魏明堯，張守文

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，江蘇 徐州 221008；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

瑞士、加拿大、澳大利亞和南非等地的一些金屬礦山已經(jīng)開采到地下1 000 m，甚至達(dá)3 000 m，我國煤礦開采也逐漸進(jìn)入1 000 m以下的深部環(huán)境[1]。深部環(huán)境下，巷道在高地應(yīng)力(含上覆巖層自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力)的作用下，巷道本身變形量較大，而且地震、大面積頂板垮落、頂板斷裂和爆破對其產(chǎn)生更強(qiáng)烈的動力擾動，造成圍巖嚴(yán)重變形破壞，巷道片幫冒頂頻率和強(qiáng)度增大，致使圍巖承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，極易發(fā)生毀滅性的沖擊地壓災(zāi)害[2]。由于錨桿支護(hù)具有經(jīng)濟(jì)、有效等特點，目前已成為煤礦巷道支護(hù)體系中的主要形式。隨著深部開采的增加，越來越發(fā)現(xiàn)錨桿缺乏對動力擾動環(huán)境下巷道的支護(hù)能力[3]。沖擊地壓、放炮和頂板垮落等引發(fā)的動態(tài)應(yīng)力擾動造成錨桿應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致錨桿鋼材料屈服和錨固端破壞，最終致使錨桿失效[1]。由于礦井開采深度逐漸加大，近10年采煤巷道支護(hù)成本增加了1.4倍，而且實踐表明40%～80%的深井巷道需要翻修[4]。隨著地下工程向深部延伸，深部巷道受動壓影響產(chǎn)生嚴(yán)重破壞、維護(hù)困難、沖擊(巖爆)事故頻發(fā)、支護(hù)效果差等問題逐漸突出，外部動力擾動是導(dǎo)致圍巖破壞和支護(hù)失效的主要因素之一[5]。而在深部巷道錨桿支護(hù)措施中受深部應(yīng)力環(huán)境影響，存在錨桿損壞嚴(yán)重、支護(hù)成本較高、巷道反復(fù)整修、支護(hù)效果不佳等問題。而工程中采用的錨桿支護(hù)理論仍是基于靜態(tài)應(yīng)力環(huán)境的，對錨桿支護(hù)與圍巖形成的支護(hù)體系抵御動力擾動的能力以及強(qiáng)沖擊下支護(hù)體系的極限承載能力等動力問題未進(jìn)行深入研究，而這些是保證深部巷道穩(wěn)定亟需解決的問題。

盧愛紅等[6]利用LS-DYNA軟件模擬了不同圍巖條件下動態(tài)擾動誘發(fā)巷道發(fā)生失穩(wěn)破裂的過程。Burget 等[7]和 Zhu等[8]分別采用相似物理模擬和數(shù)值模擬方法研究了沖擊地壓發(fā)生的過程和動力擾動引發(fā)的破壞結(jié)果。深部受擾動圍巖的穩(wěn)定性控制是深部巷道維護(hù)的主要問題，也是目前研究的重要內(nèi)容[9]。Littlejohn等[10]測量并評估了Wales的Penmaenbach 隧道的6.025 m直徑錨索受到近距離爆炸的影響。Haile等[11]監(jiān)測了受模擬地震波源影響的錨桿支護(hù)間圍巖的動態(tài)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)點峰值速度(peak particle velocity, PPV)隨測點與支護(hù)距離的增加而增加，對于特定環(huán)境下的巷道存在一個造成巖體損傷的最小PPV值。Tannant等[12]檢查了兩個不同礦區(qū)中近距離爆破對錨桿端部的反應(yīng)，并測量了錨桿軸向應(yīng)變和巷道壁面質(zhì)點速度，建立了一維有限差分模型，研究錨桿的應(yīng)變和巖石表面的動態(tài)位移。理論研究方面，康紅普等[13]分析了采動應(yīng)力場與支護(hù)應(yīng)力場的關(guān)系，認(rèn)為采動應(yīng)力越強(qiáng)烈，對支護(hù)系統(tǒng)的要求也越高，動壓巷道支護(hù)體受力明顯大于靜壓巷道，需要采用高強(qiáng)度、高剛度且具有足夠延伸率的支護(hù)系統(tǒng)。張明光[14]分析了近距離煤層開采擾動下破碎頂板支護(hù)系統(tǒng)，提出增加支護(hù)系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力的方法來提高頂板穩(wěn)定性。Mckenzie[15]總體調(diào)查和評價了Big Bell礦采用的可屈服錨桿抵抗沖擊地壓災(zāi)害的情況，并對支護(hù)方式和支護(hù)順序進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。Ortlepp等[16]對實施不同的和類似的支護(hù)設(shè)計原則的隧道進(jìn)行了簡要調(diào)查，提出一些在深部支護(hù)設(shè)計過程中有用的準(zhǔn)則和經(jīng)驗。另外，大量學(xué)者通過數(shù)值模擬軟件對動載作用的錨桿結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究。St-Pierre等[17]基于實驗研究提出一種錨桿的動態(tài)模擬模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)錨桿有兩種能量吸收機(jī)制，分別是錨固端在樹脂內(nèi)的滑移和錨桿的塑性位移。薛亞東等[18]采用FLAC軟件，對回采巷道錨桿(端錨和全錨)施加地震波擾動，模擬得出錨桿軸力隨動載作用時間的變化規(guī)律，同時發(fā)現(xiàn)錨桿安裝角對軸力的動載響應(yīng)有很大影響。Ansell[19]開發(fā)了一種全新的吸能型錨桿，并在實驗室測量了其動力吸收能力。

本研究采用FLAC3D軟件對深部支護(hù)巷道動態(tài)應(yīng)力波擾動過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對錨桿支護(hù)體系的動態(tài)反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測。通過在模型中施加特定強(qiáng)度的動態(tài)壓縮波，檢測錨桿受力數(shù)據(jù)和圍巖位移等數(shù)據(jù)，得到錨桿支護(hù)體系下的應(yīng)力演化特征、支護(hù)體系的動力擾動響應(yīng)及其穩(wěn)定性特征，并分析支護(hù)體系的承載能力與巷道圍巖變形破壞的耦合關(guān)系；同時模擬不同動力擾動大小及方向、地應(yīng)力環(huán)境條件下的影響。針對工程現(xiàn)場難以測量圍巖內(nèi)部煤巖體及錨桿的變形規(guī)律的問題，本研究采用數(shù)值模擬方法反映巷道支護(hù)系統(tǒng)的物理過程，其結(jié)果為深入研究及優(yōu)化深部巷道支護(hù)體系設(shè)計提供依據(jù)。

1 計算模型的建立

建立尺寸為50 m×50 m×50 m的幾何模型，總單元個數(shù)為10 612。巷道為拱形斷面巷道，寬4.0 m，高4.0 m；巷道頂?shù)装搴蛢蓭筒捎萌L樹脂錨固錨桿支護(hù)，錨桿長5 m，間距為1.5 m，頂板布置3根，兩幫及底板各布置2根，巷道形狀和錨桿分布的斷面如圖1所示。在模型中距離巷道壁不同距離設(shè)置監(jiān)測點，如圖1中所示的A、B、C、D和E點，與巷道壁的距離分別為0.5、2、4、6和8 m。

圖1 模型布置和動力加載示意圖

為了考慮深部巖體應(yīng)力峰后特性，模型采用彈塑性本構(gòu)模型并進(jìn)行峰后應(yīng)變軟化，煤層巷道的體積模量為10 GPa，剪切模量為3 GPa，抗拉強(qiáng)度為1 MPa，粘聚力為0.8 MPa，摩擦角為23°，其巖性軟化參數(shù)采用文獻(xiàn)[20]的參數(shù)，如表1所示。由于沖擊災(zāi)害發(fā)生時間極短且毀滅性極強(qiáng)，造成監(jiān)測設(shè)備毀壞，目前仍無法獲得災(zāi)害發(fā)生時應(yīng)力及應(yīng)變的定量值，因此將沖擊災(zāi)害發(fā)生簡化為應(yīng)力波擾動。邊界條件設(shè)置如圖1，右邊界和底邊界為位移約束，上邊界為加載面，施加固定荷載，在左邊界施加動態(tài)變化的壓縮應(yīng)力，模擬動力波擾動。分別設(shè)定上邊界荷載為15、20、25和30 MPa，模擬采深為600、800、1 000和1 200 m下的應(yīng)力環(huán)境。力學(xué)阻尼選用瑞利阻尼形式，其中最小臨界阻尼比為0.005，最小中心頻率為50 Hz。邊界條件設(shè)置為靜態(tài)邊界。擾動應(yīng)力波形取載荷波形中為諧波的一段，峰值強(qiáng)度取100 MPa[6, 21]。模型中錨桿的彈性模量為40 GPa，屈服荷載為110 kN，并且在模型中使用fish語言編寫判斷錨桿位移是否達(dá)到屈服極限的程序，如果錨桿達(dá)到屈服，則刪除此錨桿單元[22]。

表1 應(yīng)變軟化模型參數(shù)表[20]

2 深部巷道圍巖動態(tài)破壞規(guī)律分析

2.1 動態(tài)破壞過程

壓縮應(yīng)力波會造成巷道圍巖的應(yīng)力分布發(fā)生變化，圖2是巷道圍巖受沖擊擾動過程中最大主應(yīng)力的時空分布規(guī)律。圖2(a)為沖擊前的圍巖應(yīng)力分布，由于開采造成的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，最大主應(yīng)力呈環(huán)形分布，最大應(yīng)力為29 MPa，距離巷道壁8 m，此時巷道壁變形極小。圖2(b)為動載作用時間為0.005 s的應(yīng)力分布圖，在加載初期沖擊擾動未傳播至巷道位置時影響較小。當(dāng)傳播時間為0.01 s時，沖擊擾動到達(dá)巷道位置，由于巷道的阻礙，應(yīng)力波峰值分別轉(zhuǎn)移至巷道上方和下方，此時最大應(yīng)力峰值為47 MPa，峰值區(qū)距離巷道6 m左右。圖2(d)為0.015 s時的應(yīng)力分布，沖擊擾動分別在巷道頂?shù)装逯袀鞑?，?yīng)力峰值逐步減小，降低為42 MPa。在0.02 s之后，由于沖擊擾動為壓縮波，傳播時在其后方形成拉伸應(yīng)力區(qū)，如圖3,同樣也引發(fā)后續(xù)較小的壓縮波。當(dāng)沖擊擾動后(如圖2(g)和圖2(h))，巷道圍巖被大量破壞，應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)移向深部，造成巷道嚴(yán)重變形。

圖2 擾動傳播過程中最大主應(yīng)力分布圖

圖3是不同監(jiān)測點處的應(yīng)力和位移曲線。從圖3(a)可以看出測點距離巷道越近，其應(yīng)力值越小，測點擾動前應(yīng)力分別為0.6、7、13.7、21.5和26 MPa，說明越靠近巷道，圍巖破壞越嚴(yán)重，應(yīng)力值也越低。隨時間增加，擾動沖擊波經(jīng)過測點時應(yīng)力值迅速上升，距離左幫2～6 m位置的平均升高幅度達(dá)43%～67%。應(yīng)力波擾動過后測點的應(yīng)力下降，同時沖擊波過后形成的拉伸波與原巖應(yīng)力疊加致使測點產(chǎn)生較低的應(yīng)力值，之后應(yīng)力恢復(fù)原狀，但由于距離巷道較近處的圍巖損傷破壞嚴(yán)重，受到?jīng)_擊擾動后圍巖破壞加劇，應(yīng)力明顯降低。圖3(b)為不同監(jiān)測點的位移曲線?？梢钥闯觯跊_擊擾動前，位移基本平緩；受擾動影響后，位移逐漸增大，且距離巷道越近，增加幅度越大；距離巷道0.5 m處位移最大為0.2 m，增加幅度為54%。

圖3 不同測點的最大主應(yīng)力和位移的變化曲線(分布為測點A, B, C, D和E)

動力擾動造成巷道圍巖大量破壞，引起圍巖的大變形。圖4為巷道圍巖位移和速度云圖，圖中箭頭為位移向量，剪頭方向代表圍巖的位移方向，長度代表位移大小?？梢钥闯觯瑳_擊破壞后巷道最大位移在左側(cè)墻，底角處嚴(yán)重變形，最大位移為0.595 m，這是由于在沖擊壓縮過程中墻腳位置的剪切力較大，超過了剪切強(qiáng)度而發(fā)生剝落。同時底板發(fā)生拱起，形成底鼓，這是深部巷道破壞的特點。圖4(b)為擾動后巷道圍巖位移速度云圖，可以看出左側(cè)圍巖的位移速度較大，最大速度達(dá)25 m/s，足以導(dǎo)致大范圍的巖塊彈射，更嚴(yán)重的可以導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。由于沖擊波入射到自由表面反射會形成拉伸波，這些反射回來的拉伸波將與入射壓縮波的后續(xù)部分相互作用，造成圍巖積聚大量動能，滿足斷裂準(zhǔn)則后圍巖會發(fā)生彈射。沖擊擾動后巷道斷面嚴(yán)重變形，與原截面對比，發(fā)現(xiàn)巷道截面積縮小20.6%，說明沖擊擾動對巷道破壞嚴(yán)重。

圖4 擾動后巷道圍巖位移和速度分布圖

2.2 錨桿軸力動態(tài)響應(yīng)及失效分析

動力擾動對錨桿軸力也產(chǎn)生重要影響。圖5為巷道左邊的一個錨桿單元的軸向應(yīng)力隨時間的變化曲線。發(fā)現(xiàn)隨著圍巖的變形，錨桿工作阻力以線彈性增長到最大值，錨桿進(jìn)入理想塑性狀態(tài)，并平穩(wěn)保持在最大工作阻力上。當(dāng)沖擊擾動傳播至錨桿時，錨桿軸力緩緩上升，達(dá)到錨桿單元的最大抗拉強(qiáng)度后，錨桿單元失效，軸向應(yīng)力瞬間下降，此時錨桿單元完全失去支護(hù)能力。

圖5 錨桿單元軸向應(yīng)力隨動載作用時間變化曲線

擾動過程中錨桿失效數(shù)量隨時間增長而不斷增加，圖6為沖擊擾動過程中統(tǒng)計的錨桿單元失效個數(shù)。錨桿單元失效首先發(fā)生在0.020 s，0.020與0.022 s之間失效數(shù)為8個，0.028～0.030 s間沖擊應(yīng)力波到達(dá)巷道位置，錨桿單元失效個數(shù)高達(dá)27個。當(dāng)0.04 s時總破壞單元個數(shù)為154個，占總單元數(shù)的39%，此時錨桿已完全失去支護(hù)能力。因此在強(qiáng)沖擊擾動作用下，深部巷道的錨固效果不很明顯，除非采取特殊的技術(shù)措施。

圖6 錨桿單元在單位時間間隔內(nèi)失效個數(shù)統(tǒng)計圖

2.3 擾動強(qiáng)度對巷道沖擊破壞影響

沖擊強(qiáng)度的大小是決定巷道破壞程度的主要因素，不同強(qiáng)度的擾動對錨桿承載能力的作用不同。為研究錨桿的極限承載能力，需要對不同擾動強(qiáng)度下的錨桿響應(yīng)進(jìn)行分析。較小動力擾動時，普通支護(hù)足夠抵御動力破壞，巷道受影響較小，如小級別礦震一般不會對巷道支護(hù)造成嚴(yán)重破壞。而普通錨桿支護(hù)體系不足以抵御強(qiáng)動力擾動，造成巷道斷面大變形，甚至造成巷道完全封閉。沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生時能量極大，為了研究錨桿支護(hù)體系抵御強(qiáng)動力沖擊的能力，根據(jù)煤巖體的三軸抗壓強(qiáng)度將峰值擾動強(qiáng)度分別設(shè)定為10、50、100和200 MPa，進(jìn)行4種動力擾動過程的模擬[6]。圖7為擾動過程中圍巖最大位移曲線。在10 MPa的動力擾動下，圍巖位移變化緩慢，在0.3 s時的最大位移0.25 m，僅比動力擾動前增加0.08 m。隨著擾動強(qiáng)度增大，位移量明顯變大，可以看出擾動強(qiáng)度為200 MPa時造成了巷道很大位移，在0.3 s時最大位移達(dá)到了0.67 m，是擾動前位移量的4倍，而且巷道變形嚴(yán)重，其截面積比擾動前減小25%。

圖7 不同擾動強(qiáng)度下巷道圍巖最大變形量曲線

通過對不同擾動強(qiáng)度下的錨桿總失效數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計，得到圖8所示擾動過程中錨桿的總失效數(shù)目規(guī)律，在10和50 MPa的較低的擾動強(qiáng)度下，錨桿單元基本都處于其抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，錨桿損壞數(shù)目較少。當(dāng)高強(qiáng)度擾動時，錨桿損壞數(shù)目眾多，最高占總錨桿單元的35%。而且錨桿破壞數(shù)目與擾動強(qiáng)度非線性增加，高強(qiáng)度的擾動造成更嚴(yán)重的錨桿破壞和圍巖變形。

圖8 不同擾動強(qiáng)度下巷道錨桿隨時間的破壞比例

綜合分析錨桿支護(hù)體系對不同強(qiáng)度擾動的抵御能力，可以判定50 MPa以下的擾動對巷道支護(hù)影響較小，不會造成嚴(yán)重的巷道變形。高于50 MPa的擾動，圍巖和支護(hù)體系受損嚴(yán)重，不能達(dá)到支護(hù)的要求，而且隨著擾動強(qiáng)度增加，造成的破壞更加嚴(yán)重。

2.4 擾動方向?qū)ο锏罌_擊破壞影響

深部地下工程中，動力擾動源位置不確定，對巷道不同方向產(chǎn)生沖擊破壞，為確定巷道錨桿的布置方案，需研究不同方向?qū)ο锏绹鷰r破壞區(qū)域定位。圖9為不同沖擊源位置造成的巷道圍巖位移向量圖，其中圖9(a)中沖擊源位于底板，圖9(b)中沖擊源位于頂板。當(dāng)擾動源位于巷道下部時，巷道底板受影響嚴(yán)重，造成墻角和底板嚴(yán)重鼓起，兩幫變形較小。當(dāng)擾動源位于巷道上部時，巷道上表面位移量變形范圍最大，位移量高達(dá)0.58 m，由位移向量可以看出，巷道頂部向下塌陷，造成巷道斷面嚴(yán)重變形，兩幫變形較小。對比不同位置擾動源的破壞作用，發(fā)現(xiàn)距離擾動源位置較近處圍巖受損最嚴(yán)重，造成的位移也最大，越遠(yuǎn)離擾動源受其影響越小。

圖9 不同沖擊源位置對巷道破壞的位移向量圖

2.5 開采深度對巷道破壞影響

開采深度增加時，巷道圍巖將承受更高的地應(yīng)力環(huán)境，造成圍巖的穩(wěn)定性降低，支護(hù)難度和成本增加。圖10為600、800、1 000和1 200 m采深下沖擊擾動圍巖位移曲線?？梢钥闯鲚^小采深下，圍巖位移較小，沖擊擾動后變形幅度不明顯。當(dāng)采深超過1 000 m后，圍巖變形大于0.2 m，沖擊擾動后圍巖破壞較嚴(yán)重，位移增加幅度明顯大于小采深環(huán)境，在采深為1 200 m時，最大位移為0.45 m，其中沖擊擾動產(chǎn)生的變形增加幅度為80%，此時巷道變形及破壞范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小采深。采深增加也造成錨桿失效數(shù)量的增加，圖11為不同采深錨桿受載破壞個數(shù)。在淺部條件下，沖擊擾動造成的錨桿失效較少，當(dāng)采深超過1 000 m后，錨桿失效個數(shù)將超過總數(shù)的50%，錨桿支護(hù)體系受到嚴(yán)重破壞。由于模型設(shè)定垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力相同，而在自然環(huán)境中水平應(yīng)力約為2倍的垂直應(yīng)力，所以臨界采深會更低，資料顯示在800 m深度巷道破壞加劇，某些地區(qū)甚至在500～600 m時就發(fā)生嚴(yán)重破壞[23-24]。

圖10 不同開采深度下位移變化曲線

圖11 不同開采深度下錨桿單元破壞比例

3 結(jié)論

對深部支護(hù)巷道在動力擾動下的動態(tài)破壞及支護(hù)體系響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到動載下巷道圍巖的破壞規(guī)律以及錨桿體系極限承載規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)深部巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中和塑性破壞，當(dāng)沖擊應(yīng)力波傳播至巷道附近，造成圍巖應(yīng)力瞬間重新分布，沖擊應(yīng)力波造成巷道壁積聚大量動能，易導(dǎo)致巷道壁片幫和巖塊彈射。

2)錨桿在強(qiáng)沖擊載荷下發(fā)生斷裂，錨桿失去支護(hù)能力。特定支護(hù)強(qiáng)度下僅能承受低于臨界強(qiáng)度的動力擾動，大于此強(qiáng)度的擾動會造成巷道的嚴(yán)重破壞。

3)巷幫圍巖距離動力擾動源距離近的位置破壞嚴(yán)重。采深與錨桿支護(hù)能力密切相關(guān)，深部巷道受沖擊擾動后圍巖變形幅度和錨桿失效個數(shù)都大幅增加。