一種節(jié)理圍巖巷道開挖物理模型試驗方法及其應用*

李 光 馬鳳山 郭 捷 雷 揚 黃業(yè)強 劉愛民

(①中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所， 中國科學院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室， 北京 100029， 中國) (②中國科學院地球科學研究院， 北京 100029， 中國) (③金川鎳鈷研究設計院， 金昌 737100， 中國)

0 引 言

巷道是礦山開采中的命脈工程，承擔著人員作業(yè)、基建施工和礦石運輸?shù)戎匾蝿?，直接影響著礦山的安全發(fā)展和高效生產(chǎn)。隨著開采深度的增加，礦山巷道所處的環(huán)境不斷惡化，一系列工程災害如巖體大變形、巷道強流變、頂板垮落、底板隆起、巖爆等日益嚴重(馬世偉等， 2020)。因此，對巷道變形破壞模式、特征及發(fā)生機制等問題的研究具有非常重要的意義(Li et al.，2020a， 2020b,2021)。

目前，針對巷道變形及失穩(wěn)方面的研究主要依靠現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、數(shù)值模擬和物理試驗。但現(xiàn)場調(diào)查需要大量的人力物力，且影響因素復雜，很難控制變量； 理論分析需要對原型進行大量的假設和簡化，用數(shù)學模型描述工程尺度的問題十分困難； 數(shù)值技術已有了長足的進步，但對于條件復雜、機理不明的問題，仍具有局限性(高相波等， 2020)。相比之下，物理試驗能夠還原復雜條件下原型由彈性到塑性，直至破壞的全過程，且變量可控，是一種更形象、更具說服力的研究方法(李光等， 2019a, 2019b， 2020a, 2020b)。

近年來，學者們采用物理模型試驗方法對不同工況下的巷道相關規(guī)律進行了大量研究，具有代表性的包括：顧金才等(2008)探究了深部洞室開挖的受力變形特點，發(fā)現(xiàn)了圍巖分層斷裂的破壞機制； 勾攀峰等(2009)基于自行研發(fā)的YDM-E型模型試驗系統(tǒng)，制作了有、無支護兩種物理模型，并探討了不同水平應力條件下巷道的變形破壞情況，結果顯示巷道的頂、底板是支護的重點部位； He et al. (2009)將紅外熱成像系統(tǒng)和物理模型試驗結合起來，探討了巖層傾角在巷道開挖過程中的作用，并對溫度場的變化規(guī)律進行了研究； 張明建等(2010)將物理模擬試驗與工業(yè)試驗相結合，研究傾斜層狀圍巖巷道在不同應力條件下開挖的變形特征、破裂演化過程和位移發(fā)展規(guī)律，并基于試驗結果提出優(yōu)化支護方式； 尹光志等(2011)以某緩傾斜巖層磷礦為原型，基于重慶大學礦山壓力相似模擬試驗臺進行了二維模型試驗，研究了巷道圍巖在采動應力作用下的變形特征及破壞規(guī)律； Huang et al. (2013)探討了軟弱結構面在巷道圍巖變形破壞過程中的作用，并提出了幾種不同的破壞模式； Li et al. (2015)研究了深部厚頂煤巷道這一特殊工況，揭示了巷道開挖和支護全過程中圍巖位移和應力的變化過程。

表 1 相似材料物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of similar materials

然而，針對巷道變形破壞規(guī)律的物理試驗中，所建模型多數(shù)只考慮均質(zhì)結構和層狀結構，對于發(fā)育多組交叉節(jié)理圍巖下的巷道開挖問題研究不多。究其原因，主要是在物理模型試驗中，制作多組結構面的圍巖模型工藝復雜，工作量大，在巷道開挖過程中也易失敗。因此，針對這一技術難題，本文提出了一種澆-砌混合模型搭建方法，配合螺旋牽引式巷道開挖裝置，實現(xiàn)節(jié)理圍巖巷道開挖模型的高效制作和開挖模擬，并以金川礦區(qū)巷道為例進行了試驗，對所提方法進行了驗證，旨在為同類試驗的設計和制作提供參考。

1 金川礦區(qū)巷道概況

金川銅鎳礦區(qū)是我國目前已探明的最大的硫化銅鎳礦床，也是世界上大型硫化銅鎳礦床之一，以礦體規(guī)模大、采礦難、埋藏深而聞名。由于礦區(qū)地處甘肅河西走廊，是大地構造單元的接合部，構造運動劇烈，地質(zhì)構造復雜，礦區(qū)水平構造應力高，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，礦巖體破碎，整體穩(wěn)定性極差，使得礦床在開采過程中面臨極大困難(李光等， 2017； 馬鳳山等， 2019)。由于其獨特的工程地質(zhì)條件，金川礦區(qū)成為了我國礦山工程地質(zhì)學和巖石力學的搖籃，工程地質(zhì)大師谷德振、巖石力學大師陳宗基等一大批專家學者都在金川開展過大量的研究工作，特別是在其深部開采所遇到的巖石力學問題，具有典型性和普遍性，受到世界研究人員的重視。

在深部高地應力、破碎巖體等復雜工程地質(zhì)條件作用下，金川礦區(qū)巷道開拓后變形快、持續(xù)時間長，維護困難，對井下作業(yè)人員的生命安全也造成了威脅。礦區(qū)開拓巷道斷面為利用率較高的直墻半圓拱型，巷道尺寸如圖 1所示(李光等， 2018， 2020a, 2020b)。巷道圍巖結構復雜，其中：具有典型特征的是菱塊狀大理巖，節(jié)理間距0.5～1.5m，傾角30°～60°，出露形態(tài)如圖 2所示。這類巖體的變形破壞主要受結構面及其組合所控制，穩(wěn)定性差，本次試驗選擇此類圍巖結構下的巷道為原型進行試驗。

圖 1 金川礦區(qū)典型巷道斷面Fig. 1 Typical roadway section in Jinchuan mining area

圖 2 菱塊狀大理巖示意圖Fig. 2 Schematic diagram of rhombic marble

2 澆-砌混合模型搭建方法

搭建方法是模型試驗的基礎，能否真實還原出原型的結構特征，直接決定了試驗的準確性。目前，常用的模型搭建方式主要包括(張定邦， 2013)：

(1)整體澆筑成形法，該方法將相似材料一次性澆入預置模型箱內(nèi)，在室溫下養(yǎng)護成形并靜置拆模，適用于巖體結構完整、地質(zhì)界面較少的模型。但是模型較均勻，無法考慮巖體節(jié)理裂隙的影響。

(2)夯實成形法，該方法通過夯實讓材料更加致密均勻，獲得更大的容重，適用于以容重為主要控制參數(shù)的物理模型。但是需要采用專門的夯實工具，工序復雜。

(3)分層澆筑成形法，該方法首先分層搭建模型箱，并采用近流態(tài)相似材料分層澆筑振密成形，適用于構建類似煤礦這樣的水平層狀地質(zhì)體。但是難以搭建有復雜構造的模型，對設備要求也較高。

(4)砌筑成形法，該方法需要預制砌塊，模型搭建時，通過砌塊的堆砌填筑模型，適用于構建節(jié)理巖體地質(zhì)模型。但試驗工作量較大，搭建時對工藝也有一定要求。

以上幾種方法各有優(yōu)缺點，而且適用條件也不同。若要進行研究區(qū)菱塊狀圍巖下巷道的開挖模擬，整體澆筑法、夯實成型法和分層澆筑法都無法模擬這種特殊的圍巖結構。砌塊堆砌法能較好搭建此類模型，但單獨使用砌塊堆砌，工序較復雜，工作量也較大。

基于此，提出了一種“澆-砌混合”物理模型搭建方法，即在模型內(nèi)圈采用砌塊砌筑的方法，用以模擬節(jié)理圍巖巷道，在模型外圈采用澆筑的方法，可以大大提高試驗效率。綜合考慮研究區(qū)巷道特征及試驗室條件，確定模型的幾何相似比為1︰30，制作尺寸為1.05m×1.05m×0.2m的物理模型，如圖 3所示。

圖 3 模型斷面示意圖Fig. 3 Model section diagram

本次試驗采用河砂、水泥和石膏這3種最普通的原材料，通過大量的室內(nèi)配比試驗，確定巖石相似材料配比為河砂︰水泥=4︰1，巖體相似材料配比為河砂︰水泥︰石膏=8︰1︰1，原型和模型材料相關物理、力學參數(shù)如表 1所示。采用巖塊相似材料制作砌塊，尺寸為4cm×4cm×20cm，如圖 4a所示。為節(jié)約成本并實現(xiàn)批量制作，砌塊模具為定制的丙烯塑料板，比較輕便且方便脫模，如圖 4b所示。砌塊制作通過拌料、填料、刮平、脫模及養(yǎng)護幾個步驟，制作完成的砌塊如圖 4c所示(李光等， 2020a，2020b)。

圖 5 物理模型搭建過程Fig. 5 Model building process a. 內(nèi)圈砌塊堆砌； b. 外圈澆筑； c. 模型搭建完成圖

經(jīng)過模型箱安裝，砌塊堆砌，預埋模具，外圍澆筑等幾個步驟后，完成模型的搭建，如圖 5所示。模型外圈圍巖根據(jù)巖體參數(shù)制作相似材料，致密均勻，能有效傳遞應力，并觀察圍巖裂縫的發(fā)展； 模型內(nèi)圈砌塊由巖塊相似材料制作，圍巖內(nèi)節(jié)理清晰可見，能較好地還原菱塊狀大理巖體的結構特征。

圖 6 螺旋牽引式巷道開挖裝置示意圖Fig. 6 Spiral traction roadway excavation device a. 模具尺寸； b. 預埋模具實物； c. 螺旋牽引裝置設計圖； d. 螺旋牽引裝置實物

3 螺旋牽引式巷道開挖裝置

對于地下硐室工程的模型試驗，開挖方式的選擇至關重要，當前已有的開挖方式主要有以下幾種：

(1)直接硬挖：在模型前后畫出巷道位置，用鉆、鋸條和螺絲刀等工具進行開挖。

(2)熱熔材料：選擇低熔點的熱熔材料，制成巷道形狀，開挖時加熱或點燃取出，如石蠟等。

(3)爆破開挖：在模型中預制炮眼，利用電雷管起爆開挖。

(4)預制模具：預制巷道形狀的拼接模具，建模時埋入，開挖時取出即可。

其中：直接硬挖對模型的擾動較大，而且很容易因掌握不好尺度而導致試驗失?。?熱熔材料需要加熱，對工藝要求較高，且不利于模型監(jiān)測手段的施加； 爆破開挖需要特定的試驗條件，多在爆破工程專業(yè)中使用； 預制模具方法比較合理，但對于預埋材料和取出方式的選擇，研究者們有各自不同的想法。

基于此，設計了一種螺旋牽引式巷道開挖裝置，由預埋模具、拆模卡板和搖桿3部分組成。其中：預埋模具根據(jù)開挖巷道設計尺寸制作，材料為鑄鐵，具有足夠的剛度，如圖 6a和圖6b所示。預埋模具中間鑲嵌一螺母，用以配合拆模裝置。拆模通過手搖桿帶動預埋模具完成，緩慢拔出，對模型整體擾動小，且符合分步開挖的工程實際，螺旋牽引裝置如圖 6c和圖6d所示。

預埋模具在模型搭建期間埋入，具體的安放位置在試驗前根據(jù)實際工況決定，一般情況下在物理模型的中心位置。待模型風干后，將螺旋牽引裝置安裝在模型箱上，并通過搖桿與預埋模具相連。實際工程中的巷道都是在有地應力條件下進行開挖的，而在試驗中想要完成加載中取出模具并非易事。該裝置巧妙地運用了螺絲的牽引力，在有壓情況下也能較輕松地完成開挖。圖 7所示為巷道開挖完成后的狀態(tài)，可見巷道成型較好，對模型擾動小，亦能真實反演巷道分步開挖的情況。

圖 7 巷道開挖完成圖Fig. 7 Model status after roadway excavation

圖 8 物理模型試驗結果Fig. 8 Physical model test results a. 某時刻巷道變形情況; b. 巷道頂板變形情況; c. 巷道底板變形情況

圖 9 現(xiàn)場調(diào)查結果Fig. 9 Field investigation results a. 巷道頂板和邊墻開裂； b. 巷道頂板開裂掉塊； c. 巷道底板開裂隆起

4 試驗效果

根據(jù)研究區(qū)實際地應力條件，本次試驗模擬的原型中水平地應力為40MPa，豎直地應力為30MPa。由相似關系換算需要施加水平力175kN，豎直力131kN。模型采用分級加載的方式，加載過程共5次完成，相鄰兩次加載時間間隔約為5min。加載速度為0.1kN·s-1，加載完成后對模型進行穩(wěn)壓約10min，待模型內(nèi)部各測點應力趨于穩(wěn)定和均衡后，開挖巷道。

如圖 8所示為試驗過程中某一時刻巷道的變形破壞情況，可見巷道頂板出現(xiàn)了塌落掉塊的現(xiàn)象，由底板上堆積的塌落體可知，頂板變形破壞嚴重，若發(fā)生在實際工程中，會嚴重威脅著施工人員的安全； 巷道幫部形成了具有一定規(guī)模的開裂，圍巖以此為突破口向采空區(qū)收斂，拱肩和起拱線處也發(fā)育這種沿巷道走向的拉張裂縫； 巷道底板已出現(xiàn)嚴重的開裂和隆起現(xiàn)象，底鼓變形明顯，工程中會嚴重影響巷道正常服役。

圖 9所示為研究區(qū)巷道現(xiàn)場調(diào)查結果，現(xiàn)場中所見的頂板開裂掉塊，邊墻開裂和底鼓等現(xiàn)象，均在物理模擬中得到了很好的體現(xiàn)，試驗真實還原了工程中巷道的變形破壞特征，充分說明了該試驗方法的準確性和可行性。

5 結 論

本文提出了一套節(jié)理圍巖巷道開挖的物理模型試驗方法，并依托金川礦區(qū)典型的菱塊狀圍巖巷道，詳細介紹了模型搭建和開挖過程，證明了此方法的實用性和高效性，主要得到以下幾點結論：

(1)提出了一種澆-砌混合物理模型搭建方法，在模型內(nèi)圈采用砌塊堆砌的方式，外圈選擇澆筑的方式，既能體現(xiàn)出節(jié)理圍巖的結構特征，又能提高試驗效率。

(2)自主研制了一種螺旋牽引式巷道開挖裝置，由預埋模具、拆?？ò搴蛽u桿3部分組成，通過螺旋牽引的方式完成巷道開挖，對模型擾動小，成型好，亦可充分還原巷道分步開挖的實際工況。

(3)依托金川礦區(qū)典型巷道制作的物理模型，真實還原了工程中巷道的變形破壞特征，試驗所得結果與現(xiàn)場調(diào)查中觀察到的巷道變形破壞現(xiàn)象高度一致，充分說明了該試驗方法的準確性和可行性。