海下开采断层活化监测与稳定性分析.pdf

海下开采断层活化监测与稳定性分析 ① 赵国彦， 代俊成， 李振阳， 陈 英， 梁伟章， 王恩杰 （中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 ４１００８３） 摘 要 针对海底大型金属矿山三山岛金矿新立矿区西南翼矿体上盘赋存 Ｆ１断层在高强度开采下受到不同程度扰动而存在活化 失稳可能性的问题，以弹性力学和最小势能原理为基础，推导出了加锚断层面活化的力学模型。 采用 ＭＧＪＹ 锚杆截面应力计和单 点位移计对断层应力、位移变化情况进行监测，结合实测数据，综合判断断层的稳定性，结果表明监测点处断层未发生活化。 研究 成果可为该区域其他断层的稳定性评价和后续治理提供理论依据及技术指导。 关键词 海下开采； 断层活化； 加锚结构面； 应力位移监测 中图分类号 ＴＤ３２５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０１．００１ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０１－０００１－０５ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｆａｕｌｔ Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｉｎ Ｕｎｄｅｒｓｅａ Ｏｒｅｂｏｄｙ Ｍｉｎｉｎｇ ＺＨＡＯ Ｇｕｏ⁃ｙａｎ， ＤＡＩ Ｊｕｎ⁃ｃｈｅｎｇ， ＬＩ Ｚｈｅｎ⁃ｙａｎｇ， ＣＨＥＮ Ｙｉｎｇ， ＬＩＡＮＧ Ｗｅｉ⁃ｚｈａｎｇ， ＷＡＮＧ Ｅｎ⁃ｊｉｅ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ Ｆ１ｆａｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｗａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｅ ｂｏｄｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ ｗｉｎｇ ｏｆ Ｘｉｎｌｉ ｍｉｎｉｎｇ ｚｏｎｅ ｏｆ Ｓａｎｓｈａｎｄａｏ Ｇｏｌｄ Ｍｉｎｅ， ａ ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅ ｕｎｄｅｒｓｅａ ｍｅｔａｌ ｍｉｎｅ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ ａｒｅ ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ ｔｏ ｖａｒｙｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｈｉｇｈ⁃ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｉｎｉｎｇ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ， ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｌｅａｄ ｔｏ ｌｏｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ， ａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｃｈｏｒｅｄ ｆａｕｌｔ ｐｌａｎｅ ｗａｓ ｄｅｒｉｖｅｄ． ＭＧＪＹ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｃｒｏｓｓ⁃ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ａｒｅａ ｏｆ ｂｏｌｔ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｅｘｔｅｎｓｏｍｅｔｅｒ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ． Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ， ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｗａｓ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ａｔ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｗａｓ ｎｏｔ ａｃｔｉｖａｔｅｄ． Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｆａｕｌｔ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｇｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｕｎｄｅｒｓｅａ ｍｉｎｉｎｇ； ｆａｕｌｔ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ； ａｎｃｈｏｒｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ； ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ 三山岛金矿是世界上唯一在采的海底大型金属矿 山，其中新立矿区位于海下部分的矿体上盘赋存 Ｆ１断 层，在回采矿体的过程中有活化导水的风险［１］。 大量 工程实例表明，断裂带与含水层相互连通的情况很少， 大部分是由于采动影响造成断层内岩体活化，使得工 作面与含水层或者水体直接由活化的断层连通，发生 突水事故。 因此，研究断层的活化机理、监测断层内部 应力位移变化、确定活化区域，是矿山安全、高效开采 下部矿体的基本保证之一。 国内外学者对断层活化做了大量研究，理论分析 方法主要有断裂力学法、矿山压力理论与材料力学相 结合的方法、摩尔库伦破坏准则、隔水关键层理论和梯 度塑性理论［２］，通过建立断层活化力学模型，探讨活 化条件和判据以及断层活化的主要影响因素［３］。 上 述研究总体上都对力学模型做了相应简化，模型在实 际运用中出现了许多与实际情况不符的地方，许多学 者尝试将力学分析与其他研究方法结合，综合判断断 层是否活化，以数值模拟和相似材料研究居多。 目前 国内对断层的模拟主要采用 ＦＬＡＣ３Ｄ［４］和有限元等分 析软件，研究断层在回采过程中应力、位移和能量的演 化规律，建立活化判据，对断层的稳定性做出全面客观 的分析。 断层在模型中的建模主要采用接触面建模， ①收稿日期 ２０１９－０８－２０ 基金项目 国家自然科学基金（５１３７４２４４） 作者简介 赵国彦（１９６３－），男，湖南沅江人，教授，博士研究生导师，主要从事采矿与岩石力学方面的研究工作。 第 ４０ 卷第 １ 期 ２０２０ 年 ０２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０２０ 万方数据 模型的精度不高，与实际情况吻合度较差。 因此学者 尝试采用相似模型来研究断层活化问题［５－７］。 相似模 拟试验方法实际上是把断层带复杂的地质情况进行简 化研究，其关键在于相似材料的物理力学性能与实际 围岩的物理力学性质匹配度是否较高，试验过程繁琐， 且断裂带宏观上的活化与相似材料微观活化规律有所 差别。 目前国内断层活化研究主要集中在力学模型、数 值模拟、相似材料模型层面，对现场断层面应力位移实 际变化情况监测鲜有报道，断层活化失稳的具体判断 标准还有待研究。 在地下工程灾害预防与治理中，常 用锚杆对危险结构体进行锚固，采用锚杆应力计监测 锚杆轴力的变化情况，反演分析结构弱面的应力响应 规律，结合位移监测结果，对结构弱面的整体稳定性进 行分析，是评价结构弱面稳定性的常用方法。 １ 工程概况 三山岛金矿下属新立矿区位于山东省莱州湾畔， 矿区部分矿段被海水和第四系覆盖，该段海水平均深 度 １０ ｍ，第四系由厚度不明、连续性不详的砂砾层及 厚度约 ０．５～１．５ ｍ 的粘土隔水层组成。 新立矿区矿体 上盘紧靠 Ｆ１主断裂面，主断裂面上有 １０～２０ ｃｍ 断层 泥，上盘岩石十分破碎。 该区域矿体产状特殊，矿体的 倾角为 ５０～８０，平均 ５２，矿体平均厚 ２０ ｍ，矿体模 型如图 １ 所示［８］。 图 １ 新立矿区矿体模型 前期，矿山针对西南翼矿体倾角陡、厚度大、开采 条件复杂、上盘可能下滑等开采条件，采用点柱式上向 分层充填采矿法及上向进路充填采矿法进行开采，但 受采空区地压、充填体松散沉降及爆破振动放大效应 等因素影响，矿体上盘 Ｆ１断层有可能发生活化，进而 形成导水通道，导致突水事故的发生，如图 ２ 所示。 为 保证矿山安全生产，需对断层的稳定性进行评价。 图 ２ 矿体上盘断裂带活化导水示意 ２ 断层活化力学分析 ２．１ 加锚结构面受力分析 通过查阅文献发现，利用锚杆的轴力变化情况对 围岩稳定性作出评价是可行的方法［９］。 锚杆轴力的 变化与结构面岩体应力的变化往往互为因果，通过锚 杆轴力的变化可反演出结构面与围岩的应力变化情 况，进而评估结构面的稳定性。 结构面加锚之后增强 了结构面的抗剪和抗拉强度，此时研究断层活化力学 模型，需要把锚杆考虑在内。 国内外学者对锚杆在支 护中的力学变化做了大量的研究。 葛修润等人［１０］提 出结构面抗剪强度由结构面自身的抗剪强度、锚杆轴 力“销钉”作用产生的抗剪强度、锚杆轴力切向方向分量 产生的剪切力和锚杆横截面产生的切应力 ４ 部分组成， 建立了如图 ３ 所示的加锚结构面力学模型。 τｂｊ ＝ τ ｎ ＋ τ ｂｄ ＋ τ ｂｉ ＋ τ ｂｓ （１） 式中 τｎ为节理面自身抗剪强度；τｂｄ为锚杆“销钉”作 用换算而来的抗剪强度；τｂｉ为锚杆轴向力相对节理面 的法向分量引起的换算抗剪强度；τｂｓ为锚杆轴向力相 对节理面的切向分量引起的换算抗剪强度。 σ 136 5- n  σ σb σx n  α τ b  τ θ Z O 图 ３ 锚杆锚固节理剪切受力图 为计算上述 ４ 个分量，首先要计算出节理面上的 法向应力 σｎ，切向应力 τｎ，锚杆与节理面接触点轴力 σｂ和剪切力 τｂ，下面分别讨论 ４ 个应力的求解方法。 ２矿 冶 工 程第 ４０ 卷 万方数据 １） 求解节理面上的法向应力 σｎ和切向应力 τｎ。 参考文献［１１］类比含有单一结构面的岩石在三轴受 力状态下的力学特性，根据弹性力学，通过微元体任意 斜截面上的应力状态如图 ４ 所示。 σ ,7 ,7 , n  σ1 σ3 σ2 n  τ 图 ４ 断层三维受力图 正应力为 σｎ ＝ σ １ｌ１ ２ ＋ σ ２ｌ２ ２ ＋ σ ３ｌ３ ２ （２） 剪应力为 τｎ＝ [（σ１ｌ１） ２ ＋ （σ２ｌ２） ２ ＋ （σ３ｌ３） ２ － （σ１ｌ１２ ＋ σ ２ｌ２ ２ ＋ σ ３ｌ３ ２）２ ] １ ２ （３） 式中 ｌ１、ｌ２、ｌ３分别为断层面外法向 ｎ 与 ３ 个主应力方 向的方向余弦。 根据三山岛新立矿区地应力测试结果可知，最大 主应力垂直于矿体走向，最小主应力平行于矿体走向， 假设断层与水平面的夹角为 θ，则方向余弦可表示为 ｌ１＝ｓｉｎθ，ｌ２＝ｃｏｓθ，ｌ３＝０，代入式（２）和式（３），可得断层 面的主应力和剪应力为 σｎ ＝ σ １ｓｉｎ ２θ ＋ σ ２ｃｏｓ ２θ ＝ σ１ ＋ σ ２ ２ － σ１ － σ ２ ２ ｃｏｓ２θ （４） τｎ＝ [（σ１ｓｉｎθ） ２ ＋ （σ２ｃｏｓθ） ２ － （σ１ｓｉｎ２θ ＋ σ２ｃｏｓ２θ） ２ ] １ ２ ＝ σ１ － σ ２ ２ ｓｉｎ２θ （５） ２） 锚杆与结构面接触点轴力 σｂ和剪切力 τｂ。 参 考文献［９］中计算方法，为计算锚杆轴力和切应力，以 最小势能原理为依据，并考虑结构面的剪胀性，以结构 面位移为切入点计算锚杆轴力和切应力，建立如图 ５ 所示力学模型。 结构面在剪切荷载的作用下，会产生沿结构面的 剪切位移 Ｕ０和法向位移 Ｕｄ，导致锚杆受到的轴力 Ｎ０ 和剪切力 Ｑ０不同程度地增大。 根据几何关系，可以推 导出结构面一侧的轴向变形分量 ｕ０和横向变形分 量 ｖ０为 ｕ０＝ ０．５（Ｕ０ｃｏｓα ＋ Ｕｄｓｉｎα）（６） ｖ０＝ ０．５（Ｕ０ｓｉｎα － Ｕｄｃｏｓα）（７） 式中 Ｕｄ ＝ Ｕ ０ｔａｎψ ［１２］。 ψ 是结构面剪胀角，ψ＝ψ ０ｅ －ｋσｎ。 ψ０为结构面初始剪胀角；ｋ 为经验参数，取值范围在 ０．２９～１．８９；σｎ为结构面法向应力。 当剪切产生时，结 构面一侧锚杆轴向位移与剪切位移为 ｕｘ＝－ ｕ０ １ － ２ｘ ３πｌ０ ｖｘ ＝ ｖ ０ｅ － ｘ ｌｃｏｓ ｘ ｌ０ （８） τ 1.6 1.6 α α U0 v0 u0 A pu 2u0 2v0 Q0 N0 0.5U00.5U0 Ud    a b 图 ５ 锚杆受力和结构面变形示意 （ａ） 锚杆受力示意； （ｂ） 结构面变形示意 锚杆发生剪切弯曲时受压侧砂浆体产生单位长度 的极限反力 Ｐｕ为 Ｐｕ＝ ｎσｃＤｂ（９） 式中 ｎ 为反力系数，通常在 １～１５ 中取值；Ｄｂ是锚杆直 径；σｃ是砂浆的抗压强度。 假设结构面处锚杆横向剪切力为 Ｑ０，轴向力为 Ｎ０， 计算可得结构面一侧锚杆应变能 Ｖ 和外力势 Ｗ，以势能 驻值为依据，可以得到势能最小时的真实位移场［１２］ ｕ０＝ ２４Ｎ０Ｑ０ ＥＰｕπＤｂ２ ｖ０＝ ８ １９２Ｑ０４ｂ Ｅπ４Ｐｕ３Ｄｂ４ （１０） 转换之后可得 σｂ ＝ Ｎ ０ ＝ ｕ０ＥＰｕπＤｂ２ ２４Ｑ０ τｂ ＝ Ｑ ０ ＝ ４ ｖ０Ｅπ４Ｐｕ３Ｄｂ４ ８ １９２ｂ （１１） ３第 １ 期赵国彦等 海下开采断层活化监测与稳定性分析 万方数据 式中 ｂ＝０．２７；Ｅ 为锚杆弹性模量。 依据以上公式，给定一个结构面初始剪切位移 Ｕ０，即可求出锚杆轴向位移、剪切位移、锚杆轴力和锚 杆横截面切应力。 ２．２ 断层活化判据 通过受力分析，结合图 １，可得 τｎ＝ ｃ ＋ σｎｔａｎ（φ ＋ ψ） τｂｄ ＝ τ ｂ（ｓｉｎα － ｃｏｓαｔａｎ（φ ＋ ψ）） τｂｉ ＝ σ ｂ（ｓｉｎαｔａｎ（φ ＋ ψ） ＋ ｃｏｓα） τｂｓ ＝ σ ｂｃｏｓα （１２） 则三山岛加锚节理面的抗剪强度为 τｂｊ ＝ τ ｎ ＋ τ ｂｄ ＋ τ ｂｉ ＋ τ ｂｓ ＝ ｃ＋σｎｔａｎ（φ ＋ψ） ＋τｂ（ｓｉｎα －ｃｏｓαｔａｎ（φ ＋ψ）） ＋ σｂ（ｓｉｎαｔａｎ（φ ＋ ψ） ＋ ｃｏｓα） ＋ σｂｃｏｓα ＝ ｃ ＋ σ１ ＋ σ ２ ２ ＋ σ１ － σ ２ ２ ｃｏｓ２θ ｔａｎ（φ ＋ ψ） ＋ ４ ｖ０Ｅπ４Ｐｕ３Ｄｂ４ ８ １９２ｂ （ｓｉｎα － ｃｏｓαｔａｎ（φ ＋ ψ）） ＋ ｕ０ＥＰｕπＤｂ２ ２４Ｑ０ （ｓｉｎαｔａｎ（φ ＋ ψ） ＋ ｃｏｓα） ＋ ｕ０ＥＰｕπＤｂ２ ２４Ｑ０ ｃｏｓα（１３） 式中 ｃ 为断裂带内聚力，ＭＰａ；φ 为断裂带内摩擦角， （）；ψ 为剪胀角，（）；Ｅ 为锚杆弹性模量，ＧＰａ；Ｄｂ为 锚杆直径，ｍｍ；ｂ 为常数；Ｕ０为锚杆初始剪切位移， ｍｍ；ｎ 为反力系数；α 为锚杆安装角，（）。 根据新立矿区地应力调查结果，地应力计算公 式为 σｈｍａｘ＝ ０．０５３９ｈ ＋ ０．１１ σｈｍｉｎ＝ ０．０１８１ｈ ＋ ０．１３ σｚ＝ ０．０３１５ｈ ＋ ０．０８ （１４） 式中 σｈｍａｘ为最大水平主应力，ＭＰａ；σｈｍｉｎ为最小水平主 应力，ＭＰａ；σｚ为垂直应力，ＭＰａ；ｈ 为采深，ｍ。 应用上述模型评价断层是否活化的关键在于确定 断层面在保证稳定的前提下允许的最大剪切位移。 该 值的确定比较依赖于工程经验，不同的矿山岩体性质 不同，开采方法千变万化，井下不同工程允许的围岩变 形量也不一样，必须结合实际情况进行科学合理的选 择。 当确定某一中段断层临界剪切位移 Ｕ０时，通过式 （１２）即可求出锚杆轴力 σｂ和锚杆横截面剪切力 τｂ， 采用式（４）、（５）、（１２）求出节理面上的法向应力 σｎ 和切向应力 τｎ，代入式（１３）即可求出加锚结构面的极 限抗剪强度［τｂｊ］ｍａｘ。 将锚杆应力计实测值代入公式 计算得出加锚结构面上的切应力 τｂｊ，若 τｂｊ≤［τｂｊ］ｍａｘ， 则表示断层未发生活化。 不直接使用位移监测数据与 临界位移做比较是由于安装角度以及三山岛地应力方 向的特殊性导致单点位移计很难测出断层的真实位移 值。 因此综合判断断层在采动影响下是否会活化应该 结合应力、位移两种数据进行判断，尽量保证判断和预 测的准确性。 ３ 监测方案 监测点位于新立矿区－１３５ ｍ 中段 ５９ 线，该段矿 体形态规整，离海水最近，采动少，目前只在矿体内部 掘进了一条脉内巷，断面为 ２．５ ｍ ２．８ ｍ， 岩体受到 的扰动小。 前期对该中段断层进行过详细地质调查， Ｆ１断层紧贴矿体上盘，连续性好。 采用 ＭＧＪＹ 锚杆截面应力计测量锚杆的轴向应 力，应力计根据张力弦原理制造，使用频率作为输出信 号，远距离输送产生的误差小。 采用 ＱＺＪ－１００Ｂ 型钻 机钻凿直径为 ７０ ｍｍ 的钻孔，采用锚杆连接应力计， 推送到钻孔中预订位置，孔口处采用法兰盘固定住锚 杆，之后注浆密封钻孔。 单点位移计由智能型位移计、 传递杆、锚头等组成，传感器原理为电感调频类，在实 际应用中通过线圈的电感变化实现非电量测。 钻孔直 径为 ４６ ｍｍ，不锈钢连接管一端安装锚固抓，锚固抓下 方捆绑袋装速凝剂，推送至孔底，在孔口段合适距离连 接单点位移计，设置好量程，孔口采用速凝计封口，封 口高度为 １０ ｃｍ。 本次试验共安装应力计 ６ 个，单点 位移计 １ 个，安装示意图及应力计编号见图 ６～８。 3A0 45 图 ６ 监测站设计图 图 ７ 锚杆应力计安装示意 ４矿 冶 工 程第 ４０ 卷 万方数据 图 ８ 单点位移计安装示意 ４ Ｆ１断层应力和位移监测结果分析 应力监测结果见图 ９。 由图 ９（ａ）可以看出，３ 个 应力计初始测量值都集中在 ０～２ ＭＰａ 之间，第 ４ 天 １ 号应力计受到的拉力值突然升高至 ３．５ ＭＰａ，之后又 下降到 １．５ ＭＰａ 左右。 从图 ９（ｂ）中可以看出 ４ 号、５ 号应力计轴力为压力，６ 号应力计轴力为拉力。 依据 前人研究结果，锚杆所受轴力与围岩受力符号相反，可 推测出断层面下盘岩体主要受稳定的拉力作用，且越 靠近脉内监测巷岩体受到的拉力越大。 由于脉内巷的 开挖，原岩应力场受到扰动重新分布，在巷道拱角两端 处容易形成应力集中现象，导致越靠近临空面的围岩 受到的拉力越大，一旦拉力大于围岩的抗拉强度，岩体 会发生冒顶、片帮等事故。 断层面上盘围岩受压力作 用，越靠近段层面所受的压力越大。 98d 3 0 -3 -6 -9 2046810141216 A4MPa                        4/A40 5/A40 6/A40    98d 4 3 2 1 0 -1 2046810141216 A4MPa                                 1/A40 2/A40 3/A40    a b 图 ９ 应力监测结果 （ａ） 巷道左帮上向 ３０钻孔； （ｂ） 巷道右帮上向 ４５钻孔（控制断层） 结合位移监测数据进行分析，如图 １０～１１ 所示。 在监测期间位移累计为 ０．９ ｍｍ，监测后期位移变化率 稳定在 ０～０．００３ 之间，位移监测结果表明该点断层稳 定，几乎没有发生位移。 0Amm 图 １０ 位移监测数据 0A/5 图 １１ 位移变化率 依据工程经验，取 Ｆ１断层的内摩擦角 φｊ＝２０，内 聚力 ｃｊ＝ ０．２ ＭＰａ，断层面倾角为 ５２。 锚杆直径 Ｄｂ＝ ２０ ｍｍ，弹性模量 Ｅ＝６８ ＧＰａ，反力系数 ｎ＝ １０，浆体抗 压强度取 １０ ＭＰａ。 以实测数据为依据，取 ５ 号应力计 所测锚杆轴力为 ３ ＭＰａ，经计算锚杆所受轴力要达到 ３ ＭＰａ 时结构面的剪切位移不得小于 １００ ｍｍ，此轴力 和临界剪切位移所对应的加锚结构面抗剪强度值为 ５．８５ ＭＰａ，而前期观测 ５９ 线累计位移量不超过 １ ｍｍ； 取结构面剪切位移为 １ ｍｍ，代入力学模型中计算可 知，加锚结构面剪应力约为 ２．５４ ＭＰａ，因此，综合判断 该监测点断层稳定，未发生活化。 ５ 结 论 １） 通过对加锚结构面受力分析，结合弹性力学与 最小势能原理，建立了加锚结构面力学模型，得出加锚 结构面活化失稳的判据为 τｂｊ≤ ［ τｂｊ］ｍａｘ且 Ｕ０≤ ［Ｕ０］ｍａｘ，只要给定断裂带允许的最大剪切位移，即可 求出断裂带结构面上的临界抗剪强度，以此强度为判 断指标评价其余锚杆应力计和单点位移计监测点是否 活化失稳。 （下转第 １０ 页） ５第 １ 期赵国彦等 海下开采断层活化监测与稳定性分析 万方数据 ５ 结 论 应用 Ｖｅｇａ Ｐｒｉｍｅ 和 ＭｕｌｔｉＧｅｎ Ｃｒｅａｔｏｒ 视景仿真软 件，建立了包括采矿系统、海洋环境以及地形在内的虚 拟场景。 基于 ＭＦＣ 框架的 Ｖｅｇａ Ｐｒｉｍｅ 应用程序实现 了对深海集矿机的行走可视化仿真，实时读取外部的 位置数据控制集矿机的行走路径，逼真、精确地显示了 集矿机在海底的实时位置和姿态。 并将 ＯｐｅｎＧＬ 图形 库应用于 Ｖｅｇａ Ｐｒｉｍｅ 开发平台，在程序运行过程中实 时绘制集矿机的行走轨迹图，直观地监测深海集矿机 的行走路径，为采矿系统的水面操控提供更加科学而 直观的指导。 参考文献 ［１］ 阳 宁，王英杰． 海底矿产资源开采技术研究动态与前景分析［Ｊ］． 矿业装备， ２０１２（１）５４－５７． ［２］ 汪学清，唐红平，范 猛，等． 基于不同路径的海底集矿车采集率 的研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１８，３８（３）１１－１４． ［３］ 程阳锐，曾 轩，李小艳，等． 稀软底质表面深海采矿作业车触底 特性分析［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１８，３８（６）４４－４７． ［４］ 陈 峰． 深海底采矿机器车运动建模与控制研究［Ｄ］． 长沙中南 大学信息科学与工程学院， ２００５． ［５］ 戴 瑜，张 健，张 滔，等． 基于多体动力学模型集成的深海采 矿系统联动仿真［Ｊ］． 机械工程学报， ２０１７（４）１５５－１６０． ［６］ 徐 昱，刘少军，龙江志． 基于 ＡＤＡＭＳ 的深海采矿系统的布放回 收模拟［Ｊ］． 计算机仿真， ２００４（３）６７－７０． ［７］ 王 帅，刘海洋，李 智． 基于 ＣＴＳ 的大地行建模及仿真［Ｃ］∥ ２００７ 系统仿真技术及其应用学术会议论文集， 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冶 工 程第 ４０ 卷 万方数据