地下選廠硐室群開挖引起的圍巖破裂特征

李 鵬，張治強，張 杰，孫東東，程 卓

(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

關(guān)健詞：地下選礦廠；圍巖開裂；聲發(fā)射；開裂分布特征

隨著我國深部礦產(chǎn)資源的開采，地下選礦廠的建設(shè)已經(jīng)引起廣泛關(guān)注[1]。硐室群開挖卸荷引起圍巖應(yīng)力二次分布，使得應(yīng)力效應(yīng)對圍巖破壞程度更加劇烈。對圍巖卸荷作用下的破壞特征及破壞機制的研究，已有許多研究報道。Martin C. D.等[2]根據(jù)加拿大原子能研究機構(gòu)的地下試驗隧洞開挖工程中“V”型破壞的研究成果，總結(jié)破壞形成的機理，認(rèn)為破壞特征與剪應(yīng)力和隧洞的開挖進程相關(guān)。任建喜等[3]根據(jù)巖石損傷斷裂破壞全過程的CT試驗，研究了巖石的損傷演化機理。李術(shù)才等[4]根據(jù)圍巖破壞力學(xué)機理，建立了巖體損傷演化規(guī)律方程，研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下節(jié)理巖體斷裂損傷機制。唐春安等[5]利用巖體損傷破裂過程模擬系統(tǒng)研究了巖石破裂聲發(fā)射規(guī)律，分析了巖體損傷破壞機理。張春生等[6]通過對比錦屏輔助洞深埋洞段圍巖的破壞現(xiàn)象，論述不同破壞時的圍巖應(yīng)力變化特征，解釋了破壞的內(nèi)在機理。張文舉等[7]研究了巖體內(nèi)部裂紋在加載和卸載條件下的開裂區(qū)別，得到了深埋圓形隧洞圍巖裂隙開展特征。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，巖石裂紋的演化與擴展研究愈加完善。

張家灣地下選礦廠超大斷面硐室呈階梯形布置且彼此相互關(guān)聯(lián)[1]，在開挖卸荷條件下，硐室圍巖破裂受斷面面積和各設(shè)備硐室空間布局影響，其破裂特征出現(xiàn)很大不同。巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對圍巖破壞特征和力學(xué)行為有很大影響，采用RFPA2D數(shù)值模擬軟件能夠?qū)Σ煌蔷|(zhì)性巖體從微觀到宏觀破裂過程進行模擬，可研究多種巖性圍巖的破裂特征。

1 圍巖裂隙產(chǎn)生與擴展

相比于加載作用，圍巖在卸荷作用下，巖石強度會有所降低且脆性破裂特征和張性擴容更為顯著。當(dāng)開挖臨空面達到起裂應(yīng)力閾值時裂紋開始萌生[8-10]，在巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量的細(xì)微裂紋。在這些微裂紋出現(xiàn)前，變形僅受黏聚力的控制，而摩擦力作用并不明顯。隨著應(yīng)力的不斷積累，卸荷引起的差異變形回彈使得細(xì)微裂紋尖端拉應(yīng)力集中，微裂紋出現(xiàn)較大的張拉擴展，此時黏聚力降低，以摩擦強度因素作用為主。由于實際巖石中晶粒和缺陷的隨機分布，各礦物對力的傳遞效率和自身變形不同，引起巖石內(nèi)部應(yīng)力場的不均勻分布，使得裂隙在初始裂隙尖端進一步發(fā)展。當(dāng)圍巖繼續(xù)卸荷，在集中剪應(yīng)力作用下張裂隙間巖橋斷裂，隨著張裂隙開展逐漸貫通形成一個張剪性破裂帶[11]。最終，巖石的摩擦強度和黏聚力均降低到殘余強度。巖石卸荷破壞演化過程見圖1。

圖1 巖石卸荷破壞演化過程(資料來源：文獻[11])

工程巖體進行穩(wěn)定性分析時經(jīng)常簡化為均質(zhì)材料，而實際工程在卸荷作用下巖體內(nèi)部裂紋發(fā)展并不規(guī)則，相鄰裂紋相互作用并呈現(xiàn)貫通趨勢，表現(xiàn)出均質(zhì)度對巖體破壞形式的影響。因此，考慮不同巖體均質(zhì)度可使模擬的圍巖破裂及擴展過程更接近實際。

2 計算模型

2.1 模型概況

模擬硐室群所在礦床圍巖穩(wěn)固，主要由磁鐵石英巖、石英透閃巖、黑云變粒巖及角礫巖等組成，巖體新鮮堅硬，成硐條件和自穩(wěn)能力較好，以Ⅱ類圍巖為主，埋深約520 m。選礦廠硐室群規(guī)模巨大，硐室凈寬B0=21 m，直墻高15 m，拱高為1/3B0。各設(shè)備硐室呈階梯形布置，為簡化計算，僅選取兩個相鄰硐室作為研究對象，其空間結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

模型垂直硐室軸線的水平方向長150 m，鉛直方向高120 m，模型為300×240個單元，即單元尺寸為0.5 m×0.5 m，共72 000個單元。分析模型見圖3。

2.2 計算參數(shù)及方案確定

考慮選礦廠埋深較淺，且礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力不明顯，采用巖體以自重應(yīng)力為主的平面應(yīng)變模型，計算模型選取應(yīng)力加載方式模擬開挖引起的巖體破裂情況。硐室群圍巖巖體完整，無斷層分布，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，確定巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 相鄰硐室空間結(jié)構(gòu)尺寸示意圖(資料來源：文獻[1])

圖3 分析模型

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

巖體密度ρ/(kg/m3)彈性模量E/GPa內(nèi)摩擦角φ/(°)黏聚力C/MPa泊松比μ抗壓強度σc/MPa2 600.028.036.08.00.3230

資料來源：文獻[1]；文獻[12]；文獻[13]。

試驗通過對巖體彈性模量和抗壓強度的改變，探究基體單元的不同均質(zhì)度對硐室圍巖破壞的影響。為研究非均質(zhì)巖體對圍巖裂紋發(fā)育過程的影響，選取均質(zhì)度較差的巖石，因為不同均質(zhì)度巖體對圍巖裂隙發(fā)育的影響不同，所以對均質(zhì)度m的取值也應(yīng)不同，分別為3、4、5，均值度越高巖體越均勻。巖體均質(zhì)度對應(yīng)的的巖體力學(xué)性質(zhì)見表2，基體單元的力學(xué)性質(zhì)服從韋布爾分布?C(m,μ)，參數(shù)m為巖體力學(xué)性質(zhì)的均質(zhì)程度；μ為巖體平均性質(zhì)。硐室群數(shù)值模擬無支護，即硐室開挖后支護措施不及時情況。硐室開挖總控制步數(shù)為3步，依次為模型初始平衡、上臺階硐室全斷面一次開挖、下臺階硐室全斷面一次開挖，根據(jù)計算精度顯示各步數(shù)中計算小步。

表2 數(shù)值試驗方案

3 結(jié)果分析

3.1 硐室群開挖圍巖變形破壞過程

硐室開挖過程中應(yīng)力重新分布，剪應(yīng)力局部集中出現(xiàn)，巖石承受荷載引起內(nèi)部不斷產(chǎn)生細(xì)微破裂，隨著裂隙的不斷發(fā)展導(dǎo)致宏觀破裂。僅局部出現(xiàn)破裂區(qū)域，多為裂紋尖端的應(yīng)力集中部位。以試驗方案1為例，硐室群開挖圍巖破壞過程計算結(jié)果見圖4。軟件程序不考慮時間效應(yīng)，step為破壞時當(dāng)前的計算步數(shù)。

3.1.1 圍巖破裂過程分析

從圖4可以清楚地看出在上臺階硐室開挖完成后應(yīng)力集中區(qū)域為硐室拱肩、底角部位及邊墻兩側(cè)，如圖4(a)所示，此時并沒有裂隙產(chǎn)生。隨著下臺階硐室開挖，應(yīng)力達到或大于巖石介質(zhì)的抗拉強度，導(dǎo)致破裂逐漸在硐室邊墻兩側(cè)萌生，如圖4(b)所示。初始階段破壞單元較為分散，隨計算步數(shù)增加，破裂單元逐漸聚集產(chǎn)生細(xì)微裂紋。由于材料非均勻性的影響，萌發(fā)出多條不規(guī)則微裂紋，且在兩相鄰硐室的隔墻處發(fā)展較快，造成了明顯的變形和微裂紋局部化現(xiàn)象，如圖4(c)所示。隔墻破壞逐漸發(fā)展，出現(xiàn)大量破裂面，分布雜亂無章，并沿豎向擴展。

3.1.2 聲發(fā)射分布規(guī)律

從上述分析結(jié)果可知，圍巖裂紋基本沿兩相鄰硐室隔墻豎向萌生和擴展。對于硬脆性巖體，認(rèn)為基體單元破壞時所釋放的彈性能是以聲發(fā)射形式釋放[5，14]，因此，根據(jù)巖體聲發(fā)射分布特性來研究巖體的宏觀破裂過程。巖體破壞過程空間分布的聲發(fā)射圖見圖5。

圖4 方案1剪應(yīng)力分布及破裂裂紋擴展過程

圖5 方案1聲發(fā)射分布圖

由圖5可以看出，聲發(fā)射集中發(fā)生的位置就是硐室發(fā)生破裂的部位，圍巖損傷和聲發(fā)射有著緊密關(guān)系。上臺階硐室開挖初期，硐室拱肩和底角部位發(fā)生了剪切或拉伸破壞，且聲發(fā)射相對能量較大。下臺階硐室開挖后，兩相鄰硐室中部隔墻出現(xiàn)大量微破裂面，分布較為分散。硐室繼續(xù)開挖，受上臺階硐室影響，下臺階硐室邊墻左側(cè)聲發(fā)射分布明顯集中且相對能量比右側(cè)大，微破裂面擴展加劇。隨著計算時步的增加，如圖5(d)所示，上臺階硐室邊墻右側(cè)微裂紋逐漸匯集、貫通成肉眼可見的宏觀裂紋，大致沿著豎直方向擴展延伸，與上述分析結(jié)果一致。

3.2 均質(zhì)度對圍巖破裂的影響

彈性模量和強度是巖體材料的2個重要物理參數(shù)，試驗通過改變其參數(shù)值探究均質(zhì)度對試驗結(jié)果的影響。方案2和方案3中剪應(yīng)力分布及破裂裂紋擴展過程如圖6和圖7所示。

圖6 方案2剪應(yīng)力分布及破裂裂紋擴展過程

圖7 方案3剪應(yīng)力分布及破裂裂紋擴展過程

通過方案對比分析可知：方案1在破壞發(fā)生前會在兩相鄰硐室中部隔墻產(chǎn)生較多個細(xì)小裂紋且會有較多的分支出現(xiàn)。根據(jù)計算結(jié)果可知，隨彈性模量和強度均質(zhì)度的逐漸增加，巖體內(nèi)部細(xì)小裂紋明顯減少，這些裂紋之間會發(fā)生貫通，表現(xiàn)出很強的脆性破壞。硐室兩側(cè)呈現(xiàn)明顯的“V”型破壞，“V”裂縫尖端應(yīng)力明顯集中，裂縫進一步發(fā)展至貫通。

由圖7可以看出，初始小裂紋產(chǎn)生較晚，小裂紋一旦出現(xiàn)會迅速擴展成為宏觀裂紋，最終導(dǎo)致硐室隔墻破壞。這是因為小裂紋在不同彈性模量的單元體的變形能力不同，造成局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時巖體變形也會對單元體的應(yīng)力大小產(chǎn)生影響，導(dǎo)致巖體局部破裂。因此可知，隨巖體均質(zhì)度的提高，圍巖裂紋分支越少，裂隙貫通現(xiàn)象相應(yīng)減少。

3.3 應(yīng)力場與裂紋擴展規(guī)律

數(shù)值計算結(jié)果給出了裂紋擴展過程中裂紋周圍應(yīng)力場的變化規(guī)律，展現(xiàn)了集中應(yīng)力隨裂紋的擴展逐漸釋放和轉(zhuǎn)移過程。上臺階硐室開挖完成后，下臺階硐室開挖計算過程中硐室群圍巖剪應(yīng)力變化情況見圖8，方案3計算時步step3-30最大應(yīng)力為19.4 MPa，而方案1中計算時步step3-30最大應(yīng)力為16.6 MPa；由圖7可以看出，方案3的應(yīng)力分布最為集中，應(yīng)力值最大，與上述分析結(jié)果一致。說明計算時步下裂紋延伸擴展受巖體非均勻性影響較大,隨均質(zhì)度的增大應(yīng)力集中現(xiàn)象更為顯著。

圖8 剪應(yīng)力隨開挖步數(shù)變化情況

根據(jù)剪應(yīng)力變化與破裂裂紋擴展過程分析可知，裂紋萌生后，尖端應(yīng)力較大，會出現(xiàn)零星的且不和裂紋連通的微裂紋。在擾動應(yīng)力作用下，微裂紋還可能與已開裂裂紋聯(lián)通，裂紋繼續(xù)延伸形成新的開裂裂紋。裂紋形成后，較高應(yīng)力區(qū)向裂紋尖端移動，硐室圍壓分布變成橢圓形。裂紋的尖端細(xì)小裂紋數(shù)量和范圍增加，使得裂紋擴展路徑更加復(fù)雜，具有明顯的不規(guī)則性。巖體材料具有非均質(zhì)性，因此裂紋的擴展及貫通蜿蜒曲折，宏觀上看裂紋通常較為粗糙，但其發(fā)展方向始終平行最大主應(yīng)力方向。

4 結(jié) 論

1) 硐室群在開挖過程中，硐室隔墻中部產(chǎn)生劇烈的應(yīng)力調(diào)整，在硐室拱肩、底角部位及兩側(cè)邊墻應(yīng)力集中。在下臺階硐室開挖后，隔墻開始出現(xiàn)起裂破壞，并逐漸沿著豎向發(fā)展。

2) 以自重應(yīng)力為主的平面應(yīng)變模型的數(shù)值模擬結(jié)果再現(xiàn)了脆性圍巖“V”型破壞形式，并且表明硐室邊墻宏觀裂紋的發(fā)展方向與最大主應(yīng)力方向平行。

3) 巖體均質(zhì)度對裂紋擴展影響較大，當(dāng)均質(zhì)度為5時，最大應(yīng)力為19.4 MPa；當(dāng)均質(zhì)度為4時，最大應(yīng)力為17.3 MPa； 當(dāng)均質(zhì)度為3時， 最大應(yīng)力為16.6 MPa，因此當(dāng)均質(zhì)度為5時的應(yīng)力分布最為集中，應(yīng)力值最大。結(jié)果表明，均質(zhì)度低，圍巖內(nèi)部小裂紋較多；均質(zhì)度高，巖體破裂脆性較強，且應(yīng)力集中現(xiàn)象更為顯著。