深部巖石地下工程論文

..>深部巖石地下工程摘要隨著經(jīng)濟建立的不斷推進，地下空間工程的開展不斷深入，其開發(fā)深度也愈來愈深--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，深層地下防護工程(如700米防護巖層下的北美防空司令部)等。巖石地下工程越深，相應地也會產(chǎn)生一些新的問題。本文將會結(jié)合在巖石力學課程中所學的知識，對深部巖石地下工程展開研究。關(guān)鍵詞研究現(xiàn)狀地應力巖爆力學特征支護設計1.深部巖石地下工程的定義深部巖石地下工程的開展伴隨著深部采礦工程和深部隧道工程的不斷深入開展。為了建立深部工程的概念，我們在此引入國際巖石力學學會所定義的硬巖發(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)生的巖石力學破壞現(xiàn)象，將深部巖石地下工程進一步地細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。2.國內(nèi)外深部巖石地下工程的現(xiàn)狀能源和礦產(chǎn)資源制約著國民經(jīng)濟的開展。隨著前部資源的日益枯竭，國內(nèi)外都陸續(xù)開場進入深部巖石地下工程對深部資源進展開采。國內(nèi)現(xiàn)狀根據(jù)目前資源開采情況，我國的煤礦開采深度正以每年8-12m的深度增加，東部礦井正以100-250m/(10年)的速度開展。近年來已經(jīng)有一批礦山進入深部開采。其中，在煤炭開采方面，沈陽采屯礦開采深度為1197m、北京門頭溝開采深度為1008m、長廣礦開采深度為1000m、徐州張小樓礦開采深度為1100m、開灤趙各莊礦開采深度為1159m、北京冠山礦開采深度為1059m。在金屬礦開采方面，冬瓜山銅礦目前開采深度為900-1100m，紅透山銅礦開采深度已進入900m，弓長嶺鐵礦設計深度為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入或?qū)⒁_場進展深部巖石地下工程進展深部開采。因此我們可以預計在未來20年內(nèi)我國很多礦藏都將進入到1000-1500m的深部開采。我國國有重點煤礦的平均開采深度變化趨勢如圖所示。國外現(xiàn)狀據(jù)不完全統(tǒng)計，國外開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)金礦的開采深度大都在1000m以下。其中，Anglogold的西部深井金礦，采礦深度達3700m，WestDriefovten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，其中錢皮恩里夫金礦共開拓112個階段，總深到達了3260m。俄羅斯的克里沃羅格鐵礦區(qū)，已有捷爾任斯基、基洛夫、國產(chǎn)國際等8座礦山采準深度達910m，開拓深度達1570m，預計未來將到達2000-2500m。另外，加拿大、美國、澳大利亞的一些有色金屬礦山采深亦超過1000m。國外一些主要產(chǎn)煤國家從20世紀60年代開場就進入深部巖石地下工程。1960年前，西德平均開采深度就已經(jīng)到達650m，1987年已將近900m；前蘇聯(lián)在20世紀80年代末就有一半以上產(chǎn)量來自600m以下深部。國外深部巖石地下工程開采現(xiàn)狀如圖所示。3.基于巖石力學的深部巖石地下工程分析3.1"高地應力強擾動〞的惡略環(huán)境地應力測量隨深度變化的趨勢地應力，又稱為原巖應力，可以概要定義為存在于巖體中未受擾動的自然應力。它是引起各種地下或露天巖石開挖工程變形和破壞的根本動力。地應力場呈三維狀態(tài)有規(guī)律地分布于巖體中。當工程開挖后，應力受開挖擾動的影響而重新分布，重分布后形成的應力則稱為二次應力或誘導應力。地應力可以通過水壓致裂法、應力接觸法、應力恢復法、聲發(fā)射法等方法進展測定。霍克和布朗于1978年對全球地應力測量資料進展了分析，從中選擇出由地表到2500m深度的120個測量點進展統(tǒng)計，如圖所示。結(jié)果說明，垂直應力普遍具有以下簡單關(guān)系式所表示的趨勢：δv=0.278Z(1)其中Z為深度，δv為垂直應力。同時他們也繪制出水平應力與垂直應力的比值K隨深度變化的關(guān)系曲線(圖3.2)圖說明的平均水平應力與垂直應力的比值K，通常處于下式所限定的范圍內(nèi)："K"1500/Z+0.5(2)將K=δh,av/δv=δh,av帶入方程式(2)，得出δh,av的范圍界限為："δh,av"405+0.14Z(3)圖說明的根本特征為：在*個給定的深度上，尤其是在比較淺的情況下，K值是相當寬廣的。例如，Z=500m時，K可能從變化到。當Z=2000m時，K可能從變化到。很明顯，只有對同一地區(qū)同一地質(zhì)環(huán)境里取得的結(jié)果進展比較，這一變化范圍才能縮小，例如，對南非應力計算的結(jié)果可用方程(1)和下式相當完美地表達出來：K=248/Z+0.45(4)顯然，在Z、K和δv之間的相應關(guān)系已經(jīng)建立的地區(qū)，對于地下工程的初步設計來說是有意義的。從總體看，地殼水平應力與垂直應力隨深度變化的關(guān)系是非常清楚的，地殼上部(一般為600-1000m以上)的平均水平應力比垂直應力大，而地殼深部(超出1000m)的平均水平應力則小于垂直應力。深部巖石地下工程的高地應力進入深部巖石地下工程后，僅重力引起的垂直原巖應力通常就超過工程巖體的抗壓強度(>20MPa)，而由于工程開挖所引起的應力集中水平則更是遠遠大于工程巖體的強度(>40MPa)。同時，據(jù)已有的地應力資料顯示，深部巖體形成歷史長遠，留有遠古構(gòu)造運動的痕跡，其中存有構(gòu)造應力場或剩余構(gòu)造應力場。二者的疊加累積為高應力，在深部巖體中形成了異常的地應力場。據(jù)南非地應力測定，在3500-5000的深度，地應力水平為95——135MPa。如此高的地應力必然會對深部巖石地下工程的實施帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。深部巖石地下工程中的強采礦擾動采礦擾動主要是指強烈的開采擾動。進入深部開采后，在承受高地應力的同時，大多數(shù)巷道要經(jīng)受碩大的回采空間引起強烈的支撐壓力作用，使受采動影響的巷道圍巖壓力數(shù)倍、甚至近十倍于原巖應力，從而造成在淺部表現(xiàn)為普通堅硬的巖石，在深部卻可能表現(xiàn)出軟巖大變形、大地壓、難支護的特征；淺部的原巖體大多處于彈性應力狀態(tài)，而進入深部以后則可能處于塑性狀態(tài)，即有各向不等壓的原巖應力引起的壓、剪應力超過巖石的強度，造成巖石的破壞。深部巖石地下工程的3個力學特性進入深部以后，受"高地應力強擾動〞的作用，深部巖石地下工程圍巖的地質(zhì)力學環(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)出其特有的力學特征現(xiàn)象，主要包括以下幾個方面。(1)深部巖石地下工程應力場的復雜性眾所周知，淺部巖石地下工程圍巖狀態(tài)往往可以分為三個區(qū)域，即破裂帶、塑性極限平衡區(qū)、彈性區(qū)和原巖應力區(qū)，可使用現(xiàn)有的彈塑性力學理論進展分析。而深部巖石地下工程圍巖的應力狀態(tài)就十分復雜，深部圍巖狀態(tài)有時發(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)象被稱為區(qū)域破裂現(xiàn)象(Zonaldisintegration),因此深部巖石地下工程圍巖應力場具有多樣性和復雜性。(2)圍巖的大變形和強流變性特性研究說明，進入深部后巖體變形具有兩周完全不同的趨勢，一種是巖體表現(xiàn)為持續(xù)的強流變特性，即不僅變形量大，而且具有明顯的"時間效應〞，如煤礦中有的巷道20年底鼓不止，累計底鼓量達數(shù)十米。學者們在對南非金礦深部圍巖的流變性進展了系統(tǒng)研究后，發(fā)現(xiàn)其圍巖流變性十清楚顯，巷道圍巖最大移動速度到達500mm/月。另外一種是巖體并沒有發(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，但事實上，仍然具有承載和再次穩(wěn)定的能力，借助這一特性，有些巷道還特地將其布置在破碎巖體中，如沿空掘巷。(3)動力響應的突變型淺部巖體破壞通常表現(xiàn)為一個漸進的過程，具有明顯的破壞前兆(變形加劇)。而深部巖體的動力響應過程往往是突發(fā)的、無前兆的突變過程，具有強烈的沖擊破壞特性，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大災害由于深部巖石力學行為具有明顯區(qū)別于淺部巖石力學的這些重要特征，再加上賦存環(huán)境的復雜性，致使深部資源開采中以巖爆、突水、頂板大面積來壓和采空區(qū)失穩(wěn)為代表的一系列災害性事故與淺部工程災害相比較，程度上加劇，頻度上提高，成災機理更加復雜，作為地下城市空間工程的學生，有必要了解這些已經(jīng)發(fā)生的災難，并分析其成因，從空間設計的角度設計更加合理的地下空間工程，以防止這些災難的發(fā)生。具體災難如下：(1)巖爆頻率和強度均明顯增加巖爆是圍巖各種失穩(wěn)現(xiàn)象中反響最強烈的一種，它是地下施工的一大地質(zhì)災害。由于它的突發(fā)性，在地下工程中對施工人員和施工設備威脅最為嚴重。如果處理不當，就會給施工平安、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。巖爆可以分為應變型、屈服型及巖塊突出型等，如圖所示。"應變型〞指坑道周邊堅硬巖體產(chǎn)生應力集中，在脆性演示中發(fā)生劇烈的破壞，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，常常是由爆破震動所誘發(fā)；"巖塊突出型〞是因被裂隙或節(jié)理等別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)模根本可以分為三類，即小規(guī)模，中規(guī)模和大規(guī)模，如圖所示。小規(guī)模指的是在壁面附近淺層局部(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)模指超過以上的巖體顯著突出，很大的巖塊彈射出來，這種情況一般的支護是不能防止的。圖4.1巖爆發(fā)生機理圖巖爆規(guī)模劃分有關(guān)統(tǒng)計資料說明，巖爆多發(fā)生在強度高、厚度大的堅硬巖(媒)層中，主要影響因素包括煤層頂?shù)装鍡l件、原巖應力、埋深、煤層物理力學特性、厚度及傾角等。目前的統(tǒng)計資料說明，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，但總的來看，巖爆與采深有密切關(guān)系，即隨著開采深度的增加，巖爆的發(fā)生次數(shù)、強度和規(guī)模也會隨之上升。(2)采場礦壓顯現(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)造應力的增強，表現(xiàn)為圍巖發(fā)生劇烈變形、巷道和采場失穩(wěn)、并易發(fā)生破壞性的沖擊地壓，給頂板管理帶來許多困難。(3)突水事故趨于嚴重自1984年6月2日開灤礦務局范各莊礦發(fā)生井下巖溶陷落柱特大突水災害以來，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，經(jīng)濟損失超過了27億元，同時產(chǎn)生了假設干地質(zhì)環(huán)境負效應等。(4)巷道圍巖變形量大、破壞具有區(qū)域性與淺部一樣，深部巷道支護的目的仍是盡量保持圍巖的完整性以及防止破碎巖體進一步產(chǎn)生位移。深部開采一方面自重應力逐漸增加，同時由于深部巖層的構(gòu)造一般比較發(fā)育，其構(gòu)造應力十分突出，致使巷道圍巖壓力增大，巷道支護本錢增加。據(jù)煤炭行業(yè)的有關(guān)資料顯示，近10年巷道支護本錢增加了倍，巷道翻修量占整個巷道掘進量的40%。另外，淺部圍巖在臨近破壞時往往出現(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)象進展破壞之前的預測預報，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)，破壞前兆非常不明顯，使破壞預測預報十分困難，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)境惡化深部開采條件下，巖層溫度將到達攝氏幾十度的高溫，如俄羅斯千米平均地溫為30-40℃，個別到達了52℃，南非*金礦3000m時地溫到達了70℃。地溫升高造成井下工人注意力分散、勞動力降低，甚至無法工作。(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，并造成瓦斯災害事故的頻繁發(fā)生。近年來，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)礦井火災、瓦斯爆炸事故等發(fā)生。5.現(xiàn)有深部巖石地下工程支護設計概述針對深部所具有的高地應力、強流變性、礦壓顯著等特性，當前學術(shù)界在淺部巖石地下工程中使用的支護設計根底上進一步改革完善形成了適用于深部巖石地下工程的支護設計，具體有以下幾種設計：(1)全螺紋鋼等墻錨桿+網(wǎng)+混凝土組合支護全螺紋鋼等墻錨桿采用樹脂藥卷錨固，根據(jù)巖性，采用加長錨或全錨兩種錨固形式，配以金屬網(wǎng)，外加圓形鑄鐵托盤，采用噴錨噴、錨網(wǎng)噴施工工藝，支護效果良好。(2)可縮性U型棚+錨網(wǎng)+混凝土聯(lián)合支護在強流變軟巖、斷層破碎帶采用可縮性U型棚，配以錨網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護巷道，使支護構(gòu)造更為合理，有效防止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)二次支護工藝針對深部巷道礦壓顯著的特點，要求巷道支護必須滿足既能加固圍巖，又能提供較大的支護阻力，具有較大的可縮性和一定的初撐力等要求。協(xié)莊礦使用二次支護成巷工藝，支護巷道10000多m，支護效果明顯優(yōu)于一次支護。(4)"護巷先固底〞措施在巷道掘進或維修中，采用錨網(wǎng)反拱構(gòu)造或澆筑混凝土固底措施，既可有效防止巷道底鼓，又能防止"上壓下擠〞作用而使巷道兩幫產(chǎn)生剪