張艷博，李海洋，姚旭龍，孫 林，田寶柱，梁 鵬

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.華北理工大學河北省礦業(yè)開發(fā)與安全重點實驗室，河北 唐山 063009)

采選技術

不同應力環(huán)境下巷道開挖卸荷巖爆模擬實驗研究

張艷博1，2，李海洋1，2，姚旭龍1，2，孫 林1，2，田寶柱1，2，梁 鵬1，2

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.華北理工大學河北省礦業(yè)開發(fā)與安全重點實驗室，河北 唐山 063009)

采用Plaxis 3D數(shù)值模擬軟件，以應力環(huán)境對巷道巖爆的影響問題為切入點，從位移云圖、應力應變曲線和塑性點分布等方面開展不同應力對巷道巖爆問題的研究工作，為巷道巖爆預防及治理提供研究基礎。研究結果表明，巷道開挖卸荷過程中，圓形巷道左右兩側同時出現(xiàn)了應力集中和位移集中，此部位最易發(fā)生巖爆。開挖過程中，根據(jù)周圍巖體距巷道側壁的厚度的關系，可將開挖操作對周圍巖體的影響劃分為“開始變大”、“明顯增大”、“急劇增加”三個區(qū)域。巷道的左右兩側壁會產生高應力集中區(qū)和位移集中區(qū)，最大應力隨著水平應力的增加呈線性增長，巷道發(fā)生位移集中區(qū)域的面積與水平應力呈指數(shù)型正相關關系變化。位移集中區(qū)域中心與巷道側壁的距離是圓形巷道半徑的2/5，隨著應力的增加，位移集中區(qū)域向周圍擴張，巖爆的程度及影響范圍也隨之增大。

應力；開挖卸荷；巖爆；Plaxis 3D

巷道原巖應力場包括自重應力場和構造應力場，構造應力由構造運動引起，其基本特點是以水平應力為主，具有明顯的方向性和區(qū)域性。水平應力是影響巷道頂板冒落、底板鼓起、兩幫內擠的主要因素，國內外的研究表明：導致巷道巖爆的主要因素是水平應力而不是垂直應力[1]。

在數(shù)值模擬方面，唐禮忠等[2]采用數(shù)值模擬方法，發(fā)現(xiàn)巖爆發(fā)生于具有巖爆傾向及應力大且能夠產生能量突然釋放的區(qū)域；王青海等[3]運用數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)大埋深環(huán)境下的隧道圍巖巖爆集中在兩幫和邊拱部位；此外，王學濱等、齊慶新等[4-5]均采用數(shù)值模擬對巖爆進行研究，并取得部分研究成果。但是目前從巖爆的發(fā)生位置以及程度與水平應力的關系方面定量化研究巖爆較少。

本次模擬實驗主要是考慮了當前礦井向深部發(fā)展，在垂直應力增加的基礎上，影響更大的是水平應力的增加，尤其是地質構造影響區(qū)域，例如擠壓性斷層、褶皺等地質構造附近，開挖會使水平應力急劇變化[17]，巖爆事故率急劇上升，巖爆的發(fā)生直接導致了工程的延期、工程失敗、人員傷亡等重大災難。通過開展不同應力環(huán)境下巷道巖爆模擬實驗，從巖爆的位置及其強度的變化，找到巖爆隨應力環(huán)境的變化規(guī)律，為巖爆的防治提供研究思路。

1 實驗方案及模型的建立

1.1 軟件介紹及其優(yōu)點

Plaxis 3D軟件采用便捷的圖形化用戶界面，操作流程簡明清晰，具備強大的建模、分析功能，內嵌多種本構模型，能模擬復雜的施工工程。作為一套專業(yè)的三維巖土有限元軟件，它的計算功能強大，使用范圍廣，可以進行塑性、安全性、固結、滲流、動力等多種類型的分析，對常規(guī)的巖土工程問題如開挖、支護、加載等進行塑性分析。

1.2 實驗方案及模型建立

本次實驗主要是模擬不同應力環(huán)境對花崗巖巷道開挖卸荷導致巖爆的影響實驗研究，水平應力設置9MPa、10.2MPa、13MPa，相應的垂直應力是45MPa、51MPa、65MPa。

實驗模型尺寸是150mm×150mm×150mm，采用分步開挖方式，每步開挖30mm，最后在模型中部形成直徑為45mm、走向長度為150mm的圓形巷道，如圖1所示。表1是根據(jù)室內試驗得到的模擬材料參數(shù)值[7]。

實驗中開挖工程共七階段，如圖2所示。第一階段是導入試件模型，見圖2(a)；第二階段是加載應力環(huán)境，見圖2(b)；第三階段是開挖第1部分，即0～30mm，見圖2(c)；第四階段是開挖第2部分，即30～60mm；第五階段是開挖第3部分，即60～90mm；第六階段是開挖第4部分，即90～120mm；第七階段是開挖第5部分，即120～150mm，見圖2(d)。

圖1 實驗試件最終模型

表1 材料參數(shù)

參數(shù)名稱重度(g/cm3)彈性模量(kN/mm2)泊松比粘聚力(kN/mm2)內摩擦角(°)數(shù)值2636000025060

圖2 實驗過程

2 巖爆模擬實驗過程分析

假設模擬的巖體不具有大尺度構造面，且無明顯層理結構，微結構面相對于試驗尺寸為無窮小，因此設置試件材料為均質體。其中應力應變的分布見圖3，根據(jù)實驗目的，對巷道上部和左側的監(jiān)測點進行分析，以水平應力為9MPa時為例。

圖3 水平應力9MPa應力應變圖

選取了與加載方向垂直的應變值分析，即σxx左-εzz左、σzz上-εxx上。圖4(a)是水平應力為9MPa時，巷道左側的應力應變和位移曲線圖，圖4(b)是對曲線進行求導得出的速度變化圖。從第6步開始，應力應變位移曲線變化速度開始變大，開挖對于原巖應力場的影響開始變大；在第8步時，應力應變和位移的斜率明顯增大；在第11步時，應力應變和位移的斜率急劇增加，應力應變的調整速度遠遠大于第8步時的速度，此時開挖面距離監(jiān)測面15mm；在計算到第13步時，應力應變位移的調整速度達到峰值，此時開挖面與監(jiān)測面的距離為0mm，開挖對應力應變的影響最大；在第三部分開挖完成后，應力應變和位移的變化速度急劇降低，在第18步之后，應力應變的變化速度已經非常小。

此外，Plaxis 3D屬于有限元軟件，在一定程度上不能模擬巖石脫離母體的現(xiàn)象。但是對于本次模擬的巷道巖爆問題而言，所選取花崗巖為硬脆巖石，當巖石的位移變化速度到達一定數(shù)量級后，就可以說明巖石已經發(fā)生破壞。在研究前人分析結果后，當位移變化速度大于0.6mm/步時，硬脆性巖石已經發(fā)生巖爆，在本次實驗中，由圖4(b)可得，有兩次位移變化峰值大于0.6mm/步，故發(fā)生兩次巖爆。介于位移變化速度在開挖后應力調整的小波動，在工程實際中也有可能出現(xiàn)巷道由于應力調整的過快，產生二次巖爆。

圖4 巷道左側應力應變位移圖

3 不同應力水平對巖爆的影響

在分析不同應力水平對巖爆的影響時，主要選取應力應變曲線、有效主應力等值面圖和位移云圖。由圖5可以看出，水平應力越大，孔左側σxx越大，開挖前后的應力調整幅度反而降低，開挖前后的應變變化幅度提高，且在開挖過程中，水平應力越大，應變調整的速度越大。

圖5 不同應力環(huán)境下巷道左側應力應變曲線圖

圖6中的等值面圖主要反映了不同應力水平環(huán)境下，有效主應力σ1在模型試件上的分布，從圖6可看出，在高地應力下，巷道完全開挖后，在孔洞的右側壁形成一條明顯的應力值在250～500kN/mm2的區(qū)域(下文中皆用高應力集中區(qū)域來代表應力值在250～500kN/mm2的區(qū)域)F、F1、F2，由于試件是對稱的，在孔洞的另一側也有同樣的高應力集中區(qū)，這里只展示一個側面。在圓形巷道開挖后，當軸向應力小于水平應力即側壓力系數(shù)λ>1時，應力集中區(qū)域一般發(fā)生在孔洞上下兩側中部；當軸向應力大于水平應力即λ<1時，應力集中區(qū)域一般發(fā)生在孔洞左右兩側中部，該理論也經過了公式推導[8]。

在對比各個等值面之間的距離后發(fā)現(xiàn)，在靠近高應力集中區(qū)域F時，應力等值面呈“半環(huán)形”，由遠及近，層層遞進，相鄰的兩個等值面之間的距離也越來越小，也就是說在側壁應力集中區(qū)，應力的梯度較大，應力調整的幅度較大，應力調整的速度較快，這一現(xiàn)象同樣發(fā)生在另外兩個水平應力環(huán)境中，如圖F1、F2區(qū)域。

從圖7位移云圖對比可以發(fā)現(xiàn)位移集中區(qū)域主要是集中在圓形巷道左右兩側，隨著水平應力的增大，位移集中區(qū)域也在不斷擴張。初略測量得到：水平應力為9MPa時，E區(qū)域約是20.72mm2；水平應力為10.2MPa時，E1區(qū)域約是57.57mm2；水平應力為13MPa時，E2區(qū)域約是302.40mm2。

圖6 三種水平應力的有效應力等值面圖

圖7 三種水平應力的位移云圖

在對水平應力與位移區(qū)域面積曲線進行擬合后發(fā)現(xiàn)，曲線滿足以下指數(shù)型關系，見下式。

y=0.0749e0.6366x(R2=0.98)

式中：y為位移區(qū)域面積；x為水平應力值。

這表明隨著水平應力的增加，位移集中區(qū)域面積也隨之呈指數(shù)型增長，如圖8所示。此外通過圖7不難發(fā)現(xiàn)，位移集中區(qū)域并不是在巷道側壁，而是距離側壁一定的距離。經過測量，位移集中區(qū)域中心位置距巷道側壁9mm處，該距離恰好是巷道半徑的2/5。

圖8 巖爆面積相關性擬合

圖9 塑性點圖

巖爆的發(fā)生意味著巖石已經開始出現(xiàn)了劇烈破壞，通過對模型開挖后塑性點的分析，如圖9是水平應力為9MPa、10.2MPa、13MPa時的塑性點分布圖。由圖9可以看出，在圓形巷道的左右兩側壁，塑性點分布比較集中；在位置上，與位移圖相比，也符合位移集中區(qū)域所影響的范圍；而且塑性點僅出現(xiàn)在側壁，在其他位置均未產生，結合位移云圖，這也更加表明在巷道開挖后，巖爆的發(fā)生最有可能先在巷道的側壁產生。

4 討論

在高應力環(huán)境下，開挖直徑為45mm的圓形巷道，圓形巷道左右兩側均出現(xiàn)了位移集中區(qū)域，這表明在巷道側壁最容易發(fā)生巖爆災害，隨后在對有效主應力的分析中，同樣出現(xiàn)了高應力集中區(qū)域，通過對位移以及高應力區(qū)域位置的對比，位移集中區(qū)域與高應力集中區(qū)域在位置上幾乎相同，說明在圓形巷道開挖后，應力在巷道左右側壁調整比較大，并形成了高應力集中區(qū)域，由于應力調整的迅猛性，而側壁的巖石在調整的過程中沒有如此迅速，側壁的巖石適應不了集中的如此高的應力，因此側壁上的巖石產生位移集中，從而導致巖爆的發(fā)生。

此外在對不同應力環(huán)境下的位移云圖(圖7)和有效主應力等值面圖(圖6)對比發(fā)現(xiàn)，隨著水平應力的增加，圖7中位移集中區(qū)域由水平應力為9MPa時的E區(qū)域變化到水平應力為13MPa時的E2區(qū)域，通過對位移集中區(qū)域的計算、統(tǒng)計和擬合；位移區(qū)域呈指數(shù)性增長；有效主應力σ1同樣具有一定的規(guī)律。在圖6中的F區(qū)域，通過對比水平應力為9MPa、10.2MPa、13MPa的有效主應力σ1的等值面圖，明顯的看到有效主應力范圍由F中的一小塊增加到F2中的兩大塊。并且通過輸出F區(qū)域出現(xiàn)的最大應力值，也表明不同水平應力下，巖爆發(fā)生時的應力也是呈線性增長的。

由于應力環(huán)境的提高，開挖巷道后，應力調整的幅度變大，這使得位移集中區(qū)域的巖石面臨著更大的應變速率。如圖10所示，在應力調整過程中，會在距巷道內壁一定深處的地方形成支撐壓力高峰區(qū)，支撐壓力高峰區(qū)的形成直接導致其區(qū)域內的巖石在高壓下碎脹，巖石的體積變大，向應力小的方向擠壓。此外，巷道側壁在外力環(huán)境下，產生比較大的剪切應力。在這兩方面因素雙重作用下，巷道側壁會產生顆粒彈射和片狀剝離等巖爆現(xiàn)象，并且隨著水平應力的增加，支撐壓力峰值也會隨之增加，其影響范圍也會變大，具體在本次模擬實驗中表現(xiàn)為：巖石的位移集中區(qū)域呈指數(shù)型增長，應力應變都隨應力的增加產生相應的變化，巖爆也愈加劇烈。

圖10 巖爆示意圖

5 結論

通過對垂直應力與水平應力比值為5時巷道開挖卸荷巖爆模擬實驗的分析，主要得到以下結論。

1)開挖會導致巷道左右兩側產生位移集中區(qū)、高應力集中區(qū)和塑性點區(qū)，這表明巖爆更容易發(fā)生在巷道側壁。開挖過程中，巷道側壁的應力急劇降低，同時應變變化速度急劇升高，應變變化的范圍隨應力的增大明顯增加。

2)巖爆位移集中區(qū)域中心與巷道側壁的距離為巷道半徑的2/5，且位移集中區(qū)域隨應力的增加向周圍巖體擴張，巖爆的影響范圍增大。

3)獲得了巷道位移集中區(qū)域的面積與水平應力的數(shù)學關系模型，該模型服從關系式y(tǒng)=0.0749e0.6366x，呈指數(shù)型正相關增長。

4)在開挖面距離監(jiān)測面15mm時，應力應變的變化速度急劇增加，此時對集中區(qū)域的高應力進行卸荷處理，可以有效地減小或防止巖爆的發(fā)生。

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Numerical investigation on rockburst of excavated and unloaded roadway based on different stresses condition

ZHANG Yanbo1，2，LI Haiyang1，2，YAO Xulong1，2，SUN Lin1，2，TIAN Baozhu1，2，LIANG Peng1，2

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China； 2.Mining Development and Technology Safety Key Lab of Hebei Province，North China University of Science and Technology,Tangshan 063009，China)

Adopting Plaxis 3D simulation software，it takes a research about the rockburst in different stress environments，which puts the effects of different stress environments on rockburst as the breakthough point to analyze the rockburst in terms of cloud displacement，stress-strain curves and distribution of plastic points.And this research aims to provide basis for the prevention and control of rockburst.The results show that during the tunnel excavation，the rockburst tends to occur mostly when the stress concentration and displacement concentration are simultaneously present at both sides of the tunnel，according to the thickness relation between surrounding rock and side wall of the tunnel，the impact of the excavation on surrounding rock can be divided into three regions including “start larger”，“significantly increase” and “sharp increase”.Both sides of tunnel generate a high stress concentration and displacement concentration，the maximum stress increases linearly with the horizontal stress increasing，and the area of the displacement concentration takes an exponentially positive correlation with the horizontal stress.The distance between the displacement concentration and the side wall of the tunnel is about 2/5 of the tunnel radius.With the increase of stress，the displacement concentration is expanding to the surrounding area，and degree of rockburst is also increasing.

stress；excavation；rockburst；Plaxis 3D

2016-05-12

國家自然科學基金項目資助(編號：51374088,51574102)；河北省高等學?？茖W技術研究項目資助(編號：QN2016125；QN2016124)；華北理工大學科學研究基金資助(編號：Z201501；Z201315)

張艷博(1973-)，男，河北徐水人，博士，教授，主要從事采礦巖石力學、地下工程防災治理等領域的教學與科研工作，E-mail：fzdn44444@163.com。

TD353

A

1004-4051(2017)01-0072-05