現(xiàn)代固體礦床開采理論方法.doc

研究生課程考核試卷科 目：現(xiàn)代固體礦床開采理論方法 教 師： 姓 名： 學 號： 專 業(yè)： 礦業(yè)工程 類 別： 學術 上課時間： 2014年 4月至 2014年 6月 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 研究生院巷道圍巖大變形機理及治理措施研究摘 要：對地下工程而言，保證巷道開挖與支護穩(wěn)定是礦山安全生產的前提。隨著我國基礎建設事業(yè)的高速發(fā)展和西部發(fā)開發(fā)的進一步推進，我國的公路工程、鐵路工程和地下工程迅猛發(fā)展，其大量長大、深埋隧道工程相繼動工，穿越高地應力區(qū)以及遇到軟弱危巖體，常導致軟弱圍巖大變形等相關地質災害。對于隧道軟弱圍巖大變形的有效合理的防治與控制措施愈顯緊迫與重要。本文以理論分析為基礎結合現(xiàn)場實踐案例，詳細闡述圍巖大變形的定義，大變形發(fā)生的地質環(huán)境，著重分析巷道圍巖大變形的力學機理以及治理控制措施，對于工程實際有一定的理論指導意義。關鍵詞：大變形；地質環(huán)境；力學機理；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 prerequisite 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 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, based 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 actually have some theoretical guidance significance.Key words: Large Deformation; Geological environment; Mechanical mechanism; Control0 引言國內外開展了對圍巖大變形的研究，認為圍巖大變形可以分為三類，分別為埋深較大引起的大變形、開采活動引起的大變形及巖體本身強度較低引起的大變形。而在地下工程中，上述三種類型的大變形巷道均能見到，第一類及第三類巷道大變形機理較明顯，各種支護理論及技術也較成熟，但對由采動影響而產生的大變形研究較少，盲目的運用第一類及第三類的理論與方法進行處理工程問題，將很容易使支護陷于被動狀態(tài)，對地下工程的正常運行造成嚴重的影響。對于深埋隧道，因其埋深大，圍巖大都表現(xiàn)出強烈的流變特性，而軟弱圍巖，其本身就具有明顯的流變特性。因此，流變理論逐漸被引用到圍巖變形機理的研究中。朱素平等提出了以對數函數描述巖石蠕變的粘彈性模型進行圍巖穩(wěn)定性的力學分析；日本學者西原在巖石流變試驗資料的基礎上，建立了能反映巖石彈一粘彈一粘塑性特性的西原模型。在此基礎上，同濟大學孫鈞通過對圍巖一支護系統(tǒng)受力機理的充分闡述，得出了西原模型在隧道圍巖支護系統(tǒng)中的有限元解，并對層狀節(jié)理圍巖、含軟弱斷層、破碎帶的圍巖分別提出了兩個Bingham串聯(lián)模型和四元件的粘彈塑性模型。因此很有必要對其變形破壞機理及控制措施進行深入研究，找出問題的根源，從根本上解決大寧煤礦這一技術難題。故對受采動影響的巷道大變形機理及控制研究將具有很重要的現(xiàn)實意義。1圍巖大變形定義大變形定義 ：隧道及地下工程圍巖的一種具有累進性和明顯時間效應的塑性變形破壞。軟弱圍巖大變形現(xiàn)象為一種在隧道開挖過程中與時間、空間有關的大變形，與圍巖的彈粘塑性時效力學行為具有很大程度的關聯(lián)性，表現(xiàn)為在工程擾動力作用下，引起顯著粘塑性變形,變形量的絕對值大小超過洞室預留變形量，變形持續(xù)時間長，可歸屬于變形速率較快而收斂速率較慢的非線性變形范疇。地質軟巖與工程軟巖及其關系：地質軟巖：按地質學的巖性分地質軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響而著或含有大量膨脹性粘上礦物的松、散、軟、弱巖層,該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質礦巖,是天然形成的復雜地質介質。工程軟巖：指在工程力作用下能產生顯著塑性變形的工程巖體。不僅重視軟巖的強度特性,而且強調軟巖所承受的工程力荷載的大小,強調從軟巖的強度和工程力荷載的對立統(tǒng)一關系中分析、把握軟巖的相對性實質。工程軟巖和地質軟巖的關系：當工程荷載相對于地質軟巖(如泥頁巖等)的強度足夠小時,地質軟巖不產生軟巖顯著塑性變形力學特征,即不作為工程軟巖,只有在工程力作用下發(fā)生了顯著變形的地質軟巖,才一作為工程軟巖;在大深度、高應力作用下,部分地質硬巖(如泥質膠結砂巖等)也呈現(xiàn)了顯著變形特征,則應視其為工程軟巖。2大變形發(fā)生的地質環(huán)境地質環(huán)境：（1）地形地貌 礦山隧道的所處的特殊地形地貌，影響巷道發(fā)生大變形； （2）地質構造 對于經歷了多期次、多階段的變質作用和巖漿活動，地質構造復雜的地段開挖巷道，就會容易引起巷道的大變形。 （3）水文地質 巖體含水量增大，膨脹體積增大，形成膨脹力，加之隧道開挖卸荷，應力重新調整，在膨脹力的作用下圍巖向洞內變形，進而導致巷道發(fā)生大變形。 巖性：強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層、如：破碎巖體、黃土、炭質板巖、震區(qū)軟巖、云母巖、砂泥巖、泥巖、頁巖、千枚巖、泥灰?guī)r、片巖、煤層等。受圍巖巖性控制的圍巖大變形主要針對膨脹性軟巖及擠壓性軟巖。主要性質：（1）可塑性：可塑性是軟巖在工程力的作用下產生變形，去掉工程力之后這種變形不能恢復的性質。 （2）膨脹性：軟巖在力的作用下或在水的作用下體積增大的現(xiàn)象,稱為軟巖的膨脹性?？煞譃閮炔颗蛎浶?、外部膨脹性和應力擴容膨脹性。 （3）流變性（粘性）：是指物體受力變形過程與時間有關的變形性質。流動又可分為粘性流動和塑性流動。（4）崩解性：低應力軟巖和高應力軟巖、節(jié)理化軟巖的崩解機理是不同的。 （5）易擾動性：軟巖的易擾動性是指由于軟巖軟弱、裂隙發(fā)育、吸水膨脹等特性。 地應力：深埋隧道垂直地應力大；淺埋隧道偏應力大，受構造應力影響顯著；分為地質偏壓、地形偏壓、施工擾動偏壓； 地質偏壓 地形偏壓 施工擾動偏壓圖1 各個偏壓情況構造：軟弱夾層、斷層、節(jié)理切割劣化。地質構造會影響隧道工程的長期穩(wěn)定性，應盡量避開常見的情況：小斷層、褶曲、不整合面、順層滑動面和巖脈等。地應力對大變形發(fā)生的影響：地應力是存在于地層中未受工程擾動的天然應力，是引起巖石開挖工程變形破壞的根本作用力。地質構造對大變形發(fā)生的影響：構造應力由構造運動引起（板塊、火山、升降），現(xiàn)代構造應力；地質構造殘余應力。構造應力特點：1）分布不均，在構造區(qū)域附近最大；2）水平應力為主，淺部尤為明顯；3）具有明顯的方向性；4）堅硬巖層中明顯，軟巖中不明顯； 地質構造引起應力場大小、方向的變化；地質構造引起巖體物理、力學性質發(fā)生變化。3巷道大變形發(fā)生的力學機理巷道（隧道）大變形發(fā)生的力學機理，實際工程中為各種力學機理的組合。主要可分為以下幾類:偏應力造成的大變形：1）淺埋巷道的地質偏壓、地形偏壓、施工擾動偏壓水、氣造成的偏壓。深埋巷道：構造應力偏壓、地質偏壓、施工擾動及水、氣造成的偏壓。2）深埋巷道：埋深過大形成大應力是大變形的主要原因。高應力超過巖體屈服極限使巖體發(fā)生較大塑性、流變變形。3）軟巖巷道中形成的大變形，軟巖塑性變形、流變，軟巖擠出、整體收縮等。4）親水礦物產生膨脹應力。5）破碎圍巖在高應力條件下，雖然巖體強度較大但被多個結構面切割的巖體在高應力作用下結構面間出現(xiàn)較大位移而產生大變形。圍巖一般處于較高的應力狀態(tài)，圍巖因高圍壓而緊密閉合；而在開挖卸荷后，結構面易于張開滑移，因此，巖體強度遠低于巖石強度。6）巖體中主要結構面導致的大變形：結構面張開、閉合，結構體滑動、滾動、彎曲等造成大變形。7）工程應力的影響，如巷道底部存在采空區(qū)造成開挖后巷道不能穩(wěn)定，爆破震動、初期支護拆換等。8）局部水壓及氣壓力的作用。當支護和襯砌封閉較好，周邊局部地下水升高或有地下氣體（瓦斯等）作用時，支護也會產生大變形，這種現(xiàn)象并不多見。9）土砂圍巖的擠密和松弛變形。A.按實際工程分類：擠壓性圍巖、采動巷道深井巷道、非對稱變形機理擠壓性圍巖隧道大變形變形機理： 研究表明，當強度應力比小于0.30.5 時，即能產生比正常隧道開挖大一倍以上的變形。此時洞周將出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū)，隨著開挖引起圍巖質點的移動，加上塑性區(qū)的“剪脹”作用，洞周將產生很大位移。高地應力是大變形的一個重要原因。在埋深大、地殼經歷激烈運動，地質構造復雜的泥巖、頁巖、千枚巖、泥灰?guī)r、片巖、煤層等都容易出現(xiàn)較大的擠壓變形。采動巷道圍巖大變形機理：由于采動影響而導致巷道圍巖大變形主要是由于采動巷道圍巖應力重新分布。在巷道開挖后，由于擾亂了原巖應力的平衡狀態(tài)，從而導致原巖應力重新分布，這時候巷道將產生一部分初期變形。在受到采動影響之后，巷道圍巖應力將會再次重新分布，頂底板及兩幫巖石力學性質及其破碎程度嚴重影響圍巖應力的重新分布，導致巷道大變形的發(fā)生 深井巷道非對稱變形機理： 在深部傾角較大的巖層中開挖的巷道,其圍巖變形往往表現(xiàn)出明顯的非對稱變形現(xiàn)象，非對稱變形是指巷道左右兩側的變形量不一致，一側變形量大而另一側變形景小，導致巷道整體向一側偏斜。而在淺部巷道或巖層近水平時這種非對稱變形現(xiàn)象并不明顯。深部甚道非對稱變形的所需要必要條件包括以下三個方面： (1)若巖層為分層結構，且各分層間為非均質，各分層間的巖性差異較大，軟硬巖層間隔分布； (2)各分層巖層的厚度與巷道寬度接近; (3)巖層是傾斜的因此，傾斜、層狀和非均質若層結構，是巷道非對稱變形的根本原因，巷道斷面內圍巖結構的不對稱性導致了巷道圍巖變形的不對稱性。B.按圍巖變形機制分類：（1）結構面的張開和閉合變形圖2 結構面的張開與閉合結構面的張開或閉合變形是指圍巖中的斷層、節(jié)理、層面、溶蝕裂隙等各種結構面在加載或者卸載的作用下發(fā)生閉合或者張開，從而引起的圍巖變形。圍巖中的各類結構面，在隧道開挖前處于不同的張開程度，有的閉合，有的微張開，有的張開較大。隧道開挖后，圍巖應力發(fā)生重新調整，切線方向的應力增大，處于加載狀態(tài)，結構面的張開度將減小；而法線方向的應力減小，處于卸載狀體，結構面的張開度將增大。如圖2所示，不同產狀的結構面在隧道不同部位將出現(xiàn)不同的變形狀態(tài)，水平向結構面在隧道拱頂和拱底在切向應力作用下以張開變形為主，表現(xiàn)為拱頂下沉和拱底鼓出，而在隧道兩側的水平向裂隙在切向應力作用下則主要以閉合變形為主。（2）結構面的滑動變形圖3 結構面滑動的力學模型結構面的滑動變形是指巖塊沿著各種不連續(xù)界面，如斷層、裂隙、層理等結構面發(fā)生滑動，從而引起圍巖向著臨空面方向的變形，如圖4所示。滑動變形是塊狀圍巖的主要變形形式。在塊狀圍巖中，隧道周邊大大小小的巖塊在隧道開挖后都會向著臨空面發(fā)生或多或少的移動。塊體的滑動需要有滑動空間，其常受到周邊巖體的限制，因此,滑動變形的大小受塊體大小、塊體的組合方式、臨空面的大小等因素制約。式中S和T分別為接觸面上的下滑力和抗滑力，A為接觸面積，如圖5所示。（3）塊狀圍巖的滾動變形滾動變形是指塊體繞著某個支點向臨空面方向發(fā)生轉動，從而引起圍巖的變形，如圖6所示。圖4 塊狀巖體的滾動變形滾動變形和滑動變形是塊狀圍巖的兩種主要變形形式，塊狀圍巖中，往往同時發(fā)生塊體的移動和轉動。滾動變形和滑動變形一樣，也受塊體大小、塊體組合方式、臨空面的大小等因素制約。（4）層狀圍巖的彎曲變形 (a)豎直巖層 (b)傾斜巖層 (c)水平巖層 圖5 層狀巖體的彎曲變形彎曲變形是指層狀圍巖受力向臨空面發(fā)生彎曲，從而引起圍巖的變形，如圖8所示。彎曲變形是層狀圍巖常發(fā)生的變形形式。在水平巖層中，隧道底部巖層的彎曲變形常引起底鼓，而在豎直圍巖中，隧道邊墻巖層的彎曲變形常引起邊墻的鼓出。(5)軟弱夾層的擠出變形圖6 軟弱巖體的擠出變形軟弱夾層的擠出變形是指軟弱夾層在隧道開挖后，在切向應力的作用下，向臨空面方向的擠出變形。 （6）土砂圍巖的擠密和松弛變形土砂圍巖的擠密和松弛變形是指隧道周邊的土?；蛘呱傲Ｔ诩虞d或卸荷作用下發(fā)生擠密或者松弛，從而引起的圍巖變形。隧道開挖后，圍巖應力發(fā)生重新調整，切線方向的應力增大，處于加載狀態(tài)，土粒或者砂粒之間的空隙將減小而發(fā)生擠密；而法線方向的應力減小，處于卸載狀體，土粒或者砂粒之間的空隙將增大而發(fā)生松弛。擠密和松弛變形不僅是土砂圍巖的主要變形方式，也是一些碎裂結構和散體結構圍巖的主要變形方式。擠密和松弛變形的大小主要由土砂的壓縮性，以及圍巖應力狀態(tài)的調整程度確定。4巷道大變形治理支護作用：阻止圍巖變形，維護圍巖穩(wěn)定。內承支護：是通過錨桿(索)、注漿等措施加固圍巖，特點：充分發(fā)揮和增強圍巖的自承能力，以支護結構和圍巖共同形成的支護結構體系使圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖既是荷載也是支護結構體系的組成部分外部支護：在圍巖外部依靠支護結構的承載能力來承受圍巖壓力。如圍巖開挖時運用的鋼拱(剛性)或混凝土襯砌(柔性)。圍巖僅是形成支護結構上荷載的來源。隨著煤礦開采深度的增加，強度的增大，深部巖體力學性質的變化，深部開采巷道穩(wěn)定性面臨一些列挑戰(zhàn)，如深部強動壓巷道、深部軟巖大變形流變巷道、深部高應力碎裂圍巖巷道、特大斷面巷道等，對錨桿支護和注漿加固方式提出了更高、更苛刻的要求。傳統(tǒng)的單一的支護模式已很難適應深部巷道高應力、大變形、顯著流變、強動壓、碎裂化的要求，需要采取聯(lián)合支護模式，才能有效控制深部巷道圍巖的變形。參考文獻1 王屹. 酸水灣隧道支護變形及處治分析J.西南公路, 2006(04)100-103.2 黃林偉. 軟巖隧道大變形力學行為與控制技術的研究D. 重慶大學, 2008.3 陳玉. 共和隧道圍巖大變形機制及防治措施研究D. 重慶大學,2008. 4 鄭云峰. 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