一种节理围岩巷道开挖物理模型试验方法及其应用*

李 光 马凤山 郭 捷 雷 扬 黄业强 刘爱民

(①中国科学院地质与地球物理研究所， 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029， 中国) (②中国科学院地球科学研究院， 北京 100029， 中国) (③金川镍钴研究设计院， 金昌 737100， 中国)

0 引 言

巷道是矿山开采中的命脉工程，承担着人员作业、基建施工和矿石运输等重要任务，直接影响着矿山的安全发展和高效生产。随着开采深度的增加，矿山巷道所处的环境不断恶化，一系列工程灾害如岩体大变形、巷道强流变、顶板垮落、底板隆起、岩爆等日益严重(马世伟等， 2020)。因此，对巷道变形破坏模式、特征及发生机制等问题的研究具有非常重要的意义(Li et al.，2020a， 2020b,2021)。

目前，针对巷道变形及失稳方面的研究主要依靠现场调查、理论分析、数值模拟和物理试验。但现场调查需要大量的人力物力，且影响因素复杂，很难控制变量； 理论分析需要对原型进行大量的假设和简化，用数学模型描述工程尺度的问题十分困难； 数值技术已有了长足的进步，但对于条件复杂、机理不明的问题，仍具有局限性(高相波等， 2020)。相比之下，物理试验能够还原复杂条件下原型由弹性到塑性，直至破坏的全过程，且变量可控，是一种更形象、更具说服力的研究方法(李光等， 2019a, 2019b， 2020a, 2020b)。

近年来，学者们采用物理模型试验方法对不同工况下的巷道相关规律进行了大量研究，具有代表性的包括：顾金才等(2008)探究了深部洞室开挖的受力变形特点，发现了围岩分层断裂的破坏机制； 勾攀峰等(2009)基于自行研发的YDM-E型模型试验系统，制作了有、无支护两种物理模型，并探讨了不同水平应力条件下巷道的变形破坏情况，结果显示巷道的顶、底板是支护的重点部位； He et al. (2009)将红外热成像系统和物理模型试验结合起来，探讨了岩层倾角在巷道开挖过程中的作用，并对温度场的变化规律进行了研究； 张明建等(2010)将物理模拟试验与工业试验相结合，研究倾斜层状围岩巷道在不同应力条件下开挖的变形特征、破裂演化过程和位移发展规律，并基于试验结果提出优化支护方式； 尹光志等(2011)以某缓倾斜岩层磷矿为原型，基于重庆大学矿山压力相似模拟试验台进行了二维模型试验，研究了巷道围岩在采动应力作用下的变形特征及破坏规律； Huang et al. (2013)探讨了软弱结构面在巷道围岩变形破坏过程中的作用，并提出了几种不同的破坏模式； Li et al. (2015)研究了深部厚顶煤巷道这一特殊工况，揭示了巷道开挖和支护全过程中围岩位移和应力的变化过程。

表 1 相似材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of similar materials

然而，针对巷道变形破坏规律的物理试验中，所建模型多数只考虑均质结构和层状结构，对于发育多组交叉节理围岩下的巷道开挖问题研究不多。究其原因，主要是在物理模型试验中，制作多组结构面的围岩模型工艺复杂，工作量大，在巷道开挖过程中也易失败。因此，针对这一技术难题，本文提出了一种浇-砌混合模型搭建方法，配合螺旋牵引式巷道开挖装置，实现节理围岩巷道开挖模型的高效制作和开挖模拟，并以金川矿区巷道为例进行了试验，对所提方法进行了验证，旨在为同类试验的设计和制作提供参考。

1 金川矿区巷道概况

金川铜镍矿区是我国目前已探明的最大的硫化铜镍矿床，也是世界上大型硫化铜镍矿床之一，以矿体规模大、采矿难、埋藏深而闻名。由于矿区地处甘肃河西走廊，是大地构造单元的接合部，构造运动剧烈，地质构造复杂，矿区水平构造应力高，节理裂隙极为发育，矿岩体破碎，整体稳定性极差，使得矿床在开采过程中面临极大困难(李光等， 2017； 马凤山等， 2019)。由于其独特的工程地质条件，金川矿区成为了我国矿山工程地质学和岩石力学的摇篮，工程地质大师谷德振、岩石力学大师陈宗基等一大批专家学者都在金川开展过大量的研究工作，特别是在其深部开采所遇到的岩石力学问题，具有典型性和普遍性，受到世界研究人员的重视。

在深部高地应力、破碎岩体等复杂工程地质条件作用下，金川矿区巷道开拓后变形快、持续时间长，维护困难，对井下作业人员的生命安全也造成了威胁。矿区开拓巷道断面为利用率较高的直墙半圆拱型，巷道尺寸如图 1所示(李光等， 2018， 2020a, 2020b)。巷道围岩结构复杂，其中：具有典型特征的是菱块状大理岩，节理间距0.5～1.5m，倾角30°～60°，出露形态如图 2所示。这类岩体的变形破坏主要受结构面及其组合所控制，稳定性差，本次试验选择此类围岩结构下的巷道为原型进行试验。

图 1 金川矿区典型巷道断面Fig. 1 Typical roadway section in Jinchuan mining area

图 2 菱块状大理岩示意图Fig. 2 Schematic diagram of rhombic marble

2 浇-砌混合模型搭建方法

搭建方法是模型试验的基础，能否真实还原出原型的结构特征，直接决定了试验的准确性。目前，常用的模型搭建方式主要包括(张定邦， 2013)：

(1)整体浇筑成形法，该方法将相似材料一次性浇入预置模型箱内，在室温下养护成形并静置拆模，适用于岩体结构完整、地质界面较少的模型。但是模型较均匀，无法考虑岩体节理裂隙的影响。

(2)夯实成形法，该方法通过夯实让材料更加致密均匀，获得更大的容重，适用于以容重为主要控制参数的物理模型。但是需要采用专门的夯实工具，工序复杂。

(3)分层浇筑成形法，该方法首先分层搭建模型箱，并采用近流态相似材料分层浇筑振密成形，适用于构建类似煤矿这样的水平层状地质体。但是难以搭建有复杂构造的模型，对设备要求也较高。

(4)砌筑成形法，该方法需要预制砌块，模型搭建时，通过砌块的堆砌填筑模型，适用于构建节理岩体地质模型。但试验工作量较大，搭建时对工艺也有一定要求。

以上几种方法各有优缺点，而且适用条件也不同。若要进行研究区菱块状围岩下巷道的开挖模拟，整体浇筑法、夯实成型法和分层浇筑法都无法模拟这种特殊的围岩结构。砌块堆砌法能较好搭建此类模型，但单独使用砌块堆砌，工序较复杂，工作量也较大。

基于此，提出了一种“浇-砌混合”物理模型搭建方法，即在模型内圈采用砌块砌筑的方法，用以模拟节理围岩巷道，在模型外圈采用浇筑的方法，可以大大提高试验效率。综合考虑研究区巷道特征及试验室条件，确定模型的几何相似比为1︰30，制作尺寸为1.05m×1.05m×0.2m的物理模型，如图 3所示。

图 3 模型断面示意图Fig. 3 Model section diagram

本次试验采用河砂、水泥和石膏这3种最普通的原材料，通过大量的室内配比试验，确定岩石相似材料配比为河砂︰水泥=4︰1，岩体相似材料配比为河砂︰水泥︰石膏=8︰1︰1，原型和模型材料相关物理、力学参数如表 1所示。采用岩块相似材料制作砌块，尺寸为4cm×4cm×20cm，如图 4a所示。为节约成本并实现批量制作，砌块模具为定制的丙烯塑料板，比较轻便且方便脱模，如图 4b所示。砌块制作通过拌料、填料、刮平、脱模及养护几个步骤，制作完成的砌块如图 4c所示(李光等， 2020a，2020b)。

图 5 物理模型搭建过程Fig. 5 Model building process a. 内圈砌块堆砌； b. 外圈浇筑； c. 模型搭建完成图

经过模型箱安装，砌块堆砌，预埋模具，外围浇筑等几个步骤后，完成模型的搭建，如图 5所示。模型外圈围岩根据岩体参数制作相似材料，致密均匀，能有效传递应力，并观察围岩裂缝的发展； 模型内圈砌块由岩块相似材料制作，围岩内节理清晰可见，能较好地还原菱块状大理岩体的结构特征。

图 6 螺旋牵引式巷道开挖装置示意图Fig. 6 Spiral traction roadway excavation device a. 模具尺寸； b. 预埋模具实物； c. 螺旋牵引装置设计图； d. 螺旋牵引装置实物

3 螺旋牵引式巷道开挖装置

对于地下硐室工程的模型试验，开挖方式的选择至关重要，当前已有的开挖方式主要有以下几种：

(1)直接硬挖：在模型前后画出巷道位置，用钻、锯条和螺丝刀等工具进行开挖。

(2)热熔材料：选择低熔点的热熔材料，制成巷道形状，开挖时加热或点燃取出，如石蜡等。

(3)爆破开挖：在模型中预制炮眼，利用电雷管起爆开挖。

(4)预制模具：预制巷道形状的拼接模具，建模时埋入，开挖时取出即可。

其中：直接硬挖对模型的扰动较大，而且很容易因掌握不好尺度而导致试验失败； 热熔材料需要加热，对工艺要求较高，且不利于模型监测手段的施加； 爆破开挖需要特定的试验条件，多在爆破工程专业中使用； 预制模具方法比较合理，但对于预埋材料和取出方式的选择，研究者们有各自不同的想法。

基于此，设计了一种螺旋牵引式巷道开挖装置，由预埋模具、拆模卡板和摇杆3部分组成。其中：预埋模具根据开挖巷道设计尺寸制作，材料为铸铁，具有足够的刚度，如图 6a和图6b所示。预埋模具中间镶嵌一螺母，用以配合拆模装置。拆模通过手摇杆带动预埋模具完成，缓慢拔出，对模型整体扰动小，且符合分步开挖的工程实际，螺旋牵引装置如图 6c和图6d所示。

预埋模具在模型搭建期间埋入，具体的安放位置在试验前根据实际工况决定，一般情况下在物理模型的中心位置。待模型风干后，将螺旋牵引装置安装在模型箱上，并通过摇杆与预埋模具相连。实际工程中的巷道都是在有地应力条件下进行开挖的，而在试验中想要完成加载中取出模具并非易事。该装置巧妙地运用了螺丝的牵引力，在有压情况下也能较轻松地完成开挖。图 7所示为巷道开挖完成后的状态，可见巷道成型较好，对模型扰动小，亦能真实反演巷道分步开挖的情况。

图 7 巷道开挖完成图Fig. 7 Model status after roadway excavation

图 8 物理模型试验结果Fig. 8 Physical model test results a. 某时刻巷道变形情况; b. 巷道顶板变形情况; c. 巷道底板变形情况

图 9 现场调查结果Fig. 9 Field investigation results a. 巷道顶板和边墙开裂； b. 巷道顶板开裂掉块； c. 巷道底板开裂隆起

4 试验效果

根据研究区实际地应力条件，本次试验模拟的原型中水平地应力为40MPa，竖直地应力为30MPa。由相似关系换算需要施加水平力175kN，竖直力131kN。模型采用分级加载的方式，加载过程共5次完成，相邻两次加载时间间隔约为5min。加载速度为0.1kN·s-1，加载完成后对模型进行稳压约10min，待模型内部各测点应力趋于稳定和均衡后，开挖巷道。

如图 8所示为试验过程中某一时刻巷道的变形破坏情况，可见巷道顶板出现了塌落掉块的现象，由底板上堆积的塌落体可知，顶板变形破坏严重，若发生在实际工程中，会严重威胁着施工人员的安全； 巷道帮部形成了具有一定规模的开裂，围岩以此为突破口向采空区收敛，拱肩和起拱线处也发育这种沿巷道走向的拉张裂缝； 巷道底板已出现严重的开裂和隆起现象，底鼓变形明显，工程中会严重影响巷道正常服役。

图 9所示为研究区巷道现场调查结果，现场中所见的顶板开裂掉块，边墙开裂和底鼓等现象，均在物理模拟中得到了很好的体现，试验真实还原了工程中巷道的变形破坏特征，充分说明了该试验方法的准确性和可行性。

5 结 论

本文提出了一套节理围岩巷道开挖的物理模型试验方法，并依托金川矿区典型的菱块状围岩巷道，详细介绍了模型搭建和开挖过程，证明了此方法的实用性和高效性，主要得到以下几点结论：

(1)提出了一种浇-砌混合物理模型搭建方法，在模型内圈采用砌块堆砌的方式，外圈选择浇筑的方式，既能体现出节理围岩的结构特征，又能提高试验效率。

(2)自主研制了一种螺旋牵引式巷道开挖装置，由预埋模具、拆模卡板和摇杆3部分组成，通过螺旋牵引的方式完成巷道开挖，对模型扰动小，成型好，亦可充分还原巷道分步开挖的实际工况。

(3)依托金川矿区典型巷道制作的物理模型，真实还原了工程中巷道的变形破坏特征，试验所得结果与现场调查中观察到的巷道变形破坏现象高度一致，充分说明了该试验方法的准确性和可行性。