王成龍，趙興東

(1.山東黃金集團有限公司，山東 濟南 250101；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

進入21世紀以來，我國的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展取得了巨大的進步，與此同時，對各類礦產(chǎn)資源的需求和消耗也與日俱增，使得我國深部礦產(chǎn)資源的開發(fā)力度不斷加大[1]。礦產(chǎn)開采進入深部以后，隨之而來的各種問題與淺部也不盡相同，諸如高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓、強開采擾動等[2?3]。在影響巖體力學(xué)性質(zhì)的各項要素中，結(jié)構(gòu)面占據(jù)重要的地位，其幾何形態(tài)、力學(xué)性質(zhì)會從根本上改變巖體的性能。在結(jié)構(gòu)面分布顯著的深部巷道中，巖體破壞的表現(xiàn)形式往往呈現(xiàn)一定的方向性，結(jié)構(gòu)面對圍巖的破壞模式具有顯著的影響[4?5]?；诖?，國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)構(gòu)面施加于巷道的影響方式和效果做了大量研究，孫闖等[6]基于Hoek-Brown應(yīng)變軟化模型及量化地質(zhì)強度指標GIS圍巖評級系統(tǒng)，分析了深部節(jié)理巖體在開挖卸載過程中強度的弱化行為。劉剛等[7]基于三軸平面應(yīng)變的原理研發(fā)了三維巷道仿真試驗系統(tǒng)，利用數(shù)字采集技術(shù)對仿真系統(tǒng)中的巷道位移進行監(jiān)測，對深部巷道所處的高地應(yīng)力場中的不同節(jié)理傾角和節(jié)理間距進行組合排列，研究了各因素的敏感性，實現(xiàn)了對巷道穩(wěn)定性的定量與定性評價。王同旭等[8]為研究深部節(jié)理巖體巷道頂板的破壞機理及其控制方式，基于UDEC離散元程序編寫隨機節(jié)理生成程序，建立了隨機節(jié)理巖體巷道數(shù)值模型，對深部節(jié)理巷道的破壞過程和支護方式進行了模擬，并結(jié)合現(xiàn)場工程應(yīng)用進行了驗證。JIN等[9]對大量工程災(zāi)害進行分析認為，巖體節(jié)理是其主要致災(zāi)原因之一，通過對巷道圍巖節(jié)理進行統(tǒng)計分析，確定節(jié)理分布規(guī)律，建立了基于顆粒流的數(shù)值模型，分析了節(jié)理巖體巷道的流變特性和破壞行為。WANG等[10]基于實驗室霍普金森壓桿試驗，建立二維顆粒流節(jié)理巖體模型，從細觀的角度分析了節(jié)理巖體與材料應(yīng)變率效應(yīng)和破壞模式密切相關(guān)的裂紋數(shù)量和擴展路徑特征，研究了沖擊載荷作用下節(jié)點試件的動態(tài)損傷和破壞過程。

綜上，結(jié)合巖體節(jié)理的分布規(guī)律建立的數(shù)值模型，對地下硐室圍巖的穩(wěn)定性及破壞機理進行研究，得到了許多有益的結(jié)論。但這些研究沒有將節(jié)理巖體與預(yù)留光爆層結(jié)合起來，沒有系統(tǒng)地對預(yù)留光爆層條件下節(jié)理巷道圍巖的失穩(wěn)破壞機理進行研究。在充分獲得結(jié)構(gòu)面信息的情況下，通過結(jié)構(gòu)面的特征來研究節(jié)理對巖體穩(wěn)定性的影響，應(yīng)用工程經(jīng)驗方法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對預(yù)留光爆層條件下深部節(jié)理巖體巷道穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

新城金礦礦床位于膠東焦家斷裂帶北段，斷裂帶內(nèi)發(fā)育大量次級斷裂、節(jié)理和密集裂隙等, 控制了礦體的分布，已探明18個呈似層狀、脈狀的金礦體。其中Ⅴ#礦體為現(xiàn)階段主采礦體，Ⅴ#礦體賦存于XI#礦體傾斜延深旁側(cè)，Ⅴ#礦體群主要產(chǎn)于黃鐵絹英巖化花崗閃長質(zhì)碎裂巖中，黃鐵絹英巖化花崗閃長質(zhì)碎裂巖為Ⅴ號各礦體的主要賦存部位，礦體位于黃鐵絹英巖化碎裂巖帶之下，與黃鐵絹英巖化碎裂巖帶呈漸變過渡關(guān)系。通過現(xiàn)場取芯及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗得到?1080m中段巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，V#礦巖狀況比較復(fù)雜，從揭露的坑道看，礦巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體強度低、節(jié)理內(nèi)充填蝕變物，該蝕變物受水影響較大(遇水后膨脹且產(chǎn)生滑膩)、蝕變巖石碎脹性低，易冒落。局部地段巖石極其破碎。目前在?1080m中段巷道掘進迎頭，礦巖較破碎，而且蝕變比較嚴重，導(dǎo)致頂板局部冒落。因此，采用預(yù)留光爆層爆破技術(shù)掘進成巷，所謂預(yù)留光爆層分次爆破技術(shù)，即先在巷道中采用普通鑿巖爆破掘進一小斷面巷道，再經(jīng)過預(yù)留光面層二次爆破刷大，形成留有周邊眼炮痕的巷道，該技術(shù)能有效控制巷道超欠挖量，提高巷道成形質(zhì)量。掘進斷面形狀為半圓拱，凈高3600mm，凈寬4200mm，預(yù)留光爆層厚度為600mm，巷道斷面如圖1所示。通過對已有資料的歸納整理，得出?1080m中段范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力σhmax為58.52 MPa、最小水平主應(yīng)力σhmin為27.30 MPa、垂直應(yīng)力σv為35.3 MPa。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

圖1 巷道斷面（單位：mm）

2 模型建立及分析

在Rhino 6 中建立三維幾何模型，并導(dǎo)入數(shù)值計算軟件3DEC中進行計算(見圖2)。模擬的巷道尺寸采用?1080m中段巷道的實際尺寸，為了消除巷道開挖對遠場邊界的影響及加快模型計算速度，模型寬度應(yīng)大于5倍巷道寬度；為一個長（X方向）、寬（Y方向）及高（Z方向) 分別為30m，10m，及30m 的立方體，模型被剖分成68945個三角形網(wǎng)格，在模型中間部位建立一組間距為0.5m的節(jié)理。

模型的XOY平面被施加法向約束，與XOY平面平行的平面被施加法向應(yīng)力σZ，σZ=?34.82 MPa，模型的另外 4 個平面分別被施加法向應(yīng)力σX或σY，σX=σY=?42.91 MPa（見圖3），側(cè)向壓力系數(shù)λ約為1.23。巷道的軸線與Y軸平行，模型分為8步開挖，1、3、5、7開挖巷道的下部斷面，沿Y軸方向掘進2.5m，2、4、6、8對巷道斷面的預(yù)留層進行開挖。模型中的塊體本構(gòu)模型為彈塑性模型，節(jié)理本構(gòu)模型為庫倫滑移模型。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

圖3 數(shù)值計算模型

2.1 塑性區(qū)分析

在巷道的分步開挖過程中，由于圍巖開挖的卸荷效應(yīng)，圍巖中的應(yīng)力受到擾動，被迫重新分布。在應(yīng)力重分布的過程中，造成某些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，當應(yīng)力的大小超過圍巖的屈服載荷（拉伸作用或剪切作用）時，圍巖進入塑性狀態(tài)，圍巖彈塑性變形能隨著巷道的逐步開挖逐漸釋放，受多次開挖的擾動影響，應(yīng)力釋放區(qū)相互重疊，應(yīng)力場產(chǎn)生相互疊加，進一步帶動開挖巷道周邊的塑性區(qū)范圍擴大。

圖4給出了監(jiān)測點距工作面不同距離時，圍巖塑性區(qū)的變化情況。從圖4可以看出，當監(jiān)測斷面超前工作面5.0m時，僅在巷道的正前方產(chǎn)生極小的塑性區(qū)，說明此時巷道的掘進對工作面前方5.0m處的應(yīng)力場擾動極小。當監(jiān)測斷面超前工作面2.0m時，巷道圍巖的塑性區(qū)范圍明顯增大，說明此時超前工作面2.0m處應(yīng)力場受到的擾動明顯增強，與非節(jié)理化巖體相比[11]，節(jié)理化巖體掘進巷道時，受擾動的巖體在超前影響范圍上更大，進一步說明節(jié)理化巖體更易受到開挖擾動的影響。當監(jiān)測斷面滯后掘進工作面時，巷道圍巖塑性區(qū)范圍基本保持穩(wěn)定，變化幅度很小。

圖4 距工作面不同距離時的塑性區(qū)分布

圖5給出了距工作面距離不同，塑性區(qū)深度的變化情況。從圖5可以看出，從超前工作面5.0m至滯后工作面5.0m，左幫、頂板和底板的塑性區(qū)深度是不斷增大的，呈現(xiàn)非線性的增長，這種形式的增長是因為巖體的不連續(xù)性和不均勻性的特質(zhì)所決定的，但是在某些方面也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。從超前工作面5.0m到靠近掘進工作面的過程中，塑性區(qū)深度的增長曲線的斜率較大，表明這一階段塑性區(qū)深度增長較快。當監(jiān)測斷面滯后掘進工作面時，塑性區(qū)深度的增長曲線的斜率變小，塑性區(qū)深度增長速度變緩，即監(jiān)測斷面受到掘進工作面的擾動越來越小。

圖6給出了光爆前后巷道圍巖塑性區(qū)深度的對比情況。由圖6可以看出，開挖光爆層對巷道圍巖塑性區(qū)深度會產(chǎn)生一定的影響，巷道塑性區(qū)深度增長幅度較小，表明光爆對巷道圍巖的擾動較小，但在對幫部、頂板和底板塑性區(qū)的影響上呈現(xiàn)一定的差異性，對頂板塑性區(qū)深度變化的影響程度要明顯高于對幫部和底板塑性區(qū)的影響。

2.2 位移分析

左幫及頂板不同深度測點位移如圖7和圖8所示。整體上看，掘進工作面超前范圍內(nèi)巷道左幫的最大水平位移小于15mm，此時，巷道開挖對掘進工作面超前巖體的水平變形影響可忽略不計；當掘進工作面通過測點斷面時，巷道左幫靠近巷道表面的測點出現(xiàn)了較大的水平位移，其水平位移隨巷道開挖呈緩慢增長，越靠近巷道表面，增長速率越快，其中深度為0.5m、1.0m和1.5m測點的水平位移分別為74mm、45mm和25mm；巷道幫部稍深處的測點巖體的變形很小，其最大水平位移小于12mm，說明深度大于2.0m之后，巷道開挖對其巖體變形產(chǎn)生的影響較小，巖體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5 距工作面距離不同塑性區(qū)深度變化

圖6 光爆前后巷道圍巖塑性區(qū)深度對比

圖7 左幫不同深度測點位移

圖8 頂板不同深度測點位移

巷道頂板巖體不同深度的各測點的豎向位移隨掘進工作面的不斷開挖呈現(xiàn)一定增長，其增長幅度在掘進工作面開挖通過時最大，通過之后次之，通過之前最小；頂板各處巖體除巷道剛開挖通過時越靠近巷道表面的巖體，其豎向位移增長幅度越大外，其它開挖時間段，頂板各處巖體豎向位移隨時間增長的幅度基本保持一致。

3 結(jié)論

（1）與非節(jié)理化巖體相比，節(jié)理化巖體掘進巷道時，受擾動巖體的超前影響范圍大于2.0m，進一步說明節(jié)理化巖體更易受到開挖擾動的影響。

（2）巷道各處巖體的位移隨開挖的推進逐漸增長，其增長幅度在掘進工作面剛開挖通過時最大，通過之后次之，通過之前最小。