金川礦區深部巷道開挖損傷數值模擬研究*

孫琪皓 馬鳳山 萬 洋 郭 捷 李 光

(①中國科學院地質與地球物理研究所， 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室， 北京 100029， 中國) (②中國科學院地球科學研究院， 北京100029， 中國) (③中國科學院大學， 北京 100049， 中國)

0 引 言

近年來，地下工程不斷向深部進軍，一系列重大工程如戰略能源的深部存儲、核廢料的深部地質處置等工程相繼推進建設。在淺部礦產資源日益枯竭的背景下，深部礦山建設更是已經成為常態，超千米深的礦井屢見不鮮，僅在我國，就現存有47座超千米深煤礦和十余座金屬礦(柏建彪等， 2006； 李夕兵等， 2011； 康紅普等， 2015)。

深部具有更加復雜和惡劣的地質環境，特別是在高應力的作用下，巖體的力學性質、變形特征和破壞方式均呈現出特殊的表現形式。在這種條件下，巷道開挖會誘發開挖輪廓面周圍巖體應力的急劇調整，圍巖應變能產生積聚、耗散、釋放或轉移等行為，從而使巖體受到不同程度的損傷，這種損傷極易繼續發展演化，最終導致失穩破壞甚至巖爆等災變現象的發生。可以看到，深部巷道開挖損傷問題已經成為了當前深部礦山安全開采所面臨的重要課題。

深埋巷道開挖是一個典型的動態過程。近年來，科研人員采用了各種方法來研究地下開挖引起的圍巖損傷破壞機制。現場監測方法提供了一種直觀的研究手段，因此被廣泛應用于開挖后巷道圍巖動態力學行為的觀測中。學者們通過進行現場原位試驗，獲得了大量的現場原位數據(Siren， 2015； Chen et al.，2019)。然而，監測的滯后性和數據采集的長周期性，使得該方法難以及時捕捉到所有短期開挖反應。為了預測和評估開挖損傷的范圍，許多理論方法或經驗方法被先后提出，如收斂約束法(Convergence Confinement Method， CCM)，它能夠獲取對圍巖收斂位移及其傳遞到支護上的載荷大小的準確估計(Carranza-Torres et al.， 2000)。此外，還有學者提出了基于有效輸入數據的損傷區預測方法，用以預測巷道圍巖損傷區的深度和形狀(Wu et al.，2009)。這些研究在一定程度上加深了人們對于開挖損傷的理解。當前，數值模擬方法作為一種靈活實用、高效直觀的方法，得到了越來越廣泛的使用，在工程巖體變形破壞機制的研究中也發揮出了重要的作用(Golshani et al.，2007； Liu et al.，2020)。隨著模擬方法的不斷創新和計算機科學的不斷進步，研究人員采用各種基于連續或不連續模型的數值方法，對巖體開挖過程進行模擬研究，以獲得巷道開挖的力學響應和初期支護的作用效果(Yang et al.，2015； Vazaios et al.，2017； Müller et al.，2018； 孫琪皓等， 2018； Wu et al.，2018)。盡管前人的研究已經取得了很多重要成果，但仍然缺乏對于開挖作用引起的深部巷道開挖損傷演化模式的系統歸納。

金川礦區是我國最大的鉑族金屬提煉中心和金屬鎳生成基地，其中二礦區是目前正在開采的主力礦區(馬鳳山等， 2019； 趙海軍等， 2019)。在二礦區進行現場調查時發現，深部巷道在開挖后損傷極其嚴重，給采礦安全帶來了嚴重的威脅。因此，亟需開展金川礦區深部巷道開挖損傷區演化特征、發展規律、形成機理以及發展趨勢的研究，以更好地指導圍巖支護設計和安全性評價工作，并為采取針對性的地質災害防治措施提供依據。

1 金川礦區深部巷道的開挖損傷問題

由于金川礦區所處位置的地質構造十分復雜，構造活動十分強烈，使得礦區的地質條件極為惡劣，水平構造應力突出，節理、裂隙、斷層等多尺度結構面極為發育。經過幾十年的開采，礦區淺部資源日趨枯竭，開采深度逐漸增加，目前已超過地下1100m(圖 1)。深部具有更加復雜的地質環境，在開挖作用的影響下，巷道的損傷變形破壞問題也成為了金川礦區棘手的難題(李光等， 2018； 江權等， 2019)。

圖 1 金川礦體開采縱剖面圖Fig. 1 Longitudinal profile of orebody in Jinchuan mining area

圖 2 金川二礦區深部巷道巖體結構Fig. 2 Rock mass structure of deep roadways in Jinchuan No.2 mining area a. 整體塊狀結構； b. 層狀結構； c. 菱塊狀結構

圖 3 金川二礦區深部典型損傷破壞現象Fig. 3 Typical damage and failure phenomena in deep roadways of Jinchuan No.2 mining area a. 巷道開挖損傷現象； b. 支護損傷破壞現象

2 巷道開挖損傷的數值分析模型

數值模擬方法能夠模擬很多復雜的過程，同時可以監測和采集復雜工況下的動態特征數據，因而是采礦工程領域中研究巖土體響應規律和宏細觀現象機制的有效工具。為了分析金川礦區深部巷道的開挖損傷模式，本文采用離散元軟件UDEC(Universal Distinct Element Code)進行數值分析。(Coulthard，1999； Popp et al.，2008； Coggan et al.，2012； 高富強， 2019； Khademian et al.，2019)。

2.1 開挖等效模擬方法

深埋巷道開挖是一個典型的時空過程，然而由于三維模型成本高、費時費力和計算能力不足等局限性，在實際工程初步設計時一般采用二維平面模型進行分析。這就需要采用等效模擬方法來近似還原開挖的動態作用。常用的等效模擬方法主要包括巖芯置換法、邊界應力釋放法等，它們大多是將開挖作用等效為被開挖巖體內部壓力的突然釋放或等比例漸進釋放。而本文則采用Sun et al.(2021)提出的等效模擬方法。這種方法基于對掌子面前后方不同的力學過程的分析，將掌子面前方的主導因素歸結為應力集中效應，掌子面后方則為空間效應。因此，掌子面前方的內部虛擬壓力可以通過彈塑性理論分析近似求得，掌子面后方的內部虛擬壓力則可以利用收斂約束曲線耦合求得。經過計算近似求取出分階段的內部虛擬壓力值后，最終能夠得出如圖 5所示的壓力曲線。在模擬中，采用分階段施加等效壓力和分階段計算的方法，從而得到更為真實的圍巖開挖動態力學響應。

圖 4 金川二礦區巷道返修費用年表(至2018年)Fig. 4 Schedule of roadway repair costs in Jinchuan No.2 mining area(till 2018)

圖 5 等效開挖應力路徑示意圖Fig. 5 Diagram of equivalent excavation stress path

2.2 非均質模型

巖石是一種典型非均質材料，內部缺陷和微元強度的差異性使得其損傷發展及最終宏觀破壞行為可能大相徑庭。為了能在數值計算過程中表達出這種重要的特性，研究中多采用Weibull分布來體現巖石的非均質特性(劉港等， 2018； 孫琪皓等， 2019； 王志文等， 2019； 夏海城等， 2021)。

本文假設巖體微元體的彈性模量服從Weibull分布，在數值模型中通過Fish語言編寫函數進行實現。雙參數Weibull分布的概率密度表達式為：

(1)

概率密度曲線如圖 6所示。式中：x為單元的屬性參數，本文取彈性模量；λ為尺度參數，代表屬性參數的平均值；m為形狀參數，反映屬性參數的均質度。

圖 6 彈性模量的Weibull分布Fig. 6 Weibull distribution of the elastic modulus

圖 7 不同巖體結構模型Fig. 7 Models of different rock mass structures a. 完整狀圍巖模型； b. 層狀圍巖模型； c. 菱塊狀圍巖模型

圖 8 完整塊狀圍巖的開挖損傷結果Fig. 8 Excavation-induced damage of intact massive rock mass a. 埋深550m； b. 埋深750m； c. 埋深1000m

圖 9 層狀圍巖的開挖損傷結果Fig. 9 Excavation-induced damage of layered rock mass a. 埋深550m； b. 埋深750m； c. 埋深1000m

2.3 數值分析模型的建立

為了研究不同情況下的開挖損傷演化情況，結合現場調查和監測結果，分別考慮了不同深度和不同巖體結構的影響。選取二礦區1200m水平(埋深550m)、1000m水平(埋深750m)和814m水平(埋深1000m)的新開拓巷道作為研究對象，研究中可以近似忽略相鄰巷道及其他工程擾動的影響。同時，考慮在各水平均出露較多的整體塊狀、層狀和菱塊狀3種巖體結構。將不同的影響因素相互組合，共確立了9種數值模擬方案，如表 1所示。根據試驗巷道的幾何尺寸特征，設置數值模型的高度和寬度均為28m，巷道開挖輪廓為直墻半圓拱形，高度和寬度均為4m。模型使用Trigon建模方法，單個塊體單元尺寸設置為20～40cm。

表 1 數值試驗方案Table 1 Numerical test scheme

數值計算開始前，需要進行計算參數的標定(戴峰等， 2015)。將從深部巷道中所采集的大理巖完整巖芯樣品制成標準試樣，利用試驗室MTS Exceed 40伺服試驗機進行室內單軸壓縮試驗，得到了巖塊的基本力學參數。利用經驗轉換公式(Sun et al.， 2020)，獲得了工程尺度的巖體力學參數(表 2)。最后，進行了一系列的單軸壓縮數值模擬試驗，根據峰值強度和彈性模量值標定了所需的細觀參數(表 3、表4)。

綜上所述，中地裝(北京)科學技術研究院有限公司研發了一套滿足3000 m地熱水井施工的先進的電傳動JDR-30DB型主絞車，本文對該絞車進行簡單的介紹。

表 2 巖塊和巖體的力學參數

表 3 UDEC Trigon模型中標定的力學參數Table 3 Calibrated mechanical parameters in the UDEC Trigon model

表 4 標定物理參數的擬合度結果Table 4 Physical mechanical parameters obtained by fitting

表 5 模型中施加的邊界應力值Table 5 Boundary stress values applied in the models

在所有數值模型中，均采用前述非均質性的表示方法。同時，根據實際情況，施加邊界條件和初始條件。選擇部分代表性地應力測點，將有傾角的地應力實測值換算到水平及豎直方向，得到的具體結果見表 5。在模型的頂部邊界和兩側邊界分別施加垂直應力和水平應力，以此來表示巷道所承受的地應力； 側向邊界的水平位移和底部邊界的水平位移、垂直位移都需要進行約束。

在進行邊界條件的固定和實際地應力的施加后，首先需要將模型運算至平衡狀態，以穩定的初始應力場來模擬巷道開挖之前的原巖應力場。然后通過UDEC模型中的Fish語言程序，采用等效開挖模擬方法實現開挖輪廓邊界虛擬壓力按照既定的路徑分階段變化，且在每個階段計算足夠的步數使模型中的不平衡力減小至忽略不計。在模擬過程中，利用自編程序，實現對模型中接觸狀態變化的捕捉，將新產生的剪切裂隙標記為藍色，拉張裂隙標記為紅色，以此來研究開挖過程損傷裂隙的演化規律。

3 深部巷道開挖損傷演化模式

采用9種模型分別進行計算，獲得了深部巷道圍巖隨著開挖面推進的損傷演化過程。

3.1 數值模擬結果分析

完整塊狀結構巷道圍巖的開挖損傷演化情況如圖 8所示。較淺部(埋深550m)的巷道開挖后，由于頂底板處產生應力集中，損傷裂隙首先在頂底板萌生，隨著開挖的進行，損傷裂隙由頂底板逐漸向深處蔓延，最終形成了如圖 8a所示的開挖損傷區； 當巷道埋深增加至750m時，在頂底板處的損傷區形成后，裂隙即開始向兩幫處擴展，圖 8b中兩側邊墻處的損傷裂隙明顯增多； 而埋深1000m的巷道最終形成了圖 8c中近似環狀的開挖損傷區。

層狀結構巷道圍巖的開挖損傷演化情況如圖 9所示。較淺部的巷道開挖后，損傷裂隙首先沿頂底板發育，最終左側底板和右側拱頂處損傷程度最大(圖 9a)； 隨著巷道埋深的增加，損傷裂隙也開始向兩幫處擴展(圖 9b)； 在較深部巷道中，損傷裂隙依次在底板、頂板和兩幫處聚集，損傷區的發展明顯受層面產狀的影響，且沿層面方向的裂隙普遍擴展長度較大(圖 9c)。

圖 10 菱塊狀圍巖的開挖損傷結果Fig. 10 Excavation-induced damage of rhomboid rock mass a. 埋深550m； b. 埋深750m； c. 埋深1000m

菱塊狀結構巷道圍巖的開挖損傷演化情況如圖 10所示。較淺部的巷道開挖后，會在頂底板各形成一個“V型”損傷區，初期主要沿結構面產生損傷，構成了損傷區的外部邊界，隨著開挖的進行，內部的層間裂隙明顯增多； 而在較深部巷道中，初期在頂底板和兩幫處先后形成了局部的“V型”損傷區，隨著開挖的進行，損傷逐漸擴展并相互融合，發展形成了以結構面為邊界的菱形損傷區。

3.2 開挖損傷演化模式分析

在不同埋深條件和不同巖體結構中，巷道開挖損傷區的形成和演化過程均有所不同。從開挖損傷區中裂隙網絡的漸進變化過程中可以歸納出不同的損傷區演化規律。根據上述的數值模擬分析結果，結合金川二礦區的現場調查結果，本文歸納出了金川礦區巷道圍巖開挖損傷區的5種演化模式，分別為：底板-頂板擴展型、底板-頂板-兩幫擴展型、平行層面擴展型、楔形擴展型、菱形擴展型。

3.2.1 底板-頂板擴展型

該演化模式產生的主要條件為：整體塊狀圍巖，淺部相對較低的地應力水平，側壓力系數大于1。主要表現為：如圖 11，開挖初期，在巷道頂底板分別出現了小面積的剪切損傷區，即圖中的區域A和B； 隨開挖的推進，損傷區規模不斷增大，A和B分別向上方和下方擴張，形成了兩個近似扇形的剪切損傷區，在頂底板淺部巖體則形成了拉張損傷區，即圖中的區域C和D。這種演化模式主要受到地應力的控制，在這種演化模式的作用下，最終容易產生頂板開裂、塊體掉落或塌落、底板開裂等破壞現象，同時水平構造應力作用將助推底鼓現象的產生。圖 12即為與該種模式類似的現場破壞現象。

圖 11 底板-頂板擴展型EDZ演化模式示意圖Fig. 11 Schematic diagram of floor-roof EDZ evolution mode

圖 12 模式1條件下的現場破壞圖Fig. 12 Roadway failure diagram under mode 1

圖 13 底板-頂板-兩幫擴展型EDZ演化模式示意圖Fig. 13 Schematic diagram of floor-roof-sides EDZ evolution mode

3.2.2 底板-頂板-兩幫擴展型

該演化模式產生的主要條件為：整體塊狀圍巖，深部較高的地應力水平，側壓力系數大于1。主要表現為：如圖 13，開挖初期，在巷道頂底板分別出現了小面積剪切損傷區(區域A和B)； 隨開挖的推進，頂底板處的損傷規模逐漸擴大，A不斷向下方和兩側擴張，B不斷向上方和兩側擴張，同時，頂底板淺部巖體則形成了小規模的拉張損傷區(區域C和D)； A和B最終逐漸融為一體，形成了一個近似環形的剪切損傷區。這種演化模式主要受地應力的控制，在這種演化模式的作用下，開挖區淺部圍巖產生了較大程度的損傷，最終容易產生頂板開裂、坍塌、底板開裂、鼓起、邊墻開裂、片幫等破壞現象。圖 14即為與該種模式類似的現場破壞現象。

圖 14 模式2條件下的現場破壞圖Fig. 14 Roadway failure diagram under mode 2

圖 15 平行層面擴展型EDZ演化模式示意圖Fig. 15 Schematic diagram of parallel layer extended EDZ evolution mode

圖 16 模式3條件下的現場破壞圖Fig. 16 Roadway failure diagram under mode 3

圖 17 楔形擴展型EDZ演化模式示意圖Fig. 17 Schematic diagram of wedge extension EDZ evolution mode

3.2.3 平行層面擴展型

該演化模式產生的主要條件為：層狀圍巖，較高的地應力水平。主要表現為：如圖 15，開挖初期，在沿層面方向，頂底板與層面相交的局部位置首先產生了小規模的剪切損傷區(區域A和B)； 隨開挖推進，剪切損傷發展的方向以平行于層面方向為主，在垂直層面方向的演化速度較慢，同時，在左側底角和右側拱頂逐漸形成了以拉張裂隙聚集的損傷區(區域C和D)。這種演化模式主要受到巖體結構的控制作用，在這種開挖損傷區演化模式的作用下，在層面與開挖區邊界相交的區域容易發生不對稱變形和破壞，最終容易產生偏壓變形、拱肩開裂、底角開裂等現象。圖 16即為與該種模式類似的現場破壞現象。

圖 18 模式4條件下的現場破壞圖Fig. 18 Roadway failure diagram under mode 4

圖 19 菱形擴展型EDZ演化模式示意圖Fig. 19 Schematic diagram of Rhomboid expansion EDZ evolution mode

3.2.4 楔形擴展型

該演化模式產生的主要條件為：菱塊狀圍巖，淺部相對較低的地應力水平，側壓力系數大于1。主要表現為：如圖 17，開挖初期，巷道頂底板分別出現了小面積楔形剪切損傷區(區域A和B)； 隨開挖推進，A和B不斷向上方和下方擴張，同時，頂底板處也形成了拉張損傷區，即區域C和D。由于結構面的存在，首先沿結構面形成了損傷區邊界，繼而內部損傷不斷加劇，達到一定程度時，損傷區繼續沿更深處的結構面形成邊界，從而使損傷面積不斷擴展。這種演化模式主要受到地應力和巖體結構的協同控制，在這種開挖損傷區演化模式的作用下，頂底板圍巖易產生較大程度的損傷，最終容易產生頂板開裂、楔形體塌落、底板開裂、鼓起等現象。圖 18即為與該種模式類似的現場破壞現象。

3.2.5 菱形擴展型

該演化模式產生的主要條件為：菱塊狀圍巖，深部較高的地應力水平，側壓力系數大于1。主要表現為：如圖 19，開挖初期，頂底板分別出現了小面積楔形剪切損傷區(區域A和B)； 隨開挖推進，兩側邊墻處也形成了楔形剪切損傷區(區域C和D)； 隨著損傷區的演化擴展，剪切損傷區最終相互連通，在巷道圍巖中形成了菱形的損傷區，且結構面成為其外部邊界； 淺部圍巖形成了深度較淺的拉張損傷區。這種演化模式主要受到地應力和巖體結構的協同控制，在這種開挖損傷區演化模式的作用下，頂板和兩幫均容易產生楔形體破壞和塌落，底板容易產生開裂和鼓起。圖 20即為與該種模式類似的現場破壞現象。

圖 20 模式5條件下的現場破壞圖Fig. 20 Roadway failure diagram under mode 5

4 結 論

地下深部巷道開挖會引起圍巖損傷的產生和演化。本文以金川二礦區深部巷道為研究實例，通過數值模擬研究得到如下結論：

(1)利用等效開挖模擬方法和非均質模型對9種情況下的巷道開挖損傷演化過程進行了研究，得到了金川二礦區9種不同條件下的開挖損傷區演化特征、發展過程，并闡述了各種情況的演化機理。

(2)結合野外現場調查結果，綜合分析數值模擬計算結果，將深部巷道圍巖開挖損傷區的演化模式歸納為5種類型，分別為底板-頂板擴展型、底板-頂板-兩幫擴展型、平行層面擴展型、楔形擴展型、菱形擴展型，并給出了各種模式的產生條件、表現特征、發生機制以及未來發展趨勢。