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

(遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051)

關健詞：地下選礦廠；圍巖開裂；聲發射；開裂分布特征

隨著我國深部礦產資源的開采，地下選礦廠的建設已經引起廣泛關注[1]。硐室群開挖卸荷引起圍巖應力二次分布，使得應力效應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]根據加拿大原子能研究機構的地下試驗隧洞開挖工程中“V”型破壞的研究成果，總結破壞形成的機理，認為破壞特征與剪應力和隧洞的開挖進程相關。任建喜等[3]根據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。李術才等[4]根據圍巖破壞力學機理，建立了巖體損傷演化規律方程，研究復雜應力狀態下節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研究了巖石破裂聲發射規律，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象，論述不同破壞時的圍巖應力變化特征，解釋了破壞的內在機理。張文舉等[7]研究了巖體內部裂紋在加載和卸載條件下的開裂區別，得到了深埋圓形隧洞圍巖裂隙開展特征。經過幾十年的發展，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聯[1]，在開挖卸荷條件下，硐室圍巖破裂受斷面面積和各設備硐室空間布局影響，其破裂特征出現很大不同。巖石的細觀結構對圍巖破壞特征和力學行為有很大影響，采用RFPA2D數值模擬軟件能夠對不同非均質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。當開挖臨空面達到起裂應力閾值時裂紋開始萌生[8-10]，在巖石內部產生大量的細微裂紋。在這些微裂紋出現前，變形僅受黏聚力的控制，而摩擦力作用并不明顯。隨著應力的不斷積累，卸荷引起的差異變形回彈使得細微裂紋尖端拉應力集中，微裂紋出現較大的張拉擴展，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，引起巖石內部應力場的不均勻分布，使得裂隙在初始裂隙尖端進一步發展。當圍巖繼續卸荷，在集中剪應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])

工程巖體進行穩定性分析時經常簡化為均質材料，而實際工程在卸荷作用下巖體內部裂紋發展并不規則，相鄰裂紋相互作用并呈現貫通趨勢，表現出均質度對巖體破壞形式的影響。因此，考慮不同巖體均質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，成硐條件和自穩能力較好，以Ⅱ類圍巖為主，埋深約520 m。選礦廠硐室群規模巨大，硐室凈寬B0=21 m，直墻高15 m，拱高為1/3B0。各設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，其空間結構尺寸見圖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 計算參數及方案確定

考慮選礦廠埋深較淺，且礦區構造應力不明顯，采用巖體以自重應力為主的平面應變模型，計算模型選取應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，結構面不發育，確定巖體力學參數見表1。

圖2 相鄰硐室空間結構尺寸示意圖(資料來源：文獻[1])

圖3 分析模型

表1 巖體力學參數

巖體密度ρ/(kg/m3)彈性模量E/GPa內摩擦角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度對硐室圍巖破壞的影響。為研究非均質巖體對圍巖裂紋發育過程的影響，選取均質度較差的巖石，因為不同均質度巖體對圍巖裂隙發育的影響不同，所以對均質度m的取值也應不同，分別為3、4、5，均值度越高巖體越均勻。巖體均質度對應的的巖體力學性質見表2，基體單元的力學性質服從韋布爾分布?C(m,μ)，參數m為巖體力學性質的均質程度；μ為巖體平均性質。硐室群數值模擬無支護，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，根據計算精度顯示各步數中計算小步。

表2 數值試驗方案

3 結果分析

3.1 硐室群開挖圍巖變形破壞過程

硐室開挖過程中應力重新分布，剪應力局部集中出現，巖石承受荷載引起內部不斷產生細微破裂，隨著裂隙的不斷發展導致宏觀破裂。僅局部出現破裂區域，多為裂紋尖端的應力集中部位。以試驗方案1為例，硐室群開挖圍巖破壞過程計算結果見圖4。軟件程序不考慮時間效應，step為破壞時當前的計算步數。

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力集中區域為硐室拱肩、底角部位及邊墻兩側，如圖4(a)所示，此時并沒有裂隙產生。隨著下臺階硐室開挖，應力達到或大于巖石介質的抗拉強度，導致破裂逐漸在硐室邊墻兩側萌生，如圖4(b)所示。初始階段破壞單元較為分散，隨計算步數增加，破裂單元逐漸聚集產生細微裂紋。由于材料非均勻性的影響，萌發出多條不規則微裂紋，且在兩相鄰硐室的隔墻處發展較快，造成了明顯的變形和微裂紋局部化現象，如圖4(c)所示。隔墻破壞逐漸發展，出現大量破裂面，分布雜亂無章，并沿豎向擴展。

3.1.2 聲發射分布規律

從上述分析結果可知，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，認為基體單元破壞時所釋放的彈性能是以聲發射形式釋放[5，14]，因此，根據巖體聲發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射圖見圖5。

圖4 方案1剪應力分布及破裂裂紋擴展過程

圖5 方案1聲發射分布圖

由圖5可以看出，聲發射集中發生的位置就是硐室發生破裂的部位，圍巖損傷和聲發射有著緊密關系。上臺階硐室開挖初期，硐室拱肩和底角部位發生了剪切或拉伸破壞，且聲發射相對能量較大。下臺階硐室開挖后，兩相鄰硐室中部隔墻出現大量微破裂面，分布較為分散。硐室繼續開挖，受上臺階硐室影響，下臺階硐室邊墻左側聲發射分布明顯集中且相對能量比右側大，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，與上述分析結果一致。

3.2 均質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，試驗通過改變其參數值探究均質度對試驗結果的影響。方案2和方案3中剪應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剪應力分布及破裂裂紋擴展過程

圖7 方案3剪應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在破壞發生前會在兩相鄰硐室中部隔墻產生較多個細小裂紋且會有較多的分支出現。根據計算結果可知，隨彈性模量和強度均質度的逐漸增加，巖體內部細小裂紋明顯減少，這些裂紋之間會發生貫通，表現出很強的脆性破壞。硐室兩側呈現明顯的“V”型破壞，“V”裂縫尖端應力明顯集中，裂縫進一步發展至貫通。

由圖7可以看出，初始小裂紋產生較晚，小裂紋一旦出現會迅速擴展成為宏觀裂紋，最終導致硐室隔墻破壞。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，造成局部的應力集中現象，同時巖體變形也會對單元體的應力大小產生影響，導致巖體局部破裂。因此可知，隨巖體均質度的提高，圍巖裂紋分支越少，裂隙貫通現象相應減少。

3.3 應力場與裂紋擴展規律

數值計算結果給出了裂紋擴展過程中裂紋周圍應力場的變化規律，展現了集中應力隨裂紋的擴展逐漸釋放和轉移過程。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力變化情況見圖8，方案3計算時步step3-30最大應力為19.4 MPa，而方案1中計算時步step3-30最大應力為16.6 MPa；由圖7可以看出，方案3的應力分布最為集中，應力值最大，與上述分析結果一致。說明計算時步下裂紋延伸擴展受巖體非均勻性影響較大,隨均質度的增大應力集中現象更為顯著。

圖8 剪應力隨開挖步數變化情況

根據剪應力變化與破裂裂紋擴展過程分析可知，裂紋萌生后，尖端應力較大，會出現零星的且不和裂紋連通的微裂紋。在擾動應力作用下，微裂紋還可能與已開裂裂紋聯通，裂紋繼續延伸形成新的開裂裂紋。裂紋形成后，較高應力區向裂紋尖端移動，硐室圍壓分布變成橢圓形。裂紋的尖端細小裂紋數量和范圍增加，使得裂紋擴展路徑更加復雜，具有明顯的不規則性。巖體材料具有非均質性，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，但其發展方向始終平行最大主應力方向。

4 結 論

1) 硐室群在開挖過程中，硐室隔墻中部產生劇烈的應力調整，在硐室拱肩、底角部位及兩側邊墻應力集中。在下臺階硐室開挖后，隔墻開始出現起裂破壞，并逐漸沿著豎向發展。

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

3) 巖體均質度對裂紋擴展影響較大，當均質度為5時，最大應力為19.4 MPa；當均質度為4時，最大應力為17.3 MPa； 當均質度為3時， 最大應力為16.6 MPa，因此當均質度為5時的應力分布最為集中，應力值最大。結果表明，均質度低，圍巖內部小裂紋較多；均質度高，巖體破裂脆性較強，且應力集中現象更為顯著。