岩体模型双向加载巷道开挖卸荷效应

2023-10-18赵光明孟祥瑞董春亮刘崇岩马龙培许文松

煤炭学报 2023年9期

周俊，赵光明，孟祥瑞，董春亮，刘崇岩，马龙培，许文松

(1.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽淮南 232000；2.安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽淮南 232000；3.安徽理工大学力学与光电物理学院,安徽淮南 232000；4.奥卢大学矿业学院,芬兰奥卢 90570)

巷(隧)道开挖，常用的是TBM 或钻爆法开挖，爆破开挖会引起动态效应，产生动力灾害如片帮、岩爆等[1-2]。卢文波等[3-5]通过研究水电站地下厂房开挖过程中岩体的破坏，探讨了爆破开挖过程中岩体动态卸荷效应。陶明[6]对巷道开挖强卸荷破坏出现的层裂现象进行了动态试验和机理研究，研究了围岩的卸荷响应特性。肖建清等[7]针对圆形隧道的开挖，建立了开挖卸荷的力学模型，基于弹性动力学和弹塑性理论，研究了径向、切向初始应力的分布规律。工程现场开挖过程中，对出现的各种围岩破坏形式，暂未形成统一的机理认识，实验模型是主要的研究手段之一。国外设计了多种开挖卸荷模型试验装置[8-9]，国内从20世纪70 年代开始，研制了一系列模型试验设备[10-11]，从单轴到三轴试验机，静态到动静态试验机的发展，且依据许多现场发现制备出不同的功能试验机，研究了或正在研究解决诸如冲击地压、顶板垮落、开挖扰动等实际问题的功能试验机。

试验机主要集中在以岩石试件为对象，研究在静态加卸载条件下或动态加卸载条件下的岩石力学特性。岩石的静动态特性、加卸载能量演化规律都有了大量研究[12-14]，近年来，随着真三轴试验机发展，试件尺寸从单一的圆柱体扩展到更大的立方体或长方体试件。何满潮等[15]对单双面卸荷条件下发生的岩爆现象进行了研究。LI 等[16]通过真三轴卸载试验对围岩板裂化破坏进行了机理研究。赵光明等[17]通过真三轴试验机研究单面卸荷得出卸荷岩石会出现扩容回弹现象。冯夏庭等[18]研制了能够很好完成硬岩试验的声波实时监测的真三轴试验机。宫凤强等[19]通过真三轴试验机研究了隧洞内部卸荷条件下岩爆的模拟，很好的再现了洞壁的V 形槽。苏国韶等[20]在真三轴试验机中进行了不同高温作用后岩石岩爆的破坏形态特征，探讨了高温岩爆的发生机制。现场是大尺度的岩体破坏，需要对岩体开挖进行相似模拟方面的研究，顾金才等[21]研制了三维物理相似模型试验系统，模拟了开挖卸荷条件下围岩的分区破坏现象。侯公羽等[22]研制了能够模拟再现围岩开挖卸荷效应的试验系统，实现了小型围岩试件开挖卸荷效应的模拟。董春亮等[23-24]搭建了开挖卸荷系统，研究了高应力巷道动态开挖卸荷效应。

通过实验模型手段研究开挖卸荷机理在过去取得了一系列重要成果，能够真实模拟巷(隧)道开挖卸荷效应现象的试验还很少，现有试验机都不能直观模拟再现开挖卸荷效应。为此，笔者使用自主研发的巷道围岩动力扰动相似模拟试验装置，有效监测到巷(隧)道动态开挖卸荷全过程围岩破坏，并测试出全过程的应力-时间变化曲线，为进一步全面研究动态开挖卸荷机理提供可靠的试验基础。

1 相似模拟试验

本文的开挖卸荷试验是考虑卸荷时间不考虑加载路径，模拟巷(隧)道动态开挖，试验模型长度是开挖模拟巷道内径的6 倍，动态开挖时几乎不受边界效应的影响。

1.1 相似条件

以矿山深埋典型岩性砂岩岩体为研究对象，取几何相似比Kl=20，按照材料质量配比砂∶石灰∶石膏=4∶3∶2 用搅拌机搅拌均匀。制作50 mm×100 mm 模型试件，对其进行力学性能测试，抗压强度为1.22 MPa，弹性模量0.4 GPa。锤头尺寸固定，使用动态开挖装置对模型试样进行直径20 cm 圆形巷道开挖。

物理相似包括应力、弹性模量、容重和泊松比的相似，相似比分别表示为

式中，Kσ为应力相似比系数；σp、σm分别为应力和模型应力；KE为弹性模量相似比系数；Ep、Em分别为弹性模量和模型弹性模量；Kγ为容重相似比系数；γp、γm分别为容重和模型容重；Kμ为泊松比相似比系数；μp、μm分别为泊松比和模型泊松比；Kg为重力加速度相似比系数；gp、gm分别为重力加速度和模型重力加速度；Kt为卸荷时间相似比系数；tp、tm分别为卸荷时间和模型卸荷时间。

由于应力与弹性模量具有相同的物理属性，所以它们的相似比应该相等，有Kσ=KE。原型与模型具有相同的重力加速度，因此式(2)中的重力加速度相似比Kg=1。对模型试件进行力学测试，得容重相似比Kγ=2。

另外，根据几何、物理和动力的量纲关系，可知3者相似比之间存在：

从式(3)可以看出，只要已知几何和容重相似比，就可以很容易地确定应力相似比Kσ=40 与时间相似比Kt=4.5。

1.2 卸荷时间相似

在开展动态开挖相似模型试验时，通过控制冲击高度模拟岩体开挖卸荷时间，按文献[23]方法计算岩体开挖荷载释放持续时间tp，即

其中，ls为炮孔装药段长度；ld为堵塞段长度；a为相邻炮孔间距；D为爆轰波波速；Cf为裂纹扩展速度，是岩体纵波波速的0.2～0.3 倍；Ca为爆炸气体溢出速度。巷道开挖采用爆破开挖，将表1 爆破参数代入式(4)，计算得到模型的卸荷持续时间约为0.4 ms。试验监测到模型卸荷在0.25 ms 内完成，与计算的时间属同一量级，比计算卸荷持续时间短，能激发卸荷效应。

表1 爆破参数Table 1 Blasting parameters

1.3 动态加载技术

动态加载技术主要是基于冲击压缩原理，冲击压缩又是借助应力波传播实现，根据加载速率不同，加载设备有霍普金森杆和落锤等，实验通过增加200 kg配重使落锤自由下落，材料在强载荷条件下受冲击。

2 动态开挖装置及监测

试验系统如图1 所示，为自主研发的巷道围岩动力扰动相似模拟试验装置，该测试系统可用于研究岩体在开挖过程中的扰动效应，包括开挖引起的围岩破坏和卸荷效应。

图1 巷道围岩动力扰动相似模拟试验装置Fig.1 Similar simulation test device for dynamic disturbance

试验过程中，落锤的提升下降由操作台通过电力系统控制，样品置于加载框内，加载框由伺服系统提供动力，可对样品实施双向轴压加载。测速装置测得落锤接触样品时的冲击速度，被开挖的岩体由空孔处落下。

采用高速摄影仪监测模型表面、动态应变仪监测模型中埋置的应变片信号、静态应变仪模型中埋置的压力盒信号和光纤解调仪监测模型中埋置的光纤信号，对巷道开挖进行全过程监测，监测仪器布置如图2所示。

图2 试验监测系统Fig.2 Test monitoring system

3 试验方案

模型采用相似模拟材料制作，在加载框内制作尺寸为1 200 mm×1 200 mm×300 mm 相似材料模型，施加双向等轴压。在模型内埋置8 块贴有应变片的应变砖，应变砖埋置在距孔洞5、10、15、20 cm 距离处，应变砖布置在洞口2 个相邻方向位置在N 方向和45°方向。在相邻3 个垂直方向W 方向、S 方向和E 方向埋置21 个压力盒，同一个方向埋置点距离孔壁为3、10、17、24、31、38、45 cm，同时埋置光纤，距离孔壁10 cm 圆式布置，监测点布置方式如图3 所示。

图3 开挖卸荷监测示意Fig.3 Schematic diagram of monitoring site

研制的巷道围岩动力扰动相似模拟试验系统可实现在巷道未开挖前，模拟岩体静水压力条件下的初始应力状态，通过操作台控制轴压装置施加“真实”状态的围压。稳定一段时间后，提升落锤冲击加载框内模型，模拟实际巷道开挖卸荷的过程，巷(隧)道围岩实现瞬时卸荷，模型产生破坏，开挖过程中及开挖后模型内应力进行自主调整。

利用自主研制的巷道围岩动力扰动相似模拟试验装置对相似材料的试样进行了巷道围岩动态卸荷过程的模拟，落锤系统载荷200 kg，从400 cm 高落下，冲击出半径为10 cm 的圆形孔洞，模拟巷(隧)道动态开挖。

4 试验动态结果分析

4.1 静态测试结果分析

分别在岩体3 个方向布置21 个压力盒，监测到E 面、W 面和S 面3 个面的21 个有效数据，规定变化符号以压为正拉为负，开挖卸荷前后岩体各距离应变变化规律如图4 所示。开挖前后，测点在S 方向距离洞壁3 cm 处应变变化113，距离洞壁10 cm 处应变变化683，距离洞壁17 cm 处应变变化-303，距离洞壁24 cm 处应变变化385，距离洞壁31 cm 处应变变化224，距离洞壁38 cm处应变变化-96，距离洞壁45 cm处应变变化10，模型E 方向和W 方向有类似规律，其中大于0 表示产生的是压应变，小于0 表示产生的是拉应变。在岩体破坏影响范围内不同距离岩体均有可能受拉或压应力作用，围岩出现拉压应力交替现象[24-25]，此类研究结果可能有助于解释巷道围岩分区破裂化现象的形成机制。

图4 静态应变变化的分布规律Fig.4 Law of static strain change in different direction

如图5 所示，规定横坐标“-”表示为拉应变，“+”表示压应变，围岩应变在岩体卸荷前后发生显著变化，围岩应力场快速调整，卸荷完成后应变变化缓慢减小，曲线斜率近似不变，呈现出岩体的流变性。若定义在开挖前的应变ε0和卸荷后的应变峰值点ε的差值Δε=|ε0-ε|作为衡量测点卸荷程度的指标，称为卸荷应变。

图5 卸荷静态应变变化Fig.5 Variation of unloading static strain

从图6 看出不同距离处卸荷应变大小，在巷道开挖卸荷过程中处于洞壁附近的向应变变化不一定是最大的，离洞壁距离越远，应变变化也可能大。离卸荷面不同距离的测点的卸荷应变变化，距离洞壁3r距离内的测点应变变化将其称为卸荷影响区。将卸荷影响区分为卸荷近区(0～0.5r)和卸荷中区(0.5r～3r)，大于洞壁3r距离的非卸荷影响区称卸荷远区。

图6 卸荷应变与距离的关系Fig.6 Relationship between unloading strain value and distance

根据巷道开挖前后，不同距离围岩卸荷应变大小将围岩分为卸荷近区、卸荷中区和卸荷远区。作不同距离卸荷平均应变趋势线可以看出，应变变化随距离表现出先增后减，在洞壁附近卸荷近区围岩应力更容易得以释放，卸荷应变较小；卸荷中区围岩应力集中，表现为卸荷应变大，后随距离增大而减小，在大于洞壁3r距离后卸荷远区卸荷应变减小并趋于稳定。

4.2 动态应变结果分析

在双向轴压加载条件下进行模拟巷道动态开挖，建立巷道围岩动力扰动相似模拟试验装置落锤开挖模拟巷道全过程的力学模型，如图7 所示。

图7 落锤开挖卸荷全过程力学模型Fig.7 Mechanical model of the drop hammer excavation process

落锤开挖岩体模型可以过程可分为5 个阶段：第1 阶段在开挖前，对岩体模型双向施加初始应力σ0；第2 阶段释放落锤对岩体模型进行开挖，落锤冲击在模型上产生冲击加载荷载p作用在围岩上，图7 中实心圆是模拟巷道(即落锤尺寸大小)，虚线是冲击载荷影响范围；第3 阶段随落锤开挖深度增大冲击速度减小，载荷p快速卸载至初始应力σ0；第4 阶段开挖完成产生圆形孔洞，在初始应力σ0作用下围岩朝开挖临空面产生动力卸荷，临空面应力卸荷至0；第5 阶段围岩应力自主调整最终稳定为应力σ。

在模型N 方向及45°斜对角方向，监测到4 组有效数据，所测加载卸荷数据是在0.25 ms 内完成，满足现场施工卸荷动力相似条件，开挖卸荷瞬间径向应力变化如图8 所示。

图8 应力-时间变化曲线Fig.8 Stress-time curves

模型具有一定的初始应力，应力σ与初始应力σ0比值从1 到正的最大值为加载，从正的最大值恢复至1为卸载，以压应力为正，拉应力为负，绘制监测曲线如图8 所示初始应力和冲击载荷耦合作用下动态开挖卸荷的应力-时间曲线。在开挖过程中，整个卸荷过程在0.25 ms 内，经历了第2、3 和4 阶段。距离洞壁0.5r的围岩测点动态加载阶段应力峰值达到初始应力的4.42 倍，动态卸载阶段应力峰值达到初始应力的2.12 倍，初始应力卸载阶段应力峰值达到初始应力的1.09 倍。距离洞壁r的围岩测点动态加载阶段应力峰值达到初始应力的2.85 倍，动态卸载阶段应力峰值达到初始应力的1.99 倍，初始应力卸载阶段应力峰值达到初始应力的0.22 倍。卸荷应力变化对距离敏感度高，距离洞壁0.5r测点的应力峰值是距离洞壁r测点的应力峰值近2 倍。随着测点离孔洞距离的增加，测点冲击波的压缩波峰值减小，卸荷产生的拉伸波峰值也减小。

动态开挖对岩体的扰动依时间顺序可以分为原岩应力阶段、动态加载阶段、动态卸载阶段、初始应力卸载阶段和蠕变阶段。

第1 阶段：对岩体模型施加双向轴压，岩体模型受力相对均匀，模拟矿山岩体初始应力状态，称原岩应力阶段。

第2 阶段：在0.05 ms 内冲击加载波产生并达到峰值，测点应力在初始应力点瞬时加载至加载峰值点p，此阶段动力效应类似于钻爆法开挖炸药起爆产生冲击应力波加载在周围岩体，称为动态加载阶段。

第3 阶段：冲击应力从加载峰值点降至初始应力，此阶段动力效应类似于炸药完全起爆后爆炸能量耗散于围岩或溢出，此过程称为动态卸荷阶段。

第4 阶段：动态卸荷阶段完成后，落锤冲击产生的冲击波能量基本释放，围岩应力发生动态调整。由于动态开挖产生了临空面，围岩储存的初始应变能朝临空面释放，表现为曲线大幅度快速下降，此动力过程类似于爆破开挖后，在地应力作用下巷道围岩会发生破坏，出现层裂脱落甚至片帮等现象，称为初始应力卸荷阶段。

第5 阶段：结合测点图5 静态监测规律，卸荷结束后岩体继续发生微变化，此过程类似于岩体开挖巷道围岩较稳定后，巷道周围岩体呈现出流变性，称蠕变阶段。

4.3 光纤应变分析

相较于压力盒与应变片，光纤对岩体变形则更为敏感且易于布置，能够更准确接受模型内的变形信号，在距离孔壁r距离处螺旋式布置光纤，在开挖前和开挖后监测岩体应变变化，光纤布置在卸荷影响区内，应变变化如图9 所示。

图9 卸荷前后应变变化Fig.9 Strain change after unloading

应变解调仪里存储一定长度光纤，模型开挖前后应变变化基本不受影响。开挖前光纤预埋在模型中，开挖后围岩应力突然卸荷，紧邻洞壁r距离的围岩经历动态卸荷和初始应力卸荷耦合作用后，光纤应变变化在3 000 左右，开挖卸荷后洞壁r距离范围内呈现受压状态，表现为压应变。

4.4 裂纹扩展过程

岩体模型平面为四方形，模型岩体材料为统一配比，表面刷一层薄薄的石膏，高速摄影仪架设紧挨加载框，镜头垂直向下50°，模型尺寸大仅拍摄了正对镜头的模型区域，模型开挖卸荷过程如图10 所示。

图10 卸荷裂纹扩展过程Fig.10 Crack propagation process

图10(a)为开挖前的岩体模型，此时落锤还未下落，图10(b)黑色部分为落锤冲击的锤头，落锤接触岩体，即在开挖的洞口围岩处出现径向裂纹。裂纹的产生是冲击应力波引起的，由于还未产生卸荷面，岩体内应变能还未释放，裂纹起始韧度由冲击能量提供，动态冲击使得岩体储存的能量沿裂纹方向释放，引起裂纹扩展。图10(c)的环向裂纹是由动态冲击与初始应力耦合作用产生，落锤冲击接触岩体模型，冲击产生的径向应力波致使岩体开裂，本实验中开裂形成了2 条径向裂纹，裂纹扩展的同时落锤沿轴向继续开挖，洞口产生临空面，临空面的出现使得原有围岩应力急剧调整，靠近临空面的围岩发生瞬态卸荷，水平径向应力在卸荷作用下近似降低至0，垂直加载方向也会产生应力调整。由于瞬态卸荷导致模型巷道围岩在临空面方向的约束作用消失[26]，并且卸荷会产生卸荷应力波，产生拉伸作用。故在冲击和初始应力卸荷耦合作用下，起始环向裂纹从围岩最弱处(即径向裂纹处)产生，向相邻径向裂纹扩展，形成平行于洞口的环向裂纹。从能量角度出发，则是岩体储存的能量急剧向临空面释放，当岩石的变形超过所能承受的最大应变就会导致围岩失稳。图10(d)为裂纹扩展，冲击波能量沿径向减弱，围岩应变能向临空面持续释放，径向裂纹及环向裂纹都继续延伸。图10(e)卸荷过程中，径向裂缝扩大，应力调整过程中出现模型卸荷回弹，环向裂纹长度较图10(d)中的环向裂纹发生变化。图10(f)裂纹进一步扩展，环向裂纹沿微裂纹处扩展出现拐角。图10(g)环向裂纹和径向裂纹贯穿，环向裂纹和径向裂纹接连处方向相互垂直。

模型为质地较均匀材料，首次试验操作，除拍摄面S 面，其余3 面W 面、N 面和E 面均被下落的扶正架破坏，如图11(a)所示，为模型开挖前与模型开挖后实际对比图，结合图10裂纹扩展过程，模型受到垂直冲击后拍摄面S面先产生径向裂纹，在初始应力作用下卸荷产生拉应力产生明显的环向裂纹，环向裂纹起裂方向垂直于径向裂纹，且环向裂纹朝向相邻径向裂纹扩展。径、环向裂纹裂纹扩展过程中都会产生部分不同方向的微小裂隙。

图11 开挖卸荷模型破坏Fig.11 Damage of rock-like model after excavation

5 讨论

矿山岩体爆破开挖，由于爆炸冲击和地应力耦合作用，在孔壁会形成一些径向和环向裂隙现象。若分别考虑爆破和初始应力条件下围岩的破坏形式，将爆炸冲击和地应力作用解耦，在无约束条件下进行爆破试验[27]，岩体只产生径向裂纹，如图12(a)所示。对开挖巷道进行轴向加载，产生更多的是环向裂纹，围岩出现层裂或分区破坏[28]，如图12(b)所示。

图12 岩体破坏形式Fig.12 Failure model of rock mass

对于在巷道钻爆法施工过程中，无法确定围岩环、径向裂纹的出现顺序。本文通过实验手段证明动态开挖过程中先出现径向裂纹后出现环向裂纹。根据摄影和监测数据结果，对模拟动态开挖产生的结果进行讨论。落锤冲击岩体模型，冲击对孔壁周围岩体进行压缩加载，切向拉应力大于岩体的抗拉强度时，岩体被拉断，形成径向裂纹；形成的径向裂纹为环形裂纹的形成提供了变形空间，若没有径向断裂，环形断裂的变形是没法实现。加之在岩体储存的初始应变能主导作用下，岩体朝临空面发生卸荷作用，岩体内部出现挤压，内应力影响围岩环形破裂。