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深地下工程围岩独特的分区破坏现象

已有 7517 次阅读 2014-6-4 20:35 |系统分类:科普集锦

深地下工程围岩独特的分区破坏现象

王明洋,范鹏贤

二十一世纪是地下空间的世纪。随着对生存空间和资源的需求越来越大,人类逐渐将目光投向太空、海洋和地下。嫦娥飞天揽月,蛟龙下海捉鳖,上天下海的科技突破让世人惊叹,吸引着大众的目光。然而,还有一些人并不那么引人注目的为了另一个同样重要的目标而绞尽脑汁,那就是“入地”。

在城市,地铁、地下商业街、地下停车场、地下人防设施等已经与人类生产生活活动密不可分。同时,随着国民经济的不断发展,人类对地下空间开发的强度越来越大,人类向深地下要资源、要空间、要安全的需求越来越强烈。

以矿产开采为例,由于浅地表资源的枯竭,矿井深度逐年加深。我国很多煤矿和有色金属矿已经进入1000米以下的深度开采,并且逐年加深;南非的金矿采深已经接近4000米。水利水电工程也逐渐进入深部地下空间。如锦屏二级水电站的引水隧道,上覆岩石厚度最大达2525米,其中还建设了中国首个极深地下实验室(如图1)。其他工程,如山区公路隧道、地下国防工事、大规模地下储库、核废料处置工程等,也都深入地下数百米甚至上千米。

1 锦屏电站引水隧道和地下实验室示意图

在对深部工程引起的岩石力学问题研究的过程中,国外采矿、岩土工程界专家学者相继提出了“深部”的概念。地下工程存在某一个深度,在其水平以上的工程采用常规的施工工艺和支护方法即可控制围岩的稳定,但在其水平以下的地下工程中,巷道围岩的变形破坏明显加剧,地压显现剧烈,出现大变形、岩爆等工程灾害现象,采用常规的支护对策及施工工艺已不能够对围岩起到有效控制,这一深度即为临界深度。深部岩体是由于埋藏较深,初始地应力较大,从而导致一些在浅部岩体中很少遇到的变形破坏现象和技术难题。分区破裂化现象即是深部岩体特有的变形破坏现象之一。

分区破裂化现象最早由俄罗斯学者发现并提出。早在1985年俄罗斯学者就对分区破裂化现象进行过现场观察。观测地点选择在俄罗斯的塔尔赫斯科十月矿区的灯塔矿(110~-140m)、共青团矿(-500~-550 m)、十月矿(-800~-900m)、泰米尔斯基矿(-957~-1050m)。采用了多种观测手段:直流和低频电测、井下电测法、超声波透视、核物理探测、利用钻孔式潜望仪用肉眼进行抽样检查、以及按岩芯采样分析等。

2为泰米尔斯基矿(-1050m)通过打孔根据肉眼观测到的岩石分区破裂化剖面图。从图中可以看到,从洞室向围岩深处依次存在4个明显的破裂区,破裂区之间为相对完好的围岩。这种间隔破裂的现象颠覆了人们对围岩变形破坏规律的认识。

在研究浅埋隧洞围岩变形破坏时,一般认为,随着洞室的开挖卸载,靠近洞室的围岩首先进入破坏区,远离洞室的围岩处于弹性区。其典型破坏分区和应力分布情况如图3所示。

对比图2 和图3可知,当岩体的埋深达到一定程度以后,围岩的变形破坏模式发生了很大的变化。如果按照浅埋工程的经验来指导深部岩体工程的施工,将有可能导致严重的误差,甚至造成难以挽回的损失。

2 洞室周围岩石分区破裂化剖面图

3 浅埋洞室围岩破坏区示意图

更多的现场观测资料表明,分区破裂化现象并不仅仅出现在隧道的横断面上。图4、图5为根据观测数据描绘的南非Witwatersrand金矿-2000~3000m深处的巷道顶板中以及工作面前方的分区破裂化情景。由此可见,分区破裂化现象不仅发生洞室两侧,也发生在洞室顶板、底板以及工作面前方。同时,由图5可以看出,分区破裂化现象并不是一次性形成的,而是随着时间发展的过程。事实上,发生在地下深处的岩体变形破坏过程(如非线性大变形、岩爆、冲击地压等)大多与时间密切相关。研究深部岩体的时效变形特性是揭示该类现象发生机理和规律的必由之路。

 

4 巷道顶板分区破裂化情景

 

5 工作面前同一钻孔在不同时间的分区破裂图

我国发现深部巷道围岩的间隔性区域断裂现象的时间并不晚。根据已有的实测资料,在1979年就有在徐州权台矿的巷道锚杆不仅受拉作用,还受压应力作用的报道;1991年在淮北朱仙庄矿巷道获得围岩超声波速有呈波峰-波谷-波峰状态的分布;1996年,金川矿巷道围岩应力应变的实测有压-拉-压等分布。这些都是分区破裂化现象的间接证据。

我国对分区破裂化现象的直接观测证据来自于淮南矿区。李术才,许宏发等对丁集煤矿西部采区南运输大巷(埋深955米)进行了现场观测。他们在该巷道选取4个监测断面,在每个断面布置数个钻孔,采用电阻率测试仪和钻孔电视,围岩体内部的破坏情况进行观测,并根据测试结果,绘制巷道围岩分区破裂图。观测结果表明,4个监测断面围岩内均产生了4个破裂分区,第1个破裂分区厚度与巷道半径相当,破裂程度最严重,第2 个破裂分区其后各破裂分区厚度和破裂程度均依次减小。图6为现场观测的分区破裂化情况。

 

                                                                                             A

                                                                                                 B

               

                                                                                                 C

        D

      图6 巷道分区破裂化情况

对现场观测数据进行的分析后,可以看出分区破裂化现象具有一定规律性:

(1) 围岩中的分区破裂化现象大多发生在地应力很高的深部围岩中,一般岩体的初始垂直地应力大于岩体单轴压缩强度极限;

(2) 隧道周围裂缝的延伸方向与隧道轮廓的几何外形相似,并逐渐趋于圆形,破裂发育带和未破坏的岩体间隔出现;

(3) 工作面前方存在着岩石破裂带和未破坏带交替出现的情况,裂缝方位与工作面平行或基本平行,同时,裂缝带并不随着回采工作面的前移而不断形成,而是断续地展开;

(4)  分区破裂化现象中破裂区的数量取决于地应力和岩体强度的比值,比值越大,破裂区越多,反之则少;

(5)  分区破裂化现象既发生在巷道钻爆法施工时,也发生在巷道机械化掘进时的情况下。

由于分区破裂化与传统的对浅埋地下工程围岩破坏现象显著的不同,因而从其发现以来就引起了岩石力学界的研究兴趣。针对该现象的发生机制,国内外学者提出了多种模型和解释,如基于支撑压力区的劈裂破坏的解释、基于动力破坏的解释、基于能量破坏的解释、非欧几何模型和应变梯度模型等。尽管学者们已经提出多种模型和解释,但或多或少存在一定缺陷,没有形成令人信服的公认的观点。为了深入认识地下深处发生的独特物理现象,指导人类开发深地下空间和资源的工程实践,还需要更加深入系统的研究。

参考文献:

[1]       何满潮. 深部的概念体系及工程评价指标. 岩石力学与工程学报,2005, 24(8): 2854-2858.

[2]       Shemyakin E I, Fisenko G L, Kurlenya.M V. Zonal disintegration of rocks around underground workings, PartⅠ: data of in situ observations [J]. Journal of Mining Science, 1986, 22(3)157-168

[3]       李术才,王汉鹏,钱七虎,李树忱,范庆忠,袁亮,薛俊华,张庆松. 深部巷道围岩分区破裂化现象现场监测研究. 岩石力学与工程学报,2008, 27(8): 1545-1553.

[4]       许宏发,钱七虎,王发军,李术才,袁. 电阻率法在深部巷道分区破裂探测中的应用,岩石力学与工程学报,2009, 28(1): 111-118.

 



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