爆破荷載下近斷層巷道穩(wěn)定性研究

史紅邈

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

由于鉆爆法具有地層適應性強、施工成本低、技術成熟度高等優(yōu)點，因此，長期以來，鉆爆法一直是巷道進行開挖掘進的首選施工方法[1]。然而，爆破施工時，爆炸產(chǎn)生的沖擊波將會在巷道圍巖中傳播，造成開挖區(qū)圍巖損傷以及性質(zhì)劣化[2，3]，尤其是巷道靠近不良地段(如斷層破碎帶、陷落柱、溶洞等)時，爆炸引起的圍巖破裂損傷將可能導致巷道發(fā)生坍塌、突水等事故，嚴重威脅巷道安全[4]。

研究成果表明[5-13]，爆炸動載作用下巷道周邊巖體產(chǎn)生的位移和破壞區(qū)要明顯大于靜力荷載，尤其是堅硬圍巖；而且不同的爆破參數(shù)下巷道周邊巖體的變形破壞特征也差異很大。因此，對于近斷層巷道，研究不同爆破荷載作用對其突水和穩(wěn)定性的影響就顯得尤為重要，然而目前關于此類的研究卻很少。本文以屯留煤礦回風大巷為工程背景，采用FLAC3D對有無爆破荷載作用下近斷層巷道的應力、位移、涌水量以及塑性區(qū)的變化分布規(guī)律進行了模擬分析，并在此基礎上研究了爆炸峰值應力、爆炸峰值時間對近斷層巷道的影響。研究結(jié)果可為近斷層巷道施工安全與質(zhì)量控制提供理論數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

屯留煤礦回風大巷埋深500m，設計長度1248m，斷面形狀為直墻半圓拱形，其中巷寬4.8m，墻高1.4m，采用炮掘施工。根據(jù)勘察報告，回風大巷施工至493m時將揭露FD49斷層破碎帶(傾角66°、寬度6.0m、上下盤落差20.0m、水壓2.0MPa)，如圖1所示。斷層上盤巖性以中砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖層較為穩(wěn)定；下盤以泥巖、煤巖、細砂巖為主，巖層穩(wěn)定性較差；斷層內(nèi)填充物則為碎屑狀泥煤巖，穩(wěn)定性極差；各層巖石的物理力學參數(shù)見表1。

圖1 巷道過斷層破碎帶斷面

表1 近斷層巷道周邊巖石的物理力學參數(shù)

2 數(shù)值模擬模型與方案設計

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)工程情況，采用FLAC3D建立爆破荷載作用下近斷層巷道開挖數(shù)值模擬模型。該模型寬度、高度以及長度分別為15m、30m和35m，共包含395143個節(jié)點和382800個單元。模型邊界條件設置為頂面施加豎向壓力12MPa，底面以及四周施加法向約束，破碎帶頂部施加水壓2.0MPa。模擬巷道炮掘施工時，將巷道沿長度方向分為多個進尺(每次進尺為2m)。每次進尺施工時，先將當前進尺內(nèi)的巖體進行挖除并對其表面施加爆炸動荷載；然后打開FLAC3D中的動力分析模式進行動力分析；之后關閉動力分析模式，在設置當前進尺巖體水壓為0的條件下打開滲流分析模式對巷道周邊巖體進行流固耦合分析。計算分析過程中采用gp_flow命令對巷道開挖面上所有節(jié)點的涌水量進行累加統(tǒng)計，得到每步開挖后巷道工作面的總涌水量。

2.2 爆破動荷載的模擬

本文對巷道爆破荷載進行了簡化[14，15]。根據(jù)前人研究成果，單孔爆破作用下，炮孔孔壁所受到的峰值應力可由式(1)獲得：

式中，Pm為單孔爆破作用于孔壁的峰值應力，MPa；ρ為炸藥密度，kg/m；v為炸藥炮轟速度，m·s-1；d為炸藥藥卷直徑，mm；D為炮孔直徑，mm。

當多孔同時爆破時，巷道輪廓面上所受到的峰值應力則由下式計算得出：

式中，Ps為多孔同時爆破作用于計算面上的峰值應力，MPa；r1、r2、…、rn為第1、2、……、n個炮孔距離計算面的距離，m。

峰值應力確定以后，采用Jong改進的應力波時間函數(shù)對巷道輪廓面進行動態(tài)加載[14]，模擬巷道的爆破沖擊作用，見式(3)：

式中，Pt為不同爆炸時間節(jié)點下計算面所受到的爆炸應力，MPa；β為阻尼系數(shù)；t為爆炸作用時間，s；Tm為爆炸作用到達峰值應力點的時間，s。

根據(jù)實際工程情況，取炸藥密度為950kg/m3；藥卷直徑為20mm，炮孔直徑為42mm；炸藥炮轟速度為3000m/s，爆炸峰值點時間為200μs。于是，可得到多孔爆破荷載作用下巷道開挖輪廓面所受到的爆炸應力隨時間的變化曲線如圖2所示。

圖2 爆破荷載作用下巷道輪廓面的爆炸應力函數(shù)曲線

2.3 圍巖本構模型及計算參數(shù)確定

為準確反映巷道周邊巖體的物理力學特征，在表1數(shù)據(jù)基礎上，采用應變軟化模型來模擬斷層周邊圍巖，并取圍巖峰后的殘余內(nèi)聚力為峰值前的35%[16]；當圍巖發(fā)生塑性屈服破壞后，對圍巖滲透系數(shù)和滲透率按表1所示值進行實時變更。此外，在動力分析時，設置巷道周邊巖體瑞利阻尼參數(shù)的主頻以及臨界阻尼比大小分別為250Hz和0.5%。

2.4 數(shù)值模擬方案設計

為研究不同爆破動荷載對近斷層巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，設計以下幾種數(shù)值模擬方案。

1)方案1：不考慮爆破荷載作用，對近斷層巷道進行正常開挖數(shù)值模擬分析。

2)方案2：考慮爆破荷載作用，保持爆炸峰值時間Tm=200μs不變，設置爆炸峰值應力Pm分別為24MPa、60MPa、150MPa、240MPa和600MPa。

3)方案3：考慮爆破荷載作用，保持爆炸峰值應力Pm=120MPa不變，設置爆炸峰值時間Tm分別為50μs、100μs、200μs、300μs、600μs和1000μs。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 爆破荷載作用下近斷層巷道圍巖穩(wěn)定性分析

3.1.1 巷道周邊圍巖應力

當Pm=120MPa、Tm=200μs時，有無爆炸荷載作用下巷道周邊巖體應力的分布曲線如圖3所示。不考慮爆破荷載作用時，巷道周邊巖體最大主應力差均出現(xiàn)在距巷道表面約0.5m的深度位置，其值在巷道兩幫約為21.0MPa，在開挖面前方約為17.5MPa；而考慮爆破荷載作用下，巷道周邊巖體最大主應力差則出現(xiàn)在距巷道表面約1.5m的深度位置，其值在巷道兩幫約為15.8MPa，在開挖面前方約為11.8MPa。兩者相互對比可知，爆破荷載作用使得巷道周邊巖體的最大主應力差出現(xiàn)位置往深處移了1m左右，最大主應力差值則減小了將近17%～33%，而應力集中區(qū)域范圍大小則基本保持不變。這說明，爆破荷載由巷道表面往圍巖深部傳遞的過程中，會使得巷道周邊一定范圍內(nèi)(兩幫約為2.5m，開挖面前方約為6.0m)的巖體發(fā)生不同程度的損傷，而且損傷程度與其距巷道表面距離成反比關系。由圍巖最大主應力差出現(xiàn)位置上看，當Pm=120MPa、Tm=200μs時，爆炸荷載能夠促使巷道表面1.5m內(nèi)的巖體發(fā)生較大幅度的損傷，導致其承載能力大大降低，比不考慮爆破荷載條件下增加了將近1.0m。

3.1.2 巷道周邊巖體位移

當開挖面距斷層不同距離時，有無爆炸荷載作用下巷道周邊不同位置巖體的最大位移值見表2。不考慮爆炸荷載作用時，受斷層破碎帶的影響，開挖面距斷層越近，巷道周邊巖體最大位移也越大，但巷道底板、兩幫以及開挖面巖體位移的增大幅度并不明顯，只有當巷道開挖面接近斷層破碎帶(L=1m)時，巷道開挖面以及底板位移才陡然增大，此時，巷道極易發(fā)生突水或坍塌事故。而考慮爆炸荷載作用下，巷道周邊巖體最大位移隨開挖的變化規(guī)律與不考慮爆炸荷載作用時大體一致，但同一進尺下，前者頂板、底板、兩幫以及開挖面的最大位移要分別比后者大約5%～12%、12%～14%、89%～143%、33%～61%。爆破荷載會使巷道周邊巖體損傷加劇，導致巷道周邊巖體松動變形增大，且臨空面曲率以及暴露面積越大，松動變形增加也越大。

由上述計算結(jié)果還可知，由于斷層破碎帶后方圍巖為堅硬中砂巖，導致巷道爆破開挖過程中斷層破碎帶在突水或失穩(wěn)前的變形異常征兆將不是十分明顯，因此，巷道開挖更容易直接揭露斷層，引起突水坍塌事故。故在實際工程施工時，應加強對巷道前方不良地層的勘測并及時做好預防措施。

當巷道開挖面距斷層破碎帶距離為3m時，巷道周邊巖體在縱向上的位移分布曲線如圖4所示。由圖4可知，不考慮爆破荷載時，開挖面后方的巷道巖體位移在縱向上分布比較平滑且其值都大體一致；而開挖面前方巖體位移則隨著其距開挖面距離的增大而逐漸減小，當穿過破碎帶后，其位移基本為0。考慮爆破荷載作用時，開挖面后方的巷道巖體位移會在縱向上呈現(xiàn)明顯的“波浪”形分布特征，尤其是在每次進尺的交界面附近位置；而開挖面前方巖體的位移大小和分布特征則與不考慮爆破荷載作用時相近。因為爆破荷載對周邊巖體進行沖擊擠壓有一個先迅速增大而后緩慢回落的過程，而在回落的過程中，巖體會逐漸產(chǎn)生松動變形，松動變形在開挖面較小而在后方較大，這就導致巷道后方巖體因缺少支承而在每次進尺交界面處產(chǎn)生較大的波動變形。

3.1.3 巷道開挖面涌水量

當開挖面距斷層破碎帶距離L發(fā)生變化時，有無爆炸荷載作用下巷道開挖面涌水量的變化曲線如圖5所示。可以看出，不考慮爆破荷載作用下，巷道開挖面涌水量在L大于1m時基本保持在0.5m3/h左右；而當L等于1m時，巷道開挖面涌水量就迅速增至756m3/h，意味著此時將發(fā)生突水事故。由此可見，不考慮爆破荷載作用時，巷道開挖面涌水量隨開挖面距斷層距離變化存在明顯的突發(fā)性和高量性。考慮爆破荷載作用，則巷道開挖面涌水量在L大于7m時約為1.5m3/h，在L等于7m、5m、3m以及1m時分別為4.7m3/h、22.3m3/h、358.6m3/h和763.2m3/h。考慮爆破荷載作用時，巷道開挖面涌水量隨開挖面距斷層距離變化有一個漸進且逐漸加快的過程，因此，對堅硬巖層進行爆破施工時，通過觀察巷道開挖面涌水量的變化可以在一定程度避免巷道開挖直接揭露斷層，防止突水事故的發(fā)生。

圖5 有無爆炸荷載作用下巷道開挖面涌水量的變化曲線

3.1.4 巷道圍巖塑性區(qū)分布

有無爆炸荷載作用下巷道周邊巖體塑性區(qū)分布如圖6所示。由圖6可知，不考慮荷載作用時，巷道周邊巖體因開挖卸載在巷道前方以及頂?shù)装瀹a(chǎn)生塑性破壞深度僅為0.5m左右；當開挖面距斷層破碎帶距離L等于1m時，巷道前方巖體塑性區(qū)范圍將與斷層破碎帶貫通，形成導水通道，誘使巷道開挖面發(fā)生突水坍塌事故。而考慮荷載作用時，巷道周邊巖體在巷道前方以及頂?shù)装瀹a(chǎn)生的塑性破壞深度分別為6.0m、2.9m和4.5m；當開挖面距斷層破碎帶距離L等于7m時，巷道前方巖體塑性區(qū)范圍將與斷層破碎帶貫通，形成導水裂隙通道，導致巷道開挖面涌水量開始逐漸增大。可見，爆炸荷載作用大大增加了巷道周邊巖體的破壞面積和損傷程度，因此在開展巷道巖體破裂相關問題研究時，如巷道為爆破開挖，則必須考慮爆破荷載的作用影響，否則，研究成果可靠性將大大降低。

圖6 有無爆炸荷載作用下巷道周邊巖體塑性區(qū)分布

3.2 爆破峰值應力對近斷層巷道圍巖穩(wěn)定性影響

不同的炸藥以及裝藥方式直接決定著炸藥的爆炸峰值應力。當保持爆炸峰值時間Tm等于200μs不變時，不同爆炸峰值應力作用下近斷層巷道巖體位移、塑性區(qū)以及涌水量的變化曲線如圖7所示。由圖7(a)可知，巷道周邊巖體最大位移S與爆炸峰值應力Pm呈指數(shù)遞增關系：當爆炸峰值應力小于120MPa時，巷道周邊巖體位移隨爆炸峰值應力增加增長并不明顯；而當爆炸峰值應力大于120MPa時，隨著爆炸峰值應力的增加，巷道巖體位移增長速率將不斷加快。由圖7(b)可知，巷道周邊巖體塑性區(qū)破壞深度H與爆炸峰值應力Pm呈指數(shù)衰減關系：當爆炸峰值應力小于120MPa時，巷道周邊巖體塑性區(qū)破壞深度隨爆炸峰值應力增加增長很快；而當爆炸峰值應力大于120MPa時，隨著爆炸峰值應力的增加，巷道周邊巖體塑性區(qū)破壞深度增長速率逐漸變緩。由圖7(c)可知，隨著爆炸峰值應力的增加，巷道與斷層破碎帶形成水力通道的時間節(jié)點就越超前，巷道工作面涌水量隨開挖面推進表現(xiàn)出的“漸進增長”特征也會越加明顯。

圖7 不同爆炸峰值應力作用下近斷層巷道巖體位移、塑性區(qū)以及涌水量的變化曲線

3.3 爆破峰值時間對近斷層巷道圍巖穩(wěn)定性影響

當炮孔直徑、最小抵抗線以及巖石類型等發(fā)生改變時，炸藥沖擊波到達峰值應力點的時間也會發(fā)生改變。當保持爆炸峰值時間Pm等于120MPa不變時，不同爆炸峰值時間下近斷層巷道巖體位移、塑性區(qū)以及涌水量的變化曲線如圖8所示。由圖8(a)可知，當爆炸峰值時間小于200μs時，爆炸峰值時間對巷道周邊巖體位移影響很小；當爆炸峰值時間大于200μs時，隨著爆炸荷載作用時間的延長，巷道底板、兩幫以及開挖面巖體位移大體呈線性增長，而巷道頂板巖體則因受重力作用存在冒落的可能性，其位移呈指數(shù)增長。由圖8(b)可知，當爆炸峰值時間小于300μs時，隨著爆炸峰值時間的延長，巷道巖體塑性區(qū)破壞深度逐漸增加，但增加速率卻逐漸變緩；當爆炸峰值應力大于300μs時，隨著爆炸峰值時間的延長，巷道巖體塑性區(qū)破壞深度增長逐漸減小，最后基本保持不變。由圖8(c)可知，不同爆炸峰值時間下，巷道與斷層破碎帶之間水力通道被打通的時間節(jié)點大體一致(Tm=50μs時，水力通道在L=5m時被打通；Tm>50μs時，水力通道均在L=7m時被打通)，但隨著爆炸峰值時間的延長，巷道與斷層破碎帶的水力通道面積卻會越大，進而在相同進尺下巷道開挖面的涌水量也越大。即，爆炸峰值時間越長，巷道開挖面涌水量隨開挖面距斷層距離的減小而增長越明顯。

圖8 不同爆炸峰值時間下近斷層巷道巖體位移、塑性區(qū)以及涌水量的變化曲線

4 結(jié) 論

1)考慮爆炸荷載作用下，近斷層巷道周邊巖體最大位移隨開挖的變化規(guī)律與不考慮爆炸荷載作用時大體一致，但同一進尺下，前者頂板、底板、兩幫以及開挖面的最大位移要分別比后者大約5%～12%、12%～14%、89%～143%、33%～61%。

2)爆炸荷載作用能夠大大增加了巷道周邊巖體的破壞面積和損傷程度，導致巷道開挖面距斷層破碎帶等于7m時，巷道前方巖體塑性區(qū)就會與斷層破碎帶貫通形成導水裂隙通道；此時，開挖面涌水量會隨開挖面距斷層距離減小而逐漸增大，且增大速率越來越快。

3)隨著爆炸峰值應力的增大，近斷層巷道周邊巖體最大位移、塑性區(qū)破壞深度分別呈指數(shù)遞增式和指數(shù)衰減式增長；同時，巷道開挖面涌水量隨開挖面推進表現(xiàn)出的“漸進增長”特征也越加明顯。

4)隨著爆炸峰值時間的延長，巷道巖體破壞范圍和破壞程度會逐漸增加，但增加速率會逐漸減小；相同爆炸峰值時間下，巷道與斷層破碎帶之間水力通道被打通的時間節(jié)點大體一致，但爆炸峰值時間越大，相同進尺下巷道開挖面涌水量也將越大。