深埋巷道分区破裂过程的数值模拟

唐礼忠，范若楠，宋徉霖

(中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083)

深埋巷道与浅埋巷道在周边围岩的破坏形式上有着较大的不同。浅埋巷道周边围岩在破坏时有着良好的线性特征，从巷道壁沿径向可依次形成松动区、塑性区及弹性区，因此对浅埋巷道的研究主要是使用连续介质中的弹塑性力学理论[1-3]。而深埋巷道围岩破坏时，岩体在洞室径向上的主裂缝带交替存在，且各主裂缝带之间存在岩体相对完整的区域，这种现象被称为分区破裂化现象[4]。该现象在俄罗斯Taimyrskii的深层矿洞中被首次发现[5]，此后，在南非、乌克兰及中国安徽等地的深层矿井中均观测到类似的分区破裂化现象。

在实验研究方面，顾金才等[11]首次利用在内含巷道的特制材料模型上施加围压的方式，得出分区破裂化现象的主要成因是高轴向压力的结论。张强勇等[12]利用类似实验测量出模型内部的应变及位移的波浪形变化规律。

在数值模拟方面，钱七虎等[13]采用二维数值模拟，再现了中国锦屏II级水电站引水隧洞的破坏过程，发现在引水隧洞周围产生了滑移带状地层裂缝。李树忱等[14]在结合能量理论的基础上，利用FLAC3D软件对锦屏深部围岩进行了数值模拟。王红英等[15]对应变软化模型岩体的变形机理进行了分析，并用FLAC2D软件模拟了地下洞室的应力变形状态。陈旭光等[16]利用ABAQUS软件内置扩展有限元功能对分区破裂化现象进行了模拟[16]。

在上述数值模拟中，分区破裂化现象的出现情况基本与实际情况吻合，但模拟时往往忽略了开挖进程对分区破裂化的影响，无法反映在不同开挖阶段时，分区破裂化现象的产生过程及破坏程度。而在实际工程施工时，在不同的开挖阶段都能保证施工的安全性是非常重要的。

故在上述研究的基础上，结合安徽冬瓜山铜矿开挖时的实际情况，利用ABAQUS有限元模拟软件模拟了洞室在不同开挖阶段时的分区破裂化现象，对不同阶段下的围岩破坏形式进行了研究。

1 实际工程中的分区破裂化现象

由于分区破裂化现象无法通过直观方式观察，通常存在两种间接观察方式：一是在隧道壁上钻孔，通过分析钻孔得到岩芯的图像来推测破裂带的存在；二是测量围岩的物理力学参数(如声速)并分析其变化规律来推测破裂带的存在。因此，对冬瓜山铜矿巷道围岩钻孔得到的岩芯的完整度、采用率、缺失情况等信息进行分析，从而推测出巷道周边围岩中是否存在分区破裂化现象。

安徽省铜陵有色集团下属冬瓜山铜矿是我国最早深入岩层内部的金属矿山之一，其平均深度达800 m，是我国目前采掘深度最深的铜矿床，其巷道围岩内最大主应力已达38 MPa[17-18]，并伴随着高应变、高变形的特点。其中较为典型断面(46-4#采场B断面)的围岩探测钻孔布置如图1所示。

注：1～5表示钻孔编号图1 冬瓜山铜矿46-4#采场B断面探测钻孔布置Fig.1 Drilling layout of the section B 46-4# stope in Dongguashan Copper Mine

通过对钻孔取得的岩芯样本数据的分析，将岩芯尺寸按一定数量级划分为破裂状态和相对完整状态，再将不同孔中破裂状态区域间用弧线相连，即可大致预测围岩中的分区破裂化现象的情况。对冬瓜山巷道围岩的多次调查表明，其深部巷道围岩疑似发生分区破裂化现象。其中46-4#采场B断面分区破裂化情况如图2所示。

图2 46-4#采场B断面预测巷道围岩分区破坏情况Fig.2 The prediction of surrounding rock zonal disintegration of roadway in section B 46-4 stop

由图2知，围岩基本被分为4层破碎带：第1层紧贴巷道壁，以巷道壁为原点，径向为正方向，则第1层破碎带范围在0～1.2 m，其破碎程度严重，可被看作传统上的巷道围岩松动区；第2层破碎带范围在1.6～2.1 m；第3层破碎带范围在2.6～3.4 m；第4层破碎带范围在3.7～4.6 m。由于该断面左侧存在矿区采场对该断面的持续扰动，使已有裂缝持续扩张发展，导致该断面左侧部分的裂缝带比右侧部分的裂缝带普遍更宽。

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原岩测试实验得到该现场的地应力参数如表1所示。

表1 巷道现场地应力参数

2 数值模拟

2.1 有限元模型

鉴于所模拟巷道的埋深较深，故与其横断面方向平行的地应力可看作相同。为提高有限元计算效率，本模拟仅截取巷道及其较近处的围岩进行计算。模拟所采用的有限元模型为立方体，其尺寸(长×宽×高)为40 m×14 m×40 m(见图3)。

图3 巷道的有限元模型Fig.3 Finite element model of the roadway

冬瓜山矿洞开挖时采用了毫秒延时爆破方法，以毫秒级时差顺序起爆同一断面上的各组炸药包。该爆破模式可实现全断面一次爆破，提高掘进效率，并降低对洞内人员的健康损害。虽然各组炸药的起爆顺序存在时间间隔，但时间间隔为毫秒级，可被看作瞬时卸载，故在本有限元模拟中采用删除单元法的开挖方式，实现全断面一次性开挖，更加拟合实际中的掘进模式。而在实际开挖中，一处矿洞需分多次爆破才能完成，且矿洞长度较长，故模拟中分2次开挖，第一次开挖长度为7 m(第一阶段)，之后加载平衡再开挖7 m(第二阶段)。整个模拟采用“先加载，后开挖”的模式，使模拟开挖时的围岩应力也更加符合实际情况。

实际冬瓜山铜矿46-4#采场B断面的界面尺寸如图4所示。

图4 巷道的断面尺寸Fig.4 Section size of the roadway

模型上加载垂直及水平方向地应力采用表1中的数据，轴向应力实际开挖时远大于现场测试时原岩应力，故采用较大轴向应力。模拟采用Mohr-Coulomb本构模型，其材料参数如表2所示。

表2 Mohr-Column模型参数

该有限元模型共有21 350个单元，单元类型采用C3D20。软件分析时，在开挖后共设置60个时步令模型回到平衡状态。分析时采用非对称求解器进行计算，开启允许大变形影响选项。该模拟主要研究三轴受压对分区破裂化的影响，因此真实围岩中的不连续性特征如节理和裂缝等不在模拟范围之内。

2.2 分区破裂化的产生过程

ABAQUS软件可反映模型中发生的等效塑性应变(Equivalent Plastic Strain)情况。在云图中，等效应变值越高的区域，表明模型中该区域较其他区域所受的破坏更严重。各开挖阶段结束后的模拟结果见图5所示。

图5各开挖阶段巷道围岩等效塑性应变Fig.5 Equivalent plastic strain of surrounding rock of roadway in each excavation stage

由图5a知，隧道底部和两侧向内隆起，说明其等效塑性应变最大处为开挖工作面与隧道的交界处。也说明在此阶段分区破裂化现象已经产生，其第1层破裂带可看作传统破坏区域。在传统破坏区域与第2层破裂带之间存在相对完整区域。从模型的侧面来看，破裂带从开挖工作面附近向已开挖区域延伸出来，呈漏斗形状。

由图5b知，模型中新产生了4层清晰的破裂带，而在开挖第一阶段中产生的第2层破裂带已经并入了传统开挖破坏区(第1层破裂带)，说明随着时间的推移，破坏程度逐渐加深。在外侧的3层非传统破裂带中，第3层的破裂带相对破坏程度最严重，呈明显的闭合环状。第4层破裂带并未形成闭合环状，但其与第3层破裂带之间的相对完整区域比较明显。从侧面来看，分区破裂带的发展路径与第一阶段类似，分区破裂带呈漏斗状由巷道壁附近向外延伸出来，但由于巷道开挖是贯穿整个模型的缘故，各破裂带的发展路径出现了交叉的情况。

由模拟结果可知，分区破裂化的形成是伴随着隧道的开挖进程，其破坏的严重程度与开挖的深度及开挖后经过的时间呈正相关。

各开挖阶段结束后，在巷道围岩中沿平行巷道纵轴方向切应力(τyz)云图如图6所示。

比较图6a和图5a，在第一开挖阶段结束时，τyz在第2层破坏带的内边缘处的值高于其他位置的值，推测该处较高的应力可能是引起第2层破裂带的主要原因。比较图6b和图5b，τyz在各主破裂带位置与其两侧围岩的值相同但方向相反，推测这是引发破裂带但保持其两侧存在相对完整区域的原因。

3 结果对比

在冬瓜山铜矿46-4#采场B断面中，共形成了4层破裂带。在模拟结果中，最终形成了4层清晰的破裂带，在模拟的第一阶段中形成的第2层破裂带已并入隧道的传统破坏区。将模拟中各阶段分区破裂数据与实际测量数据进行对比(见表3)。

表3 数值模拟结果与实际测量结果对比

从模拟数据来看，除第2阶段的第1层破裂带的宽度外，其余破裂带的宽度基本与实际测量类似，但模拟结果中的破裂带范围普遍较实测结果更靠外侧，推测可能是因为模拟忽略了真实岩石中的不连续性特征如既有裂缝和节理等，导致模拟中的主裂缝带更不易发展。此外，由于实际情况中，巷道西侧(图1中巷道左侧)存在其他采场对巷道的持续扰动，导致实际巷道较本模拟更容易发生分区破裂化现象。

4 结语

1)数值模拟的结果显示了在深层巷道的开挖过程中，其周边围岩产生4层分区破裂带，前3层破坏较为均匀，且破坏具有方向性，距掘进面越近破坏越严重。

2)分区破裂化现象产生的严重程度不仅与岩石的力学属性及地应力大小有关，也与开挖隧道的长度以及开挖后经过的时间有关。开挖隧道的长度越长，开挖后经过的时间越久，分区破裂化现象越严重；且分区破裂化现象是伴随着开挖进程不断加深的。

3)数值模拟中可能会忽略真实岩石中的不连续特征，导致模拟结果较真实情况出现偏差，分区破裂带范围普遍距巷道更远。在未来的数值模拟中可以对此加以改进。

4)数值模拟和现场实测数据进行对比可知，该模拟的拟合效果较好，对深层巷道的模拟和分区破裂化现象的预测具有一定的参考意义。