【正文】 目 錄1 緒論 1 1 1 3 42 巷道圍巖穩(wěn)定性分析的理論基礎 6 6 9 12 16 16 16 18 18 21 24 24 26 28 28 30 32 32 34 36 36 38 41 41 41 44 44176。裂隙方位的變化對圍巖穩(wěn)定性的影響 475主要結論 50參考文獻 51翻譯部分 52致 謝 78中國礦業(yè)大學2010屆本科生畢業(yè)論文 第 78 頁1 緒論 煤炭是我國的主題能源，在我國能源生產(chǎn)和消費結構中，煤炭資源占到了一半以上。目前，世界煤炭可采儲量約為9000多億噸，按照目前的全球生產(chǎn)能力，煤炭資源尚可開采不到200年，而石油大約開采不到50年，天然氣大約可以開采約50多年。若按同等熱值計算，燃用天然氣、石油的運行成本比燃用動力煤成本大得多。近年來，全球經(jīng)濟迅猛增長，石油及天然氣價格明顯上漲，導致全球煤炭需求增長趨勢越來越明顯，價格逐步攀升。國內(nèi)煤炭需求也旺盛。近年來我國國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，電力、冶金、建材、化工等行業(yè)的高速發(fā)展導致了對煤炭需求的大幅度增加。為了開采煤炭，挖掘巷道是所有采礦工程的第一步。從地表向地下開掘的各類通道和硐室都稱為巷道。因為預防和控制煤礦事故的發(fā)生是我國煤礦安全生產(chǎn)工作的中心，煤炭安全開采是煤炭工業(yè)健康發(fā)展的前提和保證，所以建設安全的巷道更是煤炭開采的核心。然而實際工程中巷道圍巖的性質(zhì)并非連續(xù)、均勻的，巷道圍巖中存在著許多或大或小的裂隙群，在外部環(huán)境影響下，裂隙進一步擴展直至貫通，使圍巖產(chǎn)生不同程度的破壞，從而影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，從而也會影響到煤炭開采工作的安全進行。因此研究巷道圍巖穩(wěn)定性的力學機理與影響因素，探討其定性定量的規(guī)律，對工程實際具有重要的指導作用。(1)圍巖穩(wěn)定性研究發(fā)展歷史巷道圍巖穩(wěn)定性分析是圍巖穩(wěn)定性進行全面評價的基本方法的其中之一，也是地下工程設計中必然進行的基礎，也是礦山建設投資的重要依據(jù)，是進行科學管理與評價經(jīng)濟效益的工具，巷道圍巖穩(wěn)定性分析發(fā)展，歸納起來可認為經(jīng)歷了以下四個階段：經(jīng)驗判定階段：在巷道圍巖穩(wěn)定性研究的初期，由于對巖體的理論基礎和破壞因素認識不足，局限于研究人員的實踐經(jīng)驗, 嚴重依賴某單一因素的定性判定階段。專家評分階段：到20世紀70年代，對圍巖的破壞的理論基礎有了加深的認識，對圍巖穩(wěn)定性的影響因素從單一因素到多因素、多指標發(fā)展，同時對穩(wěn)定性的評價在定性的基礎上進行了量化，對定性指標采取專家的建議[3]。數(shù)學分析階段：近20年來，圍巖分析融合了諸多因素、多指標，進行定量評價與定性指標量化評價相結合，對巖體的理論基礎和不確定性加深了的認識，在數(shù)學上，模糊數(shù)學、灰色理論等數(shù)學工具的出現(xiàn)，也為巖體的不確定性帶來了新的解決問題的方法，對圍巖穩(wěn)定性的評價開始與數(shù)學工具相結合[3]。智能分類階段：隨著對巖體不確定性加深了認識，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)認識巖體性質(zhì)的基礎上，對巖體的認識難以加深，而在20世紀的80年代末，人工智能技術的迅速發(fā)展，同時現(xiàn)代的控制理論、信息學、系統(tǒng)工程等學科的發(fā)展對巖體力學的發(fā)展帶來了新的認知方法，運用專輯系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡等現(xiàn)代智能技術手段在圍巖穩(wěn)定性分類上，對巖體的不確定性進行運算分析[3]。(2)地下工程圍巖穩(wěn)定性研究的現(xiàn)狀巖體結構面被定義為不連續(xù)面，主要分為以下幾種情況：非連續(xù)結構面、軟弱層面、節(jié)理、軟弱片理和軟弱帶等各種力學成因的破裂面和破裂帶等[3]。對巖體結構面的定量描述是復雜的課題，大致包括了兩個方面：(1)實際現(xiàn)場收集的定量、半定量的資料[3]。利用數(shù)理統(tǒng)計提取結構面的有關參數(shù)。其中第二個內(nèi)容目前主要包括兩個步驟:一是用統(tǒng)計方法對巖體結構面參數(shù)進行定量化描述和分析；第二是用計算機模擬巖體結構，分析其特征。在巖體結構面的定量化統(tǒng)計研究方面，國內(nèi)研究人員做了很多的工作，為通過結構面網(wǎng)絡模擬進行巖體結構面分布規(guī)律研究奠定了堅實的的基礎。(1964)研究了巖體結構面形狀統(tǒng)計分布,建立了“”各項異性及其分布特征，周創(chuàng)兵發(fā)展了巖石節(jié)理張開度的概率模型[3]；謝和平等研究了節(jié)理表面形態(tài)的分布特點，探討了分維值與結構面抗剪強度的主要因素[3]。馮夏庭(1999)建立了分形維數(shù)與JRC的關系式并應用于JCR值的近似分形預測[3]。更重要的是，裂隙網(wǎng)絡模擬技術的發(fā)展給人們開拓了新的研究思路，近年來,Kulatilake和潘別桐等在巖體裂隙網(wǎng)絡生成方面做了許多研究；陳劍平、周維恒等(1995)發(fā)展了結構面三位網(wǎng)絡計算機模擬技術，并將模擬技術與節(jié)理巖體力學參數(shù)取值研究相結合[3]；陳征宇等(1998)應用非平穩(wěn)態(tài)隨機過程模擬裂隙間距,并通過MonteCarlo方法生成方針裂隙網(wǎng)絡[3]；SenZ,進而進行巖體質(zhì)量評價[3]；陳乃明等通過接力網(wǎng)絡的計算機模擬研究探討了節(jié)理網(wǎng)絡的分形維數(shù)與結理參數(shù)的關系，實踐中，裂隙網(wǎng)絡技術的工程應用尚需發(fā)展，尤其是在根據(jù)網(wǎng)絡模擬結果評價巖體力學特性，計算巖體損傷張量、滲透張量及巖體質(zhì)量評價等方面[3]。(3)圍巖穩(wěn)定性分析存在問題隨著計算機與巖土研究中的緊密結合，圍巖穩(wěn)定性數(shù)值計算法有了新的發(fā)展。用彈塑性力學理論分析圍巖和支護結構的有限元程序廣泛應用，邊界元及邊界元與有限元耦合法在隧道工程中的應用也有不少成果；用于裂隙巖體的塊體理論和離散元理論也發(fā)展出了相應的程序。計算機與數(shù)學方法的加深利用，使我們對地下工程的一些問題進行分析與研究的可行性增大，但是研究的方向、途徑、策略手段、和其選擇模型是否可行，則需要不斷地的鉆研和改進。圍巖在工程中的理論基礎是什么？如何描述？它與人工支護體的相互作用特征怎樣？這些基礎問題至今仍然未得到解決。當然，計算技術與數(shù)學方法為我們提供了廣闊的應用空間，其成熟程度遠遠大于地下工程基礎理論的成熟程度，這就啟示著我們研究工作的重點，這也是我們不可回避的事實。因此，作為以應用技術為主的研究人員, 在處理工程技術問題中，應端正好研究問題的重心，不必在繁瑣的計算問題上糾纏不休，而忽視了簡單而有效的方法。在地下工程穩(wěn)定問題的分析中，如果不把巖體的性質(zhì)搞清楚，那么任何計算等于無用。圍巖穩(wěn)定性分析中存在基礎理論不成熟、失穩(wěn)判據(jù)難以確定、思維方式禁錮等問題?，F(xiàn)分析如下：（1）數(shù)值分析模型缺少理論基礎；（2）位移反分析力學模型的假設缺少理論支持；（3）模型試驗尚難以實現(xiàn)時空模擬；（4）圍巖失穩(wěn)的判斷難以確定；（5）圍巖承載特征曲線的測量難以實現(xiàn)。工程條件的差異、量測誤差等使其帶有顯著的定性使用的特點，在實際工程中發(fā)生和上述標準的不一樣現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生；有的軟弱圍巖當變形值超出規(guī)范允許值數(shù)倍仍未發(fā)生失穩(wěn)；反而在淺埋隧道中，有的變形尚未達到允許值卻發(fā)生了坍塌；此外，還有統(tǒng)計分析的原因，用于穩(wěn)定性分析的數(shù)據(jù)滯后，使不穩(wěn)定地層的穩(wěn)定性分析難以真正應用于實施量測的工程，人們在數(shù)值模擬和理論分析時經(jīng)常查閱國內(nèi)外有關圍巖穩(wěn)定性的規(guī)范，大多數(shù)標準并不確定只是給了一個大概的范圍，部分定量指標通常是根據(jù)經(jīng)驗和統(tǒng)計資料得出。這表明，在實際應用中，設定基準值時難以用數(shù)值方式表示。對圍巖失穩(wěn)的判斷主要還停留在依靠經(jīng)驗的判斷上，建立定量的失穩(wěn)判斷標準仍然需要廣大的研究人員長時間的艱辛勞動。這些問題仍然來自于地下工程圍巖穩(wěn)定分析中影響因素的繁多及其復雜性。綜上所述：巖體力學理論機理的不成熟成為地下工程圍巖穩(wěn)定分析方法目前還難以擺脫經(jīng)驗與工程類比方法的主要原因。根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分析的數(shù)學模型,可將目前常用的圍巖穩(wěn)定性分析方法分為如下4類。(1)解析法在進行圍巖穩(wěn)定性分析時,解析法是采用復變函數(shù)法進行圍巖應力場與變形場計算,并能得出彈性解析解。但是此方法有局限性，只多用于圓形隧道的求解。當硐室是非圓形時,就需要通過保角變換,而的映射函數(shù)則就變成問題的求解關鍵。解析法也具有精度高,速度快和易于進行規(guī)律性研究等優(yōu)點。但是解析法分析目前多限于深埋的地下工程,對于淺埋隧道圍巖分析在數(shù)學處理上存在一定的困難。(2)數(shù)值分析方法在圍巖穩(wěn)定性分析中,解析法適用于那些邊界條件較為簡單及介質(zhì)特性簡單的情況。多數(shù)的工程問題在特定條件下用數(shù)值法求解更能貼近實際。有限元法有限元法自20 世紀70 年代提出發(fā)展至今,已經(jīng)相當成熟,是目前最廣泛使用的一種方法,可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題,是地下工程巖體應力應變分析最常用的方法。DDA方法是基于巖體介質(zhì)非連續(xù)性發(fā)展起來的一種新的數(shù)值分析方法。DDA模型建立了一套完整的塊體系統(tǒng)運動學理論，較好地模擬具有非連續(xù)面的巖體的運動與變形特性。 離散單元法這一方法已在巖土工程問題中得到越來越多的應用。其基本思想是巖塊之間的相互作用，同時受位移力的物理方程和力加速度(速度、位移)的運動方程的支配,通過迭代求解顯示巖體的動態(tài)破壞過程。塊體單元法是以塊體單元的剛體位移為基本未知量,根據(jù)它們在外力作用下的平衡條件、變形協(xié)調(diào)條件及塊體之間夾層材料的本構關系,建立起塊體單元法的支配方程,用于確定塊體位移及夾層材料的應力狀態(tài)。該法特別適用于具有地質(zhì)結構面巖體的穩(wěn)定分析，與有限單元法相比，可減少未知量個數(shù)，提高計算精度和速度。FLAC。為了克服有限元等方法不能求解大變形問題的缺陷，能更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性，求解速度較快。其缺點是計算邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨意性。邊界元法。邊界元法將偏微分方程變換成求解對象邊界上的積分方程式并將其離散化求解。與有限元相比,具有計算時間短、計算范圍大等特點,但邊界元法對奇異邊界較難處理。塊體 彈簧元分析法該模型在分析節(jié)理巖體的穩(wěn)定性時具有一定的優(yōu)點,可以反映圍巖不連續(xù)的變形和運動規(guī)律。根據(jù)節(jié)理巖體的特性,按彈簧塊體理論模擬節(jié)理巖體中大型地下硐室開挖與錨桿支護的變形特征[16]。(3)不確定性方法影響地下硐室圍巖穩(wěn)定性因素主要為地下巖石的性質(zhì)、巖石的組合形態(tài)、巖石地下應力狀態(tài)以及地下水的賦存情況等,這些因素具有很大的不確定性,表現(xiàn)出隨機性和模糊性,因此可采用模糊數(shù)學和可靠度方法進行研究。可靠性理論根據(jù)不同的巖石破壞判據(jù)建立極限狀態(tài)方程，自應用于巖土工程以來,在許多領域獲得了較大的發(fā)展[16]，并被引入地下硐室穩(wěn)定分析中；采用概率論方法求得地下結構工程的破壞概率，進而分析其穩(wěn)定可靠性。為工程設計和制定相應工程措施提供重要依據(jù)Error! 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