深部非爆卸荷帷幕的等效力學(xué)作用研究

于世波，楊小聰，王志修，原 野

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

隨著一大批礦山轉(zhuǎn)向深部開采實(shí)踐，中國硬巖礦山已經(jīng)逐步進(jìn)入深部開采階段。深部開采中重大安全隱患之一是巖爆動(dòng)力災(zāi)害引起的各種暴力破壞事故[1-2]。許多礦山在淺部開采時(shí)，沿用淺部開采的思路，導(dǎo)致大量的淺部殘留礦柱處于高應(yīng)力、極高應(yīng)力狀態(tài)，這些殘留礦柱是最容易發(fā)展成為巖爆動(dòng)力災(zāi)害的主要危險(xiǎn)源，迫切需要針對(duì)性的處理方式進(jìn)行對(duì)癥處理從而對(duì)其進(jìn)行安全解危。最常用方法為在垂直最大主應(yīng)力方向上采用爆破的方式形成切縫帷幕[2-5]，降低礦柱中的主應(yīng)力水平，從而降低礦柱的巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)證明，這種方法在大多數(shù)情況下確實(shí)是一種行之有效的方法，但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，還面對(duì)一些高應(yīng)力高風(fēng)險(xiǎn)的殘留礦柱不允許使用爆破方式進(jìn)行解危的情況，除了人工制造非爆卸荷帷幕并沒有其他可行的方式可用，而這種非爆卸荷帷幕的人工制造原理是使用密集排孔，充分利用深部高應(yīng)力及其誘導(dǎo)應(yīng)力集中的作用，使排孔內(nèi)部的孔與孔之間巖體發(fā)生屈服，從而形成應(yīng)力隔斷帷幕線，即所謂的非爆卸荷帷幕。

應(yīng)該說，非爆卸荷帷幕從原理上來說是有科學(xué)依據(jù)的，但是其起效機(jī)制及力學(xué)作用仍然不清晰，本文通過理論分析優(yōu)選帷幕排孔內(nèi)部孔間距離，采用數(shù)值模擬方法，建立非爆卸荷帷幕和對(duì)應(yīng)的爆破切縫帷幕模型，通過非爆卸荷帷幕爆破切縫帷幕應(yīng)力場和碎裂不穩(wěn)定區(qū)對(duì)比分析，探索深部非爆卸荷帷幕的等效力學(xué)作用，為深部高應(yīng)力高風(fēng)險(xiǎn)礦柱的工程處理提供理論支撐。

1 非爆卸荷帷幕孔間距離選擇

為了研究非爆卸荷帷幕的等效力學(xué)作用，需要先確定非爆卸荷帷幕多孔之間合理孔間距。首先根據(jù)彈性力學(xué)分析單孔形成之后的應(yīng)力分布情況。

彈性力學(xué)深部單孔平面應(yīng)變狀態(tài)下的孔壁周邊應(yīng)力如下：

(1)

(2)

(3)

其中，λ為側(cè)壓力系數(shù)。為了簡要得出深部單孔的應(yīng)力影響主要范圍，將λ=1作為簡化情況分析，即當(dāng)λ=1時(shí)，其孔壁周邊的應(yīng)力分布如圖1所示?？梢钥闯?，單孔擾動(dòng)應(yīng)力場的明顯影響范圍為3倍孔的半徑。因此，要使兩孔或多孔之間形成高應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)使深部非爆卸荷帷幕孔間間距在3倍孔的半徑以內(nèi)，本次選取3倍孔的半徑作為基礎(chǔ)進(jìn)行非爆卸荷帷幕排孔高應(yīng)力作用下的探索研究。

圖1 深部圓形孔開挖后的二次應(yīng)力分布Fig.1 Secondary stress distribution after deep hole excavation

2 數(shù)值力學(xué)模型

為了探索非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕的等效力學(xué)作用，建立了對(duì)應(yīng)兩種情況的數(shù)值力學(xué)模型，如圖2所示。其中非爆卸荷模型鉆孔直徑為40 mm，共建立12個(gè)鉆孔；爆破切縫模型連續(xù)切縫長度等同于12個(gè)鉆孔的直徑。兩個(gè)力學(xué)模型的尺度和邊界條件都相同，本構(gòu)模型采用廣義Mohr-Coulomb模型，應(yīng)力邊界采用中國西南某礦深部水平推測最大主應(yīng)力值84.7 MPa和最小主應(yīng)力值44.6 MPa，模擬選用力學(xué)參數(shù)為該礦深部巖體力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

圖2 卸荷帷幕數(shù)值力學(xué)模型Fig.2 Numerical mechanical model of deep destressing curtain

為了說明高應(yīng)力條件下的非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕的等效力學(xué)作用，結(jié)合非爆卸荷帷幕的鉆孔影響范圍初步選擇距離，分別設(shè)置了兩種模型中1#孔與1#切縫、1#～4#孔與1#～4#切縫、1#～4#～7#孔與1#～7#切縫的模擬結(jié)果對(duì)比。

為了模擬高應(yīng)力作用下的排孔內(nèi)部由于高應(yīng)力導(dǎo)致的破裂不穩(wěn)定情況，本次結(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的特點(diǎn)，以安全系數(shù)方式判定高應(yīng)力導(dǎo)致的孔間破裂不穩(wěn)定性。安全系數(shù)以FLAC3D軟件中的廣義Mohr-Coulomb準(zhǔn)則制定，既服從剪切破壞又要服從拉破壞，安全系數(shù)在FLAC3D中以Zone Extra形式進(jìn)行輸出。

3 非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕應(yīng)力場和碎裂不穩(wěn)定區(qū)對(duì)比分析

對(duì)非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕應(yīng)力場和碎裂不穩(wěn)定區(qū)分別進(jìn)行對(duì)比分析，探索深部非爆卸荷帷幕的等效力學(xué)作用。

3.1 應(yīng)力場對(duì)比分析

非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕應(yīng)力場模擬結(jié)果如圖3、4所示?？梢钥闯觯?#孔與1#切縫實(shí)施后，在孔和切縫的兩側(cè)均出現(xiàn)高度應(yīng)力集中區(qū)；1#～4#孔與1#～4#切縫實(shí)施后，在兩側(cè)也出現(xiàn)高度應(yīng)力集中區(qū)，1#孔和4#孔之間有一部分較高應(yīng)力分布，但在1#～4#孔外圍形成明顯的低應(yīng)力區(qū)，形成重要的應(yīng)力低值卸荷區(qū)，即形成了與1#～4#切縫一樣的應(yīng)力隔斷區(qū)；在1#～4#～7#孔與1#～7#切縫實(shí)施后，仍然呈現(xiàn)了同樣的分布規(guī)律，同樣，如果形成更長的排孔，則與爆破切縫帷幕應(yīng)力場具有同樣的分布規(guī)律。

圖4 爆破切縫帷幕應(yīng)力張量場分布圖Fig.4 Stress tensor field distribution of explosive slot curtain

綜上，非爆卸荷帷幕排孔在高應(yīng)力作用下在實(shí)測最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生明顯的卸荷區(qū)，這與爆破切縫帷幕形成的卸荷區(qū)域具有明顯一致性；同時(shí)兩種帷幕都能實(shí)現(xiàn)將高應(yīng)力向帷幕兩端的深處轉(zhuǎn)移，在帷幕長軸兩側(cè)真正起到了應(yīng)力隔斷作用。因此，非爆卸荷帷幕與爆破切縫帷幕在應(yīng)力場分布與轉(zhuǎn)移上具有明顯的等效作用。

3.2 碎裂不穩(wěn)定區(qū)對(duì)比分析

非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕碎裂不穩(wěn)定區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，1#孔與1#切縫實(shí)施后，在孔和切縫的周邊均產(chǎn)生了破裂失穩(wěn)現(xiàn)象，且破裂失穩(wěn)的形狀近似“蝶形”；1#～4#孔與1#～4#切縫實(shí)施后，在兩側(cè)也均產(chǎn)生了破裂失穩(wěn)現(xiàn)象，且破裂失穩(wěn)的形狀也近似“蝶形”，并且不穩(wěn)定“蝶形”區(qū)形態(tài)和小于1的安全系數(shù)值范圍大小一致；在1#～4#～7#孔與1#～7#切縫實(shí)施后，仍然呈現(xiàn)了同樣的分布規(guī)律。同樣，如果形成更長的排孔，則與爆破切縫帷幕碎裂不穩(wěn)定區(qū)具有同樣的分布規(guī)律。

圖5 非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕破裂不穩(wěn)定區(qū)分布圖Fig.5 Broken instability area distribution of non-explosive destressing curtain and explosive slot curtain

綜上，在深部高應(yīng)力作用下，非爆卸荷帷幕孔間與孔周均產(chǎn)生了破裂失穩(wěn)現(xiàn)象，且破裂失穩(wěn)的形狀近似“蝶形”，這與爆破切縫帷幕形成的破裂失穩(wěn)范圍和破裂失穩(wěn)形狀幾乎一致。因此，非爆卸荷帷幕與爆破切縫帷幕在深部高應(yīng)力作用下誘導(dǎo)產(chǎn)生的碎裂不穩(wěn)定區(qū)上具有明顯的等效作用。

4 結(jié)論

1)通過彈性力學(xué)解初步確定深部非爆卸荷帷幕孔間距，3倍孔的半徑可作為非爆卸荷帷幕排孔高應(yīng)力作用下等效力學(xué)作用探索研究的基礎(chǔ)條件。

2)模擬結(jié)果表明非爆卸荷帷幕應(yīng)力場的分布和高應(yīng)力碎裂不穩(wěn)定區(qū)分布上與爆破切縫帷幕具有高度的一致性，在力學(xué)上具有明顯的等效作用。

3)通過合理的布置孔間間距能夠?qū)崿F(xiàn)空間巖體的失穩(wěn)破裂、非爆卸荷帷幕兩側(cè)應(yīng)力的隔斷，從而能夠達(dá)到高應(yīng)力礦柱卸荷目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆嚴(yán)重采場的解危。