巷道围岩应力场结构表征及其稳定性研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 关 键 词 巷道围岩；应力场；主应力迹线；退化点；拓扑 研究类型 应用研究 万方数据 万方数据 The study found that a relatively clear relationship between roadway surrounding rock failure and stress field structure. The principal stress trajectories can be used to characterize the stress field structure of roadway surrounding rock, which is mainly reflected by the shape of the principal stress trajectories and the location of the degraded point. Factors such as lateral pressure coefficient, rock material strength, roadway cross-section area and other factors all affect the shape of the principal stress trajectories, which is mainly reflected in the curvature of the principal stress trajectories coil and location of the degraded point. The roadway surrounding rock easily undergoes severe plastic deation in two situations the topological structure of the stress field changesthe bifurcation phenomenon at the degraded point and the position where the principal stress trajectories has a larger curvature. The more the principal stress trajectories coil tends to be round, the more stable the roadway is, on the contrary, it will be prone to instability. Therefore, from the perspective of the principal stress trajectories, as far as possible to make the principal stress trajectories coil round and away from the roadway, the stability of the roadway can be ensured. The stability analysis of the principal stress trajectories can explain some surrounding rock control theories and s at the present stage well, and has been verified in engineering examples. This can provide a new idea for the study of roadway surrounding rock control theory in the future. Key wordsroadway surrounding rock; stress field; principal stress trajectories; degenerate point; topology Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................. 1 1.1.1 选题背景 .......................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 .......................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 2 1.2.1 围岩变形和压力理论 ....................................................................................... 2 1.2.2 国内外巷道支护理论 ...................................................................................... 4 1.2.3 主应力迹线在各个领域上的应用 .................................................................. 6 1.3 存在的问题 ................................................................................................................. 8 1.4 研究内容 ..................................................................................................................... 8 1.5 研究方案及技术路线 ................................................................................................. 9 2 主应力迹线及应力场拓扑结构的表征 .............................................................................. 11 2.1 应力张量和应力场 ................................................................................................... 11 2.1.1 应力张量 ........................................................................................................ 11 2.1.2 应力场 ............................................................................................................ 11 2.2 主应力和主应力迹线 ............................................................................................... 12 2.2.1 主应力 ............................................................................................................ 12 2.2.2 主应力迹线 .................................................................................................... 13 2.2.3 主应力迹线与其他可视化方法的区别 ........................................................ 13 2.3 应力场拓扑结构的表征 ........................................................................................... 14 2.3.1 应力场拓扑 .................................................................................................... 14 2.3.2 退化点 ............................................................................................................ 15 2.3.3 张量指数与分界线 ........................................................................................ 16 2.3.4 退化点类型 .................................................................................................... 17 2.4 本章小结 ................................................................................................................... 20 3 巷道围岩应力场结构的数值分析 ...................................................................................... 21 3.1 数值模拟方案设计 ................................................................................................... 21 3.2 FLAC2D软件介绍 ...................................................................................................... 22 3.3 不同侧压系数下圆形巷道应力场结构 .................................................................... 22 3.4 不同断面均质岩巷应力场结构 ................................................................................ 27 3.5 圆形煤巷应力场结构 ................................................................................................ 29 万方数据 目录 II 3.6 双均质岩巷应力场结构 ........................................................................................... 30 3.6.1 λ1 情况下应力场结构及稳定性分析 .......................................................... 31 3.6.2 λ1 情况下应力场结构及稳定性分析 .......................................................... 33 3.7 本章小结 ................................................................................................................... 34 4 巷道围岩应力场结构与稳定性的关系 .............................................................................. 36 4.1 巷道围岩稳定性的概念 ............................................................................................ 36 4.1.1 岩体结构稳定性的涵义 ................................................................................. 36 4.1.2 岩体结构稳定性的分析方法 ........................................................................ 37 4.2 巷道围岩稳定性与应力场结构的关系 ................................................................... 37 4.3 基于主应力迹线的巷道围岩稳定性准则 ............................................................... 38 4.4 基于准则对现有围岩控制理论的解释 ................................................................... 39 4.4.1 新奥法支护方式 ............................................................................................ 39 4.4.2 等应力轴比 .................................................................................................... 39 4.4.3 卸压槽原理 .................................................................................................... 41 4.5 本章小结 ................................................................................................................... 42 5 工程实例分析 ...................................................................................................................... 43 5.1 工程概况 ................................................................................................................... 43 5.2 分析目的与分析内容 ............................................................................................... 43 5.2.1 分析目的 ........................................................................................................ 43 5.2.2 分析内容 ........................................................................................................ 43 5.3 巷道支护效果数值模拟及分析 ............................................................................... 43 5.3.1 模型建立 ........................................................................................................ 43 5.3.2 无支护条件下巷道变形特征分析 ................................................................ 44 5.3.3 支护后巷道围岩稳定性分析 ........................................................................ 45 5.4 本章小结 ................................................................................................................... 48 6 结论及展望 .......................................................................................................................... 49 6.1 结论 ........................................................................................................................... 49 6.2 展望 ........................................................................................................................... 50 致 谢 ...................................................................................................................................... 52 参考文献 .................................................................................................................................. 53 附 录 ...................................................................................................................................... 57 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 煤炭是我国的主体能源，且煤炭在我国占主导地位格局短期内不会发生根本性的改 变。煤矿巷道是矿井生产系统的重要组成部分，保持其通畅性与完整性，对改善井下工 作条件和劳动环境，以及保证煤矿安全生产都有着极其重要的意义[1]。煤炭工业每年对 巷道的掘进与维护接近一千万米，需要消耗大量材料和劳动力，因此，巷道掘进与维护 成本在煤矿总成本中占有很大的比重，这对煤矿生产效益有很重要的影响。然而，随着 煤炭资源开发规模地扩大和开采深度地增加，开采条件不断恶化，巷道维护难度也越来 越大，这给巷道支护带来了新的挑战与难题。因此巷道围岩控制理论与技术已成为目前 矿山安全研究领域的热点问题。 为了降低巷道支护和维护成本，减少巷道矿压事故的发生，采用适当的方法和理论 对巷道围岩进行控制是十分必要的。巷道围岩控制的主要任务保证巷道使用期间所需 的巷道形状和断面大小；为保证人员和机械设备的安全和正常工作创造条件；选择技术 经济最为合理的确保巷道围岩稳定性的维护措施和方法[2]。目前国内外已经有很多相关 的巷道围岩控制理论与方法， 例如普氏平衡拱理论、 新奥法、 松动圈理论、 轴变论等等， 对巷道围岩控制起指导作用。这些理论一般通过分析巷道围岩的受力、变形与破坏规律 来推断围岩中可能具有的结构， 从而得出保持结构稳定所需要采取的原理和方法。 然而， 这些理论在研究对象、研究方法和结论方面往往存在较大的差异，他们所推断的巷道围 岩结构也难以用数学语言进行定义或通过实验方法进行观察，且并没有结合应力场分析 手段对巷道围岩进行比较严密的数学论证。 在巷道围岩控制方法研究中，应力分析是非常重要的一项内容。多数力学分析结果 都要描绘出巷道围岩应力的分布情况。以往在可视化显示应力分析结果方面，通常绘制 应力张量分量与 Von Mises 等效应力的等值线图，或者绘制离散的主应力向量的十字交 叉线。等值线图难以反映应力张量场的全貌，十字交叉线图无法反映研究区域内不同位 置之间应力的联系，同时两者都难以对巷道围岩中可能存在的结构给出直观的表达[3]。 主应力迹线属于应力场可视化的另外一种方法，其概念首次出现在 1850 年，由 Maxwell 在研究光弹性技术时提出，1866 年，Culmann 给出了其基本绘制方法[4]。相对 于当前常用的应力场可视化方法，该方法具有两方面优越性①能用一幅图反映应力场 的全貌。若用应力张量分量的等值线图来描述应力分布，对于平面问题，至少需要 3 幅 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 图（水平方向、竖直方向、剪应力方向）才能描述应力分布的全貌，并且还难以厘清三 幅图之间的关系。②能反映应力传递的路径‖，当一束主应力迹线的应力主值相对其附 近的应力迹线更大时，则这束主应力迹线的形状可能就是岩体移动过程中所形成的结构 形态[5]。 1.1.2 研究意义 本研究将运用主应力迹线来表征巷道围岩应力场的结构， 为描述巷道围岩应力分布、 判别巷道围岩中可能形成的岩体结构提出一种新方法，该方法将比目前已有传统应力可 视化分析方法更加直观、更加便于理解。根据所得出的巷道稳定性结果进行分析，指导 采用恰当的支护加固手段对巷道围岩进行控制，进而可以更为有效地指导现场井巷工程 实践，并为将来的巷道围岩支护理论与技术的发展奠定基础。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 围岩变形和压力理论 巷道支护理论的重要问题主要是体现在如何确定作用在地层结构上的载荷，因此巷 道支护理论的发展和围岩压力理论的发展是紧密联系在一起的，现阶段围岩压力理论分 为解析法和数值计算法。 （1）解析法 20 世纪初发展起来的以朗金、海姆和金尼克理论为代表的古典压力理论[6]认为支护 结构上所承受的压力就是其上覆岩层的质量 γH。 区别在于， 他们理论中所得出的侧压系 数并不相同。后来发现其理论仅限于小埋深地层巷道。 随着对巷道开挖埋深的逐渐增大，学者发现古典压力理论存在诸多与实际不符的问 题，因此诞生了散体压力理论[7]。该理论认为大埋深巷道作用在巷道支架结构上的压力 与围岩工程跨度、冒落拱高度和围岩性质都有关系，而不仅仅是上覆岩体的重量。 散体压力理论代表有普氏理论和太沙基理论。他们都认为开挖巷道后上方会形成一 个冒落拱，拱内的岩体才是支护的对象，区别在于，太沙基认为巷道上方存在的是矩形 冒落拱，而普氏认为是抛物线形[8]。 散体压力理论是建立在当时的支护形式与施工水平基础上发展起来的，其问题在于 岩体的垮落并不是形成周围岩体压力的唯一来源，没有认识到充分发挥围岩的自承能力 的问题。此外，该理论没有准确的描述出冒落拱的高度及其形成的过程。 在 20 世纪 50 年代，学者们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题。与之前的理论 相比，弹塑性力学对于围岩稳定性分析和压力计算显得更加科学严密[9]。 Fenner 公式和 Kastner公式是当时比较著名的关于巷道围压的弹塑性力学推导公式。 万方数据 1 绪论 3 Fenner 公式是根据应力平衡条件通过弹塑性理论的应力公式推导出来的， Kastner 公式则 是对 Fenner 公式进行了修正。后者认为，在 Fenner 公式基础上还需要考虑围岩中塑性 圈内岩体自重力的作用[10]。 60 年代末开始出现支护与围岩共同作用的弹塑性理论解，并考虑围岩节理、裂隙的 计算解。人们开始通过改变岩体性质进而提高巷道稳定性的方法[11]。 70-80 年代，人们开始研究应变软化的概念。布罗文、威尔森等讨论了应变软化特 性，袁文伯等人创建了理想弹塑性应变软化模型，该模型在阐释围岩塑性区形态上获得 较好效果[12]。 80 年代，于学馥教授提出了“轴变论” ，包括应力分布轴比‖、等应力轴比‖和围 岩稳定轴比‖三大规律，并通过规律分析了巷道稳定性与巷道轴比间的关系[13–15]。 90 年代，马念杰教授依据实际情况的全应力应变图形，提出了一种新的应变软化特 性计算方法，后来又发展出围岩压力及塑性区半径的计算方法，并对蝶形塑性区做出了 理论解释[16–18]。 随着岩石力学分析方法的发展，学者们开始考虑结构面和水对岩体强度的影响，并 取得了一些进展。学者应用断裂力学的方法研究结构面影响问题，运用损伤力学研究水 对岩体及结构面的影响[19]。 综上所述，对巷道围岩控制的解析方法的研究正在不断深入，并朝着全面真实地反 映岩体力学形态发展。 （2）数值模拟方法 数值模拟方法是研究煤矿安全工程问题的一种有效手段，从有限元法开始，又慢慢 地发展出了边界元、离散元等方法。 20 世纪 50 年代，有限元法已成为解决岩土工程问题的重要工具。它广泛应用于求 解弹塑性流变和动力非稳态渗流以及应力场温度场耦合问题[20]。ABAQUS、ANSYS 等 均为比较常见的有限元数值模拟软件。 有限差分法是有限元法的一种，区别在于有限差分法求解微分方程的方法与有限元 法略有不同。较常见的软件就是 FLAC2D/3D，该类软件比有限元软件更能反映工程的 真实情况，在岩土工程上应用广泛[21]。 边界元法又称边界积分方程-边界元法，它是又一种比较准确的工程数值模拟方法。 该方法优点在于处理非物质问题、多介质问题、非线性问题以及分步开挖施工过程等方 面比有限元法方便[21]。 Cundall 提出了离散元法， 此数值方法可以显示方程求解， 其单元之间相互作用的力 可以根据单元所受的不平衡力矩的大小按牛顿运动规律确定[22]。目前比较常用的离散元 软件有 UDEC、3DEC。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 1.2.2 国内外巷道支护理论 巷道围岩支护的目的是在各类岩体中形成稳定的地下结构，它是由巷道围岩和各种 其他结构所组成的一个比较完整的支护系统。当围岩承载能力足够大时，它自己就是一 个可靠的支护系统；当围岩承载力不足时，应采取相应措施提高围岩承载力，使之成为 一个统一的支护体系。因此，岩石力学强调支护-围岩‖共同作用，在此基础上形成各种 支护理论。 奥地利工程师 L.V.Rabcewicz 在总结前人的经验基础上，提出了一种新的隧道设计 方法，被称为奥地利隧道新施工方法（New Austrian tunneling ，ZATM） ，简称新 奥法。新奥法的核心是充分发挥围岩的自承能力，使围岩本身成为支护结构的重要组成 部分，并强调少扰动，早锚喷，快封闭，勤测量‖[23–25]。 萨拉孟（M D Salamon）等提出了能量支护理论[26,27]。该理论主张利用支承结构， 使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，因此支护结构可以自动释放多余 的能量。 应力控制理论又称卸压法和围岩弱化法，在苏联首先应用[28,29]。该理论的原理是通 过手段改变围岩的物理力学性质，从而改变了围岩的内聚力和能量分布，人为减小支护 压力区围岩的承载能力，使围岩压力传递到深部区，改善了围岩的稳定性，开卸压槽就 属于卸压法中的一种。 日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论[30]。该理论认为，巷道围岩 的应变将随支护结构的增加而减小，容许应变随支护结构的增加而增大。因此，围岩应 变范围可以通过支护结构增减来控制。 澳大利亚学者盖尔（W.J.Gale）提出了最大水平应力理论[31,32]。该理论认为巷道顶 底板的稳定性主要受到水平应力的影响，具有三个特点与最大水平应力平行的巷道受 水平应力影响最小，顶底板稳定性最好；与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板 变形破坏偏向巷道某一帮；与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。 北京科技大学明世祥教授首先提出了围压恢复加固理论[33]，该理论认为巷道深部围 岩处于三向应力状态，而靠近巷道周边的围岩则处于二向受力状态，则靠近巷道围岩的 强度远小于深部岩体的强度，故易于破坏而丧失稳定。当围岩中打上锚杆后，其中部分 岩石恢复了三向应力状态，增大了它本身的强度，即对围岩强度进行了补强。 改性理论认为通过注浆等各种加固手段可以改变围岩本身的性质，提高围岩的强度 和断裂状态，从而提高围岩的支撑能力[34]。 冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授提出了联合支护技术，该方法是在新奥法的基 础上发展起来的，该方法的思想在于对巷道支护一味强调支护刚度是不行的，要先柔后 刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护[35,36]。 万方数据 1 绪论 5 孙均、郑天宇和朱效嘉教授等提出的锚喷一弧板支护理论是对联合支护技术的发展 [37]。该理论的思想在于对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住， 限制围岩向中空位移。 董方庭教授提出了围岩松动圈理论，认为巷道开挖后，扰动了岩石介质，使岩石内 应力和岩石强度发生变化，产生应力转移、集中和岩石强度的减小，巷道周围岩石发生 变形破坏，形成一个巷道周围的破裂区，即巷道围岩松动圈。及时的支护可以防止巷道 围岩松动圈的发展，控制巷道围岩发生有害变形[38–40]。 方祖烈教授提出了主次承载区支护理论[41,42]。该理论认为巷道开挖后，在围岩中 形成拉压区域，压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，是维护巷道稳定的主承载 区；张拉域形成于巷道周围，通过支护加固后也拥有一定的承载力，但其与主承载区相 比． 只起辅助作用， 故称为次承载区。 巷道的最终稳定由主、 次承载区的协调作用决定。 软岩工程力学支护理论是由何满潮教授所提出的一种以转化复合型变形力学机制为 核心的软岩巷道支护理论[43,44]。理论包含了软岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续 性概念，以及软岩变形力学机制的确定、软岩支护荷载的确定和软岩非线性大变形力学 设计方法等内容。 针对锚杆支护问题，学者专门提出了锚杆支护的扩容-稳定理论[45,46]。该理论认为锚 杆支护主要作用在于控制由锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等现象所引起的扩容变 形与破坏，在锚固区内形成次生承载层，极大地保持锚周区围岩的完整性，避免围岩较 大变形的出现，提高了锚固区围岩的整体强度和稳定性。 黄庆享提出了巷道围岩支护的极限自稳平衡拱理[47,48]，按照顶板围岩冒落区的拉破 坏原则和无拉应力条件，给出了极限自稳平衡拱的椭圆曲线方程。考虑巷道两帮的破坏 区对顶板稳定性的影响，提出了巷道围岩的极限自稳平衡拱理论，揭示了巷道围岩的控 制对象为自稳平衡拱内的岩体。基于巷道“底板-两帮-顶板‖相互影响，巷道支护应该按 照极限自稳平衡圈设计。结合大量的实践总结，提出了支护要重视两帮和底板的原则。 王卫军、李树清分析深井煤层巷道围岩变形特征和支护失效的原因，提出此类巷道 的内外结构耦合平衡支护原理[49]。对深井煤层巷道的围岩控制，必须有较高强度的支护 结构参与巷道开掘后围岩应力的调整过程，减少围岩内部煤体强度损失。 康红普提出了关键承载圈理论[50]，认为巷道的稳定性主要取决于承受较大切向应力 的承载圈，只有承载圈达到稳定才能保证巷道的稳定性。承载圈的厚度与分布情况直接 关系到承载能力的大小，应力分布均匀的承载圈承载能力较大，巷道开挖后支护越早越 容易维护。 虽然现阶段存在各种围岩控制理论，所得观点与结论却各不相同，部分理论还存在 一定局限性。随着科学技术的发展，需要对巷道围岩控制问题进行更深层次研究，从而 推动巷道围岩控制理论的进步。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 1.2.3 主应力迹线在各个领域上的应用 通过查阅文献发现其实在很早以前就有学者借助主应力线来解决问题。主应力迹线 最早是应用于光弹性实验的结果分析，后来在临床医学上、水利工程上、建筑施工上以 及地质工程上都发挥着自身的使用价值与作用[51–55]。虽然如此，但关于主应力迹线的性 质，以及该如何根据主应力线的分布规律解释所研究问题的变形和破坏规律及稳定