巷道围岩应力测试若干问题的有限元分析
|
摘要
本文对岩体应力测试方法——控制致裂法进行了系统的研究,同时,也探讨了巷道围岩应力测试结果与有限元ABAQUS模拟结果的比较,取得了一些有用的测试和分析结果。
控制致裂法的实质是:运用某种控制致裂技术将岩体分别沿二至三个预定方向致裂,再根据各次加压致裂过程的峰值压力(即破裂压力)与岩体应力之间的既定关系求出最大主应力、最小主应力和他们的方向。本文运用的控制致裂技术主要是在巷道的岩体中打两个相互平行的钻孔,然后向这两个测试钻孔用液体同时加压直至岩体沿连接两孔轴线方向破裂,并与用有限元软件模拟的结果进行比较。本文介绍了控制致裂的机理、岩体致裂形态、控制致裂岩体应力测试的理论基础。总之,控制致裂法是在水压致裂法基础上发展起来的一种岩体应力测试的直接法,它避免了使用难于确定的关闭压力,而仅利用破裂压力来确定岩体应力。事实表明,该方法具有简便、可靠、快速、低耗的优点。同时,本文还提出了平行钻孔——套筒致裂法,实践表明:这种方法可以有效地减小测试中所需的破裂压力,尤其适合在高应力区中使用。
本文用有限元软件模拟了两个平行钻孔在不同内压作用下,不同孔距作用下的应力,塑性区的分布情况等。并将该结果与理论分析和模拟试验得出的结果进行比较,得到较好的一致性。
In this paper a new rock mass stresses measurement method which is named the Controlled Fracturing Method CFM) is studied systematically. The method to calculate the original rockmass stresses is also discussed, and the rusult compare to ABAQUS. Some useful measured and analyzed results are obtained.
Essentially the new technique invoves using some technique to frature the rock mass in two or three pre-determined diretions.Then,in the light of the inherent relationship between each peak pressure (or the breakdown pressure) and the rock mass stresses,the maximum and the minimum principal stresses ,together with their respective directions,are obtained. In the controlled fracturing technique two parallel holes are drilled, into which hydraulic pressure is axes of the two holes. Presented in this paper are the mechanism governing controlled fracturing ,the morphology of rock fractures, theoretical basis for stress measurement bu the CFM, and engineering cases to which this technique is applied . In short ,the CFM is a development of the hydraulic fracturing technique over conventional stress measurement methods,this method has such advantages as being easuier and quicker to operate and requiring simpler and cheaper apparatuses. Moreover the parallel boreholes -sleeve fracturing technique for rockmass measurement is presented. This method if specially suitable for problem of high rock stress measurement . Finally ,the practial theories of calculating on original rockmass stresses form surrounding rock stresses which can be directly measured are proposed.
控制致裂法的实质是:运用某种控制致裂技术将岩体分别沿二至三个预定方向致裂,再根据各次加压致裂过程的峰值压力(即破裂压力)与岩体应力之间的既定关系求出最大主应力、最小主应力和他们的方向。本文运用的控制致裂技术主要是在巷道的岩体中打两个相互平行的钻孔,然后向这两个测试钻孔用液体同时加压直至岩体沿连接两孔轴线方向破裂,并与用有限元软件模拟的结果进行比较。本文介绍了控制致裂的机理、岩体致裂形态、控制致裂岩体应力测试的理论基础。总之,控制致裂法是在水压致裂法基础上发展起来的一种岩体应力测试的直接法,它避免了使用难于确定的关闭压力,而仅利用破裂压力来确定岩体应力。事实表明,该方法具有简便、可靠、快速、低耗的优点。同时,本文还提出了平行钻孔——套筒致裂法,实践表明:这种方法可以有效地减小测试中所需的破裂压力,尤其适合在高应力区中使用。
本文用有限元软件模拟了两个平行钻孔在不同内压作用下,不同孔距作用下的应力,塑性区的分布情况等。并将该结果与理论分析和模拟试验得出的结果进行比较,得到较好的一致性。
In this paper a new rock mass stresses measurement method which is named the Controlled Fracturing Method CFM) is studied systematically. The method to calculate the original rockmass stresses is also discussed, and the rusult compare to ABAQUS. Some useful measured and analyzed results are obtained.
Essentially the new technique invoves using some technique to frature the rock mass in two or three pre-determined diretions.Then,in the light of the inherent relationship between each peak pressure (or the breakdown pressure) and the rock mass stresses,the maximum and the minimum principal stresses ,together with their respective directions,are obtained. In the controlled fracturing technique two parallel holes are drilled, into which hydraulic pressure is axes of the two holes. Presented in this paper are the mechanism governing controlled fracturing ,the morphology of rock fractures, theoretical basis for stress measurement bu the CFM, and engineering cases to which this technique is applied . In short ,the CFM is a development of the hydraulic fracturing technique over conventional stress measurement methods,this method has such advantages as being easuier and quicker to operate and requiring simpler and cheaper apparatuses. Moreover the parallel boreholes -sleeve fracturing technique for rockmass measurement is presented. This method if specially suitable for problem of high rock stress measurement . Finally ,the practial theories of calculating on original rockmass stresses form surrounding rock stresses which can be directly measured are proposed.
引文
[1]张强勇等,岩体数值分析方法与地质力学模型试验[M]。中国水利水电出版社,2005。
[2]冯夏庭,岩石力学与工程专家系统[M]。辽宁科学技术出版社。1993。
[3]米勒,岩石力学[M],煤炭工业出版社。1981。
[4]刘听成,岩石力学:有关名词解释[M],煤炭工业出版社,1986。
[5]李世平,岩石力学简明教程[M],中国矿业学院出版社,1986。
[6]陶振宇,岩石力学的理论与实践[M]。水利出版社。1981。
[7]王连捷等,地应力测量在采矿工程中的应用[M]。地震出版社,1994。
[8]李民庆,岩体力学的力学基础[M]。湖南科学技术出版社,1979。
[9]董方庭,巷道围岩松动圈支护理论及应用技术[M]。煤炭工业出版社。2001。
[10]蔡美峰等岩石力学与工程[M]。科学出版社,2002。
[11]中国地质科学院地质力学研究所,国家地震局地震地质大队,地应力测量的原理和应用[M]。地质出版社,1978。
[12]王来贵等,岩石力学系统运动稳定性及其应用[M]。地质出版社,1998。
[13]陈彭年等,世界地应力实测资料汇编[M],地震出版社,1990。
[14]丁建民等,国外地应力研究中的几个问题,地应力测量与研究[M],地质出版社,1982,237-252。
[15]B.C.Haimson,C.Fairhust,In-situ Stress Determination at Grate Depth by means of Hydraulic Fracturing[M],Proceedings of 11~(th) symposium on Rock Mechanics,June,1969.
[16]B.C.Haimson,The Hydrofracturing Stress Measuring Method and Recent Field Results[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.Vol.15,No.4.(1978),167-178.
[17]B.C.Haimson,Ncar-surface and Deep Hydrofracturing Stress Measurements in the Waterloo Quartzite[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.Vol,17.No.2,(1980),81-88.
[18]B.C.Haimson,内达华实验场上具有特别意义的六个测点的深部水压致裂应力测量和套芯法应力测量结果的对比研究[M],《地应力测量理论与研究》,地质出版社,1987。
[19]G.Stephens and B.Voight,热应力条件下的水压致裂理论[M],《地应力测量理论研究与应用》地质出版社,1987。
[20]P。索尔伯格,D。洛克纳,J。拜尔利,低渗透性岩石中剪切和张性的水压破裂[J],《岩石和地壳的应力测量》,地质出版社,19810,274-278。
[21]李自强等,水压致裂法的改进与应用[M],地震,1982,4。
[22]刘建中,李自强,对水压致裂应力测量理论的试验与分析[J],岩石力学与工程学报, Vol.5.No.3.1986,267-276.
[23]陶振宇等,水压致裂试验中岩土的破坏特征及判据[J],岩石力学与工程学报,Vol.5,No.1,1986.41-50.
[24]侴万喜,水压致裂的试验研究[J],中国矿业学院学报,1988,1。
[25]M.Y.Lee et al Statistical Evaluation of Hydraulic Fracturing Stress Measurement Pammeters[J],Int.J.Rock Mech.Min.sci.Vol,26,No.6,(1989),447-455.
[26]L.W.Tunbridge,Interpretation of the Shut-in Pressure from the Rate of Pressure Decay[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,Vol.26,No.6,(1989),457-460.
[27]J.Baumgartner and M.D.Zoback,Interpretation of Hydraulic Pressure-time Record Using Interactive Analysis Method[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,Vol.26,No.6(1989),461-470.
[28]K.Hayash and I.Sakurai,Interpretation of Hydraulic Fracturing Shut-in Curves for Tectonic Stress Measurements[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,Vli.26,No.6,(1989),477-481.
[29]F.Rummel and J.Hansen,Interpretation of Hydraulic Pressure Recordings Using a Simple Fracture Mechanics Simulation Model[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,vol.26,No.6,(1989),483-488.
[30]M.P.Hardy and M.I.Asgian,Fracture Recpening during Hydraulic Fracturing Stress Determinations[J],int.J.Rock Mech.Min.Sci.,vol.26,No.6,(1989),489-498.
[31]I.Matsunaga et al,In-situ Stress Measurements by the Hydraulic Fracturing Method at Imaichi Pumped Storage Power Plant,Tochigi[J],Japan,Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,vol.26,No.3/4,(1989),203-209.
[32]H.Niitsuma,Fracture Mechanics Design and Development of HDR Reservoirs-concept and Results of the Г-Project,Tohoku University[J],Japan,Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,vol.26,No.3/4,(1989),169-175.
[33]O.Stephasson,套筒致裂法测量岩石应力[J],《岩石力学进展与工程应用译文集》,科学出版社,1987。
[34]侴万喜,魏善斌,套筒致裂岩体应力量测的模型试验研究[J],岩石力学与工程学报,Vol.9,No.3.1990,228-237.
[35]侴万喜,魏善斌,巷道围岩应力及力学性质的套筒致裂试验研究[J]。岩石力学与工程学报,Vol.11,No.3,1995,200-208.
[36]侴万喜,魏善斌,藏德胜,立井井壁应力德套筒致裂测试及其分析[J],岩土工程学报。Vol.17,No.1,1995,61-65.
[37]侴万喜,控制致裂岩体应力测试[J],中国矿业大学学报。Vol.25,No.1,1996.40-45.
[38]吴德伦.岩石力学[M].重庆:重庆大学出版社,2002.
[39]李晓红等,岩石力学实验模拟技术[M]。科学出版社。2007。
[40]董学晟等,水工岩石力学[J]。中国水利水电出版社。2004。
[41]陈宗基,发刊词[J]。岩石力学与工程学报,1982,1(1)。
[42]杨双锁,岩石蠕变破坏过程的自组织特征分析[D]。中南大学博士学位论文。2001。
[43]周维垣。高等岩石力学[M]。水利电力出版社。1993。
[44]E Hoek,ETBrown.Underground Excavation In Rock,Institute of Mining and Metallurgy [M]London 1980.
[45]李文平等,复杂峒室群软弱破碎岩体孤立岩墙加固研究[J]。岩石力学与工程学报。2004,23(1),79-85。
[46]徐芝伦,弹性力学[M]。高等教育出版社。
[47]侴万禧,控制致裂岩体应力测试原理[J]。中国矿业大学学报。Vol.25,No.1,1996.40-45.
[48]李炜,围岩应力的测试及原岩应力的推算[D]。淮南矿业学院硕士论文。
[49]钱鸣高,刘听成。矿山压力及其控制[J]。北京:煤炭工业出版社,1991。3
[50]孔德森,蒋金全。深部巷道围岩稳定性预测与锚杆支护优化[J]。矿山压力与顶板管理。 2002,(2):29-33.
[51]郝朋伟,高应力软岩巷道锚杆支护德数值模拟。安徽理工大学硕士论文[D],2006.16
[2]冯夏庭,岩石力学与工程专家系统[M]。辽宁科学技术出版社。1993。
[3]米勒,岩石力学[M],煤炭工业出版社。1981。
[4]刘听成,岩石力学:有关名词解释[M],煤炭工业出版社,1986。
[5]李世平,岩石力学简明教程[M],中国矿业学院出版社,1986。
[6]陶振宇,岩石力学的理论与实践[M]。水利出版社。1981。
[7]王连捷等,地应力测量在采矿工程中的应用[M]。地震出版社,1994。
[8]李民庆,岩体力学的力学基础[M]。湖南科学技术出版社,1979。
[9]董方庭,巷道围岩松动圈支护理论及应用技术[M]。煤炭工业出版社。2001。
[10]蔡美峰等岩石力学与工程[M]。科学出版社,2002。
[11]中国地质科学院地质力学研究所,国家地震局地震地质大队,地应力测量的原理和应用[M]。地质出版社,1978。
[12]王来贵等,岩石力学系统运动稳定性及其应用[M]。地质出版社,1998。
[13]陈彭年等,世界地应力实测资料汇编[M],地震出版社,1990。
[14]丁建民等,国外地应力研究中的几个问题,地应力测量与研究[M],地质出版社,1982,237-252。
[15]B.C.Haimson,C.Fairhust,In-situ Stress Determination at Grate Depth by means of Hydraulic Fracturing[M],Proceedings of 11~(th) symposium on Rock Mechanics,June,1969.
[16]B.C.Haimson,The Hydrofracturing Stress Measuring Method and Recent Field Results[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.Vol.15,No.4.(1978),167-178.
[17]B.C.Haimson,Ncar-surface and Deep Hydrofracturing Stress Measurements in the Waterloo Quartzite[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.Vol,17.No.2,(1980),81-88.
[18]B.C.Haimson,内达华实验场上具有特别意义的六个测点的深部水压致裂应力测量和套芯法应力测量结果的对比研究[M],《地应力测量理论与研究》,地质出版社,1987。
[19]G.Stephens and B.Voight,热应力条件下的水压致裂理论[M],《地应力测量理论研究与应用》地质出版社,1987。
[20]P。索尔伯格,D。洛克纳,J。拜尔利,低渗透性岩石中剪切和张性的水压破裂[J],《岩石和地壳的应力测量》,地质出版社,19810,274-278。
[21]李自强等,水压致裂法的改进与应用[M],地震,1982,4。
[22]刘建中,李自强,对水压致裂应力测量理论的试验与分析[J],岩石力学与工程学报, Vol.5.No.3.1986,267-276.
[23]陶振宇等,水压致裂试验中岩土的破坏特征及判据[J],岩石力学与工程学报,Vol.5,No.1,1986.41-50.
[24]侴万喜,水压致裂的试验研究[J],中国矿业学院学报,1988,1。
[25]M.Y.Lee et al Statistical Evaluation of Hydraulic Fracturing Stress Measurement Pammeters[J],Int.J.Rock Mech.Min.sci.Vol,26,No.6,(1989),447-455.
[26]L.W.Tunbridge,Interpretation of the Shut-in Pressure from the Rate of Pressure Decay[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,Vol.26,No.6,(1989),457-460.
[27]J.Baumgartner and M.D.Zoback,Interpretation of Hydraulic Pressure-time Record Using Interactive Analysis Method[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,Vol.26,No.6(1989),461-470.
[28]K.Hayash and I.Sakurai,Interpretation of Hydraulic Fracturing Shut-in Curves for Tectonic Stress Measurements[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,Vli.26,No.6,(1989),477-481.
[29]F.Rummel and J.Hansen,Interpretation of Hydraulic Pressure Recordings Using a Simple Fracture Mechanics Simulation Model[J],Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,vol.26,No.6,(1989),483-488.
[30]M.P.Hardy and M.I.Asgian,Fracture Recpening during Hydraulic Fracturing Stress Determinations[J],int.J.Rock Mech.Min.Sci.,vol.26,No.6,(1989),489-498.
[31]I.Matsunaga et al,In-situ Stress Measurements by the Hydraulic Fracturing Method at Imaichi Pumped Storage Power Plant,Tochigi[J],Japan,Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,vol.26,No.3/4,(1989),203-209.
[32]H.Niitsuma,Fracture Mechanics Design and Development of HDR Reservoirs-concept and Results of the Г-Project,Tohoku University[J],Japan,Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,vol.26,No.3/4,(1989),169-175.
[33]O.Stephasson,套筒致裂法测量岩石应力[J],《岩石力学进展与工程应用译文集》,科学出版社,1987。
[34]侴万喜,魏善斌,套筒致裂岩体应力量测的模型试验研究[J],岩石力学与工程学报,Vol.9,No.3.1990,228-237.
[35]侴万喜,魏善斌,巷道围岩应力及力学性质的套筒致裂试验研究[J]。岩石力学与工程学报,Vol.11,No.3,1995,200-208.
[36]侴万喜,魏善斌,藏德胜,立井井壁应力德套筒致裂测试及其分析[J],岩土工程学报。Vol.17,No.1,1995,61-65.
[37]侴万喜,控制致裂岩体应力测试[J],中国矿业大学学报。Vol.25,No.1,1996.40-45.
[38]吴德伦.岩石力学[M].重庆:重庆大学出版社,2002.
[39]李晓红等,岩石力学实验模拟技术[M]。科学出版社。2007。
[40]董学晟等,水工岩石力学[J]。中国水利水电出版社。2004。
[41]陈宗基,发刊词[J]。岩石力学与工程学报,1982,1(1)。
[42]杨双锁,岩石蠕变破坏过程的自组织特征分析[D]。中南大学博士学位论文。2001。
[43]周维垣。高等岩石力学[M]。水利电力出版社。1993。
[44]E Hoek,ETBrown.Underground Excavation In Rock,Institute of Mining and Metallurgy [M]London 1980.
[45]李文平等,复杂峒室群软弱破碎岩体孤立岩墙加固研究[J]。岩石力学与工程学报。2004,23(1),79-85。
[46]徐芝伦,弹性力学[M]。高等教育出版社。
[47]侴万禧,控制致裂岩体应力测试原理[J]。中国矿业大学学报。Vol.25,No.1,1996.40-45.
[48]李炜,围岩应力的测试及原岩应力的推算[D]。淮南矿业学院硕士论文。
[49]钱鸣高,刘听成。矿山压力及其控制[J]。北京:煤炭工业出版社,1991。3
[50]孔德森,蒋金全。深部巷道围岩稳定性预测与锚杆支护优化[J]。矿山压力与顶板管理。 2002,(2):29-33.
[51]郝朋伟,高应力软岩巷道锚杆支护德数值模拟。安徽理工大学硕士论文[D],2006.16