1、 岩石力学结课论文 班级 城地 142 姓名 蔡少雯 学号 314165102 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 -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
2、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
3、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
4、、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。 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
5、矿深度超 2400m，其中钱皮恩里夫金矿共开拓 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。 3
6、.基于岩石力学的深部岩石地下工程分析 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。
7、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： v=0.278Z (1) 其中 Z 为深度， v为垂直应力。 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) 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+0.3 K 1500/Z+0.5 (2) 将 K= h,av/ v= h,av/0.278Z带入方程式 (2)，得出 h,av的范围界限为： 27+0.08Z h,av 405+0.14Z (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况下， K 值是相当宽广的。例如， Z
8、=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 v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
9、小于垂直应力。 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 95135MPa。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
10、指强烈的开采扰动。进入深部开采后，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
11、方面。 (1)深部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
12、间效应”，如煤矿中有的巷道 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
13、道顶板或周边围岩的大范围的突然失稳、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
14、下工程中对施工人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
15、域仍然是弹性的， 岩块的质量通常在 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
16、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，同时产生了若干地质环境负效应等。 (4)巷道围岩变形量大、破坏具有区域性 与浅部一样，深部巷道支护的目的仍是尽量保持围岩的完整性以
17、及避免破碎岩体进一步产生位移。深部开采一方面自重应力逐渐增加，同时由于深部岩层的构造一般比较发育，其构造应力十分突出，致使巷道围岩压力增大，巷道支护成本增加。据煤炭行业的有关资 料显示，近 10 年巷道支护成本增加了 1.4 倍，巷道翻修量占整个巷道掘进量的 40%。 另外，浅部围岩在临近破坏时往往出现加速变形的现象，工程技术人员常常根据这一现象进行破坏之前的预测预报，且浅部围岩的破坏一般发生在比较局部的范围内。而深部围岩在破坏之前近乎处于不变形的状态，破坏前兆非常不明显，使破坏预测预报十分困难，从而造成深部围岩的破坏往往是大面积的发生，具有区域性，如巷道大面积的冒顶垮落等。 (5)地温升高、
18、作业环境恶化 深部开采条件下，岩层温度将达到摄氏几十度的高温，如俄罗斯千米平均地温 为30-40，个别达到了 52，南非某金矿 3000m 时地温达到了 70。地温升高造成井下工人注意力分散、劳动力降低，甚至无法工作。 (6)瓦斯涌出量增大 随着煤矿采深的增加，瓦斯含量迅速增加，并造成瓦斯灾害事故的频繁发生。近年来，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡人以上的煤矿事故 70%发生在 600m 采深以下的矿区。在另一方面，深部煤层处于较高的温度环境下，更容易引起煤层的自燃发火、触发矿井火灾、瓦斯爆炸事故等发生。 5.现有深部岩石地下工程支护设计概述 针对深部所具有的高地应力、强流变性、矿 压显著等特性，
19、当前学术界在浅部岩石地下工程中使用的支护设计基础上进一步改革完善形成了适用于深部岩石地下工程的支护设计，具体有以下几种设计： (1)全螺纹钢等墙锚杆 +网 +混凝土组合支护 全螺纹钢等墙锚杆采用树脂药卷锚固，根据岩性，采用加长锚或全锚两种锚固形式，配以金属网，外加圆形铸铁托盘，采用喷锚喷、锚网喷施工工艺，支护效果良好。 (2)可缩性 U 型棚 +锚网 +混凝土联合支护 在强流变软岩、断层破碎带采用可缩性 U 型棚，配以锚网喷混凝土联合支护巷道，使支护结构更为合理，有效避免巷道遭受巨大的 不均衡地压作用而产生失稳和破坏。 (3)二次支护工艺 针对深部巷道矿压显著的特点，要求巷道支护必须满足既能加
20、固围岩，又能提供较大的支护阻力，具有较大的可缩性和一定的初撑力等要求。协庄矿使用二次支护成巷工艺，支护巷道 10000 多 m，支护效果明显优于一次支护。 (4)“护巷先固底”措施 在巷道掘进或维修中，采用锚网反拱结构或浇筑混凝土固底措施，既可有效防止巷道底鼓，又能避免“上压下挤”作用而使巷道两帮产生剪切破坏。协庄矿 -550 水平西轨道大巷里端底鼓严重，维修中采用浇筑 1m 厚混凝土封底， 2 个月内顶底板移近量仅为 3.5mm，两帮移近量仅为 1.2mm，均补刀封底前巷道位移量的 1/10。 6.结语 随着浅部空间和资源的逐步消耗，未来将会更加重视对深部岩石地下工程的研究，此也已经成为 2
21、1 世纪岩石力学方面研究的热点，故而，作为城市地下空间工程的学生，对深部岩石地下工程展开研究十分有意义。“高地应力强扰动”的复杂环境，使深部开采遇到了例如岩爆等各种各样地质灾害，其成灾机理及控制技术是深部岩石地下工程领域面临的挑战、高难度课题。 大力开展深部岩石地下工程的力学基础研究，不仅能为深部资源开发提 供更为可靠的理论基础，而且能为我国经济可持续型发展和国家安全战略的实施提供能源和资源保证。 本文结合在岩石力学一课所学的知识，并广泛查阅有关资料，针对深部岩石地下工程的定义、国内外深部领域现状、深部岩石地下工程的岩石力学方面、深部面临的 6 大地质灾害以及深部支护设计做了一定程度上的研究阐述，研究较为浅显，未来还需在此基础上做更深层次的研究，对深部岩石地下工程的研究尽一份绵薄之力。 参考文献 1.张永兴 许明 贺永年，岩石力学第三版 2.何满潮，“深部的概念体系及评价指标”，岩石力学与工程学报，第 24 卷第 16期 3.王洪涛，“深部巷道围岩破坏机理分析与防治技术”，山东煤炭科技， 2004 年第1 期 4.何满潮 谢和平 彭苏萍 姜耀东，“深部开采岩体力学研究”，岩石力学与工程学报，第 24 卷第 16 期
