金川二礦區(qū)巷道圍巖力學(xué)參數(shù)空間效應(yīng)數(shù)值分析

1、第23卷 第1期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 23(1:64682004年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.,20042001年12月24日收到初稿,2002年3月16日收到修改稿。 * 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973資助項(xiàng)目(2002CB412702。作者 侯哲生 簡介:男,28歲,1998年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)采礦工程專業(yè),2001年在蘭州大學(xué)獲巖土工程專業(yè)碩士學(xué)位,現(xiàn)為中國科學(xué)院地質(zhì)金川二礦區(qū)巷道圍巖力學(xué)參數(shù)空間效應(yīng)數(shù)值分析*侯哲生1 韓文峰2 李 曉1(1中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029 (2天

2、津城建學(xué)院 天津 300381摘要 用有限元位移反分析法,對金川二礦區(qū)某巷道的圍巖力學(xué)參數(shù)(變形模量進(jìn)行了空間效應(yīng)的數(shù)值分析。分析結(jié)果表明,在巖體破碎、工程地質(zhì)條件惡劣且處于高地應(yīng)力環(huán)境中的金川礦區(qū),巷道由于開挖卸荷,巖體質(zhì)量下降,相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)變化很大。最后,初步得出了此巷道圍巖變形模量的空間分布規(guī)律。 關(guān)鍵詞 巖體力學(xué),金川二礦區(qū),空間效應(yīng),有限元法分類號(hào) TU 452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000-6915(200401-0064-05NUMERICAL ANALYSIS ON SPATIAL EFFECT OF MECHANICAL PARAMETER OF SURROUNDIN

3、G ROCKS IN JINCHUAN DEPOSIT Hou Zhesheng 1,Han Wenfeng 2,Li Xiao 1(1Institue of Geology and Geophysics ,The Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029 China (2Tianjin Institue of Urban Construction , Tianjin 300381 China Abstract FEM back-analysis of displacement is used to explore the spatial eff

4、ect of deformation modulus of surrounding rocks in Jinchuan deposit II. After analysis ,it is found that the deformation modulus is changed greatly as a result of excavation and unloading of surrounding rocks which is situated in the environment of high stress field and bad engineering geology condi

5、tions. At the same time ,the spatial distribution of deformation modulus is obtained. Key words rock mechanics ,Jinchuan deposit II ,spatial effect ,FEM1 前 言金川鎳礦是我國三大資源綜合利用基地之一。其礦體長約6.5 km ,寬幾十到五百多米,深達(dá)千米以上。含礦母巖為超基性巖體,被NEE 向斜切斷層分割為四個(gè)相對獨(dú)立的礦區(qū),自西向東依次為三、一、二、四礦區(qū)。二礦區(qū)占金川礦床礦產(chǎn)儲(chǔ)量的75%,其中品位在2%以上的富礦又占全礦金屬鎳儲(chǔ)量的76%,

6、因此二礦區(qū)的生產(chǎn)和建設(shè)是金川鎳鈷基地建設(shè)的關(guān)鍵。由于經(jīng)歷了地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)長期的繼承性活動(dòng),又遭受了巖漿巖頻繁的侵入與穿插作用,礦區(qū)巖層破碎,完整性差,工程地質(zhì)條件惡劣,給礦山的生產(chǎn)和建設(shè)帶來了極大的困難,制約了金川鎳礦的開發(fā)。尤其處在不良巖層中的巷道,在施工中難以順利完成。出現(xiàn)這種情況的原因,一方面是由礦區(qū)惡劣的工程地質(zhì)條件和高地應(yīng)力等因素所致;另一方面,在井巷的設(shè)計(jì)和施工中,缺乏合理和科學(xué)的巖體力學(xué)參數(shù)依據(jù)也是重要原因之一。第23卷第1期侯哲生等. 金川二礦區(qū)巷道圍巖力學(xué)參數(shù)空間效應(yīng)數(shù)值分析 65 目前對巖體力學(xué)參數(shù)的研究方法有現(xiàn)場試驗(yàn)法、室內(nèi)試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)類比法和反分析法等,由于反分析法具有方

7、便易行等許多優(yōu)越性,已廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中。反分析法分為應(yīng)力反分析法、位移反分析法和混合反分析法。其中的位移反分析法更是普遍得到工程技術(shù)人員和科研人員的青睞1。對于地下巷道圍巖力學(xué)參數(shù)的位移反分析,目前通常把圍巖視作具有均一參數(shù)的一種介質(zhì),這樣所得的反分析參數(shù)結(jié)果只能是圍巖的平均參數(shù)值。而實(shí)際上,地下巷道開挖后,圍巖距巷道壁深度不同,相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)分布呈現(xiàn)出一定的空間效應(yīng)。鑒于這種情況,盡管已有人提出過考慮塑性區(qū)的雙介質(zhì)模型反分析法2,但都不能得出更切合實(shí)際的參數(shù)空間分布規(guī)律。因此,作者在本文中將巷道的圍巖分為多層,采用用多點(diǎn)位移計(jì)測得的位移資料,實(shí)施數(shù)值分析方法,對巷道圍巖的力學(xué)參數(shù)空間效

8、應(yīng)作了一些分析,希望能對這一問題的解決作一點(diǎn)有益的探索。本文選取中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所和金川有色金屬公司1991年“金川鎳礦二礦區(qū)不良巖層巷道穩(wěn)定性研究”課題總報(bào)告的部分原始位移實(shí)測資料,采用彈塑性有限元位移反分析法,對該課題試驗(yàn)巷道開挖后圍巖(二輝橄欖巖變形模量的空間效應(yīng)做了一些探索,獲得了此參數(shù)隨空間變化的一些規(guī)律,以期為今后類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供可靠的巖體力學(xué)參數(shù)依據(jù)。2 試驗(yàn)巷道地質(zhì)狀況簡介試驗(yàn)巷道位于二礦區(qū)中段12行底盤穿脈,含礦超基性巖體臨近其底盤的二輝橄欖巖相中。巷道埋深530 m,軸向S51°22E,全長37 m。試驗(yàn)巷道所揭露的巖體,除有一條水平厚度為1.5

9、 m的輝綠巖脈外,其余全為二輝橄欖巖,其結(jié)構(gòu)面主要為構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。其中級(jí)結(jié)構(gòu)面11條,級(jí)結(jié)構(gòu)面35條。巷道各類結(jié)構(gòu)面的密度由NW向SE有遞增的趨勢。如線密度由4.88條/m增至7.15條/m;面密度由8.32條/m2增至12.62條/m2;RQD 值相應(yīng)地由46%降至14.98%。試驗(yàn)巷道地質(zhì)狀況見圖1。根據(jù)試驗(yàn)巷道揭露的巖性、地質(zhì)構(gòu)造與巖體結(jié)構(gòu)等工程地質(zhì)特征的差異,將其劃分為3個(gè)工程地質(zhì)段:第1段(010.8 m,第2段(10.820.6 m,第3段(20.637 m。本文所選取資料為30.5 m斷面的深部圍巖位移資料。本斷面屬于第3段中,此段二輝橄欖巖中以,級(jí)張性裂隙占優(yōu)勢,按產(chǎn)狀劃分多于5

10、組,結(jié)構(gòu)體形態(tài)復(fù)雜,長軸一般為0.20.3 m,呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu),屬碎裂介質(zhì)。此類結(jié)構(gòu)的巖體在巷道開挖時(shí),其變形破壞受結(jié)構(gòu)面控制,巖體變形以結(jié)構(gòu)面滑移、閉合、鑲嵌交合等形式為主。從宏觀上看,巖體變形大、擴(kuò)容現(xiàn)象明顯3。3 鉆孔深部位移實(shí)測資料本文用于反分析的原始位移資料為該試驗(yàn)巷道多點(diǎn)位移計(jì)1#觀測斷面左孔孔內(nèi)的最后一次位移觀測值。1#觀測斷面各孔位移觀測值示意圖見圖2, 1#觀測斷面左孔內(nèi)位移觀測值見圖33。4 彈塑性模型本論文采用彈塑性有限元分析,屈服準(zhǔn)則采用Drucker-Prager準(zhǔn)則,即+=21JIF(1 圖1 試驗(yàn)巷道地質(zhì)展開圖Fig.1 Geological outspread

11、of test tunnel 66 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2004年 圖2 1#觀測斷面各孔孔內(nèi)位移觀測示意圖 Fig.2 Displacement data observed within the bore forsection 1# 圖3 1#斷面左孔內(nèi)位移觀測值與深度關(guān)系 Fig.3 Relation between observed in-bore displacement ofleft bore and depth at section 1#式中:1I 與2J 分別為應(yīng)力張量第一不變量與應(yīng)力偏量第二不變量,與為材料參數(shù)。5 有限元計(jì)算模型由于試驗(yàn)巷道1# 觀測斷面周圍只涉及到二輝橄欖巖

12、和大理巖,且巷道左側(cè)巖體全為二輝橄欖 巖,故計(jì)算模型只選取了巷道左側(cè)的二輝橄欖巖(圖4。其區(qū)域?yàn)?高1 1901 220 m 共30 m ;寬(從巷 道中垂線向左15 m 。同時(shí)將整個(gè)區(qū)域分為9個(gè)小區(qū)域,相應(yīng)地分為9種介質(zhì),編號(hào)依次為19。 它們的形狀與巷道開挖斷面相同。相鄰小區(qū)域邊界 由里向外距巷道壁依次為0.9,1.8,2.7,3.5,4.7,6,6.6和7.2 m 。另外支護(hù)材料也作為一種介質(zhì),編號(hào)為10。所以計(jì)算區(qū)域共有10個(gè)小區(qū)域。模型邊界條件為:(1 位移邊界條件。右邊界x 方向約束,下邊界y 方向約束。(2 應(yīng)力邊界條件。上邊界施加16.5 MPa 的豎向均布?jí)毫d荷,左側(cè)施加

13、梯形均布?jí)毫d荷,大小為上端32 MPa ,下端35.5 MPa 。圖4 有限元分析模型圖 Fig. 4 Model for FEM analysis6 有限元分析方法實(shí)際上,當(dāng)巷道開挖后,隨著圍巖質(zhì)量的下降,其力學(xué)參數(shù)(包括泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角和變形模量均不同程度地發(fā)生了變化。嚴(yán)格地講,應(yīng)同時(shí)對所有這些參數(shù)進(jìn)行反演,但其中變形模量對圍巖變形最敏感4,且若反演參數(shù)過多將會(huì)使計(jì)算非常復(fù)雜,甚至不可能實(shí)現(xiàn)。故在此計(jì)算前,各層介質(zhì)的泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角和介質(zhì)10(支護(hù)材料的變形模量取為已知值(表1,只對介質(zhì)19的變形模量進(jìn)行分析。本文數(shù)值分析手段采用反分析法中的直接法,手工調(diào)整待分析參數(shù)的輸

14、入值,目標(biāo)函數(shù)取為=ni i U i U i U S 12s j s ( (2表1 各層介質(zhì)力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of every layer層號(hào)泊松比 內(nèi)聚力 c / MPa 內(nèi)摩擦角 /(° 變形模量 E /MPa 1 0.25 0.2 38 2 0.25 0.2 38 3 0.25 0.2 38 4 0.25 0.2 38 5 0.25 0.2 38 6 0.25 0.2 38 7 0.25 0.2 38 8 0.25 0.2 38 9 0.25 0.2 38 10 0.245.0508 000第23卷 第1期 侯哲生等. 金川二礦

15、區(qū)巷道圍巖力學(xué)參數(shù)空間效應(yīng)數(shù)值分析 67 式中:(s i U 為各測點(diǎn)的實(shí)測位移值,(j i U 為各測點(diǎn)的計(jì)算位移值。確定了目標(biāo)函數(shù)后,接下來的具體計(jì)算過程即為不斷調(diào)整介質(zhì)19的變形模量,進(jìn)行多次計(jì)算,比較所有目標(biāo)函數(shù),最小的目標(biāo)函數(shù)所對應(yīng)的符合精度要求的參數(shù)值即為反分析的最終結(jié)果。從具體操作來講,此調(diào)整參數(shù)的計(jì)算過程是一個(gè)參數(shù)逐步逼近真實(shí)解的過程。首先,選取較大的調(diào)整幅度(相鄰兩次調(diào)整的參數(shù)差,進(jìn)行若干次計(jì)算,得出目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)所對應(yīng)的參數(shù)值,記為E 1(k ,其中=k1,2,9。判斷該解是否符合精度要求,若符合,則停止計(jì)算;否則,縮小參數(shù)調(diào)整幅度,以E 1(k 為平衡值,在其附近選取參數(shù)

16、值,再進(jìn)行若干次計(jì)算,將E 1(k 也考慮在內(nèi),求各次目標(biāo)函數(shù)的最小值,記為E 2(k 。判斷該解是否符合精度要求,若符合,則停止計(jì)算;否則,再遵循上面的方法繼續(xù)計(jì)算,直到計(jì)算參數(shù)值符合精度要求。這一結(jié)果即為最終結(jié)果(圖5。 圖5 分析方法框圖 Fig.5 Flow chart of analysis在這個(gè)過程中,由于人為控制參數(shù)帶有一定的主觀性,故計(jì)算過程有可能不能覆蓋所有的參數(shù)范圍。但是,人為控制具有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn),即隨著計(jì)算次數(shù)的增加,就會(huì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)趨于較小值的參數(shù)范圍,這樣可以大大減少計(jì)算量,較快地獲得預(yù)期參數(shù)值。雖然這樣得到的解有可能帶有一定的隨意性,即有可能還存在更小的目標(biāo)函數(shù),

17、但對于工程實(shí)際來說,解的精度已經(jīng)足夠了。7 有限元分析結(jié)果計(jì)算結(jié)束后,所得計(jì)算位移值列于下表2。 由表2看出,除了距孔口6 m 處的計(jì)算位移值與觀測位移值差別較大外,其他計(jì)算位移值與觀測位移值均較接近。因此從總體上來講,反分析所得的變形模量是有效的。對應(yīng)于上述計(jì)算位移值,介質(zhì)19的變形模量列于表3和圖6。表2 計(jì)算位移值與觀測位移值比較表 Table 2 Comparison of calculated and observeddisplacements距孔口深度/m觀測位移值/mm計(jì)算位移值/mm0.0 1.8 3.5 6.0 7.226.54 11.61 2.49 0.26 0.0027.

18、047 0 11.753 0 2.431 6 1.082 8 0.000 0表3 各種介質(zhì)的變形模量Table 3 Deformation moduli of various media層號(hào) 距巷道壁深度范圍/m變形模量E /MPa1 2 3 4 5 6 7 8 90.00.9 0.91.8 1.82.7 2.73.5 3.54.7 4.76.0 6.06.6 6.67.2 7.213.5700 800 1 400 2 600 4 800 6 200 7 800 9 30010 000圖6 變形模量與圍巖位置關(guān)系曲線Fig.6 Relation between deformation modu

19、li and locations ofsurrounding rocks 68 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2004年從表3和圖6可以看出,從巷道壁向里,二輝橄欖巖的變形模量逐漸增大,其中:(1 02 m范圍內(nèi),變形模量雖然有升高的趨勢,但均在1 000MPa左右以下,升高率為150 MPa/m左右。由此估計(jì)在巷道壁處,變形模量在700 MPa以下;(2 24 m范圍內(nèi),變形模量的升高率逐漸增大(曲線的切線斜率逐漸增大,從1 000 MPa左右上升到4 500MPa左右,升高率為1 250 MPa/m左右;(3 45 m范圍內(nèi),升高率又相對4 m處變小,從4 500 MPa左右上升到5 000 MPa

20、左右,升高率為500 MPa/m左右;(4 57 m范圍內(nèi),變形模量的升高率再次逐漸增大,從5 000 MPa左右上升到8 000 MPa左右,升高率為1 500 MPa/m左右;(5 7 m以遠(yuǎn)范圍內(nèi),變形模量的升高率再次相對變小,從8 000 MPa左右上升到最外圍的10 000 MPa。從總體上看,此曲線從左至右呈現(xiàn)出臺(tái)階式的上升規(guī)律,這與廖勒等提出的洋蔥狀多重殼層應(yīng)力分布模型的概念是一致的5。也就是說,在開挖后280 d左右時(shí),從深處到巷道壁方向上,二輝橄欖巖的變形模量呈現(xiàn)出臺(tái)階式下降規(guī)律,其中在02 m,45 m和7 m以遠(yuǎn)這3段內(nèi),其變形模量變化率相對比較小,在24 m和57 m這

21、兩段內(nèi),變形模量變化率相對較大。由此可得,由于巷道的開挖,使靠近巷道壁處的圍巖(二輝橄欖巖的變形模量從10 000 MPa下降到700 MPa以下,后者只有前者的7%。另外,從以上反分析結(jié)果看出,最外層巖體的變形模量為10 000 MPa,此值即為巖體未受開挖影響的初始變形模量,因此,在此計(jì)算域內(nèi)巖體的原始變形模量為10 000 MPa。而各介質(zhì)層因開挖造成的變形模量的下降量則為原始值與變化后值的差,分別列于表4和圖7。表4 變形模量變化量與深度關(guān)系Table 4 Variation of deformation moduli with depth層號(hào)距巷道壁深度范圍/m 變形模量變化量E/MPa1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.00.90.91.81.82.72.73.53.54.74.76.06.06.66.67.27.213.59 3009 2008 6007 4005 2003 8002 200700 圖7 變形模量變化量與圍巖位置關(guān)系曲線Fig.7 Variation of deformation moduli with locationsof surrounding rocks