1、目 录1 绪论 .11.1 课题研究背景与意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 相关围岩巷道稳定性的研究方法 .31.4 本文主要研究内容与方法 .42 巷道围岩稳定性分析的理论基础 .62.1 岩体的基本性质 .62.2 围岩稳定性分析的弹性理论 .92.3 断裂力学围岩稳定性分析的应用 .123.非连续结构面围岩稳定性的数值模拟 .163.1 岩土工程问题的数值模拟软件 .163.2 非连续结构面围岩稳定性分析的数值计算模型及计算方案 .163.3 非连续结构面高度对巷道围岩稳定性的影响 .183.3.1 巷道围岩的变形规律 .183.3.2 巷道围岩的应力分布规律 .213.4
2、非连续结构面尺寸对巷道围岩稳定性的影响 .243.4.1 巷道围岩的变形规律 .243.4.2 巷道围岩的应力分布规律 .263.5 非连续结构面角度对巷道稳定性的影响 .283.5.1 巷道围岩的变形规律 .283.5.2 巷道围岩的应力分布规律 .303.6 岩石性质变化非连续结构面对巷道稳定性的影响 .323.6.1 巷道围岩的变形规律 .323.6.2 巷道围岩的应力分布规律 .343.7 断面间摩擦系数变化对围岩稳定性的影响 .363.7.1 巷道围岩的变形规律 .363.7.2 巷道围岩的应力分布规律 .384.单一裂隙巷道围岩稳定性的数值分析 .414.1 单一裂隙巷道围岩稳定性
3、的数值计算模型及计算方案 .414.2 裂隙位置对巷道围岩稳定性的影响 .414.3 裂隙方位对巷道围岩稳定性的影响 .444.3.1 拱脚处裂隙方位的变化对围岩稳定性的影响 .444.3.2 拱部径向 45裂隙方位的变化对围岩稳定性的影响 .475 主要结论 .50参考文献 .51翻译部分 .52致 谢 .78中国矿业大学 2010 届本科生毕业论文 第 1 页1 绪论1.1 课题研究背景与意义 煤炭是我国的主题能源，在我国能源生产和消费结构中，煤炭资源占到了一半以上 1。目前，世界煤炭可采储量约为 9000 多亿吨，按照目前的全球生产能力，煤炭资源尚可开采不到 200 年，而石油大约开采不
4、到 50 年，天然气大约可以开采约 50 多年。 2若按同等热值计算，燃用天然气、石油的运行成本比燃用动力煤成本大得多。近年来，全球经济迅猛增长，石油及天然气价格明显上涨，导致全球煤炭需求增长趋势越来越明显，价格逐步攀升。国内煤炭需求也旺盛。近年来我国国民经济持续快速发展，电力、冶金、建材、化工等行业的高速发展导致了对煤炭需求的大幅度增加。为了开采煤炭，挖掘巷道是所有采矿工程的第一步。从地表向地下开掘的各类通道和硐室都称为巷道。因为预防和控制煤矿事故的发生是我国煤矿安全生产工作的中心，煤炭安全开采是煤炭工业健康发展的前提和保证，所以建设安全的巷道更是煤炭开采的核心。然而实际工程中巷道围岩的性质
5、并非连续、均匀的，巷道围岩中存在着许多或大或小的裂隙群，在外部环境影响下，裂隙进一步扩展直至贯通，使围岩产生不同程度的破坏，从而影响巷道围岩的稳定性，从而也会影响到煤炭开采工作的安全进行。因此研究巷道围岩稳定性的力学机理与影响因素，探讨其定性定量的规律，对工程实际具有重要的指导作用。1.2 国内外研究现状(1)围岩稳定性研究发展历史巷道围岩稳定性分析是围岩稳定性进行全面评价的基本方法的其中之一，也是地下工程设计中必然进行的基础，也是矿山建设投资的重要依据，是进行科学管理与评价经济效益的工具，巷道围岩稳定性分析发展，归纳起来可认为经历了以下四个阶段：经验判定阶段：在巷道围岩稳定性研究的初期，由于
6、对岩体的理论基础和破坏因素认识不足，局限于研究人员的实践经验, 严重依赖某单一因素的定性判定阶段 3。专家评分阶段：到 20 世纪 70 年代，对围岩的破坏的理论基础有了加深的认识，对围岩稳定性的影响因素从单一因素到多因素、多指标发展，同时对稳定性的评价在定性的基础上进行了量化，对定性指标采取专家的建议 3。数学分析阶段：近 20 年来，围岩分析融合了诸多因素、多指标，进行定量评价与定性指标量化评价相结合，对岩体的理论基础和不确定性加深了的认识，在数学上，模糊数学、灰色理论等数学工具的出现，也为岩体的不确定性带来了新的解决问题的方法，对围岩稳定性的评价开始与数学工具相结合 3。智能分类阶段：随
7、着对岩体不确定性加深了认识，发现在传统认识岩体性质的基础上，对岩体的认识难以加深，而在 20 世纪的 80 年代末，人工智能技术的迅速发展，同时现代的控制理论、信息学、系统工程等学科的发展对岩体力学的发展带来了新的认知中国矿业大学 2010 届本科生毕业论文 第 2 页方法，运用专辑系统、神经网络等现代智能技术手段在围岩稳定性分类上，对岩体的不确定性进行运算分析 3。(2)地下工程围岩稳定性研究的现状岩体结构面被定义为不连续面，主要分为以下几种情况：非连续结构面、软弱层面、节理、软弱片理和软弱带等各种力学成因的破裂面和破裂带等 3。对岩体结构面的定量描述是复杂的课题，大致包括了两个方面：(1)
8、实际现场收集的定量、半定量的资料 3。利用数理统计提取结构面的有关参数。其中第二个内容目前主要包括两个步骤:一是用统计方法对岩体结构面参数进行定量化描述和分析；第二是用计算机模拟岩体结构，分析其特征。在岩体结构面的定量化统计研究方面，国内研究人员做了很多的工作，为通过结构面网络模拟进行岩体结构面分布规律研究奠定了坚实的的基础。C.Bingham(1964) 研究了岩体结构面形状统计分布,建立了“B.ingham 分布 ”各项异性及其分布特征，周创兵发展了岩石节理张开度的概率模型 3；谢和平等研究了节理表面形态的分布特点，探讨了分维值与结构面抗剪强度的主要因素 3。冯夏庭(1999)建立了分形维
9、数与 JRC 的关系式并应用于 JCR 值的近似分形预测 3。更重要的是，裂隙网络模拟技术的发展给人们开拓了新的研究思路，近年来,Kulatilake 和潘别桐等在岩体裂隙网络生成方面做了许多研究；陈剑平、周维恒等(1995) 发展了结构面三位网络计算机模拟技术，并将模拟技术与节理岩体力学参数取值研究相结合 3；陈征宇等(1998)应用非平稳态随机过程模拟裂隙间距,并通过 Monte-Carlo 方法生成方针裂隙网络 3；SenZ,KaziA.等通过裂隙网络模拟估计裂隙间距和岩体RQD 值 ,进而进行岩体质量评价 3；陈乃明等通过接力网络的计算机模拟研究探讨了节理网络的分形维数与结理参数的关系
10、，实践中，裂隙网络技术的工程应用尚需发展，尤其是在根据网络模拟结果评价岩体力学特性，计算岩体损伤张量、渗透张量及岩体质量评价等方面 3。(3)围岩稳定性分析存在问题随着计算机与岩土研究中的紧密结合，围岩稳定性数值计算法有了新的发展。用弹塑性力学理论分析围岩和支护结构的有限元程序广泛应用，边界元及边界元与有限元耦合法在隧道工程中的应用也有不少成果；用于裂隙岩体的块体理论和离散元理论也发展出了相应的程序。计算机与数学方法的加深利用，使我们对地下工程的一些问题进行分析与研究的可行性增大，但是研究的方向、途径、策略手段、和其选择模型是否可行，则需要不断地的钻研和改进。围岩在工程中的理论基础是什么？如何
11、描述？它与人工支护体的相互作用特征怎样？这些基础问题至今仍然未得到解决。当然，计算技术与数学方法为我们提供了广阔的应用空间，其成熟程度远远大于地下工程基础理论的成熟程度，这就启示着我们研究工作的重点，这也是我们不可回避的事实。因此，作为以应用技术为主的研究人员, 在处理工程技术问题中，应端正好研究问题的重心，不必在繁琐的计算问题上纠缠不休，而忽视了简单而有效的方法。在地下工程稳定问题的分析中，如果不把岩体的性质搞清楚，那么任何计算等于无用。围岩稳定性分析中存在基础理论不成熟、失稳判据难以确定、思维方式禁锢等问题。现分析如下：中国矿业大学 2010 届本科生毕业论文 第 3 页（1）数值分析模型
12、缺少理论基础；（2）位移反分析力学模型的假设缺少理论支持；（3）模型试验尚难以实现时空模拟；（4）围岩失稳的判断难以确定；（5）围岩承载特征曲线的测量难以实现。工程条件的差异、量测误差等使其带有显著的定性使用的特点，在实际工程中发生和上述标准的不一样现象也经常发生；有的软弱围岩当变形值超出规范允许值数倍仍未发生失稳；反而在浅埋隧道中，有的变形尚未达到允许值却发生了坍塌；此外，还有统计分析的原因，用于稳定性分析的数据滞后，使不稳定地层的稳定性分析难以真正应用于实施量测的工程，人们在数值模拟和理论分析时经常查阅国内外有关围岩稳定性的规范，大多数标准并不确定只是给了一个大概的范围，部分定量指标通常是
13、根据经验和统计资料得出。这表明，在实际应用中，设定基准值时难以用数值方式表示。对围岩失稳的判断主要还停留在依靠经验的判断上，建立定量的失稳判断标准仍然需要广大的研究人员长时间的艰辛劳动。这些问题仍然来自于地下工程围岩稳定分析中影响因素的繁多及其复杂性。综上所述：岩体力学理论机理的不成熟成为地下工程围岩稳定分析方法目前还难以摆脱经验与工程类比方法的主要原因。1.3 相关围岩巷道稳定性的研究方法根据围岩稳定性分析的数学模型,可将目前常用的围岩稳定性分析方法分为如下 4 类。(1)解析法在进行围岩稳定性分析时,解析法是采用复变函数法进行围岩应力场与变形场计算,并能得出弹性解析解 4565665666
14、。但是此方法有局限性，只多用于圆形隧道的求解。当硐室是非圆形时,就需要通过保角变换,而的映射函数则就变成问题的求解关键。解析法也具有精度高,速度快和易于进行规律性研究等优点。但是解析法分析目前多限于深埋的地下工程,对于浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难。(2)数值分析方法在围岩稳定性分析中,解析法适用于那些边界条件较为简单及介质特性简单的情况。多数的工程问题在特定条件下用数值法求解 7更能贴近实际。有限元法有限元法自 20 世纪 70 年代提出发展至今,已经相当成熟,是目前最广泛使用的一种方法,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题,是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法 8
15、910910109101010。DDA 方法是基于岩体介质非连续性发展起来的一种新的数值分析方法 11。DDA 模型建立了一套完整的块体系统运动学理论，较好地模拟具有非连续面的岩体的运动与变形特性 12。 离散单元法这一方法已在岩土工程问题中得到越来越多的应用。其基本思想是岩块之间的相互作用，同时受位移-力的物理方程和力-加速度(速度、位移)的运动方程的支配,通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程 13。中国矿业大学 2010 届本科生毕业论文 第 4 页块体单元法是以块体单元的刚体位移为基本未知量,根据它们在外力作用下的平衡条件、变形协调条件及块体之间夹层材料的本构关系,建立起块体单元法的支配方
16、程,用于确定块体位移及夹层材料的应力状态 14151515。该法特别适用于具有地质结构面岩体的稳定分析，与有限单元法相比，可减少未知量个数，提高计算精度和速度。FLAC。为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性 16。边界元法。边界元法将偏微分方程变换成求解对象边界上的积分方程式并将其离散化求解。与有限元相比,具有计算时间短、计算范围大等特点,但边界元法对奇异边界较难处理 17。块体- 弹簧元分析法该模型在分析节理岩体的稳定性时具有一定的优点,可以反映围岩不连续的变形和运动规律。根据节理
17、岩体的特性,按弹簧块体理论模拟节理岩体中大型地下硐室开挖与锚杆支护的变形特征 16。(3)不确定性方法影响地下硐室围岩稳定性因素主要为地下岩石的性质、岩石的组合形态、岩石地下应力状态以及地下水的赋存情况等 18,这些因素具有很大的不确定性,表现出随机性和模糊性,因此可采用模糊数学和可靠度方法进行研究。可靠性理论根据不同的岩石破坏判据建立极限状态方程，自应用于岩土工程以来,在许多领域获得了较大的发展 16，并被引入地下硐室稳定分析中；采用概率论方法求得地下结构工程的破坏概率，进而分析其稳定可靠性。为工程设计和制定相应工程措施提供重要依据 Error! Reference source not f
18、ound.。(4)其它方法除了上述常用的方法外,其它一些理论与方法也在围岩稳定分析中得到应用。地下工程围岩开裂和破坏主要由于结构面的断裂扩展和连通,所以断裂和损伤力学方法评价节理裂隙岩体稳定性和变形行为已成为常用的分析方法 19202020；此外,反分析等方法也被应用于围岩的稳定性分析中。然而，任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排它的，如果能把 2 种或多种方法融合起来，取长补短，则对问题的分析更有用。如：将解析法与数值方法相结合的半解析元法被应用于模拟双孔平行隧道施工过程 21；模糊数学和神经网络结合的模糊神经网络方法也已被应用于围岩的稳定性分类中 22。1.4 本文主要研究内容与方法在
19、地质构造运动过程中，岩体产生大量的裂隙、节理和断层，破坏了岩体的完整性，降低了岩体的强度，是影响地下工程围岩稳定性的重要因素之一。本文结合工程实际情况，以围岩稳定性的弹性力学、断裂力学理论为基础，主要运用数值模拟的手段，采用ANSYS 软件对含非连续结构面以及裂隙的围岩稳定性进行系统地研究，具体研究内容与方法如下：（1）结合工程实际情况建立马蹄形隧道的数值计算模型，利用接触单元模拟非连续结构面的工作性状，分析含有非连续结构面的隧道围岩的应力与位移场的分布规律。在中国矿业大学 2010 届本科生毕业论文 第 5 页此基础上研究非连续结构面倾角、摩擦系数、岩性以及与非连续结构面尺寸以及与巷道口的间
20、距等因素对隧道围岩稳定性的影响规律。（2）针对裂隙对围岩稳定性的影响程度问题，建立在直墙拱形巷道周边有单一裂隙围岩的平面应变数值模型，分析不同位置、不同方位的裂隙对巷道围岩稳定性的影响规律，对裂隙的危害程度作出评价。中国矿业大学 2010 届本科生毕业论文 第 6 页2 巷道围岩稳定性分析的理论基础2.1 岩体的基本性质岩石是自然历史的产物，由于它们的生成条件及在生成以后的漫长地质历史时期中，形成了许多各式各样的结构面，例如岩浆侵入岩与围岩接触面，不同侵入岩体彼此的接触面、冷凝裂隙，喷出岩和沉积岩的层理、不整合面，变质岩的片理、片麻理，组成各种岩石的矿物晶体的各种优势定向排列面以及由于地质构造
21、运动、风化、重力和卸荷等各种不同动力的作用而产生的断层、节理、裂隙等。它们严重地破坏了岩石的完整性。在这种情况下，对岩体工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各种结构面分割的岩石块体，而主要是岩体中存在的结构面，或者是由岩石和结构面共同控制。在岩石力学中常用到“岩块” 、 “岩体” 、 “岩石”等术语，一般地被结构面切割成的岩石块体或从地壳岩层中切取出来的无显著软弱面的岩石块体称为岩块，而把自然埋藏条件下的大范围分布的由岩块和各种结构面（软弱面）网络组成的地质体称为岩体。岩石则是“岩块”和“岩体”的统称。 岩石的结构包括两个基本要素：结构面和结构体。结构面就是岩体内具有确定的方向、较大的延展
22、性、较小的厚度两维面状地质界面，包括物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等） 结构体则是被不同层状结构组合切割形成大小不一形态各异的单元岩块。中国矿业大学 2010 届本科生毕业论文 第 7 页1-节理；2-层理；3-断层；4- 断层破碎带(a)整体结构；(b)块状结构；(c)层状结构；(d)薄层状结构；(e)镶嵌结构；(f) 层状破坏结构(g)破裂结构；(h)散粒结构图 2-1 为岩体的结构型式表 2-1 岩体结构的基本类型岩体结构类别 地质背景 结构面特征结构体特征整体结构岩性单一、构造变形轻微的巨厚层沉积岩、变质岩和火山溶岩、火成侵入岩结构面少，一般不超过三组，延续性极差，多呈闭合状态，
23、无填充或含少量碎屑巨型块状整体块状结构 块状结构岩性较单一，受轻微构造作用的厚层沉积岩和变质岩、火成岩侵入体结构面一般 2-3 组，裂隙延续性极差，多呈闭合状态。层面有一定的结合力块状、菱形块状层状结构受构造破坏或较轻的中厚层( 大于 30cm)岩体结构面 2-3 组，以层面为主，有时也有软弱夹层或层间错动面，其延续性较好，层间结合力较差块状、柱状、厚板状层状结构 薄层状结构厚度小于 30cm，在构造作用下发生强烈褶曲和层间错动层理、片理发达，原生软弱夹层、层间错动和小断层不时出现。结构面多为泥膜、碎屑和泥板状、薄板状中国矿业大学 2010 届本科生毕业论文 第 8 页质充填镶嵌结构一般发育于
24、脆硬岩层中，结构组数较多，密度较大以规模不大的结构面为主，但组数多，密度大，延续性差，闭合无填充或充填少量碎屑形状不规则，但菱角显著层状碎裂结构受构造裂隙切割的层状岩体以层面、软弱夹层、层间错动面等为主，构造裂隙甚发达以碎块状、板状、短柱状为主碎裂结构碎裂结构岩性复杂，构造破碎较强烈，弱风化带延续性差的结构面，密度大，相互交切碎屑和大小不等的岩块。形状多种，不规则散体结构 构造破碎带、强烈 的风化带 裂隙和节理很发达，无规则岩屑、碎片、碎块、岩粉岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学性质呈现不连续变化。岩石裂隙性的情况，通常采用裂隙频率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。a.单向裂隙(或裂隙频率)单向裂隙指在表面的法线方向上每单位长度内，法线与结构面的相交的数目，以 (dK)表示。即单向裂隙率的倒数为成组结构面之间的平均间距，以 d 表示： 1m(2.1)dk1式中， - 单向裂隙( )dK1m- 结构面间平均间距(m)b.平面裂隙率 平面裂隙率 是指在单位面积上所有裂隙所占有岩石的面积总和，亦即： A(2.2) AtlKni式中： - 第 i 条裂隙面长度(m) il- 第 i 条裂隙面的宽度(m) it- 被测量的岩石总面积( ) A2m
