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538 北京科技大学学报 第31卷 式中，0为岩石材料细观单元体的瞬时抗压强度； 1采场地压显现调查 o∞为岩石材料细观单元体的长期强度；B1为岩石 为了掌握地压对巷道的破坏情况，对小官庄铁 的强度衰减系数，由实验确定的经验常数， 矿E337m水平二采区56条巷道（联巷及进路）的 地压显现情况进行现场调查，调查巷道的总长度为 1168.4m,通过地质调查、节理统计和围岩变形观 测发现：所调查巷道的破坏长度为512.8m,占巷道 的总长度的43.9%；完好的巷道长度为655.6m,占 巷道总长度的56.1%.其地压显现形式主要为：(1) 片帮鼓裂.喷层开裂首先出现在巷道两帮，随着两 帮变形的加大，网喷层后面的围岩被挤压成碎块，并 图1岩石长期强度与岩石瞬时强度关系曲线 沿网喷层裂缝流出，使支护层后形成空腔.(2)剥层 Fig.1 Curve of longterm strength to transient strength of rock 脱落，(3)顶板下沉，首先在拱脊处出现错动裂缝， 钢筋弯曲变形，下沉量一般为300~500mm·(4)整 在恒定载荷长期作用下，岩石会在比瞬时强度 个巷道断面收缩.巷道四周围岩均产生较大变形， 小得多的情况下破坏，根据目前实验资料，对于大多 整个断面均匀收缩，收缩率最大可达60%以上，(5) 数岩石，长期强度/瞬时强度(o∞/o0)为0.4~0.8， 矿岩具有蠕变特性， 软的和中等坚固岩石为0.4~0.6，坚固岩石为 在所有调查的巷道中，采用一次支护巷道的长 0.70.8. 度为：572.9m,占支护巷道总长度的49%；其中采 此外，研究表明，岩石弹性模量同岩石强度一 用一次支护破坏巷道的长度为98m,占采用一次支 样，具有时间效应，而且它们的变化规律具有相似 护巷道长度的17.1%.采用二次支护巷道破坏的长 性，都随时间的延长而降低).因此，在RFPA2D模 度为426.5m,占支护巷道总长度的51%；其中破坏 型中，假定岩石的弹性模量参数也服从式(1)的变化 的二次支护巷道的长度占所有二次支护巷道长度的 规律，即材料的弹性模量按下式衰减： 71.6%.在所有破坏的巷道中有四条巷道中深孔孔 E:=Eo+(Eo-E∞)exp(一B2t) (2) 位发生偏移 其中，E,为t时刻的瞬时弹模；E∞为长期弹性模 2地压显现数值分析 量，当t→∞时，E,→E∞；Eo为初始弹性模量；B2 本文应用岩石破裂过程分析(RFPA2D)系 为岩石的弹性模量衰减系数，由实验确定的经验常 统)，按平面应变模型，考虑岩石的蠕变特性，系 数 统研究小官庄铁矿二采区进路开挖引起应力场演化 2.2数值模型建立 对巷道地压活动的影响，岩石破裂过程分析 针对小官庄铁矿二采区开采现状，建立矿山开 (RFPA2D)系统，是一个基于有限元应力分析模块和 采二维数值分析模型，模型尺寸为200m×100m 微观单元破坏分析模块的岩石变形、破裂过程研究 (长×高)，单元划分为300×150=45000个单元， 的数值分析程序.RFPAZD将细观力学与数值计算 数值模型中的矿块尺寸为12m×12m,在模型中开 方法有机的结合起来，通过考虑岩石性质的非均匀 挖进路的尺寸为3.2mX3.5m(高×宽)，其水平压 性特点，模拟岩石变形和破裂的非线性行为，是一种 力系数为1.3.开挖进路的数目为14个，分别在 用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新 -323m水平、-335m水平和-347m水平（图2）， 型数值分析工具， 其岩石力学参数见表1.通过调整Weibull分布函 2.1岩石蠕变演化模型 数参数改变材料的非均匀性，其细观单元的弹模和 当衡量永久性及使用期长的岩石工程的稳定性 强度服从Weibull分布.采用修正的库仑（考虑拉伸 时，不应以瞬时强度而应以长期强度作为岩石强度 破坏)准则作为单元破坏的依据，设准则中基元材料 的计算指标.在RFPA2D模型中，考虑岩体的长期强 的拉、压强度比为1/10，内摩擦角为30°.开挖顺序 度效应，引入了长期强度演化方程1]（图1）： 主要是依据现场实际情况进行开挖，即：1一2-3,6 =∞十(o一oo∞)exp(一B1t) (1) 4,7,105,8,119,12-1314.1 采场地压显现调查 为了掌握地压对巷道的破坏情况对小官庄铁 矿 E－337m 水平二采区56条巷道（联巷及进路）的 地压显现情况进行现场调查调查巷道的总长度为 1168∙4m．通过地质调查、节理统计和围岩变形观 测发现：所调查巷道的破坏长度为512∙8m占巷道 的总长度的43∙9％；完好的巷道长度为655∙6m占 巷道总长度的56∙1％．其地压显现形式主要为：（1） 片帮鼓裂．喷层开裂首先出现在巷道两帮随着两 帮变形的加大网喷层后面的围岩被挤压成碎块并 沿网喷层裂缝流出使支护层后形成空腔．（2）剥层 脱落．（3）顶板下沉．首先在拱脊处出现错动裂缝 钢筋弯曲变形下沉量一般为300～500mm．（4）整 个巷道断面收缩．巷道四周围岩均产生较大变形 整个断面均匀收缩收缩率最大可达60％以上．（5） 矿岩具有蠕变特性． 在所有调查的巷道中采用一次支护巷道的长 度为：572∙9m占支护巷道总长度的49％；其中采 用一次支护破坏巷道的长度为98m占采用一次支 护巷道长度的17∙1％．采用二次支护巷道破坏的长 度为426∙5m占支护巷道总长度的51％；其中破坏 的二次支护巷道的长度占所有二次支护巷道长度的 71∙6％．在所有破坏的巷道中有四条巷道中深孔孔 位发生偏移． 2 地压显现数值分析 本文 应 用 岩 石 破 裂 过 程 分 析 （RFPA 2D ） 系 统［7－12］按平面应变模型考虑岩石的蠕变特性系 统研究小官庄铁矿二采区进路开挖引起应力场演化 对巷 道 地 压 活 动 的 影 响．岩 石 破 裂 过 程 分 析 （RFPA 2D ）系统是一个基于有限元应力分析模块和 微观单元破坏分析模块的岩石变形、破裂过程研究 的数值分析程序．RFPA 2D将细观力学与数值计算 方法有机的结合起来通过考虑岩石性质的非均匀 性特点模拟岩石变形和破裂的非线性行为是一种 用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新 型数值分析工具． 2∙1 岩石蠕变演化模型 当衡量永久性及使用期长的岩石工程的稳定性 时不应以瞬时强度而应以长期强度作为岩石强度 的计算指标．在 RFPA 2D模型中考虑岩体的长期强 度效应引入了长期强度演化方程［13］ （图1）： σ＝σ∞＋（σ0－σ∞）exp（－B1t） （1） 式中σ0 为岩石材料细观单元体的瞬时抗压强度； σ∞为岩石材料细观单元体的长期强度；B1 为岩石 的强度衰减系数由实验确定的经验常数． 图1 岩石长期强度与岩石瞬时强度关系曲线 Fig．1 Curve of long-term strength to transient strength of rock 在恒定载荷长期作用下岩石会在比瞬时强度 小得多的情况下破坏根据目前实验资料对于大多 数岩石长期强度／瞬时强度（σ∞／σ0）为0∙4～0∙8 软的和中等坚固岩石为 0∙4～0∙6坚固岩石为 0∙7～0∙8． 此外研究表明岩石弹性模量同岩石强度一 样具有时间效应而且它们的变化规律具有相似 性都随时间的延长而降低［14］．因此在 RFPA 2D模 型中假定岩石的弹性模量参数也服从式（1）的变化 规律即材料的弹性模量按下式衰减： Et＝ E∞＋（ E0－ E∞）exp（－B2t） （2） 其中Et 为 t 时刻的瞬时弹模；E∞ 为长期弹性模 量当 t→∞时Et → E∞；E0 为初始弹性模量；B2 为岩石的弹性模量衰减系数由实验确定的经验常 数． 2∙2 数值模型建立 针对小官庄铁矿二采区开采现状建立矿山开 采二维数值分析模型模型尺寸为200m ×100m （长×高）单元划分为300×150＝45000个单元 数值模型中的矿块尺寸为12m×12m在模型中开 挖进路的尺寸为3∙2m×3∙5m（高×宽）其水平压 力系数为1∙3．开挖进路的数目为14个分别在 －323m水平、－335m 水平和－347m 水平（图2） 其岩石力学参数见表1．通过调整 Weibull 分布函 数参数改变材料的非均匀性其细观单元的弹模和 强度服从 Weibull 分布．采用修正的库仑（考虑拉伸 破坏）准则作为单元破坏的依据设准则中基元材料 的拉、压强度比为1／10内摩擦角为30°．开挖顺序 主要是依据现场实际情况进行开挖即：1－2－36－ 4710－5811－912－13－14． ·538· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷