深部岩体分区碎裂化进程的时间效应研究.pdf

第17卷 第4期 2006年12月 中国地质灾害与防治学报 The Chinese Journal of Geological Hazard and Control Vol.17 No.4 Dec.2006 深部岩体分区碎裂化进程的时间效应研究 李英杰,潘一山,章梦涛 辽宁工程技术大学 力学与工程科学系,辽宁 阜新 123000 摘要论文对现场观测和相似材料模拟实验中岩石分区碎裂化的时间效应进行了总结。得出岩石分区碎裂化现象是 岩体经蠕变产生的。破碎带的形成需要经过一定的时间。但这段时间不会很长。采用蠕变理论对岩石分区碎裂化的 时间效应进行了分析,推导了能够描述加速蠕变阶段的流变模型 改进的西原模型的本构方程和蠕变方程。在此 基础上求出了岩石分区破裂化发生时破裂带半径破碎带距巷道中心的距离的公式。 关键词岩体分区碎裂化;蠕变失稳;时间效应;高地应力 文章编号10032803520060420119204中图分类号TU45文献标识码B 收稿日期2005209222;修回日期2005211210 基金项目国家自然科学基金重大项目资助50490275 作者简介李英杰1979 , 女,硕士研究生,主要从事岩石分 区碎裂化方向的研究。 0 引言 岩石分区碎裂化现象不仅在很多国家深部开采 过程中都有发现如南非金矿,俄罗斯、 乌克兰以及远 东的金属矿山和煤矿 , 同时又是岩石力学领域尚未 解决的难题。深部开采是未来发展的趋势,解决其开 采所遇到的岩石分区碎裂化问题迫在眉睫。 清楚地阐述区域化交替破裂现象的时间演化问 题及对几何参数进行准确地描述,对洞室开挖和支护 极为重要。例如开挖巷道应尽量沿破碎区的轮廓进 行,而锚杆的端部应处于弱破碎区;在爆破时弱破碎 区应用弱爆力炸药,强破碎区应用强力炸药。时间因 素规律的澄清还有助于解决岩体力学中、 物理模拟中 相似条件的建立。 目前岩石区域化交替破裂现象的时间演化问题 尚未解决。岩石分区碎裂化方面的参考文献几乎没 有对这个问题进行阐述。对于分区碎裂化几何参数 的描述也仅限于经验公式。本文试图利用蠕变理论 对岩石分区碎裂化问题的时间效应进行初步地探讨, 在此基础上推导出破碎带出现的半径值。 1 岩石分区破裂时间效应概况 文献[1]对采场前发生的岩石分区碎裂化现象进 行了观察。观察地点选择在Doornfortein G old Mine的 2300m深度处。通过在工作面前打钻孔用肉眼观察。 图1是同一钻孔,在不同的观察日期,随开采距离不 同而得到的分区破裂情况。图中杆状的为钻孔,钻孔 垂直于工作面,最大深度为10m。钻孔上分布的小竖 线代表破裂地带。 图1 采场前同一钻孔在不同的观察 日期随开采距离不同而得到的分区碎裂图 Fig.1 Plan view of petriscope hole in a stope with fracture observations on the dates shown 图2 能量释放率为75MJΠm2采场 前试钻孔观察结果 Fig.2 Plan views of petroscopic observation of a hole in a stope with an energy2release rate of 75MJΠm 2 随着采面的推进,已经存在的破裂张开同时有新 的破裂形成。即采面前破裂的总深度并不是一个常 数,同时注意到新破裂并不是以开采的速度形成的, 而是突然形成的。一些新破裂总是靠近采面处形成。 采面有几天没开采的情况下,并不发生重要的破裂。 图2是在能量释放率为75MJΠm 2 的采场进行观 察的结果。6月11日观测时破碎的延伸深度达到了 715m。在钻孔内粗略的分布着一些破碎的区域。几 周后在开采了215m后进行了又一次观测,看到其中 之一的破碎区域相当大的发展了。同时破碎区后的 场地被压实呈现了固体状态。观察结果表明破裂带 的形成与工作面的推进是直接相关的。破碎带不是 随开采速度连续形成的,而是偶然发展的。工作面推 进不久新产生的破裂中的大多数会就出现,工作面存 在时很少有破裂发生,当工作面保持14d未进行开采 时,则无新破裂形成。 文献[2]介绍了巷道围岩的分区碎裂化相似材料 模拟实验。为了确定立体模型在加压过程中内部产 生碎裂带的时间,进行了专门的对照研究。通过绘制 巷道外轮廓变形曲线与模型的破碎情况对比,确定了 破碎带出现的时间。实验发现在离巷道一定距离形 成的岩石严重破碎带不是一瞬间出现的。而是在有 应力的巷道岩体中掘进后,经过一段时间才出现。岩 体的流变性质、 巷道外轮廓的加固程度、 岩体应力状 况等对这一段时间的长短均有影响。 文献[3]从非平衡热力学角度分析了巷道附近岩 石带状破裂的物理基础。描述了掘进巷道后围岩从 弹性状态发展到区域破裂结构的演化过程。作者认 为岩体系统从力学角度讲是平衡的;从非平衡热力学 观点是不平衡的。以第二应力张量不变量作为系统 偏斜测量,从细观角度分析了裂纹的积累、 发展到产 生宏观破坏。正因为这一过程需要时间来完成所以 能够解释分区碎裂产生的时间效应。但计算结果得 出分区碎裂带的形成时间过长。这与现场观测和实 验分析的结果不符。因此对其物理图景的阐述还不 很清晰。 通过以上实验研究、 现场观测结果分析和理论分 析,看出岩石分区碎裂化的形成离不开外界的扰动。 例如工作面的开采、 巷道的开挖等。破裂带的形成需 要经过一定的时间。但是这段时间不会很长,而且过 了一段时间岩体就会处于稳定的状态;未破裂地带的 形成,是由于深部岩体的围岩压力较高,围岩向巷道 或工作面位移所致。 由于深部岩体处于很高的地应力状态下,岩体处 于不稳定的平衡状态。当开挖巷道等对其产生扰动 时,分区碎裂化现象并不经由动力突变产生。而是岩 体经由蠕变产生。但这种蠕变现象不是工程建设中 经常遇到的岩体变形随时间增长而变化。以下通过 蠕变理论对岩石分区碎裂化的时间效应问题进行分 析。 2 蠕变失稳理论研究 211 蠕变破坏理论 目前关于岩石蠕变的研究,其理论已比较成熟。 岩体的蠕变特性由微观运动的统计规律来决定,微观 运动包括岩体微观结构的扩散、 孔隙裂隙的张合、 粒 间协调变形及微观破裂产生、 扩散贯通等 [4] 。 关于蠕变引起材料破坏的问题不同学者存在不 同的看法。一部分学者认为在蠕变的前两个阶段岩 石内部微裂纹不断地扩展、 积累,当裂纹的密度达到 一定的临界值后,发生加速蠕变,从而引起材料的破 坏 [4] ;王来贵在文献[5]中提出了岩石试件在单轴压 缩或低围压情况下的弱化失稳、 蠕变失稳以及弱化 失稳与蠕变失稳之间的联系。如图3所示为全程应 力-应变曲线中C1、C2、C3C4应力水平下所对应的 蠕变曲线。C2对应长期强度,在低于长期强度的情 况下蠕变变形仅产生一、 二阶段蠕变,应力水平大于 等于长期强度时就会发生第三阶段蠕变,应力水平超 图3 岩石蠕变曲线与应力-应变全过程曲线 Fig.3 The relation between the whole stress strain curve and the creep curve 过长期强度的越多产生蠕变失稳的时间越短。在峰 值强度后弱化失稳与流变失稳耦合作用,最终导致试 件失稳破坏。 021 中国地质灾害与防治学报 ZHONGG UO DIZHIZAIHAI Y U FANGZHI XUEBAO2006年 将软岩在常应变率下的常规三轴试验结果与蠕 变试验结果进行比较图 4 。试验结果已经证实,在 蠕变试验中当应力水平低于某一数值时,试件不会破 坏,试件的变形将渐趋于稳定;应力值超过一定时将 发生破坏。当进入第三阶段,岩体变形相当于进入全 程应力-应变曲线强度后变形。试件破坏时的应变 与常规单轴或三轴试验破坏时的应变属同一数量级, 试件的破坏均落在三轴试验的破坏后区域内。此时 岩体内部形成包括裂纹裂缝在内的应变集中区,岩体 同样呈现应变弱化性质,其抵抗变形的能力随变形增 加而降低,使得以后裂纹裂缝的产生和发展更集中在 此区域内,软化性质更加显著,软化区扩大,蠕变速率 加大,岩石失稳破坏。根据以上分析知当蠕变应变达 到一定值时岩体确实发生了宏观断裂。 图4 软岩的蠕变破裂与应力-应变全过程 曲线的关系[摘自高等岩石力学6] Fig.4 The relation between the creep fracture of soft rock and the whole stress strain curve 注各线条表示需变变化过程 212 加速蠕变阶段的影响因素 岩石蠕变通常分为3个阶段,即减速蠕变段,稳 态蠕变段和加速蠕变段。其中第三阶段蠕变对岩石 工程的稳定性起着主导性作用。当应力水平增高时 岩石经历了减速和稳态蠕变后,裂纹继续发生发展并 合搭接形成宏观裂缝,变形进入加速蠕变阶段,最终 导致蠕变失稳破坏。 第三阶段蠕变与岩体内出现的裂纹密度、 围压、 地应力水平有关。岩体内的裂纹密度越大越容易进 入加速蠕变阶段。有关围压对加速蠕变阶段出现的 影响岩石试件三轴试验表明,在常用轴应力状态σ1 σ2σ3 const时,即围压一定时,蠕变应变由应力 差σ1-σ3所决定。当应力差较小时,只能出现衰减 和稳定蠕变阶段。当应力差较大时出现衰减稳定和 加速流动阶段的典型蠕变曲线。当应力差过大时只 出现衰减和加速蠕变变形阶段。没有稳定变形阶段, 立即进入加速蠕变而开始破坏。很多实验对应力水 平和加速蠕变的关系进行了研究,大量试验证明,当 岩石中的应力水平不高于长期强度σ f时不会出现加 速蠕变变形,在此情况下,岩石不会发生破坏。当试 件所受的应力σ≥ σ f时,岩石在单轴应力状态下可发 生加速蠕变变形,可导致蠕变失稳。 3 岩石分区碎裂化时间效应分析 以巷道开挖为例。巷道开挖瞬间假设首先在巷 道周围依次出现塑性区和弹性区,已有的解表明在弹 性区与塑性区交界处出现了峰值应力区。峰值应力 区的岩体处于较大的切向应力和较小的径向应力的 压缩状态下。支撑压力区的岩体相当处于较小围压 和较大轴压的单轴压缩状态。同时深部岩体是位于 地壳中的地质体,在长期地质构造运动和岩石生成的 长期历史中,形成了大量的断层、 裂隙、 层理、 节理、 微 裂隙和缺陷微观和细观的潜在裂纹 , 通称为裂缝。 它们把岩体纵横交割为和可能交割为大小不同的岩 块,形成结构体岩块和结构面空间组合特征。通 常,由于物理力学性质的原因,岩体位处越深,地应力 越高,岩块越小,结构面裂缝越多。即裂纹密度越 大。根据312分析支撑压力区的岩体将进入第三蠕 变阶段,会导致蠕变失稳破坏。 当初始地应力水平不高时,应力梯度不大,岩石 位移速度也不大,巷道开挖时裂纹的发展、 积累,形成 宏观裂缝的过程能够完成;当初始地应力水平高时, 岩石从高应力处向巷道周边的位移速度急剧提高,超 过了微裂纹发生、 发展的速度,微裂缝来不及发展很 快会形成宏观裂缝。位于深部的岩体发生岩石分区 碎裂化现象,产生破裂时就属于这种情况,即岩体经 蠕变到失稳的时间非常短。 由于巷道围岩蠕变失稳导致岩石宏观破裂的出 现,同时该局部区域围岩发生应力释放,伴有大量的 微裂纹出现。此时由于深部初始地应力水平很高,破 裂区外围的岩石迅速向巷道内产生位移,使得破裂区 周围发生微破裂的岩石被压实,成为未破裂区域。这 样又以新出现的破裂区域的外轮廓为巷道轮廓,围岩 内重复出现峰值应力并导致蠕变失稳。但是峰值相 对有所降低,蠕变失稳的时间会延长。在这一过程中 就形成了破裂区与未破裂区的交替出现的情况。当 121 第4期李英杰,等深部岩体分区碎裂化进程的时间效应研究 到距离巷道外轮廓的一定距离深处峰值应力降低到 不能产生失稳破坏时,围岩就处于稳定的状态,将不 会继续产生新的破裂带。 4 结 论 411 深部高地应力状态下产生的岩石分区碎裂化现 象是岩体经由蠕变产生的。 412 深部岩体裂纹密度大,支撑压力区峰值应力很 高。并且岩体处于较大的切向应力和较小的径向应 力的近单轴压缩状态下。岩体将很快进入第三阶段 蠕变,从而发生失稳破坏。并且深部初始地应力水平 较高,应力梯度大,岩体经蠕变到失稳的时间很短; 413 高围压使岩石分区碎裂化的破碎区和未破碎区 交替出现到岩体处于稳定状态的时间非常短暂。 参考文献 [1] G D ADAMS,A J JAGER.Etroscopic observations of rock fracturing ahead of stope faces in deep - level gold mines[J ]. 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Time effect on zonal disintegration process of deep rock mass LI Y ing2jie , PAN Y i2shan , ZHANGMeng2tao Department of Mechanics and Engineering Sciences , Liaoning Technical University , Fuxin 123000 , China AbstractThe paper generalizes zonal disintegration time effect through in situ observation and rock fracture experiment simulated in similar materials. It is presented that zonal disintegration is created by way of creeping and fracture zone needs a period of time to ,but this time isn’t too long. Z onal disintegration time effect is analysed adopting creeping theory. Key wordszonal disintegration of rock mass; creep instability; time effect ; high ground stress 上接第118页 groundwater , mineral body and mined2out area can be predicted. The resistivityof Carboniferous and Permian coal is greater than that of non2coal stratum in North China , and the resistivityof the bauxite layer is relatively lower , and the resistivityof nether Ordovician limestone is the largest. After the part of the underground mineral body is mined , the conductivity of the corresponding stratum will be different with the degree of sinking and the circumstance dampness penetration and its resistivity will be raising or descending. By the above characteristic , the authors explored the mined2out area are successfully. Key wordsTransient Electromagnetic ; subsurface mined area ; apparent resistivity isoline ; Yanquan Coal Mine , Shanxi province 221 中国地质灾害与防治学报 ZHONGG UO DIZHIZAIHAI Y U FANGZHI XUEBAO2006年