深部节理化岩体巷道开挖稳定性分析*

王成龙，赵兴东

(1.山东黄金集团有限公司，山东 济南 250101；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

0 引言

进入21世纪以来，我国的国民经济和社会发展取得了巨大的进步，与此同时，对各类矿产资源的需求和消耗也与日俱增，使得我国深部矿产资源的开发力度不断加大[1]。矿产开采进入深部以后，随之而来的各种问题与浅部也不尽相同，诸如高地应力、高地温、高渗透压、强开采扰动等[2−3]。在影响岩体力学性质的各项要素中，结构面占据重要的地位，其几何形态、力学性质会从根本上改变岩体的性能。在结构面分布显著的深部巷道中，岩体破坏的表现形式往往呈现一定的方向性，结构面对围岩的破坏模式具有显著的影响[4−5]。基于此，国内外学者对结构面施加于巷道的影响方式和效果做了大量研究，孙闯等[6]基于Hoek-Brown应变软化模型及量化地质强度指标GIS围岩评级系统，分析了深部节理岩体在开挖卸载过程中强度的弱化行为。刘刚等[7]基于三轴平面应变的原理研发了三维巷道仿真试验系统，利用数字采集技术对仿真系统中的巷道位移进行监测，对深部巷道所处的高地应力场中的不同节理倾角和节理间距进行组合排列，研究了各因素的敏感性，实现了对巷道稳定性的定量与定性评价。王同旭等[8]为研究深部节理岩体巷道顶板的破坏机理及其控制方式，基于UDEC离散元程序编写随机节理生成程序，建立了随机节理岩体巷道数值模型，对深部节理巷道的破坏过程和支护方式进行了模拟，并结合现场工程应用进行了验证。JIN等[9]对大量工程灾害进行分析认为，岩体节理是其主要致灾原因之一，通过对巷道围岩节理进行统计分析，确定节理分布规律，建立了基于颗粒流的数值模型，分析了节理岩体巷道的流变特性和破坏行为。WANG等[10]基于实验室霍普金森压杆试验，建立二维颗粒流节理岩体模型，从细观的角度分析了节理岩体与材料应变率效应和破坏模式密切相关的裂纹数量和扩展路径特征，研究了冲击载荷作用下节点试件的动态损伤和破坏过程。

综上，结合岩体节理的分布规律建立的数值模型，对地下硐室围岩的稳定性及破坏机理进行研究，得到了许多有益的结论。但这些研究没有将节理岩体与预留光爆层结合起来，没有系统地对预留光爆层条件下节理巷道围岩的失稳破坏机理进行研究。在充分获得结构面信息的情况下，通过结构面的特征来研究节理对岩体稳定性的影响，应用工程经验方法和数值模拟相结合的方式，对预留光爆层条件下深部节理岩体巷道稳定性进行分析。

1 工程概况

新城金矿矿床位于胶东焦家断裂带北段，断裂带内发育大量次级断裂、节理和密集裂隙等, 控制了矿体的分布，已探明18个呈似层状、脉状的金矿体。其中Ⅴ#矿体为现阶段主采矿体，Ⅴ#矿体赋存于XI#矿体倾斜延深旁侧，Ⅴ#矿体群主要产于黄铁绢英岩化花岗闪长质碎裂岩中，黄铁绢英岩化花岗闪长质碎裂岩为Ⅴ号各矿体的主要赋存部位，矿体位于黄铁绢英岩化碎裂岩带之下，与黄铁绢英岩化碎裂岩带呈渐变过渡关系。通过现场取芯及室内岩石力学试验得到−1080m中段巷道围岩的物理力学参数，见表1。

现场调查发现，V#矿岩状况比较复杂，从揭露的坑道看，矿岩破碎，节理裂隙发育、岩体强度低、节理内充填蚀变物，该蚀变物受水影响较大(遇水后膨胀且产生滑腻)、蚀变岩石碎胀性低，易冒落。局部地段岩石极其破碎。目前在−1080m中段巷道掘进迎头，矿岩较破碎，而且蚀变比较严重，导致顶板局部冒落。因此，采用预留光爆层爆破技术掘进成巷，所谓预留光爆层分次爆破技术，即先在巷道中采用普通凿岩爆破掘进一小断面巷道，再经过预留光面层二次爆破刷大，形成留有周边眼炮痕的巷道，该技术能有效控制巷道超欠挖量，提高巷道成形质量。掘进断面形状为半圆拱，净高3600mm，净宽4200mm，预留光爆层厚度为600mm，巷道断面如图1所示。通过对已有资料的归纳整理，得出−1080m中段范围内最大水平主应力σhmax为58.52 MPa、最小水平主应力σhmin为27.30 MPa、垂直应力σv为35.3 MPa。

表1 岩石物理力学参数

图1 巷道断面（单位：mm）

2 模型建立及分析

在Rhino 6 中建立三维几何模型，并导入数值计算软件3DEC中进行计算(见图2)。模拟的巷道尺寸采用−1080m中段巷道的实际尺寸，为了消除巷道开挖对远场边界的影响及加快模型计算速度，模型宽度应大于5倍巷道宽度；为一个长（X方向）、宽（Y方向）及高（Z方向) 分别为30m，10m，及30m 的立方体，模型被剖分成68945个三角形网格，在模型中间部位建立一组间距为0.5m的节理。

模型的XOY平面被施加法向约束，与XOY平面平行的平面被施加法向应力σZ，σZ=−34.82 MPa，模型的另外 4 个平面分别被施加法向应力σX或σY，σX=σY=−42.91 MPa（见图3），侧向压力系数λ约为1.23。巷道的轴线与Y轴平行，模型分为8步开挖，1、3、5、7开挖巷道的下部断面，沿Y轴方向掘进2.5m，2、4、6、8对巷道断面的预留层进行开挖。模型中的块体本构模型为弹塑性模型，节理本构模型为库伦滑移模型。

图2 网格划分模型

图3 数值计算模型

2.1 塑性区分析

在巷道的分步开挖过程中，由于围岩开挖的卸荷效应，围岩中的应力受到扰动，被迫重新分布。在应力重分布的过程中，造成某些部位产生应力集中，当应力的大小超过围岩的屈服载荷（拉伸作用或剪切作用）时，围岩进入塑性状态，围岩弹塑性变形能随着巷道的逐步开挖逐渐释放，受多次开挖的扰动影响，应力释放区相互重叠，应力场产生相互叠加，进一步带动开挖巷道周边的塑性区范围扩大。

图4给出了监测点距工作面不同距离时，围岩塑性区的变化情况。从图4可以看出，当监测断面超前工作面5.0m时，仅在巷道的正前方产生极小的塑性区，说明此时巷道的掘进对工作面前方5.0m处的应力场扰动极小。当监测断面超前工作面2.0m时，巷道围岩的塑性区范围明显增大，说明此时超前工作面2.0m处应力场受到的扰动明显增强，与非节理化岩体相比[11]，节理化岩体掘进巷道时，受扰动的岩体在超前影响范围上更大，进一步说明节理化岩体更易受到开挖扰动的影响。当监测断面滞后掘进工作面时，巷道围岩塑性区范围基本保持稳定，变化幅度很小。

图4 距工作面不同距离时的塑性区分布

图5给出了距工作面距离不同，塑性区深度的变化情况。从图5可以看出，从超前工作面5.0m至滞后工作面5.0m，左帮、顶板和底板的塑性区深度是不断增大的，呈现非线性的增长，这种形式的增长是因为岩体的不连续性和不均匀性的特质所决定的，但是在某些方面也呈现一定的规律性。从超前工作面5.0m到靠近掘进工作面的过程中，塑性区深度的增长曲线的斜率较大，表明这一阶段塑性区深度增长较快。当监测断面滞后掘进工作面时，塑性区深度的增长曲线的斜率变小，塑性区深度增长速度变缓，即监测断面受到掘进工作面的扰动越来越小。

图6给出了光爆前后巷道围岩塑性区深度的对比情况。由图6可以看出，开挖光爆层对巷道围岩塑性区深度会产生一定的影响，巷道塑性区深度增长幅度较小，表明光爆对巷道围岩的扰动较小，但在对帮部、顶板和底板塑性区的影响上呈现一定的差异性，对顶板塑性区深度变化的影响程度要明显高于对帮部和底板塑性区的影响。

2.2 位移分析

左帮及顶板不同深度测点位移如图7和图8所示。整体上看，掘进工作面超前范围内巷道左帮的最大水平位移小于15mm，此时，巷道开挖对掘进工作面超前岩体的水平变形影响可忽略不计；当掘进工作面通过测点断面时，巷道左帮靠近巷道表面的测点出现了较大的水平位移，其水平位移随巷道开挖呈缓慢增长，越靠近巷道表面，增长速率越快，其中深度为0.5m、1.0m和1.5m测点的水平位移分别为74mm、45mm和25mm；巷道帮部稍深处的测点岩体的变形很小，其最大水平位移小于12mm，说明深度大于2.0m之后，巷道开挖对其岩体变形产生的影响较小，岩体处于较为稳定的状态。

图5 距工作面距离不同塑性区深度变化

图6 光爆前后巷道围岩塑性区深度对比

图7 左帮不同深度测点位移

图8 顶板不同深度测点位移

巷道顶板岩体不同深度的各测点的竖向位移随掘进工作面的不断开挖呈现一定增长，其增长幅度在掘进工作面开挖通过时最大，通过之后次之，通过之前最小；顶板各处岩体除巷道刚开挖通过时越靠近巷道表面的岩体，其竖向位移增长幅度越大外，其它开挖时间段，顶板各处岩体竖向位移随时间增长的幅度基本保持一致。

3 结论

（1）与非节理化岩体相比，节理化岩体掘进巷道时，受扰动岩体的超前影响范围大于2.0m，进一步说明节理化岩体更易受到开挖扰动的影响。

（2）巷道各处岩体的位移随开挖的推进逐渐增长，其增长幅度在掘进工作面刚开挖通过时最大，通过之后次之，通过之前最小。