深部巷道区域化交替破碎现象的机理分析.pdf

第1 7 卷第 4期 2 0 0 6年 1 2月 地质灾害与环境保护 J o u r n a l o f Ge o l o g i c a l Ha z a r d s a n d E n v i r o n me n t P r e s e r v a t i o n Vo 1 ． 1 7 。 NO ． 4 文章 编号 1 0 0 6 4 3 6 2 2 0 0 6 O 4 0 0 8 0 0 5 深部巷道区域化交替破碎现象的机理分析 唐鑫 ， 潘一山 ， 章梦涛。 1 _ 中国防卫科技学院信息工程系， 河北三河0 6 5 2 0 1 ； 2 ． 辽宁工程技术大学力学与工程科学系， 阜新1 2 3 0 0 0 摘要 深部巷道因为其埋深大、 地质环境复杂等因素， 其变形规律一直是工程技术人员关注的问题 区域化交替破碎现象 的发现使人们对深部巷道变形规律有 了进 一步 的认 识， 对萁机理 的研 究也逐渐展 开 。本文从蠕变角度分析其演 化过程 ， 依据“ 岩石失稳是 与应变密切相关的” ， 认为破碎圈的出现是岩 石 的蠕变使 应变发展到极限值 ， 裂纹交汇贯通 而形成 的， 并用 改进的西 原正夫模型预测破 碎圈出现 的时 问 ， 为合理利用这 ～现象指 导矿 ⋯安全生产提供理论依据 。 关键词 区域化交替破碎I 深部开采I 蠕变； 西原模型 中图分类 号 TD 8 2 3 ． 8 4 文献标识码 A 1 巷道围岩区域化交替破碎现象介绍 巷道围岩区域化交替破碎现象是俄罗斯学者在 矿山进入深部开采后发现的新的地质现象 。图 1 为 根据现场观测数据绘制的示意图， I 和 I I I 部分是破 碎区， I I 和 1 V部分是完整区， 1 ～5是为了观测而钻 的孔 ， 巷道围岩破碎 区与完整 区未破碎区是以巷道 为中心呈立体同心状交替 出现 ， 它们的形状与巷道 形状呈几何相似 ， 破碎区内分布着与巷道外轮廓近 于平行的微裂纹 。 3 5 图 1 巷道围岩区域化 交替 破碎示意图 F i g ． 1 Z o n a l d i s i n t e g r a t i o n i n s u r r o u n d i n g r o c k f o r a t u n n e l 在大深部巷道围岩中的应力 已接近或超过岩石 的单轴压缩强度 ， 岩体 中有大量裂纹 ， 岩体表现出更 收稿 日期 2 0 0 5 1 0 1 4 改回 日期 2 0 0 6 0 2 1 6 基金项 目 国家 自然科学基金重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 5 多的塑性和流变性 。由于巷道的开挖破坏了原有的 平衡 ， 使应力场在围岩中重新分布 ， 出现了交替破碎 现象 ， 破碎圈的形状与巷道 的外轮廓呈几何 相似。 它不是在巷道开挖后立刻呈现出来 的， 而是 随时间 的推移而逐渐形成的。这个形成的时间与岩石的流 变性 、 巷道外廓加固程度 、 岩体的应力状况水平等多 种因素有关_ 1 ] ， 在该现象 的形成过程 中伴随着能量 的高速释放。 俄罗斯学者分别从现场观测和实验的角度验证 了这一现象的存在， 并在理论解释方面做了进一步 的探索 ， 文献[ 2 ] 提出稳定化振动的假设 ， 指 出交替 破碎结构的发展形成是与钻探和爆破的动力过程相 联系的。但是 ， 这一假设有两点质疑 1 由爆破产 生的时间变化不能 由稳定化振动来描述； 2 在现场 和模型上观察到的交替破碎结构不仅仅伴随着动应 力的作用而且伴随着静应力的作用。 文献[ 3 ] 把 与巷道外廓平行 的裂纹与来 自外部 震源的地震波的作用联系起来 ， 且在实验和理论方 面做了大量的研究。无论 是室 内实 验还是现场观 测， 满足张应力破坏条件 的拉伸波不是必须耍 与巷 道外廓相似。而且这一理论在矿井中没有动载荷作 用的情况下解释交替破碎结构是有一定困难的。 维普资讯 第 1 7卷第 4期 唐鑫、 滞 I n、 章梦涛 深部巷道区域化交替破碎现象的机理分析 8l 文献[ 4 ] 解释 了交替破碎演化过程中应力 变化 情况和出现这一现象的条件。在满足大采深的条件 下 ． 在峰值压力区的单元体将经受大的主应力 和较 小的侧应力作用 ， 应变 e 从最初的压应 变转为拉应 变 ， 裂纹将沿着与“ 有效的主应力” 平行的方向传播 ， 在距巷道表面一定距离处 如 ， - r处 形成一个新 径向应力的 自由面， 在巷道表面到 自由面之 间圆柱 体内的应力卸载， 在 ， - r 处将 同步产生一个支撑压 力区， 重复上一过程会产生第二个破碎带 ， 只要大采 深条件成立 ， 这一过程将继续。 文献[ 5 ] 基于弹性力学理论 ， 得 出发生交替破碎 的深度， 指出交替破碎 的出现与岩体 中所有重要特 征相关， 交替破碎可能在实际上不同的深度出现 ， 取 决于岩石的力学系数。得出了巷道周边到最远破碎 区的距离的经验关系式 。 文献[ 6 ] 从平衡热力学的角度出发 ， 揭示了巷道 附近交替破碎的物理基础 ， 描述 了岩石从掘进巷道 后 的弹性状态到成熟 的交替破碎结构的失稳演化过 程， 并用数值实验模拟 了这一关系 。 文献[ 7 ] 建立了地下 巷道 附近描述应力场分布 的非欧几里德连续模 型。用非欧几里德参数来决定 岩石中的弹性变形 的不相容性 ， 显示 了破碎 区可能 与岩石的某一部分相似 ， 在这一部分这个参数呈现 最大值 ， 一个分析允许把 巷道周 围岩石交替破碎破 坏 的宏观特征与非欧几里德参数联系起来。 关于这个现象 的理论解释还有待进一步研究， 本文将从蠕变角度分析其机理。 2 区域化交替破碎现象机理分析 深部开采中， 高围压 、 高温度 、 高孔隙压和极强 的时间效应是深部开采不 同于浅部的主要特征 ， 在 这样的环境 下， 岩石 多表现 出塑性 、 粘塑性 和流变 性 。蠕变是指在应力一定的情况下， 应变随时间 的 变化情况， 如图 2所示 ， 当应力 低 于时， 则不发生 蠕变， 如曲线 b所示 为蠕变下 限。 当应力高于 时， 岩石完整的蠕变曲线如 曲线 a所示 ， A段 为加载后 瞬时产 生 的弹性 应变 ， AB 段是随时间增长的初期蠕变 ， 此时岩石中的孔隙 、 裂 隙发生压密 、 闭合 ， 其应变速率逐渐减小 ， 在此段卸 载时， 弹性应变瞬时恢复 ， 粘弹性应变随时间逐渐恢 复到零 ； B C段是稳态蠕变 ， 在裂缝闭合之后 。 由于恒 定应力的作用， 岩石中新的裂纹不断生成 ， 微裂纹密 度增大 ， 若在此段 卸载 ， 弹性应 变瞬时恢 复， 但岩石 中留有不可恢复的塑性变形； C D段是加速蠕变阶 段 ， 在微裂纹密度增大到某一极限值时， 应变速率迅 速增加 ， 直至岩石破坏 。当应力很高时 ， 岩石的稳态 蠕变 阶段很短或者没有显现， 岩石直接发生破坏 ， 如 曲线 C 所示 。 0 图 2 不 同应力水 平下 岩石 的蠕 变曲线 Fi g ． 2 Cr e e p c u r v e o f r o c k u n d e r d i f f e r e n t s t r e s s l e v e l 蠕变曲线反 映的只是应变与时间 的关系 ， 并没 有反映出岩石失去承载能力时的具体应变及对应 的 应力， 交替破碎现象的出现与应力有直接的联 系， 如 何把二者联系起来 呢如图 3所示 ， 无论是岩石试 件的蠕变破坏还是常规加载破坏 ， 最终 都是 由于应 变达到极限值 ， 试件失去承载能 力导致破坏失稳 ， 由 软岩的蠕变试验与应力一应变全过程曲线 的比较可 以看 出， 试件在恒定应力作 用下岩石发生破坏时 的 轴向应变与应力 一应变全程曲线峰值后部分非常接 近， 而且随着应力值减 小， 破坏 时的轴 向应 变增大， 在较低的应力作用下 ， 岩石达到破坏时 的应变值要 比高应力下的应变值大 ， A、 B分别 为不 同应力水平 的蠕变作用下， 岩石破坏 时的应变 与应力曲线相交 的点 ， 如果认 为图 3 A点 的时刻第一个破碎 区开始 形成 ， B点的时刻第二个破碎 区开始形成 ， 则 在岩性 不变的情况下， 第二个 碎裂区的 出现要 比第一个经 历更 长的时 问 。 关于“ 岩石 失稳是 时应变 发展到 极 限值 ” 的观 c 己 ． ． ． ． A o _ _ 一． ． 一 ． ． B q LU H ． ． ． ． ． ．． ． ． c 。 。 。 ． ．． ． ． ， _．o ． ． 勺 ．． - ． _ _ o 0 未断 裂 △ 断裂 S 图 3 软岩 的蠕 变试验 应力 应变全过程 曲线的 比较 F i g ．3 Th e c o mp a r i s on o f s o f t r o c k c r e e p e x p e r i me n t c u r v e a n d c o m p l e t e o f s t r e e s t r a i n c u r v e 维普资讯 8 2 地质灾害 与环境保护 点， 有很多学者做过研究。L a ma 1 9 7 3 利用大理岩 试件进行过不同应力大小的常荷载试验 。如图 4所 示 ， 试验表明， 对于破坏前区蠕变包络线处于通常的 应力一应变曲线之外， 而在破坏后区蠕变破坏 的包 童 ● 6 图 4 常载荷试验 图 F i g ． 4 C o n s t a n t l o a d e x p e r i me n t 络线非 常接 近 通 常 的包 络 线 见 图 5 。山下 秀 1 9 9 9 研究 了蠕变及疲劳破坏与单轴压缩破坏过程 之间的关系。疲劳试验中， 重复加载过程 中的应力 一 应变曲线是正常的单轴压缩加载中的理想应力一 应变曲线中省掉了大于上限应力以上的曲线部分的 另一种形式的路径 ， 蠕变 的转移试验得到同样 的关 系， 如图 6所示 。另 已证实， 正常恒应力加载的蠕变 试验中， 同样的关系也得到证实 本山， 1 9 9 3 。葛修 润对单轴压缩状态 的砂岩、 大理岩和花岗岩试件疲 劳破坏变形及机理做 了试验研究 ， 表明岩石 的疲劳 破坏受到静态应力 一应变全过程 曲线 的控制， 疲劳 破坏时的变形量与周期荷载的上限应力在静态应力 一 应变全过程 曲线后区对应的变形量相当 图 7 。 l O 0 3 0 0 5 0 0 7 0 0 9 0 0 e／ xl 图 5 大理岩蠕变破坏包络线情况 1 a me ， 1 9 7 3 F i g ． 5 En v e l o p e l i n e o f ma r b l e c r e e p f a i l u r e 应变 图 6 疲劳 试验 中的 上限轴 向应变 增加 路 线与 理 想 应 力一 应变体系 山下秀 ， 1 9 9 9 Fi g ． 6 Th e r e l a t i o n o f u p p e r a x i d s t r a i n i n c r e a s i n g c u r v e a n d c o mp l e t e s t r e s s - s t r a i n c u r v e i n f a t i g u e e x p e r ‘ i me n t 重 。 5 O 应 夏， 1 图 7 蠕变实验中的应力一 应变路线与理想应力一 应变曲 线的关系 F i g ． 7 Th e r e l a t i o n o f s t r e s s - s t r a i n r o u t e a n d c o mp l e t e s t r e s s - s t r a i n c ur v e p 1一 r辱 考虑一维问题 ， 在巷道开挖之后 随着 r的增大而 越来越接近 P， P为无穷远处静水压力 。随着 r的 增大 围岩承受 的压力越来越大 ， 逐渐超过蠕变下限 ， 衰减蠕变阈值而达到稳态蠕变 ， 岩石逐渐显露出流 变性质 ， 微裂纹在距巷道 r n 远处开始积 累， 微裂纹 密度越来越大， 由于岩石的颗粒 、 胶结物和初始裂纹 方向等因素不 同， 裂纹扩展方向也不 同， 导致各 向异 性程度越来越大 ， E和 随着裂纹 的发展而逐渐变 化 。应变 随着时间也在积 累， 当应 变值达到第三阶 段蠕变的阈值时 此时裂纹密度也达到最大值 ， 在 岩石内部形成了应变集中区， 岩石呈现应变软化性 质 ， 应变率迅速增大， 岩石 发生宏观断裂 ， 第一个碎 裂区开始形成 ， 碎裂 区内裂纹的大量扩展 消耗 了积 累的变形能 ， 使集 中的应力得 以释 放 ， 峰值应 力降 低 ， 在碎裂区外边缘处 降为零 ， 巷道围岩结构发 生改变 ， 经过一段时间的自我调整 ， 重新进入相对平 维普资讯 第 1 7卷第 4期 唐鑫 、 潘一 山、 章梦涛 深部巷遭 区域化交替破碎现象 的机 理分析 8 3 衡状态 图 8 。重 复上一个过程 ， 由于应 力在距 巷 道 中心为 r 。 处 达到蠕 变下 限， 蠕 变在此 处重新 开 始 ， 裂纹也在此处重新开始积累 ， 当应变达到断裂的 l临界值时 ， 第二个碎裂区开始形成 ， 这里并没有考虑 破碎区形成所需的时间。 图 8 区域化交替破碎 应力分布图 F i g ． 8 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f z o n a l d i s i n t e g r a t i o n 在 r r 时 ， 常力 一 作用下 ， 该模型的应变 可表示 为 [ 击 击 1 -- e x p --Z t r ／ 2 3 一 丢 署 1 A El1 6 GPa， E211 ． 4 3 GPa， 一 2 1 3 ．5 GPad， 啦 7 ．0 8 1 0 GPad t 的系数经调整分别取为 0 ． 3 3 3 3 、 3 0 ． 2 3和 1 0 。 取某类砂 岩 的全 程应 力 一应 变 曲线 ， 如 图 1 1 应变 a 图 1 1 蠕变预测区域化交替破碎现象时间示例图 F i g ． 1 1 Ex a m p l e o f p r e d i c t i n g z o n a l d i s i n t e g r a t i o n b y c r e e p 维普资讯 8 4 地质 灾害与环 境保护 2 0 0 6矩 a 所示。根据式 1 绘 出在不 同应力下 的蠕变 曲 线 ， 如图 1 1 b 所示。根据两 图的比较我们可 以预 测破碎圈出现的时间， 例如 ， 在 4 5 MP a应力的作用 下 ， 砂岩破坏时对应的应变为 0 ． 0 0 5 6 ， 在 图 1 1 b 中， 4 5 MP a 应力作用的蠕变曲线上， 与 0 ． 0 0 5 6对 应的时问为 3 0 d ， 也就是说在 巷道开挖后 3 0 d左 右 ， 砂岩应变发展到极限， 围岩内部 出现宏观裂纹 ， 裂纹不断发展 、 交汇 ， 在巷道外廓连接成与巷道形状 相似的破碎圈。围岩上的应力转移到了距离巷道较 远的未破碎的岩体上 ， 峰值应力 降为 3 4 MP a ， 在该 应力作用下砂岩的极限应变为 0 ． 0 0 6 9 ， 3 4 MP a作 用下的蠕变 曲线上与 0 ． 0 0 6 9相应的时 间为 6 8 d ， 第二个碎裂圈形成需要 6 8 d的时问， 同理 ， 如图 1 1 ， 第三个需要 9 7 d 。 4 结语 区域化交替破碎现象作为一种新的地质现象 ， 无论是实验还是发生机理方面均需做大量研究和探 索 。 当围压满足蠕变条件时， 巷道 围岩 中裂纹 开始 积累， 在应变最先达到极 限值处 ， 裂纹贯通交汇 ， 形 成破碎圈。 本文把岩石的蠕变曲线和单轴压缩 曲线联系起 来 ， 预测破碎圈出现的时间， 从而为利用 区域化交替 破碎现象提供理论依据。 { - | 考文献 [ 1 ] E I S h e m y a k i n ． G l F i s e n k o 。M V Ku r l e n y a 。e t a 1 ． ．Z o n a D i s i n t e g r a t i o n o f A r o u n d Un d e r g r o u n d W o r k i n g s ． P a r t 11 R o c k F r a c t u r e S i mu l a t e d i n E q u i v a l e n t Ma t e r i a l s [ J ] ．J o u r n a [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ I o ] [ 1 i ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] o f M i n i n g S c i e n c e ，2 2 4 1 9 8 6， 2 2 3 2 3 2 ． A M Ko z e 1 ． V A B or i s o v e t s ， A A Re p k o ．Pr e s s u r e a n d Su p p o r t o f Ve r t i c a l S h a f t r C ] ． Ne d r a ， MO S C O W 1 9 7 6 ． G G M i r z a e v． A G P r o t o s e n y a 。 Yu N Dg o r o d n i ko v。 e t a 1 ． ．S u p p o r t S y s t e ms o f D e e d Mi n e s [ C ] ．N e d r a ， Mo s c o w 1 9 8 4 ． E I S h e my a ki n． G I Fi s e n k o．M V Ku r le n y a．e t a 1 ． ． Z on a l D i s i n t e g r a t i o n o f Ar o u n d Un d e r g r o u n d Wo r k in g s ，P a r t II1 Th e o r e t i c a l C o n c e p t s[ J ] ， J o u r n a l o f Mi n i n g S c i e n c e 。l 9 8 7 。 2 3 I l 6． E l Sh e my a ki n， G I Fi s e n k o，M V Ku r l e n y a，e t a 1 ． ． Z on a l I i s i n t e g r a t i o n o f Ar o u n d Un d e r g r o u n d Wo r k in g s ．P a r tⅣ P r a c t i c a l Ap p l j c a t i o n s [ J ] ．J o u r n a l o f Mi n i n g S c i e n c e ，1 9 8 8 ， 2 4 3 2 3 2 4 1 ． 1 S Me t l o v ．A F Mor o z o v．M P Zb or s h c h i k ，Ro c k Fa i l u r e Ph y s i c a l Fo u n d a t i o n s o f M e c h a n i s m o f Z o n a l Ro c k F a i l ur e i n t h e Vi c i n i t y o f Mi n e Wo r k i n g [ J ] ．．I n t r n a l o f Mi n i n g S c i e n c e ， 2 0 0 2， 3 8 2 1 5 0 - 1 5 5 ． M A G L , Z e V．A A Pa r o s h i n ． No n Euc l i d e a n M o d e l of Th e Z o n a l I is i n l e gr a t i o n of Ro c k s Ar o u n d a n U n d e r g r o u n d W o r ki n g [ J ] ．J o u r n a l o f Ap p l i e d Me c h a n i c s a n d 1 、 c e h n i c a l P h y s i c s ， 2 0 0 1。42 1 1 3 卜 l 3 9 ． E I S h e my a ki n． I Fi s e n k o，M V Kur l e ny a，e t a 1 ． ． Zo n a l I i s i n t e g r a t i n 0 f Ar o u n d Un d e r g r o u n d W o r k i n g s ，P a r t I D a t e o f I n S i t u Ob s e r v a t i o n s [ J ] ，J o u r n a l o f Mi n i n g S c i e n c e ， l 9 8 6，22 3 1 5 7 1 6 8 ． 刘雄． 岩 流变学概沧E M] ．北京 地质 出版社 ． 1 9 9 4 ． 周维j 『 王 ． 高等岩石力学[ M] ． 北 京 水利水电出版社 ， 1 9 9 0 ． 邓荣贵， 周德 培， 张倬元． 等． 一种新 的岩石流 变模 型[ J ] ． 岩石 力学与 程学报 ． 2 0 0 l ， 2 0 6 7 8 0 7 8 4 ． 曹树 刚． 边会 。 李鹏．岩石蠕变 本构关 系及改进的 西原正 夫模 型[ J ] ．糟f i 力学 与工程学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 5 6 3 2 6 3 4 ． L l J 下 秀． 衫本文男。 今井忠南 。 等． 岩 蠕 变及疲劳 破坏过 程和 破坏擞限研 究 [ J ] ． 辽 j 工 程技 术 大 学学 报 自然 科学 版 ， l 99 9 。 I 8 5 4 5 2 4 5 5 ． M ECHANI S M ANALYS I S OF ZONAL DI Sl NTEGRATI ON I N DEEP LEVEL TUNNEL TANG Xi n。 P AN Yi s h a n 。 ZHANG M e n g t a o 1 ． Ch i n a I n s t i t u t e o f De f e n c e S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y 。He b e i S a n h e 0 6 5 2 0 1 ， Ch i n a ； 2 ． De p a r t me n t o f M e c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g S c i e n c e s ，Li a o n i n g Te c h n i c a l Un i v e r s i t y ，F u x i n L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ． Ch i n a Ab s t r a c t De e p l e v e l d e f o r ma t i o n r u l e i s t h e f o c u s o f e n g i n e e r s p a y i n g a t t e n t i o n t o f o r i t s ma n y f a c t o r s ， f o r e x a mp l e ，g r e a t mi n i n g h e i g h t ，c o mp l e x g e o l o g i c e n v i r o n me n t ，e l a 1 ． t h e f o u n d o f z o n a l d i s i n t e g r a t i o n ma k e p e o p l e h a v e f u r t h e r u n d e r s t a n d i n g t o t h e r u l e o f d e e p l e v e l t u n n e l d e f o r ma t i o n ．Ti l e s t u d y o f i t s me c h a n i s m h a s b e e n d o n e g r a d u a l l y ．Th i s p a p e r a n a l y s e i t s e v o l u t i o n p r o c e s s i n t e r ms o f c r e e p ．B a s e d o n t h a t“ r o c k f a i l u r e i s c l o s e d⋯ r e l a t e d wi t h s t r a i n t o t h e l i mi t v a l u e a n d c r a c k s c o n f l u e n c e a n d p e n e t r a t i o n ．Us i n g t h e i mp r o v e d x i y u a n mo d e l t o p r e d i c t t i me t h a t d i s i n t e g r a t i o n z o n e a p p e a r ．Th i s p a p e r p r o v i d e s t h e o r e t i e a l b a s i s f o r ma k i n g u s e o f z o n a l d i s i n t e g r a t i o n r a t io n a l l y t o g u i d e s a f e t y p r o d u c t i o n i n mi n e ． ’ Ke y wo r d s z o n a l d i s i n t e g r a t i o n ；d e e p m i n e ；c r e e p；x i y t t a n mo d e l 作者简介 唐i t 1 9 8 0 ． 女 ， 硕士 ． 2 0 0 3年毕业于江宁] 程技术大学 ． 主要从事岩土 L程 和煤矿 灾省 防治 的研究 作 维普资讯