现代固体矿床开采理论方法

1、研究生课程考核试卷科 目：现代固体矿床开采理论方法 教 师： 姓 名： 学 号： 专 业： 矿业工程 类 别： 学术 上课时间： 2014年 4月至 2014年 6月 考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 研究生院巷道围岩大变形机理及治理措施研究摘 要：对地下工程而言，保证巷道开挖与支护稳定是矿山安全生产的前提。随着我国基础建设事业的高速发展和西部发开发的进一步推进，我国的公路工程、铁路工程和地下工程迅猛发展，其大量长大、深埋隧道工程相继动工，穿越高地应力区以及遇到软弱危岩体，常导致软弱围岩大变形等相关地质灾害。对于隧道软弱围岩大变形的有效合理的防治与控制

2、措施愈显紧迫与重要。本文以理论分析为基础结合现场实践案例，详细阐述围岩大变形的定义，大变形发生的地质环境，着重分析巷道围岩大变形的力学机理以及治理控制措施，对于工程实际有一定的理论指导意义。关键词：大变形；地质环境；力学机理；治理防治Study on the Surround Rock Control and Mechanism of Large Deformation RoadwayZheng BinbinAbstract: For underground works, roadway excavation and support to ensure stability is a prere

3、quisite for mine safety production. With the further advance the cause of rapid development of infrastructure and the development of the western region, highway engineering, railway engineering and underground engineering rapid development of its large number of older, deep tunnel projects have been

4、 started, through the high stress area and encountered weak rocks, often resulting in weak rock geological disasters related to large deformation. For large deformation of tunnel in soft rock reasonably effective prevention and control measures more show the urgent and important. In this paper, base

5、d on theoretical analysis combined with field practice cases, elaborate definition of rock deformation big, large deformation of the geological environment, focusing on the analysis of large deformation of surrounding rock mechanics mechanism and the management control measures for the project actua

6、lly have some theoretical guidance significance.Key words: Large Deformation; Geological environment; Mechanical mechanism; Control0 引言国内外开展了对围岩大变形的研究，认为围岩大变形可以分为三类，分别为埋深较大引起的大变形、开采活动引起的大变形及岩体本身强度较低引起的大变形。而在地下工程中，上述三种类型的大变形巷道均能见到，第一类及第三类巷道大变形机理较明显，各种支护理论及技术也较成熟，但对由采动影响而产生的大变形研究较少，盲目的运用第一类及第三类的理论与方法进

7、行处理工程问题，将很容易使支护陷于被动状态，对地下工程的正常运行造成严重的影响。对于深埋隧道，因其埋深大，围岩大都表现出强烈的流变特性，而软弱围岩，其本身就具有明显的流变特性。因此，流变理论逐渐被引用到围岩变形机理的研究中。朱素平等提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模型进行围岩稳定性的力学分析；日本学者西原在岩石流变试验资料的基础上，建立了能反映岩石弹一粘弹一粘塑性特性的西原模型。在此基础上，同济大学孙钧通过对围岩一支护系统受力机理的充分阐述，得出了西原模型在隧道围岩支护系统中的有限元解，并对层状节理围岩、含软弱断层、破碎带的围岩分别提出了两个Bingham串联模型和四元件的粘弹塑性模型。因

8、此很有必要对其变形破坏机理及控制措施进行深入研究，找出问题的根源，从根本上解决大宁煤矿这一技术难题。故对受采动影响的巷道大变形机理及控制研究将具有很重要的现实意义。1围岩大变形定义大变形定义 ：隧道及地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏。软弱围岩大变形现象为一种在隧道开挖过程中与时间、空间有关的大变形，与围岩的弹粘塑性时效力学行为具有很大程度的关联性，表现为在工程扰动力作用下，引起显著粘塑性变形,变形量的绝对值大小超过洞室预留变形量，变形持续时间长，可归属于变形速率较快而收敛速率较慢的非线性变形范畴。地质软岩与工程软岩及其关系：地质软岩：按地质学的岩性分地质软岩是指强度低、

9、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响而著或含有大量膨胀性粘上矿物的松、散、软、弱岩层,该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩,是天然形成的复杂地质介质。工程软岩：指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。不仅重视软岩的强度特性,而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小,强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。工程软岩和地质软岩的关系：当工程荷载相对于地质软岩(如泥页岩等)的强度足够小时,地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征,即不作为工程软岩,只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩,才一作为工程软岩;在大深度、高应力作用下,部分地质硬岩(如泥质胶结

10、砂岩等)也呈现了显著变形特征,则应视其为工程软岩。2大变形发生的地质环境地质环境：（1）地形地貌 矿山隧道的所处的特殊地形地貌，影响巷道发生大变形； （2）地质构造 对于经历了多期次、多阶段的变质作用和岩浆活动，地质构造复杂的地段开挖巷道，就会容易引起巷道的大变形。 （3）水文地质 岩体含水量增大，膨胀体积增大，形成膨胀力，加之隧道开挖卸荷，应力重新调整，在膨胀力的作用下围岩向洞内变形，进而导致巷道发生大变形。 岩性：强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层、如：破碎岩体、黄土、炭质板岩、震区软岩、云母岩、砂泥岩、泥岩、页岩、千枚岩、

11、泥灰岩、片岩、煤层等。受围岩岩性控制的围岩大变形主要针对膨胀性软岩及挤压性软岩。主要性质：（1）可塑性：可塑性是软岩在工程力的作用下产生变形，去掉工程力之后这种变形不能恢复的性质。 （2）膨胀性：软岩在力的作用下或在水的作用下体积增大的现象,称为软岩的膨胀性。可分为内部膨胀性、外部膨胀性和应力扩容膨胀性。 （3）流变性（粘性）：是指物体受力变形过程与时间有关的变形性质。流动又可分为粘性流动和塑性流动。（4）崩解性：低应力软岩和高应力软岩、节理化软岩的崩解机理是不同的。 （5）易扰动性：软岩的易扰动性是指由于软岩软弱、裂隙发育、吸水膨胀等特性。 地应力：深埋隧道垂直地应力大；浅埋隧道偏应力大，受

12、构造应力影响显著；分为地质偏压、地形偏压、施工扰动偏压； 地质偏压 地形偏压 施工扰动偏压图1 各个偏压情况构造：软弱夹层、断层、节理切割劣化。地质构造会影响隧道工程的长期稳定性，应尽量避开常见的情况：小断层、褶曲、不整合面、顺层滑动面和岩脉等。地应力对大变形发生的影响：地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应力，是引起岩石开挖工程变形破坏的根本作用力。地质构造对大变形发生的影响：构造应力由构造运动引起（板块、火山、升降），现代构造应力；地质构造残余应力。构造应力特点：1）分布不均，在构造区域附近最大；2）水平应力为主，浅部尤为明显；3）具有明显的方向性；4）坚硬岩层中明显，软岩中不明显； 地

13、质构造引起应力场大小、方向的变化；地质构造引起岩体物理、力学性质发生变化。3巷道大变形发生的力学机理巷道（隧道）大变形发生的力学机理，实际工程中为各种力学机理的组合。主要可分为以下几类:偏应力造成的大变形：1）浅埋巷道的地质偏压、地形偏压、施工扰动偏压水、气造成的偏压。深埋巷道：构造应力偏压、地质偏压、施工扰动及水、气造成的偏压。2）深埋巷道：埋深过大形成大应力是大变形的主要原因。高应力超过岩体屈服极限使岩体发生较大塑性、流变变形。3）软岩巷道中形成的大变形，软岩塑性变形、流变，软岩挤出、整体收缩等。4）亲水矿物产生膨胀应力。5）破碎围岩在高应力条件下，虽然岩体强度较大但被多个结构面切割的岩体

14、在高应力作用下结构面间出现较大位移而产生大变形。围岩一般处于较高的应力状态，围岩因高围压而紧密闭合；而在开挖卸荷后，结构面易于张开滑移，因此，岩体强度远低于岩石强度。6）岩体中主要结构面导致的大变形：结构面张开、闭合，结构体滑动、滚动、弯曲等造成大变形。7）工程应力的影响，如巷道底部存在采空区造成开挖后巷道不能稳定，爆破震动、初期支护拆换等。8）局部水压及气压力的作用。当支护和衬砌封闭较好，周边局部地下水升高或有地下气体（瓦斯等）作用时，支护也会产生大变形，这种现象并不多见。9）土砂围岩的挤密和松弛变形。A.按实际工程分类：挤压性围岩、采动巷道深井巷道、非对称变形机理挤压性围岩隧道大变形变形机

15、理： 研究表明，当强度应力比小于0.30.5 时，即能产生比正常隧道开挖大一倍以上的变形。此时洞周将出现大范围的塑性区，随着开挖引起围岩质点的移动，加上塑性区的“剪胀”作用，洞周将产生很大位移。高地应力是大变形的一个重要原因。在埋深大、地壳经历激烈运动，地质构造复杂的泥岩、页岩、千枚岩、泥灰岩、片岩、煤层等都容易出现较大的挤压变形。采动巷道围岩大变形机理：由于采动影响而导致巷道围岩大变形主要是由于采动巷道围岩应力重新分布。在巷道开挖后，由于扰乱了原岩应力的平衡状态，从而导致原岩应力重新分布，这时候巷道将产生一部分初期变形。在受到采动影响之后，巷道围岩应力将会再次重新分布，顶底板及两帮岩石力学性

16、质及其破碎程度严重影响围岩应力的重新分布，导致巷道大变形的发生 深井巷道非对称变形机理： 在深部倾角较大的岩层中开挖的巷道,其围岩变形往往表现出明显的非对称变形现象，非对称变形是指巷道左右两侧的变形量不一致，一侧变形量大而另一侧变形景小，导致巷道整体向一侧偏斜。而在浅部巷道或岩层近水平时这种非对称变形现象并不明显。深部甚道非对称变形的所需要必要条件包括以下三个方面： (1)若岩层为分层结构，且各分层间为非均质，各分层间的岩性差异较大，软硬岩层间隔分布； (2)各分层岩层的厚度与巷道宽度接近; (3)岩层是倾斜的因此，倾斜、层状和非均质若层结构，是巷道非对称变形的根本原因，巷道断面内围岩结构的不

17、对称性导致了巷道围岩变形的不对称性。B.按围岩变形机制分类：（1）结构面的张开和闭合变形图2 结构面的张开与闭合结构面的张开或闭合变形是指围岩中的断层、节理、层面、溶蚀裂隙等各种结构面在加载或者卸载的作用下发生闭合或者张开，从而引起的围岩变形。围岩中的各类结构面，在隧道开挖前处于不同的张开程度，有的闭合，有的微张开，有的张开较大。隧道开挖后，围岩应力发生重新调整，切线方向的应力增大，处于加载状态，结构面的张开度将减小；而法线方向的应力减小，处于卸载状体，结构面的张开度将增大。如图2所示，不同产状的结构面在隧道不同部位将出现不同的变形状态，水平向结构面在隧道拱顶和拱底在切向应力作用下以张开变形为

18、主，表现为拱顶下沉和拱底鼓出，而在隧道两侧的水平向裂隙在切向应力作用下则主要以闭合变形为主。（2）结构面的滑动变形图3 结构面滑动的力学模型结构面的滑动变形是指岩块沿着各种不连续界面，如断层、裂隙、层理等结构面发生滑动，从而引起围岩向着临空面方向的变形，如图4所示。滑动变形是块状围岩的主要变形形式。在块状围岩中，隧道周边大大小小的岩块在隧道开挖后都会向着临空面发生或多或少的移动。块体的滑动需要有滑动空间，其常受到周边岩体的限制，因此,滑动变形的大小受块体大小、块体的组合方式、临空面的大小等因素制约。式中S和T分别为接触面上的下滑力和抗滑力，A为接触面积，如图5所示。（3）块状围岩的滚动变形滚动

19、变形是指块体绕着某个支点向临空面方向发生转动，从而引起围岩的变形，如图6所示。图4 块状岩体的滚动变形滚动变形和滑动变形是块状围岩的两种主要变形形式，块状围岩中，往往同时发生块体的移动和转动。滚动变形和滑动变形一样，也受块体大小、块体组合方式、临空面的大小等因素制约。（4）层状围岩的弯曲变形 (a)竖直岩层 (b)倾斜岩层 (c)水平岩层 图5 层状岩体的弯曲变形弯曲变形是指层状围岩受力向临空面发生弯曲，从而引起围岩的变形，如图8所示。弯曲变形是层状围岩常发生的变形形式。在水平岩层中，隧道底部岩层的弯曲变形常引起底鼓，而在竖直围岩中，隧道边墙岩层的弯曲变形常引起边墙的鼓出。(5)软弱夹层的挤出

20、变形图6 软弱岩体的挤出变形软弱夹层的挤出变形是指软弱夹层在隧道开挖后，在切向应力的作用下，向临空面方向的挤出变形。 （6）土砂围岩的挤密和松弛变形土砂围岩的挤密和松弛变形是指隧道周边的土粒或者砂粒在加载或卸荷作用下发生挤密或者松弛，从而引起的围岩变形。隧道开挖后，围岩应力发生重新调整，切线方向的应力增大，处于加载状态，土粒或者砂粒之间的空隙将减小而发生挤密；而法线方向的应力减小，处于卸载状体，土粒或者砂粒之间的空隙将增大而发生松弛。挤密和松弛变形不仅是土砂围岩的主要变形方式，也是一些碎裂结构和散体结构围岩的主要变形方式。挤密和松弛变形的大小主要由土砂的压缩性，以及围岩应力状态的调整程度确定。

21、4巷道大变形治理支护作用：阻止围岩变形，维护围岩稳定。内承支护：是通过锚杆(索)、注浆等措施加固围岩，特点：充分发挥和增强围岩的自承能力，以支护结构和围岩共同形成的支护结构体系使围岩处于稳定状态。围岩既是荷载也是支护结构体系的组成部分外部支护：在围岩外部依靠支护结构的承载能力来承受围岩压力。如围岩开挖时运用的钢拱(刚性)或混凝土衬砌(柔性)。围岩仅是形成支护结构上荷载的来源。随着煤矿开采深度的增加，强度的增大，深部岩体力学性质的变化，深部开采巷道稳定性面临一些列挑战，如深部强动压巷道、深部软岩大变形流变巷道、深部高应力碎裂围岩巷道、特大断面巷道等，对锚杆支护和注浆加固方式提出了更高、更苛刻的要

22、求。传统的单一的支护模式已很难适应深部巷道高应力、大变形、显著流变、强动压、碎裂化的要求，需要采取联合支护模式，才能有效控制深部巷道围岩的变形。参考文献1 王屹. 酸水湾隧道支护变形及处治分析J.西南公路, 2006(04)100-103.2 黄林伟. 软岩隧道大变形力学行为与控制技术的研究D. 重庆大学, 2008.3 陈玉. 共和隧道围岩大变形机制及防治措施研究D. 重庆大学,2008. 4 郑云峰. Q_2饱和黄土隧洞围岩变形特性研究D. 兰州大学,2012. 5 李权. 软岩大变形公路隧道变形规律及控制技术研究D. 西南交通大学,2012. 6 姜云,李永林,李天斌,王兰生. 隧道工程围岩大变形类型与机制研究J. 地质灾害与