巖石力學(xué)結(jié)課論文

1、巖石力學(xué)結(jié)課論文 班級(jí) 城地142 姓名 蔡少雯 學(xué)號(hào) 314165102 深部巖石地下工程摘要 隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷推進(jìn)，地下空間工程的開(kāi)展不斷深入，其開(kāi)發(fā)深度也愈來(lái)愈深-逾數(shù)千米的各種礦山(如南非金礦和金川鎳礦等),水電工程埋深逾數(shù)千米的引水隧道，核廢料深層處理，深層地下防護(hù)工程(如700米防護(hù)巖層下的北美防空司令部)等。巖石地下工程越深，相應(yīng)地也會(huì)產(chǎn)生一些新的問(wèn)題。本文將會(huì)結(jié)合在巖石力學(xué)課程中所學(xué)的知識(shí)，對(duì)深部巖石地下工程展開(kāi)研究。關(guān)鍵詞 研究現(xiàn)狀 地應(yīng)力 巖爆 力學(xué)特征 支護(hù)設(shè)計(jì)1.深部巖石地下工程的定義 深部巖石地下工程的發(fā)展伴隨著深部采礦工程和深部隧道工程的不斷深入發(fā)展。為了建立深部

2、工程的概念，我們?cè)诖艘雵?guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)所定義的硬巖發(fā)生軟換的深度作為界定深部巖石地下工程的界限。即假設(shè)覆巖的容重為2500kg/m3，則硬巖發(fā)生軟化的臨界深度為500m。因此，我們可以視大于500m深度范圍的巖石地下工程稱(chēng)為深部巖石地下工程，反之將小于500m深度范圍的巖石地下工程稱(chēng)為淺部巖石地下工程。并且，我們可以依據(jù)不同深度下發(fā)生的巖石力學(xué)破壞現(xiàn)象，將深部巖石地下工程進(jìn)一步地細(xì)分為較深巖石地下工程、超深巖石地下工程和極深巖石地下工程三類(lèi)。2.國(guó)內(nèi)外深部巖石地下工程的現(xiàn)狀 能源和礦產(chǎn)資源制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著前部資源的日益枯竭，國(guó)內(nèi)外都陸續(xù)開(kāi)始進(jìn)入深部巖石地下工程對(duì)深部資源進(jìn)行開(kāi)采。2

3、.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 根據(jù)目前資源開(kāi)采情況，我國(guó)的煤礦開(kāi)采深度正以每年8-12m的深度增加，東部礦井正以100-250m/(10年)的速度發(fā)展。近年來(lái)已經(jīng)有一批礦山進(jìn)入深部開(kāi)采。其中，在煤炭開(kāi)采方面，沈陽(yáng)采屯礦開(kāi)采深度為1197m、北京門(mén)頭溝開(kāi)采深度為1008m、長(zhǎng)廣礦開(kāi)采深度為1000m、徐州張小樓礦開(kāi)采深度為1100m、開(kāi)灤趙各莊礦開(kāi)采深度為1159m、北京冠山礦開(kāi)采深度為1059m。在金屬礦開(kāi)采方面，冬瓜山銅礦目前開(kāi)采深度為900-1100m，紅透山銅礦開(kāi)采深度已進(jìn)入900m，弓長(zhǎng)嶺鐵礦設(shè)計(jì)深度為1000m。此外還有例如金川鎳礦、壽王墳銅礦、凡口鉛缽礦等多做礦山礦井都已進(jìn)入或?qū)⒁_(kāi)始進(jìn)行深部巖石

4、地下工程進(jìn)行深部開(kāi)采。因此我們可以預(yù)計(jì)在未來(lái)20年內(nèi)我國(guó)很多礦藏都將進(jìn)入到1000-1500m的深部開(kāi)采。我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦的平均開(kāi)采深度變化趨勢(shì)如圖2.1所示。 2.2國(guó)外現(xiàn)狀 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)外開(kāi)采超千米深的金屬礦山有80多座，其中最多為南非。南非絕大多數(shù)金礦的開(kāi)采深度大都在1000m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深井金礦，采礦深度達(dá)3700m，West Driefovten金礦礦體賦存于地下600m，并一直延伸至6000m以下。印度的Kolar金礦區(qū)，已有三座金礦采礦深度超2400m，其中錢(qián)皮恩里夫金礦共開(kāi)拓112個(gè)階段，總深達(dá)到了3260m。俄羅斯的克里沃羅格鐵礦區(qū)，已有捷

5、爾任斯基、基洛夫、國(guó)產(chǎn)國(guó)際等8座礦山采準(zhǔn)深度達(dá)910m，開(kāi)拓深度達(dá)1570m，預(yù)計(jì)未來(lái)將達(dá)到2000-2500m。另外，加拿大、美國(guó)、澳大利亞的一些有色金屬礦山采深亦超過(guò)1000m。國(guó)外一些主要產(chǎn)煤國(guó)家從20世紀(jì)60年代開(kāi)始就進(jìn)入深部巖石地下工程。1960年前，西德平均開(kāi)采深度就已經(jīng)達(dá)到650m，1987年已將近900m；前蘇聯(lián)在20世紀(jì)80年代末就有一半以上產(chǎn)量來(lái)自600m以下深部。國(guó)外深部巖石地下工程開(kāi)采現(xiàn)狀如圖2.2所示。 3.基于巖石力學(xué)的深部巖石地下工程分析3.1 “高地應(yīng)力強(qiáng)擾動(dòng)”的惡略環(huán)境地應(yīng)力測(cè)量隨深度變化的趨勢(shì) 地應(yīng)力，又稱(chēng)為原巖應(yīng)力，可以概要定義為存在于巖體中未受擾動(dòng)的自然

6、應(yīng)力。它是引起各種地下或露天巖石開(kāi)挖工程變形和破壞的根本動(dòng)力。地應(yīng)力場(chǎng)呈三維狀態(tài)有規(guī)律地分布于巖體中。當(dāng)工程開(kāi)挖后，應(yīng)力受開(kāi)挖擾動(dòng)的影響而重新分布，重分布后形成的應(yīng)力則稱(chēng)為二次應(yīng)力或誘導(dǎo)應(yīng)力。地應(yīng)力可以通過(guò)水壓致裂法、應(yīng)力接觸法、應(yīng)力恢復(fù)法、聲發(fā)射法等方法進(jìn)行測(cè)定。 霍克和布朗于1978年對(duì)全球地應(yīng)力測(cè)量資料進(jìn)行了分析，從中選擇出由地表到2500m深度的120個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3.1所示。 結(jié)果表明，垂直應(yīng)力普遍具有以下簡(jiǎn)單關(guān)系式所表示的趨勢(shì)： v=0.278Z (1) 其中Z為深度，v為垂直應(yīng)力。 同時(shí)他們也繪制出水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值K隨深度變化的關(guān)系曲線(圖3.2) 圖3.2表明的

7、平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值K，通常處于下式所限定的范圍內(nèi)： 100/Z+0.3K1500/Z+0.5 (2) 將K=h,av/v=h,av/0.278Z帶入方程式(2)，得出h,av的范圍界限為： 27+0.08Zh,av405+0.14Z (3) 圖3.2表明的基本特征為：在某個(gè)給定的深度上，尤其是在比較淺的情況下，K值是相當(dāng)寬廣的。例如，Z=500m時(shí)，K可能從0.5變化到3.5。當(dāng)Z=2000m時(shí)，K可能從0.35變化到1.25。很明顯，只有對(duì)同一地區(qū)同一地質(zhì)環(huán)境里取得的結(jié)果進(jìn)行比較，這一變化范圍才能縮小，例如，對(duì)南非應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果可用方程(1)和下式相當(dāng)完美地表達(dá)出來(lái)： K=248/

8、Z+0.45 (4) 顯然，在Z、K和v之間的相應(yīng)關(guān)系已經(jīng)建立的地區(qū)，對(duì)于地下工程的初步設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是有意義的。 從總體看，地殼水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力隨深度變化的關(guān)系是非常清楚的，地殼上部(一般為600-1000m以上)的平均水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力大，而地殼深部(超出1000m)的平均水平應(yīng)力則小于垂直應(yīng)力。深部巖石地下工程的高地應(yīng)力 進(jìn)入深部巖石地下工程后，僅重力引起的垂直原巖應(yīng)力通常就超過(guò)工程巖體的抗壓強(qiáng)度(>20MPa)，而由于工程開(kāi)挖所引起的應(yīng)力集中水平則更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工程巖體的強(qiáng)度(>40MPa)。同時(shí)，據(jù)已有的地應(yīng)力資料顯示，深部巖體形成歷史久遠(yuǎn)，留有遠(yuǎn)古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的痕跡，其中存有構(gòu)造

9、應(yīng)力場(chǎng)或殘余構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。二者的疊加累積為高應(yīng)力，在深部巖體中形成了異常的地應(yīng)力場(chǎng)。據(jù)南非地應(yīng)力測(cè)定，在3500-5000的深度，地應(yīng)力水平為95135MPa。如此高的地應(yīng)力必然會(huì)對(duì)深部巖石地下工程的實(shí)施帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。深部巖石地下工程中的強(qiáng)采礦擾動(dòng) 采礦擾動(dòng)主要是指強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng)。進(jìn)入深部開(kāi)采后，在承受高地應(yīng)力的同時(shí)，大多數(shù)巷道要經(jīng)受碩大的回采空間引起強(qiáng)烈的支撐壓力作用，使受采動(dòng)影響的巷道圍巖壓力數(shù)倍、甚至近十倍于原巖應(yīng)力，從而造成在淺部表現(xiàn)為普通堅(jiān)硬的巖石，在深部卻可能表現(xiàn)出軟巖大變形、大地壓、難支護(hù)的特征；淺部的原巖體大多處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，而進(jìn)入深部以后則可能處于塑性狀態(tài)，即有各向不等壓的

10、原巖應(yīng)力引起的壓、剪應(yīng)力超過(guò)巖石的強(qiáng)度，造成巖石的破壞。3.2深部巖石地下工程的3個(gè)力學(xué)特性 進(jìn)入深部以后，受“高地應(yīng)力強(qiáng)擾動(dòng)”的作用，深部巖石地下工程圍巖的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境較淺部發(fā)生了巨大的變化，從而使深部巷道圍巖表現(xiàn)出其特有的力學(xué)特征現(xiàn)象，主要包括以下幾個(gè)方面。 (1)深部巖石地下工程應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜性 眾所周知，淺部巖石地下工程圍巖狀態(tài)往往可以分為三個(gè)區(qū)域，即破裂帶、塑性極限平衡區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，可使用現(xiàn)有的彈塑性力學(xué)理論進(jìn)行分析。而深部巖石地下工程圍巖的應(yīng)力狀態(tài)就十分復(fù)雜，深部圍巖狀態(tài)有時(shí)發(fā)生膨脹帶和壓縮帶交替出現(xiàn)的情形，且其幾何尺寸(寬度)按一等比數(shù)列遞增，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為區(qū)域破裂現(xiàn)象(

11、Zonal disintegration),因此深部巖石地下工程圍巖應(yīng)力場(chǎng)具有多樣性和復(fù)雜性。 (2)圍巖的大變形和強(qiáng)流變性特性 研究表明，進(jìn)入深部后巖體變形具有兩周完全不同的趨勢(shì)，一種是巖體表現(xiàn)為持續(xù)的強(qiáng)流變特性，即不僅變形量大，而且具有明顯的“時(shí)間效應(yīng)”，如煤礦中有的巷道20年底鼓不止，累計(jì)底鼓量達(dá)數(shù)十米。學(xué)者們?cè)趯?duì)南非金礦深部圍巖的流變性進(jìn)行了系統(tǒng)研究后，發(fā)現(xiàn)其圍巖流變性十分明顯，巷道圍巖最大移動(dòng)速度達(dá)到500mm/月。另外一種是巖體并沒(méi)有發(fā)生明顯變形，但十分破碎，處于破裂狀態(tài)，按傳統(tǒng)的巖體破壞、失穩(wěn)的概念，這種巖體已不再具有承載特性，但事實(shí)上，仍然具有承載和再次穩(wěn)定的能力，借助這一特性

12、，有些巷道還特地將其布置在破碎巖體中，如沿空掘巷。 (3)動(dòng)力響應(yīng)的突變型 淺部巖體破壞通常表現(xiàn)為一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，具有明顯的破壞前兆(變形加劇)。而深部巖體的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程往往是突發(fā)的、無(wú)前兆的突變過(guò)程，具有強(qiáng)烈的沖擊破壞特性，宏觀表現(xiàn)為巷道頂板或周邊圍巖的大范圍的突然失穩(wěn)、坍塌等。4.深部巖石地下工程的需要注意的6大災(zāi)害 由于深部巖石力學(xué)行為具有明顯區(qū)別于淺部巖石力學(xué)的這些重要特征，再加上賦存環(huán)境的復(fù)雜性，致使深部資源開(kāi)采中以巖爆、突水、頂板大面積來(lái)壓和采空區(qū)失穩(wěn)為代表的一系列災(zāi)害性事故與淺部工程災(zāi)害相比較，程度上加劇，頻度上提高，成災(zāi)機(jī)理更加復(fù)雜，作為地下城市空間工程的學(xué)生，有必要了解這些已

13、經(jīng)發(fā)生的災(zāi)難，并分析其成因，從空間設(shè)計(jì)的角度設(shè)計(jì)更加合理的地下空間工程，以避免這些災(zāi)難的發(fā)生。具體災(zāi)難如下： (1)巖爆頻率和強(qiáng)度均明顯增加 巖爆是圍巖各種失穩(wěn)現(xiàn)象中反應(yīng)最強(qiáng)烈的一種，它是地下施工的一大地質(zhì)災(zāi)害。由于它的突發(fā)性，在地下工程中對(duì)施工人員和施工設(shè)備威脅最為嚴(yán)重。如果處理不當(dāng)，就會(huì)給施工安全、巖體及建筑物的穩(wěn)定性造成影響，甚至引發(fā)重大工程事故。 巖爆可以分為應(yīng)變型、屈服型及巖塊突出型等，如圖4.1所示?！皯?yīng)變型”指坑道周邊堅(jiān)硬巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，在脆性演示中發(fā)生激烈的破壞，是最一般的巖爆現(xiàn)象；“屈服型”指在有相互平行裂隙的坑道中，坑道壁的巖石屈服，發(fā)生突然破壞，常常是由爆破震動(dòng)所誘發(fā)；

14、“巖塊突出型”是因被裂隙或節(jié)理等分離的巖塊突然突出的現(xiàn)象，也是因爆破或地震等誘發(fā)。 巖爆的規(guī)?；究梢苑譃槿?lèi)，即小規(guī)模，中規(guī)模和大規(guī)模，如圖4.2所示。小規(guī)模指的是在壁面附近淺層部分(厚度小于25cm)的破壞，破壞區(qū)域仍然是彈性的，巖塊的質(zhì)量通常在1t以下；中規(guī)模指形成厚度在的環(huán)狀松弛區(qū)域的破壞，但空洞本身仍然是穩(wěn)定的；大規(guī)模指超過(guò)0.75m以上的巖體顯著突出，很大的巖塊彈射出來(lái)，這種情況一般的支護(hù)是不能防止的。 圖4.1 巖爆發(fā)生機(jī)理 圖4.2巖爆規(guī)模劃分 有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，巖爆多發(fā)生在強(qiáng)度高、厚度大的堅(jiān)硬巖(媒)層中，主要影響因素包括煤層頂?shù)装鍡l件、原巖應(yīng)力、埋深、煤層物理力學(xué)特性、厚度

15、及傾角等。目前的統(tǒng)計(jì)資料表明，盡管在極淺的硬煤層中(深度小于100m，有的甚至在30-50m)也有發(fā)生巖爆的記載，但總的來(lái)看，巖爆與采深有密切關(guān)系，即隨著開(kāi)采深度的增加，巖爆的發(fā)生次數(shù)、強(qiáng)度和規(guī)模也會(huì)隨之上升。 (2)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)劇烈 隨著采深的增加引起的覆巖自重壓力的增大和構(gòu)造應(yīng)力的增強(qiáng)，表現(xiàn)為圍巖發(fā)生劇烈變形、巷道和采場(chǎng)失穩(wěn)、并易發(fā)生破壞性的沖擊地壓，給頂板管理帶來(lái)許多困難。 (3)突水事故趨于嚴(yán)重 自1984年6月2日開(kāi)灤礦務(wù)局范各莊礦發(fā)生井下巖溶陷落柱特大突水災(zāi)害以來(lái)，先后在淮北楊莊礦、義馬新安礦、峰峰梧桐礦、皖北任樓礦、徐州張集礦又相繼發(fā)生特大型奧灰?guī)r巖溶突水巖井事故，初步估計(jì)，經(jīng)濟(jì)

16、損失超過(guò)了27億元，同時(shí)產(chǎn)生了若干地質(zhì)環(huán)境負(fù)效應(yīng)等。 (4)巷道圍巖變形量大、破壞具有區(qū)域性 與淺部一樣，深部巷道支護(hù)的目的仍是盡量保持圍巖的完整性以及避免破碎巖體進(jìn)一步產(chǎn)生位移。深部開(kāi)采一方面自重應(yīng)力逐漸增加，同時(shí)由于深部巖層的構(gòu)造一般比較發(fā)育，其構(gòu)造應(yīng)力十分突出，致使巷道圍巖壓力增大，巷道支護(hù)成本增加。據(jù)煤炭行業(yè)的有關(guān)資料顯示，近10年巷道支護(hù)成本增加了1.4倍，巷道翻修量占整個(gè)巷道掘進(jìn)量的40%。 另外，淺部圍巖在臨近破壞時(shí)往往出現(xiàn)加速變形的現(xiàn)象，工程技術(shù)人員常常根據(jù)這一現(xiàn)象進(jìn)行破壞之前的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，且淺部圍巖的破壞一般發(fā)生在比較局部的范圍內(nèi)。而深部圍巖在破壞之前近乎處于不變形的狀態(tài)，破壞

17、前兆非常不明顯，使破壞預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)十分困難，從而造成深部圍巖的破壞往往是大面積的發(fā)生，具有區(qū)域性，如巷道大面積的冒頂垮落等。 (5)地溫升高、作業(yè)環(huán)境惡化 深部開(kāi)采條件下，巖層溫度將達(dá)到攝氏幾十度的高溫，如俄羅斯千米平均地溫為30-40，個(gè)別達(dá)到了52，南非某金礦3000m時(shí)地溫達(dá)到了70。地溫升高造成井下工人注意力分散、勞動(dòng)力降低，甚至無(wú)法工作。 (6)瓦斯涌出量增大 隨著煤礦采深的增加，瓦斯含量迅速增加，并造成瓦斯災(zāi)害事故的頻繁發(fā)生。近年來(lái)，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡人以上的煤礦事故70%發(fā)生在600m采深以下的礦區(qū)。在另一方面，深部煤層處于較高的溫度環(huán)境下，更容易引起煤層的自燃發(fā)火、觸發(fā)礦

18、井火災(zāi)、瓦斯爆炸事故等發(fā)生。5.現(xiàn)有深部巖石地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)概述 針對(duì)深部所具有的高地應(yīng)力、強(qiáng)流變性、礦壓顯著等特性，當(dāng)前學(xué)術(shù)界在淺部巖石地下工程中使用的支護(hù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)一步改革完善形成了適用于深部巖石地下工程的支護(hù)設(shè)計(jì)，具體有以下幾種設(shè)計(jì)： (1)全螺紋鋼等墻錨桿+網(wǎng)+混凝土組合支護(hù) 全螺紋鋼等墻錨桿采用樹(shù)脂藥卷錨固，根據(jù)巖性，采用加長(zhǎng)錨或全錨兩種錨固形式，配以金屬網(wǎng)，外加圓形鑄鐵托盤(pán)，采用噴錨噴、錨網(wǎng)噴施工工藝，支護(hù)效果良好。 (2)可縮性U型棚+錨網(wǎng)+混凝土聯(lián)合支護(hù) 在強(qiáng)流變軟巖、斷層破碎帶采用可縮性U型棚，配以錨網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護(hù)巷道，使支護(hù)結(jié)構(gòu)更為合理，有效避免巷道遭受巨大的不均衡地壓作用而產(chǎn)生失穩(wěn)和破壞。 (3)二次支護(hù)工藝 針對(duì)深部巷道礦壓顯著的特點(diǎn)，要求巷道支護(hù)必須滿足既能加固圍巖，又能提供較大的支護(hù)阻力，具有較大的可縮性和一定的初撐力等要求。協(xié)莊礦使用二次支護(hù)成巷工藝，支護(hù)巷道10000多m，支護(hù)效果明顯優(yōu)于一次支護(hù)。 (4)“護(hù)巷先固底”措施 在巷道掘進(jìn)或維修中，采用錨網(wǎng)反拱結(jié)構(gòu)或澆筑混凝土固底措施，既可有效防止巷道底鼓，又能避免“上壓下擠”作用而使巷道兩幫產(chǎn)生剪切破壞。協(xié)莊礦-550水平西