深部節(jié)理化巖體巷道開挖穩(wěn)定性分析*

王成龍，趙興東

(1.山東黃金集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，與此同時(shí)，對(duì)各類礦產(chǎn)資源的需求和消耗也與日俱增，使得我國深部礦產(chǎn)資源的開發(fā)力度不斷加大[1]。礦產(chǎn)開采進(jìn)入深部以后，隨之而來的各種問題與淺部也不盡相同，諸如高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓、強(qiáng)開采擾動(dòng)等[2?3]。在影響巖體力學(xué)性質(zhì)的各項(xiàng)要素中，結(jié)構(gòu)面占據(jù)重要的地位，其幾何形態(tài)、力學(xué)性質(zhì)會(huì)從根本上改變巖體的性能。在結(jié)構(gòu)面分布顯著的深部巷道中，巖體破壞的表現(xiàn)形式往往呈現(xiàn)一定的方向性，結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖的破壞模式具有顯著的影響[4?5]?；诖?，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)面施加于巷道的影響方式和效果做了大量研究，孫闖等[6]基于Hoek-Brown應(yīng)變軟化模型及量化地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GIS圍巖評(píng)級(jí)系統(tǒng)，分析了深部節(jié)理巖體在開挖卸載過程中強(qiáng)度的弱化行為。劉剛等[7]基于三軸平面應(yīng)變的原理研發(fā)了三維巷道仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，利用數(shù)字采集技術(shù)對(duì)仿真系統(tǒng)中的巷道位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)深部巷道所處的高地應(yīng)力場(chǎng)中的不同節(jié)理傾角和節(jié)理間距進(jìn)行組合排列，研究了各因素的敏感性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道穩(wěn)定性的定量與定性評(píng)價(jià)。王同旭等[8]為研究深部節(jié)理巖體巷道頂板的破壞機(jī)理及其控制方式，基于UDEC離散元程序編寫隨機(jī)節(jié)理生成程序，建立了隨機(jī)節(jié)理巖體巷道數(shù)值模型，對(duì)深部節(jié)理巷道的破壞過程和支護(hù)方式進(jìn)行了模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。JIN等[9]對(duì)大量工程災(zāi)害進(jìn)行分析認(rèn)為，巖體節(jié)理是其主要致災(zāi)原因之一，通過對(duì)巷道圍巖節(jié)理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定節(jié)理分布規(guī)律，建立了基于顆粒流的數(shù)值模型，分析了節(jié)理巖體巷道的流變特性和破壞行為。WANG等[10]基于實(shí)驗(yàn)室霍普金森壓桿試驗(yàn)，建立二維顆粒流節(jié)理巖體模型，從細(xì)觀的角度分析了節(jié)理巖體與材料應(yīng)變率效應(yīng)和破壞模式密切相關(guān)的裂紋數(shù)量和擴(kuò)展路徑特征，研究了沖擊載荷作用下節(jié)點(diǎn)試件的動(dòng)態(tài)損傷和破壞過程。

綜上，結(jié)合巖體節(jié)理的分布規(guī)律建立的數(shù)值模型，對(duì)地下硐室圍巖的穩(wěn)定性及破壞機(jī)理進(jìn)行研究，得到了許多有益的結(jié)論。但這些研究沒有將節(jié)理巖體與預(yù)留光爆層結(jié)合起來，沒有系統(tǒng)地對(duì)預(yù)留光爆層條件下節(jié)理巷道圍巖的失穩(wěn)破壞機(jī)理進(jìn)行研究。在充分獲得結(jié)構(gòu)面信息的情況下，通過結(jié)構(gòu)面的特征來研究節(jié)理對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響，應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對(duì)預(yù)留光爆層條件下深部節(jié)理巖體巷道穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程概況

新城金礦礦床位于膠東焦家斷裂帶北段，斷裂帶內(nèi)發(fā)育大量次級(jí)斷裂、節(jié)理和密集裂隙等, 控制了礦體的分布，已探明18個(gè)呈似層狀、脈狀的金礦體。其中Ⅴ#礦體為現(xiàn)階段主采礦體，Ⅴ#礦體賦存于XI#礦體傾斜延深旁側(cè)，Ⅴ#礦體群主要產(chǎn)于黃鐵絹英巖化花崗閃長質(zhì)碎裂巖中，黃鐵絹英巖化花崗閃長質(zhì)碎裂巖為Ⅴ號(hào)各礦體的主要賦存部位，礦體位于黃鐵絹英巖化碎裂巖帶之下，與黃鐵絹英巖化碎裂巖帶呈漸變過渡關(guān)系。通過現(xiàn)場(chǎng)取芯及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)得到?1080m中段巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，V#礦巖狀況比較復(fù)雜，從揭露的坑道看，礦巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體強(qiáng)度低、節(jié)理內(nèi)充填蝕變物，該蝕變物受水影響較大(遇水后膨脹且產(chǎn)生滑膩)、蝕變巖石碎脹性低，易冒落。局部地段巖石極其破碎。目前在?1080m中段巷道掘進(jìn)迎頭，礦巖較破碎，而且蝕變比較嚴(yán)重，導(dǎo)致頂板局部冒落。因此，采用預(yù)留光爆層爆破技術(shù)掘進(jìn)成巷，所謂預(yù)留光爆層分次爆破技術(shù)，即先在巷道中采用普通鑿巖爆破掘進(jìn)一小斷面巷道，再經(jīng)過預(yù)留光面層二次爆破刷大，形成留有周邊眼炮痕的巷道，該技術(shù)能有效控制巷道超欠挖量，提高巷道成形質(zhì)量。掘進(jìn)斷面形狀為半圓拱，凈高3600mm，凈寬4200mm，預(yù)留光爆層厚度為600mm，巷道斷面如圖1所示。通過對(duì)已有資料的歸納整理，得出?1080m中段范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力σhmax為58.52 MPa、最小水平主應(yīng)力σhmin為27.30 MPa、垂直應(yīng)力σv為35.3 MPa。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

圖1 巷道斷面（單位：mm）

2 模型建立及分析

在Rhino 6 中建立三維幾何模型，并導(dǎo)入數(shù)值計(jì)算軟件3DEC中進(jìn)行計(jì)算(見圖2)。模擬的巷道尺寸采用?1080m中段巷道的實(shí)際尺寸，為了消除巷道開挖對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)邊界的影響及加快模型計(jì)算速度，模型寬度應(yīng)大于5倍巷道寬度；為一個(gè)長（X方向）、寬（Y方向）及高（Z方向) 分別為30m，10m，及30m 的立方體，模型被剖分成68945個(gè)三角形網(wǎng)格，在模型中間部位建立一組間距為0.5m的節(jié)理。

模型的XOY平面被施加法向約束，與XOY平面平行的平面被施加法向應(yīng)力σZ，σZ=?34.82 MPa，模型的另外 4 個(gè)平面分別被施加法向應(yīng)力σX或σY，σX=σY=?42.91 MPa（見圖3），側(cè)向壓力系數(shù)λ約為1.23。巷道的軸線與Y軸平行，模型分為8步開挖，1、3、5、7開挖巷道的下部斷面，沿Y軸方向掘進(jìn)2.5m，2、4、6、8對(duì)巷道斷面的預(yù)留層進(jìn)行開挖。模型中的塊體本構(gòu)模型為彈塑性模型，節(jié)理本構(gòu)模型為庫倫滑移模型。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 塑性區(qū)分析

在巷道的分步開挖過程中，由于圍巖開挖的卸荷效應(yīng)，圍巖中的應(yīng)力受到擾動(dòng)，被迫重新分布。在應(yīng)力重分布的過程中，造成某些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力的大小超過圍巖的屈服載荷（拉伸作用或剪切作用）時(shí)，圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)，圍巖彈塑性變形能隨著巷道的逐步開挖逐漸釋放，受多次開挖的擾動(dòng)影響，應(yīng)力釋放區(qū)相互重疊，應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生相互疊加，進(jìn)一步帶動(dòng)開挖巷道周邊的塑性區(qū)范圍擴(kuò)大。

圖4給出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)距工作面不同距離時(shí)，圍巖塑性區(qū)的變化情況。從圖4可以看出，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面超前工作面5.0m時(shí)，僅在巷道的正前方產(chǎn)生極小的塑性區(qū)，說明此時(shí)巷道的掘進(jìn)對(duì)工作面前方5.0m處的應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)極小。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面超前工作面2.0m時(shí)，巷道圍巖的塑性區(qū)范圍明顯增大，說明此時(shí)超前工作面2.0m處應(yīng)力場(chǎng)受到的擾動(dòng)明顯增強(qiáng)，與非節(jié)理化巖體相比[11]，節(jié)理化巖體掘進(jìn)巷道時(shí)，受擾動(dòng)的巖體在超前影響范圍上更大，進(jìn)一步說明節(jié)理化巖體更易受到開挖擾動(dòng)的影響。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后掘進(jìn)工作面時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)范圍基本保持穩(wěn)定，變化幅度很小。

圖4 距工作面不同距離時(shí)的塑性區(qū)分布

圖5給出了距工作面距離不同，塑性區(qū)深度的變化情況。從圖5可以看出，從超前工作面5.0m至滯后工作面5.0m，左幫、頂板和底板的塑性區(qū)深度是不斷增大的，呈現(xiàn)非線性的增長，這種形式的增長是因?yàn)閹r體的不連續(xù)性和不均勻性的特質(zhì)所決定的，但是在某些方面也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。從超前工作面5.0m到靠近掘進(jìn)工作面的過程中，塑性區(qū)深度的增長曲線的斜率較大，表明這一階段塑性區(qū)深度增長較快。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后掘進(jìn)工作面時(shí)，塑性區(qū)深度的增長曲線的斜率變小，塑性區(qū)深度增長速度變緩，即監(jiān)測(cè)斷面受到掘進(jìn)工作面的擾動(dòng)越來越小。

圖6給出了光爆前后巷道圍巖塑性區(qū)深度的對(duì)比情況。由圖6可以看出，開挖光爆層對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)深度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，巷道塑性區(qū)深度增長幅度較小，表明光爆對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng)較小，但在對(duì)幫部、頂板和底板塑性區(qū)的影響上呈現(xiàn)一定的差異性，對(duì)頂板塑性區(qū)深度變化的影響程度要明顯高于對(duì)幫部和底板塑性區(qū)的影響。

2.2 位移分析

左幫及頂板不同深度測(cè)點(diǎn)位移如圖7和圖8所示。整體上看，掘進(jìn)工作面超前范圍內(nèi)巷道左幫的最大水平位移小于15mm，此時(shí)，巷道開挖對(duì)掘進(jìn)工作面超前巖體的水平變形影響可忽略不計(jì)；當(dāng)掘進(jìn)工作面通過測(cè)點(diǎn)斷面時(shí)，巷道左幫靠近巷道表面的測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了較大的水平位移，其水平位移隨巷道開挖呈緩慢增長，越靠近巷道表面，增長速率越快，其中深度為0.5m、1.0m和1.5m測(cè)點(diǎn)的水平位移分別為74mm、45mm和25mm；巷道幫部稍深處的測(cè)點(diǎn)巖體的變形很小，其最大水平位移小于12mm，說明深度大于2.0m之后，巷道開挖對(duì)其巖體變形產(chǎn)生的影響較小，巖體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5 距工作面距離不同塑性區(qū)深度變化

圖6 光爆前后巷道圍巖塑性區(qū)深度對(duì)比

圖7 左幫不同深度測(cè)點(diǎn)位移

圖8 頂板不同深度測(cè)點(diǎn)位移

巷道頂板巖體不同深度的各測(cè)點(diǎn)的豎向位移隨掘進(jìn)工作面的不斷開挖呈現(xiàn)一定增長，其增長幅度在掘進(jìn)工作面開挖通過時(shí)最大，通過之后次之，通過之前最?。豁敯甯魈帋r體除巷道剛開挖通過時(shí)越靠近巷道表面的巖體，其豎向位移增長幅度越大外，其它開挖時(shí)間段，頂板各處巖體豎向位移隨時(shí)間增長的幅度基本保持一致。

3 結(jié)論

（1）與非節(jié)理化巖體相比，節(jié)理化巖體掘進(jìn)巷道時(shí)，受擾動(dòng)巖體的超前影響范圍大于2.0m，進(jìn)一步說明節(jié)理化巖體更易受到開挖擾動(dòng)的影響。

（2）巷道各處巖體的位移隨開挖的推進(jìn)逐漸增長，其增長幅度在掘進(jìn)工作面剛開挖通過時(shí)最大，通過之后次之，通過之前最小。