爆破荷载下近断层巷道稳定性研究

史红邈

(潞安化工集团 王庄煤矿，山西 长治 046031)

由于钻爆法具有地层适应性强、施工成本低、技术成熟度高等优点，因此，长期以来，钻爆法一直是巷道进行开挖掘进的首选施工方法[1]。然而，爆破施工时，爆炸产生的冲击波将会在巷道围岩中传播，造成开挖区围岩损伤以及性质劣化[2，3]，尤其是巷道靠近不良地段(如断层破碎带、陷落柱、溶洞等)时，爆炸引起的围岩破裂损伤将可能导致巷道发生坍塌、突水等事故，严重威胁巷道安全[4]。

研究成果表明[5-13]，爆炸动载作用下巷道周边岩体产生的位移和破坏区要明显大于静力荷载，尤其是坚硬围岩；而且不同的爆破参数下巷道周边岩体的变形破坏特征也差异很大。因此，对于近断层巷道，研究不同爆破荷载作用对其突水和稳定性的影响就显得尤为重要，然而目前关于此类的研究却很少。本文以屯留煤矿回风大巷为工程背景，采用FLAC3D对有无爆破荷载作用下近断层巷道的应力、位移、涌水量以及塑性区的变化分布规律进行了模拟分析，并在此基础上研究了爆炸峰值应力、爆炸峰值时间对近断层巷道的影响。研究结果可为近断层巷道施工安全与质量控制提供理论数据支撑。

1 工程概况

屯留煤矿回风大巷埋深500m，设计长度1248m，断面形状为直墙半圆拱形，其中巷宽4.8m，墙高1.4m，采用炮掘施工。根据勘察报告，回风大巷施工至493m时将揭露FD49断层破碎带(倾角66°、宽度6.0m、上下盘落差20.0m、水压2.0MPa)，如图1所示。断层上盘岩性以中砂岩、砂质泥岩为主，岩层较为稳定；下盘以泥岩、煤岩、细砂岩为主，岩层稳定性较差；断层内填充物则为碎屑状泥煤岩，稳定性极差；各层岩石的物理力学参数见表1。

图1 巷道过断层破碎带断面

表1 近断层巷道周边岩石的物理力学参数

2 数值模拟模型与方案设计

2.1 数值模型建立

根据工程情况，采用FLAC3D建立爆破荷载作用下近断层巷道开挖数值模拟模型。该模型宽度、高度以及长度分别为15m、30m和35m，共包含395143个节点和382800个单元。模型边界条件设置为顶面施加竖向压力12MPa，底面以及四周施加法向约束，破碎带顶部施加水压2.0MPa。模拟巷道炮掘施工时，将巷道沿长度方向分为多个进尺(每次进尺为2m)。每次进尺施工时，先将当前进尺内的岩体进行挖除并对其表面施加爆炸动荷载；然后打开FLAC3D中的动力分析模式进行动力分析；之后关闭动力分析模式，在设置当前进尺岩体水压为0的条件下打开渗流分析模式对巷道周边岩体进行流固耦合分析。计算分析过程中采用gp_flow命令对巷道开挖面上所有节点的涌水量进行累加统计，得到每步开挖后巷道工作面的总涌水量。

2.2 爆破动荷载的模拟

本文对巷道爆破荷载进行了简化[14，15]。根据前人研究成果，单孔爆破作用下，炮孔孔壁所受到的峰值应力可由式(1)获得：

式中，Pm为单孔爆破作用于孔壁的峰值应力，MPa；ρ为炸药密度，kg/m；v为炸药炮轰速度，m·s-1；d为炸药药卷直径，mm；D为炮孔直径，mm。

当多孔同时爆破时，巷道轮廓面上所受到的峰值应力则由下式计算得出：

式中，Ps为多孔同时爆破作用于计算面上的峰值应力，MPa；r1、r2、…、rn为第1、2、……、n个炮孔距离计算面的距离，m。

峰值应力确定以后，采用Jong改进的应力波时间函数对巷道轮廓面进行动态加载[14]，模拟巷道的爆破冲击作用，见式(3)：

式中，Pt为不同爆炸时间节点下计算面所受到的爆炸应力，MPa；β为阻尼系数；t为爆炸作用时间，s；Tm为爆炸作用到达峰值应力点的时间，s。

根据实际工程情况，取炸药密度为950kg/m3；药卷直径为20mm，炮孔直径为42mm；炸药炮轰速度为3000m/s，爆炸峰值点时间为200μs。于是，可得到多孔爆破荷载作用下巷道开挖轮廓面所受到的爆炸应力随时间的变化曲线如图2所示。

图2 爆破荷载作用下巷道轮廓面的爆炸应力函数曲线

2.3 围岩本构模型及计算参数确定

为准确反映巷道周边岩体的物理力学特征，在表1数据基础上，采用应变软化模型来模拟断层周边围岩，并取围岩峰后的残余内聚力为峰值前的35%[16]；当围岩发生塑性屈服破坏后，对围岩渗透系数和渗透率按表1所示值进行实时变更。此外，在动力分析时，设置巷道周边岩体瑞利阻尼参数的主频以及临界阻尼比大小分别为250Hz和0.5%。

2.4 数值模拟方案设计

为研究不同爆破动荷载对近断层巷道围岩稳定性的影响，设计以下几种数值模拟方案。

1)方案1：不考虑爆破荷载作用，对近断层巷道进行正常开挖数值模拟分析。

2)方案2：考虑爆破荷载作用，保持爆炸峰值时间Tm=200μs不变，设置爆炸峰值应力Pm分别为24MPa、60MPa、150MPa、240MPa和600MPa。

3)方案3：考虑爆破荷载作用，保持爆炸峰值应力Pm=120MPa不变，设置爆炸峰值时间Tm分别为50μs、100μs、200μs、300μs、600μs和1000μs。

3 数值计算结果分析

3.1 爆破荷载作用下近断层巷道围岩稳定性分析

3.1.1 巷道周边围岩应力

当Pm=120MPa、Tm=200μs时，有无爆炸荷载作用下巷道周边岩体应力的分布曲线如图3所示。不考虑爆破荷载作用时，巷道周边岩体最大主应力差均出现在距巷道表面约0.5m的深度位置，其值在巷道两帮约为21.0MPa，在开挖面前方约为17.5MPa；而考虑爆破荷载作用下，巷道周边岩体最大主应力差则出现在距巷道表面约1.5m的深度位置，其值在巷道两帮约为15.8MPa，在开挖面前方约为11.8MPa。两者相互对比可知，爆破荷载作用使得巷道周边岩体的最大主应力差出现位置往深处移了1m左右，最大主应力差值则减小了将近17%～33%，而应力集中区域范围大小则基本保持不变。这说明，爆破荷载由巷道表面往围岩深部传递的过程中，会使得巷道周边一定范围内(两帮约为2.5m，开挖面前方约为6.0m)的岩体发生不同程度的损伤，而且损伤程度与其距巷道表面距离成反比关系。由围岩最大主应力差出现位置上看，当Pm=120MPa、Tm=200μs时，爆炸荷载能够促使巷道表面1.5m内的岩体发生较大幅度的损伤，导致其承载能力大大降低，比不考虑爆破荷载条件下增加了将近1.0m。

3.1.2 巷道周边岩体位移

当开挖面距断层不同距离时，有无爆炸荷载作用下巷道周边不同位置岩体的最大位移值见表2。不考虑爆炸荷载作用时，受断层破碎带的影响，开挖面距断层越近，巷道周边岩体最大位移也越大，但巷道底板、两帮以及开挖面岩体位移的增大幅度并不明显，只有当巷道开挖面接近断层破碎带(L=1m)时，巷道开挖面以及底板位移才陡然增大，此时，巷道极易发生突水或坍塌事故。而考虑爆炸荷载作用下，巷道周边岩体最大位移随开挖的变化规律与不考虑爆炸荷载作用时大体一致，但同一进尺下，前者顶板、底板、两帮以及开挖面的最大位移要分别比后者大约5%～12%、12%～14%、89%～143%、33%～61%。爆破荷载会使巷道周边岩体损伤加剧，导致巷道周边岩体松动变形增大，且临空面曲率以及暴露面积越大，松动变形增加也越大。

由上述计算结果还可知，由于断层破碎带后方围岩为坚硬中砂岩，导致巷道爆破开挖过程中断层破碎带在突水或失稳前的变形异常征兆将不是十分明显，因此，巷道开挖更容易直接揭露断层，引起突水坍塌事故。故在实际工程施工时，应加强对巷道前方不良地层的勘测并及时做好预防措施。

当巷道开挖面距断层破碎带距离为3m时，巷道周边岩体在纵向上的位移分布曲线如图4所示。由图4可知，不考虑爆破荷载时，开挖面后方的巷道岩体位移在纵向上分布比较平滑且其值都大体一致；而开挖面前方岩体位移则随着其距开挖面距离的增大而逐渐减小，当穿过破碎带后，其位移基本为0。考虑爆破荷载作用时，开挖面后方的巷道岩体位移会在纵向上呈现明显的“波浪”形分布特征，尤其是在每次进尺的交界面附近位置；而开挖面前方岩体的位移大小和分布特征则与不考虑爆破荷载作用时相近。因为爆破荷载对周边岩体进行冲击挤压有一个先迅速增大而后缓慢回落的过程，而在回落的过程中，岩体会逐渐产生松动变形，松动变形在开挖面较小而在后方较大，这就导致巷道后方岩体因缺少支承而在每次进尺交界面处产生较大的波动变形。

3.1.3 巷道开挖面涌水量

当开挖面距断层破碎带距离L发生变化时，有无爆炸荷载作用下巷道开挖面涌水量的变化曲线如图5所示。可以看出，不考虑爆破荷载作用下，巷道开挖面涌水量在L大于1m时基本保持在0.5m3/h左右；而当L等于1m时，巷道开挖面涌水量就迅速增至756m3/h，意味着此时将发生突水事故。由此可见，不考虑爆破荷载作用时，巷道开挖面涌水量随开挖面距断层距离变化存在明显的突发性和高量性。考虑爆破荷载作用，则巷道开挖面涌水量在L大于7m时约为1.5m3/h，在L等于7m、5m、3m以及1m时分别为4.7m3/h、22.3m3/h、358.6m3/h和763.2m3/h。考虑爆破荷载作用时，巷道开挖面涌水量随开挖面距断层距离变化有一个渐进且逐渐加快的过程，因此，对坚硬岩层进行爆破施工时，通过观察巷道开挖面涌水量的变化可以在一定程度避免巷道开挖直接揭露断层，防止突水事故的发生。

图5 有无爆炸荷载作用下巷道开挖面涌水量的变化曲线

3.1.4 巷道围岩塑性区分布

有无爆炸荷载作用下巷道周边岩体塑性区分布如图6所示。由图6可知，不考虑荷载作用时，巷道周边岩体因开挖卸载在巷道前方以及顶底板产生塑性破坏深度仅为0.5m左右；当开挖面距断层破碎带距离L等于1m时，巷道前方岩体塑性区范围将与断层破碎带贯通，形成导水通道，诱使巷道开挖面发生突水坍塌事故。而考虑荷载作用时，巷道周边岩体在巷道前方以及顶底板产生的塑性破坏深度分别为6.0m、2.9m和4.5m；当开挖面距断层破碎带距离L等于7m时，巷道前方岩体塑性区范围将与断层破碎带贯通，形成导水裂隙通道，导致巷道开挖面涌水量开始逐渐增大。可见，爆炸荷载作用大大增加了巷道周边岩体的破坏面积和损伤程度，因此在开展巷道岩体破裂相关问题研究时，如巷道为爆破开挖，则必须考虑爆破荷载的作用影响，否则，研究成果可靠性将大大降低。

图6 有无爆炸荷载作用下巷道周边岩体塑性区分布

3.2 爆破峰值应力对近断层巷道围岩稳定性影响

不同的炸药以及装药方式直接决定着炸药的爆炸峰值应力。当保持爆炸峰值时间Tm等于200μs不变时，不同爆炸峰值应力作用下近断层巷道岩体位移、塑性区以及涌水量的变化曲线如图7所示。由图7(a)可知，巷道周边岩体最大位移S与爆炸峰值应力Pm呈指数递增关系：当爆炸峰值应力小于120MPa时，巷道周边岩体位移随爆炸峰值应力增加增长并不明显；而当爆炸峰值应力大于120MPa时，随着爆炸峰值应力的增加，巷道岩体位移增长速率将不断加快。由图7(b)可知，巷道周边岩体塑性区破坏深度H与爆炸峰值应力Pm呈指数衰减关系：当爆炸峰值应力小于120MPa时，巷道周边岩体塑性区破坏深度随爆炸峰值应力增加增长很快；而当爆炸峰值应力大于120MPa时，随着爆炸峰值应力的增加，巷道周边岩体塑性区破坏深度增长速率逐渐变缓。由图7(c)可知，随着爆炸峰值应力的增加，巷道与断层破碎带形成水力通道的时间节点就越超前，巷道工作面涌水量随开挖面推进表现出的“渐进增长”特征也会越加明显。

图7 不同爆炸峰值应力作用下近断层巷道岩体位移、塑性区以及涌水量的变化曲线

3.3 爆破峰值时间对近断层巷道围岩稳定性影响

当炮孔直径、最小抵抗线以及岩石类型等发生改变时，炸药冲击波到达峰值应力点的时间也会发生改变。当保持爆炸峰值时间Pm等于120MPa不变时，不同爆炸峰值时间下近断层巷道岩体位移、塑性区以及涌水量的变化曲线如图8所示。由图8(a)可知，当爆炸峰值时间小于200μs时，爆炸峰值时间对巷道周边岩体位移影响很小；当爆炸峰值时间大于200μs时，随着爆炸荷载作用时间的延长，巷道底板、两帮以及开挖面岩体位移大体呈线性增长，而巷道顶板岩体则因受重力作用存在冒落的可能性，其位移呈指数增长。由图8(b)可知，当爆炸峰值时间小于300μs时，随着爆炸峰值时间的延长，巷道岩体塑性区破坏深度逐渐增加，但增加速率却逐渐变缓；当爆炸峰值应力大于300μs时，随着爆炸峰值时间的延长，巷道岩体塑性区破坏深度增长逐渐减小，最后基本保持不变。由图8(c)可知，不同爆炸峰值时间下，巷道与断层破碎带之间水力通道被打通的时间节点大体一致(Tm=50μs时，水力通道在L=5m时被打通；Tm>50μs时，水力通道均在L=7m时被打通)，但随着爆炸峰值时间的延长，巷道与断层破碎带的水力通道面积却会越大，进而在相同进尺下巷道开挖面的涌水量也越大。即，爆炸峰值时间越长，巷道开挖面涌水量随开挖面距断层距离的减小而增长越明显。

图8 不同爆炸峰值时间下近断层巷道岩体位移、塑性区以及涌水量的变化曲线

4 结 论

1)考虑爆炸荷载作用下，近断层巷道周边岩体最大位移随开挖的变化规律与不考虑爆炸荷载作用时大体一致，但同一进尺下，前者顶板、底板、两帮以及开挖面的最大位移要分别比后者大约5%～12%、12%～14%、89%～143%、33%～61%。

2)爆炸荷载作用能够大大增加了巷道周边岩体的破坏面积和损伤程度，导致巷道开挖面距断层破碎带等于7m时，巷道前方岩体塑性区就会与断层破碎带贯通形成导水裂隙通道；此时，开挖面涌水量会随开挖面距断层距离减小而逐渐增大，且增大速率越来越快。

3)随着爆炸峰值应力的增大，近断层巷道周边岩体最大位移、塑性区破坏深度分别呈指数递增式和指数衰减式增长；同时，巷道开挖面涌水量随开挖面推进表现出的“渐进增长”特征也越加明显。

4)随着爆炸峰值时间的延长，巷道岩体破坏范围和破坏程度会逐渐增加，但增加速率会逐渐减小；相同爆炸峰值时间下，巷道与断层破碎带之间水力通道被打通的时间节点大体一致，但爆炸峰值时间越大，相同进尺下巷道开挖面涌水量也将越大。