩爆的能源问题，较好地解释了地震和岩石抛出等动力 现象，但是未考虑时间和空间的因素，该理论发展还不够完善。总的来说，能量 观点在岩爆研究中扮演着非常重要的角色，常用的岩爆判别能量指标有： ( 1 ) 弹性能量指数 由波兰学者k i d y b i n s k i 于1 9 8 1 年提出，他将岩石试件加载到( 0 7 0 。8 ) ， 然后再卸载到0 0 5 仃。时，卸载所释放的弹性应变能e 。与耗损的弹性应变能e 。之 比值，定义为弹性能量指数，用于判断和预测岩爆。 一疋e p( 3 1 ) 弹性能量指数也称为冲击倾向指数，其值越大，破坏时释放的能量越大。 k i d y b i n s k i 针对煤块实验结果给出岩爆倾向性分类标准： 睨rs2 0 无岩爆，2 0 5 o 严重岩爆。 该方法应用广泛，一个值得注意的问题是其判别指标是针对煤岩而言的，它 不一定适合硬岩的判别指标。s i n g h 根据加拿大萨德伯