地下选厂硐室群开挖引起的围岩破裂特征

李 鹏，张治强，张 杰，孙东东，程 卓

(辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051)

关健词：地下选矿厂；围岩开裂；声发射；开裂分布特征

随着我国深部矿产资源的开采，地下选矿厂的建设已经引起广泛关注[1]。硐室群开挖卸荷引起围岩应力二次分布，使得应力效应对围岩破坏程度更加剧烈。对围岩卸荷作用下的破坏特征及破坏机制的研究，已有许多研究报道。Martin C. D.等[2]根据加拿大原子能研究机构的地下试验隧洞开挖工程中“V”型破坏的研究成果，总结破坏形成的机理，认为破坏特征与剪应力和隧洞的开挖进程相关。任建喜等[3]根据岩石损伤断裂破坏全过程的CT试验，研究了岩石的损伤演化机理。李术才等[4]根据围岩破坏力学机理，建立了岩体损伤演化规律方程，研究复杂应力状态下节理岩体断裂损伤机制。唐春安等[5]利用岩体损伤破裂过程模拟系统研究了岩石破裂声发射规律，分析了岩体损伤破坏机理。张春生等[6]通过对比锦屏辅助洞深埋洞段围岩的破坏现象，论述不同破坏时的围岩应力变化特征，解释了破坏的内在机理。张文举等[7]研究了岩体内部裂纹在加载和卸载条件下的开裂区别，得到了深埋圆形隧洞围岩裂隙开展特征。经过几十年的发展，岩石裂纹的演化与扩展研究愈加完善。

张家湾地下选矿厂超大断面硐室呈阶梯形布置且彼此相互关联[1]，在开挖卸荷条件下，硐室围岩破裂受断面面积和各设备硐室空间布局影响，其破裂特征出现很大不同。岩石的细观结构对围岩破坏特征和力学行为有很大影响，采用RFPA2D数值模拟软件能够对不同非均质性岩体从微观到宏观破裂过程进行模拟，可研究多种岩性围岩的破裂特征。

1 围岩裂隙产生与扩展

相比于加载作用，围岩在卸荷作用下，岩石强度会有所降低且脆性破裂特征和张性扩容更为显著。当开挖临空面达到起裂应力阈值时裂纹开始萌生[8-10]，在岩石内部产生大量的细微裂纹。在这些微裂纹出现前，变形仅受黏聚力的控制，而摩擦力作用并不明显。随着应力的不断积累，卸荷引起的差异变形回弹使得细微裂纹尖端拉应力集中，微裂纹出现较大的张拉扩展，此时黏聚力降低，以摩擦强度因素作用为主。由于实际岩石中晶粒和缺陷的随机分布，各矿物对力的传递效率和自身变形不同，引起岩石内部应力场的不均匀分布，使得裂隙在初始裂隙尖端进一步发展。当围岩继续卸荷，在集中剪应力作用下张裂隙间岩桥断裂，随着张裂隙开展逐渐贯通形成一个张剪性破裂带[11]。最终，岩石的摩擦强度和黏聚力均降低到残余强度。岩石卸荷破坏演化过程见图1。

图1 岩石卸荷破坏演化过程(资料来源：文献[11])

工程岩体进行稳定性分析时经常简化为均质材料，而实际工程在卸荷作用下岩体内部裂纹发展并不规则，相邻裂纹相互作用并呈现贯通趋势，表现出均质度对岩体破坏形式的影响。因此，考虑不同岩体均质度可使模拟的围岩破裂及扩展过程更接近实际。

2 计算模型

2.1 模型概况

模拟硐室群所在矿床围岩稳固，主要由磁铁石英岩、石英透闪岩、黑云变粒岩及角砾岩等组成，岩体新鲜坚硬，成硐条件和自稳能力较好，以Ⅱ类围岩为主，埋深约520 m。选矿厂硐室群规模巨大，硐室净宽B0=21 m，直墙高15 m，拱高为1/3B0。各设备硐室呈阶梯形布置，为简化计算，仅选取两个相邻硐室作为研究对象，其空间结构尺寸见图2。

模型垂直硐室轴线的水平方向长150 m，铅直方向高120 m，模型为300×240个单元，即单元尺寸为0.5 m×0.5 m，共72 000个单元。分析模型见图3。

2.2 计算参数及方案确定

考虑选矿厂埋深较浅，且矿区构造应力不明显，采用岩体以自重应力为主的平面应变模型，计算模型选取应力加载方式模拟开挖引起的岩体破裂情况。硐室群围岩岩体完整，无断层分布，结构面不发育，确定岩体力学参数见表1。

图2 相邻硐室空间结构尺寸示意图(资料来源：文献[1])

图3 分析模型

表1 岩体力学参数

岩体密度ρ/(kg/m3)弹性模量E/GPa内摩擦角φ/(°)黏聚力C/MPa泊松比μ抗压强度σc/MPa2 600.028.036.08.00.3230

资料来源：文献[1]；文献[12]；文献[13]。

试验通过对岩体弹性模量和抗压强度的改变，探究基体单元的不同均质度对硐室围岩破坏的影响。为研究非均质岩体对围岩裂纹发育过程的影响，选取均质度较差的岩石，因为不同均质度岩体对围岩裂隙发育的影响不同，所以对均质度m的取值也应不同，分别为3、4、5，均值度越高岩体越均匀。岩体均质度对应的的岩体力学性质见表2，基体单元的力学性质服从韦布尔分布ÖC(m,μ)，参数m为岩体力学性质的均质程度；μ为岩体平均性质。硐室群数值模拟无支护，即硐室开挖后支护措施不及时情况。硐室开挖总控制步数为3步，依次为模型初始平衡、上台阶硐室全断面一次开挖、下台阶硐室全断面一次开挖，根据计算精度显示各步数中计算小步。

表2 数值试验方案

3 结果分析

3.1 硐室群开挖围岩变形破坏过程

硐室开挖过程中应力重新分布，剪应力局部集中出现，岩石承受荷载引起内部不断产生细微破裂，随着裂隙的不断发展导致宏观破裂。仅局部出现破裂区域，多为裂纹尖端的应力集中部位。以试验方案1为例，硐室群开挖围岩破坏过程计算结果见图4。软件程序不考虑时间效应，step为破坏时当前的计算步数。

3.1.1 围岩破裂过程分析

从图4可以清楚地看出在上台阶硐室开挖完成后应力集中区域为硐室拱肩、底角部位及边墙两侧，如图4(a)所示，此时并没有裂隙产生。随着下台阶硐室开挖，应力达到或大于岩石介质的抗拉强度，导致破裂逐渐在硐室边墙两侧萌生，如图4(b)所示。初始阶段破坏单元较为分散，随计算步数增加，破裂单元逐渐聚集产生细微裂纹。由于材料非均匀性的影响，萌发出多条不规则微裂纹，且在两相邻硐室的隔墙处发展较快，造成了明显的变形和微裂纹局部化现象，如图4(c)所示。隔墙破坏逐渐发展，出现大量破裂面，分布杂乱无章，并沿竖向扩展。

3.1.2 声发射分布规律

从上述分析结果可知，围岩裂纹基本沿两相邻硐室隔墙竖向萌生和扩展。对于硬脆性岩体，认为基体单元破坏时所释放的弹性能是以声发射形式释放[5，14]，因此，根据岩体声发射分布特性来研究岩体的宏观破裂过程。岩体破坏过程空间分布的声发射图见图5。

图4 方案1剪应力分布及破裂裂纹扩展过程

图5 方案1声发射分布图

由图5可以看出，声发射集中发生的位置就是硐室发生破裂的部位，围岩损伤和声发射有着紧密关系。上台阶硐室开挖初期，硐室拱肩和底角部位发生了剪切或拉伸破坏，且声发射相对能量较大。下台阶硐室开挖后，两相邻硐室中部隔墙出现大量微破裂面，分布较为分散。硐室继续开挖，受上台阶硐室影响，下台阶硐室边墙左侧声发射分布明显集中且相对能量比右侧大，微破裂面扩展加剧。随着计算时步的增加，如图5(d)所示，上台阶硐室边墙右侧微裂纹逐渐汇集、贯通成肉眼可见的宏观裂纹，大致沿着竖直方向扩展延伸，与上述分析结果一致。

3.2 均质度对围岩破裂的影响

弹性模量和强度是岩体材料的2个重要物理参数，试验通过改变其参数值探究均质度对试验结果的影响。方案2和方案3中剪应力分布及破裂裂纹扩展过程如图6和图7所示。

图6 方案2剪应力分布及破裂裂纹扩展过程

图7 方案3剪应力分布及破裂裂纹扩展过程

通过方案对比分析可知：方案1在破坏发生前会在两相邻硐室中部隔墙产生较多个细小裂纹且会有较多的分支出现。根据计算结果可知，随弹性模量和强度均质度的逐渐增加，岩体内部细小裂纹明显减少，这些裂纹之间会发生贯通，表现出很强的脆性破坏。硐室两侧呈现明显的“V”型破坏，“V”裂缝尖端应力明显集中，裂缝进一步发展至贯通。

由图7可以看出，初始小裂纹产生较晚，小裂纹一旦出现会迅速扩展成为宏观裂纹，最终导致硐室隔墙破坏。这是因为小裂纹在不同弹性模量的单元体的变形能力不同，造成局部的应力集中现象，同时岩体变形也会对单元体的应力大小产生影响，导致岩体局部破裂。因此可知，随岩体均质度的提高，围岩裂纹分支越少，裂隙贯通现象相应减少。

3.3 应力场与裂纹扩展规律

数值计算结果给出了裂纹扩展过程中裂纹周围应力场的变化规律，展现了集中应力随裂纹的扩展逐渐释放和转移过程。上台阶硐室开挖完成后，下台阶硐室开挖计算过程中硐室群围岩剪应力变化情况见图8，方案3计算时步step3-30最大应力为19.4 MPa，而方案1中计算时步step3-30最大应力为16.6 MPa；由图7可以看出，方案3的应力分布最为集中，应力值最大，与上述分析结果一致。说明计算时步下裂纹延伸扩展受岩体非均匀性影响较大,随均质度的增大应力集中现象更为显著。

图8 剪应力随开挖步数变化情况

根据剪应力变化与破裂裂纹扩展过程分析可知，裂纹萌生后，尖端应力较大，会出现零星的且不和裂纹连通的微裂纹。在扰动应力作用下，微裂纹还可能与已开裂裂纹联通，裂纹继续延伸形成新的开裂裂纹。裂纹形成后，较高应力区向裂纹尖端移动，硐室围压分布变成椭圆形。裂纹的尖端细小裂纹数量和范围增加，使得裂纹扩展路径更加复杂，具有明显的不规则性。岩体材料具有非均质性，因此裂纹的扩展及贯通蜿蜒曲折，宏观上看裂纹通常较为粗糙，但其发展方向始终平行最大主应力方向。

4 结 论

1) 硐室群在开挖过程中，硐室隔墙中部产生剧烈的应力调整，在硐室拱肩、底角部位及两侧边墙应力集中。在下台阶硐室开挖后，隔墙开始出现起裂破坏，并逐渐沿着竖向发展。

2) 以自重应力为主的平面应变模型的数值模拟结果再现了脆性围岩“V”型破坏形式，并且表明硐室边墙宏观裂纹的发展方向与最大主应力方向平行。

3) 岩体均质度对裂纹扩展影响较大，当均质度为5时，最大应力为19.4 MPa；当均质度为4时，最大应力为17.3 MPa； 当均质度为3时， 最大应力为16.6 MPa，因此当均质度为5时的应力分布最为集中，应力值最大。结果表明，均质度低，围岩内部小裂纹较多；均质度高，岩体破裂脆性较强，且应力集中现象更为显著。