动力扰动下充填体内预留巷道稳定性分析

罗福龙

摘要：巷道的稳定性是矿山安全高效生产的保障，在动力作用下实现充填体内预留巷道的稳定性预测，是指导工程实践的关键。为了研究不同扰动下充填体内预留巷道的动力响应规律，以某矿山工程为研究对象，采用3DEC数值模拟技术，建立了巷道动力稳定性分析的三维数值模型，并进行了数值模拟分析。研究结果表明：对于马蹄形巷道，同一水平的动力扰动对侧帮的影响较大。随着动力扰动距离的增大，巷道周围质点振动的差异性越来越小。采用钢丝绳+钢筋网的预留巷道开采方式，能够合理有效地对巷道外爆破动力扰动进行很大程度上的削弱，这对于巷道稳定性的保持是非常有利的。

关键词：充填体；动力扰动；巷道稳定性；动力响应；数值分析；支护

中图分类号：TD853.34          文章编号：1001-1277（2023）06-0004-07

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230602

引 言

由于长期开采，浅层矿产资源日益减少。深部矿山“三高一扰动”的特殊环境使得深部开采机制和浅层开采机制之间存在很大差异。特别是在高地应力下，强烈的动力扰动会改变岩石的稳定性，使其表现出非常特殊的力学行为，甚至会导致岩爆、突水、采空区失稳和其他威胁采矿生产安全的灾难性事故［1-5］。

国内外许多专家对巷道稳定性进行了深入研究：何满潮等［6］通过理论研究、室内和现场试验，证明各种动力扰动，包括地震、爆破、开采和掘进扰动对巷道围岩的稳定性有重大影响。高富强等［7］创建了深部巷道二维动力模型，并使用有限元分析软件分析强烈扰动下巷道围岩的应力、位移和塑性场的变化。左宇军等［8］使用RFPA软件模拟了在动态应力条件下的深部巷道围岩，分析了动态力学响应，并获得了地应力状态强度与围岩失稳规律。李夕兵等［9］利用软件对沙坝矿高应力巷道动力扰动进行了分析，探讨了高应力巷道对动力扰动的力学响应规律。温颖远等［10］模拟了不同硬度煤层巷道围岩在地震波影响下的反应，并分析了软岩和硬岩煤层中巷道在动力扰动下的稳定性变化规律。胡毅夫等［11］以一大型深部巷道为例，对动力扰动下巷道围岩力学响应进行数值分析，讨论了巷道失稳与原岩垂直、水平应力及动态扰动强度大小的关系，并进行了巷道支护优化方案设计。

目前，有许多数值模拟方法可用于分析和评估岩体中巷道的变形和稳定性。在某些情况下，有限元法、边界元法和拉格朗日法可用于通过接触单元模拟不连续性。然而，上述方法不能自动识别计算过程中产生的新中断面，只能模拟小变形或转动。对于地下开挖的大变形问题，离散单元法更适合。目前，Cundall提出的离散元方法和Lemos改进的离散元法是分析不连续块体应力变化的常用工具［12-13］。离散元方法可以有效地分析不同应力和应变条件下块体的力学行为，并容易地计算大变形和完整岩体的复杂本构行为。3DEC软件的优点是创建离散单元，实体在3DEC软件中可以离散为黏结块体模型（Bonded Block Model，BBM）［14］。

本文利用3DEC软件对动力扰动作用下充填体内预留巷道的动态响应规律进行数值模拟分析，揭示动力扰动下充填体内预留巷道的应力波传播特征和能量分布特征及支护前后巷道的稳定性变化，为理论分析提供依据。

1 数值模型及力学参数

1.1 模型的建立

充填体尺寸为长×宽×高=40 m×40 m×60 m，充填体内预留巷道的尺寸为3 m×3 m的三心拱马蹄形巷道。充填体研究区域被划分为具有预定义尺寸的四面体，块体大小与研究区域尺寸有关。

在充填体开挖现场，其支护材料采用钢丝绳+钢筋网的支护形式。在3DEC软件中，由于缺少钢筋网及钢丝绳等支护单元，进而采用连续块体单元赋予钢铁材料等力学参数实现钢筋网的模拟，而钢丝绳这一单元则采用锚索单元进行代替。

采用3DEC软件建立的充填体内预留巷道数值模型如图1所示。由于全模型采用BBM将极大地增加计算量，严重降低计算效率。因此，为了突出充填体损伤特征，仅在充填体预留巷道的重点研究区域，采用BBM模型进行充填体离散化处理，以获得充填体受动载作用下的裂隙扩展规律，该研究区域长为5倍巷道半径，宽为炮孔长度（3 m）。在模型的BBM区域，块体遵守线性关系，接触面采用摩尔-库仑准则，模型其余部分采用连续体，其本构关系采用摩尔-库仑准则。充填体预留巷道内钢丝绳+钢筋网形式的柔性支护如图2所示。

1.2 充填体材料及支护材料力学性质

充填体材料分为灰砂比为1∶4及1∶8的充填体材料，力学参数如表1所示。从节约成本的角度考虑，本文采用灰砂比1∶8的充填体材料进行分析。

在BBM区域，由于该区域由块体单元和接触面单元构成，因此该区域的充填体块体单元采用线弹性材料，块体力学参数采用表1中灰砂比1∶8充填体材料力学参数，区域的破坏特征由接触面之间的张拉、剪切进行表征。因此，接触面采用弹塑性本构关系，经过参数校正，灰砂比1∶8的充填体接触面力学参数如表2所示。本文数值模拟采用锚索代替钢丝绳对钢筋网进行拉伸处理，采用的锚索力学参数如表3所示。

2 柔性支护下（加网）巷道稳定性分析

由于充填体存在着接顶不完全的情况，故数值模型仅考虑充填体自重应力的影响，模型仅施加自重應力的影响。在进行动力分析之前，首先进行模型应力平衡求解，如图3所示。从图3中可以看出，采用钢丝绳+钢筋网的支护方式，在采场充填完之后，有效减小了预留巷道周围的位移场，说明在充填体自重应力作用下，预留巷道上方获得了有效支撑。

最大主应力分布云图（3DEC软件中压为负，拉为正，因此最小主应力实际上是最大主应力）如图4所示。钢筋网等支护结构成为了预留巷道上方主要承压体，压应力比较集中，而充填体内的应力分布较为均匀，从巷道周围位移及应力分布上看，在自重应力的静力作用下，钢丝绳+钢筋网的支护方式，对于保持预留巷道的稳定性起到了很好的作用。

2.1 爆破作用下巷道周围应力波传播特征

为了分析爆破应力波对巷道周围的影响，在垂直爆破中轴线的巷道断面上分别布置了6个监测点，用来监测巷道支护条件下应力波传播特征，并进行比较分析，如图5所示。充分考虑到监测点分布点均匀性，在巷道顶端中部、两侧墙、两侧帮中部及顶板中部位置设置6个监测点，以顺时针方向从顶端中部分别以M1～M6对监测点进行命名。

巷道周围质点振动强度是反应动态特征的一个重要指标，巷道断面监测点在爆破距离分别为10 m、15 m、20 m、25 m下所记录的质点振动（速度）时程曲线如图6所示。从图6可以看出：右侧帮的中间位置M3受动载影响峰值振动速度最大，这在其他方案中也出现了类似的结论，右侧墙M2的峰值振动速度次之，在钢丝绳+钢筋网的支护条件下，顶板的峰值振动速度程度居中，略高于底板质点的峰值振动速度，但远离炮孔一侧的巷道侧墙及侧帮，其峰值振动速度较小。

监测点振动曲线呈现出多驼峰状，而随着爆破距离的增大，巷道周围监测点的峰值振动速度之间的差距缩小，且质点振动的规律性越来越明显。短距离爆破主要对巷道右中侧帮的影响较为显著，当爆破距离不超过10 m时，其质点振动较为紊乱，而当爆破距离达到15 m时，质点振动的规律性开始凸显。但随着爆破距离的增大，巷道周围质点振动的差异性越来越小。

根据巷道周围质点的振动特性，对于马蹄形巷道，同一水平的爆破载荷对侧帮的影响较大，若在实际生产过程中有类似的情况，需要加强对充填体预留巷道侧帮的支护，比如施加锚杆、锚索及混凝土喷射处理。

2.2 爆破作用下巷道周围能量分布特征

通过式（1）获得各监测点在爆破过程中的能量变化情况，结果如图7所示。从图7可以看出：当爆破距离为10 m时，右上侧墙经历了能量急剧上升，然后下降的过程，应变能变化的幅度最大，从破坏倾向性来看，右上侧墙经历了较为强烈的能量增加—减小的过程，该部位发生破坏的可能性较大；而其余部位应变能变化幅值在200 J/m3以内，其破坏的可能性均不及右上侧墙部位。在爆破距离15 m时，右中侧帮的峰值应变能超过了右上侧墙，但差值并不大，两个部位均经历了较强的能量震荡变化过程。当爆破距离为20 m和25 m时，巷道周围部位应变能变化的趋势及特征较为一致，仅在幅值上存在着一定的差异。

从应变能变化的角度上看，传统采用质点振动的峰值速度来判断地下结构发生破坏的标准较为单一，仅能作为一个参考价值，而工程实际中，建议以质点振动峰值速度+应变能的组合指标进行岩体破坏倾向性的判定。

2.3 不同爆破距离对巷道稳定性影响

根据工程经验，爆破距离越大，对地下工程围岩及构筑物的影响也就越小。随着爆破距离的增加，应力波呈指数衰减，由于炮孔布置位置的特殊性，应力波主要对巷道右半边的影响较大，对巷道周围包括顶板中部、右上侧墙、右中侧帮及底板的分析较为有意义。因此，为了研究不同爆破距离对巷道稳定性影响，仅对顶板中部、右上侧墙、右中侧帮及底板中部的监测点进行分析。

顶板中部（M1）、右上侧墙（M2）、右中侧帮（M3）及底板中部（M4）在不同爆破距离下的速度时程曲线对比如图8所示。在爆破距离大于10 m的情况下，各监测点的质点振动趋势较为一致，而当爆破距离不超过10 m时，各部位的振动速度出现明显的变化，具体表现在其峰值速度异常增大，且振动波形的跌落及回弹上升规律变得紊乱。这说明在充填体内裂隙的张拉、剪切等引起应力波的反射及折射，一方面导致了质点振动峰值速度的增加，另一方面导致了应力波传播趋势的无序性。

从图8可以看出，爆破距离的增加对于巷道周围质点振动的变化有较为明显的削弱作用，可以断定的是，爆破距离的增加，极大程度上减小了动力载荷的扰动，使巷道周圍的稳定性得到了保持。此外，对于充填体预留巷道来说，影响巷道稳定性的合理爆破范围为10～15 m。

3 支护前后巷道稳定性对比分析

为了对充填体下预留巷道的稳定性进行分析，充填体中预留巷道采用塑料气囊充气-充填-塑料气囊放气的方法形成充填体内部的巷道。因此，在数值模型建立的过程中，其初始地应力的施加，以预留巷道附以空模型的形式建立，预留巷道上方不加支护时的位移分布云图如图9所示。与图3进行对比可知，在自重应力作用下，巷道顶板的沉降量要明显大于未支护条件下顶板的沉降量。

3.1 巷道周围应力波传播特征对比分析

不支护条件与支护条件下的质点振动速度时程曲线如图10所示。由与支护条件下的巷道监测点振动速度时程曲线的对比分析可知：支护后，巷道右中侧帮的质点振动峰值速度反而要高于未支护前的质点峰值速度，但在右上侧墙和顶板中部等钢丝绳+钢筋网支护的影响范围内，质点振动的峰值速度要明显小于未支护前的质点振动峰值速度，这一点在左上侧墙的质点振动速度时程曲线的对比中也可以看出。然而，在支护材料的影响范围外，如在底板中部、左右两中侧帮的位置上，支护前的质点振动速度可能要小于支护后的质点振动速度。产生这一现象的主要原因是应力波在介质中传播受到介质与节理、裂隙面的影响，若是在均匀介质中传播，其质点振动速度不受钢筋网、钢丝绳等支护材料的影响;而在支护条件与未支护条件下产生质点振动差异的原因在于，当充填体受力不同时，若BBM中节理、裂隙产生张拉、剪切等破坏，使得新的自由面产生，由此增加了应力波的折射、反射面，使得应力波的传播变得复杂。

但是，在巷道施加了支护材料后，在支护材料的影响范围内，巷道周围质点振动的速度要明显小于未施加支护材料的质点振动速度。

3.2 巷道周围能量变化对比分析

巷道支护前后应变能变化对比如图11所示。从图11可以看出：在各个监测点，未支护条件下，除了M2右上侧墙应变能强度变化曲线的包络线没有完全覆盖支护条件下应变能强度变化曲线的包络线，其余各部位未支护条件下应变能强度包络线均能将支护条件下应变能强度包络线覆盖，也就是说，支护条件下，巷道周围的应变能变化幅度要远比未支护条件下巷道周围的应变能变化幅度小。

从应变能随时间变化上看，对巷道顶板周围采用钢丝绳+钢筋网的支护，能够大幅度减小巷道周围应变能的变化，减少动力扰动所带来的能量释放的影响，有效吸收了爆破冲击波所带来的破坏性能量。

总之，采用钢丝绳+钢筋网的预留巷道开采方式，能够合理有效地削弱巷道外爆破动力扰动，这对于巷道稳定性的保持非常有利。

3.3 巷道周围接触面位移对比分析

支护前后预留巷道周围裂隙法向位移量的对比分析如图12所示。图12-a）及图12-b）中30 ms时红色方框作为钢丝绳+钢筋网柔性支护的影响范围区。从图12可以看出：在应力波的传播过程中，支护影响范围区的裂隙法向位移量要明显小于未支护条件下的裂隙法向位移量，且在未支护条件下，红色方框内的裂隙一般呈现压缩变形，对应于负的裂隙法向位移量。但是，随着时间的推进，应力波的作用减弱，除了支护影响区域以外，巷道周围其余部位的裂隙法向位移量未出现较为明显的差异。

对应的支护前后预留巷道周围裂隙切向位移量的对比分析如图13所示。巷道周围裂隙切向位移量的空间分布特点与法向位移量的空间分布特点较为一致。在应力波传播的振中，即30 ms左右，巷道右侧上墙周边裂隙切向位移量的分布尤为明显，在未支护条件下，巷道直接受到应力波的强烈冲击影响。

4 结 论

1）为了更好地判断地下结构是否发生破坏，以质点振动峰值速度+应变能的组合指标进行岩体破坏倾向性的判定。

2）对于马蹄形巷道，同一水平的爆破载荷对侧帮的影响较大。随着爆破距离的增大，巷道周围质点振动的差异性越来越小。爆破距离的增加，极大程度上减小了动力载荷的扰动，使巷道周围的稳定性得到了保持。

3）对于充填体预留巷道来说，影响巷道稳定性的合理爆破范围为10～15 m，以此可以指导工程实际。

4）在巷道施加了支护措施后，在支护措施的影响范围内，巷道周围质点振动的速度要明显小于未施加支护材料的质点振动速度。采用钢丝绳+钢筋网的预留巷道开采方式，能够合理有效地削弱

巷道外爆破动力扰动，这对于巷道稳定性的保持非常有利。

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Abstract：The stability of tunnels is the guarantee for safe and efficient mining production，and predicting the stability of reserved tunnels inside fill bodies under dynamic forces is the key to guiding practical engineering.To study the dynamic response laws of reserved tunnels inside fill bodies under different disturbances，a certain mining engineering was taken as the research object，and a three-dimensional numerical model of tunnel dynamic stability analysis was established and numerically simulated using 3DEC numerical simulation technology.The research results show that for horseshoe-shaped tunnels，the impact of dynamic disturbances at the same level has a greater influence on the sidewall.As the distance of dynamic disturbances increases，the difference in particle vibration around the tunnel becomes smaller.The reserved tunnel mining method using  steel wire rope and steel mesh can effectively and reasonably weaken the dynamic disturbance from outside blasting to a great extent，which is very favorable for maintaining tunnel stability.

Keywords：fill body;dynamic disturbance;tunnel stability;dynamic response;numerical analysis;support