不同应力环境下巷道开挖卸荷岩爆模拟实验研究

张艳博，李海洋，姚旭龙，孙 林，田宝柱，梁 鹏

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.华北理工大学河北省矿业开发与安全重点实验室，河北 唐山 063009)

采选技术

不同应力环境下巷道开挖卸荷岩爆模拟实验研究

张艳博1，2，李海洋1，2，姚旭龙1，2，孙 林1，2，田宝柱1，2，梁 鹏1，2

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.华北理工大学河北省矿业开发与安全重点实验室，河北 唐山 063009)

采用Plaxis 3D数值模拟软件，以应力环境对巷道岩爆的影响问题为切入点，从位移云图、应力应变曲线和塑性点分布等方面开展不同应力对巷道岩爆问题的研究工作，为巷道岩爆预防及治理提供研究基础。研究结果表明，巷道开挖卸荷过程中，圆形巷道左右两侧同时出现了应力集中和位移集中，此部位最易发生岩爆。开挖过程中，根据周围岩体距巷道侧壁的厚度的关系，可将开挖操作对周围岩体的影响划分为“开始变大”、“明显增大”、“急剧增加”三个区域。巷道的左右两侧壁会产生高应力集中区和位移集中区，最大应力随着水平应力的增加呈线性增长，巷道发生位移集中区域的面积与水平应力呈指数型正相关关系变化。位移集中区域中心与巷道侧壁的距离是圆形巷道半径的2/5，随着应力的增加，位移集中区域向周围扩张，岩爆的程度及影响范围也随之增大。

应力；开挖卸荷；岩爆；Plaxis 3D

巷道原岩应力场包括自重应力场和构造应力场，构造应力由构造运动引起，其基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。水平应力是影响巷道顶板冒落、底板鼓起、两帮内挤的主要因素，国内外的研究表明：导致巷道岩爆的主要因素是水平应力而不是垂直应力[1]。

在数值模拟方面，唐礼忠等[2]采用数值模拟方法，发现岩爆发生于具有岩爆倾向及应力大且能够产生能量突然释放的区域；王青海等[3]运用数值模拟方法发现大埋深环境下的隧道围岩岩爆集中在两帮和边拱部位；此外，王学滨等、齐庆新等[4-5]均采用数值模拟对岩爆进行研究，并取得部分研究成果。但是目前从岩爆的发生位置以及程度与水平应力的关系方面定量化研究岩爆较少。

本次模拟实验主要是考虑了当前矿井向深部发展，在垂直应力增加的基础上，影响更大的是水平应力的增加，尤其是地质构造影响区域，例如挤压性断层、褶皱等地质构造附近，开挖会使水平应力急剧变化[17]，岩爆事故率急剧上升，岩爆的发生直接导致了工程的延期、工程失败、人员伤亡等重大灾难。通过开展不同应力环境下巷道岩爆模拟实验，从岩爆的位置及其强度的变化，找到岩爆随应力环境的变化规律，为岩爆的防治提供研究思路。

1 实验方案及模型的建立

1.1 软件介绍及其优点

Plaxis 3D软件采用便捷的图形化用户界面，操作流程简明清晰，具备强大的建模、分析功能，内嵌多种本构模型，能模拟复杂的施工工程。作为一套专业的三维岩土有限元软件，它的计算功能强大，使用范围广，可以进行塑性、安全性、固结、渗流、动力等多种类型的分析，对常规的岩土工程问题如开挖、支护、加载等进行塑性分析。

1.2 实验方案及模型建立

本次实验主要是模拟不同应力环境对花岗岩巷道开挖卸荷导致岩爆的影响实验研究，水平应力设置9MPa、10.2MPa、13MPa，相应的垂直应力是45MPa、51MPa、65MPa。

实验模型尺寸是150mm×150mm×150mm，采用分步开挖方式，每步开挖30mm，最后在模型中部形成直径为45mm、走向长度为150mm的圆形巷道，如图1所示。表1是根据室内试验得到的模拟材料参数值[7]。

实验中开挖工程共七阶段，如图2所示。第一阶段是导入试件模型，见图2(a)；第二阶段是加载应力环境，见图2(b)；第三阶段是开挖第1部分，即0～30mm，见图2(c)；第四阶段是开挖第2部分，即30～60mm；第五阶段是开挖第3部分，即60～90mm；第六阶段是开挖第4部分，即90～120mm；第七阶段是开挖第5部分，即120～150mm，见图2(d)。

图1 实验试件最终模型

表1 材料参数

参数名称重度(g/cm3)弹性模量(kN/mm2)泊松比粘聚力(kN/mm2)内摩擦角(°)数值2636000025060

图2 实验过程

2 岩爆模拟实验过程分析

假设模拟的岩体不具有大尺度构造面，且无明显层理结构，微结构面相对于试验尺寸为无穷小，因此设置试件材料为均质体。其中应力应变的分布见图3，根据实验目的，对巷道上部和左侧的监测点进行分析，以水平应力为9MPa时为例。

图3 水平应力9MPa应力应变图

选取了与加载方向垂直的应变值分析，即σxx左-εzz左、σzz上-εxx上。图4(a)是水平应力为9MPa时，巷道左侧的应力应变和位移曲线图，图4(b)是对曲线进行求导得出的速度变化图。从第6步开始，应力应变位移曲线变化速度开始变大，开挖对于原岩应力场的影响开始变大；在第8步时，应力应变和位移的斜率明显增大；在第11步时，应力应变和位移的斜率急剧增加，应力应变的调整速度远远大于第8步时的速度，此时开挖面距离监测面15mm；在计算到第13步时，应力应变位移的调整速度达到峰值，此时开挖面与监测面的距离为0mm，开挖对应力应变的影响最大；在第三部分开挖完成后，应力应变和位移的变化速度急剧降低，在第18步之后，应力应变的变化速度已经非常小。

此外，Plaxis 3D属于有限元软件，在一定程度上不能模拟岩石脱离母体的现象。但是对于本次模拟的巷道岩爆问题而言，所选取花岗岩为硬脆岩石，当岩石的位移变化速度到达一定数量级后，就可以说明岩石已经发生破坏。在研究前人分析结果后，当位移变化速度大于0.6mm/步时，硬脆性岩石已经发生岩爆，在本次实验中，由图4(b)可得，有两次位移变化峰值大于0.6mm/步，故发生两次岩爆。介于位移变化速度在开挖后应力调整的小波动，在工程实际中也有可能出现巷道由于应力调整的过快，产生二次岩爆。

图4 巷道左侧应力应变位移图

3 不同应力水平对岩爆的影响

在分析不同应力水平对岩爆的影响时，主要选取应力应变曲线、有效主应力等值面图和位移云图。由图5可以看出，水平应力越大，孔左侧σxx越大，开挖前后的应力调整幅度反而降低，开挖前后的应变变化幅度提高，且在开挖过程中，水平应力越大，应变调整的速度越大。

图5 不同应力环境下巷道左侧应力应变曲线图

图6中的等值面图主要反映了不同应力水平环境下，有效主应力σ1在模型试件上的分布，从图6可看出，在高地应力下，巷道完全开挖后，在孔洞的右侧壁形成一条明显的应力值在250～500kN/mm2的区域(下文中皆用高应力集中区域来代表应力值在250～500kN/mm2的区域)F、F1、F2，由于试件是对称的，在孔洞的另一侧也有同样的高应力集中区，这里只展示一个侧面。在圆形巷道开挖后，当轴向应力小于水平应力即侧压力系数λ>1时，应力集中区域一般发生在孔洞上下两侧中部；当轴向应力大于水平应力即λ<1时，应力集中区域一般发生在孔洞左右两侧中部，该理论也经过了公式推导[8]。

在对比各个等值面之间的距离后发现，在靠近高应力集中区域F时，应力等值面呈“半环形”，由远及近，层层递进，相邻的两个等值面之间的距离也越来越小，也就是说在侧壁应力集中区，应力的梯度较大，应力调整的幅度较大，应力调整的速度较快，这一现象同样发生在另外两个水平应力环境中，如图F1、F2区域。

从图7位移云图对比可以发现位移集中区域主要是集中在圆形巷道左右两侧，随着水平应力的增大，位移集中区域也在不断扩张。初略测量得到：水平应力为9MPa时，E区域约是20.72mm2；水平应力为10.2MPa时，E1区域约是57.57mm2；水平应力为13MPa时，E2区域约是302.40mm2。

图6 三种水平应力的有效应力等值面图

图7 三种水平应力的位移云图

在对水平应力与位移区域面积曲线进行拟合后发现，曲线满足以下指数型关系，见下式。

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

式中：y为位移区域面积；x为水平应力值。

这表明随着水平应力的增加，位移集中区域面积也随之呈指数型增长，如图8所示。此外通过图7不难发现，位移集中区域并不是在巷道侧壁，而是距离侧壁一定的距离。经过测量，位移集中区域中心位置距巷道侧壁9mm处，该距离恰好是巷道半径的2/5。

图8 岩爆面积相关性拟合

图9 塑性点图

岩爆的发生意味着岩石已经开始出现了剧烈破坏，通过对模型开挖后塑性点的分析，如图9是水平应力为9MPa、10.2MPa、13MPa时的塑性点分布图。由图9可以看出，在圆形巷道的左右两侧壁，塑性点分布比较集中；在位置上，与位移图相比，也符合位移集中区域所影响的范围；而且塑性点仅出现在侧壁，在其他位置均未产生，结合位移云图，这也更加表明在巷道开挖后，岩爆的发生最有可能先在巷道的侧壁产生。

4 讨论

在高应力环境下，开挖直径为45mm的圆形巷道，圆形巷道左右两侧均出现了位移集中区域，这表明在巷道侧壁最容易发生岩爆灾害，随后在对有效主应力的分析中，同样出现了高应力集中区域，通过对位移以及高应力区域位置的对比，位移集中区域与高应力集中区域在位置上几乎相同，说明在圆形巷道开挖后，应力在巷道左右侧壁调整比较大，并形成了高应力集中区域，由于应力调整的迅猛性，而侧壁的岩石在调整的过程中没有如此迅速，侧壁的岩石适应不了集中的如此高的应力，因此侧壁上的岩石产生位移集中，从而导致岩爆的发生。

此外在对不同应力环境下的位移云图(图7)和有效主应力等值面图(图6)对比发现，随着水平应力的增加，图7中位移集中区域由水平应力为9MPa时的E区域变化到水平应力为13MPa时的E2区域，通过对位移集中区域的计算、统计和拟合；位移区域呈指数性增长；有效主应力σ1同样具有一定的规律。在图6中的F区域，通过对比水平应力为9MPa、10.2MPa、13MPa的有效主应力σ1的等值面图，明显的看到有效主应力范围由F中的一小块增加到F2中的两大块。并且通过输出F区域出现的最大应力值，也表明不同水平应力下，岩爆发生时的应力也是呈线性增长的。

由于应力环境的提高，开挖巷道后，应力调整的幅度变大，这使得位移集中区域的岩石面临着更大的应变速率。如图10所示，在应力调整过程中，会在距巷道内壁一定深处的地方形成支撑压力高峰区，支撑压力高峰区的形成直接导致其区域内的岩石在高压下碎胀，岩石的体积变大，向应力小的方向挤压。此外，巷道侧壁在外力环境下，产生比较大的剪切应力。在这两方面因素双重作用下，巷道侧壁会产生颗粒弹射和片状剥离等岩爆现象，并且随着水平应力的增加，支撑压力峰值也会随之增加，其影响范围也会变大，具体在本次模拟实验中表现为：岩石的位移集中区域呈指数型增长，应力应变都随应力的增加产生相应的变化，岩爆也愈加剧烈。

图10 岩爆示意图

5 结论

通过对垂直应力与水平应力比值为5时巷道开挖卸荷岩爆模拟实验的分析，主要得到以下结论。

1)开挖会导致巷道左右两侧产生位移集中区、高应力集中区和塑性点区，这表明岩爆更容易发生在巷道侧壁。开挖过程中，巷道侧壁的应力急剧降低，同时应变变化速度急剧升高，应变变化的范围随应力的增大明显增加。

2)岩爆位移集中区域中心与巷道侧壁的距离为巷道半径的2/5，且位移集中区域随应力的增加向周围岩体扩张，岩爆的影响范围增大。

3)获得了巷道位移集中区域的面积与水平应力的数学关系模型，该模型服从关系式y=0.0749e0.6366x，呈指数型正相关增长。

4)在开挖面距离监测面15mm时，应力应变的变化速度急剧增加，此时对集中区域的高应力进行卸荷处理，可以有效地减小或防止岩爆的发生。

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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

国家自然科学基金项目资助(编号：51374088,51574102)；河北省高等学校科学技术研究项目资助(编号：QN2016125；QN2016124)；华北理工大学科学研究基金资助(编号：Z201501；Z201315)

张艳博(1973-)，男，河北徐水人，博士，教授，主要从事采矿岩石力学、地下工程防灾治理等领域的教学与科研工作，E-mail：fzdn44444@163.com。

TD353

A

1004-4051(2017)01-0072-05