学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

岩体结构面力学特征及地下工程结构稳定性的研究

作　者: 盛建龙
导　师: 朱瑞赓
学　校: 武汉理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 岩体结构面分形维数损伤张量力学特征地下工程结构计算机模拟数值计算锚杆联系链支护措施
分类号: TU452
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
下　载: 1811次
引　用: 9次
阅　读: 论文下载

内容摘要

岩体是由不同力学性质和空间条件的结构面切割而成的非连续地质体。大量的岩体工程实例表明：岩体的变形和破坏规律取决于岩体的结构特性，岩体工程的稳定状态受岩体自身结构控制。因此，为了保证岩体工程结构稳定和生产安全，必须在研究结构面的自然特性和力学特征的基础上，采取一定的方法和手段控制岩体结构面的变形和破坏。本论文以影响岩体工程稳定性的岩体结构面为主要研究对象，以程潮铁矿地下采矿为例，采用理论分析、现场调查、计算机模拟、数值计算和工程实践等多种研究方法，将宏观与微观、定性与定量、理论与实践相结合，系统地研究岩体结构面的力学特征，研究控制岩体结构面的方法、手段和措施，旨在将岩石力学理论与工程紧密结合，使理论成果能够在工程实践中得到应用，不断完善提高地下工程结构稳定性的研究方法，解决企业生产难题。为此，本文主要进行了以下几个方面的研究： 1．本文应用分形理论直接从非线性复杂系统入手，分析了不规则形状的局部与整体的自相似性规律。通过研究岩体结构面空间分布的分形特征，提出了应用分形维数这一重要的度量指标来反映结构面在空间分布的优势程度及范围的方法。同时，对程潮铁矿岩体结构面进行了大量的现场调查，应用统计概率模型，对节理裂隙调查结果统计分析，并得出结构面参数的分布函数。在此基础上，应用可视化编程技术，编制了功能齐全、操作简单，交互性强的结构面网络模拟系统(FRMOD)，并对程潮铁矿-302m水平矿岩中节理裂隙分布进行计算机模拟，得出节理裂隙分布的网络图。开拓了根据结构面计算机模拟图，应用盒子法求解分形维数的新方法，并求得程潮铁矿岩体结构面分布的分形维数，真实地反映了岩体结构面分布的分形特征。 2．通过引入损伤张量和净应力来分析岩体结构面的力学特性，从宏观上将岩体纳入连续介质力学的范畴来处理。结合程潮铁矿实际，在工程地质调查的基础上，求得研究区域的损伤张量。成功地开发了基于损伤力学模型的弹塑性有限元计算程序(DFEM)。通过损伤弹塑性模型和常规弹塑性模型两种有限元计算模型的对比计算分析，研究结果表明：采用岩石力学参数计算的损伤模型比常规的有限元模型更能反映岩体的各向异性和不连续性。 3．根据程潮铁矿矿岩赋存条件及生产现状，结合大量的巷道收敛测试，查明了采场巷道大量垮冒、甚至无法正常生产的原因，系统地分析了影响采场地压分布和采场稳定性的主要因素，研究了采场地压分布和地压显现的总体规律。通过巷道收敛测试，了解巷道开挖后围岩变形情况，建立了围岩位移与巷道稳定性的关系。武汉理工大学博士学位论文 4．基于以上研究成果，将岩体结构面分形维数应用于岩体工程质量评价，具有创新性。对程潮铁矿－302m水平进行了矿岩工程质量分级，并对－316m水平和－330m水平进行了矿岩工程质量分级预测。该方法拓宽了分形几何理论的研究领域和应用范围，为岩体质量工程分级提供新的依据和途径，具有其独特的优越性。 5．为解决程潮铁矿岩体结构面带来生产困难、安全隐患等问题，寻求合理的回采顺序，本文进行了系统的数值模拟计算分析。以－302m水平为研究对象，在考虑结构面分布密集程度的基础上，将矿体沿走向分为三个区，建立了七种回采模型，从水平和铅垂两个方向来分析合理的回采顺序，研究方法新颖、全面。岩体结构面对岩体强度的影响通过岩石物理力学参数的工程弱化来体现，这种处理方法经济、合理、实用。通过多种回采方案的有限元计算分析，得出了－302m水平最优的回采方案和切合实际的回采工作线，程潮铁矿按此方案组织生产，取得了显著的生产效益。本文提出的合理回采顺序分析决策模型，为矿山在不同条件下的回采决策提供了理论依据，对矿山生产、管理具有较大的指导意义。 6．通过对大量垮冒巷道的观测分析，总结出巷道失稳破坏形式，分析了巷道失稳破坏的主要原因，提出了巷道合理支护的基本要求。首次研制了支护效果好的锚杆联系链，研究了与矿岩质量等级相适用的支护措施和支护参数。采用有限元法对巷道的支护作用下的受力状况进行了数值计算，并从结构面剪胀机理、增韧止裂机理，岩体的应力状态以及喷层的物理力学作用等方面进行了支护方案的机理分析。此外，为检验锚杆联系链的支护效果，选择两条新掘巷道分别采用喷锚加锚杆联系链和常规喷锚网支护进行对比试验，并布设了收敛测点进行监测。研究结果表明，支护方案具有加工简单、安装方便、成本低、支护效果显著等特点。因此，锚杆联系链支护是解决地压活动频繁，巷道垮冒严重等问题的有效支护措施。总之，本文采用新理论、新方法，系统地研究了岩体结构面的力学特征，对控制岩体结构面的方法、手段和措施及提高地下采场、巷道的稳定性等方面的研究取得了创造性成果，本文对解决岩体工程的设计、施工和生产中存在的问题，提高企业经济效益和确保生产安全等都具有十分重大的意义。

全文目录

第一章绪论  13-25
  1．1 引言  13-14
  1．2 岩体结构面力学特征研究综述  14-17
  1．3 地下工程稳定性研究现状评述  17-23
    1．3．1 地下工程稳定性研究现状  17-21
    1．3．2 地下工程稳定性研究评述  21-23
  1．4 本文研究内容及方法  23-25
第二章岩体结构面分布的分形特征  25-42
  2．1 引言  25
  2．2 分形几何理论基础  25-29
    2．2．1 分形几何  25-27
    2．2．2 分形维数  27-29
  2．3 岩体结构面分布的分形特征  29-32
    2．3．1 结构面几何要素的分形特征  29-30
    2．3．2 结构面轮廓线的自相似性  30
    2．3．3 结构面分布的分形维数确定方法  30-32
  2．4 程潮铁矿岩体结构面分形特征  32-40
    2．4．1 结构面分布规律  32-33
    2．4．2 结构面网络的计算机模拟  33-37
    2．4．3 程潮铁矿结构面分布的分形维数  37-40
  2．5 小结  40-42
第三章损伤力学分析节理岩体的力学特性  42-64
  3．1 引言  42-43
  3．2 损伤力学模型及损伤理论  43-47
    3．2．1 损伤模型  43-44
    3．2．2 不连续性岩体的损伤力学理论  44-46
    3．2．3 本构关系及损伤场发展式  46-47
  3．3 岩体损伤张量的确定  47-49
  3．4 程潮铁矿节理岩体的损伤力学解析  49-62
    3．4．1 岩体损伤张量  49-53
    3．4．2 损伤有限元模型  53-55
    3．4．3 损伤有限元计算程序  55
    3．4．4 程潮铁矿原岩应力及力学参数选取  55-60
    3．4．5 计算分析  60-62
  3．5 小结  62-64
第四章程潮铁矿采场地压及变形特征  64-98
  4．1 引言  64
  4．2 矿区地质环境  64-68
    4．2．1 地层  65
    4．2．2 构造  65
    4．2．3 岩组  65-66
    4．2．4 水文地质条件  66-67
    4．2．5 开采条件  67-68
  4．3 影响采场地压分布规律和采场稳定性的因素分析  68-72
    4．3．1 采场工程地质条件的影响  69-71
    4．3．2 采场回采顺序的影响  71
    4．3．3 支护方案及施工方法对地压分布规律的影响  71-72
  4．4 采场地压分布及地压显现  72-79
    4．4．1 地压分布及地压显现的总体规律  73
    4．4．2 岩体结构面分布与地压显现的关系  73-77
    4．4．3 结构面特征与地下水运动的关系及对地压显现的作用  77-78
    4．4．4 矿体厚度、滞后回采和掘进支护质量对地压显现的作用  78-79
  4．5 受结构面控制的巷道变形规律  79-96
    4．5．1 测量仪器及测点布置  80-81
    4．5．2 测试数据处理  81-93
    4．5．3 测试结果分析  93-96
  4．6 小结  96-98
第五章以分形维数划分工程岩体质量等级  98-109
  5．1 引言  98-99
  5．2 程潮铁矿工程岩体质量评价  99-105
    5．2．1 工程岩体分级方法  99-102
    5．2．2 程潮铁矿工程岩体分级  102-104
    5．2．2 分级结果及预测  104-105
  5．3 小结  105-109
第六章考虑岩体结构面影响的回采顺序数值模拟  109-128
  6．1 引言  109-110
  6．2 计算模型的建立  110-114
    6．2．1 数值计算模型  110-112
    6．2．2 铅垂剖面数值计算模型  112
    6．2．3 约束条件  112-113
    6．2．4 计算模型网络划分  113-114
  6．3 原岩应力场  114
  6．4 矿岩物理、力学参数  114-115
  6．5 有限元计算  115-116
  6．6 计算结果分析  116-126
    6．6．1 水平断面数值模拟方案  116-126
    6．6．2 铅垂剖面数值模拟方案  126
  6．7 合理的回采顺序  126-127
  6．8 小结  127-128
第七章巷道支护方案、作用机理及现场试验研究  128-158
  7．1 引言  128-129
  7．2 巷道失稳分析  129-130
    7．2．1 巷道失稳破坏的表现形式  129
    7．2．2 巷道失稳破坏的主控原因  129-130
  7．3 巷道合理支护的基本要求  130-132
    7．3．1 巷道合理支护的基本要求  130-131
    7．3．2 矿岩赋存条件对支护的要求  131-132
  7．4 巷道支护方案  132-138
    7．4．1 主要支护措施  132-133
    7．4．2 不同变形条件的支护方案  133-135
    7．4．3 不同级别围岩的支护方案  135
    7．4．4 提高支护效果的具体措施  135-138
  7．5 锚杆联系链支护机理  138-144
    7．5．1 支护方案数值模拟  138
    7．5．2 锚杆联系链支护方案作用机理  138-144
  7．6 巷道不稳定区域的补强支护  144-146
    7．6．1 补强支护方案  144
    7．6．2 补强支护支护效果  144-146
  7．7 新掘进巷道支护试验  146-156
    7．7．1 试验区段地质条件及应力环境  146
    7．7．2 试验巷道的支护参数及施工  146-150
    7．7．3 变形观测  150-156
  7．8 小结  156-158
第八章结论与展望  158-162
  8．1 本文的主要结论  158-161
  8．2 研究展望  161-162
参考文献  162-169
作者博士在读期间发表的论文和论著  169-171
作者博士在读期间承担参加的科研项目  171-172
致谢  172

岩体结构面力学特征及地下工程结构稳定性的研究

内容摘要

全文目录

相似论文