專利名稱：一種深部巖體工程災害模型實驗方法
技術領域：
本發明涉及一種深部巖體工程災害模型實驗方法，屬于礦井工程災害模型研究領域，尤其涉及深部礦井災害的實驗研究用的模型試驗方法。
背景技術：
發展歷史開創從20世紀初，西歐一些國家就開始進行結構模型試驗，并逐漸建立了相似理論。20世紀60年代，以E.Fumagalli為首的專家在意大利結構模型試驗所(ISMES)開創了工程地質力學模型試驗技術，試驗研究范圍從彈性到塑性直至最終破壞階段。隨后，葡萄牙、前蘇聯、法國、德國、英國和日本等國也開展了這方面的研究。發展1967年國際巖石力學會議及同年舉行的第九屆國際大壩會議提也了采用模型材料的塊體組合來模擬多裂隙介質巖土的設想。隨后，意大利的貝加莫結構與模型試驗研究所進行了多項小塊體地質力學模型試驗，研究拱壩壩肩、邊坡巖體和洞室圍巖的穩定頭題。同時，在很多國家重大工程的科研需要情況下，貝加莫試驗所受其委托進行了針對具體水利工程的多項研究。貝加莫結構與模型試驗研究所進行的模型試驗理論和實踐，對當時的工程建設和后來的理論研究，均具有建設性和前瞻性意義。貝加莫結構與模型試驗研究所不僅得出的試驗成果在工程應用方面表現比較突出，而且在地質力學模型試驗理論的建立以及對地質力學模型試驗技術問題的解決方面也做出了重要貢獻。后期，南斯拉夫成功的進行格蘭卡爾拱壩的地質力學模型試驗，而且還利用地質力學模型研究了地下隧道的穩定性。瑞士利用地質力學模型研究了層狀巖體中隧道掘進圍巖變形破壞問題。美國對地下洞室在靜力條件下的圍巖穩定性進行了內容廣泛的地質力學模型試驗。日本的科學家則利用地質力學模型研究了錨桿對洞室圍巖的加固作用和效果。還有前蘇聯、印度、挪威、西班牙等幾個國家進行了大量研究。
結論這些早期的科學家們在實踐當中不斷地總結地質力學模型試驗的理論，相似條件的建立方法以及與具體工程結合的模擬試驗技術，對均質巖體、塊狀巖體和節理巖體中的地下工程、巖質邊坡的穩定性進行了地質力學模型試驗，對工程的設計和建設提供了可靠的理論依據。
國內情況地質力學模型試驗研究開展于二十世紀七十年代。長江水利水電科學研究院最早進行了模型試驗研究，為葛洲壩水利樞紐工程、三峽工程以及其他多個水利工程進行了不同側重的模擬試驗研究。例如，以葛洲壩二江泄水閘等工程為背景的大塊體平面地質力學模型試驗及三維模型試驗；以三峽工程永久船閘為背景的地質力學模型試驗，分別研究了閘門附近高邊坡的穩定性和中隔墩的穩定性等工程問題；以及以我國其他幾個大型水電工程，如清江隔河巖水電站重力拱壩、構皮灘雙曲拱壩為背景進行了地質力學模型試驗。這些模型試驗都取得了對工程實際具有指導意義的成果。在這些研究過程中不斷總結，長江水利水電科學研究院提出并完成了地質力學模型材料試驗研究報告。從1979年開始，清華大學水利系張光斗、陳興華、王宙等人進行模型材料的研究和國內多個大型重力壩、拱壩壩肩的三維小塊體地質力學模型試驗和壩體樞紐整體三維小塊體地質力學模型試驗，研究其壩肩巖體的抗滑穩定性、拱壩的超載能力和破壞機理，并且對基礎加固措施的實際效果作了研究。周維垣、楊若瓊、羅光福等人進行了大型雙曲薄拱壩的整體地質力學模型破壞試驗，從巖體構造入手，選取相似比為1∶100，對大壩的壩肩巖體的力學行為和變形特征進行了模擬研究，并得到了一些具有重要意義的觀測結果。
現存問題目前，隨著我國經濟持續高速發展，對能源的需求也越來越大，而煤炭作為中國能源支柱產業，其安全開采關系極其重大。目前，我國煤礦開采深度正以每年8～12m的速度增加，東部礦井開采深度正以每10年100～250m的速度發展，可以預計在未來20年內我國很多煤礦將進入到1000～1500m的深度。而深部巖體處于“三高一擾動”(高地應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈采掘擾動)的復雜環境，使深部巖體表現出的力學特性與淺部開采時往往具有很大的差異。因此，深入研究深部巖體特性及圍巖穩定性，掌握深部巖體的變形破壞機理，對深部礦井工程的支護，有效地控制圍巖的變形與破壞，具有重要的現實意義。
隨著計算機技術的普及，國內外大量的科研機構和個人常用數值模擬技術，因為數值模擬相對地質力學模型試驗來說花費時間少、見效快，并且在考慮不同的邊界條件、約束條件時比較方便，但是對于一些復雜的巖土工程問題來說，仍然需要進行地質力學模型試驗技術，其中模型試驗便是一種研究深部煤巖體在開挖或荷載擾動條件下的變形和破壞規律的有效方法。地質力學模型試驗技術是研究大型巖土工程問題的重要于段，地質力學模型可定性或定量地反映天然巖體受力特性和與之相聯系建筑物的相互影響，可與數學方法相互驗證，并且與數值方法(如有限元方法)相比，模型試驗技術可以真實地再現實際工程情況。而目前地質力學模型試驗技術試驗周期長，而且每改變一種參數就必須重新作一次模型試驗，模型不能重復利用，研究的成本大，并且由于地質力學模型試驗研究的對象是巖體，而巖體是一種十分復雜的地質體，含有豐富的節理、層理、裂隙、斷層等不連續面，尤具是地下采礦工程中的巖體，其非均質、各向異性、不連續和隨機性更強。地質力學模型試驗要求相對比較復雜的試驗技術和專用的試驗設備，且模擬地下工程巖體的相似條件一般難以全部滿足。另外，它還存在著改變方案不靈活，測量數據受儀器精度影響大、費用高、試驗技術復雜。
發明內容
為了解決上述難題，本發明提出了物理有限單元板材料的概念。其優點是可根據現場復雜的地質條件，采用強度不同的單元板模擬產狀。做完破壞試驗后，將未破壞的單元材料收集，可留待下次試驗重復使用，同時，由于單元板材料其尺寸小，又可靈活的模擬各種不同的巖體。這樣還克服了模型試驗周期長，費用高的缺點。
本發明通過如下技術方案實現一種深部巖體工程災害模型實驗方法，包括制作成正方扁柱體實驗模型，將模型放置在加載設備內，對模型厚度四周施加載荷，根據試驗設計方案進行模型試驗，記錄并分析試驗數據；其特征是1)制作物理有限單元板①，根據相似形原理由物理有限單元板模擬式樣巖體產狀壘砌組合成試驗模型②。所述物理有限單元板為長方體，其寬度等于模型厚度，其厚度和長度根據相似形原理和模擬式樣巖體產狀精度設定；其材料由石膏和水不同比例配制；2)所述加載方式為連續加載板或非連續加載板下六種應力組合，分別是(1)周邊均布加載，(2)周邊局部加載，(3)周邊逐級遞增加載，(4)周邊逐級遞減加載，(5)周邊凸形拋物線加載，(6)周邊凹形拋物線加載；并且根據相似性原理和實際工程與式樣巖體實際受力狀況設計加載試驗載荷。
3)實驗分為模型中心不開挖和在模型中心模擬實際工程開挖兩種情況進行；4)對于試驗中模型被破壞的部分，用相同的物理有限單元板替換原單元板并修復模型。
2、根據權利要求1所述的一種深部巖體工程災害模型實驗方法，其特征是
1)所述物理有限單元板的尺寸為40×40×(0.5～3.5)cm和40×20×(0.5～3.5)cm；水∶石膏為砂巖巖組0.8∶1，泥巖巖組1∶1，煤體巖組1.2∶1；由該單元板模擬式樣巖體產狀組合成的試驗模型尺寸為160×160×40cm。
2)所述加載載荷范圍是不開挖時，0.4～0.8MP；開挖時0.8～6MP；加載方式是模型兩側加載載荷相等，模型上部與兩側相獨立。
3)在開挖試驗充畢后，用相同的物理有限單元板④替換損壞部分并修復模型①。
本發明利用這種有限單元板為最小單元的組合模擬實際巖體狀態。由水和石膏不同配比的調整形成不同物理有限單元板，再將有限單元板壘砌組合成式樣巖體模型并對該巖體模型模擬實際狀況加載，并測試應力；若模型中的單元板有損壞，可用對應的單元板進行更換；這樣就可以重復地利用該模型，因此克服了以往模型式樣巖體成本高的弊病，從而為進行大量模型試驗提供了條件。同時，豐富而準確的加載方式，也確保了模擬實際工程式樣巖體的精確度。為大量進行模型實驗，積累科學數據和工程設計，評估，災害預防提供實驗基礎。
圖1恒定連續加載分布2局部加載分布3三角形加載分布4拋物線型加載分布5砂巖，煤巖，粉砂巖，泥巖6-46CM厚度下模型單元板布置6該模型應變片位置分布7不同厚度，巖性的板狀有限單元模型組合示意8徐州礦區旗山礦-1000m北翼聯絡軌道大巷所處深度工程地質柱狀圖
具體實施例方式試驗內容1)在中國礦業大學何滿潮教授提出的關于地質力學模型試驗中物理有限單元板構想的基礎上，研究如何制備物理有限單元板，對現有模型試驗方法、技術進行改進；2)利用巖體工程與地質災害模擬試驗系統(中國地質大學，北京)采用的試驗設備對由物理有限單元板堆砌成的大尺度模型試樣，進行不同邊界(主要是兩側向)加載方式下的平面試驗，探討邊界加載板對加載精度的影響以及深部煤巖在連續加載和非連續加載條件下的變形規律；模型開挖前首先進行邊界連續加載板和非連續加載板的加載對比試驗。對三種荷載類型恒定連續荷載、恒定不連續荷載(局部荷載)、連續變化荷載包括三角型荷載、拋物線型荷載，每種類型設計了兩種加載方式，總共八種不同的加載工況，進行了對比試。加載方式如圖1-4加載類型。
3)通過在特定的加載方式下對開挖模型進行加載破壞試驗，模擬現場破壞現象和過程，研究探討深部煤巖的變形破壞規律。
模型開挖加載破壞試驗。在模型中心部分，開挖出尺寸為25×20(cm)的矩形巷道，然后逐級加載直到模型破壞。
根據提供的徐州礦區原巖力學參數，考慮到模型試驗操作的實際情況，經過概化決定采取如下表1的力學參數做為模型試驗設計時煤巖體的主要力學參數。
表1煤巖體的概化力學參數
物理有限單元的力學參數確定(1)幾何相似比確定定幾何相似比為αl＝12。按照實際巷道斷面寬度為3～5米，則模型巷道斷面寬度為0.25～0.42米，滿足《深部礦井工程災害模型實驗系統操作說明書》中的模型塊體內洞室尺寸的要求(最大達60mm)。由此可以確定可以模擬的實際尺寸為19.2m×19.2m。模型開挖范圍綜合考慮模型構建因素，定為0.25米×0.2米。
(2)應力相似比確定定應力相似比為ασ＝20。根據原巖巖組最大抗壓強度和《深部礦井工程災害模型實驗系統操作說明書》中可施加的最大荷載集度確定。
(3)容重相似比確定根據幾何相似比和應力相似比可以確定容重相似比為αγ=ασαl=1.7]]>根據原巖力學參數得出的各模型巖組的力學參數如下表2所示。
表2模型設計主要力學參數
表3 實際制造單元板材料主要力學參數
2.3模型巖組相似材料配方及配比根據經驗，決定采用石膏和水作為材料來制作模型，表3為不同的模型巖組的制作配比。
表3模型巖組的制作配比
實際制作出的材料力學參數可能會與所設計的模型力學參數有一定的差別，實際制造出的單元板材料力學參數見表3。
模型試樣分布圖及應變片位置分布見圖6根據徐州礦區旗山礦-1000m北翼聯絡軌道大巷所處深度工程地質柱狀圖8，模型試樣模擬實際巖層產狀單元板布置圖設計如圖5。試樣中共布置了88組應變片，分別采集各點的X和Y方向的應變。在離開挖區附近應變片分布較密，遠離開挖區分布則相對稀疏(圖6)。十字交叉塊代表應變片的位置分布。
開挖區位置在模型正中，尺寸為250mm×20mm，橫穿煤巖巖層。彈性范圍內加載試驗及結果分析本試驗的操作嚴格按照《深部礦井工程災害模型實驗系統操作說明書》進行，在開挖前，在彈性范圍內共進行了恒定連續荷載、恒定不連續荷載(局部荷載)、連續變化荷載(三角型、拋物線型)三種情況共8種不同加載方式下的加載試驗，并分別使用了邊界連續加載板和非連續加載板進行了對比試驗。檢驗模型在彈性范圍內加載下的整體變形情況和使用不同加載板對加載精度的影響。
試驗時按照指定的邊界荷載加載后，穩定荷載值，然后測量不同測點的應變大小。模型砌筑完成后，模型按照錯縫排列。
以下是分別使用連續加載板和非連續加載板不同方式加載下巖體模型內部應變分布圖連續加載板試驗1)兩側均布加載0.4MPa試驗結果(連續加載板)2)兩側均布加載0.8MPa試驗結果(連續加載板)3)兩側局部加載0.4MPa(連續加載板)。
4)兩側局部加載0.6MPa(連續加載板)。
5)兩側逐級遞增加載0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(連續加載板)。
6)兩側逐級遞減加載0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(連續加載板)。
7)凸形拋物線加載0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(連續加載板)8)凹形拋物線加載0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(連續加載板)見圖1-4非連續加載板試驗1)兩側均布加載0.4MPa試驗結果(非連續加載板)2)兩側均布加載0.8MPa試驗結果(非連續加載板)3)兩側局部加載0.4MPa(非連續加載板)。
4)兩側局部加載0.6MPa(非連續加載板)。
5)兩側逐級遞增加載0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(非連續加載板)。
6)兩側逐級遞減加載0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(非連續加載板)。
7)凸形拋物線加載0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(非連續加載板)8)凹形拋物線加載0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(非連續加載板)從以上試驗結果可以得出結論(1)模型在不同的加載方式下，得到不同的應變值和分布，其變化范圍在-250微應變至120微應變之間變化。在加載水平小于1MPa的情況下卸載后應變基本恢復到零，單元板模型整體變形性較好，應變片附近的材料變形基本為彈性變形；(2)模型在對稱荷載作用下，應變基本也呈對稱分布；由于模型沿高度使用了不同材料屬性的單元板模擬不同巖性的巖層，在兩側均布加載下應變分布也有明顯的分層；(3)對邊界局部荷載，使用非連續加載板比使用連續加載板得到的試驗結果更能反映加載特性；對邊界連續變化荷載(包括三角型、拋物線型荷載)，由于加載鋼板有一定的剛度，使得作用在試樣上的荷載變得傾向于均勻分布，反映在應變結果也趨于均布分布。因此，對邊界非均布加載情況，使用非連續加載板加載精度更高；(4)相比以前的試驗，本次試驗得到的應變分布圖中應力集中的區域增多，主要原因初步分析是由于單元板之間接觸不完全，產生局部應力集中的區域較多。
模型開挖加載破壞結果分析
1)模型開挖完成后頂部兩側均布加載0.8MPa從應力分布圖可以看到開挖區周圍應力明顯集中，尤其是頂板和兩幫附近區域，此時巷道模型兩幫開始出現側向位移，兩側紅色邊框線明開始彎曲2)頂部兩側均布加載增至1MPa3)頂部兩側均布加載增至1.4MPa由應力分布圖可以看出模型在均布圍壓1MPa和1.4MPa下除了應變量值有所增加外，應變分布變化不大。X方向的應變主要集中在模型巷道頂板左上方和右幫肩部；Y方向應變主要集中在左幫和底板處，可以預見，當荷載繼續增加時，這些部位將首先出現破壞。
4)頂部加載增至1.8MPa模型巷道在此加載水平下出現了頂板破裂、左幫豎向開縫和底臌，兩側滑移進一步增大，左幫巖體模塊整體推出較明顯；模型在此加載水平下出現了頂板開裂，底臌等典型的煤礦現場破壞現象，按前面試驗設計原理，對應實際工程深度為-1330米左右，自重應力36MPa，水平應力7.2MPa，水平構造應力28.8MPa的情形。由于出現了局部破壞，局部應力集中得到了釋放，反映在應力分布圖上為開挖區周圍應變等值線趨于平緩。
5)頂部加載增至2MPa隨著頂部荷載的逐漸增大，應變值也逐漸增加。模型開挖區附近出現過破壞的區域重新開始出現應力集中。
6)頂部加載增至2.5MPa模型在此加載水平下左幫部開始出現豎向裂紋，頂板下沉量增加；7)頂部加載增至3MPa模型左幫部豎向裂紋增多、增寬；頂、底板變形加劇。
8)頂部加載增至4MPa原本在開挖區附近顯著的應力集中區域消失，轉而重新出現在較深的區域。增大到此加載水平下，模型發生較顯著破壞左幫部裂縫開始貫穿，底板斷裂。
9)頂部加載增至5MPa模型開挖區左側巖體破壞嚴重，幫部出現從上至下整體斷裂。底板破碎。
10)頂部加載增至6MPa兩側加載增至2MPa模型開挖區右側幫部巖體開始破碎，底板破碎嚴重，底臌量進一步增加。
11)頂部加載增至6MPa兩側加載增至4MPa12)頂部加載增至6MPa兩側加載增至6MPa模型發生整體全面破壞。
研究結論通過試驗的構思、模型的設計、物理有限單元尺寸、材料參數的確定、模型的制作、應變片的粘貼、彈性范圍內不同加載板加載對比試驗和加載破壞試驗，本階段研究了物理有限單元材料的制作、使用有限單元模擬實際工程地質構造、不同加載板對加載精度的影響和相似模型的加載破壞過程及規律。具體得出以下幾點結論一、用石膏和水制作物理有限單元材料簡單易行、通過控制水膏比得到滿足試驗設計要求強度；可以通過添加纖維材料改善材料性質，降低脆性；材料干燥過程中溫度不能過高，應控制在35攝氏度下，否則石膏材料易變形翹曲。
二、使用紙基應變片和乙基纖維素溶劑進行粘貼基本能有效測量石膏材料應變值。
三、使用物理有限單元板可以靈活模擬巖體產狀，通過不同幾何尺寸和力學參數的單元板可以實現對不同厚度和巖性巖層的模擬。使模型更加接近于實際工程地質狀況，見圖7。
四、進一步驗證了連續加載板對邊界加載精度的影響；對除了連續均布荷載以外的加載形式使用非連續(離散)加載板才能較好的實現荷載特性。
五、單元板模型的開挖加載破壞試驗成功地模擬了深部巖體在自重應力和水平構造應力下共同作用下的變形破壞過程，再現了實際工程現場的各種破壞現象并通過應變分析可以得出一定的破壞規律。
六、破壞試驗后模型的破壞區域主要集中在開挖區附近范圍，在離開挖區較遠的區域單元板材料的破壞程度不大，其中有一些可以留待下一次試驗繼續使用，有利于縮短試驗周期和降低試驗成本。
權利要求
1.一種深部巖體工程災害模型實驗方法，包括制作成正方扁柱體實驗模型，將模型放置在加載設備內，對模型厚度四周施加載荷，根據試驗設計方案進行模型試驗，記錄并分析試驗數據；其特征是1)制作物理有限單元板①，根據相似形原理由物理有限單元板模擬式樣巖體產狀壘砌組合成試驗模型②。所述物理有限單元板為長方體，其寬度等于模型厚度，其厚度和長度根據相似形原理和模擬式樣巖體產狀精度設定；其材料由石膏和水不同比例配制；2)所述加載方式為連續加載板或非連續加載板下六種應力組合，分別是(1)周邊均布加載，(2)周邊局部加載，(3)周邊逐級遞增加載，(4)周邊逐級遞減加載，(5)周邊凸形拋物線加載，(6)周邊凹形拋物線加載；并且根據相似性原理和實際工程與式樣巖體實際受力狀況設計加載試驗載荷。3)實驗分為模型中心不開挖和在模型中心模擬實際工程開挖兩種情況進行；4)對于試驗中模型被破壞的部分，用相同的物理有限單元板替換原單元板并修復模型。
2.根據權利要求1所述的一種深部巖體工程災害模型實驗方法，其特征是1)所述物理有限單元板的尺寸為40×40×(0.5～3.5)cm和40×20×(0.5～3.5)cm；水∶石膏為砂巖巖組0.8∶1，泥巖巖組1∶1，煤體巖組1.2∶1；由該單元板模擬式樣巖體產狀組合成的試驗模型尺寸為160cm×160cm×40cm。2)所述加載載荷范圍是不開挖時，0.4～0.8MP；開挖時0.8～6MP；加載方式是模型兩側加載載荷相等，模型上部與兩側相獨立。3)在開挖試驗完畢后，用相同的物理有限單元板④替換損壞部分并修復模型①。
全文摘要
地質力學模型試驗技術是研究大型復雜巖土工程問題的重要手段，模型試驗技術可以真實地再現實際工程情況，而目前地質力學模型試驗技術試驗周期長，而且每改變一種參數就必須重新作一次模型試驗，模型不能重復利用、費用高、試驗技術復雜，研究的成本大，而本發明提出了物理有限單元板材料的概念并通過連續或非連續對稱荷載的方法，根據現場復雜的地質條件，采用強度不同的單元板組合模擬產狀。做完破壞試驗后，將未破壞的單元材料收集，可留待下次試驗重復使用，同時，由于單元板材料其尺寸小，又可靈活的模擬各種不同的巖體。這樣還克服了模型試驗周期長，費用高的缺點。
文檔編號G09B25/00GK101082513SQ20071011912
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月16日 優先權日2007年7月16日
發明者何滿潮, 錢增珍, 孫曉明 申請人:中國礦業大學(北京)