【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(chǔ) 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(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響 475主要結(jié)論 50參考文獻(xiàn) 51翻譯部分 52致 謝 78中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2010屆本科生畢業(yè)論文 第 78 頁1 緒論 煤炭是我國(guó)的主題能源，在我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭資源占到了一半以上。目前，世界煤炭可采儲(chǔ)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(jì)算，燃用天然氣、石油的運(yùn)行成本比燃用動(dòng)力煤成本大得多。近年來，全球經(jīng)濟(jì)迅猛增長(zhǎng)，石油及天然氣價(jià)格明顯上漲，導(dǎo)致全球煤炭需求增長(zhǎng)趨勢(shì)越來越明顯，價(jià)格逐步攀升。國(guó)內(nèi)煤炭需求也旺盛。近年來我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致了對(duì)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?yàn)轭A(yù)防和控制煤礦事故的發(fā)生是我國(guó)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(shè)安全的巷道更是煤炭開采的核心。然而實(shí)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(jìn)一步擴(kuò)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(huì)影響到煤炭開采工作的安全進(jìn)行。因此研究巷道圍巖穩(wěn)定性的力學(xué)機(jī)理與影響因素，探討其定性定量的規(guī)律，對(duì)工程實(shí)際具有重要的指導(dǎo)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(jìn)行全面評(píng)價(jià)的基本方法的其中之一，也是地下工程設(shè)計(jì)中必然進(jìn)行的基礎(chǔ)，也是礦山建設(shè)投資的重要依據(jù)，是進(jìn)行科學(xué)管理與評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的工具，巷道圍巖穩(wěn)定性分析發(fā)展，歸納起來可認(rèn)為經(jīng)歷了以下四個(gè)階段：經(jīng)驗(yàn)判定階段：在巷道圍巖穩(wěn)定性研究的初期，由于對(duì)巖體的理論基礎(chǔ)和破壞因素認(rèn)識(shí)不足，局限于研究人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 嚴(yán)重依賴某單一因素的定性判定階段。專家評(píng)分階段：到20世紀(jì)70年代，對(duì)圍巖的破壞的理論基礎(chǔ)有了加深的認(rèn)識(shí)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響因素從單一因素到多因素、多指標(biāo)發(fā)展，同時(shí)對(duì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)在定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了量化，對(duì)定性指標(biāo)采取專家的建議[3]。數(shù)學(xué)分析階段：近20年來，圍巖分析融合了諸多因素、多指標(biāo)，進(jìn)行定量評(píng)價(jià)與定性指標(biāo)量化評(píng)價(jià)相結(jié)合，對(duì)巖體的理論基礎(chǔ)和不確定性加深了的認(rèn)識(shí)，在數(shù)學(xué)上，模糊數(shù)學(xué)、灰色理論等數(shù)學(xué)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(duì)圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)開始與數(shù)學(xué)工具相結(jié)合[3]。智能分類階段：隨著對(duì)巖體不確定性加深了認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)巖體性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)巖體的認(rèn)識(shí)難以加深，而在20世紀(jì)的80年代末，人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，同時(shí)現(xiàn)代的控制理論、信息學(xué)、系統(tǒng)工程等學(xué)科的發(fā)展對(duì)巖體力學(xué)的發(fā)展帶來了新的認(rèn)知方法，運(yùn)用專輯系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代智能技術(shù)手段在圍巖穩(wěn)定性分類上，對(duì)巖體的不確定性進(jìn)行運(yùn)算分析[3]。(2)地下工程圍巖穩(wěn)定性研究的現(xiàn)狀巖體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面、軟弱層面、節(jié)理、軟弱片理和軟弱帶等各種力學(xué)成因的破裂面和破裂帶等[3]。對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的定量描述是復(fù)雜的課題，大致包括了兩個(gè)方面：(1)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)收集的定量、半定量的資料[3]。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)提取結(jié)構(gòu)面的有關(guān)參數(shù)。其中第二個(gè)內(nèi)容目前主要包括兩個(gè)步驟:一是用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行定量化描述和分析；第二是用計(jì)算機(jī)模擬巖體結(jié)構(gòu)，分析其特征。在巖體結(jié)構(gòu)面的定量化統(tǒng)計(jì)研究方面，國(guó)內(nèi)研究人員做了很多的工作，為通過結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律研究奠定了堅(jiān)實(shí)的的基礎(chǔ)。(1964)研究了巖體結(jié)構(gòu)面形狀統(tǒng)計(jì)分布,建立了“”各項(xiàng)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(diǎn)，探討了分維值與結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的主要因素[3]。馮夏庭(1999)建立了分形維數(shù)與JRC的關(guān)系式并應(yīng)用于JCR值的近似分形預(yù)測(cè)[3]。更重要的是，裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)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(luò)生成方面做了許多研究；陳劍平、周維恒等(1995)發(fā)展了結(jié)構(gòu)面三位網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，并將模擬技術(shù)與節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)取值研究相結(jié)合[3]；陳征宇等(1998)應(yīng)用非平穩(wěn)態(tài)隨機(jī)過程模擬裂隙間距,并通過MonteCarlo方法生成方針裂隙網(wǎng)絡(luò)[3]；SenZ,進(jìn)而進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)[3]；陳乃明等通過接力網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)模擬研究探討了節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的分形維數(shù)與結(jié)理參數(shù)的關(guān)系，實(shí)踐中，裂隙網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工程應(yīng)用尚需發(fā)展，尤其是在根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果評(píng)價(jià)巖體力學(xué)特性，計(jì)算巖體損傷張量、滲透張量及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面[3]。(3)圍巖穩(wěn)定性分析存在問題隨著計(jì)算機(jī)與巖土研究中的緊密結(jié)合，圍巖穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算法有了新的發(fā)展。用彈塑性力學(xué)理論分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元程序廣泛應(yīng)用，邊界元及邊界元與有限元耦合法在隧道工程中的應(yīng)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(yīng)的程序。計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)方法的加深利用，使我們對(duì)地下工程的一些問題進(jìn)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(jìn)。圍巖在工程中的理論基礎(chǔ)是什么？如何描述？它與人工支護(hù)體的相互作用特征怎樣？這些基礎(chǔ)問題至今仍然未得到解決。當(dāng)然，計(jì)算技術(shù)與數(shù)學(xué)方法為我們提供了廣闊的應(yīng)用空間，其成熟程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下工程基礎(chǔ)理論的成熟程度，這就啟示著我們研究工作的重點(diǎn)，這也是我們不可回避的事實(shí)。因此，作為以應(yīng)用技術(shù)為主的研究人員, 在處理工程技術(shù)問題中，應(yīng)端正好研究問題的重心，不必在繁瑣的計(jì)算問題上糾纏不休，而忽視了簡(jiǎn)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(jì)算等于無用。圍巖穩(wěn)定性分析中存在基礎(chǔ)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(chǔ)；（2）位移反分析力學(xué)模型的假設(shè)缺少理論支持；（3）模型試驗(yàn)尚難以實(shí)現(xiàn)時(shí)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(cè)量難以實(shí)現(xiàn)。工程條件的差異、量測(cè)誤差等使其帶有顯著的定性使用的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中發(fā)生和上述標(biāo)準(zhǔn)的不一樣現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生；有的軟弱圍巖當(dāng)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(dá)到允許值卻發(fā)生了坍塌；此外，還有統(tǒng)計(jì)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(yīng)用于實(shí)施量測(cè)的工程，人們?cè)跀?shù)值模擬和理論分析時(shí)經(jīng)常查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)圍巖穩(wěn)定性的規(guī)范，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)并不確定只是給了一個(gè)大概的范圍，部分定量指標(biāo)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)資料得出。這表明，在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)定基準(zhǔn)值時(shí)難以用數(shù)值方式表示。對(duì)圍巖失穩(wěn)的判斷主要還停留在依靠經(jīng)驗(yàn)的判斷上，建立定量的失穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn)仍然需要廣大的研究人員長(zhǎng)時(shí)間的艱辛勞動(dòng)。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(fù)雜性。綜上所述：巖體力學(xué)理論機(jī)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(yàn)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(xué)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(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析時(shí),解析法是采用復(fù)變函數(shù)法進(jìn)行圍巖應(yīng)力場(chǎng)與變形場(chǎng)計(jì)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(dāng)硐室是非圓形時(shí),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(guān)鍵。解析法也具有精度高,速度快和易于進(jìn)行規(guī)律性研究等優(yōu)點(diǎn)。但是解析法分析目前多限于深埋的地下工程,對(duì)于淺埋隧道圍巖分析在數(shù)學(xué)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(jiǎn)單及介質(zhì)特性簡(jiǎn)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(shí)際。有限元法有限元法自20 世紀(jì)70 年代提出發(fā)展至今,已經(jīng)相當(dāng)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(yīng)力應(yīng)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(yùn)動(dòng)學(xué)理論，較好地模擬具有非連續(xù)面的巖體的運(yùn)動(dòng)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(yīng)用。其基本思想是巖塊之間的相互作用，同時(shí)受位移力的物理方程和力加速度(速度、位移)的運(yùn)動(dòng)方程的支配,通過迭代求解顯示巖體的動(dòng)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?cè)谕饬ψ饔孟碌钠胶鈼l件、變形協(xié)調(diào)條件及塊體之間夾層材料的本構(gòu)關(guān)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(yīng)力狀態(tài)。該法特別適用于具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)面巖體的穩(wěn)定分析，與有限單元法相比，可減少未知量個(gè)數(shù)，提高計(jì)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(diǎn)是計(jì)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(duì)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(jì)算時(shí)間短、計(jì)算范圍大等特點(diǎn),但邊界元法對(duì)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(shí)具有一定的優(yōu)點(diǎn),可以反映圍巖不連續(xù)的變形和運(yùn)動(dòng)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(hù)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(yīng)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(jī)性和模糊性,因此可采用模糊數(shù)學(xué)和可靠度方法進(jìn)行研究?？煽啃岳碚摳鶕?jù)不同的巖石破壞判據(jù)建立極限狀態(tài)方程，自應(yīng)用于巖土工程以來,在許多領(lǐng)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(jié)構(gòu)工程的破壞概率，進(jìn)而分析其穩(wěn)定可靠性。為工程設(shè)計(jì)和制定相應(yīng)工程措施提供重要依據(jù)Error! Reference source not found.。(4)其它方法除了上述常用的方法外,其它一些理論與方法也在圍巖穩(wěn)定分析中得到應(yīng)用。地下工程圍巖開裂和破壞主要由于結(jié)構(gòu)面的斷裂擴(kuò)展和連通,所以斷裂和損傷力學(xué)方法評(píng)價(jià)節(jié)理裂隙巖體穩(wěn)定性和變形行為已成為常用的分析方法；此外,反分析等方法也被應(yīng)用于圍巖的穩(wěn)定性分析中。然而，任何一種分析方法都不是萬能的、唯一的、排它的，如果能把2種或多種方法融合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，則對(duì)問題的分析更有用。如：將解析法與數(shù)值方法相結(jié)合的半解析元法被應(yīng)用于模擬雙孔平行隧道施工過程；模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也已被應(yīng)用于圍巖的穩(wěn)定性分類中。在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，巖體產(chǎn)生大量的裂隙、節(jié)理和斷層，破壞了巖體的完整性，降低了巖體的強(qiáng)度，是影響地下工程圍巖穩(wěn)定性的重要因素之一。本文結(jié)合工程實(shí)際情況，以圍巖穩(wěn)定性的彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，主要運(yùn)用數(shù)值模擬的手段，采用ANSYS軟件對(duì)含非連續(xù)結(jié)構(gòu)面以及裂隙的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)地研究，具體研究?jī)?nèi)容與方法如下：（1）結(jié)合工程實(shí)際情況建立馬蹄形隧道的數(shù)值計(jì)算模型，利用接觸單元模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的工作性狀，分析含有非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的隧道圍巖的應(yīng)力與位移場(chǎng)的分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面傾角、摩擦系數(shù)、巖性以及與非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸以及與巷道口的間距等因素對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。（2）針對(duì)裂隙對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響程度問題，建立在直墻拱形巷道周邊有單一裂隙圍巖的平面應(yīng)變數(shù)值模型，分析不同位置、不同方位的裂隙對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，對(duì)裂隙的危害程度作出評(píng)價(jià)。2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ)巖石是自然歷史的產(chǎn)物，由于它們的生成條件及在生成以后的漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期中，形成了許多各式各樣的結(jié)構(gòu)面，例如巖漿侵入巖與圍巖接觸面，不同侵入巖體彼此的接觸面、冷凝裂隙，噴出巖和沉積巖的層理、不整合面，變質(zhì)巖的片理、片麻理，組成各種巖石的礦物晶體的各種優(yōu)勢(shì)定向排列面以及由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化、重力和卸荷等各種不同動(dòng)力的作用而產(chǎn)生的斷層、節(jié)理、裂隙等。它們嚴(yán)重地破壞了巖石的完整性。在這種情況下，對(duì)巖體工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各種結(jié)構(gòu)面分割的巖石塊體，而主要是巖體中存在的結(jié)構(gòu)面，或者是由巖石和結(jié)構(gòu)面共同控制。在巖石力學(xué)中常用到“巖塊”、“巖體”、“巖石”等術(shù)語，一般地被結(jié)構(gòu)面切割成的巖石塊體或從地殼巖層中切取出來的無顯著軟弱面的巖石塊體稱為巖塊，而把自然埋藏條件下的大范圍分布的由巖塊和各種結(jié)構(gòu)面（軟弱面）網(wǎng)絡(luò)組成的地質(zhì)體稱為巖體。巖石則是“巖塊”和“巖體”的統(tǒng)稱。 巖石的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)基本要素：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)面就是巖體內(nèi)具有確定的方向、較大的延展性、較小的厚度兩維面狀地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的異面和不連續(xù)面（如層理、斷裂面等） 結(jié)構(gòu)體則是被不同層狀結(jié)構(gòu)組合切割形成大小不一形態(tài)各異的單元巖塊。1節(jié)理；2層理；3斷層；4斷層破碎帶(a)整體結(jié)構(gòu)；(b)塊狀結(jié)構(gòu)；(c)層狀結(jié)構(gòu)；(d)薄層狀結(jié)構(gòu)；(e)鑲嵌結(jié)構(gòu)；(f)層狀破壞結(jié)構(gòu)(g)破裂結(jié)構(gòu)；(h)散粒結(jié)構(gòu)圖21為巖體的結(jié)構(gòu)型式 表21巖體結(jié)構(gòu)的基本類型巖體結(jié)構(gòu)類別地質(zhì)背景結(jié)構(gòu)面特征結(jié)構(gòu)體特征整體塊狀結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)巖性單一、構(gòu)造變形輕微的巨厚層沉積巖、變質(zhì)巖和火山溶巖、火成侵入巖結(jié)構(gòu)面少，一般不超過三組，延續(xù)性極差，多呈閉合狀態(tài)，無填充或含少量碎屑巨型塊狀塊狀結(jié)構(gòu)巖性較單一，受輕微構(gòu)造作用的厚層沉積巖和變質(zhì)巖、火成巖侵入體結(jié)構(gòu)面一般23組，裂隙延續(xù)性極差，多呈閉合狀態(tài)。層面有一定的結(jié)合力塊狀、菱形塊狀層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)