PAGEPAGE4深部巷道圍巖蠕變規律的數據探討摘要本文以焦作礦區古漢山礦為例，以流變理論為基礎，通過對該礦區西大巷巖石的力學參數進行分析，從現有的蠕變模型中選擇合適的數據模型，建立符合焦作礦區古漢山礦西大巷巷道圍巖蠕變特征的蠕變模型。關鍵詞：數值模擬;蠕變;FLAC3D;軟巖;深部工程論文類型：探討報告目 錄摘要 31 引言 51.1問題的提出及選題的意義 51.2國內外深部工程現狀 61.3課題探討的目標、內容及方法 72 深部軟巖巷道圍巖的力學特性 92.1巖石和巖體的特性 92.2深部巖體的力學性質 92.2.1深部的科學定義 92.2.2深部巖石的復雜地質力學環境及特有的力學特征 93 巖石流變理論 113.1深部軟巖巷道圍巖的流變特性 113.1.1巖石的流變綜述 113.1.2巖石的蠕變特性 113.1.3影響深部圍巖蠕變性質的因素 123.2流變的理論模型 123.2.1基本元件 133.2.2組合模型 154 圍巖蠕變的數據模擬程序的計算原理及實現方法 184.1巖土工程數據模擬方法簡介 184.2FLAC介紹 184.2.1FLAC3D概述 184.2.2FLAC3D優缺點 184.3模型的建立 194.3.1蠕變模型的選擇 194.3.2幾何模型的尺寸 194.3.2力學模型屬性及邊界條件 184.4結果分析 194.4.1應力分析 194.4.2應變分析 224.5巷道支護 254.6數值模擬結論 285 結論及展望 295.1結論 295.2展望 296致謝 30參考文獻 31PAGEPAGE19引言1.1問題的提出及選題的意義隨著社會資源開采深度的增加，地質環境趨于復雜性，突發性工程地質災害和重大安全事故的頻發，對深部資源的開采提出嚴峻挑戰。在深部中，由于重力壓力增加和濕度升高，巖石所表現出的性能和地表大不相同。在這里人們將會遇到較大的應力，即山巖壓力和礦坑涌水問題[1-2]。這里還有許多地面工程中所想象不到得問題需要解決，如巖體自重應力狀態改變以及地球化學和物理化學的改變問題等，這些都會對地下工程的開展產生較大的影響。目前地下洞室的最大埋深已達2500m，跨度超過30m，同時還出現了多條洞室并列的群洞和巨型地下采空系統[3]。數量多、長度大、大斷面、大埋深是21世紀我國隧道工程發展的總趨勢[4]。由于開挖形成的地下空間破壞巖體原來的平衡狀態，因而將產生一系列復雜性的巖體力學作用，這些作用可歸納如下[3]。圍巖變形破壞將會給地下洞室穩定性將帶來危害。因而需要對圍巖進行支護，變形破壞的圍巖將會對支襯結構施加一定荷載從而成為圍巖壓力。綜合上述因素不難發現同地面建筑工程相比，地下工程的設計與實施具有復雜性[5]。具體總結見表1-1。深部地質力學環境較為復雜，而對深部巷道圍巖長期穩定性的探討還有許多問題待解決。僅僅依靠歸納總結的以及工程類比法對于深部工程的發展來說是遠遠不夠的[6]。深部巷道圍巖蠕變變形規律的探討對于揭示深部工程特有的現象與規律，推進深部工程的科學發展具有十分重要的意義。對此本課題以某地下礦井為具體工程背景，建立深部巷道的數值模型，模擬得出蠕變規律，對其進行支護。表1-1地面建筑工程與地下工程分析對比工程項 類別目地下工程地面建筑工程地質條件特點復雜而多變，意外情況較多簡單明確對工程的影響較地面建筑影響更大決定基礎的設計與施工力學分析與設計方法受力結構不明確工程結構在超負荷時具有可縮性幾何不穩定的結構在地下工程中可能穩定在地表筑基礎，其上筑結構，受力結構明確材料特性巖石亦可視為地下結構的建材主要結構材料一般是人造的忽略外載條件初始地應力場為荷載主要來源原巖應力及邊界條件不明確變值計算參數往往要進行原位試驗與測試一般在室內進行試驗計算誤差計算誤差常達百分之幾十至幾倍，甚至在一個數量級以上幾十設計方法設計還是以經驗準則和類比法為主已形成同意標準和設計規范實施施工工作面狹窄，工期長場地開闊，便于組織，工期短造價高低1.2國內外深部工程現狀流變是指在外部條件不變的情況下，巖石的變形或應力隨時間而變化的現象，其主要表現為蠕變、應力松弛、彈性后效等[7]。流變規律的探討是工程巖土學、巖體力學等多個學科探討的重點之一。巖石流變也是造成地下工程圍巖穩定性破壞重要的原因。早在20世紀的30[8][9]。改革開放以來，隨著城市地鐵建國內外學者已經取得了極為豐碩的成果[11]。試驗法就是通過在不同條件下對巖石材料進行試驗，利用所得結果分析巖石本構關系，從而探討巖石的流變特性。根據受力條件不同，流變試驗分為單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗，剪切蠕變試驗等，而根據加載方式又有逐級加荷，逐級卸荷、單級加荷等等。根據巖石材料類別還有軟巖與硬巖的區別。這些試驗的進行，使巖石流變的探討近年來有了許多新進展。巖石室內流變試驗能夠長期進行觀測，且對于試驗條件可以人為進行嚴格控制，能多次進行，因而應用廣泛，對巖石流變的試驗探討也多以室內試驗為主。但是因為試驗規模及儀器的限制，室內試驗可能與實際有一定的偏差。現場流變試驗投資高、操作復雜、需要耗費的時間相對較多，因而此類試驗相對較少，但其對于了解真實環境下的巖石流變規律具有不可替代的作用。當然這些試驗還是有著不少缺陷，例如室外試驗探討偏少，試驗規模偏小，試驗儀器落后等。這些都有待改進[12]。1.3課題探討的目標、內容及方法針對深部復雜的地質力學環境，本課題以某地下礦井為工程背景，建立深部巷道的數值模型，模擬得出蠕變規律，對其進行支護。本文主要探討內容有以下幾個方面。（1）查閱各類文獻，綜述深部巖體工程的國內外現狀，以及巖石流變試驗探討的發展狀況及其中的不足，并提出本課題的探討內容。（2）總結深部軟巖巷道圍巖的力學特性，概括巖石的流變理論，進而對試驗巖石材料的性質有初步了解。（3）進行數據模擬試驗，建立深部巷道的數值模型，確定模型的各種參數。（4）用FLAC3D軟件對深部巷道巖石蠕變進行仿真模擬。（5）調查搜集數據通過對巷道圍巖蠕變變形和應力進行分析從而得出其蠕變規律，并對其支護措施進行簡單的探討。詳見下圖1-1；調查搜集數據巖進軟石行件的理的參論數數分據測析模定擬得出結論，提出建議圖1-1 課題探討的具路徑得出結論，提出建議

深部軟巖巷道圍巖的力學特性深部巷道由于其所處的地質環境較為復雜，會產生一些淺部開采工程從未有過的新問題。在深部，巖爆、頂板斷裂、采空區失陷等災難性事故發生頻率及危害程度都會大幅度提升[2]。對于把握深部巖石的流變規律，確定影響深部工程穩定性的因素，預測可能的工程地質災害，處理已發生的災害事故，具有重要的理論和實踐意義。2.1巖石和巖體的特性深度較淺，在技術上容易處理，因而各界的關注度較低。隨著城市的發展和人類社會的不斷進步，人類向海洋進軍、向平原要地、向高原要地、以及對深部礦產的開采，這些需求都推動著對巖體的探討。因此在60年代初，隨著巖體力學（也稱巖石力學）的探討也逐漸走向定量探討的軌道。巖石主要有火成巖、變質巖、沉積巖三種，其是由具有一定結構構造的礦物集合體組成[3]。而在工程地質學中，由于評價建筑物的地基和圍巖的穩定性需要，經常面對的探討對象是巖體。巖石和巖體的力學強度高，一般情況下都能滿足建筑工程的需要，且由于巖體是含固液兩相介質的材料，其抗水性相對較強，但當巖石中所含的可溶鹽含量較大時，抗水性就會降低。另外由于巖石生成的時間較早，在地質歷史上曾經歷過不同的地質構造或板塊運動，而且由于該過程中地質環境的變化，使巖體表現出不均一性、各向異性、以及不連續性的新特點。在地應力作用下的流變特性，使其性質有著更大的變化。2.2深部巖體的力學性質2.2.1深部的科學定義隨著對能源的需求，以及對礦山開采深度的加大，國內外相繼進入深部工程的探討，而對深部的認識，各個國家的學者認識不同。然而深部是一個復雜地質力學環境的地區，與地球物理等有著緊密聯系，對其定義須綜合各個系統進行深層次探討。先前對于深部的定義往往通過具體的工程實例，這樣的定義往往有著較大的特殊性，有著一定的局限性。國內錢鳴高院士、何滿潮教授、錢七虎院士、蔡美峰教授等人分別從不同角度對深部作了定義[13-16]。這些定義對于推動深部工程的發展，有著不可替代的作用。而在上述探討的基礎上，深部是指隨著開采深度的增加工程巖體出現非線性物理力學現象的深度及其以下的深部區間[2]。2.2.2深部巖石的復雜地質力學環境及特有的力學特征深部有著軟巖大變形、硬巖巖爆、煤巖含氣、煤巖突出和沖擊、高溫高濕、突水等現深部水網密布，滲水通道密集，這些，使得深部工程中巖溶突水沒有很好的預測方法，深部巖溶突水瞬時爆發，可能導致嚴重的突水事故。巖石流變理論巖石的變形問題是巖體力學探討的主要內容之一，可以通過單軸壓縮、三軸壓縮、循環荷載下單軸壓縮等試驗，得到巖石應力應變的關系曲線、變形模量、泊松比等參數，進而探討巖石的變形規律。3.1深部軟巖巷道圍巖的流變特性3.1.1巖石的流變綜述巖石的流變是巖石最基本的自然屬性，在國際巖石力學學會上第四屆大會上巖石的流變問題的作為專門問題被提出來。巖石的流變是由于外界荷載作用下，巖石中的宏觀和微觀結構發生錯位、滑移、變形等引起的，它隨著時間而發生變化。3.1.2巖石的蠕變特性巖石的蠕變，會產生應力集中的現象，進而影響地下工程的穩定性。在不同應力水平和應力狀態作用下，巖石蠕變有著兩種不同的形式穩定蠕變和不穩定蠕變[17]。不穩定蠕變是一種典型的蠕變，根據應變速率，典型蠕變過程分為3個階段，即減速蠕變階段、等速蠕變階段、加速蠕變階段[18]。如下圖3-2所示。在減速蠕變階段，即AB段內，在加荷的瞬間，在外界壓力作用下，巖石產生彈性變形。圖3-1圖3-2巖石的典型蠕變曲3.1.3影響深部圍巖蠕變性質的因素（1）不同的巖石，強度、結構構造，孔隙率、含水率等均不相同，這些均會對巖石蠕變性質產生影響[19-23]巖、花崗巖三種巖石在常溫和10MP壓力作用下的蠕變曲線如下圖3-3所示。εε/10-6頁巖砂巖花崗巖t/x104s3-3（2）應力 應力大小、應力性質（壓縮、拉伸、彎曲、扭轉等）不同，巖石蠕變曲線的形狀及各段的持續時間均不相同[24]同一中巖石所受應力越大可能很快進入加（3）濕度巖石的蠕變也會增加[26]在一定壓應力(205kg/cm2)和室溫條件下浸入水或HCL中的雪花膏的蠕變曲線如圖3-4。ε鹽酸中水中干燥ε鹽酸中水中干燥圖3-4 不同濕度下的花膏的蠕變3.2流變的理論模型經驗法和流變模型（通過這些基本元件及其組合模型來描述巖石的變形特性[24-26]。這種方法能夠反映自然界大部分巖石的某些方面特性，因而得到了普遍推廣。3.2.1基本元件用流變模型來探討巖石材料的變形特性，其基本元件有彈性元件、粘性元件、塑性元件。基本元件介紹如下。彈性元件（胡克彈性體）是一種理想的彈性體。這種元件由一個彈簧組成，其本構關系服從胡克定律，即K,ε σK,εσε3-5粘性元件（牛頓粘性體）牛頓粘性體是一種理想的粘性體。這種元件由一個帶孔活塞和充滿黏性液體的圓筒組成的阻尼器組成，其本構關系服從牛頓定律即：圖3-6 粘性元件及其變曲線·塑性元件（圣維南塑性體） 圣維南塑性體由摩擦片組成，可以用來模擬完全塑性體。其本構關系服從庫倫摩擦定律。理想塑性體的本構方程為 εσεσ，εσsσ，εO3-73.2.2組合模型基本元件只能描述巖石的某一方面特性，然而自然界中的巖石的性質往往較為復雜，需要對以上基本元件進行組合才能更加準確的描繪這些巖石的特性。1）馬克斯維爾模型（MaxwallModel）變本構關系組合模型。當應力一定時，其蠕變本構關系方程為：圖3-8Maxwall模型及其蠕變曲線（KelvinModel）關系。其蠕變本構關系方程為：εΕ，σ1，ε1εη，σ2，ε2t1 t圖3-9 Kelvin模型示意圖及其蠕變曲線3）廣義開爾文體（GeneralizedKelvinModel）蠕變方程為： tσ0/Ε1 tσ0/E00圖3-10體，無蠕變，無松弛，無彈性后效。其本構方程如下：圖3-11圣維南體模型及本構關系曲線國內外依據具體的巖石類型，提出過許多巖石流變模型。具體見下表3-1。3-1巖石類型具體模型流變模型一般巖石kσσ ση,σ粘彈性短期受荷巖石粘彈性深部巖石粘彈性煤E2 E2 E2E1 η1η2 η2 η2粘彈性圍巖蠕變的數據模擬程序的計算原理及實現方法針對深部復雜的地質力學環境，本課題以某地下礦井為工程背景，建立深部巷道的數值模型，模擬得出蠕變規律，對其進行支護。4.1巖土工程數據模擬方法簡介方法主要有兩類，一類是連續介質方法，其中有代表性的有有限元分析法（EM、有限差分法(FDM)、邊界單元法（BEM、無單元法(EM)等。另一類是非連續介質方法，主要有離散法DM、顆粒元法、流形元法(MM)等[28]。有限元分析法（FEM）,最早用于結構力學，現今已成為求解巖體力學及巖土工程問ANSYSABAQUS等[29]。4.2FLAC介紹4.2.1FLAC3D概述FLAC（FastLagrangianAnalysisofContinua）由美國Itasca公司開發的連續介質力有二維和三維計算程序兩個版本,即和FLAC3D用軟件，在國際巖土工程學術界和工業界享有聲譽[30-31]。4.2.2FLAC3D優缺點作為一款有限差分軟件，相對于其他的有限元分析軟件，FLAC3D具有以下優點：離散集成法相比，通常更加準確合理。當然FLAC3D作為一款有限差分軟件，也有著自身的缺點。時間受網格尺寸的影響很大。對于一般的彈塑性問題，FLAC的求解時間大致與N3/2（N為單元數目）成正比，FLAC3D求解時間大致與N4/3成正比。由此可以看出，FLAC/FLAC3D對網格尺寸十分敏感，同一模型采用不同尺寸的網格單元可能導致求解時間相差數倍之巨。4.3模型的建立4.3.1蠕變模型的選擇結果不合理結果不合理模型做出合理相應結果不合理計算結果合理圖4-1FLAC3D程序運行流程與步驟結束處理計算結果計算求解執行開挖或變更其它模擬條件初始平衡計算建立模型根據資料規劃網格開始4.3.2幾何模型的尺寸所選軟巖巷道正截面為馬蹄形，寬度4米。壁高2米，拱高4米，因為洞室開挖引起應力重分布作用對洞室的應力分布有一定的影響，故選跨寬的5倍20x20m被作為探討邊界，軸向長度取12米。共計5380個單元，6336個節點。所建模型如圖4-2所示。PAGEPAGE25圖4-2蠕變模型圖4.3.2力學模型屬性及邊界條件K E3(12v)

G E2(1v)

(4-1)表4-1巖石的力學參數密度體積模量剪切模量抗拉強度粘聚力內摩擦角1700kg/m36.7x109Pa4x109Pa0.92MPa3.5MPa270C巖體中的應力是影響圍巖穩定性的重要因素，巖體中的天然應力狀態在探討區域穩定性、巖體穩定性中具有重要的現實意義。fixapplyinitial圖見下圖4-3a,圖4-3b。圖4-3a模型約束圖 圖4-3b模型加載圖4.4結果分析FLAC3D模擬的是非線性體系隨時間的演化過程，本文對FLAC3D的數值模擬結果從從應力、應變兩個方面進行考慮：4.4.1應力分析在巷道開挖受力逐漸平衡后，巖體中的最大不平衡力如圖4-4所示。圖中X軸表示時間，Y軸表示應力。由圖中可以看出，在巷道開挖開始的一個月內，最大不平衡力快速減小，隨著巷道圍巖應力重分布作用，巖體中的應力發生相應改變，第二個月內，最大不平衡力的波動幅度逐漸減小，而在第三個月末巖體中的最大不平衡力已逐漸趨于穩定。第九個月時的應力等值線分布如上圖4-5a、圖4-5b和圖4-5c所示。從圖中可以看出，從巷道向外，應力逐漸減小，說明巷道開挖之后，破壞了巖體的相對平衡狀態，洞室周圍巖體開始松動，處于卸荷狀態。圖4-4圖4-5a應力SXX等值線分布圖圖4-5b應力syy等值線分布圖圖4-5c應力SZZ等值線分布圖4.4.2應變分析使用FAC3D軟件中的history（859節點（2190節點，側壁與頂部半圓相接的地方（1節點）進行跟蹤。跟蹤點的位置如下圖4-6跟蹤各點位移，最后得到各點的位移變化曲線，具體圖4-7a、圖4-7b、圖4-7c所示。4-64-7a4-7b4-7c在3個月時圍巖巷道蠕變的位移等值線如圖4-8a、圖4-8b和圖4-8c所示。圖4-8aX方向上的位移等值線圖圖4-8b Y方向上的位等值線圖圖4-8c Z方向上的位移等值線圖從以上各點的位移變化曲線可以看出，巷道圍巖在開始的一個月內蠕變變形較大，第二個月圍巖的蠕變變形相對減小，而在3個月后圍巖的蠕變逐漸達到穩定。從x和z巷道圍巖的蠕變變形在巷道表面最大，向外圍變形量逐漸減少。4.5巷道支護為防止巷道圍巖變形，對巷道圍巖進行支護。襯砌結構采用混凝土，其密度為2500kg/m3,體積模量為16666.67MPa,剪切模量為12500MPa。由于巷道圍巖X和Z方向上的變形相對較大，對使用混凝土襯砌加固以后的巷道，這里僅對和Z4-9a和圖4-10a、圖4-10b所示。4-9aSXX等值線分布圖4-9bSZZ等值線分布圖圖4-10a加襯砌后X方向上的位移等值線圖圖4-10b加襯砌后Z方向上的位移等值線圖PAGEPAGE31 （加固前） （固后）圖4-11加固前后巷道頂板的位移與時間的關系曲線對比圖曲線對比圖（圖41巷道表面的應力與變形比未加固之前要小得多。4.6數值模擬結論通過觀察巷道圍巖的最大不平衡力曲線可以看出，焦作礦區古漢山礦西大巷在開力逐漸趨于減小，最終趨于穩定通過觀察頂板、底板和側壁等處的監測點的位移曲線可以看出，巷道圍巖在開始3逐漸趨于穩定。通過對比加固前后巷道圍巖的應力與變形曲線圖，可以發現加固后圍巖的變形量結論及展望5.1結論焦作礦區古漢山礦西大巷圍巖穩定性問題是礦山設計中需要重點解決的問題,對于深工程中巖石的力學參數及現有的蠕變模型，建立深部巷道的數值模型，模擬得出蠕變規律，（1）通過對該工程中巖石的力學參數進行分析，從現有的蠕變模型中選擇合適的蠕變進而對該巷道圍巖蠕變規律的數據模擬進行了合理的簡化。（3）利用FLAC3D軟件對該巷道圍巖蠕變規律進行數值模擬探討，得出焦作礦區古巖的蠕變變形相對減小，而在3個月后圍巖的蠕變逐漸趨于穩定。方法比簡化為平面模型進行探討更加直觀更加客觀。（5）在進行數據模擬分析時,在條件允許的情況下,單元劃分在重要部位應當適當加大密度，以提高數據模擬的準確度。5.2展望本文雖對深部巷道的圍巖蠕變規律進行了有效的數據模擬，但由于深部復雜的工程地質條件和水文特征，另作者水平有限，仍有不少問題需今后進一步解決。對巖石蠕變性質的影響的有待深入探討.改進，以便能更加準確的模擬出實際蠕變情形。6致謝本論文的順利完成，要特別感謝我的論文指導老師李程老師。他的和藹可親和諄諄教導消除了我寫作論文時的壓力，使我按時完成了論文；同時他愛崗敬業的職業作風和那一絲不茍的工作態度使我感觸頗深!最后向所有關心和幫助過我的人表示真心的感謝。參考文獻何滿朝.深部開采工程巖石力學現狀及其展望[A]//中國巖石力學與工程學會．第八次全國巖石力學與工程技術大會論文集[C].北京：科學出版社,2004：88-94.何滿朝，錢七虎等.深部巖體力學基礎[M]．北京：科學出版社,2010：1-23.劉佑榮，唐輝明.巖體力學[M].北京：化學工業出版社，2012：193-198.唐輝明.工程地質學基礎[M].北京：化學工業出版社，2011：124-125.羅國煜，陳新民等.城市環境巖土工程[M].南京：南京大學出版社，2000：192-192.賈偉.佛嶺隧道破碎帶圍巖蠕變變形規律探討[D].北京：北京交通大學，2011.羅國煜等.工程地質學基礎[M].南京：南京大學出版社，1990：94-97.Griggs,D.T.Creepofrocks[J].JournalofGeology,1939,47:225-251.孟慶彬.深部高應力軟巖巷道圍巖流變數值模擬探討[J]．采礦與安全工程學報,2012，6：762-769.孫鈞.巖石流變力學及其工程應用探討的若干進展[J].巖石力學與工程學報,2007,26(6):1081-1106.魏佳.不同應力差下非線性蠕變探討[J].實驗力學,2005,3:427-433.楊圣奇.巖石流變力學特性的探討及其工程應用[D].南京：河海大學，2006.錢明高等.巖層控制的關鍵層理論[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.錢高明，繆協興.深部采動巖體中的關鍵層活動對沖擊地壓和突水等災害的影響//香山科學會議第1