CN103713332A - 一种裂隙岩体巷道轴线走向确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种裂隙岩体巷道轴线走向确定方法，包括如下步骤：根据工程地质调查得到的巷道断面形状及几何参数，先利用GeneralBlock程序建立巷道模型选择出3组代表性结构面组，再利用Unwedge程序建立巷道模型进行块体计算，然后输出巷道轴向处于0～180°范围时直接掉落块体数和块体最小安全系数信息图，以直接掉落块体数目最少和最小安全系数为评价指标确定出巷道最优轴线走向。本发明克服了现有中裂隙岩体代表性结构面组选择不够科学的缺陷，完善了裂隙岩体巷道最优轴线走向确定的评价指标，使得裂隙岩体巷道最优轴线走向的选择更为精确、合理。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石地下工程巷道轴向确定方法，具体是一种裂隙岩体巷道轴线走向确定方法。
背景技术
地下工程中巷道工程是不可或缺的，其稳定性如何将直接影响到生产安全和经济效益。在巷道工程设计过程中，巷道轴线走向和断面形状是核心，其中巷道轴线走向选择对巷道工程布置是战略性的，一经选择难以更改，将直接影响巷道的安全开挖和长期使用，一直备受工程界关注。工程设计中往往由工程师根据个人经验按矿体走向进行类比法设计。这样设计出的巷道轴线走向，如选择不当，将可能导致巷道出现片帮、冒落、垮落等地质灾害现象，以至于丧失其基本工程功能。对于裂隙岩体中的巷道，其稳定性主要受结构面自然禀赋产状、力学性质及岩石质量、地应力、地下水条件等复杂条件因素的影响，其中与巷道轴线走向选择最为密切的是结构面自然禀赋产状。其中，结构面交互切割形成了大量岩石块体，巷道轴线走向不同则岩石块体稳定性不同；如何选择巷道最佳轴线走向成为地下工程研究巷道稳定性的重点内容。
对于上述情况，已有学者进行了相关方面的研究。如：杨文军等利用遗传算法，以块体重量和稳定性系数为评价指标来进行走向优化选择；刘彬和高正夏借助Unwedge程序，以分析块体重量指标来确定最优走向；周建民等人从应尽可能使洞室轴线走向与破裂面走向呈大角度相交(≦90°)的洞轴线走向设计原则出发进行了相关研究。杨文军、刘彬等人的研究以块体重量作为评价工程稳定性的指标是值得商榷的，因为块体重量最大并不等于块体不稳定或者是达不到要求的安全系数，且都没有对在复杂裂隙岩体条件下如何从大量的结构面数据中筛选出代表性结构面组没有详细说明，距离工程实际运用有一定难度，同时还需注意到Unwedge程序是基于关键块体理论开发的，其假设结构面无限延伸是不符合工程实际的。周建民等人从应尽可能使洞室轴线走向与破裂面走向呈大角度相交(≦90°)的洞轴线走向设计原则出发，提出相应的计算原则和具体公式，却忽略了结构面本身的力学性质。归纳起来，上述研究存在代表性结构面组选择和评价指标不够科学两方面的不足。
裂隙岩体理论中关键块体理论和一般块体理论的进一步发展和计算机技术的进步，尤其是Unwedge、GeneralBlock程序的相继开发使得克服上述代表性结构面组选择难的问题成为了可能。
Unwedge是用于块体稳定性分析的程序，由E.Hoek依据关键块体理论开发研制。Unwedge程序继承了关键块体理论结构面无限延伸的理论缺陷，这种缺陷放大了工程实际中结构面对工程的影响。实际工程中结构面有一定的半径范围，有时并不会相交形成块体对工程造成安全威胁，且Unwedge程序一次性只能对3组裂隙组进行块体分析，面对工程实际中复杂的裂隙结构面显得不是很实用。虽然存在上述缺陷，但Unwedge程序在块体分析方面其功能还是相当强大的，特别是可以分析出块体在不同走向、不同倾向时的块体各种信息，是其他程序所不能比拟的。GeneralBlock是于青春教授基于一般块体理论开发的，是唯一一个“在有限延展裂隙，复杂开挖面形状”可以识别出所有块体的程序。该程序所处理的结构面数据是有一定的半径范围的，更符合工程实际，且一次性可以输入大量结构面数据并进行筛选。与Unwedge程序相比，GeneralBlock也包含块体识别、稳定计算、锚杆、锚索设计等功能，但是一次只能分析一个走向和倾向，这是该程序用于走向优化研究的不足之处。如能充分利用Unwedge程序和GeneralBlock程序各自的优点互补，将可以克服现有代表性结构面组选择和评价指标不够科学两方面的不足问题，可以较好地解决裂隙岩体巷道轴线走向优化难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有代表性结构面组选择和评价指标不够客观科学的缺点，克服关键块体理论的裂隙无限延伸理论缺陷，确定一种更为精确、合理的裂隙岩体巷道轴线走向确定方法。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：一种裂隙岩体巷道轴线走向确定方法，包括如下步骤：
1、工程地质调查，工程地质调查采用的方法为：精测网结构面调查法，所收集的工程原始数据包括：巷道断面形状、尺寸、走向；结构面的空间位置、产状、迹线长、张开度、结构面力学参数中的粘滞系数和内摩擦角；
2、代表性结构面组的选定，先利用GeneralBlock软件裂隙有限迹线生成功能，输出直观地现场结构面交切数据图，借助生成的结构面在巷道表面的迹线图，直接删除在实际工程中并不相交的结构面和相交次数少于3次的结构面数据，进行初次筛选；如不符合Unwedge软件对结构面数据严格的3组计算要求，则再利用关键块体理论之界面数与结构面数对块体可动性影响关系论述进行不符合条件结构面数据的二次筛选，甚至三次或者三次以上筛选，直至最终筛选至只有3组结构面为止，输出筛选结果；如果筛选结果存在同时选择出多个3组结构面组合为代表性结构面组的情况，对于这样一种特殊的情形，将再次利用GeneralBlock软件的块体分析功能，分别对这些结构面形成的块体进行分析，计算不同结构面组合所形成的总可动块体的体积，通过比较分析，以总可动块体体积最大的结构面组为代表性结构面组，即确定代表性结构面组；
3、指定块体信息分析图的输出，利用Unwedge软件再次建立巷道模型，输入代表性结构面组数据，设定本构模型和力学参数，对块体进行计算分析，根据Unwedge软件输出的块体分析结果，从工程生产安全、整体稳定性或巷道实际工程需要满足设计需求的角度出发，输出指定块体信息分析图；
4、巷道轴线最优走向的确定，利用Unwedge软件输出巷道走向在0～180°范围内变化时巷道直接掉落块体的数目和块体最小安全系数信息图，通过比较分析这些块体信息，以直接掉落块体数目最少和最小安全系数为评价指标确定出最优的巷道轴线走向。
本发明的突出技术特点在于：
1.提出了代表性结构面的选取方法，使得利用GeneralBlock程序迹线显示功能精确选取代表性结构面组的想法得以实现，解决了复杂岩体环境下巷道围岩结构面数据庞大导致很多数值模拟程序无法应用的问题。
2.充分利用了Unwedge程序可以输出巷道走向在0～180°范围内变化时块体的信息，弥补了GeneralBlock一次仅能分析一个走向块体信息的局限，能够快速选定巷道的最优轴线走向和精确定位危险块体位置。
3.与现有方法相比，本发明对裂隙岩体巷道轴线走向的选择更为精确、合理。
附图说明
图1是试验区结构面组迹线图。
图2是试验区代表性结构面组迹线图。
图3是试验区代表性结构面组和当前巷道走向的赤平投影关系图(倾角/倾向/°)。
图4是试验区直接掉落块体数目的示意图。
图5是试验区块体最小安全系数的示意图。
具体实施方式
本发明所述的裂隙岩体巷道轴线走向确定方法，实施例以国内某矿山部分矿段试验区作为实例进行说明，具体操作步骤和实现过程如下：
1、工程地质调查
通过精测网法对试验区结构面调查法进行工程地质调查，所搜集的工程原始数据包括：巷道断面形状、尺寸、走向见表1；结构面的空间坐标、产状、迹线长、张开度；结构面力学参数中的粘滞系数和内摩擦角见表2。
表1试验区基本情况
2、代表性结构面组的选定
根据表1的数据，利用GeneralBlock软件裂隙有限迹线生成功能,建立试验区裂隙岩体巷道模型，输入表2中试验区结构面数据，输出结构面在巷道上的迹线图，见图1。
通过图1直接观察结构面交切的情况，分析可知：试验区有3组代表性结构面组，见表3。同时，通过软件输出代表性结构面组在巷道表面的迹线见图2，代表性结构面组和当前巷道走向的赤平投影关系见图3。
表3试验区代表性结构面组
3、输出指定块体信息分析图
利用Unwedge软件再次建立巷道模型，输入代表性结构面组数据，以摩尔-库伦为本构模型设定力学参数岩石密度2.7t/m3和裂隙水压力0.981t/m3，对块体进行计算分析，根据Unwedge软件输出的块体分析结果，从危险块体掉落的数目最少和块体的最小安全系数工程角度出发，输出指定块体信息分析图见图4；由图4可知，巷道在大部分走向角度时是没有直接掉落块体的，安全性隐患较小，但在5°～7°，14.5°～16°，20°～21°，23.5°～24.5°，26°～28.5°，85.5°～86.5°和159.5°～162.5°这7个角度范围内直接掉落的块体数目为1个。在布置巷道走向时，应该避免这些角度范围，当前试验区的巷道走向为20°时，对应的直接掉落块体数目为1个，应进一步优化。
4、确定出最优的巷道轴线走向
利用Unwedge软件输出巷道走向在0～180°范围内变化时巷道直接掉落块体的数目和块体最小安全系数信息图，见图5。由图可知，块体最小安全系数为0，对应图2中直接掉落块体，明显可看出巷道走向在0～180°内变化，37°时块体的最小安全系数最大，为57.529，是最安全、最优的巷道轴线走向。
Claims (2)
1.一种裂隙岩体巷道轴线走向确定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）工程地质调查，采用精测网结构面调查法进行工程地质调查，收集的工程原始数据包括：巷道断面形状、尺寸、走向；结构面的空间位置、产状、迹线长、张开度、结构面力学参数中的粘滞系数和内摩擦角；
（2）代表性结构面组的选定，根据巷道断面形状及几何参数，利用GeneralBlock程序建立巷道模型，调出结构面信息数据库，输入结构面调查数据，经过GeneralBlock程序处理，输出结构面在巷道表面的迹线图；对结构面迹线图进行分析，通过一次或多次筛选，最终确定出3组对巷道安全威胁性最大的结构面，即代表性结构面组；
（3）指定块体信息分析图的输出，利用Unwedge软件再次建立巷道模型，输入代表性结构面组数据，设定本构模型和力学参数，对块体进行计算分析，根据Unwedge软件输出的块体分析结果，从工程生产安全、整体稳定性或巷道实际工程需要出发，输出指定块体信息分析图；
（4）巷道轴线最优走向的确定，利用Unwedge软件输出巷道走向在0～180°范围内变化时巷道直接掉落块体的数目和块体最小安全系数信息图，通过比较分析这些块体信息，以直接掉落块体数目最少和最小安全系数为评价指标确定出最优的巷道轴线走向。
2.根据权利要求1所述的裂隙岩体巷道轴线走向确定方法，其特征在于，所述代表性结构面组是利用GeneralBlock程序选定，利用GeneralBlock软件裂隙有限迹线生成功能，直接观察现场结构面交切的情况，删除在实际工程中并不相交的结构面和相交次数少于3次的结构面数据，进行初次筛选；如不符合Unwedge软件对结构面数据严格的3组计算要求，则利用关键块体理论之界面数与结构面数对块体可动性影响关系论述进行不符合条件结构面数据的二次筛选或多次筛选，直至选出只有3组结构面为止，输出筛选结果；如果同时选择出多个3组结构面组合为代表性结构面组的情况，利用GeneralBlock软件的块体分析功能，分别对这些结构面形成的块体进行分析，计算不同结构面组合所形成的总可动块体的体积，通过比较分析，以总可动块体体积最大的结构面组为代表性结构面组，即确定代表性结构面组。
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