CN101082513A - 一种深部岩体工程灾害模型实验方法 - Google Patents

Abstract

地质力学模型试验技术是研究大型复杂岩土工程问题的重要手段，模型试验技术可以真实地再现实际工程情况，而目前地质力学模型试验技术试验周期长，而且每改变一种参数就必须重新作一次模型试验，模型不能重复利用、费用高、试验技术复杂，研究的成本大，而本发明提出了物理有限单元板材料的概念并通过连续或非连续对称荷载的方法，根据现场复杂的地质条件，采用强度不同的单元板组合模拟产状。做完破坏试验后，将未破坏的单元材料收集，可留待下次试验重复使用，同时，由于单元板材料其尺寸小，又可灵活的模拟各种不同的岩体。这样还克服了模型试验周期长，费用高的缺点。

Description

一种深部岩体工程灾害模型实验方法

技术领域：

本发明涉及一种深部岩体工程灾害模型实验方法，属于矿井工程灾害模型研究领域，尤其涉及深部矿井灾害的实验研究用的模型试验方法。

背景技术：

发展历史

开创：从20世纪初，西欧一些国家就开始进行结构模型试验，并逐渐建立了相似理论。20世纪60年代，以E.Fumagalli为首的专家在意大利结构模型试验所(ISMES)开创了工程地质力学模型试验技术，试验研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段。随后，葡萄牙、前苏联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究。发展：1967年国际岩石力学会议及同年举行的第九届国际大坝会议提也了采用模型材料的块体组合来模拟多裂隙介质岩土的设想。随后，意大利的贝加莫结构与模型试验研究所进行了多项小块体地质力学模型试验，研究拱坝坝肩、边坡岩体和洞室围岩的稳定头题。同时，在很多国家重大工程的科研需要情况下，贝加莫试验所受其委托进行了针对具体水利工程的多项研究。贝加莫结构与模型试验研究所进行的模型试验理论和实践，对当时的工程建设和后来的理论研究，均具有建设性和前瞻性意义。贝加莫结构与模型试验研究所不仅得出的试验成果在工程应用方面表现比较突出，而且在地质力学模型试验理论的建立以及对地质力学模型试验技术问题的解决方面也做出了重要贡献。后期，南斯拉夫成功的进行格兰卡尔拱坝的地质力学模型试验，而且还利用地质力学模型研究了地下隧道的稳定性。瑞士利用地质力学模型研究了层状岩体中隧道掘进围岩变形破坏问题。美国对地下洞室在静力条件下的围岩稳定性进行了内容广泛的地质力学模型试验。日本的科学家则利用地质力学模型研究了锚杆对洞室围岩的加固作用和效果。还有前苏联、印度、挪威、西班牙等几个国家进行了大量研究。

结论：这些早期的科学家们在实践当中不断地总结地质力学模型试验的理论，相似条件的建立方法以及与具体工程结合的模拟试验技术，对均质岩体、块状岩体和节理岩体中的地下工程、岩质边坡的稳定性进行了地质力学模型试验，对工程的设计和建设提供了可靠的理论依据。

国内情况：地质力学模型试验研究开展于二十世纪七十年代。长江水利水电科学研究院最早进行了模型试验研究，为葛洲坝水利枢纽工程、三峡工程以及其他多个水利工程进行了不同侧重的模拟试验研究。例如，以葛洲坝二江泄水闸等工程为背景的大块体平面地质力学模型试验及三维模型试验；以三峡工程永久船闸为背景的地质力学模型试验，分别研究了闸门附近高边坡的稳定性和中隔墩的稳定性等工程问题；以及以我国其他几个大型水电工程，如清江隔河岩水电站重力拱坝、构皮滩双曲拱坝为背景进行了地质力学模型试验。这些模型试验都取得了对工程实际具有指导意义的成果。在这些研究过程中不断总结，长江水利水电科学研究院提出并完成了地质力学模型材料试验研究报告。从1979年开始，清华大学水利系张光斗、陈兴华、王宙等人进行模型材料的研究和国内多个大型重力坝、拱坝坝肩的三维小块体地质力学模型试验和坝体枢纽整体三维小块体地质力学模型试验，研究其坝肩岩体的抗滑稳定性、拱坝的超载能力和破坏机理，并且对基础加固措施的实际效果作了研究。周维垣、杨若琼、罗光福等人进行了大型双曲薄拱坝的整体地质力学模型破坏试验，从岩体构造入手，选取相似比为1∶100，对大坝的坝肩岩体的力学行为和变形特征进行了模拟研究，并得到了一些具有重要意义的观测结果。

现存问题：

目前，随着我国经济持续高速发展，对能源的需求也越来越大，而煤炭作为中国能源支柱产业，其安全开采关系极其重大。目前，我国煤矿开采深度正以每年8～12m的速度增加，东部矿井开采深度正以每10年100～250m的速度发展，可以预计在未来20年内我国很多煤矿将进入到1000～1500m的深度。而深部岩体处于“三高一扰动”(高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈采掘扰动)的复杂环境，使深部岩体表现出的力学特性与浅部开采时往往具有很大的差异。因此，深入研究深部岩体特性及围岩稳定性，掌握深部岩体的变形破坏机理，对深部矿井工程的支护，有效地控制围岩的变形与破坏，具有重要的现实意义。

随着计算机技术的普及，国内外大量的科研机构和个人常用数值模拟技术，因为数值模拟相对地质力学模型试验来说花费时间少、见效快，并且在考虑不同的边界条件、约束条件时比较方便，但是对于一些复杂的岩土工程问题来说，仍然需要进行地质力学模型试验技术，其中模型试验便是一种研究深部煤岩体在开挖或荷载扰动条件下的变形和破坏规律的有效方法。地质力学模型试验技术是研究大型岩土工程问题的重要于段，地质力学模型可定性或定量地反映天然岩体受力特性和与之相联系建筑物的相互影响，可与数学方法相互验证，并且与数值方法(如有限元方法)相比，模型试验技术可以真实地再现实际工程情况。而目前地质力学模型试验技术试验周期长，而且每改变一种参数就必须重新作一次模型试验，模型不能重复利用，研究的成本大，并且由于地质力学模型试验研究的对象是岩体，而岩体是一种十分复杂的地质体，含有丰富的节理、层理、裂隙、断层等不连续面，尤具是地下采矿工程中的岩体，其非均质、各向异性、不连续和随机性更强。地质力学模型试验要求相对比较复杂的试验技术和专用的试验设备，且模拟地下工程岩体的相似条件一般难以全部满足。另外，它还存在着改变方案不灵活，测量数据受仪器精度影响大、费用高、试验技术复杂。

发明内容：

为了解决上述难题，本发明提出了物理有限单元板材料的概念。其优点是可根据现场复杂的地质条件，采用强度不同的单元板模拟产状。做完破坏试验后，将未破坏的单元材料收集，可留待下次试验重复使用，同时，由于单元板材料其尺寸小，又可灵活的模拟各种不同的岩体。这样还克服了模型试验周期长，费用高的缺点。

本发明通过如下技术方案实现：一种深部岩体工程灾害模型实验方法，包括制作成正方扁柱体实验模型，将模型放置在加载设备内，对模型厚度四周施加载荷，根据试验设计方案进行模型试验，记录并分析试验数据；其特征是：

1)制作物理有限单元板①，根据相似形原理由物理有限单元板模拟式样岩体产状垒砌组合成试验模型②。所述物理有限单元板为长方体，其宽度等于模型厚度，其厚度和长度根据相似形原理和模拟式样岩体产状精度设定；其材料由石膏和水不同比例配制；

2)所述加载方式为连续加载板或非连续加载板下六种应力组合，分别是：(1)周边均布加载，(2)周边局部加载，(3)周边逐级递增加载，(4)周边逐级递减加载，(5)周边凸形抛物线加载，(6)周边凹形抛物线加载；并且根据相似性原理和实际工程与式样岩体实际受力状况设计加载试验载荷。

3)实验分为模型中心不开挖和在模型中心模拟实际工程开挖两种情况进行；

4)对于试验中模型被破坏的部分，用相同的物理有限单元板替换原单元板并修复模型。

2、根据权利要求1所述的一种深部岩体工程灾害模型实验方法，其特征是：

1)所述物理有限单元板的尺寸为：40×40×(0.5～3.5)cm和40×20×(0.5～3.5)cm；水∶石膏为砂岩岩组0.8∶1，泥岩岩组1∶1，煤体岩组1.2∶1；由该单元板模拟式样岩体产状组合成的试验模型尺寸为：160×160×40cm。

2)所述加载载荷范围是：不开挖时，0.4～0.8MP；开挖时：0.8～6MP；加载方式是：模型两侧加载载荷相等，模型上部与两侧相独立。

3)在开挖试验充毕后，用相同的物理有限单元板④替换损坏部分并修复模型①。

本发明利用这种有限单元板为最小单元的组合模拟实际岩体状态。由水和石膏不同配比的调整形成不同物理有限单元板，再将有限单元板垒砌组合成式样岩体模型并对该岩体模型模拟实际状况加载，并测试应力；若模型中的单元板有损坏，可用对应的单元板进行更换；这样就可以重复地利用该模型，因此克服了以往模型式样岩体成本高的弊病，从而为进行大量模型试验提供了条件。同时，丰富而准确的加载方式，也确保了模拟实际工程式样岩体的精确度。为大量进行模型实验，积累科学数据和工程设计，评估，灾害预防提供实验基础。

附图说明：

图1恒定连续加载分布图

图2局部加载分布图

图3三角形加载分布图

图4抛物线型加载分布图

图5砂岩，煤岩，粉砂岩，泥岩6-46CM厚度下模型单元板布置图

图6该模型应变片位置分布图

图7不同厚度，岩性的板状有限单元模型组合示意图

图8徐州矿区旗山矿-1000m北翼联络轨道大巷所处深度工程地质柱状图

具体实施方式：

试验内容

1)在中国矿业大学何满潮教授提出的关于地质力学模型试验中物理有限单元板构想的基础上，研究如何制备物理有限单元板，对现有模型试验方法、技术进行改进；

2)利用岩体工程与地质灾害模拟试验系统(中国地质大学，北京)采用的试验设备对由物理有限单元板堆砌成的大尺度模型试样，进行不同边界(主要是两侧向)加载方式下的平面试验，探讨边界加载板对加载精度的影响以及深部煤岩在连续加载和非连续加载条件下的变形规律；

模型开挖前首先进行边界连续加载板和非连续加载板的加载对比试验。对三种荷载类型：恒定连续荷载、恒定不连续荷载(局部荷载)、连续变化荷载：包括三角型荷载、抛物线型荷载，每种类型设计了两种加载方式，总共八种不同的加载工况，进行了对比试。加载方式如图1-4加载类型。

3)通过在特定的加载方式下对开挖模型进行加载破坏试验，模拟现场破坏现象和过程，研究探讨深部煤岩的变形破坏规律。

模型开挖加载破坏试验。在模型中心部分，开挖出尺寸为25×20(cm)的矩形巷道，然后逐级加载直到模型破坏。

根据提供的徐州矿区原岩力学参数，考虑到模型试验操作的实际情况，经过概化决定采取如下表1的力学参数做为模型试验设计时煤岩体的主要力学参数。

表1煤岩体的概化力学参数

组别	容重(kN/m3)	抗压强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	弹性模量(GPa)	泊松比	粘聚力(MPa)	内摩擦角(°)	压拉强度比
									砂岩岩组	26.55	63.98	5.832	25.77	0.151	16.51	33.71	10.97
泥岩岩组	25.78	43.78	5.59	21.01	0.127	23.59	36.35	7.832
									煤体岩组	13.50	26.15	0.898	4.509	0.358	5.418	40.07	29.120

物理有限单元的力学参数确定

(1)几何相似比确定

定几何相似比为α_l＝12。按照实际巷道断面宽度为3～5米，则模型巷道断面宽度为0.25～0.42米，满足《深部矿井工程灾害模型实验系统操作说明书》中的模型块体内洞室尺寸的要求(最大达60mm)。由此可以确定可以模拟的实际尺寸为19.2m×19.2m。模型开挖范围综合考虑模型构建因素，定为0.25米×0.2米。

(2)应力相似比确定

定应力相似比为α_σ＝20。根据原岩岩组最大抗压强度和《深部矿井工程灾害模型实验系统操作说明书》中可施加的最大荷载集度确定。

(3)容重相似比确定

根据几何相似比和应力相似比可以确定容重相似比为：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\γ}}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\σ}}}{{\mathrm{\α}}_l}=1.7$

根据原岩力学参数得出的各模型岩组的力学参数如下表2所示。

表2模型设计主要力学参数

岩组组别	容重(kN/m3)	抗压强度(MPa)
			砂岩岩组	15.61	3.199
泥岩岩组	15.16	2.189
			煤体岩组	7.94	1.30

表3  实际制造单元板材料主要力学参数

岩组组别	容重(kN/m3)	抗压强度(MPa)
			砂岩岩组	14.68	6.748
泥岩岩组	11.25	4.663
			煤体岩组	8.4	3.382

2.3模型岩组相似材料配方及配比

根据经验，决定采用石膏和水作为材料来制作模型，表3为不同的模型岩组的制作配比。

表3模型岩组的制作配比

岩组组别	水膏比(重量)
		砂岩岩组	0.8∶1.0
泥岩岩组	1.0∶1.0
		煤体岩组	1.2∶1.0

实际制作出的材料力学参数可能会与所设计的模型力学参数有一定的差别，实际制造出的单元板材料力学参数见表3。

模型试样分布图及应变片位置分布见图6：

根据徐州矿区旗山矿-1000m北翼联络轨道大巷所处深度工程地质柱状图8，模型试样模拟实际岩层产状单元板布置图设计如图5。试样中共布置了88组应变片，分别采集各点的X和Y方向的应变。在离开挖区附近应变片分布较密，远离开挖区分布则相对稀疏(图6)。十字交叉块代表应变片的位置分布。

开挖区位置在模型正中，尺寸为250mm×20mm，横穿煤岩岩层。弹性范围内加载试验及结果分析：

本试验的操作严格按照《深部矿井工程灾害模型实验系统操作说明书》进行，在开挖前，在弹性范围内共进行了恒定连续荷载、恒定不连续荷载(局部荷载)、连续变化荷载(三角型、抛物线型)三种情况共8种不同加载方式下的加载试验，并分别使用了边界连续加载板和非连续加载板进行了对比试验。检验模型在弹性范围内加载下的整体变形情况和使用不同加载板对加载精度的影响。

试验时按照指定的边界荷载加载后，稳定荷载值，然后测量不同测点的应变大小。模型砌筑完成后，模型按照错缝排列。

以下是分别使用连续加载板和非连续加载板不同方式加载下岩体模型内部应变分布图：

连续加载板试验

1)两侧均布加载0.4MPa试验结果(连续加载板)

2)两侧均布加载0.8MPa试验结果(连续加载板)

3)两侧局部加载0.4MPa(连续加载板)。

4)两侧局部加载0.6MPa(连续加载板)。

5)两侧逐级递增加载0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(连续加载板)。

6)两侧逐级递减加载0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(连续加载板)。

7)凸形抛物线加载0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(连续加载板)

8)凹形抛物线加载0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(连续加载板)见图1-4

非连续加载板试验

1)两侧均布加载0.4MPa试验结果(非连续加载板)

2)两侧均布加载0.8MPa试验结果(非连续加载板)

3)两侧局部加载0.4MPa(非连续加载板)。

4)两侧局部加载0.6MPa(非连续加载板)。

5)两侧逐级递增加载0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(非连续加载板)。

6)两侧逐级递减加载0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(非连续加载板)。

7)凸形抛物线加载0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(非连续加载板)

8)凹形抛物线加载0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(非连续加载板)

从以上试验结果可以得出结论：(1)模型在不同的加载方式下，得到不同的应变值和分布，其变化范围在-250微应变至120微应变之间变化。在加载水平小于1MPa的情况下卸载后应变基本恢复到零，单元板模型整体变形性较好，应变片附近的材料变形基本为弹性变形；(2)模型在对称荷载作用下，应变基本也呈对称分布；由于模型沿高度使用了不同材料属性的单元板模拟不同岩性的岩层，在两侧均布加载下应变分布也有明显的分层；(3)对边界局部荷载，使用非连续加载板比使用连续加载板得到的试验结果更能反映加载特性；对边界连续变化荷载(包括三角型、抛物线型荷载)，由于加载钢板有一定的刚度，使得作用在试样上的荷载变得倾向于均匀分布，反映在应变结果也趋于均布分布。因此，对边界非均布加载情况，使用非连续加载板加载精度更高；(4)相比以前的试验，本次试验得到的应变分布图中应力集中的区域增多，主要原因初步分析是由于单元板之间接触不完全，产生局部应力集中的区域较多。

模型开挖加载破坏结果分析：

1)模型开挖完成后顶部两侧均布加载0.8MPa：从应力分布图可以看到开挖区周围应力明显集中，尤其是顶板和两帮附近区域，此时巷道模型两帮开始出现侧向位移，两侧红色边框线明开始弯曲

2)顶部两侧均布加载增至1MPa

3)顶部两侧均布加载增至1.4MPa：由应力分布图可以看出模型在均布围压1MPa和1.4MPa下除了应变量值有所增加外，应变分布变化不大。X方向的应变主要集中在模型巷道顶板左上方和右帮肩部；Y方向应变主要集中在左帮和底板处，可以预见，当荷载继续增加时，这些部位将首先出现破坏。

4)顶部加载增至1.8MPa：模型巷道在此加载水平下出现了顶板破裂、左帮竖向开缝和底臌，两侧滑移进一步增大，左帮岩体模块整体推出较明显；模型在此加载水平下出现了顶板开裂，底臌等典型的煤矿现场破坏现象，按前面试验设计原理，对应实际工程深度为-1330米左右，自重应力36MPa，水平应力7.2MPa，水平构造应力28.8MPa的情形。由于出现了局部破坏，局部应力集中得到了释放，反映在应力分布图上为开挖区周围应变等值线趋于平缓。

5)顶部加载增至2MPa：随着顶部荷载的逐渐增大，应变值也逐渐增加。模型开挖区附近出现过破坏的区域重新开始出现应力集中。

6)顶部加载增至2.5MPa：模型在此加载水平下左帮部开始出现竖向裂纹，顶板下沉量增加；

7)顶部加载增至3MPa：模型左帮部竖向裂纹增多、增宽；顶、底板变形加剧。

8)顶部加载增至4MPa：原本在开挖区附近显著的应力集中区域消失，转而重新出现在较深的区域。增大到此加载水平下，模型发生较显著破坏：左帮部裂缝开始贯穿，底板断裂。

9)顶部加载增至5MPa：模型开挖区左侧岩体破坏严重，帮部出现从上至下整体断裂。底板破碎。

10)顶部加载增至6MPa两侧加载增至2MPa：模型开挖区右侧帮部岩体开始破碎，底板破碎严重，底臌量进一步增加。

11)顶部加载增至6MPa两侧加载增至4MPa

12)顶部加载增至6MPa两侧加载增至6MPa：模型发生整体全面破坏。

研究结论

通过试验的构思、模型的设计、物理有限单元尺寸、材料参数的确定、模型的制作、应变片的粘贴、弹性范围内不同加载板加载对比试验和加载破坏试验，本阶段研究了物理有限单元材料的制作、使用有限单元模拟实际工程地质构造、不同加载板对加载精度的影响和相似模型的加载破坏过程及规律。具体得出以下几点结论：

一、用石膏和水制作物理有限单元材料简单易行、通过控制水膏比得到满足试验设计要求强度；可以通过添加纤维材料改善材料性质，降低脆性；材料干燥过程中温度不能过高，应控制在35摄氏度下，否则石膏材料易变形翘曲。

二、使用纸基应变片和乙基纤维素溶剂进行粘贴基本能有效测量石膏材料应变值。

三、使用物理有限单元板可以灵活模拟岩体产状，通过不同几何尺寸和力学参数的单元板可以实现对不同厚度和岩性岩层的模拟。使模型更加接近于实际工程地质状况，见图7。

四、进一步验证了连续加载板对边界加载精度的影响；对除了连续均布荷载以外的加载形式使用非连续(离散)加载板才能较好的实现荷载特性。

五、单元板模型的开挖加载破坏试验成功地模拟了深部岩体在自重应力和水平构造应力下共同作用下的变形破坏过程，再现了实际工程现场的各种破坏现象并通过应变分析可以得出一定的破坏规律。

六、破坏试验后模型的破坏区域主要集中在开挖区附近范围，在离开挖区较远的区域单元板材料的破坏程度不大，其中有一些可以留待下一次试验继续使用，有利于缩短试验周期和降低试验成本。

Claims (2)

1、一种深部岩体工程灾害模型实验方法，包括制作成正方扁柱体实验模型，将模型放置在加载设备内，对模型厚度四周施加载荷，根据试验设计方案进行模型试验，记录并分析试验数据；其特征是：

1)制作物理有限单元板①，根据相似形原理由物理有限单元板模拟式样岩体产状垒砌组合成试验模型②。所述物理有限单元板为长方体，其宽度等于模型厚度，其厚度和长度根据相似形原理和模拟式样岩体产状精度设定；其材料由石膏和水不同比例配制；

2)所述加载方式为连续加载板或非连续加载板下六种应力组合，分别是：(1)周边均布加载，(2)周边局部加载，(3)周边逐级递增加载，(4)周边逐级递减加载，(5)周边凸形抛物线加载，(6)周边凹形抛物线加载；并且根据相似性原理和实际工程与式样岩体实际受力状况设计加载试验载荷。

3)实验分为模型中心不开挖和在模型中心模拟实际工程开挖两种情况进行；

4)对于试验中模型被破坏的部分，用相同的物理有限单元板替换原单元板并修复模型。

2、根据权利要求1所述的一种深部岩体工程灾害模型实验方法，其特征是：

1)所述物理有限单元板的尺寸为：40×40×(0.5～3.5)cm和40×20×(0.5～3.5)cm；水∶石膏为砂岩岩组0.8∶1，泥岩岩组1∶1，煤体岩组1.2∶1；由该单元板模拟式样岩体产状组合成的试验模型尺寸为：160cm×160cm×40cm。

2)所述加载载荷范围是：不开挖时，0.4～0.8MP；开挖时：0.8～6MP；加载方式是：模型两侧加载载荷相等，模型上部与两侧相独立。

3)在开挖试验完毕后，用相同的物理有限单元板④替换损坏部分并修复模型①。

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