（地质工程专业论文）桃园煤矿Flt2gt断层带内巷道的粘弹性分析.pdf

桃园煤矿f ：断层带内巷道的粘弹性分析 摘要 运用b u r g e r s 粘弹性模型，分析了桃园煤矿f 2 断层带内巷道开挖后的蠕变 规律。 具体内容包括： ( 1 ) 根据已有的钻孔岩芯数据，分析了f 2 断层的产状；对断层带内的部分样 本做了x - 衍射测试、物理力学性质测试和土工性质测试，得到f 2 断层的粘土矿 物含量、物理力学性质及水理性质，可判定f 2 断层为膨胀性软岩。 ( 2 ) 根据三个不同时间段的位移及应力云图，分析了开挖后巷道的变形一时 间和应力一时间的蠕变规律；在位移矢量分析的基础上，得出了断层带内巷道 的运动趋势：通过设置位移样点，分析了断层带内巷道的不规则蠕变。 ( 3 ) 分析了特定支护下巷道的变形；通过变换参数，分析硬化层对巷道蠕变 的影响。 关键词：f 2 断层，巷道，粘弹性，蠕变，硬化层 t h ev i s c o e l a s t i c i t ya n a l y s i so f t h er o a d w a y w i t h i nf 2f a u l tz o n ea tt a oy u a nm i n e a b s t r a c t t os o l v et h ep r o b l e mo ft h er o a d w a y se x c a v a t i o ni nf 2f a u l tz o n ei nt a oy u a n m i n e ，t h ec r e e pr u l ea f t e re x c a v a t i o ni sa n a l y z e dw t ht h eb u r g e r sv i s c o e l a s t i c i t y m o d e l t h i sp a p e rc o m p r i s e st h ef o l l o w i n g3p a r t s ： ( 1 ) b a s e do nt h ed a t eo fb o r eh o l es a m p l e s ，t h eo c c u r r e n c eo ff 2f a u l ta r e d i s c o v e r e d ；t h ec l a ym i n e r a lc o n t e n t s ，p h y s i c sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e h y d r o p h y s i c a lp r o p e r t i e sa r eo b t a i n e db yx - d i f fa c t i o na n dr o c km e c h a n i c st e s ta n d s o i lt e s t ，t h ef 2f a u l ti sc l a s s i f i e dt os w e l l i n gs o f tr o c k ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed i s p l a c e m e n tc o n t o u ra n dt h es t r e s sc o n t o u ra tt h r e et i m e s t e p ，t h ec r e e pr u l e so fd e f o r m a t i o nv st i m ea n ds t r e s sv st i m ea f t e rt h ee x c a v a t i o n a r er e s e a r c h e d ；t h ec r e e pd i r e c t i o n so ft h er o a d w a yi nf 2f a u l tz o n ea r ec o n c l u d e d b a s e do nd i s p l a c e m e n tv e c t o r ；a n dt h eu n e q u a lc r e e p so f r o a d w a ya n a l y z e db ys e t t i n g t h ep o i n t so f r e c o r d i n gt h ed i s p l a c e m e n t ( 3 ) t h ed e f o r m a t i o no fr o a d w a yo nt h eg i v e ns u p p o r t i n gi sa n a l y z e d t h ee f f e c t o f t h es c l e r o u sl a y e rt ot h ec r e e pd e f o r m a t i o ni sr e s e a r c h e db yp a r a m e t e rc h a n g i n g k e yw o r d ：f 2f a u l t ，r o a d w a y , v i s c o e l a s t i c i t y , c r e e p ，s c l e r o u sl a y e r 插图清单 图2 1 趋于稳定的蠕变曲线4 图2 - 2 非趋于稳定的蠕变曲线4 图2 3m 体的形变特征7 图2 - 4k 体的变形特征9 图2 5b u r g e r s 模型1 0 图2 - 6b u r g e r s 模型的变形曲线1 l 图3 1 矿区地质构造示意图1 2 图3 - 2f 2 断层及其派生断层的地震波显示1 4 图3 3f 2 断层顶面高度分布图1 5 图3 - 4f 2 断层底面高度分布图1 5 图3 5 断层底面和顶面等值线1 6 图3 6 北八大巷n 1 7 5 。w 方向纵剖面图1 7 图3 7 断层泥矿物成分x 衍射1 9 图4 1 计算模型及网格划分2 4 图4 2 刚开挖完对纵向位移2 5 图4 3 开挖3 0 天后时纵向位移2 6 图4 - 4 开挖1 5 0 天后时纵向位移2 6 图4 5 刚开挖完时水平位移2 7 图4 - 6 开挖3 0 天后水平位移2 7 图4 7 开挖1 5 0 天后水平位移2 7 图4 8 巷道纵向应力图2 8 图4 - 9 巷道水平应力图2 9 图4 1 0 巷道纵截面伍= o ) 位移矢量2 9 图4 1 1 断层带中部( y = 1 2 5 r n ) 处巷道断面位移矢量3 0 图4 1 2 位移样点布置图3 0 图4 1 3 底板位移变化3 1 图4 1 4 顶板位移变化3 1 图4 1 5b 断面两帮位移变化3 2 图4 1 6c 断面两帮位移变化3 2 图4 1 7d 断面两帮位移变化3 2 图5 1 模型网格划分及分组图3 3 图5 2 开挖9 0 天后水平位移3 4 图5 3 开挖9 0 天后竖直位移3 4 图5 - 4 位移矢量图3 4 图5 5 硬化层模型3 5 表格清单 表2 - 1 理想物体模型及其应力一应变和应力一应变率关系6 表2 - 2 流变模型应用于岩石力学情况6 表3 一l 钻孑l 揭露的f 2 断层信息1 4 表3 2 桃园矿f 2 断层两侧沉积物厚度与地形关系1 6 表3 - 3f 2 断层土体颗粒组成表1 8 表3 - 4 断层带岩石物理、力学性质试验成果表2 l 表3 5f 2 断层带土工试验成果表2 2 表3 - 6 软岩工程分类和分级总表2 2 表4 一l 材料参数表2 5 表5 1 硬化层及断层带参数3 5 表5 2 各样点位移3 5 独创性声明 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。 据我所知，除了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 盒蟹王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使 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已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日堰西砧年灿1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒竖王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权金 蟹至些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日甥象6 年l z 月f 胡 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：如州年，二月p 日 电话： 邮编： 致谢 本篇硕士论文的完成，不仅凝聚着我的汗水，而且还包含许多人的帮助与 支持，我想在此先表达我的感谢之情。 首先要感谢我的导师葛晓光教授，自大四本科毕业设计起，我就随葛老师 学习，在学习期、日j ，葛老师为我们创造良好的科研环境，生活上关怀我们，学 习上指导我们，提供实践的机会。在这几年来，葛老师渊博的知识，严谨的治 学精神，坦荡的处世作风都使我难忘，更让我受益无穷。 感谢我的家人，他们的爱我无法用语言表达。 感谢在学校的老师，是他们教我知识，加深专业认识。 感谢在学校的师兄、师弟、师妹和同学，他们给予我关心和鼓励。 还有很多人也给予我帮助和支持，在此由衷地表示感谢! 最后感谢参加评阅的老师和参加我硕士论文答辩的各位评委及同学! 第一章绪论 1 1 研究问题的提出 煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一。“九五”期间， 我国1 0 个能源建设基地有8 个都相继出现了软岩问题，造成多对矿井的停产停 建f l 】。软岩的流变特性和时i 刨效应是岩体工程中的一种不可忽视的重要特征。 随着软岩工程的发展，流变已经成为工程建设中常遇到的问题，也是造成灾害 性事故的主要因素之一。在大坝、边坡、隧洞、铁路路基、煤矿巷道等岩体工 程中，有关软岩开挖导致岩体流变现象有较多的报道 2 1 。 淮北桃园矿f 2 断层为该矿六采区与八采区的分界断层，其落差大于4 0 0 m ， 断层带宽约8 0 m ，是煤矿矿井少见的大断层。f 2 断层带内角砾大小悬殊，大块 角砾主要由细砂岩、粉砂岩、泥岩组成，细颗粒主要由强度较低的泥岩类构成。 在角砾缝隙之间或岩石裂隙之间，有含量不等的粘土级成分充填于其中。劈理 发育，岩性较软弱的泥岩类强烈揉皱，呈现程度不等的裂隙化。为开拓北八采 区，需丌挖一条巷道一即北八大巷，贯通两采区。巷道设计层位位于8 2 煤底板 下4 5 m ，1 0 煤顶板上4 2 m ，巷道底板标高一5 0 7 3 m 一5 0 3 2 m 。断层带的形态的不 规则，岩性极差，具有流体的性质，给巷道的设计施工支护带来极大的困难。 1 2 研究的目的及意义 与传统意义的巷道相比软岩巷道的力学环境与非线性力学的平衡关系更为 复杂【3 o 地下矿山采场巷道变形大多具有明显的大变形和时效变形特征【4 j 。在工 程岩体中，岩块和岩体流动变形能给人们呈现出大量的、具有不同特征的流动 变形和破裂破坏现象，研究这些现象便于了解岩体变形程度、探讨发生原因、 发展趋势、最终状态，由此采取适时有效的工程对策。同时对已经出现的与岩 体流动变形有关的岩体工程灾害、山体自然灾害，包括大坝失稳、山体滑坡和 崩塌、地下洞室底鼓和塌方、露天采矿场边坡滑动等问题采取合理的措施。因 此，岩体流动变形及其多样性、易变性显得比较复杂。不同成因类型的软岩、 不同结构构造的软弱层，其流变性表现程度是不同的i 2 j 。岩石的流变变形是导 致岩体地下隧道工程中支护结构产生变形和破坏的主要原因对岩石的流变特性 的研究，是我们在隧道工程中合理地选择支护类型及设计支护结构的前提垆j 。 本文主要研究在淮北桃园矿f 2 断层软岩中巷道及支护的蠕变和时间效应。 本文运用三维有限差分软件，对淮北桃园煤矿巷道软岩工程问题进行了粘弹性 模拟。通过模拟求解问题，以使复杂的矿井工程设计和施工决策更趋于合理、 可靠和经济，具有重要的理论和实际应用意义。 1 3 研究现状 对地下巷( 隧) 道方面的问题，许多学者做了不同的研究。文献 6 采用 m o h r - c o u l o m b 弹塑性模型，对淮南谢桥矿1 2 2 1 ( 3 ) 综放面围岩压力进行数值模 拟研究，获得了综放采场前方和侧向以及煤层底板的围岩压力分布规律。文献 【7 】采用弹塑性模型，分析了水平应力对巷道软弱互层顶板岩体破坏。文献 8 】从 弹塑性力学计算出发，建立了锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学模型。通 过计算，得到不同锚杆支护强度和锚固区半径下的围岩应力及塑性区半径的理 论计算公式；分析了锚杆支护巷道的围岩应力分布及塑性区变化趋势。文献 9 】运 用三维有限元对隧道开挖和支护进行了模拟。浅埋和深埋隧道都当作符合 m o h r - c o u l o m b 弹塑性准则。文献f l o 】运用m o h r - c o u l o m b 模型对巷道在附近有断层 的岩体丌挖工程进行了数值模拟。分析了在硬的岩体中经常碰到大型非连续断 层，大多数的地下辅助工程的稳定性与附近出现的断层密切相关及相互关系。 以上这些文献都采用弹塑性模型，从弹塑性变形的观点，说明不同的问题，但 是都没有考虑围岩的蠕变，即围岩的时间因素。 对地下结构进行粘弹塑性分析，较之按弹塑性计算又大大地向前迈进了一 步。它不仅在具有学术上和理论上的意义，而且在解决工程实际问题方面也有 重要的实际价值 1 1 。文献 1 2 同时对某水电站引水隧道系统进行了三维粘弹塑 性有限元数值模拟和三维弹塑性有限元数值模拟。分析对比了围岩结构的受力、 变形演化状况，评价了隧道开挖系统的稳定性，论证软岩流变性对隧道稳定性 的显著影响。文献 1 3 1 考虑因岩石材料的粘弹性所造成的层状及板裂结构岩体屈 曲流变变形问题，给出该类岩体结构的屈曲流变变形性态分析。 解析解上，文献【1 4 1 采用流固耦合理论，将巷道围岩视为多空介质，考虑地 下水渗流作用的影响，应用弹塑性损伤力学理论，对巷道围岩进行了应力和稳 定性分析。文献 1 5 】在符合岩体实际的弹性、应变非线性硬化和具拐点的非线性 软化的三段式光滑连接应力一应变关系条件下，求得静水压力下圆形巷、隧道 围岩塑性硬化区和软化区的应力分布表达式。文献【1 6 】认为，在由围岩弹性圈、 硬化圈和软化圈构成的承载拱中，塑性硬圈是主要承载部分。文献【1 7 以圆形巷 道为例，分析讨论了围岩支护系统应力与变形的时间效应，建立了巷道围岩支 护系统粘弹性分析的种新方法一蠕变柔量法，得到围岩支护系统的适用于反 问题的粘弹性应力解与位移解，对于反问题，巷道围岩支护系统的新的粘弹性 分析方法，使有支护和无支护围岩可以依据相同的粘弹性反分析的解析方法， 识别围岩的力学模型和反演力学参数。文献 1 8 】基于大量的岩块流变试验，从岩 石长期强度的衰减特征和岩石的应变能守恒原则出发，建立了非弹塑粘性元件 组合模型的软岩( 煤) 非线性流变数学力学模型在此基础上，进一步建立了软岩 ( 煤层1 巷道围岩非线性流变数学力学模型，并采用实验室二轴巷道围岩流变试验 对该模型的有效性进行了验证。文献 1 9 1 基于巷道围岩非线性流变数学模型研究 了巷道支架围岩相互作用关系。将该模型应用于巷道锚杆支护，讨论了巷道围 岩性质、锚杆下作特性以及锚杆长度等对巷道支护的影响。文献 2 0 在试验基础 上建立了软岩流变模型。 组合模型上，文献 2 1 提到，元件模型中较著名的有三元件模型( m a x w e l l 体 和b i n g h a m 体) 、村山流变模型、修正的考马母拉黄模型、西源流变模型、b u r g e s 模型、开尔文体、理想粘塑性体、中村体、刘宝琛模型、马明军模型、索费尔 德模型等。文献 2 2 j 根据岩石粘聚力在流变中的作用提出了新的流变机理，建立 了新的一维粘弹塑性本构模型，推导了相应的一维蠕变本构关系和相应的一维 松弛本构关系，并对蠕变实验结果进行了模拟，结果表明该模型能够反映岩石 流变的个过程和模拟岩石蠕变中的第二蠕变，可以避免建模中的模型识别过程， 反映岩石流变的机理。文献 2 3 j 提出新的模型。文献【2 4 从内时理论出发，利用 连续介质不可逆热力学的基本原理推导了软岩的内时流变本构方程。文献 2 5 1 作 者对正交各向异性体( 横观各向同性体和各向异性体是其特例) 建立了一种粘弹 一弹塑性性模型，并编制了相应的三维有限元程序，以在层状岩体横观各向同 性介质中的地下洞室开挖为算例，考察了围岩的流动动态。 为更好地描述流变性质，许多学者提出各自新的元件。文献【2 6 】根据岩石加 速蠕变阶段的力学特性，提出了一种非牛顿流体粘滞阻尼元件，将该阻尼元件 与描述岩石减速蠕变和等速蠕变特性的传统模型结合，构成了新的综合流变力 学模型。文献 2 7 1 提出了与应力状态和时间相关的非线性黏性体。将非线性黏性 体引入传统m a x w e l l 模型中，由改进的m a x w e l l 模型与传统的k e l v i n 模型和 s t v e n a a t 塑性体串联而得到新型五元件黏弹塑性模型。文献【2 8 】提出了两种非 线性元件一蠕变体和裂隙塑性体，并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及 描述瞬弹性的虎克体相结合，得到了一种新的复合流变力学模型。通过软岩蠕 变的分级增量循环加载试验证明该模型是适用的。 目前也有将损伤力学引入岩石流变模型，文献 2 9 1 对三峡船匣进行了损伤流 变分析。文献 3 0 1 对损伤和流变模型进行了研究。但是，损伤流变模型还处于探 索阶段【3 ”。 1 4 研究方法及内容 根据淮北桃园煤矿f 2 断层的岩性软弱，岩体具有流体性质，故选取b u r g e r s 粘弹性模型分析巷道蠕变。在大型断层中的巷道蠕变问题的研究。目前尚少见， 故研究具有一定的工程应用价值，可供同类型井巷问题参考。该模型描述的材 料介质具有瞬时弹性应变，衰减蠕变及稳定蠕变阶段p ”。 本文主要研究内容 ( 1 ) 研究断层的物理力学性质。 ( 2 ) 根据断层及巷道的实际工程性质，建立力学模型。 f 3 ) 分析巷道的流变规律，尤其是巷道不规则变形。 ( 4 ) 分析具体支护时巷道的变形特征，以及硬化层对围岩流交的影嗡。 第二章流变概述 2 1 软岩流变力学特性 岩石的流变特性是岩石的重要力学特性之一，特别是软弱岩体，其流变性 更加明显，许多工程问题都与其流变性密切相关【3 3 1 。我国著名专家陈宗基教授 曾指出，一个工程的失稳或破坏往往是有时间过程的。也就是说，是由岩石的 流变性控制的。无论是地面的边坡、大坝，还是地下巷道、矿柱等岩石工程都 存在流变特性，软岩巷道的流变现象更加明显【j “。 软岩的流变特性主要包括四个方面拉j ：( 1 ) 蠕变，在恒定应力的条件下，变 形随时间逐渐增长的现象；( 2 ) 应力松弛，当应变保持一定时，应力随时间逐渐 减小的现象；( 3 ) 流动特性，时间一定时，应变速率和应力大小的关系；( 4 ) 长期 强度，在长期荷载持续作用下软岩的强度。 岩石的蠕变特性是岩石流变性能中最重要的一个方面p 2 j 。地下工程的旌工 经常遇到软岩，诸如泥岩、硅藻岩、砂质泥岩、粘土页岩等。这类岩体具有明 显的流变特性，蠕变变形量较大，表现为从地下工程各个方向发生严重的挤出 变形，常造成支护的失稳和破坏，大量的工程实践表明，开挖在这类岩体中的 地下工程，过量的有害变形是地下工程失稳的主要原因p ”。 岩石的蠕变是岩石流变性能中最重要的一个方面1 3 2 】。岩石的蠕变变形可分 r t 图2 - 1 趋于稳定的蠕变曲线图2 - 2 非趋于稳定的蠕变曲线 为两种类型【3 4 】。 1 趋于稳定的蠕变：即在较小的恒定荷载作用下，变形随时问增长，但是变 形速率随时间递减，最终趋于稳定。如图2 - 1 。 2 非趋于稳定的蠕变：当岩石所受恒定荷载超过某一极限时，变形随时问不 断增长而最终导致破坏，如图2 2 。根据蠕变曲线可将此蠕变过程划分为以下四 个阶段州。 ( 1 ) 瞬时变形：即荷载- - j j 口上即发生的变形，如图2 - 2 中的。 ( 2 ) 第一阶段蠕变：又称初始蠕变或阻尼蠕变。在这一阶段中，应变e 最初 随时间，增长较快，但是增长速率随时间逐渐降低，如图2 - 2 中的。 4 ( 3 ) 第二阶段蠕变：又称等速蠕变，应变随时间呈近于等速的增长，如图2 - 2 中的。 ( 4 ) 第三阶段蠕变：又称加速蠕变，其应变速率加快直至岩石破坏，如图2 2 中的。 应指出，并非所有的岩石均出现等速蠕变阶段，只有蠕变过程中结构的软 化和硬化达到动平衡，蠕变速率才能保持不变1 3 4 1 。 2 2 流变模型【3 2 1 ， 3 5 】、 研究岩石流变的基本规律，通常通过一下两种方法实现：试验法和模型法。 2 2 1 试验法 试验法是对岩石材料进行一系列的试验，利用回归曲线拟合以求得流变公 式，目前通过试验获得岩石经验蠕变公式主要有三种类型：幂函数型：对数型； 指数型。 ( 1 ) 幂函数型，其表达式为 占o ) = a t ”( 2 1 ) 式中，a ，n 是两个试验常数，其值取决于应力水平、材料性质及温度条件。 ( 2 ) 对数型，其表达式为 占0 ) = e o + b l g t + c t ( 2 2 ) 式中，晶为瞬时的弹性应变；b ，c 为两个常数。 ( 3 ) 指数型，其表达式为 占( f ) = 爿 l e x p i f ( f ) 】) ( 2 3 ) 式中，a 为试验常数；f i t ) 是时间r 的函数。 2 2 2 模型法 模型法是假定岩石具有刚性体、弹性体、塑性体和粘性体四种变形特性， 并由相应的四个变形元件形象地表征。前三种变形性质与时帕j 无关，而粘性体 代表着材料的流变性质。由四个变形元件通过串联和并联组合而成的不同模型 代表着岩石的各种流变特性，由于模型法具有直观和组合性，这种流变模型理 论在国内外被公认为研究岩石流变的重要工具。 2 2 2 1 流变的基本元件 基本元件有：刚性元件、弹性元件、塑性元件和粘性元件。岩石最基本的 力学性质是弹性、塑性和粘性。因此，它的力学模型常常是弹性体、塑性体、 粘性体等的理想物体力学模型的组合 3 4 1 。 由于模型法具有直观和组合性，这种流变模型理论在国内外被公认为研究 岩石流变的重要工具口“。 最常用的为后三种元件1 2 j 。各元件性质见表2 - 1 。 表2 - 1 理想物体模型及其应力应变和应力应变率关系 ( 根据蒋彭年) 物体基本模型应力应变或应变速应力应变方程或应力 说明 ( 结构符号) 率关系 应变速率方程( 一维) 月q 性固体 无伸缩性刚杆s = 0e u c l i d 任何荷载下没有 ( 欧几里德) h ( e u ) 毫l ， ，= 0 变形 h o o k e弹性固体弹簧 f = g y 有弹性和强度 ( 虎兑固体) 扣卅十卜。啪 逸 ( 玎= e 剐 无粘滞性 枯滞液体粘壶 敞 f = 叩， n c w t o n 有粘滞性( 牛顿液体) 扣斗( n ) ( 盯= r 6 ) 无弹性和强度 塑性固体摩擦片f = 秒 s 1 v c n a n t ( 圣维南体) 和叶( s t v ) ， 有小弹性 有大塑性 无枯滞性 2 2 2 2 组台模型 通过两个或两个以上的变形元件组合( 串联和并联) 而成的模型可以模拟岩 表2 - 2 流变模型应用于岩石力学情况 模型模型符号流变类型应用条件及条件建议者 麦克斯韦尔体 m 弹一粘 处于很大深度的岩石扎芦斯托维茨、 ( m a x w e l l )红色粘土 ( s a l u s t o w i c z ) 陈宗基 虎克( h o o k e ) 体 h 弹性密实坚硬的岩石 奥伯特o b c n ) 开尔文( k e l v i n lk 粘一弹 一般岩石、舍炭岩石扎芦斯托维茨 体 ( s a l u s t o w i c z ) 鲍埃丁模型 p t h = h l l m 粘一弹 砂岩、页岩、喷出岩、石灰 鲁普奈特r u p p e n c i o 岩、牯土质板岩、砂质页岩 利伯曼( l i b c t m a n n ) 广义k e l v i n 体h k粘一弹 在短期荷载下的岩石 中村( n a k m u r a ) b u r g e r s 体 m - - k粘一弹 软粘土板岩、页岩、粘土岩、 鲁昔奈特( r u p p e n e i t ) 煤系岩石 利伯曼泰利( t e r r y ) 修芷b u t , g e t s 体 m k l c k粘一弹 煤系岩石 哈迪( h a r d y ) b i n 曲m 模型h 一州ls t v ) 弹一粘一塑粘土 宾汉( b i n g h a m ) l o o r l c n 模型( h s t v ) u n弹一粘一塑碳质页岩、岩盐冯格内思、赫费尔 杰弗里斯模型 n i l m 粘一弹硬粘土 郎格尔( l a n g c f ) 索弗尔德- 斯科特h 一( s t v k )弹一粘一塑岩盐或岩体、软弱夹层 郎格尔( l a n g e r ) 布内尔模型一( s t vh n ) 廖国华模型 h 0s t vj l m弹一枯一塑完整岩体刘宝琛 6 石材料所具有的弹性、塑性、粘性等变形特征。四种基本元件可以通过组合并 联或串联起来组成新的模型。并联用“l | ”符号表示，串联用“一”符号。并 联时，每个单元体模型担负的荷载之和等于总荷载，而它们的位移速率是相等 的。串联时，每个单元体模型担负着同一总荷载，而它们的位移速率是可相加 的。 流变组合模型在岩石力学中的应用情况如表2 - 2 。 2 3 粘弹性模型简介【3 2 】 2 3 1m a x w e l l 体 e r l 尹w 旷玎d ( a ) m 模型 ( b ) 蠕变曲线( c ) 松弛曲线 图2 - 3m 体的形变特征( 根据谢和平岩石力学) m a x w e l l ( 麦克斯韦体) 模型由弹性和牛顿体串联而成，模型见图2 - 3 ( a ) 。 由于是两个元件的串联，那么系统的应力相等，而应变相加，假设弹性体和牛 顿体所受的应力为q 和盯：，而两者发生的应变为。和占：，那么它们具有以下的 关系 仃2 0 i20 2 s 2 毛4 - 岛 盯l = e q ( 2 4 ) 二一d 岛一盯2 加 ，7 式中，盯，s 为模型整体的应力和应变。以上6 个方程是从模型组成和元件的 变形规律获得，从上面的方程组可以解得系统得本构方程 盯盯 = 一4 - 一 e r ( 2 5 ) ( 1 ) m a x w e l l 体的蠕变方程 蠕变的应力条件为仃= c r 0 = c 。瑚f ；初始条件为户。时，s = 岛= 勺名，这是 弹性体的瞬时应变。本构方程对时间进行积分代入初始条件可得模型的蠕变方 程 ( 2 6 ) 一e + 7 一叩 i | 占 图2 - 3 ( b ) 为麦克斯韦体的蠕变益线，图中显示当t = 0 时。模型有瞬时应变 s 。= c r 0 ，e ，然后随时间的增加，蠕变呈线性增长。 ( 2 ) m a x w e l l 体的松弛方程 松弛的应变条件为g o = 勺名= c 。n s t ，初始条件为t = - 0 时，盯= 盯。因为模 型系统的应变为常数，因此相应的应变率为0 ，本构方程可变换为 毒= 要+ ! = 0( 2 7 ) 5 r 通过分离变量，积分上式，代入初始条件可得模型的松弛方程 f 盯= 0 r oe x p ( 一兰f )( 2 8 ) | i 图2 - 3 ( c ) 给出模型的松弛曲线，初始应力为盯= 吼按指数衰减。当时间趋于无 穷大时，则应力松弛为零。松弛模型中有一个特征量为松弛时间t ，它是衡量材 料介质松弛状态的一个特征量，它定义为应力下降到初始应力e 分之一时所需 的时间。即 盯：c r 0e x p ( 一兰，) ：鱼 ( 2 9 ) r e 因此m a x w e l l 体的松弛时间t ：旦。 邑 ( 3 ) m a x w e l l 体的弹性后效与粘性流动 初始荷载保持到t t 后卸载，应力应变条件为 j k t l , 扣砷引堋，。+ 詈 【f “盯= 6 - = o ，c r o e = 0 在时间f 1 前，模型服从蠕变变形规律，随着时间推移变形规律线性增长， 达到，l 时刻，外载迅速卸载，弹性应变盯。e = 0 瞬时恢复为零，但是粘性变形 不可恢复，形尉2 n r 4 j ，它的值等于模型，1 时刻的蠕变量，即占：鱼f ，：舢，。 ，7 m a x w e l l 体的弹性后效与粘性流动规律如图2 - 3 ( b ) 所示，它没有弹性后效， 只有粘性流动。 2 3 2k e l v i n 体 k e l v i n ( 开尔文) 体是由弹性和粘性体并联而组成，如图2 - 4 ( a ) 所示，它的特 e ( a ) k 体模型( b ) 蠕变曲线( c ) 松弛曲线 图2 - 4k 体的变形特征( 根据谢和平) 点是应变相等，应力相加。具体的应力应变关系如下 从上面的方程组得到其本构方程 占= 占l = 占2 盯= 仃l + 盯2 0 - 1 2 e 6 2 0 2 。叩s 2 盯= e e + ，7 叠 ( 2 n ) 佗1 2 ) ( 1 ) k e l v i n 体的蠕变方程 蠕变的应力条件为盯= 0 - 。= c o n s t ；初始条件为t = - o 时，e = 0 。再根据本 构方程的通解得 g ：粤【1 - e x p ( 一鱼f ) ( 2 1 3 ) e 7 图2 - 4 ( b ) 为k 体蠕变曲线图中显示当t = 0 时，f = 0 ，无瞬时应变，当f 一 一，占= 盯形，因此模型最终最大得应变值等于弹性体的瞬时应变。由于存在粘 性元件，使其延迟出现，因此i ( 体也可以称为延迟模型。延迟模型有一个特征 量成为延迟时间，它代表模型延迟特征，定义为应变等于瞬时弹性应变6 3 时 所需的时间s = 等【1 一e x p ( 一i e f ) 】= 0 6 3 詈。那么k 体的延迟时间r = ，它 丘玎止 ，u 对应于应变与时间曲线在原点处的切线与水平渐进线交点所对应的时问。当时 间远小于延迟时间时，相当于变形开始阶段，材料表现粘性流动。当时间远大 于延迟时问时，相当于弹性变形。 ( 2 ) k 体的松弛方程 松弛方程的应变条件为s = 晶= c o n s t ，初始条件为t = o 时，0 - = 0 - 0 ，由本 构方程得模型的松弛方程 盯= e 占+ 叩0 = e e o = c o n s t( 2 1 4 ) 上式表明开尔文体应力保持恒定不变，无松弛现象。 2 3 3b u r g e r s ( 伯格斯体) 模型 a x w e ， 、， e 砖 争v 执 i e l v i n 广l 、 e k 图2 - 5b u 唱e m 模型 b u r g e r s 模型是由马克斯韦( m a x w e l l ) 体和开尔文( k e l v i n ) 体串联而成，模型 见图2 5 。其方程为： s 2 w + k o 。o m ：a k 。：旦+ 喜 ( 2 1 5 ) r 。占。 o i = e k sk 七1 1 k k 式中，下标m 表示m a x w e l l 体，下标七表示k e l v i n 体。从式中消去下标获得系统 总的应力、应变本构关系 陪警卜r 。r kd ：= r , k + r r 。ee k 占 亿s ， l kej 。 、。 ( 1 ) b u r g e r s 模型的蠕变方程 蠕变的应力条件仃= c r o = c o n s t ，初始条件为户。时，= 岛：_ o 0 ，应用拉普拉 斯变换推导方程 弘嚣+ 嚣 1 _ e x 一鲁r + 嚣r r ， 瓦毋l1 【仉j f 。 一1 图2 - 6 ( a ) 为b u r g e r s 模型的蠕变曲线，实际上b u r g e r s 模型的蠕变方程是由m a x w e l l 模型和 k e l v i n 体蠕变方程叠加而成的。当t = 0 时，有瞬时应变_ t ) 0 ，当，一一，则 一一。这个模型 反映出在恒定应力作用下具有双蠕变特性，由应变随时间增长的主蠕变和应变随时间按指 数变化的次蠕变构成，它描述材料介质具有瞬时弹性应变，衰减蠕变及稳定蠕变阶段。 ( 3 ) b u r g e r s 模型的松弛曲线 松弛的应变条件为占= 岛= c o n s t ，初始条件为t = 0 时，盯= 盯。同推导蠕变方 程一样应用拉普拉斯变换可得b u y e r s 模型的松弛方程 1 0 i r 悱扣 盯2 了j ；i 杀 ( - q t + q 2 t r ) e x p ( 一n ，) + ( g - 一g ：) e x p ( 一肛) 】 ( 2 1 8 ) 舯胪毒+ 警。嚣铲警b m n t b bke k 甜2 去( ”厨雨；= 去( 厨雨 图2 - 6 ( b ) nb u r g e r s 模型的松弛曲线，为一负指数衰减模型。 ( a ) 蠕变曲线( b ) 松弛曲线 图2 - 6b u r g e r s 模型的变形曲线 2 4 本次计算选取模型 根据现场观测和理论分析结果，埋深很大的隧道围岩，呈现出一种无休止 的蠕变变形特性，变形量大，变形速率快舻j 。大量的现场量测和室内试验都表 明，对于软弱岩石以及含有泥质充填和夹层破碎带的岩体，其流变属性都是非 常显著的p 蜘。淮北桃园煤矿f 2 断层为极软岩，具有流体的性质，又因为表2 2 所示，b u r g e r s 模型适合软粘土板岩、页岩、粘土岩、煤系岩石等软弱岩石，所 以选取b u r g e r s 粘弹性模型。 第三章研究区概况+ 3 1 矿井概况 3 1 1 地理位置【4 0 j 桃园煤矿位于安徽省宿州市墉桥区北杨寨乡、桃园镇、祁县镇境内，矿井 北距宿州市约1 l k m ，南距蚌埠市约7 5 k m ；地理坐标：x = 3 3 。2 8 2 2 ”3 3 。3 6 1 5 ”， y = 1 1 6 。5 8 4 4 ”1 1 7 。2 3 1 ”。其北界为f 1 断层，南部以第1 0 勘探线为界与祁南煤 矿毗邻，西界为l o 煤层露头线，东界至3 2 煤层一8 0 0 m 底板等高线的水平投影线。 矿井走向长约1 5 k m ，倾向宽1 5 3 5 k m ，面积2 9 4 5 k m 2 。淮北煤田位于淮北平 原的北部，在地貌单元上属于华北大平原的一部分，为黄河、淮河水系形成的 冲积平原。除肖 县、濉溪、宿县 北部有震旦、寒 武、奥陶系岩层 出露形成剥蚀残 丘低山外，绝大 部分地区被第 四、第三系松散 层覆盖，形成平 原地形。低山的 海拔标高为 18 0 4 0 8 m ，平原 地区标高一般为 2 0 5 0 m 。地势总 体上由西北向东 南微微倾斜。 3 1 2 地震 据历史资料 记载，安徽省北 部地区白公元 9 2 5 年以来发生 有感地震4 0 余 次，其中从1 9 6 0 年以来，发生较 大的地震有7 次。 根据安徽省地震 局1 9 9 6 年编制出 爱函玉区匿曰 背斜向斜逆断层正断层不整合线井田边界 图3 - l 矿区地质构造示意幽 版的安徽地震列度区划图查得，本区属于4 4 6 级地震区，地震烈度为7 度。 3 1 3 地层1 桃园煤矿位于淮北煤田的东南缘，在地层区划分上属于华北地层区鲁西地 层分区徐宿地层小区。本区地层出露很少，多为第四系冲、洪积平原所覆盖。 区内发育的地层由老到新为青白口系( z q ) 、震旦系( z z ) 、寒武系( ) 、奥陶 系( 0 1 + 2 ) 、石炭系( c ) 、二叠系( p ) 、侏罗系( j ) 、白垩系( k ) 、第三系( e 十n ) 、 第四系( q ) 。井田内无基岩出露，均为巨厚松散层所覆盖，经钻孔揭露，地层 由老到新有奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系。 3 1 4 区域构造【4 2 j 本矿区的主要地层与地质构造关系如图3 一l 所示。根据王桂梁等( 1 9 9 2 ) 、 程爱国等( 1 9 9 4 ) 分析，位于华北笳地南缘的徐淮煤田长期以来受到基底断块构 造的控制，而华北古板块与华南古板块之间的相互作用是控制该区域构造演化 的地球动力学系统。全部过程包括初始裂谷( 中晚元古代) 一古洋壳拉张( 早 古生代早期) 洋壳削减( 早古生代晚期) 一陆壳碰撞( 晚古生代) 、板内变形 ( 中新生代) 这样一个完整的w i l s o n 旋回。本区则经历了被动大陆边缘到主动 大陆边缘、碰撞前陆的演化。南黄淮地区各井田在本阶段大多位于大小不等的 断块构造所围成的中新生代断陷盆地内，煤系地层得到有效保存。其上部还覆 盖了一定厚度的新生界松散含水地层。 3 1 5 主要含水层 从含水岩系普遍划分原则出发，本矿区的含水层一般可分为下伏的坚硬基 岩裂隙一岩溶含水层和上覆的新生界松散沉积物孔隙含水层两大类型 基岩地层主要含水层自下丽上：下古生界碳酸盐岩岩溶裂隙含水层( 段) ， 石炭系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层( 组) ，二迭系煤系地层砂岩裂隙含水层( 组) ， 上侏罗统下第三系钙质砂砾岩岩溶裂隙含水层， 自新生代以来，由于区域地壳的不断下降，在流水作用为主的堆积营力下，形 成一套数十米至数百米厚的松散沉积物。这套沉积物在纵向剖面上以粗粒细粒 间杂互层形式出现，从水文地质意义上看，即构成相对的含水层和隔水层。本 矿区从区域总体富水性角度将新生界地层分成若干个相对含水层( 组) 和相对 隔水层( 组) ，从上往下分别是：一含( 第一含水层) 、一隔( 第一隔水层) 、二 含、二隔、三含、三隔、四含共4 个含水层组和3 个隔水层组。 3 2f 2 断层 矿井构造是影响煤矿建设与生产最重要的地质因素f 4 们。它不仅在所有矿井 中具有普遍意义，而且对煤厚变化、顶板稳定、岩浆侵入、岩溶陷落、地温地 压、矿震岩爆、瓦斯突出、矿井交水等多种开采地质条件都起着明显的控制作 用。对矿井构造的全面认识应以断裂构造为主，从井下构造的实际观测入手， 采用地质分析方法、数学力学分析方法、并配合物探和钻探手段，并进行综合 研究。查明矿井构造的地质背景、几何形态、统计规律和成因机制等，在此基 础上，对矿井构造进行定性与定量评价和预测研究，为高产高效矿井建设和采 掘工程布局服务1 。 3 2 1 断层产状 迄今为止，普遍接 受的f ：断层产状是依据 二十世纪八十年代及以 前的勘探资料所作出 的，为：正断层，走向 n w w ，倾向n n e ，倾角6 0 。， 落差 4 0 0 m ，宽度不祥 ( 数米数十米) ，延展 长度超过井田范围。 2 0 0 4 年提交的三维 地震勘探成果( 图3 2 ) 图3 2f 2 断层及其派生断层的地震波显示 所作改动为；走向n e e ， 倾向n n w ，其它未改变。钻孔所揭露的f ：断层情况见表3 - 1 。根据这些信息，建 立起断层的空间分布，如图3 - 3 图3 - 4 。可以直观发现如下特征： a ，r 断层不是一个规则的等宽度、等角度断层，其分布的差异性很大。 b 断层的顶面( 上盘面) 整体走向n e e 方向，坡度各处不等，平均倾角3 5 。 左右，北大巷经过处的倾角约5 2 。 c 断层的底面( 下盘面) 整体走向近e w 方向( 略偏n e e ) ，坡度也各处 不等，比顶面平滑。 d 断层的顶面( 上盘面) 整体走向n e e 方向，坡度各处不等，平均倾角 3 5 。左右，北大巷经过处的倾角约5 2 。 e 断层的底面( 下盘面) 整体走向近e w 方向( 略偏n e e ) ，坡度也各处 不等，比项面平滑，但也稍陡一些，平均倾角4 0 。左右，北大巷经过处的倾角 约5 0 。 表3 - 1 钻孔揭露的f 。断层信息 1 4 c 地形立体示意图 图3 3f 2 断层顶面高度分布图 c 地形立体示意国 图3 - 4f z 断层底面高度分布图 f 采用双图叠合方法将断层的底面和顶面的等值线图叠合( 图3 5 )