工程科学学报，第44卷，第X期 渐向垂直于最大主应力方向的应力集中处转移 实际地应力场进行动态调整，从而有效降低构造 图19(a)和(b)分别给出了椭圆形硐室顶部和中线 应力对酮室围岩稳定性的不利影响，减小围岩损 处Mises应力分布，构造应力场对Mises应力分布 伤破裂区范围.图20给出了围岩损伤破裂区面积 具有重要影响.因此，深部地下硐室设计时应根据 与构造应力角度间的关系 Elastic modulus/MPa 505050305 0 图18构造应力角对围岩弹性模量影响.(a)=0°：(b)=15°：(c)=30°：(d)=45°：(e)-60° Fig.18 Effect of the tectonic stress dip on the elastic modulus of country rock:(a);(b)=15;(c)=30;(d)B=45;(e)60 120 200 B=O° (a) (b) =15o 150 里160 1 -…=60° =60° 80 元120 i 60 80 0 40 20 10 -5 0 -10 -5 10 Distance to chamber center/m Distance to chamber center/m 图19不同构造应力角酮室X方向应力分布情况.(a)拱顶处：b)水平中线处 Fig.19 Stress distribution in the X direction of a chamber with different tectonic stress dips:(a)chamber roof,(b)middle route of the chamber 5.5 硐室垮落和自稳演变过程.不同的地压具有不同 50 的变形破坏特征和规律，应采用不同的力学理论 进行机理分析，确定合理的围岩稳定性控制策略. 4.0 三山岛金矿西岭矿区规划设计了国内拟建的 3.5 最深竖井，井深为2005m.三山岛金矿西岭矿区深 3.0 部地层地应力测试结果表明，埋深1900m处地层 2.5 最大水平主应力为72MPa,最小水平主应力为48MPa, ◇ 2.0 竖向应力为50MPa.根据轴变论的思想，巷道走 15 30 45 60 向应沿最大水平主应力方向布置，而后根据最小 Tectonic stress dip/() 水平主应力与竖向应力比值得到椭圆形酮室设计 图20围岩损伤破裂区面积与构造应力角度关系 Fig.20 Relationship between the damaged zone area and tectonic stress 轴比Z=0.96.然而，实际工程中金属矿巷道一般 dip 采用拱形巷道，本文建立了宽4m,高4m的三心 拱巷道，并对其进行了损伤破裂分析.如图21~23 3 地下硐室断面设计与地压调控讨论 所示，等应力轴比酮室应力均匀分布在巷道周边 地压是引起围岩变形破坏的根本作用力，因此 围岩，且损伤区域也围绕巷道周边零星分布，根据 工程所在处的实测地应力是力学分析的前提条件 数值模拟结果对损伤单元进行统计可得出损伤区 不同的地应力场.酮室断面设计及其力学分析和 域面积为4.36m2;三心拱巷道则在拱脚处产生较 支护设计不尽相同.根据实测地应力，进行酮室断 强的应力集中，损伤区域集中在拱脚与拱顶处，损 面设计，降低酮室围岩应力集中系数，从而科学论证 伤区域面积为5.58m2,略大于圆形巷道.相同巷道渐向垂直于最大主应力方向的应力集中处转移. 图 19（a）和（b）分别给出了椭圆形硐室顶部和中线 处 Mises 应力分布，构造应力场对 Mises 应力分布 具有重要影响. 因此，深部地下硐室设计时应根据 实际地应力场进行动态调整，从而有效降低构造 应力对硐室围岩稳定性的不利影响，减小围岩损 伤破裂区范围. 图 20 给出了围岩损伤破裂区面积 与构造应力角度间的关系. (a) (b) (c) (d) (e) Elastic modulus/MPa 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 图 18    构造应力角对围岩弹性模量影响. （a）β=0°；（b）β=15°；（c）β=30°；（d）β=45°；（e）β=60° Fig.18    Effect of the tectonic stress dip on the elastic modulus of country rock: (a) β=0°;(b) β=15°;(c) β=30°;(d) β=45°;(e) β=60° −10 −5 0 5 10 20 40 60 80 100 120 The von mises stress/MPa Distance to chamber center/m β=0° β=15° β=30° β=45° β=60° (a) −10 −5 5 10 0 40 80 120 160 200 β=0° β=15° β=30° β=45° β=60° The von mises stress/MPa Distance to chamber center/m (b) 图 19    不同构造应力角硐室 X 方向应力分布情况. (a) 拱顶处;(b) 水平中线处 Fig.19    Stress distribution in the X direction of a chamber with different tectonic stress dips: (a) chamber roof; (b) middle route of the chamber 0 15 30 45 60 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Area of damage zone/m2 Tectonic stress dip/(°) 图 20    围岩损伤破裂区面积与构造应力角度关系 Fig.20    Relationship between the damaged zone area and tectonic stress dip 3    地下硐室断面设计与地压调控讨论 地压是引起围岩变形破坏的根本作用力，因此 工程所在处的实测地应力是力学分析的前提条件. 不同的地应力场，硐室断面设计及其力学分析和 支护设计不尽相同. 根据实测地应力，进行硐室断 面设计，降低硐室围岩应力集中系数，从而科学论证 硐室垮落和自稳演变过程. 不同的地压具有不同 的变形破坏特征和规律，应采用不同的力学理论 进行机理分析，确定合理的围岩稳定性控制策略. 三山岛金矿西岭矿区规划设计了国内拟建的 最深竖井，井深为 2005 m. 三山岛金矿西岭矿区深 部地层地应力测试结果表明，埋深 1900 m 处地层 最大水平主应力为72 MPa，最小水平主应力为48 MPa， 竖向应力为 50 MPa. 根据轴变论的思想，巷道走 向应沿最大水平主应力方向布置，而后根据最小 水平主应力与竖向应力比值得到椭圆形硐室设计 轴比 Z = 0.96. 然而，实际工程中金属矿巷道一般 采用拱形巷道，本文建立了宽 4 m，高 4 m 的三心 拱巷道，并对其进行了损伤破裂分析. 如图 21～23 所示，等应力轴比硐室应力均匀分布在巷道周边 围岩，且损伤区域也围绕巷道周边零星分布，根据 数值模拟结果对损伤单元进行统计可得出损伤区 域面积为 4.36 m2 ；三心拱巷道则在拱脚处产生较 强的应力集中，损伤区域集中在拱脚与拱顶处，损 伤区域面积为 5.58 m2 ，略大于圆形巷道. 相同巷道 · 8 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期