深部巷道開挖加卸荷誘發圍巖失穩的模擬研究

靳西傳，周宗紅，龍 剛，侯廷凱

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.桐梓煤電化循環經濟工業園區管理服務中心，貴州 桐梓 563200)

0 引 言

隨著淺部礦產資源的枯竭，深部開采將成為趨勢與常態。目前，國外金屬礦山開采深度已超過4 350 m，國內金屬礦山也逐漸步入1 000～2 000 m的深度開采階段[1]，深部開采的變形破壞機理與淺部有著很大的差異，因此，眾多學者通過各種方式進行大量實驗、監測來探究深部巷道圍巖的力學特征，取得了巨大成就。但受到試驗周期長、費用高和無法大規模使用的限制，數值模擬進入了視野，并伴隨計算機的迅猛發展以及越來越高的計算精度和速度得到許多學者的認可和使用。

韓建文等[2]通過FLAC3D數值模擬技術對某礦山深部開采的回采進路模擬分析，確定斷面4 m×4 m為最佳回采方案。郭進平等[3]等通過FLAC3D數值模擬技術確定既能保證出礦巷道的穩定，又能提高礦石回收率的破碎礦體出礦巷道的最佳間距為12.5 m。陳登紅等[4]利用FLAC3D數值模擬技術對深部巷道圍巖變形特征進行模擬研究，并與真三軸實驗結果和實際測量的結果最對比，揭示了深部回采巷道圍巖拉、壓分區的產生機制并初步提出可以防止因過度應變軟化而引起深部回采巷道圍巖大變形的注漿、噴層等措施；王進等[5]通過FLAC3D數值模擬技術根據采場頂板圍巖的應力分布和破壞機理對-500 m中段采場的人工礦柱參數進行了優化。蘇仲杰等[6]通過FLAC3D數值模擬技術對五龍礦3431B深部運輸巷道的變形破壞機理進行研究分析，確定松動圈的范圍，確保了巷道的穩定。CAO等[7]、蔡建軍等[8]利用FLAC3D數值模擬技術確定了較好的支護技術并優化了支護參數，為礦山巷道的支護工程的研究提供了參考，對實際工程的安全提供了保障。周輝等[9]基于原位監測結果構建的數值模型對深井巷道掘進過程中圍巖擾動應力場的演化特征進行了分析，確定圍巖應力擾動范圍集中在巷道邊墻8 m范圍內，并通過擾動應力場和開挖擾動區演化特征的對比，驗證了兩者部分演化特征較為相似。秦萬能等[10]運用應變軟化模型和摩爾庫倫模型進行計算，提出巷道底板采用錨索束注漿加固的治理方案解決了高水平構造應力條件下巷道圍巖易失穩的難題。喬衛國等[11]通過FLAC3D對不同支護措施下的巷道圍巖數值模擬結果進行定量分析，提出以錨桿、錨索為核心的錨網索噴聯合支護方案，應用于實際工程并使巷道的穩定性和整體性得到有效提升。學者們通過巷道圍巖的模擬為實際工程提供了巨大幫助，也驗證了FLAC3D數值模擬技術的準確性與適用性。

雖然對深部巷道的模擬研究較多，但對于巷道開挖加卸荷誘發圍巖破裂失穩的研究卻很少，本文以云南某礦山1261中段沿脈巷道為例，通過FLAC3D對深部巷道開挖加卸荷情況下圍巖的應力場、位移變化和塑性破壞區演化情況進行模擬研究，其中應力場主要探究巷道圍巖在初步開挖后應力重分布情況，及隨著開挖進行巷道圍巖應力變化情況，進而分析8#礦體巷道開挖加卸荷誘發圍巖失穩情況。

1 工程概況

云南某礦山8#礦體賦存于下石炭統擺佐組上部粗晶白云巖中，礦體頂板、底板與圍巖界限清楚，沿層產出。礦體產狀與地層一致，走向北東20～40°,傾向南東,傾角61～63°。8#礦體在剖面上呈層狀一似層狀，總體空間形態呈條帶狀向南西側伏，礦體水平厚度為2.5～18.8 m，平均水平厚度為9.93 m，礦體沿走向和傾向延伸穩定，僅厚度上存在一些膨脹和收縮。其1261中段沿脈巷道形狀為三心拱巷道，該地層厚度為40～60 m，埋深為1 275 m，斷面尺寸為3 m×3 m，且在鉆探過程中發現有不同程度的巖芯餅化現象，因此需要探究該中段沿脈巷道在開挖過程中的穩定性。

2 深部巷道開挖特性數值模擬

高應力環境下的巷道圍巖在開挖過程表現出來的巷道圍巖變形特征和淺部差異很大，受地質條件和監測技術的制約，無法準確獲取巷道圍巖的演化特征，故對1261中段的巷道開挖卸荷過程進行數值模擬，對實際工程提供理論依據與借鑒。

2.1 模型建立

根據圣維南定理及相關文獻[12]，巷道局部開挖應力釋放引起的巖體擾動的范圍大約在巷道中心3～5倍巷道跨度的范圍之內，并結合該礦體上向進路機械聯合式充填的采礦方法和現場實際狀況最終確定巷道模型幾何尺寸為25 m×25 m×10 m(寬×高×長)，邊界條件為：水平方向對模型四個側面的水平速度進行固定約束(Vx=0，Vy=0),鉛錘方向對模型底板施加固支約束(Vx=Vy=Vz=0)，再通過ANSYS軟件建立巷道三維幾何模型并導入FLAC3D軟件，最終得到巷道三維幾何模型圖，見圖1。本次模擬采用摩爾庫倫模型作為運算準則，模型共有60 186個節點，55 460個單元。為了最大程度提高模擬的適應性，根據模擬要求并以實際為基礎做出假定：根據田莉梅等[13]研究結果，斷層對巷道的影響隨著距離的增加，影響程度逐漸減弱，當達到15 m時，斷層對巷道圍巖變形和穩定性基本沒有影響，故在本次模擬中將礦山中斷層、微孔隙裂隙、生產用水、生產震動和地下水進行忽略；巖體視為連續的、各向異性的均勻介質；模擬計算為靜態開挖計算，不考慮圍巖的黏性和蠕變等行為。

根據室內物理力學試驗和Mohr-coulomb準則得到室內巖體物理力學參數，考慮到原巖體受到構造活動的影響，需進行折減計算，通過相關文獻[14-15]折減公式最終得出模型巖石物理力學參數值見表1。

圖1 三維計算模型圖Fig.1 Three dimensional computation model diagram

表1 巖體模型力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock mass model

彈性模量/GPa抗拉強度/MPa黏聚力/MPa內摩擦角/(°)泊松比體積模量/GPa剪切模量/GPa4.302.978.9420.252.871.72

本文采用快速應力邊界法，也稱S-B法，生成初始應力場。利用AE Kaiser效應得到原巖應力與埋深(>1 000 m)的相互關系[16]見式(1)。

σx=0.029H+1.1

σy=0.022H-1.7

σz=0.022H-2.8

(1)

式中：σx為沿巖層走向的水平應力；σy為沿巖層傾向的水平應力；σz為沿重力方向的垂直應力；H為埋藏深度。

通過計算得到在模型中Z=0時實際埋深1 289 m的水平方向沿巖層走向的初始地應力σx=38.48 MPa，沿巖層傾向的初始地應力σy=26.65 MPa，重力方向的初始應力σZ=25.56 MPa。運用漸變應力公式得出初始應力場不同方向的初始值和梯度值后運用FLAC3D軟件計算并得出模型三分方向的初始應力場。

2.2 模擬方案

考慮到巷道模型斷面的對稱性，只對巷道的一半進行監測。經多次開挖分析計算后發現：巷道內壁向內延伸6 m是巷道發生變形的主要范圍，因此監測點都在此范圍內布置，主要位置為巷道底板、斜底角、幫部、拱肩、斜拱肩和拱頂，且每個位置的監測線上均布置6個監測點，各監測線相鄰監測點間距均為1 m，布置情況見圖2。監測點的主要作用是監測并記錄開挖過程中應力及位移的變化值，導出并制作應力及位移云圖，觀察應力和位移的變化情況，進而分析巷道圍巖在開挖過程中的變化規律。

圖2 監測點布置圖Fig.2 Layout of monitoring points

本次開挖巷道全長10 m，分五步開挖，每步開挖2 m，且均采用無支護開挖。前一步的開挖計算達到平衡后再進行后一步的開挖，直至巷道開挖貫通，巷道開挖一步即2 m時模型計算2 000步。

3 結果與分析

3.1 開挖應力場演化分析

3.1.1 最大主應力演化

利用Kaiser效應得到巷道原始的切向地應力為26.65 MPa，徑向地應力為25.56 MPa。由圖3可以看出，巷道在初步開挖完成后，巷道各個位置的應力進行了重新調整，巷道圍巖幫部切向應力加載到55.4 MPa，徑向應力卸荷到15.3 MPa；巷道斜底腳處切向應力加載到64.9 MPa，徑向應力卸荷到20.4 MPa；巷道斜拱肩處切向應力加載到63.3 MPa，徑向應力卸荷到15.8 MPa。巷道其他位置都有不同程度的應力集中現象。

圖3 第一步開挖主應力分布云圖Fig.3 Cloud map of principal stress distribution in preliminary excavation

圖4 不同開挖步數最大主應力分布云圖Fig.4 Distribution of maximum principal stress distribution indifferent excavation step

圖4反映了巷道圍巖最大應力值隨著開挖進行不斷變化的情況。其中巷道幫部主應力值隨著開挖的進行不斷減少，第二步開挖結束后為33.8 MPa，并隨著開挖進行依次減少為32.4 MPa、30.6 MPa和29.1 MPa，距離工作面越遠，應力值越小；巷道斜底腳處主應力值隨著開挖進行逐漸增加，依次為：72.8 MPa、76.3 MPa、77.8 MPa和79.1 MPa；巷道斜拱肩處主應力值隨著開挖的進行不斷減少，依次為58.5 MPa、57.3 MPa、56.9 MPa和56.2 MPa，距離工作面越遠，應力值越小。其他位置的最大主應力值均隨著開挖的進行逐漸減少，且距離工作面越遠，應力值越小。

3.1.2 偏應力(主應力差)演化

為了更深入地了解開挖加卸荷對圍巖穩定性的影響，通過編寫fish語言監測巷道各位置的主應力差來綜合分析開挖加卸荷對巷道圍巖穩定性的影響。圖5中“1 m”指距離巷道內壁1 m。

除幫部和底板外，距離巷道壁越近的區域，主應力差值越大，并隨著開挖進展主應力差值繼續增加。在開挖的初始階段，各位置應力進行初始加載，并且增長幅度很大，其中斜拱肩主應力差值最大，為47.8 MPa，其次為拱頂的41.3 MPa，拱肩的36.5 MPa，都隨著開挖的進行逐漸增加，并在巷道內壁附近達到峰值。

巷道圍巖底板和幫部在第一步初始加載完后距離巷道內壁0.5 m左右分別達到峰值為36.2 MPa和34.9 MPa，并在第二步開挖初始階因瞬間卸荷導致主應力差減小到30.1 MPa和30.2 MPa，并隨著開挖的進行趨于平穩。

最小為斜底腳處的27.1 MPa，也是主應力最集中的位置，隨后的每一步開挖都會有明顯卸荷現象，在巷道內壁附近時的主應力差值明顯大于巷道深處的主應力差值并隨著開挖進行不斷增加。

距離巷道1 m內和1 m外的主應力差值差距明顯。而且距離巷道內壁1 m范圍內，巷道圍巖主應力差值在第一步開挖結束平衡后進行第二步的開挖的初始階段有著瞬間降低現象，而在1 m范圍外，巷道主應力差值在第一步結束，第二步開始階段主應力差值有瞬間增加的現象。

圖5 各監測點位置主應力差演化圖Fig.5 Evolution diagram of principal stress difference at each monitoring point

3.1.3 巖爆傾向性分析

巖爆是高應力環境下深部巷道開挖過程容易發生的一種地質災害現象，結合鉆探過程中發現有不同程度的巖芯餅化現象，故對巷道開挖過程的巖爆傾向分析是判斷巷道穩定性的重要途徑。

對于巖爆傾向性的判據有很多，基于本文開挖卸載后原巖應力重新分布使巷道圍巖應力承載力所引發的失穩現象這一觀點選擇謝學斌判據[17]，其表達式見式(2)。

?=σ1/σc

(2)

式中：σ1為最大主應力；σc為最大抗壓強度，其判別準則見表2。

表2 謝學斌巖爆判據表Table 2 XIE Xuebin’s rock burst criterion table

由單軸壓縮試驗得出巖石最大抗壓強度σc為53.39 MPa，根據式(2)得出各測點位置巖爆傾向性評價結果見表3，可知8#礦體巖爆傾向性為中等～強烈巖爆，巖爆可能發生的主要危險區域為開挖斷面折角處。

3.2 位移演化

圖6為不同開挖步位移變化圖，限于篇幅給出第一步和第五步開挖位移變化圖。由圖6可以看出，巷道圍巖在每一步完成后都產生了變形位移和形變量，形變量最大的部分為巷道底板、幫部、拱頂和開挖面，而由于巷道斜底腳位于應力交匯處，應力沒用足夠的釋放空間，巖體因應力集中得到強化，因此巷道斜底腳出巖體處于壓密狀態，位移量不明顯，在第二步開挖過程中達到最大為3.5 mm。整個開挖卸荷過程中圍巖豎向位移量最大位置為巷道拱頂和底板，主要因為這兩個位置的自由面都垂直于鉛垂應力方向，監測點周圍圍巖在卸荷時產生的變形會較明顯，拱頂圍巖變形量隨著開挖卸荷的進行不斷增加，直至開挖完成后達到16.8 mm，底板圍巖在前三步開挖進行中不斷增加，在第三步開挖過程中豎向位移量達到最大為15.1 mm，隨著開挖卸荷的繼續進行，底板圍巖位移量出現了很小程度的持續減小。巷道幫部圍巖的橫向位移量是整個巷道最大的，最先遭到破壞并隨著開挖的進行從第一步的11.6 mm持續增加到16.7 mm。

表3 各測點位置巖爆傾向評價結果Table 3 Evaluation results of rockburst tendency at different measuring points

3.3 開挖塑性區演化

圖6 不同開挖步位移演化云圖Fig.6 Evolution of different excavation step clouds

圖7 巷道開挖圍巖塑性區演化圖Fig.7 Plastic zone evolution diagram of surrounding rock in roadway excavation

圖7為巷道圍巖塑性區演化圖，限于篇幅給出第一步和第五步開挖塑性區演化圖。圖例中sh-p、sh-n、ten-p、ten-n分別表示曾發生過剪切破壞、正在發生剪切破壞、曾發生過拉伸破壞和正在發生拉伸破壞。從圖7可看出，塑性區主要分布在巷道的四周和開挖面中部，塑性區體積隨著開挖的不斷進行不斷增加。不同形式的塑性破壞交替發生在巷道肩部、拱頂、底板和幫部，但演化圖大部分為曾發生過剪切破壞。斜底腳處因應力持續集中并未超過儲能極限,未出現塑性破壞區。隨著開挖步數的增加，巷道自由面也在增加，圍巖塑性區的剪切破壞和拉伸破壞的體積都在不斷增加，但正在產生拉伸破壞的圍巖體積很小，并隨著巷道圍巖在每一步開挖結束后的再平衡過程逐漸消失，從演化曲圖上看，塑性破壞區主要破壞形式為剪切破壞，伴隨少量拉伸破化。

4 結 論

1) 巷道幫部、斜底腳和斜拱肩處切向應力在第一步開挖時加載到最大值，徑向應力發生卸荷。隨著開挖的繼續進行，巷道圍巖應力逐漸減小并趨于穩定，巷道圍巖多處于臨界破壞或破壞狀態。

2) 8#礦體沿脈巷道巖爆傾向性為中等～強烈巖爆，巷道折角處危險性較高。

3) 巷道圍巖在每一步完成后都產生了不同程度的變形量，變形最大的部分為巷道幫部和拱頂，位于應力交匯處的巷道斜底腳處的巖石在達到極限儲能前會繼續儲能，位移量較少。

4) 塑性區主要分布在巷道周圍，在第一次開挖時出現大面積塑性區并隨著開挖進行逐漸增大，塑性破壞區的破壞形式主要為剪切破壞并伴隨少量拉伸破壞。