岩体结构面力学特征及地下工程结构稳定性的研究
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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。
Rock mass is a discontinuous geological body with structural planes of varied mechanical properties and spatial conditions. Numerous examples of rock mass engineering indicate that the deformation and breaking law of rock mass depends on its structural characteristics and the stability of rock mass construction is controlled by the very structure of rock mass. Therefore, in order to ensure the structural stability of rock mass construction and production safety, researches must be conducted into the natural characteristics and mechanical properties of structural plane and followed by adequate measures for controlling the deformation and breaking of rock mass structural plane.
This paper takes rock mass structural plane that influences the stability of rock mass construction as the main subject of investigation and the underground mining in Chengchao Iron Mine as an illustrating example. For a systematic study of the mechanical features of rock mass structural plane and of measures to control the rock mass structural plane, the methods of theoretical analysis, field survey, computer simulation, numerical calculation and engineering practice are employed jointly, aided by the integration of macro-study with micro-study, qualitative approach with quantitative one and theory with practice. The principle of combining rock mechanical theories with engineering practice is followed from beginning to end, which makes it possible to apply theoretical results to engineering practice, perfect the research method in raising the structural stability of underground construction and solve problems with production in enterprises. With this end in view, the following research has been done:
1. Starting directly from nonlinear complex systems, the study has analyzed the self-similarity of part and the whole body of irregular shape by applying the fractal theory. The fractal features of spatial distribution of rock mass structural plane are researched. It proposes the use of fractal dimension for reflecting the dominance and scope of structural plane in spatial distribution. In the meantime, a comprehensive field investigation into the structural planes of rock masses in Chengchao Iron Mine is conducted, which, together with the application of statistic probability model and the analysis of investigation results of joint fissures, has determined the distribution function of structural plane parameters. On this basis, visual programming technique is used and an interactive structural plane network simulation system FRMOD with all functions is worked out, which is simple and convenient to operate. The joint fissure distribution in ore masses at -302m in Chengchao Iron Mine is simulated with computer and the network graph of the joint fissure distribution arrived at. This opens up a new way of solving fractal dimension with the box method based on the computer simulation graph of structural plane. The fractal dimension of structural plane of rock
in
mass in Chengchao Iron Ore is obtained, which presents a true picture of the fractal features of rock mass structural plane.
2. By introducing damage tensor and net stress, this study has analyzed the mechanical properties of rock mass structural plane, hi this way, the rock mass question is macroscopically transformed into one of continuous medium mechanics, hi the light of the engineering reality in Chengchao Iron Mine, the damage tensor of the area under research has been obtained on the basis of engineering geological survey. The elastoplasticity finite element calculation program DFEM is successfully developed, which is based on damage mechanics model. The comparison and analysis of calculations with damage elastoplasticity and with conventional finite element model show that the damage model that calculates with rock mechanical parameters are more precise than conventional finite element model in reflecting the anisotropy and discontinuity of rock masses.
3. On the basis of the ore mass conditions and the production reality in Chengchao Iron Mine and in the light of
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。
Rock mass is a discontinuous geological body with structural planes of varied mechanical properties and spatial conditions. Numerous examples of rock mass engineering indicate that the deformation and breaking law of rock mass depends on its structural characteristics and the stability of rock mass construction is controlled by the very structure of rock mass. Therefore, in order to ensure the structural stability of rock mass construction and production safety, researches must be conducted into the natural characteristics and mechanical properties of structural plane and followed by adequate measures for controlling the deformation and breaking of rock mass structural plane.
This paper takes rock mass structural plane that influences the stability of rock mass construction as the main subject of investigation and the underground mining in Chengchao Iron Mine as an illustrating example. For a systematic study of the mechanical features of rock mass structural plane and of measures to control the rock mass structural plane, the methods of theoretical analysis, field survey, computer simulation, numerical calculation and engineering practice are employed jointly, aided by the integration of macro-study with micro-study, qualitative approach with quantitative one and theory with practice. The principle of combining rock mechanical theories with engineering practice is followed from beginning to end, which makes it possible to apply theoretical results to engineering practice, perfect the research method in raising the structural stability of underground construction and solve problems with production in enterprises. With this end in view, the following research has been done:
1. Starting directly from nonlinear complex systems, the study has analyzed the self-similarity of part and the whole body of irregular shape by applying the fractal theory. The fractal features of spatial distribution of rock mass structural plane are researched. It proposes the use of fractal dimension for reflecting the dominance and scope of structural plane in spatial distribution. In the meantime, a comprehensive field investigation into the structural planes of rock masses in Chengchao Iron Mine is conducted, which, together with the application of statistic probability model and the analysis of investigation results of joint fissures, has determined the distribution function of structural plane parameters. On this basis, visual programming technique is used and an interactive structural plane network simulation system FRMOD with all functions is worked out, which is simple and convenient to operate. The joint fissure distribution in ore masses at -302m in Chengchao Iron Mine is simulated with computer and the network graph of the joint fissure distribution arrived at. This opens up a new way of solving fractal dimension with the box method based on the computer simulation graph of structural plane. The fractal dimension of structural plane of rock
in
mass in Chengchao Iron Ore is obtained, which presents a true picture of the fractal features of rock mass structural plane.
2. By introducing damage tensor and net stress, this study has analyzed the mechanical properties of rock mass structural plane, hi this way, the rock mass question is macroscopically transformed into one of continuous medium mechanics, hi the light of the engineering reality in Chengchao Iron Mine, the damage tensor of the area under research has been obtained on the basis of engineering geological survey. The elastoplasticity finite element calculation program DFEM is successfully developed, which is based on damage mechanics model. The comparison and analysis of calculations with damage elastoplasticity and with conventional finite element model show that the damage model that calculates with rock mechanical parameters are more precise than conventional finite element model in reflecting the anisotropy and discontinuity of rock masses.
3. On the basis of the ore mass conditions and the production reality in Chengchao Iron Mine and in the light of
引文
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