金川1号力学试验巷道的设计与施工——喷锚网支护结构在金川高应力破碎岩体中的应用

金川不良岩层中巷道的变形破坏十分严重,是影响金川有色金属公司生产成本和矿山建设的关键所在。多年来,围绕不良岩层中巷道地压的控制管理,金川有色金属公司组织了几十个科研、设计、生产、高校等单位的科技人员进行联合攻关,并取得了不少重大成果。但是,要想真正把握金川不良岩层中地压显现的规律,制定一套有效控制高应力破碎岩体中巷道地压的措施,还有待进一步的深入研究。本文所介绍的“金川1号岩石力学试验巷道的设计与施工”:是采用喷锚网支护结构,利用二次支护方法,制服金川高应力破碎岩体中巷道围岩变形破坏的一个示范。     

金川二矿区大体积充填体变形的三维数值模拟

充填法采矿是维护矿山稳定、控制地压变化以及限制围岩变形的最有效的手段方法,这种方法被大量地应用于金属矿山的开采工程当中。充填体作为矿体采出后的替代物,充入地下采空区后经过相变-固结-承压-提供反力-与围岩相互作用等阶段,与上覆岩层、下部矿体以及周围围岩形成了一个共同抵抗外部压力又相互作用的系统。这个系统在矿山开采状态下如何维护自身稳定以及相互作用所产生的变形破坏等都是需要进行研究的问题。金川镍矿二矿区已经进行了几十年的充填开采作业,逐渐形成了体积非常巨大的充填体,而进入深部开采工程后,上覆巨大充填体的受力稳定问题直接关系到矿山的安全生产。本文结合金川二矿区开采实际,在精确刻画充填体三维形态特征的基础上,采用数值模拟方法分析了大型充填矿山充填体的力学行为。模拟结果表明:充填体在开采时会出现整体受压变形,最大剪应力是导致充填体与围岩发生局部破坏的主要因素,对此根据充填体整体塑性屈服区域的分布和剪应力分布情况,确定了破坏失稳的危险区域。     

金川矿区地下巷道围岩应力场特征及演化机制

金川矿区位于高地应力区，岩性坚硬但岩体较为破碎，其地下巷道围岩压力在时间上和空间上的分布具有矛盾统一的双重性特征，这种双重性特征在国内外许多同类型地下工程中均存在。从应场演化角度，对该类围岩的应力场特征及其演化机制进行了探讨，人为围岩应力的特殊时间和空间分布特征的根本原因是结构面在围岩动态演化过程中发生一系列复杂的时间相关性力学行为和力学响应。据此提出围岩结构性流变的观点，并给出其理论解，它较好地反映了该类围岩变形破坏过程中应力场的演化特征。     

采动影响下巷道围岩变形与破坏的弱结构面效应

岩体中弱结构面的产状要素和力学参数是影响深部巷道围岩变形和破坏的重要因素。通过对金川矿区地下开采过程中发生的与弱结构面效应有关的巷道变形特征、破坏模式与机理分析得出,在断层附近或穿过断层开挖时,往往会引起断层活化,引发巷道变形和破坏。当在节理岩体中开挖时会使围岩中低强度的节理裂隙等弱结构面正应力减小,抗剪强度降低,从而发生相对滑移、变形。此外,与巷道开挖相比,矿体开采的影响不仅在持续时间上,还是在影响以及程度上都是造成巷道变形和破坏的弱结构面效应更加显著的主要原因。     

Anisotropic Deformation of a Circular Tunnel Excavated in a Rock Mass Containing Sets of Ubiquitous Joints: Theory Analysis and Numerical Modeling

Determining anisotropic deformation surrounding underground excavations for tunnels is an intuitional task that involves many difficulties due to the inherent anisotropies in the strength and deformability of natural rocks. This study investigates joint-induced anisotropic deformation surrounding a tunnel via a numerical simulation that accounts for the mechanical behavior of intact rock, the orientations of joint sets, and the mechanical behavior of joint planes; this numerical simulation can model the complete stress–strain relationship with anisotropic rock mass characteristics. Simulation results demonstrate that the well-known excavation-induced stress variation–decrease in the radial component and increase in the tangential component–decrease shear strength and increase shear stress for the joint plane tangential to the tunnel wall, resulting in joint sliding failure and considerable shear deformation. This joint sliding failure and significant shear deformation account for the joint-induced anisotropic deformation surrounding a tunnel. When a rock mass has two joint sets with unfavorable joint orientations, the area with joint sliding failure can deteriorate mutually, resulting in large anisotropic deformation. Additionally, for a rock mass containing three joint sets with well-distributed orientations, joint sliding in various joint sets and associated stress variations can counter balance each other, resulting in less anisotropic deformation than those of rock masses containing one or two joint sets.     

Modelling Rock Blasting Considering Explosion Gas Penetration Using Discontinuous Deformation Analysis

Explosion gas plays an important role in rock mass fragmentation and cast in rock blasting. In this technical note, the discontinuous deformation analysis method is extended for bench rock blasting by coupling the rock mass failure process and the penetration effect of the explosion gas based on a generalized artificial joint concept to model rock mass fracturing. By tracking the blast chamber evolution dynamically, instant explosion gas pressure is derived from the blast chamber volume using a simple polytropic gas pressure equation of state and loaded on the blast chamber wall. A bench blasting example is carried out. The blast chamber volume and pressure time histories are obtained. The rock failure and movement process in bench rock blasting is reproduced and analysed.     

金川二矿区14行风井返修支护效果分析

针对金川二矿区14行风井的返修支护方案,本文根据金川矿区高应力破碎岩体的条件,从锚杆、喷射混凝土、钢筋网三方面,分析了该方案中喷锚网支护的作用机理,并通过数值方法分析了该返修支护方案的效果。研究结果表明:14行风井的返修支护措施对竖井围岩移动、变形有一定的限制作用,但效果不是很好;随着开采深度和规模的扩大,井筒围岩还将产生较大的位移,并有可能重新发生破坏。     

高应力区露天转地下开采岩体移动规律

以金川龙首矿为例,基于2003―2008年长达12期的GPS实测数据,按照时空分布比较分析总体变形趋势,得出整个矿区的地表沉降特征、平面位移特征、行线（勘探线）随时间变化的沉降和平面位移特征。据此分析了以水平构造应力为主导的高应力区露天转地下开采引起岩体的变形规律,并与该矿闭坑之初的变形规律比较,通过理论分析的方法对产生差异的原因进行初步解释,并用数值模拟的方法加以验证,其研究结果对认识露天转地下开采引起的岩体移动、破坏特征,指导矿区安全生产有积极意义     

陡倾矿体充填法开采引起地表移动的实例分析

监测表明,长期采用充填法开采的大型金属矿山也会发生显著的地表变形破坏现象。为了掌握金川镍矿地下开采引起的地表移动、变形和破坏规律,借助GPS技术作为地表移动的监测手段,建立了覆盖矿区地表的GPS监测网。持续的监测数据表明,金川矿区地表最大沉降量已达2400mm左右,以现场调查与地表长期监测数据为依据,给出了地表移动的范围与特征,分析了与岩体移动、变形和破坏现象发生相关的条件和规律,并提出了一些具有预测性的观点,为工程地质-岩石力学条件大致相同矿山的工程技术人员和研究人员提供了一个有借鉴意义的实例。     

砂质泥岩三轴卸荷流变力学特性试验研究

流变对工程岩体的长期变形稳定具有十分重要的影响,但目前关于卸荷流变的试验研究中通常只考虑恒轴压卸围压的应力路径,与隧洞开挖过程中围岩的应力调整过程存在一定的差距。以砂质泥岩为试验研究对象,设计进行了加轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下的分级卸荷流变试验。试验结果表明：恒轴压卸围压和加轴压卸围压方案下岩样的流变变形趋势总体一致,但相同初始围压条件下,加轴压卸围压试样破坏的围压相对较高,偏应力相对较大,但长期强度与破坏应力的比值相对较小;在围压卸载至岩样临近破坏时,加轴压卸围压方案下岩样的流变应变增长速率明显较快,试样破坏的更加突然;恒轴压卸围压条件下岩样的破坏形态相对简单,一般只存在一条完整的剪切破坏面,而加轴压卸围压条件下岩样的破坏形态要复杂得多,除了控制性的剪切破坏面之外,还伴随有一定数量的次生剪裂纹和张拉裂纹,而且初始围压越大,试样的次生裂纹越多。因此,在隧洞围岩长期变形稳定分析过程中,单纯的恒轴压卸围压流变试验不能满足工程实际需求,应该尽量丰富岩石力学试验的应力路径,以便较好地模拟工程岩体应力的实际变化过程,研究成果为隧洞围岩的长期变形稳定性研究提供了较好的研究思路。