深埋巷道分區(qū)破裂過程的數(shù)值模擬

唐禮忠，范若楠，宋徉霖

(中南大學資源與安全工程學院，長沙 410083)

深埋巷道與淺埋巷道在周邊圍巖的破壞形式上有著較大的不同。淺埋巷道周邊圍巖在破壞時有著良好的線性特征，從巷道壁沿徑向可依次形成松動區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，因此對淺埋巷道的研究主要是使用連續(xù)介質中的彈塑性力學理論[1-3]。而深埋巷道圍巖破壞時，巖體在洞室徑向上的主裂縫帶交替存在，且各主裂縫帶之間存在巖體相對完整的區(qū)域，這種現(xiàn)象被稱為分區(qū)破裂化現(xiàn)象[4]。該現(xiàn)象在俄羅斯Taimyrskii的深層礦洞中被首次發(fā)現(xiàn)[5]，此后，在南非、烏克蘭及中國安徽等地的深層礦井中均觀測到類似的分區(qū)破裂化現(xiàn)象。

在實驗研究方面，顧金才等[11]首次利用在內(nèi)含巷道的特制材料模型上施加圍壓的方式，得出分區(qū)破裂化現(xiàn)象的主要成因是高軸向壓力的結論。張強勇等[12]利用類似實驗測量出模型內(nèi)部的應變及位移的波浪形變化規(guī)律。

在數(shù)值模擬方面，錢七虎等[13]采用二維數(shù)值模擬，再現(xiàn)了中國錦屏II級水電站引水隧洞的破壞過程，發(fā)現(xiàn)在引水隧洞周圍產(chǎn)生了滑移帶狀地層裂縫。李樹忱等[14]在結合能量理論的基礎上，利用FLAC3D軟件對錦屏深部圍巖進行了數(shù)值模擬。王紅英等[15]對應變軟化模型巖體的變形機理進行了分析，并用FLAC2D軟件模擬了地下洞室的應力變形狀態(tài)。陳旭光等[16]利用ABAQUS軟件內(nèi)置擴展有限元功能對分區(qū)破裂化現(xiàn)象進行了模擬[16]。

在上述數(shù)值模擬中，分區(qū)破裂化現(xiàn)象的出現(xiàn)情況基本與實際情況吻合，但模擬時往往忽略了開挖進程對分區(qū)破裂化的影響，無法反映在不同開挖階段時，分區(qū)破裂化現(xiàn)象的產(chǎn)生過程及破壞程度。而在實際工程施工時，在不同的開挖階段都能保證施工的安全性是非常重要的。

故在上述研究的基礎上，結合安徽冬瓜山銅礦開挖時的實際情況，利用ABAQUS有限元模擬軟件模擬了洞室在不同開挖階段時的分區(qū)破裂化現(xiàn)象，對不同階段下的圍巖破壞形式進行了研究。

1 實際工程中的分區(qū)破裂化現(xiàn)象

由于分區(qū)破裂化現(xiàn)象無法通過直觀方式觀察，通常存在兩種間接觀察方式：一是在隧道壁上鉆孔，通過分析鉆孔得到巖芯的圖像來推測破裂帶的存在；二是測量圍巖的物理力學參數(shù)(如聲速)并分析其變化規(guī)律來推測破裂帶的存在。因此，對冬瓜山銅礦巷道圍巖鉆孔得到的巖芯的完整度、采用率、缺失情況等信息進行分析，從而推測出巷道周邊圍巖中是否存在分區(qū)破裂化現(xiàn)象。

安徽省銅陵有色集團下屬冬瓜山銅礦是我國最早深入巖層內(nèi)部的金屬礦山之一，其平均深度達800 m，是我國目前采掘深度最深的銅礦床，其巷道圍巖內(nèi)最大主應力已達38 MPa[17-18]，并伴隨著高應變、高變形的特點。其中較為典型斷面(46-4#采場B斷面)的圍巖探測鉆孔布置如圖1所示。

注：1～5表示鉆孔編號圖1 冬瓜山銅礦46-4#采場B斷面探測鉆孔布置Fig.1 Drilling layout of the section B 46-4# stope in Dongguashan Copper Mine

通過對鉆孔取得的巖芯樣本數(shù)據(jù)的分析，將巖芯尺寸按一定數(shù)量級劃分為破裂狀態(tài)和相對完整狀態(tài)，再將不同孔中破裂狀態(tài)區(qū)域間用弧線相連，即可大致預測圍巖中的分區(qū)破裂化現(xiàn)象的情況。對冬瓜山巷道圍巖的多次調查表明，其深部巷道圍巖疑似發(fā)生分區(qū)破裂化現(xiàn)象。其中46-4#采場B斷面分區(qū)破裂化情況如圖2所示。

圖2 46-4#采場B斷面預測巷道圍巖分區(qū)破壞情況Fig.2 The prediction of surrounding rock zonal disintegration of roadway in section B 46-4 stop

由圖2知，圍巖基本被分為4層破碎帶：第1層緊貼巷道壁，以巷道壁為原點，徑向為正方向，則第1層破碎帶范圍在0～1.2 m，其破碎程度嚴重，可被看作傳統(tǒng)上的巷道圍巖松動區(qū)；第2層破碎帶范圍在1.6～2.1 m；第3層破碎帶范圍在2.6～3.4 m；第4層破碎帶范圍在3.7～4.6 m。由于該斷面左側存在礦區(qū)采場對該斷面的持續(xù)擾動，使已有裂縫持續(xù)擴張發(fā)展，導致該斷面左側部分的裂縫帶比右側部分的裂縫帶普遍更寬。

1.選擇合適的后備豬，一般5～6月齡60 kg左右體重為宜，奶頭7對以上，大小勻稱，外陰發(fā)育良好，四肢強健，性情溫順的后備豬中選擇。

原巖測試實驗得到該現(xiàn)場的地應力參數(shù)如表1所示。

表1 巷道現(xiàn)場地應力參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

鑒于所模擬巷道的埋深較深，故與其橫斷面方向平行的地應力可看作相同。為提高有限元計算效率，本模擬僅截取巷道及其較近處的圍巖進行計算。模擬所采用的有限元模型為立方體，其尺寸(長×寬×高)為40 m×14 m×40 m(見圖3)。

圖3 巷道的有限元模型Fig.3 Finite element model of the roadway

冬瓜山礦洞開挖時采用了毫秒延時爆破方法，以毫秒級時差順序起爆同一斷面上的各組炸藥包。該爆破模式可實現(xiàn)全斷面一次爆破，提高掘進效率，并降低對洞內(nèi)人員的健康損害。雖然各組炸藥的起爆順序存在時間間隔，但時間間隔為毫秒級，可被看作瞬時卸載，故在本有限元模擬中采用刪除單元法的開挖方式，實現(xiàn)全斷面一次性開挖，更加擬合實際中的掘進模式。而在實際開挖中，一處礦洞需分多次爆破才能完成，且礦洞長度較長，故模擬中分2次開挖，第一次開挖長度為7 m(第一階段)，之后加載平衡再開挖7 m(第二階段)。整個模擬采用“先加載，后開挖”的模式，使模擬開挖時的圍巖應力也更加符合實際情況。

實際冬瓜山銅礦46-4#采場B斷面的界面尺寸如圖4所示。

圖4 巷道的斷面尺寸Fig.4 Section size of the roadway

模型上加載垂直及水平方向地應力采用表1中的數(shù)據(jù)，軸向應力實際開挖時遠大于現(xiàn)場測試時原巖應力，故采用較大軸向應力。模擬采用Mohr-Coulomb本構模型，其材料參數(shù)如表2所示。

表2 Mohr-Column模型參數(shù)

該有限元模型共有21 350個單元，單元類型采用C3D20。軟件分析時，在開挖后共設置60個時步令模型回到平衡狀態(tài)。分析時采用非對稱求解器進行計算，開啟允許大變形影響選項。該模擬主要研究三軸受壓對分區(qū)破裂化的影響，因此真實圍巖中的不連續(xù)性特征如節(jié)理和裂縫等不在模擬范圍之內(nèi)。

2.2 分區(qū)破裂化的產(chǎn)生過程

ABAQUS軟件可反映模型中發(fā)生的等效塑性應變(Equivalent Plastic Strain)情況。在云圖中，等效應變值越高的區(qū)域，表明模型中該區(qū)域較其他區(qū)域所受的破壞更嚴重。各開挖階段結束后的模擬結果見圖5所示。

圖5各開挖階段巷道圍巖等效塑性應變Fig.5 Equivalent plastic strain of surrounding rock of roadway in each excavation stage

由圖5a知，隧道底部和兩側向內(nèi)隆起，說明其等效塑性應變最大處為開挖工作面與隧道的交界處。也說明在此階段分區(qū)破裂化現(xiàn)象已經(jīng)產(chǎn)生，其第1層破裂帶可看作傳統(tǒng)破壞區(qū)域。在傳統(tǒng)破壞區(qū)域與第2層破裂帶之間存在相對完整區(qū)域。從模型的側面來看，破裂帶從開挖工作面附近向已開挖區(qū)域延伸出來，呈漏斗形狀。

由圖5b知，模型中新產(chǎn)生了4層清晰的破裂帶，而在開挖第一階段中產(chǎn)生的第2層破裂帶已經(jīng)并入了傳統(tǒng)開挖破壞區(qū)(第1層破裂帶)，說明隨著時間的推移，破壞程度逐漸加深。在外側的3層非傳統(tǒng)破裂帶中，第3層的破裂帶相對破壞程度最嚴重，呈明顯的閉合環(huán)狀。第4層破裂帶并未形成閉合環(huán)狀，但其與第3層破裂帶之間的相對完整區(qū)域比較明顯。從側面來看，分區(qū)破裂帶的發(fā)展路徑與第一階段類似，分區(qū)破裂帶呈漏斗狀由巷道壁附近向外延伸出來，但由于巷道開挖是貫穿整個模型的緣故，各破裂帶的發(fā)展路徑出現(xiàn)了交叉的情況。

由模擬結果可知，分區(qū)破裂化的形成是伴隨著隧道的開挖進程，其破壞的嚴重程度與開挖的深度及開挖后經(jīng)過的時間呈正相關。

各開挖階段結束后，在巷道圍巖中沿平行巷道縱軸方向切應力(τyz)云圖如圖6所示。

比較圖6a和圖5a，在第一開挖階段結束時，τyz在第2層破壞帶的內(nèi)邊緣處的值高于其他位置的值，推測該處較高的應力可能是引起第2層破裂帶的主要原因。比較圖6b和圖5b，τyz在各主破裂帶位置與其兩側圍巖的值相同但方向相反，推測這是引發(fā)破裂帶但保持其兩側存在相對完整區(qū)域的原因。

3 結果對比

在冬瓜山銅礦46-4#采場B斷面中，共形成了4層破裂帶。在模擬結果中，最終形成了4層清晰的破裂帶，在模擬的第一階段中形成的第2層破裂帶已并入隧道的傳統(tǒng)破壞區(qū)。將模擬中各階段分區(qū)破裂數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)進行對比(見表3)。

表3 數(shù)值模擬結果與實際測量結果對比

從模擬數(shù)據(jù)來看，除第2階段的第1層破裂帶的寬度外，其余破裂帶的寬度基本與實際測量類似，但模擬結果中的破裂帶范圍普遍較實測結果更靠外側，推測可能是因為模擬忽略了真實巖石中的不連續(xù)性特征如既有裂縫和節(jié)理等，導致模擬中的主裂縫帶更不易發(fā)展。此外，由于實際情況中，巷道西側(圖1中巷道左側)存在其他采場對巷道的持續(xù)擾動，導致實際巷道較本模擬更容易發(fā)生分區(qū)破裂化現(xiàn)象。

4 結語

1)數(shù)值模擬的結果顯示了在深層巷道的開挖過程中，其周邊圍巖產(chǎn)生4層分區(qū)破裂帶，前3層破壞較為均勻，且破壞具有方向性，距掘進面越近破壞越嚴重。

2)分區(qū)破裂化現(xiàn)象產(chǎn)生的嚴重程度不僅與巖石的力學屬性及地應力大小有關，也與開挖隧道的長度以及開挖后經(jīng)過的時間有關。開挖隧道的長度越長，開挖后經(jīng)過的時間越久，分區(qū)破裂化現(xiàn)象越嚴重；且分區(qū)破裂化現(xiàn)象是伴隨著開挖進程不斷加深的。

3)數(shù)值模擬中可能會忽略真實巖石中的不連續(xù)特征，導致模擬結果較真實情況出現(xiàn)偏差，分區(qū)破裂帶范圍普遍距巷道更遠。在未來的數(shù)值模擬中可以對此加以改進。

4)數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比可知，該模擬的擬合效果較好，對深層巷道的模擬和分區(qū)破裂化現(xiàn)象的預測具有一定的參考意義。