地下矿井深埋巷道岩爆预测及危险性研究.pdf

中让史譬 单位代码I O | 1 0 学号S 1 4 0 4 0 5 5 地下矿井深埋巷遒岩爆预测 及危险性研究 硕士研究生堑壁薹 指导教师王雁武副熬攫 学科专业窒全抖堂皇王猩 2 0 1 7 年6 月1 日 裁幽■幽 篮。． 万方数据 图书分类号X 2 3 五密级 韭蜜 U D C 注1 硕士学位论文 地下矿井深埋巷道岩爆预测 指导教师 姓名、职称 申请学位级别 及危险性研究 于雁武副教授 工学硕士 专业名称安全科学与工程 论文提交日期 2 Q Z 年 垒 月 Q 日 论文答辩日期 2 壁 Z 年 量 月 2 垒 日 学位授予日期年月日 论文评阅人边建挂副熬援 丢查适副熬援 答辩委员会主席堂查遣 直王 2 0 1 7 年6 月 1 日 注1 ；注明国际十进分类法U D C } 的分类 万方数据 原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名壹熊日期 2 。1 7 年6 目f 目 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括 ①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学 位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容 保密学位论文在解密 后遵守此规定 。 签名 翁逍 日期 塑』] 垒』囤坦 导师签名- 二i 季堑卜日期』垫巫至互旦止 万方数据 地下矿井深埋巷道岩爆预测及危I i 佥，I 生研究 摘要 岩爆是开采矿体时经常遇到的难题，由于它的破坏性很大，常常给施工安全、岩体 的稳定带来很多问题，甚至会引发重大安全事故，因此作为防止岩爆灾害的基础，岩爆 的预测尤为重要。本文根据地质构造条件、地应力状况、矿井布置条件等影响岩爆的主 要因素，利用F L A C 3 D 数值模拟软件，选取侧压系数、高跨比、岩性、节理化程度作为 研究参数，分析了不同条件下巷道围岩发生岩爆的可能性，旨在预测这四种因素对岩爆 影响程度大小，探索岩爆发生的规律，为今后岩爆的防治工作提供理论依据。主要内容 如下 根据山西潞安五阳煤矿地质条件建立矩形巷道，利用巷道最大主应力分析验证了模 型的可行性。选取侧压系数作为变量，通过比较选择修改后的谷一陶岩爆判据作为判断 岩爆等级的条件，针对不同侧压系数条件下矩形巷道的岩爆规律进行预测研究。结果表 明侧压系数对矩形巷道岩爆等级的影响大小为顶板 底板，顶底板岩爆等级均随侧压 系数的增加而增加，呈正相关。矩形巷道在侧压系数为O ．5 时岩爆等级最低。 选取高跨比作为变量，探讨高跨比对矩形巷道岩爆等级的影响。结果表明高跨比 对矩形巷道岩爆等级的影响项板略大于底板，矩形巷道顶底板岩爆等级随着高跨比的增 加表现出“增加减小再增加”的趋势，在高跨比为0 ．5 时，岩爆等级最高，高跨比为0 ．7 5 时，岩爆等级最低。 选取岩性作为变量，比较三种岩性条件下矩形巷道的岩爆等级。结果表明不同岩 性发生岩爆可能性的大小为花岗岩 石灰岩 泥岩，围岩的硬度大小与顶底板发生岩爆 的可能性大小成正相关。 建立拱形断面巷道，通过最大主应力分析验证了模型的可行性。选取节理化程度作 为变量，比较其可能发生的岩爆等级。结果表明节理化程度对于拱形巷道围岩发生岩 爆可能性的影响大小为角点 拱肩 顶点 底中，随着岩石质量的减弱，巷道围岩可能 发生岩爆的等级逐渐增强。 万方数据 在含有贯穿节理的岩体中开挖，验证了拱形巷道有节理处比无节理处可能发生岩爆 的等级大，同时探讨了侧压系数对于节理特征岩体岩爆的影响。结果表明巷道拱项与 底板岩爆等级均随测压系数的增加而增加，拱顶可能发生的岩爆等级高于底板。 综合得出，矩形巷道的围岩在侧压系数为0 ．5 、高跨比为0 ．7 5 ，以及泥岩的条件下 为最稳定状态，可能发生的岩爆等级最低。拱形巷道应尽量设置在节理程度较轻的岩体 中，且巷道的顶板及角点在开挖过程中岩爆等级较大，较为危险。因此，今后在开采过 程中应注重顶板以及角点的支护。 关键词矩形巷道，拱形巷道，节理化岩体，岩爆预测 万方数据 S t u d yo nP r e d i c t i o no fR o c k B u r s ta n dR i s ka b o u tD e e p l yB u r i e d R o a d w a y si nU n d e r g r o u n dM i n e A b s t r a c t R o c kb u r s ti so n eo ft h em o s tc o m m o np r o b l e m sw h e nm i n i n go r eb o d i e s ，i to f t e nb r i n g sm a n y p r o b l e m st ot h es a f e t yo fc o n s t r u c t i o na n dt h es t a b i l i t yo fr o c km a s s ，e v e nl e a d st om a j o rs e c u r i t y i n c i d e n t sb e c a u s eo fi t sh i g hd e s t r u c t i v e n e s s ；t h e r e f o r e ，a st h eb a s i sf o rp r e v e n t i n gr o c kb u r s t ，i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et om a k ep r e d i c t i o no fr o c kb u r s t ．I nt h i sp a p e r , b a s e do ns u c hm a i nf a c t o r sa f f e c t i n g r o c kb u r s ta sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，g e o s t r e s sc o n d i t i o n ，m i n el a y o u tc o n d i t i o na n dS Oo n ，t h el a t e r a l p r e s s u r ec o e f f i c i e n t ，d e p t h s p a nr a t i o ，l i t h o l o g ya n dd e g r e eo f j o i n tw e r es e l e c t e db yu s i n gF L A C 3 D n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r et oa n a l y z et h ep o s s i b i l i t yo fr o c kb u r s ti nr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n st op r e d i c tt h ei n f l u e n c ed e g r e eo ft h e s ef o u rf a c t o r so nr o c kb u r s t ，e x p l o r e t h er e g u l a r i t yo fr o c kb u r s t ，S Oa st op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fr o c k b u r s ti nt h ef u t u r e ．T h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s R e c t a n g u l a rt u n n e lw a sc o n s t r u c t e do nt h eb a s i so fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si nW u y a n gC o a lM i n e o fL u a nS h a n x i ．a n dt h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s so ft h et u n n e lw a su s e df o rt h ea n a l y s i so fm o d e l f e a s i b i l i t y ．L a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n tw a sc h o s e na sv a r i a b l e ，a n dt h e nm o d i f i e dc r i t e r i o no fr o c k b u r s tw a su s e da sc r i t e r i af o rd e t e r m i n i n gr o c kb u r s tg r a d et om a k ep r e d i c t i v es t u d yo nt h er o c kb u r s t l a wo fr e c t a n g u l a rr o a d w a yu n d e rd i f f e r e n tl a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t s ．T h er e s u l t ss h o w st h a tt h e i n f l u e n c eo nr o c kb u r s tr e g u l a r i t i e so fr e c t a n g u l a rd r i f tf r o mc o e f f i c i e n to fh o r i z o n t a lp r e s s u r e i s r o o fp l a t e b o t t o mp l a t e ，t h er o c kb u r s tg r a d eo fb o t hr o o fp l a t ea n db o t t o mp l a t ew i l l i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e so fc o e f f i c i e n to fh o r i z o n t a lp r e s s u r e ；t h e ya r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e d ． I tw a sf o u n dt h a tt h er o c kb u r s tg r a d ew a sm i n i m u mw h e nt h el a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n to f r e c t a n g u l a rr o a d w a yw a s0 ．5 D e p t h - s p a nr a t i ow a sc h o s e na st h ev a r i a b l et oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fd e p t h s p a n r a t i oo nr o c kb u r s tg r a d eo fr e c t a n g u l a rt u n n e l ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h ei n f l u e n c eo nt h er o c k b u r s tg r a d eo fr e c t a n g u l a rd r i f tb yd e p t h s p a nr a t i o ，t h er o o fp l a t ei ss l i g h t l yh i g h e rt h a nt h e 万方数据 b o t t o mp l a t e ．T h er o c kb u r s tg r a d eo ft h eb o t t o mp l a t ei nr e c t a n g u l a rd r i f ts h o w sat r e n do f i n c r e a s e ，d e c r e a s ea n di n c r e a s ea g a i nw i t ht h ei n c r e a s eo fd e p t h s p a nr a t i o ．T h er o c kb u r s t g r a d ei sa ti t sm a x i m u mv a l u ew h e nd e p t h - s p a nr a t i oi sO ．5 ；m i n i m u mw h e n0 ．7 5 ． L i t h o l o g yw a sa l s os e l e c t e da sv a r i a b l et oc o m p a r et h er o c kb u r s tg r a d eo fr e c t a n g u l a r r o a d w a yu n d e rt h r e ek i n d so fl i t h o l o g y ．T h er e s u l t ss h o w st h a tt h ep o s s i b i l i t i e so fr o c kb u r s t b e t w e e nd i f f e r e n tl i t h o l o g i cc h a r a c t e r sa r e g r a n i t e l i m e s t o n e m u d s t o n e ；a n dt h eh a r d n e s s o fs u r r o u n d i n gr o c ki sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h ep o s s i b i l i t i e so fr o c kb u r s t so c c u r r e do n t h er o o f p l a t e ． A r c h e ds e c t i o nt u n n e lw a sb u i l ta sw e l l ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e lw a sv e r i f i e db y t h ea n a l y s i so ft h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s s ．A n dd e g r e eo fj o i n tw a su s e da sv a r i a b l et o c o m p a r et h ep o s s i b l er o c kb u r s tg r a d e s ．T h er e s u l t ss h o w s t h a tt h ee f f e c to ft h ed e g r e eo f j o i n t i n g o nt h ep o s s i b i l i t yo fr o c k b u r s ti nt h es u r r o u n d i n gr o c ko fa r c h w a yi s a n g l e a r c hs h o u l d e r v e r t e x b o t t o m ，w i t ht h ed e c r e a s eo fr o c km a s s ，t h ep o s s i b l eg r a d eo f r o c kb u r s ti nr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k w i l li n c r e a s eg r a d u a l l y ． I tw a sv e r i f i e dt h a tt h ep o s s i b i l i t yo fg r a d eo fr o c kb u r s ti nj o i n tp l a c eo fa r c ht u n n e lw a sg r e a t e r t h a nt h a ti nn o nj o i n tp l a c ew h e nm i n i n gr o c km a s sc o n t a i n i n gt r a n s f i x i o nj o i n t ，m e a n w h i l e ，t h e i n f l u e n c eo fl a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n to nr o c kb u r s to fj o i n t e dr o c km a s sw a sd i s c u s s e d ．R e s u l t s s h o w e dt h a tt h eg r a d eo f r o c kb u r s ti nt h ev a u l ta n df l o o ro ft h er o a d w a yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ep r e s s u r ec o e f f i c i e n t ，a n dt h ep o s s i b l er o c kb u r s tg r a d ei na p e xo fa r c hw a sh i g h e rt h a nt h a to ff l o o r ． I ti sc o n c l u d e dt h a t ，s u r r o u n d i n gr o c ko fr e c t a n g u l a rr o a d w a yh a dt h em o s ts t a b l es t a t ea n dt h e l o w e s tp o s s i b l er o c kb u r s tl e v e lu n d e rt h ec o n d i t i o n so f0 ．5l a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t ．O ．7 5 d e p t h ．s p a nr a t i oa n dm u ds t o n e ．T h e r e f o r e ，t h ea r c ht u n n e ls h o u l db es e ti nt h es l i g h tj o i n t e dr o c km a s s ， a n dt h er o o fa n da n g u l a rp o i n th a dl a r g er o c kb u r s td u r i n ge x c a v a t i o n ，w h i c hw a sm o r ed a n g e r o u s ． T h e r e f o r e ，t h er o c ks u p p o r to fr o o fp l a t ea n dc o m e r ss h o u l db ep a ym o r ea t t e n t i o n i nt h ef u t u r e m m m g ． K e y w o r d s r e c t a n g u l a rd r i f t ，a r c hr o a d w a y , j o i n t e dr o c km a s s ，p r e d i c t i o no f r o c k b u r s t 万方数据 中北大学学位论文 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 岩爆预测研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．1 岩爆预测的国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．2 岩爆预测的国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 研究内容及思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 ．2 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 2 岩爆特征与理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 岩爆的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 岩爆的基本特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 岩爆理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 ．1 岩爆强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯l O 2 ．3 ．2 岩爆能量理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。lO 2 ．3 ．3 岩爆刚度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．4 岩爆倾向理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．3 ．5 岩爆失稳理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 岩爆判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l2 3 地下矿井深埋巷道岩爆规律数值模拟方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。15 3 ．1 数值模拟软件选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2 本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．3 数值模拟研究设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l5 4 地下矿井矩形巷道岩爆预测数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 9 4 ．1 矩形巷道模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 万方数据 中北大学学位论文 4 ．2 模型计算参数设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 0 4 ．3 岩爆规律预测模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 4 ．4 不同侧压系数条件结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 3 4 ．4 ．1 最大主应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 4 ．4 ．2 最大位移量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 7 4 ．4 ．3 岩爆规律预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 0 4 ．5 不同高跨比条件计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．5 ．1 最大主应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．5 ．2 最大位移量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 5 4 ．5 ．3 岩爆规律预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．6 不同岩性条件计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．6 ．1 最大主应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．6 ．2 最大位移量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．6 ．3 岩爆规律预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 地下矿井节理化岩体岩爆预测数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．1 节理化岩体模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 模型计算参数设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．3 岩爆规律预测模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．4 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 0 5 ．4 ．1 最大主应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．4 ．2 最大位移量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．4 ．3 岩爆规律预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 2 6 地下矿井节理特征岩体岩爆预测数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 6 ．1 节理特征岩体模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 6 ．2 模型计算参数设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 万方数据 中北大学学位论文 6 ．3 岩爆规律预测模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．4 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．4 ．1 最大主应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 ．4 ．2 岩爆规律预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 7 结论及展望⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 5 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 7 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 l 致谢 万方数据 中北大学学位论文 1 ．1 研究背景 1 绪论 近些年，国民经济高速发展，我们对矿产资源的需求量不断上升，导致地下巷道工 程建设有了迅猛的发展，主要表现在巷道开采深度和长度的不断增加，且越来越多地选 择修建在高应力区。同时，我国也在逐步推进煤炭工业现代化的进程，矿井开采的强度 以及深度均随着煤炭行业的发展而不断增加。深部岩体开采逐渐增多导致岩爆现象 或 冲击地压 的频发，并成为主要的地质灾害之一【l 】。 目前，国际上对于岩爆的研究还没有形成一个统一的定义，综合整理多个研究文献， 我们得到了一个相对比较完善的定义岩爆是一种岩体发生爆裂、脱落、剥离、弹射甚 至抛掷的现象，它会导致储存在巷道围岩中的弹性能量突然释放，是一种围岩逐渐失去 动力平衡状态的过程。造成这一情况多数是因为地下洞室多处于存在高地应力岩体的地 区，在进行开挖作业时，会影响围岩的应力稳定状态，使得围岩应力分异、卸荷，从而 导致储存在其中的能量突然释放【2 。5 1 。简单地讲，岩爆是由于巷道开挖导致应力集中所 造成的，在这个过程中围岩储存的能量会突然释放。用能量的观点解释，当有外界扰动 作用于岩体上，围岩中的能量高于其失稳时所需的能量时，超出的能量需要释放才可达 到平衡。而围岩破裂时所释放的能量高于能够耗散掉的能量时便会引发岩爆，通常会造 成巷道的瞬间坍塌、围岩脱落甚至巷道内部堵塞。弱岩爆有声发射等现象，表现为巷道 围岩的剥离，危险性较低；强岩爆会产生空气冲击波，同时伴随着较大的粉尘，表现为 围岩的松脱、弹射，这种情况造成的破坏类似于小地震，岩体和地表均会受到影响【6 1 。 另外，岩爆具有“缓慢性”、“随机性”、“突发性”等特点。所以，一旦发生岩 爆，会造成生产设备的损坏，工作人员的人身安全难以得到保证，致使交通隧道、水电 洞、矿山坑道等的作业工作受到影响，同时可使地面建筑物遭受破坏并造成巨大损失， 会影响矿山的正常生产，给生产安全和工程可靠性造成极大危害，后果不可想象[ 7 - 1 4 】。 为经济而安全地施工，减少岩爆所造成的损失，需要依据勘测检验阶段的准备，精确地 定义地质条件和制定切实可行的地质调查，能够基本判别出岩爆是否发生，划定可能产 生岩爆的区域，这对地下巷道的规划设计、实施开采、安装支护等工作具有一定的指导 意义【15 1 。 万方数据 中北大学学位论文 自1 8 世纪出现第一次岩爆记录 英国南斯塔福锡矿 以来，中外学者一直不断的 对巷道岩爆做出大量研究，但是由于岩爆发生的机理较为复杂，所以国内外对岩爆的理 论研究进程相对缓慢，当前还没有形成一套较为完善的岩爆预测方法和理论标准。因此， 在已有资料的基础上，选择适当方法对现有地下巷道岩爆规律进行预测分析，能够对防 治工作起到指导性作用，降低岩爆灾害的损失，进而推动岩爆机理的研究。 1 ．2 研究意义 目前，岩爆灾害的发生己严重影响了矿山的正常生产。岩爆作为一种典型高地应力 区的地质灾害之一，还没有研究出完善的预测机制和机理，因此对于岩爆的预测意义重 大[ 1 6 1 。 岩爆的预测对其开展预防工作具有指导性意义，能够帮助确定时间、地点以及划分 可能发生的岩爆等级。它可分为两个层次，一是预测岩爆的发生；二是岩爆的短时间预 报。岩爆的预测方法主要有理论分析、区域微震监测、和经验类比趋势预测等，它是通 过观测某些特定区域在一段较长的时间里可能发生岩爆的程度来完成预测。其目的是 1 分析岩体岩爆危险性，通过判断危险地点，设定合理的开采防治，确定回采顺序， 针对危险地点设置巷道支护，或者利用注水、钻孔降压等方式缓解围岩的应力集中现象， 消除造成岩爆发生的条件； 2 为短期预报做准备工作，划定重点监测区域【1 7 1 。 实际上矿井巷道的断面类型有多种形式，如矩形、梯形、圆形、马蹄形等，对比巷 道受力状态对支护的影响大小，梯形与矩形巷道的受影响程度较大，拱形与圆形类巷道 较为稳定。但梯形与矩形巷道从开挖速度、施工措施的复杂程度等方面来讲较为实用。 拱形作为回采巷道的断面类型，在其工作面处进行支护具有很高的难度，这会影响到开 采工作的正常实施，而梯形与矩形巷道能够克服拱形巷道所面临的难题，非常适合作为 回采巷道，进行开采推进。 ．地下矿井开采中的2 个重要环节为掘进与回采，快速、安全的巷道开采和支护手段 可以使矿井的生产具有高效性、安全性。随着人们对矿物质需求的日益增多，煤矿的开 采深度、广度以及强度的都有了一定程度的提高。为了增加巷道断面的利用率以及开采 速度，拱形巷道断面逐渐演变为矩形巷道断面。但岩爆预测的数值模拟对象多为选取圆 形、拱形巷道，因为这两种巷道的断面类型较为规则，便于分析。对于以非圆形巷道为 2 万方数据 中北大学学位论文 研究对象的数值模拟极为少见，因此，有必要对非圆形巷道的岩爆规律进行预测研究， 为巷道的回采、掘进以及支护技术提供理论基础。 同时，岩体中不可能仅仅只有完整岩石，大多数岩体中都存在裂隙，即节理，我们 称完整岩石和节理的综合体为节理化岩体。节理化岩体的力学性质主要是由完整岩石以 及节理共同影响的，但并不等同于二者岩体力学参数的相加。节理是岩体薄弱区，它会 影响岩体的完整程度以及其连续性。同时，对于节理自身，它的各种性质也是极其复杂 的，因此导致其对岩体的稳定状态造成一定的影响。实际上由地震能传递而引发的弹射 型岩爆多发生于被众多节理切割的岩体当中，从而使得外部扰动的能量转变为围岩的动 能，岩石向巷道或硐室内部弹射【l8 1 。因此，研究节理化岩体的岩爆规律，有助于更好的 对岩爆进行防治。 通过本文的研究，借助岩土力学方面的F L A C 3 D 方针软件，建立地下巷道开采模型。 利用数值模拟的方法对地下开采巷道进行岩爆预测及危险性分析，可以确定在巷道开挖 时发生岩爆的区域及规律。根据岩爆严重程度，划分不同等级，从而确定开采安全条件， 得到危害人员安全的范围，有助于地下矿井的开采和利用，为事故的定性及定量评价提 供理论依据，尽可能地降低岩爆事故风险。 1 ．3 岩爆预测研究现状 1 ．3 ．1 岩爆预测的国内研究现状 目前，存在的岩爆预测方法大体可以归纳为两种一种是理论方法，二则是实测方 法。理论方法是通过从已有地下工程中的围岩取样，然后借助适当的判据或者指标进行 岩爆分析和预测的方法。实测方法则是用仪器在巷道中直接进行监测，通过数据反馈判 断是否有可能发生【l9 1 。其中，理论法能够达到预测的目的，可以较为理想的模拟地下矿 井中各因素的影响，并且成本低，较实测法有一定的优势。目前我国主要停留在理论研 究方面，从能量、强度、刚度、等方面系统的分析了岩爆现象，提出了一系列的判据和 假设【2 0 。2 3 1 。其中应用最广泛的为陶振宇、谷成明判据，但应用这两种判据判别岩爆的发 生还有一定的限制，结果会偏低或偏高。张镜剑等人通过反复试验研究分析最后结合上 述两种判据，克服了其不足点，得到修改后的谷一陶岩爆判据【l0 1 。为了证明其合理性， 3 万方数据 中北大学学位论文 选取实际例子一锦屏二级水电站辅助洞 东端 发生的岩爆现象作为参考进行对比验证， 有一定的应用基础。 此外，建立岩爆预测方法时，在涉及多种参考因素的同时将人为因素的影响将到最 低也是非常有必要，如模糊数学理论、灰色理论、人工神经网络等。近年来，国内陆续 出现一些具有创新性的岩爆预测方法，现总结如下 田杰等人基于分形插值模型的岩爆预测研究，该方法主要参考三个主要因素来进行 评价，评价分的维数由最大似然原则来确定的，前提是运用随机内插方法和分类标准获 得多个标准样本。该方法最突出的特点在于运用经验等级与样本综合评价值的关系建立 了评价模型，并将评价模型带入岩爆预测中。分形插值评价模型可以解决单种评估指标 结果的不相容问题，把多维指标整合成一维指标，使得岩爆预测在不失准的基础上更为 简单化【2 4 1 。 胡炜等运用灰色关联分析来判断岩爆，这种方法选择单轴抗压强度、最大主应力以 及点荷载强度等作为主要因素。并用锦屏二级水电站辅助洞的岩爆形势与此方法得到的 结果进行了对比验证，情况是基本一致，证明运用灰色关联分析理论进行岩爆预测具有 一定的可行性【2 5 】。 胡敏等人借助遗传算法和B P 神经网络进行岩爆分析。该方法提出了用遗传算法优 化神经网络的权重，有效利用了网络算法的特点。克服了B P 算法经常陷入局部极小点、 练习效率差等问题，使得网络算法预测岩爆的准确度得到了