爆破荷載下近斷層巷道穩(wěn)定性研究

史紅邈

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

由于鉆爆法具有地層適應(yīng)性強(qiáng)、施工成本低、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，長(zhǎng)期以來(lái)，鉆爆法一直是巷道進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)的首選施工方法[1]。然而，爆破施工時(shí)，爆炸產(chǎn)生的沖擊波將會(huì)在巷道圍巖中傳播，造成開(kāi)挖區(qū)圍巖損傷以及性質(zhì)劣化[2，3]，尤其是巷道靠近不良地段(如斷層破碎帶、陷落柱、溶洞等)時(shí)，爆炸引起的圍巖破裂損傷將可能導(dǎo)致巷道發(fā)生坍塌、突水等事故，嚴(yán)重威脅巷道安全[4]。

研究成果表明[5-13]，爆炸動(dòng)載作用下巷道周邊巖體產(chǎn)生的位移和破壞區(qū)要明顯大于靜力荷載，尤其是堅(jiān)硬圍巖；而且不同的爆破參數(shù)下巷道周邊巖體的變形破壞特征也差異很大。因此，對(duì)于近斷層巷道，研究不同爆破荷載作用對(duì)其突水和穩(wěn)定性的影響就顯得尤為重要，然而目前關(guān)于此類的研究卻很少。本文以屯留煤礦回風(fēng)大巷為工程背景，采用FLAC3D對(duì)有無(wú)爆破荷載作用下近斷層巷道的應(yīng)力、位移、涌水量以及塑性區(qū)的變化分布規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，并在此基礎(chǔ)上研究了爆炸峰值應(yīng)力、爆炸峰值時(shí)間對(duì)近斷層巷道的影響。研究結(jié)果可為近斷層巷道施工安全與質(zhì)量控制提供理論數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

屯留煤礦回風(fēng)大巷埋深500m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1248m，斷面形狀為直墻半圓拱形，其中巷寬4.8m，墻高1.4m，采用炮掘施工。根據(jù)勘察報(bào)告，回風(fēng)大巷施工至493m時(shí)將揭露FD49斷層破碎帶(傾角66°、寬度6.0m、上下盤落差20.0m、水壓2.0MPa)，如圖1所示。斷層上盤巖性以中砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖層較為穩(wěn)定；下盤以泥巖、煤巖、細(xì)砂巖為主，巖層穩(wěn)定性較差；斷層內(nèi)填充物則為碎屑狀泥煤巖，穩(wěn)定性極差；各層巖石的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 巷道過(guò)斷層破碎帶斷面

表1 近斷層巷道周邊巖石的物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬模型與方案設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)工程情況，采用FLAC3D建立爆破荷載作用下近斷層巷道開(kāi)挖數(shù)值模擬模型。該模型寬度、高度以及長(zhǎng)度分別為15m、30m和35m，共包含395143個(gè)節(jié)點(diǎn)和382800個(gè)單元。模型邊界條件設(shè)置為頂面施加豎向壓力12MPa，底面以及四周施加法向約束，破碎帶頂部施加水壓2.0MPa。模擬巷道炮掘施工時(shí)，將巷道沿長(zhǎng)度方向分為多個(gè)進(jìn)尺(每次進(jìn)尺為2m)。每次進(jìn)尺施工時(shí)，先將當(dāng)前進(jìn)尺內(nèi)的巖體進(jìn)行挖除并對(duì)其表面施加爆炸動(dòng)荷載；然后打開(kāi)FLAC3D中的動(dòng)力分析模式進(jìn)行動(dòng)力分析；之后關(guān)閉動(dòng)力分析模式，在設(shè)置當(dāng)前進(jìn)尺巖體水壓為0的條件下打開(kāi)滲流分析模式對(duì)巷道周邊巖體進(jìn)行流固耦合分析。計(jì)算分析過(guò)程中采用gp_flow命令對(duì)巷道開(kāi)挖面上所有節(jié)點(diǎn)的涌水量進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，得到每步開(kāi)挖后巷道工作面的總涌水量。

2.2 爆破動(dòng)荷載的模擬

本文對(duì)巷道爆破荷載進(jìn)行了簡(jiǎn)化[14，15]。根據(jù)前人研究成果，單孔爆破作用下，炮孔孔壁所受到的峰值應(yīng)力可由式(1)獲得：

式中，Pm為單孔爆破作用于孔壁的峰值應(yīng)力，MPa；ρ為炸藥密度，kg/m；v為炸藥炮轟速度，m·s-1；d為炸藥藥卷直徑，mm；D為炮孔直徑，mm。

當(dāng)多孔同時(shí)爆破時(shí)，巷道輪廓面上所受到的峰值應(yīng)力則由下式計(jì)算得出：

式中，Ps為多孔同時(shí)爆破作用于計(jì)算面上的峰值應(yīng)力，MPa；r1、r2、…、rn為第1、2、……、n個(gè)炮孔距離計(jì)算面的距離，m。

峰值應(yīng)力確定以后，采用Jong改進(jìn)的應(yīng)力波時(shí)間函數(shù)對(duì)巷道輪廓面進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載[14]，模擬巷道的爆破沖擊作用，見(jiàn)式(3)：

式中，Pt為不同爆炸時(shí)間節(jié)點(diǎn)下計(jì)算面所受到的爆炸應(yīng)力，MPa；β為阻尼系數(shù)；t為爆炸作用時(shí)間，s；Tm為爆炸作用到達(dá)峰值應(yīng)力點(diǎn)的時(shí)間，s。

根據(jù)實(shí)際工程情況，取炸藥密度為950kg/m3；藥卷直徑為20mm，炮孔直徑為42mm；炸藥炮轟速度為3000m/s，爆炸峰值點(diǎn)時(shí)間為200μs。于是，可得到多孔爆破荷載作用下巷道開(kāi)挖輪廓面所受到的爆炸應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

圖2 爆破荷載作用下巷道輪廓面的爆炸應(yīng)力函數(shù)曲線

2.3 圍巖本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)確定

為準(zhǔn)確反映巷道周邊巖體的物理力學(xué)特征，在表1數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用應(yīng)變軟化模型來(lái)模擬斷層周邊圍巖，并取圍巖峰后的殘余內(nèi)聚力為峰值前的35%[16]；當(dāng)圍巖發(fā)生塑性屈服破壞后，對(duì)圍巖滲透系數(shù)和滲透率按表1所示值進(jìn)行實(shí)時(shí)變更。此外，在動(dòng)力分析時(shí)，設(shè)置巷道周邊巖體瑞利阻尼參數(shù)的主頻以及臨界阻尼比大小分別為250Hz和0.5%。

2.4 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

為研究不同爆破動(dòng)荷載對(duì)近斷層巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)以下幾種數(shù)值模擬方案。

1)方案1：不考慮爆破荷載作用，對(duì)近斷層巷道進(jìn)行正常開(kāi)挖數(shù)值模擬分析。

2)方案2：考慮爆破荷載作用，保持爆炸峰值時(shí)間Tm=200μs不變，設(shè)置爆炸峰值應(yīng)力Pm分別為24MPa、60MPa、150MPa、240MPa和600MPa。

3)方案3：考慮爆破荷載作用，保持爆炸峰值應(yīng)力Pm=120MPa不變，設(shè)置爆炸峰值時(shí)間Tm分別為50μs、100μs、200μs、300μs、600μs和1000μs。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 爆破荷載作用下近斷層巷道圍巖穩(wěn)定性分析

3.1.1 巷道周邊圍巖應(yīng)力

當(dāng)Pm=120MPa、Tm=200μs時(shí)，有無(wú)爆炸荷載作用下巷道周邊巖體應(yīng)力的分布曲線如圖3所示。不考慮爆破荷載作用時(shí)，巷道周邊巖體最大主應(yīng)力差均出現(xiàn)在距巷道表面約0.5m的深度位置，其值在巷道兩幫約為21.0MPa，在開(kāi)挖面前方約為17.5MPa；而考慮爆破荷載作用下，巷道周邊巖體最大主應(yīng)力差則出現(xiàn)在距巷道表面約1.5m的深度位置，其值在巷道兩幫約為15.8MPa，在開(kāi)挖面前方約為11.8MPa。兩者相互對(duì)比可知，爆破荷載作用使得巷道周邊巖體的最大主應(yīng)力差出現(xiàn)位置往深處移了1m左右，最大主應(yīng)力差值則減小了將近17%～33%，而應(yīng)力集中區(qū)域范圍大小則基本保持不變。這說(shuō)明，爆破荷載由巷道表面往圍巖深部傳遞的過(guò)程中，會(huì)使得巷道周邊一定范圍內(nèi)(兩幫約為2.5m，開(kāi)挖面前方約為6.0m)的巖體發(fā)生不同程度的損傷，而且損傷程度與其距巷道表面距離成反比關(guān)系。由圍巖最大主應(yīng)力差出現(xiàn)位置上看，當(dāng)Pm=120MPa、Tm=200μs時(shí)，爆炸荷載能夠促使巷道表面1.5m內(nèi)的巖體發(fā)生較大幅度的損傷，導(dǎo)致其承載能力大大降低，比不考慮爆破荷載條件下增加了將近1.0m。

3.1.2 巷道周邊巖體位移

當(dāng)開(kāi)挖面距斷層不同距離時(shí)，有無(wú)爆炸荷載作用下巷道周邊不同位置巖體的最大位移值見(jiàn)表2。不考慮爆炸荷載作用時(shí)，受斷層破碎帶的影響，開(kāi)挖面距斷層越近，巷道周邊巖體最大位移也越大，但巷道底板、兩幫以及開(kāi)挖面巖體位移的增大幅度并不明顯，只有當(dāng)巷道開(kāi)挖面接近斷層破碎帶(L=1m)時(shí)，巷道開(kāi)挖面以及底板位移才陡然增大，此時(shí)，巷道極易發(fā)生突水或坍塌事故。而考慮爆炸荷載作用下，巷道周邊巖體最大位移隨開(kāi)挖的變化規(guī)律與不考慮爆炸荷載作用時(shí)大體一致，但同一進(jìn)尺下，前者頂板、底板、兩幫以及開(kāi)挖面的最大位移要分別比后者大約5%～12%、12%～14%、89%～143%、33%～61%。爆破荷載會(huì)使巷道周邊巖體損傷加劇，導(dǎo)致巷道周邊巖體松動(dòng)變形增大，且臨空面曲率以及暴露面積越大，松動(dòng)變形增加也越大。

由上述計(jì)算結(jié)果還可知，由于斷層破碎帶后方圍巖為堅(jiān)硬中砂巖，導(dǎo)致巷道爆破開(kāi)挖過(guò)程中斷層破碎帶在突水或失穩(wěn)前的變形異常征兆將不是十分明顯，因此，巷道開(kāi)挖更容易直接揭露斷層，引起突水坍塌事故。故在實(shí)際工程施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)巷道前方不良地層的勘測(cè)并及時(shí)做好預(yù)防措施。

當(dāng)巷道開(kāi)挖面距斷層破碎帶距離為3m時(shí)，巷道周邊巖體在縱向上的位移分布曲線如圖4所示。由圖4可知，不考慮爆破荷載時(shí)，開(kāi)挖面后方的巷道巖體位移在縱向上分布比較平滑且其值都大體一致；而開(kāi)挖面前方巖體位移則隨著其距開(kāi)挖面距離的增大而逐漸減小，當(dāng)穿過(guò)破碎帶后，其位移基本為0。考慮爆破荷載作用時(shí)，開(kāi)挖面后方的巷道巖體位移會(huì)在縱向上呈現(xiàn)明顯的“波浪”形分布特征，尤其是在每次進(jìn)尺的交界面附近位置；而開(kāi)挖面前方巖體的位移大小和分布特征則與不考慮爆破荷載作用時(shí)相近。因?yàn)楸坪奢d對(duì)周邊巖體進(jìn)行沖擊擠壓有一個(gè)先迅速增大而后緩慢回落的過(guò)程，而在回落的過(guò)程中，巖體會(huì)逐漸產(chǎn)生松動(dòng)變形，松動(dòng)變形在開(kāi)挖面較小而在后方較大，這就導(dǎo)致巷道后方巖體因缺少支承而在每次進(jìn)尺交界面處產(chǎn)生較大的波動(dòng)變形。

3.1.3 巷道開(kāi)挖面涌水量

當(dāng)開(kāi)挖面距斷層破碎帶距離L發(fā)生變化時(shí)，有無(wú)爆炸荷載作用下巷道開(kāi)挖面涌水量的變化曲線如圖5所示。可以看出，不考慮爆破荷載作用下，巷道開(kāi)挖面涌水量在L大于1m時(shí)基本保持在0.5m3/h左右；而當(dāng)L等于1m時(shí)，巷道開(kāi)挖面涌水量就迅速增至756m3/h，意味著此時(shí)將發(fā)生突水事故。由此可見(jiàn)，不考慮爆破荷載作用時(shí)，巷道開(kāi)挖面涌水量隨開(kāi)挖面距斷層距離變化存在明顯的突發(fā)性和高量性。考慮爆破荷載作用，則巷道開(kāi)挖面涌水量在L大于7m時(shí)約為1.5m3/h，在L等于7m、5m、3m以及1m時(shí)分別為4.7m3/h、22.3m3/h、358.6m3/h和763.2m3/h。考慮爆破荷載作用時(shí)，巷道開(kāi)挖面涌水量隨開(kāi)挖面距斷層距離變化有一個(gè)漸進(jìn)且逐漸加快的過(guò)程，因此，對(duì)堅(jiān)硬巖層進(jìn)行爆破施工時(shí)，通過(guò)觀察巷道開(kāi)挖面涌水量的變化可以在一定程度避免巷道開(kāi)挖直接揭露斷層，防止突水事故的發(fā)生。

圖5 有無(wú)爆炸荷載作用下巷道開(kāi)挖面涌水量的變化曲線

3.1.4 巷道圍巖塑性區(qū)分布

有無(wú)爆炸荷載作用下巷道周邊巖體塑性區(qū)分布如圖6所示。由圖6可知，不考慮荷載作用時(shí)，巷道周邊巖體因開(kāi)挖卸載在巷道前方以及頂?shù)装瀹a(chǎn)生塑性破壞深度僅為0.5m左右；當(dāng)開(kāi)挖面距斷層破碎帶距離L等于1m時(shí)，巷道前方巖體塑性區(qū)范圍將與斷層破碎帶貫通，形成導(dǎo)水通道，誘使巷道開(kāi)挖面發(fā)生突水坍塌事故。而考慮荷載作用時(shí)，巷道周邊巖體在巷道前方以及頂?shù)装瀹a(chǎn)生的塑性破壞深度分別為6.0m、2.9m和4.5m；當(dāng)開(kāi)挖面距斷層破碎帶距離L等于7m時(shí)，巷道前方巖體塑性區(qū)范圍將與斷層破碎帶貫通，形成導(dǎo)水裂隙通道，導(dǎo)致巷道開(kāi)挖面涌水量開(kāi)始逐漸增大。可見(jiàn)，爆炸荷載作用大大增加了巷道周邊巖體的破壞面積和損傷程度，因此在開(kāi)展巷道巖體破裂相關(guān)問(wèn)題研究時(shí)，如巷道為爆破開(kāi)挖，則必須考慮爆破荷載的作用影響，否則，研究成果可靠性將大大降低。

圖6 有無(wú)爆炸荷載作用下巷道周邊巖體塑性區(qū)分布

3.2 爆破峰值應(yīng)力對(duì)近斷層巷道圍巖穩(wěn)定性影響

不同的炸藥以及裝藥方式直接決定著炸藥的爆炸峰值應(yīng)力。當(dāng)保持爆炸峰值時(shí)間Tm等于200μs不變時(shí)，不同爆炸峰值應(yīng)力作用下近斷層巷道巖體位移、塑性區(qū)以及涌水量的變化曲線如圖7所示。由圖7(a)可知，巷道周邊巖體最大位移S與爆炸峰值應(yīng)力Pm呈指數(shù)遞增關(guān)系：當(dāng)爆炸峰值應(yīng)力小于120MPa時(shí)，巷道周邊巖體位移隨爆炸峰值應(yīng)力增加增長(zhǎng)并不明顯；而當(dāng)爆炸峰值應(yīng)力大于120MPa時(shí)，隨著爆炸峰值應(yīng)力的增加，巷道巖體位移增長(zhǎng)速率將不斷加快。由圖7(b)可知，巷道周邊巖體塑性區(qū)破壞深度H與爆炸峰值應(yīng)力Pm呈指數(shù)衰減關(guān)系：當(dāng)爆炸峰值應(yīng)力小于120MPa時(shí)，巷道周邊巖體塑性區(qū)破壞深度隨爆炸峰值應(yīng)力增加增長(zhǎng)很快；而當(dāng)爆炸峰值應(yīng)力大于120MPa時(shí)，隨著爆炸峰值應(yīng)力的增加，巷道周邊巖體塑性區(qū)破壞深度增長(zhǎng)速率逐漸變緩。由圖7(c)可知，隨著爆炸峰值應(yīng)力的增加，巷道與斷層破碎帶形成水力通道的時(shí)間節(jié)點(diǎn)就越超前，巷道工作面涌水量隨開(kāi)挖面推進(jìn)表現(xiàn)出的“漸進(jìn)增長(zhǎng)”特征也會(huì)越加明顯。

圖7 不同爆炸峰值應(yīng)力作用下近斷層巷道巖體位移、塑性區(qū)以及涌水量的變化曲線

3.3 爆破峰值時(shí)間對(duì)近斷層巷道圍巖穩(wěn)定性影響

當(dāng)炮孔直徑、最小抵抗線以及巖石類型等發(fā)生改變時(shí)，炸藥沖擊波到達(dá)峰值應(yīng)力點(diǎn)的時(shí)間也會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)保持爆炸峰值時(shí)間Pm等于120MPa不變時(shí)，不同爆炸峰值時(shí)間下近斷層巷道巖體位移、塑性區(qū)以及涌水量的變化曲線如圖8所示。由圖8(a)可知，當(dāng)爆炸峰值時(shí)間小于200μs時(shí)，爆炸峰值時(shí)間對(duì)巷道周邊巖體位移影響很小；當(dāng)爆炸峰值時(shí)間大于200μs時(shí)，隨著爆炸荷載作用時(shí)間的延長(zhǎng)，巷道底板、兩幫以及開(kāi)挖面巖體位移大體呈線性增長(zhǎng)，而巷道頂板巖體則因受重力作用存在冒落的可能性，其位移呈指數(shù)增長(zhǎng)。由圖8(b)可知，當(dāng)爆炸峰值時(shí)間小于300μs時(shí)，隨著爆炸峰值時(shí)間的延長(zhǎng)，巷道巖體塑性區(qū)破壞深度逐漸增加，但增加速率卻逐漸變緩；當(dāng)爆炸峰值應(yīng)力大于300μs時(shí)，隨著爆炸峰值時(shí)間的延長(zhǎng)，巷道巖體塑性區(qū)破壞深度增長(zhǎng)逐漸減小，最后基本保持不變。由圖8(c)可知，不同爆炸峰值時(shí)間下，巷道與斷層破碎帶之間水力通道被打通的時(shí)間節(jié)點(diǎn)大體一致(Tm=50μs時(shí)，水力通道在L=5m時(shí)被打通；Tm>50μs時(shí)，水力通道均在L=7m時(shí)被打通)，但隨著爆炸峰值時(shí)間的延長(zhǎng)，巷道與斷層破碎帶的水力通道面積卻會(huì)越大，進(jìn)而在相同進(jìn)尺下巷道開(kāi)挖面的涌水量也越大。即，爆炸峰值時(shí)間越長(zhǎng)，巷道開(kāi)挖面涌水量隨開(kāi)挖面距斷層距離的減小而增長(zhǎng)越明顯。

圖8 不同爆炸峰值時(shí)間下近斷層巷道巖體位移、塑性區(qū)以及涌水量的變化曲線

4 結(jié) 論

1)考慮爆炸荷載作用下，近斷層巷道周邊巖體最大位移隨開(kāi)挖的變化規(guī)律與不考慮爆炸荷載作用時(shí)大體一致，但同一進(jìn)尺下，前者頂板、底板、兩幫以及開(kāi)挖面的最大位移要分別比后者大約5%～12%、12%～14%、89%～143%、33%～61%。

2)爆炸荷載作用能夠大大增加了巷道周邊巖體的破壞面積和損傷程度，導(dǎo)致巷道開(kāi)挖面距斷層破碎帶等于7m時(shí)，巷道前方巖體塑性區(qū)就會(huì)與斷層破碎帶貫通形成導(dǎo)水裂隙通道；此時(shí)，開(kāi)挖面涌水量會(huì)隨開(kāi)挖面距斷層距離減小而逐漸增大，且增大速率越來(lái)越快。

3)隨著爆炸峰值應(yīng)力的增大，近斷層巷道周邊巖體最大位移、塑性區(qū)破壞深度分別呈指數(shù)遞增式和指數(shù)衰減式增長(zhǎng)；同時(shí)，巷道開(kāi)挖面涌水量隨開(kāi)挖面推進(jìn)表現(xiàn)出的“漸進(jìn)增長(zhǎng)”特征也越加明顯。

4)隨著爆炸峰值時(shí)間的延長(zhǎng)，巷道巖體破壞范圍和破壞程度會(huì)逐漸增加，但增加速率會(huì)逐漸減小；相同爆炸峰值時(shí)間下，巷道與斷層破碎帶之間水力通道被打通的時(shí)間節(jié)點(diǎn)大體一致，但爆炸峰值時(shí)間越大，相同進(jìn)尺下巷道開(kāi)挖面涌水量也將越大。