高應力巷道底板破裂形態(tài)特征研究

魏軍強,徐 營,馮 釗 ,李德賢,崔繼強,王賢來

(1.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅 金昌 737100；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

隨著礦井開采深度的增加，特別是進入千米深度開采階段，巷道圍巖在高應力作用下呈現(xiàn)出明顯的軟巖變形特征。高應力巷道頂?shù)装寮捌鋬蓭蛧鷰r是一個相互作用的統(tǒng)一體，巷道圍巖整體失穩(wěn)破壞很大程度上是由巷道強烈的底鼓造成[1-5]。巷道底鼓是影響巷道安全的重要問題之一[6-9]。國內(nèi)外專家對巷道底鼓機理及控制技術(shù)進行了相關(guān)研究，利用不同方法來治理巷道底鼓[10-12]。然而，深部地下開采伴隨高應力、高溫、高承水壓力、高瓦斯和高沖擊礦壓傾向性，在開采擾動和鄰近巷道工程擾動的“五高兩擾動”開采環(huán)境[13]下，巷道底鼓現(xiàn)象更加嚴重，是深部開采中亟待解決的突出問題[14-19]；深部巷道圍巖在開挖卸荷后往往處于峰后軟化階段，在數(shù)值模擬或工程應用時卻往往將其簡化為理想彈塑性體而將圍巖劃分為均勻破碎帶，忽略了巖石的應變局部化現(xiàn)象[20]。應變局部化是相對于圍巖均勻變形而言，其主要指在局部區(qū)域應變梯度急劇增大(該區(qū)域也稱剪切帶)，這會造成巷道的局部破裂與變形，給巷道的支護與圍巖控制帶來了新的挑戰(zhàn)。應變局部化現(xiàn)象是巖石應變軟化模型特有的性質(zhì)，因此應變軟化與應變局部化現(xiàn)象存在不可分割的關(guān)系，通過應變軟化本構(gòu)模型能夠在數(shù)值模擬中再現(xiàn)局部化剪切帶。筆者擬建立一種考慮巖石應變軟化效應的深部高應力巷道圍巖應變局部化數(shù)值模型，研究巷道底板圍巖應變局部化的影響規(guī)律，以期加深對深部巷道底板應變局部化現(xiàn)象的認知，為高應力巷道底板支護與圍巖控制提供一定的參考。

1 巖石破裂規(guī)律研究

1.1 單軸壓縮作用下巖石破裂規(guī)律研究

巖石的峰后軟化曲線類型如圖1所示。

圖1 巖石的峰后軟化曲線類型

Hoek等[21]將巖石峰后曲線特征歸納為以下3種：①彈塑性、②應變軟化和③彈脆性。①和③可以被看成是②的特例，因此研究應變軟化模型更具典型意義。當巖石變形超過峰值強度時，原來均勻的變形模式突然轉(zhuǎn)變?yōu)楠M窄條帶區(qū)域內(nèi)的急劇不連續(xù)的變形，這種現(xiàn)象被稱之為巖石的“應變局部化”，并將發(fā)生強烈剪切變形的狹窄條帶稱為“剪切帶”。應變局部化通常是和應變軟化相伴發(fā)生的，對巖石類材料來說，應變軟化是巖石的宏觀力學表現(xiàn)，而應變局部化則是其內(nèi)在微觀損傷表現(xiàn)。

為準確得到巖石在峰后的變形破壞形態(tài)，對金川礦區(qū)底板泥巖進行取樣并開展試驗，研究泥巖在單軸壓縮試驗過程中的變形破壞形式。巖石的最終破壞形態(tài)如圖2所示。

圖2 巖石試件破壞形態(tài)

通過單軸壓縮試驗可以發(fā)現(xiàn)，巖石最終的破壞形態(tài)可以被看成一種“X”形的破壞。巖石試件破壞可以理解為在主裂紋方向產(chǎn)生了滑移破碎變形。

巖石試件單軸抗壓破壞應力—應變曲線如圖3所示。

圖3 巖石試件單軸抗壓破壞應力—應變曲線

由圖3可以看出，峰前階段符合彈性假設，應力—應變曲線為一近似直線，未見明顯屈服階段。在峰后有明顯的應變軟化階段，巖石應變局部化形成并演化，發(fā)生在峰前峰后這一個過渡階段，其峰值載荷為22.05 MPa，在軟化結(jié)束后巖石到達一定的殘余強度，此時的巖石仍具有一定的承載能力，巖石的殘余強度為9.32 MPa。

1.2 巖石破裂形態(tài)的模擬研究

1.2.1 巖石應變軟化參數(shù)的確定

巖石應變軟化參數(shù)僅在峰后階段產(chǎn)生影響，其在巖石峰值強度和殘余強度之間建立了轉(zhuǎn)換關(guān)系，軟化參數(shù)在峰值點前的值為0，在殘余強度階段其值為η*，在軟化階段其值介于兩者之間。將其定義為最大和最小主塑性主應變之差，也就是塑性剪應變：

(1)

此外，在FLAC3D軟件中，軟化參數(shù)的定義如下：

(2)

在塑性剪應變γp和FLAC3D軟化參數(shù)Δeps之間建立關(guān)系，推導如下：

采用非關(guān)聯(lián)流動法則，塑性勢函數(shù)選取：

Q=σ1-Kψσ3

(3)

將式(3)代入式(2)積分可得：

(4)

引入軟化參數(shù)的目的是為了建立變形與強度參數(shù)的關(guān)系，應變軟化模型與Mohr-Coulomb模型共用相同的破壞準則，區(qū)別在于用戶可以自定義黏聚力、內(nèi)摩擦角、剪脹角和抗拉強度隨軟化參數(shù)eps的變化關(guān)系，即用戶輸入2個值，則在2個值之間強度參數(shù)是直線變化的，如圖4所示。

圖4 強度參數(shù)隨塑性應變變化曲線

圖4中C、φ分別為巖石力學參數(shù)中的黏聚力和內(nèi)摩擦角，這些參數(shù)在FLAC3D中會隨著應變軟化參數(shù)的改變而改變。

1.2.2 巖石破裂形態(tài)模擬演化規(guī)律

建立FLAC3D數(shù)值模擬模型如圖5所示。模型為50 mm×50 mm×100 mm的標準試件。對模型進行測試，固定試件頂?shù)酌妫瑢λ闹苁┘幽骋还潭▏鷫褐疗胶鉅顟B(tài)；在試件的上端面施加荷載，將壓縮過程中上端面中心點的應力和應變進行監(jiān)測,并導入數(shù)據(jù)繪圖軟件進行分析。巖石的物理力學參數(shù)如下：彈性模量為20 GPa，泊松比為0.23，峰值黏聚力為5.0 MPa，峰值內(nèi)摩擦角為28°，剪脹角為3.55°，破裂圍巖殘余黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為Cr=2.0 MPa，φr=20°，軟化系數(shù)為0.002。

圖5 FLAC3D數(shù)值模擬模型

未施加圍壓時,單軸壓縮條件下巖石試件的應力—應變曲線如圖6所示。

圖6 巖石應變局部化演化過程

由圖6可以看出，峰值應力為17.6 MPa，殘余強度為8.56 MPa。在試驗初始階段，試件中部未見明顯剪應變增大的區(qū)域，即巖石應變局部化還未啟動。此時試件仍處于線彈性階段，以軸向的體積壓縮為主要變形。在應變局部化啟動階段，也就是應力—應變曲線的峰后軟化階段，試件中部首先出現(xiàn)剪應變增大區(qū)域；隨后試件中部逐漸出現(xiàn)“X”形剪應變增大區(qū)域，該區(qū)域不斷擴展延伸直至與角點的應力集中處相連接；隨后貫穿試件的“X”形共軛剪切帶生成，在該條帶內(nèi)剪應變梯度急劇增大，而剪切帶外剪應變逐漸變小，因此可以認為此時應變局部化經(jīng)歷了啟動—演化—最終形成的過程，試件將沿著“X”形剪切帶發(fā)生破壞，與試驗相符。證明了應變局部化與應變軟化具有密不可分的關(guān)系。

此外還通過模擬研究了不同圍壓條件下巖石峰值強度和殘余強度，結(jié)果如表1所示。

表1 不同圍壓下巖石峰值強度和殘余強度

由表1可以看出，巖石的峰值強度隨著圍壓的增大而不斷增大，殘余強度也隨之增大，這也符合深部高應力巖石的力學性質(zhì)演化規(guī)律。

基于已經(jīng)建立的宏觀應變軟化本構(gòu)模型，將巖石軟化模型放入深部巷道底板圍巖的變形中，研究巷道底板圍巖應變局部化及破裂形態(tài)特征。

2 高應力巷道底板破裂形態(tài)特征

為了再現(xiàn)高應力巷道由于開挖卸荷引起圍巖出現(xiàn)的剪切帶，首先建立一個平面應變圓形巷道模型，如圖7所示。

圖7 FLAC3D圓形巷道開挖數(shù)值模擬模型

模擬埋深在800 m左右的圓形巷道開挖的過程，計算可得此時垂直原巖應力為20 MPa，側(cè)壓系數(shù)為1，即水平應力也為20 MPa，模擬在靜水壓力作用下巷道開挖的圍巖剪切帶。輸出從開挖開始的圍巖最大剪應變增量云圖，在剪應變增量較大處，認為巖石發(fā)生了局部剪切破壞。截取的部分典型云圖如圖8所示。

(a)500步時

由圖8可以看出，在開挖初始階段(見圖8(a))，圍巖首先形成的是環(huán)狀的剪應變增大區(qū)，此時剪應變增量較小，未見狹窄的剪切帶圖樣；隨后局部“分岔”現(xiàn)象開始出現(xiàn)(見圖8(b))，巷道周邊開始顯現(xiàn)較多的傾斜狀剪切帶，帶內(nèi)剪應變增量較大，且剪切帶向巷道4個傾斜方向延伸發(fā)展，形成交錯結(jié)構(gòu)(見圖8(c))；隨著時步的增加，內(nèi)部剪切帶延伸變緩而外部延伸較快，最終形成了彼此間隔的剪切帶結(jié)構(gòu)(見圖8(d))，隨后向巷道頂?shù)装逖由焱卣梗敯寮暗装宓募羟袔Ы诲e貫通，剪切帶主要集中于巷道頂板和底板，在巷道的頂板和底板邊界形成了區(qū)域性的剪應變增大區(qū)。可見，巷道的頂?shù)装遢^兩幫破壞更為嚴重，形成了類似分區(qū)破裂的圍巖剪切帶。

為了對比本文中的應變軟化模型與Mohr-Coulomb模型的差異，保持本構(gòu)模型中巖石的初始黏聚力和內(nèi)摩擦角一致，模擬圓形巷道開挖工況下2種本構(gòu)模型的圍巖塑性區(qū),結(jié)果如圖9所示。

(a)Mohr-Coulomb模型

由圖9可以看出，Mohr-Coulomb模型的塑性區(qū)為環(huán)形(見圖9(a))，即巷道的圍巖破壞形式為沿著巷道四周均勻的剪破壞，不會形成應變軟化模型中的交錯剪切帶(見圖9(b))，且從范圍上可以看出Mohr-Coulomb模型的塑性區(qū)更小。這是因為Mohr-Coulomb模型中巖石的強度參數(shù)是恒定的，在峰值點后圍巖沒有產(chǎn)生強度劣化的形象，巖石破壞后仍具有峰值的承載能力，這種不考慮巖石強度劣化的模型最終得出來的剪應變是偏小的；然而在FLAC3D內(nèi)置的應變軟化模型中，由于強度參數(shù)在峰后隨塑性變形而產(chǎn)生劣化，這將導致圍巖中某點進入破壞階段后會引起相鄰點的接連破壞，該區(qū)域內(nèi)巖石的力學性能將會下降，但其他未破壞的區(qū)域則不會受應變軟化的影響，因此圍巖變形會呈現(xiàn)不均勻性，這在宏觀上就表現(xiàn)為巖石中剪切帶的生成與延伸。Mohr-Coulomb模型與應變軟化模型的上述圍巖破壞模式的差異性可通過現(xiàn)場的鉆孔窺視圖進行驗證。

3 工業(yè)性試驗

為了進一步分析金川礦區(qū)巷道底板的變形失穩(wěn)特征，建立巷道底板數(shù)值模擬模型，得到巷道底板剪切帶發(fā)育情況，如圖10所示。

圖10 金川礦區(qū)巷道底板變形特征

在巷道開挖過程中，受巷道開挖掘進的影響，巷道周圍圍巖的應力重新進行分布，在靠近巷道兩幫的位置及底板中央產(chǎn)生裂紋，剪切帶在巷道兩底角沿45°方向向底板發(fā)育，巷道底角的裂紋擴展方向沿巷道中部大致呈對稱分布。巷道底板中央的小裂紋在底板逐漸貫通形成大裂隙，巷道底板表面破壞程度增加、裂隙增大，底板裂隙發(fā)育與剪切帶發(fā)育方向一致，尤其是在巷道底角沿傾斜45°方向形成的大裂隙，兩側(cè)底角裂隙在底板下方貫通，最終導致底板被破壞，底板巖體受剪切破壞產(chǎn)生底鼓。

為了研究巷道圍巖裂隙發(fā)育的詳細狀況，采用現(xiàn)場鉆孔窺視的方法，在巷道底板及兩幫施工鉆孔，使用ZKXG30礦用本安型鉆孔成像軌跡檢測儀對金川礦區(qū)巷道底板進行窺視，鉆孔直徑32 mm，鉆孔孔深8 m，水平向下30°。鉆孔窺視底板圍巖破碎范圍如圖11、圖12所示。

圖11 鉆孔窺視結(jié)果示意圖

(a)圍巖完整區(qū)

由圖12可以看出，全孔深范圍內(nèi)裂隙廣泛分布，全孔范圍內(nèi)裂隙尤其密集，裂隙類型以環(huán)向裂隙居多，常見多條裂隙并行發(fā)育；距孔底7.00～8.00 m圍巖完整性差，破碎程度較大。總體來說，底板圍巖較為破碎，窺視范圍內(nèi)煤體成孔效果差、發(fā)育有較大裂隙。距底板0～1.14 m圍巖破碎程度較為嚴重；距孔底6.00～6.48 m為縱向裂隙及破碎帶，存在比較發(fā)育的節(jié)理和裂隙等不連續(xù)面；距孔底6.50～7.00、5.10～6.00 m為圍巖完整區(qū)，圍巖整體性較好，沒有發(fā)生明顯破壞，說明巷道周邊會形成局部性的變形破壞區(qū)，而不是整體的塑性破壞區(qū)，進一步證明了巖石的應變局部化現(xiàn)象。在實際的巷道開挖過程中應變局部化會形成局部破裂與變形，距孔底2～5 m出現(xiàn)大范圍的破壞，并且底板破壞深度達3 m左右，與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。

4 結(jié)論

1)對金川礦區(qū)底板泥巖進行了單軸壓縮測試分析，巖石的變形破壞形式為典型的共扼“X”形破壞，在峰后出現(xiàn)明顯的應變軟化階段，單軸峰值載荷為22.05 MPa，巖石的殘余強度為9.32 MPa。采用數(shù)值模擬軟件對剪切帶的形成機制進行了研究，發(fā)現(xiàn)巖石應變局部化經(jīng)歷了剪切帶啟動—演化—最終形成的過程。

2)建立了深部巷道圍巖應變局部化的模型，通過數(shù)值模擬研究了高應力巷道圍巖破裂形態(tài)，并與傳統(tǒng)的Mohr-Coulomb模型進行了對比，應變軟化模型會產(chǎn)生間隔交錯的剪切帶與破壞，但是Mohr-Coulomb模型會產(chǎn)生均勻的環(huán)形破壞，巷道圍巖塑性區(qū)的范圍與剪切帶的發(fā)育規(guī)律相符。

3)對金川礦區(qū)底板圍巖進行鉆孔窺視與模擬，巷道底角裂紋沿45°方向形成大的裂縫，巷道兩側(cè)底角的裂隙在底板下方貫通，造成底板被破壞進而發(fā)生底鼓，底板破裂規(guī)律基本與剪切帶的發(fā)育方向一致，鉆孔窺視結(jié)果說明巷道周邊會形成局部性的變形破壞，證明了巖石的應變局部化現(xiàn)象。