深部矩形巷道不同结构岩体承载特性研究

发布时间：2020-03-21 04:29

【摘要】：岩体稳定问题关系到所有岩石工程施工、运行的安全和效益,包括矿山巷道、交通运输、水利水电等重要基础工业内容。深部巷道岩体的变形和破坏,不但与强度有关,而且涉及到结构失稳。在工程地质范畴,较早就有岩石结构的说法,岩石结构的分类说明了不同岩石结构的力学响应是不同的。以工程岩体的结构性考虑巷道工程稳定,涉及对岩石工程稳定问题认识的基本观念和处理方法,特别对于深部巷道岩石工程更是如此,因此从强度和结构两方面研究深部巷道不同结构岩体的承载特性具有重要意义。本文以国投新集阜阳矿业有限公司埋深为742m~877m的口孜东矿西翼轨道大巷为工程背景,以物理模型试验和数值计算分析为研究手段,研究了深部巷道完整围岩、层状围岩和块状围岩在相同支护条件下,围岩的变形破坏模式以及承载特性。(1)考虑深部巷道围岩峰后变形特点,通过12种配比约100个试样的力学测试,研制了以河砂为骨料,水泥和石膏为胶结材料的模拟口孜东矿深部巷道围岩变形破裂过程的相似材料。根据现场地质和工程等条件,设计并开展了深部巷道“完整岩体、层状岩体和块状岩体”三类不同结构岩体锚固支护物理模型试验。(2)采用课题组自主研制的PhotoInfor V7.2数字照相量测分析系统,获得了完整、层状和块状结构岩体在支护条件下的围岩变形破裂演化全过程及应力/弱面诱导劣化破坏模式;分析了不同岩体结构围岩内部径向应力和切向应力演化规律,获得了不同结构岩体对巷道开挖卸荷围岩主承载区分布模式的影响规律,揭示了不同结构围岩压力拱形成机制。(3)通过UDEC数值模拟软件建立了深部巷道不同结构岩体离散元模型,研究了层状岩体层厚和块状岩体倾角对围岩压力拱空间分布特征影响规律,获得了围岩稳定最不利倾角分布区间,提出了深部巷道围岩锚固成拱判据,揭示了层状岩体层厚和块状岩体倾角对深部巷道围岩锚固压力拱发育演化影响机理。
【图文】：

岩体,深部巷道,围岩,巷道围岩

（a）层状岩体（b）块状岩体图 1- 1 不同结构岩体Figure 1- 1 Rock mass with different structures由此可见，深部巷道围岩的稳定性不但与强度有关，而且有与承载结构密切相关从强度和结构两个方面探讨深部巷道不同结构岩体出现的破坏现象以及深部巷道开岩的承载特性具有重要意义。2 国内外研究现状 (Present Research Status at Home and Abroad)深部巷道受开挖卸荷的影响，巷道围岩不可避免地发生变形破裂，成为结构以及质上更为复杂的破裂岩体。破裂后的围岩内部充满了裂隙和滑移块体。这些新产生强度没有太大损失，它们之间相互挤压、交错、摩擦、嵌固，形成了一定的整体结，使得实际工程现场巷道围岩虽然充满裂隙和破裂块体，但仍然能够保持稳定，不发生失稳，宏观上表现出明显的结构效应。目前，关于岩石工程围岩稳定的研究主要是围绕岩石的强度问题。实际上，通常围岩失稳主要包括坍塌冒落、大变形以及岩爆（冲击矿压）三种类型。尽管围岩失

相似材料,组分

天然胶质产品胶结料（如松香、沥青等），随着室内物理模拟试验研究的深入，又出现了许多新的相似模拟材料，如河砂松香酒精材料[98]、MIB 材料[99]、NIOS 材料[100]、铁晶砂胶结岩土相似材料[101]等。MIB 材料由重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精溶液搅拌混合而成，该材料弹性模量可根据胶膜厚度进行有效调整，其缺点是作为铁粉胶粘剂的氯丁胶含有甲苯，对人体的毒副作用较大。NIOS 地质力学模型材料由磁铁矿精矿粉、河砂、粘结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂组成，该材料的特点是重度大、价格低廉、性能稳定，但模型干燥慢、养护时间长。铁晶砂胶结岩土相似材料是由铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按规定的配比均匀拌合压实而成的一种复合材料，该材料具有重度高、力学参数变化范围广等优点，，但是原材料种类多且不易获取。以上相似模拟材料虽具有较多的优点，但其一个共性就是组成模型材料的组分过多，致使模型制作过程繁琐，结合以上各相似材料的特性，在满足课题对深部巷道围岩承载特性研究目的要求的前提下，本着相似材料应组分简单、价格低廉、模型制作便利等几个原则，决定选用细河砂作为骨料，水泥和石膏（图 2- 1）作为胶结剂，通过均匀搅拌压实制成课题研究所用相似模拟材料，用于模拟深部巷道围岩。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD322

【参考文献】