分類號 密級 U D C 編號 士學位論文 論文題目 高應力巖體動力響應 及巖爆研究 學科、專業(yè) 安全技術與工程 研究生姓名 郭 雷 導師姓名及 專業(yè)技術職務 李夕兵 教授中南大學碩士學位論文 摘要 要 本文結合國家自然科學基金重大項目 “深部巖體力學基礎研究與應用”第四課題：深部多相多場耦合作用及其災害發(fā)生機理與防治，運用數(shù)值模擬方法分析了深部開采高 應力巖體的動力響應問題， 并對深井開采的突出問題巖爆進行了研究。 用 先計算了硐室開挖后圍巖的 應力分布、位移和變形情況，在此基礎上，分別在硐室圍巖模型的上邊界和右邊界施加一動力載荷，進行動力分析，以模擬外界動力擾動對硐室圍巖穩(wěn)定性的影響；通過改變擾動應力波峰值， 來考察動載強度的變化對硐室圍巖穩(wěn)定性的影響。同時，對深井典型礦柱進行數(shù)值模擬和計算。計算了不同高徑比的礦柱在不同壓力下的應力和變形情況， 考察了不同高徑比礦柱的承載能力。在此基礎上，在礦柱模型的頂端施加一動力荷載，進行動力分析。通過改變礦柱所受壓力的大小，來考察承壓不同的礦柱對外界動力擾動的響應情況；通過改變擾動應力波峰值的大小，來考察動載強度的變化對承受高應力礦柱穩(wěn)定性的影響。 通過對硐室和礦柱的數(shù)值模擬和計算 可知，承受高應力的巖體，隨著所受應力的增大，外界的動力擾動對其影響就越明顯；隨著外界擾動動載強度的增大，巖體也越容易失穩(wěn)破壞。 根據(jù)對高應力巖體動力響應的數(shù)值模擬和計算結果， 分析了高應力巖體動力失穩(wěn)對巖爆機理研究的啟示， 利用理論分析指出了靜力學理論在巖爆機理研究中的局限，對巖爆動力學機理進行了初步分析。 闡述了人工神經(jīng)網(wǎng)絡的基本原理及三層 經(jīng)網(wǎng)絡算法的學習過程，對標準 法存在的問題及其原因進行了評述并改進了 用人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論，選取影響巖爆的一些主要因素，根據(jù)國內(nèi)外一些巖石地下工程實例構造樣本集，最后借助于 序實現(xiàn)網(wǎng)絡的學習和收斂，建立了巖爆預測的人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型。 關鍵詞 : 高應力巖體，動力擾動，巖爆，數(shù)值模擬，人工神經(jīng)網(wǎng)絡 中南大學碩士學位論文 of of of by of in By a of is of of by On of is on of of is By of of of to is of of in is of in by of of is on is on of of is By of of of to is to of to of in of of is on is by of of of P is of P is is to P 中南大學碩士學位論文 on a is be to or is in of 南大學碩士學位論文 目錄 錄 摘 要 . I . 一章 緒論 .言 .內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 高應力巖石力學性質(zhì)研究 . 巖石動力特性研究 . 巖爆機理研究 . 巖爆預測研究 . 研究中存在的未考慮的問題 .文研究的內(nèi)容和方法 .二章 數(shù)值模擬方法的選擇及其原理 .言 .值模擬方法的選擇 . 數(shù)值方法評述 . 數(shù)值模擬方法選擇 .格朗日差分法分析的基本原理 .序分析的特點及基本過程 .三章 高應力巖體動力響應分析 .言 .埋硐室動力響應的模擬與分析 . 數(shù)值計算模型和網(wǎng)格劃分 . 數(shù)值計算參數(shù) . 屈服準則的選取 . 數(shù)值計算方案 . 數(shù)值計算結果及分析 .井礦柱動力響應的模擬與分析 . 數(shù)值計算模型和網(wǎng)格劃分 . 數(shù)值計算參數(shù)和屈服準則 . 數(shù)值計算方案 . 數(shù)值計算結果及分析 .南大學碩士學位論文 目錄 應力巖體動力特性的綜合分析 .四章 巖爆發(fā)生機理的理論分析 .言 .應力巖體動力失穩(wěn)對巖爆機理研究的啟示 .力學理論在巖爆機理研究中的局限分析 . /0而由于工程開挖所引起的應力集中水 平則更是遠大于工程巖體的強度(40同時，據(jù)已有的地應力資料顯示，深部巖體 形成歷史久遠，留有遠古構造運動的痕跡，其中存有構造應力場或殘余構造應力場。二者的疊合累積為高應力，在深部巖體中形成了異常的地應力場。據(jù)南非地應力測定，在 35005000m 深度，地應力水平為 95 135。在如此高的應力狀態(tài)下進行采礦工作，確實面臨嚴峻挑戰(zhàn)。 工程實踐表明3在高地應力下的礦產(chǎn)開采過程中，不同階段的爆破作業(yè)對上一階段或下一階段采場中礦柱的承載強度及巷道圍巖的穩(wěn)定性會有較大影響，自然地震或崩礦過程產(chǎn)生的人工地震也會使巷道和礦柱突然失穩(wěn)。而深部高應力開采中一系列災害，如巷道圍巖發(fā)生劇烈變形、礦柱失穩(wěn)和巖爆等，與淺部開采災害相比，程度加劇，頻度提高。 巖爆是高地應力巖石地下工程中的一種常見災害8。對于巖爆的定義，各國學者給出了不同的解釋和冠以不同的名詞，包括巖爆、煤爆、沖擊地壓、巖石突出、礦震等。其常常表現(xiàn)為地下工程開挖過程中或之后圍巖的爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲。它直接威脅施工人員、設備和建筑的安全，影響工程進度。 自 20 世紀 80 年代以來，隨著開采深度的逐年遞增，深井開采中的巖爆事故越來越嚴重。在南非深部金礦的開采中，由于高應力誘發(fā)的巖爆、巖石冒落，使南非的采礦工業(yè)成為最危險的工業(yè)之一。 據(jù)南非政府所屬據(jù)南非政府所屬的采礦工程師協(xié)會統(tǒng)計， 1984 1993 年有總計 6966 名礦工在地下采礦事故中喪生，其中 3275 人是金礦礦工； 1994 1998 年有 139， 000 名礦工嚴重受傷， 總計有 2264位礦工死亡， （其中金礦有 1634 人） 。負責礦業(yè)的政府部門認為，導致傷亡嚴重的主要原因是 2000以下采礦未能研究和采用與高應力環(huán)境相適應的有利于控制巖爆與巖石冒落的采礦技術與工藝。 1987 1995 年間，因巖爆和巖崩引起的受傷率和死亡率分別占南非采礦工業(yè)的 1/4 和 1/2 以上9。在美國，愛達荷北部的科達爾鉛鋅銀礦區(qū)到 1984 年已采到地表以下 2438m，巖爆一直是該礦區(qū)生產(chǎn)中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 2中的一個懸而未決的難題，從 1984 年之后的 4 年中，有 23 人受傷， 6 人死亡10。另外，幸運星期五礦和茄萊娜礦也曾發(fā)生過較大規(guī)模的巖爆11。在智利，典型的巖爆礦山為 礦，礦山的第 6 采區(qū)自 1989 1992 年期間先后 4 次因強烈?guī)r爆造成的破壞而停產(chǎn)，其中最強烈的 1992 年 3 月發(fā)生的巖爆造成上百米巷道垮落，停產(chǎn)時間長達 22 個月12。另外，加拿大、澳大利亞、德國、波蘭、日本和印度等國家一些深井開采的金屬礦山也受到巖爆危害。 近年我國已有一批金屬礦山進入深部開采， 例如紅透山銅礦目前開采已進入 9001100 深度；冬瓜山銅礦已建成 2條超 1000 豎井來進行深部開采；弓長嶺鐵礦設計開拓深度已達 地表達 1000；夾皮溝金礦二道溝坑口礦體延深至 1050；湘西金礦已開拓 38 個中段，垂深超過 850。此外，還有壽王墳銅礦、凡口鉛鋅礦、金川鎳礦、乳山金礦等許多礦山都將進行深部開采13。深部開采所面臨的一個重大問題就是高地應力， 深井的高應力是誘發(fā)巖爆重要原因。 我國發(fā)現(xiàn)巖爆的金屬礦山比較典型的主要有遼寧的紅透山銅礦、 獅子山銅礦冬瓜山礦床，隨著開采深度的進一步加大，巖爆有增加的趨勢。所以我國將要進入或已經(jīng)進入深部開采的礦山將會面臨巖爆的威脅。 從致因看，巖爆可以分為兩大類14，第一類是巖爆源在巖爆巖體本身，即處于一定的高應力狀態(tài)的巖體，當其能量在一定范圍內(nèi)積貯到一定程度時，會自動發(fā)生的巖爆， 或者是處于該狀態(tài)的巖體， 由于開采等活動改變圍巖的應力狀態(tài)，使其卸壓而發(fā)生的巖爆15, 16；第二類是巖爆源在外部，即處于高應力的巖體，在外界擾動下，如爆破震動、地震、瞬時卸載等，劇烈地失穩(wěn)破壞而發(fā)生的巖爆。第一類巖爆的巖體可視為準靜態(tài)破壞，對其研究較多17；第二類巖爆屬于巖石動力學研究范疇，也積累了許多研究成果，但這些成果主要是關于巖爆與爆破或巖爆與爆炸應力波方面的，既有的巖石動力學理論是解決這些問題的基礎，但還不能或至今還未解決與巖爆機理有關的所有巖石動力學問題。 如前所述，深部巖體開采，受一定的高地應力和開采擾動的作用，是典型的高應力巖體的動力響應問題，而第二類巖爆也是此問題的一個典型例子。 本文將結合國家自然科學基金重大項目深部巖體了力學基礎研究與應用下第四課題：深部多相多場耦合作用及其災害發(fā)生機理與防治，擬就深部開采高應力巖體的動力響應及深井開采的突出問題巖爆進行研究和分析， 旨在揭示高應力巖體的動力特性及進一步揭示巖爆發(fā)生的動力學機理和對巖爆進行預測。 以下將本文涉及的有關問題的研究現(xiàn)狀和全文的工作作一歸納。 中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 應力巖石力學性質(zhì)研究 文 2研究表明，總體上巖石的強度隨深度的 增加而有所提高。如有的礦區(qū)從深度小于 1,化到 800 1000m 時，強度為 21 40巖石所占的比重從 30減少到 24，而強度為 81 100石的比重則從 且?guī)r石更脆，更容易發(fā)生巖爆。 文 18根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)， 總結了在非常高的側向應力 (高達 700的巖石強度準則，提出了一個非線性的巖石強度準則。文 19根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，在200 280和不同圍壓的條件下，花崗巖具有較低的強度值。 巖石在不同圍壓下表現(xiàn)出不同的峰后特性， 在較低圍壓下表現(xiàn)為脆性的巖石可以在高圍壓下轉化為延性。文 20在室溫下對大理巖進行了試驗，證明了隨著壓力增大巖石變形行為由脆性向延性轉變的特性。文 21， 22發(fā)表過類似的試驗結果，并指出脆 延轉化通常與巖石強度有關。 在深部高應力環(huán)境中，巖石具有強時間效應，表現(xiàn)為明顯的流變或蠕變。文23在研究核廢料處置時，研究了核廢料儲存庫圍巖的長期穩(wěn)定性和時間效應問題。文 24， 25系統(tǒng)地研究了南非金礦深部硬巖的流變性，發(fā)現(xiàn)高應力導致圍巖流變性十分明顯，支護極其困難，巷道最大收縮率曾達到了 500的水平。 石動力特性研究 對巖石動力特性，人們研究較多的是材料對加載速率的響應。文 26系統(tǒng)地研究了加載速率在 102崗巖的破壞特征，得出了強度隨加載速率變化的規(guī)律，并提出了花崗巖的動力破壞準則。文 27利用高壓動三軸儀，分別以 10 得破壞強度與加載速率的關系。李海波、趙堅28等也曾作了動態(tài)壓縮性試驗。試驗結果表明：單軸動載荷作用情況下巖樣呈錐型破壞模式（劈裂破壞和試樣端部摩擦效應結合），三軸情況下巖樣呈剪切破壞模式；當應變速率從 00崗巖的抗壓強度約增加 實驗結果還表明，花崗巖的彈性模量和泊松比隨應變速率的增加沒有明顯的變化趨勢。李夕兵29、鄭永來30、單仁亮31等利用 爆機理研究 近幾十年來，國內(nèi)外采礦界和巖體工程界的專家、學者對巖爆機理進行了大量的研究，取得了一定成果。現(xiàn)就這些理論進行概述和總結。 中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 4（ 1）強度理論 早期的強度理論著眼于巖體的破壞原因， 認為地下井巷和采場周圍產(chǎn)生應力集中，當應力集中的程度達到礦巖強度極限時，巖層發(fā)生突然破壞，發(fā)生巖爆。近代強度理論認為：導致巖體承受的應力 與其強度 的比值，也就是 1 時導致巖爆發(fā)生。近代強度理論的表達式有多種，對各向同性巖石材料的破壞準則最有代表性的是 1980 年提出的經(jīng)驗性的強度準則32： =+ +（ 1 式中：1 最大主應力， 3 最小主應力， 完整巖石材料的單軸抗壓強度， m 常數(shù)，取決于巖石性質(zhì)和承受破壞應力前已破壞的程度。 強度理論在我國比較有代表性的判據(jù)： （ （ 1 式中： 為巖體的初始應力；巖塊的單軸抗壓強度。 （ 2）能量理論3320 世紀 60 年代中期，庫克等人在總結南非金礦巖爆研究成果的基礎上提出了能量理論。他們指出：隨著采掘 范圍的不斷擴大，巖爆是由于巖體 系統(tǒng)釋放的能量大于巖體本身破壞所消耗的能量而引起的。 這種理論較好地解釋了地震和巖石拋出等動力現(xiàn)象。 同一時期， 釋放和消耗的能量結構進行了分析。隨后，佩圖霍夫也對庫克等人的理論進行了補充和完善。 70 年代由 提出了能量率理論，即 dE dt +（ 1 式中： 圍巖能量釋放有效系數(shù)； 礦體能量釋放有效系數(shù)； 圍巖所儲存的能量， 礦體儲存的能量， 消耗于礦體和圍巖交界處礦體破壞阻力的能量， （ 3）剛度理論1220 世紀 60 年代中期， 現(xiàn)，用普通壓力機進行單軸壓縮實中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 5驗時猛烈破壞的巖石試件，若改用剛性試驗機試驗，則破壞平穩(wěn)發(fā)生而不猛烈，并且有可能得到應力應變?nèi)^程曲線。他們認為，試件產(chǎn)生猛烈破壞的原因是試件的剛度大于試驗機（即加載系統(tǒng)）的剛度。 20 世紀 70 年代 剛度理論用于分析美國愛達荷加利納礦區(qū)的巖爆問題。認為礦山結構 (礦體 )的剛度大于礦山負荷 (圍巖 )的剛度是產(chǎn)生巖爆的必要條件。 80 年代佩圖霍夫認為，巖爆發(fā)生是因為那里的巖體破壞時實現(xiàn)了柔性加載條件。 在他的研究中也引入了剛度條件，并且明確認為礦山結構的剛度是峰值后載荷變形曲線下降段的剛度。 （ 4）巖爆傾向理論 巖石本身的力學性質(zhì)是發(fā)生巖爆的內(nèi)因條件。 用一個或一組與巖石本身性質(zhì)有關的指標衡量礦巖的巖爆傾向強弱，這類理論就是所謂的巖爆傾向理論。表征巖石巖爆傾向的指標很多，其中常用的有以下幾種： 1）彈性能量指數(shù) 將巖石試件加載到 (b（巖石抗壓強度） ，然后再卸載到 載所釋放的彈性應變能耗損的彈性應變能比值，定義為彈性能量指數(shù)用于判斷和預測巖爆。= 性能量指數(shù)也稱為沖擊傾向指數(shù)，其值越大，破壞時釋放的能量越大。 2）巖石沖擊能指標 該指標由巖石的荷載 其計算公式為： 12 （ 1 式中：沖擊能指標； 1F ，2F 分別為巖石的荷載變形全圖中以峰值荷載為界的左右部分曲線與變形坐標軸圍成的面積。 3）巖石的脆性系數(shù) 巖爆是一種脆性破壞，巖石的脆性一方面表現(xiàn)為破壞前總變形量很小；另一方面表現(xiàn)為抗拉強度比抗壓強度小。 出巖石的脆性系數(shù)指標有兩個34： 1+（ 1 2K = （ 1 式中：1K ，2K 脆性系數(shù)； 巖石的抗壓和抗拉強度， 巖石的內(nèi)磨擦角， （ ） 。 中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 6（ 5）失穩(wěn)理論 失穩(wěn)理論是將圍巖看成一個力學系統(tǒng)， 將巖爆當作圍巖組成的力學系統(tǒng)的動力失穩(wěn)過程。 巖石在已具備大量彈性應變能及峰值強度以后處于非穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，在干擾性因素如洞室的開挖、地震、圍巖振動等因素的影響下，巖石會失穩(wěn)。因此， 可將穩(wěn)定性理論應用于巖爆判據(jù)分析， 干擾性因素是巖爆形成的觸發(fā)因素。 （ 6）斷裂、損傷理論35近年來，斷裂力學和損傷力學的發(fā)展，對經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學產(chǎn)生了巨大的影響， 運用斷裂力學和損傷力學分析巖石的強度可以比較實際地評價巖體的開裂和失穩(wěn)。將斷裂、損傷理論用于巖爆雖然是最近幾年的事，但經(jīng)過眾多學者的努力已經(jīng)取得了一定的成果。 斷裂理論實際上是結合失穩(wěn)理論進行的，根據(jù)線性斷裂力學，裂縫擴展條件相當于結構勢能 出現(xiàn)駐值的情況。 ()0 （ 1 式中： U 為結構彈性能； W 為裂縫擴展所需能量； 為裂縫長度的一半。 根據(jù)上式可得 0dW （ 1 設 /dW d ， /dU d ，則 G 為裂縫尖端的彈性能釋放率（裂縫驅動力） ， R 為裂縫擴展面積上消耗的能量率（裂縫擴展阻力） ，根據(jù)失穩(wěn)理論可得 ()0重巖爆） 式中：圍巖軸向應力。 （ 2）巖性判據(jù) 巖爆的發(fā)生與否及其烈度大小與巖 性有關。我國的陸家佑教授38提出的巖爆判據(jù)中，認為通常發(fā)生巖爆的巖石為致密的硬巖，影響巖爆的最主要巖性是單軸抗壓強度單軸抗拉強度當將產(chǎn)生巖爆，式中，與關。 （ 3）能量判據(jù) 能量判據(jù)即彈性能指數(shù)判據(jù)波蘭國家標準39： 中南大學碩士學位論文 第一章 緒論 8（ 2 式中： = （ 2 式中：多邊形的邊長； F 在的平均值。 假定以速度代替上式中的且取邊兩端的結點 (即差分網(wǎng)絡的角點 )a和 b 的速度平均值，則： 1()x= + &（ 2 由廣義虎克定律，各向同性材料的本構方程為： 2ij ij =+ （ 2 式中： 、 為拉梅常數(shù)；11 22 33 =+，即體積應變；而常數(shù)： 1 ( )0 ( )=（ 2 因此，單元的平均應力增量可表達成： 1ij ij = + （ 2 同時，若以應力表示應變，則其本構關系為： 中南大學碩士學位論文 第二章 數(shù)值模擬方法的選擇及其原理 1411ij ij += +（ 2 式中： 為泊松比； E 為彈性模量；1I 為應力第一不變量。 這樣，通過上述各式的迭代求解，便可求出每一迭代時步相應各單元的應力和應變值。根據(jù)不同的塑性屈服準則，通過相關計算結果就可以判斷哪些單元屈服與否。 以上已求出了各單元的應力，下面來求各節(jié)點的平衡力： 由節(jié)點的運動方程： =&（ 2 式中： 為總加速度；重力加速度。 對單元應力表達式沿積分路徑積分得： 1 =為某節(jié)點周圍單元作用在該節(jié)點的集中力。 1&（ 2 式中： F 指作用在節(jié)點中的合力 (凈力 )。 利用中心差分，得某節(jié)點加速度和速度： (/2)(/2)()t ut =&（ 2 ( / 2) ( / 2) ( )t ut t ut t+ = + & & & （ 2 其中： (/2)t& 為節(jié)點上一時步的速度，而 () 也已求出。 進一步得節(jié)點位移： ()()()t ut ut t t+ = + + & （ 2 按照上述思路，通過迭代求解，便可求出各個時步計算域內(nèi)各單元 (或節(jié)點 )的應力、變形值，進而可模擬出整個變形 (破壞 )過程。 計算循環(huán)如圖 2示。 中南大學碩士學位論文 第二章 數(shù)值模擬方法的選擇及其原理 15圖 2格朗日元法的計算循環(huán) 序分析的特點及基本過程 與現(xiàn)行的數(shù)值方法相比， 有以下幾方面的特點51： （ 1）求解過程中，采用迭代法求解，不 需要存儲較大的剛度矩陣，占用內(nèi)存少，求解速度快。 （ 2）在現(xiàn)行的 序中，采用了“混合離散化” (術 ,可以較為準確和有效地模擬材料的塑性破壞 (塑性流動( （ 3）采用顯式差分求解，幾乎可以在與 求解線性應力一應變本構方程相同的時間內(nèi)，求解任意的非線性應力一應變本構方程。 （ 4）在 ，所用的全是動力學方程 (即使在求解靜力學問題時也如此。因此，它可以很好地分析和計算物理非穩(wěn)定過程，適宜于求解決動力問題。 用 行模擬時，有三個基本方面必須指定：有限差分網(wǎng)格；本構行為和材料性質(zhì)；邊界和初始條件。網(wǎng)格是用來定義模型單元的形狀；本構行為和相關的材料性質(zhì)是顯示模型對擾動所作出的力學響應； 邊界和初始就是定義初始狀態(tài)。在 定義完這些條件之后，就會計算出模型的初始狀態(tài)，然后改變其他條件，再計算模型的響應結果。 夠進行巖石、土等材料達到屈服極限后經(jīng)歷塑性變形的三維空間行為分析。運用 須首先進行靜力分析。在完成靜力分析的基礎上，才能施加動力載荷進行動力分析。 斯定律 運動定律 本構方程 速度 對于每個節(jié)點 應變率 對于每個單元 新的應力 節(jié)點力 中南大學碩士學位論文 第二章 數(shù)值模擬方法的選擇及其原理 16（ 1）確定計算區(qū)域，并進行網(wǎng)格劃分； （ 2）選擇動力計算模式，定義本構模型和材料的物理力學參數(shù)； （ 3）定義計算所需的邊界條件和初始條件； （ 4）進行計算，獲得初始平衡狀態(tài)； （ 5）進行工程開挖計算分析，得到開挖后的靜力計算結果； （ 6）檢查靜力計算結果，認為滿意后，設置動力計算的邊界條件； （ 7）施加動力載荷，進行動力計算，得到動力計算結果。 一般的計算流程如圖 2 圖 2始定義邊界條件和初始條件選擇計算區(qū)域， 定義網(wǎng)格計算至平衡狀計算得到靜力結果 定義動力計算的邊界條件和所需阻尼結束重新計算， 得到動力計算結果選擇計算模式， 定義本構模型和物理力學參數(shù)空區(qū) 開挖檢 查 結果施加動力荷載，如爆炸、地震等產(chǎn)生的應力波荷載 檢查結果滿意不滿意滿意不滿意靜力計算動力計算中南大學碩士學位論文 第三章 高應力巖體動力響應分析 17第三章 高應力巖體動力響應分析 言 初是應用于巖土工程，而近十幾年來， 地下工程、礦業(yè)、巖石力學等研究領域取得了廣泛的應用。 由于 有的動態(tài)計算模塊能很好地解決非線性動力分析問題，因此編碼可以應用于各種工程動力學問題，可以進行爆破工程和地震工程的分析。近年來， 坡穩(wěn)定分析及爆炸、地震動力響應分析等許多領域52但應用 析高應力巖體的動力響應問題，國內(nèi)外學者研究的還很少。本文將利用 由于深井開采中涉及到的井巷、 硐室及礦柱眾多，選取典型案例進行分析。 埋硐室動力響應的模擬與分析 冬瓜山銅礦破碎硐室位于主提升井附近的 平，該井井口標高為+95m。破碎硐室的埋深達 970m，為國內(nèi)罕見的大深度地下銅室。該硐室位于船山組灰?guī)r巖層中，斷面形狀為直墻三心拱型，凈斷面尺寸為寬 9m，墻高 9m，拱心高 芯弧半徑為 個小芯弧半徑為 室長度達 34m，其形狀和尺寸見圖 3 圖 3碎硐室形狀及尺寸圖 中南大學碩士學位論文 第三章 高應力巖體動力響應分析 18硐室在施工完成后，外界擾動因素有很多，如放炮、機械振動、相鄰巖爆產(chǎn)生的應力波、 地震等。 硐室在這些外界擾動的影響下， 其圍巖的應力會怎么變化？硐室圍巖會如何變形？局部會不會失穩(wěn)破壞？這些問題都值得討論和研究， 而數(shù)值模擬的方法是有效的研究手段。 值計算模型和網(wǎng)格劃分 設計計算模型的垂直硐室長軸方向橫斷面的幾何尺寸為 90m 90m，硐室長軸方向取 3m。由于大型通用有限元分析軟件 有強大的前處理功能，對于在 應用 利用 后通過 序把建好的模型導入 建模的源程序代碼見 附錄一 。設置模型邊界條件：約束硐室長軸兩端沿軸向方向的位移和下部邊界豎直方向的位移； 上部邊界施加豎直方向地應力，左右邊界施加水平方向地應力。硐室圍巖的計算模型及網(wǎng)格劃分模型分別見圖 33 圖 3室圍巖的計算模型 圖 3算的網(wǎng)格模型 值計算參數(shù) 根據(jù)文獻 12選取硐室圍巖邊界處的垂直地應力大小 p=平地應力大小 q=巖的物理力學參數(shù)如表 3示。 中南大學碩士學位論文 第三章 高應力巖體動力響應分析 19表 3室圍巖的力學參數(shù)取值表 彈性模量(泊松比 內(nèi)聚力（內(nèi)摩擦角(o) 抗壓強度(抗拉強度(8 90 體變形參數(shù)采用的是體積模量 (K)和剪切模量 (G)。因此，必須將彈性模量 (E)和泊松比 ()轉化成體積模量 (K)和剪切模量 (G)，轉化公式為： 3(1 2 )（ 3 2(1 )（ 3 服準則的選取 在 ，摩爾 1。這種模型的破壞包絡線對應于摩爾 切屈服函數(shù)）加上拉應力屈服函數(shù)。 假設壓應力為負，且13 ，則在（1 ，3 ）平面的破壞準則可以表示為如圖 3示的形式