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1、詹 岩石力学结课论文班级城地142姓名蔡少雯学号深部岩石地下工程摘要 随着经济建设的不断推进，地下空间工程的开展不断深入，其开发深度也愈来愈深一逾数千米的各 种矿山（如南非金矿和金川镍矿等），水电工程埋深逾数千米的引水隧道，核废料深层处理，深层地下防护工 程（如700米防护岩层下的北美防空司令部）等。岩石地下工程越深，相应地也会产生一些新的问题。本文 将会结合在岩石力学课程中所学的知识，对深部岩石地下工程展开研究。关键词研究现状地应力岩爆力学特征支护设计1. 深部岩石地下工程的定义深部岩石地下工程的发展伴随着深部采矿工程和深部隧道工程的不断深入发展。为了建 立深部工程的概念，我们在此引入国际岩
2、石力学学会所定义的硬岩发生软换的深度作为界定 深部岩石地下工程的界限。即假设覆岩的容重为2500kg/m3,则硬岩发生软化的临界深度为 500m。因此，我们可以视大于500m深度范围的岩石地下工程称为深部岩石地下工程，反之 将小于500m深度范围的岩石地下工程称为浅部岩石地下工程。并且，我们可以依据不同深 度下发生的岩石力学破坏现象，将深部岩石地下工程进一步地细分为较深岩石地下工程、超 深岩石地下工程和极深岩石地下工程三类。2. 国内外深部岩石地下工程的现状能源和矿产资源制约着国民经济的发展。随着前部资源的日益枯竭，国内外都陆续开始 进入深部岩石地下工程对深部资源进行开采。2.1国内现状根据目
3、前资源开采情况，我国的煤矿开采深度正以每年8-12m的深度增加，东部矿井正 以100-250m/（10年）的速度发展。近年来已经有一批矿山进入深部开采。其中，在煤炭开采 方面，沈阳采屯矿开采深度为1197m、北京门头沟开采深度为1008m、长广矿开采深度为 1000m、徐州张小楼矿开采深度为1100m、开滦赵各庄矿开采深度为1159m、北京冠山矿开采 深度为1059m。在金属矿开采方面，冬瓜山铜矿目前开采深度为900-1100m，红透山铜矿开 采深度已进入900m，弓长岭铁矿设计深度为1000m。此外还有例如金川镍矿、寿王坟铜矿、 凡口铅钵矿等多做矿山矿井都已进入或将要开始进行深部岩石地下工程
4、进行深部开采。因此 我们可以预计在未来20年内我国很多矿藏都将进入到1000-1500m的深部开采。我国国有重 点煤矿的平均开采深度变化趋势如图2.1所示。I9WJ IW5 2000 2010图2.1我国国有重点煤矿平均开采深.度变化趋势2.2国外现状据不完全统计，国外开采超千米深的金属矿山有80多座，其中最多为南非。南非绝大多 数金矿的开采深度大都在1000m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深井金矿，采矿深 度达3700m，West Driefovten金矿矿体赋存于地下600m，并一直延伸至6000m以下。印度 的Kolar金矿区，已有三座金矿采矿深度超2400m，其中钱皮恩里
5、夫金矿共开拓112个阶段， 总深达到了 3260m。俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，已有捷尔任斯基、基洛夫、国产国际等8 座矿山采准深度达910m，开拓深度达1570m，预计未来将达到2000-2500m。另外，加拿大、 美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦超过1000m。国外一些主要产煤国家从20世纪 60年代开始就进入深部岩石地下工程。1960年前，西德平均开采深度就已经达到650m，1987 年已将近900m；前苏联在20世纪80年代末就有一半以上产量来自600m以下深部。国外深 部岩石地下工程开采现状如图2.2所示。图2.2国外深部岩石地下工程开采现状3. 基于岩石力学的深部岩石地下工程分
6、析3.1 “高地应力强扰动”的恶略环境3.1.1地应力测量随深度变化的趋势地应力，又称为原岩应力，可以概要定义为存在于岩体中未受扰动的自然应力。它是引 起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本动力。地应力场呈三维状态有规律地分布 于岩体中。当工程开挖后，应力受开挖扰动的影响而重新分布，重分布后形成的应力则称为 二次应力或诱导应力。地应力可以通过水压致裂法、应力接触法、应力恢复法、声发射法等 方法进行测定。霍克和布朗于1978年对全球地应力测量资料进行了分析，从中选择出由地表到2500m 深度的120个测量点进行统计，如图3.1所示。南IS口耳它增IX澳大轲*荚国* fiufr 大。斯圳的饷
7、讳业结果表明，垂直应力普遍具有以下简单关系式所表示的趋势：6 =0.278Z其中Z为深度，6为垂直应力。V同时他们也绘制出水平应力与垂直应力的比值K随深度变化的关系曲线(图3.2) AN罪境律大O所叫时靖擢北-南命吐翊图:JW水平应力与垂直应力的比值K随:茉度变化的美共曲线图3.2表明的平均水平应力与垂直应力的比值K,通常处于下式所限定的范围内: 100/Z+0.3K1500/Z+0.5将K= 6 hav/ Sv=5hav/0.278Z带入方程式(2),得出纨的范围界限为：，aV V 27+0.08Z6hav405+014Z(3)图3.2表明的基本特征为：在某个给定的深度上，尤其是在比较浅的情
8、况下，K值是相 当宽广的。例如,Z=500m时，K可能从0.5变化到3.5。当Z=2000m时，K可能从0.35变化 到1.25。很明显，只有对同一地区同一地质环境里取得的结果进行比较，这一变化范围才 能缩小，例如，N.C.Gay对南非应力计算的结果可用方程(1)和下式相当完美地表达出来：K=248/Z+0.45(4)显然，在Z、K和6之间的相应关系已经建立的地区，对于地下工程的初步设计来说是 v有意义的。从总体看，地壳水平应力与垂直应力随深度变化的关系是非常清楚的，地壳上部(一般为 600-1000m以上)的平均水平应力比垂直应力大，而地壳深部(超出1000m)的平均水平应力则 小于垂直应力
9、。3.1.2深部岩石地下工程的高地应力进入深部岩石地下工程后，仅重力引起的垂直原岩应力通常就超过工程岩体的抗压强度 (20MPa)，而由于工程开挖所引起的应力集中水平则更是远远大于工程岩体的强度 (40MPa)。同时，据已有的地应力资料显示，深部岩体形成历史久远，留有远古构造运动的 痕迹，其中存有构造应力场或残余构造应力场。二者的叠加累积为高应力，在深部岩体中形 成了异常的地应力场。据南非地应力测定，在3500-5000的深度，地应力水平为95 135MPa。如此高的地应力必然会对深部岩石地下工程的实施带来严峻的挑战。3.1.3深部岩石地下工程中的强采矿扰动采矿扰动主要是指强烈的开采扰动。进入
10、深部开采后，在承受高地应力的同时，大多数 巷道要经受硕大的回采空间引起强烈的支撑压力作用，使受采动影响的巷道围岩压力数倍、 甚至近十倍于原岩应力，从而造成在浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部却可能表现出软岩 大变形、大地压、难支护的特征；浅部的原岩体大多处于弹性应力状态，而进入深部以后则 可能处于塑性状态，即有各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超过岩石的强度，造成岩 石的破坏。3.2深部岩石地下工程的3个力学特性进入深部以后，受“高地应力强扰动”的作用，深部岩石地下工程围岩的地质力学环境 较浅部发生了巨大的变化，从而使深部巷道围岩表现出其特有的力学特征现象，主要包括以 下几个方面。(1) 深部
11、岩石地下工程应力场的复杂性众所周知，浅部岩石地下工程围岩状态往往可以分为三个区域，即破裂带、塑性极限平 衡区、弹性区和原岩应力区，可使用现有的弹塑性力学理论进行分析。而深部岩石地下工程 围岩的应力状态就十分复杂，深部围岩状态有时发生膨胀带和压缩带交替出现的情形，且其 几何尺寸(宽度)按一等比数列递增，这一现象被称为区域破裂现象(Zonal disintegration), 因此深部岩石地下工程围岩应力场具有多样性和复杂性。(2) 围岩的大变形和强流变性特性研究表明，进入深部后岩体变形具有两周完全不同的趋势，一种是岩体表现为持续的强 流变特性，即不仅变形量大，而且具有明显的“时间效应”，如煤矿中
12、有的巷道20年底鼓 不止，累计底鼓量达数十米。学者们在对南非金矿深部围岩的流变性进行了系统研究后，发 现其围岩流变性十分明显，巷道围岩最大移动速度达到500mm/月。另外一种是岩体并没有 发生明显变形，但十分破碎，处于破裂状态，按传统的岩体破坏、失稳的概念，这种岩体已 不再具有承载特性，但事实上，仍然具有承载和再次稳定的能力，借助这一特性，有些巷道 还特地将其布置在破碎岩体中，如沿空掘巷。(3) 动力响应的突变型浅部岩体破坏通常表现为一个渐进的过程，具有明显的破坏前兆(变形加剧)。而深部岩 体的动力响应过程往往是突发的、无前兆的突变过程，具有强烈的冲击破坏特性，宏观表现 为巷道顶板或周边围岩的
13、大范围的突然失稳、坍塌等。4. 深部岩石地下工程的需要注意的6大灾害由于深部岩石力学行为具有明显区别于浅部岩石力学的这些重要特征，再加上赋存环境 的复杂性，致使深部资源开采中以岩爆、突水、顶板大面积来压和采空区失稳为代表的一系 列灾害性事故与浅部工程灾害相比较，程度上加剧，频度上提高，成灾机理更加复杂，作为 地下城市空间工程的学生，有必要了解这些已经发生的灾难，并分析其成因，从空间设计的 角度设计更加合理的地下空间工程，以避免这些灾难的发生。具体灾难如下：(1) 岩爆频率和强度均明显增加岩爆是围岩各种失稳现象中反应最强烈的一种，它是地下施工的一大地质灾害。由于它 的突发性，在地下工程中对施工人
14、员和施工设备威胁最为严重。如果处理不当，就会给施工 安全、岩体及建筑物的稳定性造成影响，甚至引发重大工程事故。岩爆可以分为应变型、屈服型及岩块突出型等，如图4.1所示。“应变型”指坑道周边 坚硬岩体产生应力集中，在脆性演示中发生激烈的破坏，是最一般的岩爆现象；“屈服型” 指在有相互平行裂隙的坑道中，坑道壁的岩石屈服，发生突然破坏，常常是由爆破震动所诱 发；“岩块突出型”是因被裂隙或节理等分离的岩块突然突出的现象，也是因爆破或地震等 诱发。岩爆的规模基本可以分为三类，即小规模，中规模和大规模，如图4.2所示。小规模指 的是在壁面附近浅层部分(厚度小于25cm)的破坏，破坏区域仍然是弹性的，岩块的
15、质量通 常在1t以下；中规模指形成厚度在0.25-0.75m的环状松弛区域的破坏，但空洞本身仍然是 稳定的；大规模指超过0.75m以上的岩体显著突出，很大的岩块弹射出来，这种情况一般的 支护是不能防止的。图4.1岩爆发生机理图4.2岩爆规模划分有关统计资料表明，岩爆多发生在强度高、厚度大的坚硬岩(媒)层中，主要影响因素包 括煤层顶底板条件、原岩应力、埋深、煤层物理力学特性、厚度及倾角等。目前的统计资料 表明，尽管在极浅的硬煤层中(深度小于100m，有的甚至在30-50m)也有发生岩爆的记载， 但总的来看，岩爆与采深有密切关系，即随着开采深度的增加，岩爆的发生次数、强度和规 模也会随之上升。(2) 采场矿压显现剧烈随着采深的增加引起的覆岩自重压力的增大和构造应力的增强，表现为围岩发生剧烈变 形、巷道和采场失稳、并易发生破坏性的冲击地压，给顶板管理带来许多困难。(3) 突水事故趋于严重自1984年6月2日开滦矿务局范各庄矿发生井下岩溶陷落柱特大突水灾害以来，先后在 淮北杨庄矿、义马新安矿、峰峰梧桐矿、皖北任楼矿、徐州张集矿又相继发生特大型奥灰岩 岩溶突水岩井事故，初步估计，经济损失超过了27亿元，
