深部岩体分区破裂化模拟试验模型几何尺寸的确定

0 引言
随着经济建设与国防建设的不断发展, 地下开 发不断走向深部, 上千米乃至数千米深的矿井、 巷道 比比皆是。如南非A ng logo ld 有限公司的西部深井 金矿, 开矿深度达3 700m [ 1 ]; 水电工程如锦屏电站的 引水隧道, 最大埋深达 2 600 m , 南水北调西线工程 最大埋深 1 150 m ①; 核废料的深层地质处理深度已 达数百米乃至上千米; 油气工程已深达三四千米; 能 源储存工程已深达一千多米; 核心防护工程如北美 防空司令部深达 700 m 等。深部地下工程的开挖和 施工, 往往带来很多难以预测的问题, 岩爆、 瓦斯爆 炸、 突水、 顶板大面积来压和采空区失稳等一系列灾 害性事故频频发生。为了避免突发性地质灾害对生 命财产造成危害, 同时也为了尽量减少重大事故的 发生, 必须对深部岩体的特征科学现象进行深入细 致的研究。已有的研究表明, 分区破裂化现象是深 部岩体开发时所发生的主要力学现象之一, 现拟采 用模拟试验来研究这一问题, 本文即期望解决模拟 试验模型几何尺寸确定的问题。
其中 ΡΘ 为径向正应力, ΡΥ 为切向正应力; ΣΘΥ和 ΣΥΘ为切应力; A 、 B、 C 是待定的常数。 现假设有圆环, 其内半径为 a , 外半径为 b, 受内 压力为 q1 , 受外压力为 q2 , 如图 6 所示。其应力分布 是轴对称的, 由应力分量的表达式 ( 1) 和内外的应力 边界条件, 可得圆筒受均布压力的拉梅解如下: ΡΘ = b
1 分区破裂化现象
钱七虎[ 2 ] 将分区破裂化定义为:“在深部岩体中
Ξ
收稿日期: 2005205216; 修回日期: 2005208226 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 50490270) 作者简介: 廖美春 ( 19772) , 女, 硕士研究生。 研究方向为防灾减灾及防护工程。 Em a il: lm cw by@ yahoo. com. cn ①钱七虎 . 深部地下空间开发中的关键科学问题。 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
A
2 Θ
) + 2C + B ( 1 + 2ln Θ
A
ΡΥ = -
) + 2C 2 + B ( 3 + 2ln Θ Θ ΣΘΥ =对深部岩体中的分区破裂化问题进行的模拟试 验, 在国内还没有先例, 其本身有一系列的问题需要 解决, 其中包括模拟材料的选择、 模拟材料的配制、 模型尺寸的确定、 试验装置的设计、 地应力的模拟、 地下掘进的模拟等。 根据相似理论, 综合考虑模拟材料的诸力学参 数以及加载条件等因素, 以石膏粉作为主要基本材 料, 已成功配制了模拟材料。现拟采用该模拟材料 制作圆柱体试验模型, 如图5 所示。模型外裹特制的 气囊, 再在外面套上气囊反力装置, 充气的气囊即可 以对模型施加均布荷载 p 来模拟深部岩体所处的初 始地应力状态, 进而用开孔机在模型一端开孔,
2 Θ 2
a 2 b
当 b a 取不同的值时, 式 ( 3) 可改写为:
( 4) 2 a ΡΥ = - A ( 1 + 2 ) q Θ 2 2 其中, A = 1 ( 1- a b ) 。 表1 为不同的b a 所对应的 A 值。
2 a ΡΘ = - A ( 1 2)q Θ
图 5 试验模型
F ig. 5 T he m odel of exp eri m en t
由图 7 不难看出, 当 b a ≥10 时, A 的值趋近于 1。由弹性力学基本理论可知, 四周受均布压力 q , 而 且带有半径为 a 孔洞的无限大板的解为 ( [ 文献 3 ] ) :
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廖美春, 郭志昆, 刘 峰, 陈万祥
( 解放军理工大学工程兵工程学院, 南京 210007)
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摘要: 为了揭示深部岩体在开挖时所发生的一系列变化情况, 需要进行模拟试验研究。简要介绍了深部岩体在开 挖洞室或巷道时发生的分区破裂化现象及其发展规律。根据分区破裂化力学现象、 模拟试验背景和试验加载条件, 运用弹性力学的基本理论, 通过分析与计算, 确定了采用 b a ≥ 10 作为模型几何参数的选取原则。在实验室条件 下, 可以采用石膏半径 b= 1 000 mm , 钻孔半径 a = 100 mm 的圆柱体模型来模拟深部岩体的分区破裂化现象及其规 律。 关键词: 深部岩体; 分区破裂化; 模拟试验; 几何尺寸 中图分类号: TU 45 文献标识码: A 文章编号: 167222132 ( 2006) 0120058205
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第 1 期
廖美春等: 深部岩体分区破裂化模拟试验模型几何尺寸的确定 表 1 不同 b a 对应的A 值
ΡΥ = ΣΘΥ = 0
Θ
1. 013 1. 010 1. 008 1. 007 1. 006 1. 005 1. 004
由式 ( 4) 与式 ( 5) 的对比可见, 只要 b a ≥10, 即A ≈ 1 时, 式 ( 4) 与式 ( 5) 则完全相同。因此, 当b a ≥10 时, 所取模型即可近似看成是带有半径为 a 孔洞的无限 大板, 从而从理论上解决了模型尺寸有限而实际原 型的尺寸巨大之间的矛盾。由以上的分析可知, 采 用 b a ≥ 10 的模型完全可行。本次试验取 a = 100 mm , b= 1 000 mm 。
第 26 卷第 1 期 2006 年 2 月
防 灾 减 灾 工 程 学 报
Jou rna l of D isa ster P reven t ion and M it iga t ion Eng ineering
Vol . 26 N o. 1 Feb. 2006
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防灾减灾工程学报
第 26 卷
2
Θ
2 2
b
2
- 1
q1 -
111+
a
2 2 Θ 2
a
2 2
Θ
2
b 2 a
2 Θ 2
1
a 2 b
q2
( 2)
ΡΥ =
+ 1
q1 -
b 2 a
1
1-
a 2 b
2 2
q2
试验时, q1 = 0, q2 = q , 由式 ( 2) 可得: ΡΘ = 111+ 1a
Θ
2
a 2 b a
q
2
( 3)
q
ΡΥ = -
F ig. 2 T he delinea tion of zona l fractu ring in the tunnel roof a t W itw a tersrand Go ld M ine in Sou th A frica
图 3 实验室分区破裂化现象 ( 1)
F ig. 3 T he p henom enon of zona l fractu ring in labo ra to ry m odeling ( 1)
由表 1, A 随 b a 的变化规律可形象地以图 7 反 映出来。
4 结论
为了进一步揭示深部岩体在开挖时所发生的一 系列变化规律, 减少重大事故的发生, 深入研究深部 岩体的特征科学现象显得尤为重要。 实验室在加载的石膏模型上钻孔来模拟深部岩 体的开挖和掘进作业, 考虑到试验的经济条件、 加载 情况以及操作便利等因素, 可以采用 b a ≥ 10 作为 模型几何参数的选取原则。即可以采用石膏半径 b= 1 000 mm , 钻孔半径 a = 100 mm 的模型来模拟 深部岩体的分区破裂化现象及其规律。
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廖美春等: 深部岩体分区破裂化模拟试验模型几何尺寸的确定
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图 1 俄罗斯 М 矿山分区破裂化情景 а я к
F ig. 1 T he delinea tion of zona l fractu ring a t М а я к M ine in R u ssia
图 2 南非w itw a tersrand 金矿巷道顶板分区破裂化情景
3 试验模型几何尺寸的选取
由上述可知, 试验模型处于轴对称受力状态, 因 此, 从力学角度是属于轴对称问题, 按照弹性力学的 基本理论, 其应力分量的一般解为[ 3 ] ΡΘ =
图 4 实验室分区破裂化现象 ( 2)
F ig. 4 T he p henom enon of zona l fractu ring in labo ra to 2 ry m odeling ( 2)
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以此来模拟在深部岩体中的开挖或掘进作业, 由此 试验再现深部岩体的分区破裂化现象和规律, 从而 为深入细致地研究分区破裂化问题提供有效的试验 手段。 本文重点讨论模型的几何尺寸确定问题。
图 6 受力示意
F ig. 6 T he sketch of load
参考文献:
[ 1 ] 何满潮. 深部开采工程岩石力学现状及其展望 [A ]. 第
八次全国岩石力学与工程学术会议 [C ]. 北京: 科学出 版社, 2004. 88294
[ 2 ] 钱七虎. 非线性岩石力学的新进展—— 深部岩体力学