宋希賢 ，左宇軍 ，王憲

(1. 貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)，550025；2. 貴州大學(xué) 貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng)，550025)

礦產(chǎn)資源進(jìn)入深部開(kāi)采以后，受“三高一擾動(dòng)”作用，巷道圍巖處于復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中，從而使其表現(xiàn)出特有的力學(xué)現(xiàn)象，如圍巖大變形、強(qiáng)流變特性、脆-延轉(zhuǎn)化、分區(qū)破裂等，礦壓顯現(xiàn)加劇導(dǎo)致常規(guī)支護(hù)手段難以維持巷道圍巖的穩(wěn)定[1-2]。深部巷道單純采用加強(qiáng)支護(hù)的方法并未取得理想支護(hù)效果，應(yīng)針對(duì)圍巖特點(diǎn)采用特殊的支護(hù)理念和支護(hù)手段[3]，因此，尋求更加合理的深部巷道支護(hù)方式勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明[4-5]，卸壓技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，特別是在深井巷道支護(hù)中可以取得較好的支護(hù)效益。在我國(guó)應(yīng)用較多的卸壓方法主要有卸壓槽法、松動(dòng)爆破法、開(kāi)掘卸壓巷道或硐室法、跨采法等，而鉆孔卸壓在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用較少，其中一個(gè)主要原因在于對(duì)鉆孔卸壓的機(jī)理與效果尚缺少必要的研究[6]。目前研究表明[6-8]，鉆孔卸壓的實(shí)質(zhì)是利用高應(yīng)力條件下圍巖中積聚的彈性能來(lái)破壞鉆孔周?chē)膸r體，使圍巖卸壓，能量釋放。因此，每一個(gè)鉆孔周?chē)纬梢粋€(gè)比鉆孔直徑大得多的破碎區(qū)，當(dāng)這些破碎區(qū)互相連通后，便能使巖體鉆進(jìn)剖面全部破裂，在巷道圍巖深部形成一個(gè)弱化區(qū)或弱化帶，為圍巖在應(yīng)力釋放過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹變形提供一個(gè)補(bǔ)償空間，使巷道周邊形成的應(yīng)力峰值向遠(yuǎn)離巷道的圍巖深部轉(zhuǎn)移。在巷道支護(hù)方面，雖然較早提出了卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[6-8]，但主要集中在靜態(tài)方面的理論分析和數(shù)值計(jì)算，對(duì)外部動(dòng)力擾動(dòng)下卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)研究未見(jiàn)報(bào)道。實(shí)質(zhì)上，深部開(kāi)采是對(duì)處于高應(yīng)力巖石人為進(jìn)行的卸載和動(dòng)力擾動(dòng)過(guò)程[9]。地下采掘活動(dòng)中存在著許多打破巷道圍巖應(yīng)力平衡的誘因如爆破、機(jī)械振動(dòng)、相鄰巖爆產(chǎn)生的應(yīng)力波、地震波等動(dòng)態(tài)應(yīng)力都可能成為觸發(fā)巖體破裂的擾動(dòng)。由于深部巷道周邊圍巖的應(yīng)力集中明顯，故動(dòng)態(tài)擾動(dòng)對(duì)于深部高應(yīng)力狀態(tài)巷道圍巖失穩(wěn)破裂的觸發(fā)作用也更加突出[10-11]，因此，評(píng)價(jià)巷道圍巖的穩(wěn)定性必須研究工程巖體所受的動(dòng)靜組合載荷[12-13]。研究動(dòng)靜載荷作用下巖石的破壞過(guò)程，可以進(jìn)一步揭示動(dòng)靜組合加載下的巖石力學(xué)及其破壞特性，對(duì)重新尋求評(píng)價(jià)巖體工程穩(wěn)定、巖石破碎和采礦技術(shù)的新理論和新方法具有很高的研究?jī)r(jià)值[14]。無(wú)論在靜態(tài)還是在動(dòng)態(tài)載荷作用下，巖石的失穩(wěn)破裂都是一個(gè)過(guò)程。巖石等材料在宏觀載荷作用下的力學(xué)性能及破裂過(guò)程的研究應(yīng)該從更低的層次出發(fā)，在考慮材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)非均勻性的基礎(chǔ)上進(jìn)行[10]?；谶@一思路，本文作者通過(guò)動(dòng)態(tài)巖石破裂過(guò)程分析系統(tǒng)RFPA2D-Dynamic 模擬分析，開(kāi)展動(dòng)力擾動(dòng)下深部巷道卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)的控制方法研究，以期為深部巷道支護(hù)設(shè)計(jì)與地下工程穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型

RFPA(Realistic failure process analysis)系統(tǒng)是一個(gè)基于有限元應(yīng)力分析模塊和微觀單元破壞分析模塊的巖石變形、破裂過(guò)程研究的新型數(shù)值分析工具。其將材料介質(zhì)模型離散化成由細(xì)觀基元組成的數(shù)值模型，假定離散化后的細(xì)觀基元的力學(xué)性質(zhì)服從某種統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律(如weibull 分布)，由此通過(guò)考慮巖石非均勻性，將復(fù)雜的宏觀非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的細(xì)觀線性問(wèn)題。有關(guān)RFPA2D-Dynamic 程序見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

取某巷道的一橫斷面進(jìn)行分析。為進(jìn)行對(duì)比研究，設(shè)置4 個(gè)數(shù)值模型，如圖1 所示。其中，模型Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ分別為巷道無(wú)支護(hù)、僅有卸壓孔支護(hù)、卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)模型；模型Ⅳ為沿巷道幫部開(kāi)挖4 個(gè)卸壓孔的板，主要是為了研究巷道幫部任一深度(在卸壓孔長(zhǎng)度范圍內(nèi))垂直于鉆孔軸線的圍巖斷面的破壞演化規(guī)律。上述模型按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行處理。圖1 中標(biāo)注參數(shù)為模擬尺寸，單位為mm。

圖1 巷道支護(hù)數(shù)值模型示意圖Fig.1 Numerical model diagrams of roadway support

模型Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的長(zhǎng)×寬均為100 mm×75 mm，劃分為200×150=30 000 個(gè)單元。模型中的巷道尺寸如圖2(a)所示。模型Ⅱ和Ⅲ中卸壓孔的參數(shù)參照文[16]的研究結(jié)果，在巷道斷面內(nèi)布置7 個(gè)卸壓孔，孔徑為1 mm，孔深為60 mm。模型Ⅲ中錨桿長(zhǎng)為18 mm，間隔布置在卸壓孔間。模型Ⅳ的長(zhǎng)×寬均為75 mm×75 mm，劃分為150×150=2 2500 個(gè)單元，模型幾何參數(shù)如圖2(b)。文中4 個(gè)模型的單元均為0.5 mm×0.5 mm的四邊形，單元的巖石力學(xué)參數(shù)假定按照Weibull 分布賦值，參數(shù)如表1 所示。Weibull 參數(shù)與其所代表的宏觀參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)相關(guān)研究[17]。

在本文的數(shù)值模擬中，首先對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力加載，以模擬地應(yīng)力狀態(tài)及其誘發(fā)的巷道圍巖破裂。對(duì)于靜態(tài)的加載條件，指定的應(yīng)力增量分步施加到模型上，每步的加載量為0.1 MPa。通過(guò)收集模擬巷道圍巖地質(zhì)資料，當(dāng)水平地應(yīng)力σh達(dá)到6.4 MPa，豎直地應(yīng)力σv達(dá)到10.2 MPa 時(shí)停止施加靜態(tài)載荷。然后對(duì)模型再施加圖2(c)所示的動(dòng)態(tài)應(yīng)力波，來(lái)模擬動(dòng)力擾動(dòng)下深部巷道圍巖的破裂過(guò)程。在通常的動(dòng)力分析中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將動(dòng)荷載假設(shè)成一脈沖荷載。當(dāng)擾動(dòng)源離巷道較遠(yuǎn)時(shí)，將擾動(dòng)波簡(jiǎn)化為平面波是可以接受的[9]。這里只分析平面波對(duì)巷道破壞的影響，動(dòng)態(tài)擾動(dòng)被假設(shè)成圖2(c)所示的梯形脈沖應(yīng)力。應(yīng)力加載時(shí)模型右側(cè)和底部為固定面，應(yīng)力波從模型頂部加載，由上向下傳播。應(yīng)力波的幅值pdm=60 MPa，總作用時(shí)間為tm=3.0 μs，其中上升段和下降段的時(shí)間均為1.0 μs，持續(xù)段時(shí)間為1.0 μs，動(dòng)態(tài)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.1 μs。模型應(yīng)力加載方式如圖2 所示。

2 模擬結(jié)果與分析

圖3～6 所示為各模型的數(shù)值模擬結(jié)果，這里只給出剪應(yīng)力和聲發(fā)射的動(dòng)態(tài)演化圖。剪力圖中顏色亮度反映了單元剪應(yīng)力的相對(duì)大小，越亮的部位表示此處所受的剪應(yīng)力越大。單元的損傷引起了彈性模量的退化，圖中黑色表示試樣中被破壞的單元。此外，通過(guò)巖體破裂過(guò)程的聲發(fā)射特征變化來(lái)表示巖體的破壞進(jìn)程。剪力圖中的亮條表示平面應(yīng)力波波陣面。

2.1 模型Ⅰ的結(jié)果與分析

圖3 所示為動(dòng)靜組合作用下巷道無(wú)支護(hù)圍巖破裂過(guò)程。由圖3 可見(jiàn)：模型Ⅰ為巷道無(wú)支護(hù)時(shí)在地應(yīng)力和動(dòng)力擾動(dòng)作用下圍巖的損傷破壞發(fā)展模型。在數(shù)值模擬中，首先對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力加載，應(yīng)力加載方式如圖2(a)所示。每步的加載量為0.1 MPa，當(dāng)水平應(yīng)力σh達(dá)到6.4 MPa，豎直應(yīng)力σv達(dá)到10.2 MPa 時(shí)停止施加靜態(tài)載荷。從第103 步起施加擾動(dòng)波，動(dòng)態(tài)加載時(shí)模型右側(cè)和底部為固定面，應(yīng)力由模型頂部加載，由上向下傳播，施加的應(yīng)力波如圖2(c)所示。

在第102 步(t=0 μs)時(shí)給出的是靜態(tài)分析的數(shù)值模擬結(jié)果(圖3(a))。由剪力圖可見(jiàn)，巷道開(kāi)挖后圍巖四周引起了應(yīng)力集中，但從聲發(fā)射圖可知，在靜態(tài)地應(yīng)力作用下巷道圍巖并未發(fā)生破裂。由第103 步起從模型頂部加載擾動(dòng)波，加載初期，由于材料的非均勻性，在模型的兩側(cè)部位出現(xiàn)了個(gè)別發(fā)生損傷破裂的單元。如圖3(b)所示，當(dāng)t=9.8 μs 時(shí)應(yīng)力波傳播到巷道頂部，由聲發(fā)射圖可見(jiàn)，巷道圍巖并未發(fā)生破裂現(xiàn)象，而保持較好的完整性。隨著波陣面向下傳播，應(yīng)力波到達(dá)巷道頂板后反射成為拉伸應(yīng)力波，拉伸應(yīng)力波與該處?kù)o態(tài)的拉伸應(yīng)力疊加，進(jìn)一步加劇了拉伸損傷的程度，動(dòng)態(tài)擾動(dòng)在巷道頂板附近誘發(fā)了單元的破壞。如圖3(c)所示，應(yīng)力波在t=17.8 μs 時(shí)傳播到模型底部，應(yīng)力波在模型中的傳播過(guò)程，伴隨著模型中單元的破壞，應(yīng)力場(chǎng)分布也隨之發(fā)生變化。巷道附近圍巖經(jīng)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)后單元亮度較高，可知巷道仍處于高應(yīng)力區(qū)。由聲發(fā)射圖可見(jiàn)，聲發(fā)射事件主要集中在巷道頂板和兩幫位置，說(shuō)明巷道頂板和兩幫圍巖中大量單元發(fā)生了破壞，生成新鮮細(xì)觀裂紋。由于巖石材料力學(xué)性質(zhì)的非均勻性，在遠(yuǎn)離巷道周?chē)牡胤揭灿猩倭繂卧l(fā)生破壞。隨著應(yīng)力波傳遞到底板位置，由于拉伸應(yīng)力疊加，巷道底板也發(fā)生了少量拉伸破裂引起的聲發(fā)射事件。

彈性模量 抗壓強(qiáng)度 泊松比(k容g·重m-/3)殘余強(qiáng)度均質(zhì)度 平均值/MPa 均質(zhì)度 平均值/MPa均質(zhì)度 平均值/MPa /MPa 壓拉比 泊殘松余比5 60 000 5 150 100 0.25 2 500 0.1 10 1.1

由此可見(jiàn)：在動(dòng)力擾動(dòng)下，巷道圍巖損傷程度的發(fā)展加劇了圍巖的破壞，圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移將引起圍巖損傷破壞范圍加大。為控制圍巖的過(guò)大變形或失穩(wěn)破壞，必須對(duì)巷道圍巖進(jìn)行及時(shí)有效的支護(hù)或處理。要取得較好的控制效果，應(yīng)該對(duì)圍巖提供適時(shí)的足夠大的支護(hù)力或者改變圍巖應(yīng)力場(chǎng)的高應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)圍巖加強(qiáng)支護(hù)以限制其過(guò)大變形需要較高的支護(hù)成本，且多數(shù)采區(qū)巷道使用期較短并不需要過(guò)多的支護(hù)投入。因此，對(duì)圍巖進(jìn)行鉆孔卸壓降低支護(hù)成本的同時(shí)，能夠控制巷道圍巖在使用期內(nèi)保持穩(wěn)定的聯(lián)合支護(hù)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

2.2 模型Ⅱ的結(jié)果與分析

圖4 所示為動(dòng)靜組合作用下巷道卸壓孔支護(hù)圍巖破裂過(guò)程。由圖4 可見(jiàn)：模型Ⅱ?yàn)橄锏纼H有卸壓孔支護(hù)時(shí)，在地應(yīng)力和動(dòng)力擾動(dòng)作用下圍巖的損傷破裂發(fā)展模型。模型中鉆孔布置形式及參數(shù)見(jiàn)圖1(b)?？?與孔2 巷道壁面間距8 mm，孔2、孔3 和孔4 按與水平夾角分別為30°，60°和90°布置，孔徑為1 mm，孔深為60 mm，鉆孔對(duì)稱(chēng)布置在巷道兩幫同一斷面上。

模型Ⅱ中地應(yīng)力靜態(tài)加載方式與模型Ⅰ的加載方式相同，圖4(a)所示為靜態(tài)分析的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖4(a)可見(jiàn)：靜態(tài)加載后剪應(yīng)力集中位置由模型Ⅰ中的巷道壁四周轉(zhuǎn)移至卸壓孔端部附近，卸壓孔長(zhǎng)度范圍內(nèi)的巷道圍巖處于降壓區(qū)。從第103 步起由模型上端施加擾動(dòng)波，隨著應(yīng)力波的傳播，鉆孔端部首先發(fā)生破裂，應(yīng)力波傳播過(guò)程中新生裂紋沿鉆孔軸向和四周不斷萌生和擴(kuò)展。當(dāng)t=9.8 μs 時(shí)應(yīng)力波傳播到巷道頂部。由圖4(b)可見(jiàn)：鉆孔3，4 和5 間破斷裂紋在鉆孔長(zhǎng)度中部位置已相互貫通，孔間圍巖形成了較大破裂區(qū)。聲發(fā)射圖中鉆孔2，3 和鉆孔——6 端部連線處有大量聲發(fā)射事件發(fā)生，說(shuō)明正有大量微破裂發(fā)生并進(jìn)一步發(fā)展。隨著波陣面向下傳播，應(yīng)力波到達(dá)巷道頂板后反射成為拉伸應(yīng)力波，誘發(fā)巷道頂板發(fā)生拉伸破裂，裂紋由巷道頂部向上擴(kuò)展，在剪力圖上表現(xiàn)為黑色破壞單元由頂板向上增加。第280 步(t=17.8 μs)時(shí)應(yīng)力波傳播到模型底部。由圖4(c)可見(jiàn)：孔徑兩側(cè)生成大量裂紋并向四周擴(kuò)展連通形成破裂區(qū)，圍巖破壞嚴(yán)重。聲發(fā)射圖中卸壓孔端部連線附近有大量聲發(fā)射事件發(fā)生，說(shuō)明仍有微破裂產(chǎn)生形成裂紋并準(zhǔn)備貫通連成破裂帶。

圖3 動(dòng)靜組合作用下巷道無(wú)支護(hù)圍巖破裂過(guò)程Fig.3 Surrounding rock failure processes without supporting under coupled static and dynamic loads

圖4 動(dòng)靜組合作用下巷道卸壓孔支護(hù)圍巖破裂過(guò)程圖Fig.4 Surrounding rock failure process of borehole support under coupled static and dynamic loads

由模型結(jié)果可見(jiàn)：巷道和卸壓孔開(kāi)挖引起圍巖地應(yīng)力重新調(diào)整，應(yīng)力調(diào)整的最不利區(qū)域?yàn)殂@孔端部而非孔的全長(zhǎng)范圍。動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中在孔徑四周由于應(yīng)力集中導(dǎo)致圍巖發(fā)生破壞并向四周擴(kuò)展。較高應(yīng)力波仍能沿孔間破裂巖體傳播并引發(fā)大量微破裂生成，造成巷道拱頂處破裂嚴(yán)重。隨著應(yīng)力波的衰減和卸壓孔周?chē)纬傻钠屏褏^(qū)使高應(yīng)力波減弱并向深部轉(zhuǎn)移，巷道兩幫和底板因受應(yīng)力擾動(dòng)小圍巖完整性較好。實(shí)際上，鉆孔巖塊之間的摩擦力不足以抵抗圍巖的變形壓力及自重時(shí)，將發(fā)生塌孔。被破壞了的單元在圍壓下又閉合，但RFPA 系統(tǒng)采用剛度退化處理破壞單元，便于直觀分析，在剪力圖上破壞單元仍表現(xiàn)為黑點(diǎn)。

總體上看，模型Ⅱ中卸壓孔支護(hù)雖對(duì)巷道兩幫和底板起到了一定保護(hù)效果，但巷道拱頂破裂嚴(yán)重，難以維護(hù)。也就是說(shuō)，在這種情況下，卸壓孔支護(hù)只能是一次重要支護(hù)而不是最后的穩(wěn)定性支護(hù)，根據(jù)新奧法支護(hù)思想還需二次剛性傳統(tǒng)支護(hù)相結(jié)合來(lái)達(dá)到穩(wěn)定的支護(hù)目的。

2.3 模型Ⅲ的結(jié)果與分析

圖5 所示為模型Ⅲ為卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)時(shí)，動(dòng)力擾動(dòng)作用下深部巷道圍巖的損傷破裂發(fā)展模型。模型中卸壓孔布置參數(shù)與模型Ⅱ的相同，兩卸壓孔間布置一根錨桿，聯(lián)合支護(hù)方式如圖1(c)所示。錨桿力學(xué)參數(shù)假定按照Weibull 分布賦值，如表2 所示。

彈性模量/GPa 抗拉強(qiáng)度/MPa 泊松比 容重/(kg·m-3)210 450 0.3 7 800

模型Ⅲ中靜態(tài)加載方式與模型Ⅰ的加載方式相同，巷道圍巖在聯(lián)合支護(hù)后靜態(tài)分析的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5(a)所示。由圖可見(jiàn)，靜態(tài)加載后剪應(yīng)力集中區(qū)域與模型Ⅱ情形相似，但巷道破壞最劇烈的部位首先發(fā)生在鉆孔端部連線附近，并形成了一條主裂紋。聲發(fā)射圖中巷道壁面有微破裂事件發(fā)生，是由于巷道開(kāi)挖、聯(lián)合支護(hù)擾動(dòng)使巷道壁面發(fā)生了微小損傷破裂。

動(dòng)態(tài)加載后，隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力波傳播到孔端主裂紋時(shí)部分反射成為拉伸應(yīng)力波，裂紋向外發(fā)育擴(kuò)展。部分應(yīng)力波透過(guò)主裂紋繼續(xù)向巷道傳播，但由于主裂紋附近巖體內(nèi)的微破裂在初始階段大幅度增加，所以，動(dòng)載荷作用后應(yīng)力波在破裂范圍內(nèi)衰減更快。衰減后的應(yīng)力波較難破碎被錨桿錨固的圍巖。由圖5(b)可見(jiàn)：主破裂帶與巷道之間圍巖表現(xiàn)出較好的完整性。由于應(yīng)力波在卸壓孔遠(yuǎn)端破裂帶內(nèi)的多次來(lái)回傳播，使接近臨界失穩(wěn)狀態(tài)單元的損傷全部激活[17]。所以，在應(yīng)力波傳播一定時(shí)間以后，卸壓孔遠(yuǎn)端破裂帶破壞單元數(shù)量仍有增加，裂紋仍萌生和擴(kuò)展。圖5(c)中聲發(fā)射圖破裂帶區(qū)域聲發(fā)射事件明顯較圖5(b)中的更多，剪力圖上表現(xiàn)為連續(xù)的黑區(qū)也更大。部分應(yīng)力波透過(guò)破裂帶和裂紋未連通的完整巖體傳播，仍使破裂帶內(nèi)孔間巖體發(fā)生了少量微小破裂，但與模型Ⅱ相比得到了明顯改善。由圖5(c)可見(jiàn)：應(yīng)力波傳播到模型底部后聲發(fā)射事件主要集中在卸壓孔端部破裂帶處，巷道底板圍巖未受到擾動(dòng)破壞。

模型Ⅲ采用聯(lián)合支護(hù)后，卸壓孔遠(yuǎn)端在地應(yīng)力和動(dòng)力擾動(dòng)作用下形成了破裂帶，將集中應(yīng)力向卸壓孔端部轉(zhuǎn)移，巷道圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)逐步緩和，使巷道附近圍巖免受高應(yīng)力擾動(dòng)破壞。由模擬結(jié)果可見(jiàn)，錨桿是聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)提高聯(lián)合支護(hù)整體支護(hù)效果，保持圍巖的完整性起到了關(guān)鍵作用。同時(shí)，卸壓孔也減小了各錨桿的受力，根據(jù)文獻(xiàn)[18]研究結(jié)果，頂板和邊角處的錨桿受力可降低13%左右，這對(duì)于控制圍巖的變形和破壞是很有益的。模型Ⅲ巷道支護(hù)中采用錨桿加強(qiáng)支護(hù)，卸壓孔進(jìn)行輔助卸壓的聯(lián)合支護(hù)思想，對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制取得了較好效果，表明開(kāi)孔卸壓是一種可行的輔助支護(hù)方法。

文獻(xiàn)[19]中的工業(yè)試驗(yàn)表明，采用鉆孔卸壓技術(shù)的巷道掘進(jìn)期間與相同支護(hù)情況下的無(wú)卸壓段巷道相比，卸壓段巷道頂?shù)装逦灰茰p少了18%；幫部位移減少了55%；回采期間卸壓段巷道頂?shù)装逦灰茰p少了43%，兩幫位移減少了30%。文獻(xiàn)[18]采用鉆孔卸壓和錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)后，在巷道服務(wù)期間內(nèi)圍巖變形是原支護(hù)時(shí)變形的1/3 左右，巷道支護(hù)成本節(jié)約514 元/m，取得了較好的圍巖控制效果。

綜上觀察和分析，模型Ⅰ在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下巷道四周應(yīng)力集中區(qū)損傷破裂嚴(yán)重，需進(jìn)行及時(shí)有效的支護(hù)或處理，才能防止圍巖的過(guò)大變形或失穩(wěn)破壞。模型Ⅱ中進(jìn)行卸壓孔支護(hù)時(shí)，應(yīng)力集中位置由模型Ⅰ中的巷道壁四周轉(zhuǎn)移至卸壓孔端部附近，使巷道處于降壓區(qū)；但在動(dòng)態(tài)載荷擾動(dòng)作用下鉆孔長(zhǎng)度范圍內(nèi)圍巖破裂嚴(yán)重，難以維護(hù)。由模型Ⅲ模擬結(jié)果可知，并未出現(xiàn)在模型Ⅱ模擬結(jié)果分析中出現(xiàn)的卸壓孔不利于巷道幫部圍巖維護(hù)的情況。巷道采用卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)后在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下在卸壓孔端部附近形成破裂帶，將高應(yīng)力區(qū)及高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，降低了地應(yīng)力及擾動(dòng)對(duì)巷道圍巖及其支護(hù)的作用力，減小了巷道圍巖應(yīng)力及變形量，取得了比模型Ⅰ和Ⅱ較理想的支護(hù)效果。

2.4 模型Ⅳ的結(jié)果與分析

模型Ⅳ為巷道開(kāi)掘后，在幫部開(kāi)卸壓鉆孔時(shí)，任一垂直于鉆孔軸線的幫部圍巖斷面在地應(yīng)力和動(dòng)力擾動(dòng)作用下的破裂演化模型。首先對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力加載，加載方式如圖2(b)所示，每步的加載量為0.1 MPa，當(dāng)水平應(yīng)力σh達(dá)到6.4 MPa，豎直應(yīng)力σv達(dá)到10.2 MPa 時(shí)停止靜態(tài)加載。然后，對(duì)模型再施加圖2(c)所示的動(dòng)態(tài)應(yīng)力波，動(dòng)態(tài)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.1 μs。動(dòng)態(tài)加載時(shí)模型右側(cè)和底部為固定面，應(yīng)力從模型頂部加載，由上向下傳播。

圖5 動(dòng)靜組合作用下巷道卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)圍巖破裂過(guò)程圖Fig.5 Rock failure process of borehole combined support with rockbolt under coupled static and dynamic loads

圖6 動(dòng)靜組合作用下開(kāi)卸壓孔巷幫圍巖變形破裂過(guò)程圖Fig.6 Rock failure process of borehole excavation under coupled static and dynamic loads

圖6 所示為動(dòng)靜組合作用下開(kāi)卸壓孔巷幫圍巖變形破裂過(guò)程，其中，圖6(a)所示為靜態(tài)分析的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖6(a)可見(jiàn)：開(kāi)挖孔四周引起了應(yīng)力集中，但由聲發(fā)射圖可知鉆孔圍巖并未發(fā)生破裂現(xiàn)象。從第103 步起，由模型上端施加如圖2(c)的擾動(dòng)波，當(dāng)t=5.8 μs 時(shí)應(yīng)力波傳播到頂部卸壓孔。由圖6(b)可見(jiàn)：在動(dòng)態(tài)加載初期，由于巖石材料的非均勻性，個(gè)別位于模型兩側(cè)單元發(fā)生了破裂。隨著應(yīng)力波的傳播，孔壁四周的圍巖變形量不斷增大并發(fā)生破裂，在動(dòng)力擾動(dòng)下微裂紋不斷向外擴(kuò)展。隨著應(yīng)力波的傳播和微破裂的連續(xù)發(fā)展，圍巖內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)不斷重新調(diào)整。從圖6(c)可見(jiàn)：由于圍巖在細(xì)觀上是非均勻材料，在微破裂的兩端由于出現(xiàn)強(qiáng)度高的單元，微破裂擴(kuò)展方向發(fā)生改變，向強(qiáng)度低的單元方向發(fā)展，從而使得裂紋的擴(kuò)展路徑表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性、非規(guī)則性。

由模擬結(jié)果可見(jiàn)：鉆孔圍巖首先承受高地應(yīng)力的作用，開(kāi)孔后在鉆孔四周又引起了2 次應(yīng)力集中，圍巖強(qiáng)度降低。動(dòng)態(tài)擾動(dòng)往往成為了觸發(fā)鉆孔圍巖失穩(wěn)破壞的一個(gè)重要因素。在動(dòng)力擾動(dòng)作用下，在鉆孔圍巖特定部位產(chǎn)生許多小破壞區(qū)，發(fā)展、貫通形成局部弱化帶。這些破裂帶形成了卸壓區(qū)，使巷道壁附近圍巖免受高應(yīng)力擾動(dòng)破壞。

以上分析可知：巷道開(kāi)挖過(guò)程中巷幫圍巖經(jīng)歷了地應(yīng)力重新分布過(guò)程，還要經(jīng)歷卸壓孔和錨桿施工而引起的應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整，應(yīng)力場(chǎng)的反復(fù)調(diào)整和疊加將加劇巷道圍巖的變形和破壞，對(duì)巷道的維護(hù)將是不利的。動(dòng)態(tài)擾動(dòng)誘發(fā)的鉆孔圍巖損傷破裂是不可忽視的，在動(dòng)載荷作用下，模型中總是有更多的裂紋萌生并擴(kuò)展，這與模型的整個(gè)破裂過(guò)程密切相關(guān)，這與靜態(tài)載荷作用下形成微破裂的情形是不同的。因此，深部巷道的穩(wěn)定性不僅與所處地應(yīng)力有關(guān)，還取決于動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的誘發(fā)作用。

3 結(jié)論

1) 同時(shí)考慮靜載荷和動(dòng)載荷對(duì)深部巷道穩(wěn)定性的影響，比單考慮靜載荷或動(dòng)載荷作用更有實(shí)際意義。從模擬結(jié)果來(lái)看，動(dòng)力擾動(dòng)更容易使深部巷道破裂與失穩(wěn)。為了控制巷道圍巖的過(guò)大變形或失穩(wěn)破壞，必須進(jìn)行及時(shí)有效的支護(hù)或處理。

2) 開(kāi)孔卸壓能使巷道附近圍巖所受的高地應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而使巷道處于卸壓區(qū)。動(dòng)力擾動(dòng)可以改變卸壓孔圍巖的受力狀態(tài)，使鉆孔破裂并不斷向四周擴(kuò)展，加劇巷道圍巖的失穩(wěn)破壞。

3) 巷道卸壓孔可以降低巷道附近圍巖的應(yīng)力集中，錨桿支護(hù)可以抑制動(dòng)力擾動(dòng)下深部巷道圍巖的破裂，提高巷道圍巖的承載性能；而卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)既可以降低巷道附近圍巖的應(yīng)力集中，又可以明顯抑制動(dòng)力擾動(dòng)下深部巷道圍巖的破裂，提高巷道的穩(wěn)定性。

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