深部非爆卸荷帷幕的等效力學作用研究

于世波，楊小聰，王志修，原 野

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

隨著一大批礦山轉向深部開采實踐，中國硬巖礦山已經逐步進入深部開采階段。深部開采中重大安全隱患之一是巖爆動力災害引起的各種暴力破壞事故[1-2]。許多礦山在淺部開采時，沿用淺部開采的思路，導致大量的淺部殘留礦柱處于高應力、極高應力狀態，這些殘留礦柱是最容易發展成為巖爆動力災害的主要危險源，迫切需要針對性的處理方式進行對癥處理從而對其進行安全解危。最常用方法為在垂直最大主應力方向上采用爆破的方式形成切縫帷幕[2-5]，降低礦柱中的主應力水平，從而降低礦柱的巖爆應力風險。事實證明，這種方法在大多數情況下確實是一種行之有效的方法，但在現實生產中，還面對一些高應力高風險的殘留礦柱不允許使用爆破方式進行解危的情況，除了人工制造非爆卸荷帷幕并沒有其他可行的方式可用，而這種非爆卸荷帷幕的人工制造原理是使用密集排孔，充分利用深部高應力及其誘導應力集中的作用，使排孔內部的孔與孔之間巖體發生屈服，從而形成應力隔斷帷幕線，即所謂的非爆卸荷帷幕。

應該說，非爆卸荷帷幕從原理上來說是有科學依據的，但是其起效機制及力學作用仍然不清晰，本文通過理論分析優選帷幕排孔內部孔間距離，采用數值模擬方法，建立非爆卸荷帷幕和對應的爆破切縫帷幕模型，通過非爆卸荷帷幕爆破切縫帷幕應力場和碎裂不穩定區對比分析，探索深部非爆卸荷帷幕的等效力學作用，為深部高應力高風險礦柱的工程處理提供理論支撐。

1 非爆卸荷帷幕孔間距離選擇

為了研究非爆卸荷帷幕的等效力學作用，需要先確定非爆卸荷帷幕多孔之間合理孔間距。首先根據彈性力學分析單孔形成之后的應力分布情況。

彈性力學深部單孔平面應變狀態下的孔壁周邊應力如下：

(1)

(2)

(3)

其中，λ為側壓力系數。為了簡要得出深部單孔的應力影響主要范圍，將λ=1作為簡化情況分析，即當λ=1時，其孔壁周邊的應力分布如圖1所示。可以看出，單孔擾動應力場的明顯影響范圍為3倍孔的半徑。因此，要使兩孔或多孔之間形成高應力集中區，應使深部非爆卸荷帷幕孔間間距在3倍孔的半徑以內，本次選取3倍孔的半徑作為基礎進行非爆卸荷帷幕排孔高應力作用下的探索研究。

圖1 深部圓形孔開挖后的二次應力分布Fig.1 Secondary stress distribution after deep hole excavation

2 數值力學模型

為了探索非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕的等效力學作用，建立了對應兩種情況的數值力學模型，如圖2所示。其中非爆卸荷模型鉆孔直徑為40 mm，共建立12個鉆孔；爆破切縫模型連續切縫長度等同于12個鉆孔的直徑。兩個力學模型的尺度和邊界條件都相同，本構模型采用廣義Mohr-Coulomb模型，應力邊界采用中國西南某礦深部水平推測最大主應力值84.7 MPa和最小主應力值44.6 MPa，模擬選用力學參數為該礦深部巖體力學參數，如表1所示。

圖2 卸荷帷幕數值力學模型Fig.2 Numerical mechanical model of deep destressing curtain

為了說明高應力條件下的非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕的等效力學作用，結合非爆卸荷帷幕的鉆孔影響范圍初步選擇距離，分別設置了兩種模型中1#孔與1#切縫、1#～4#孔與1#～4#切縫、1#～4#～7#孔與1#～7#切縫的模擬結果對比。

為了模擬高應力作用下的排孔內部由于高應力導致的破裂不穩定情況，本次結合連續介質力學模型的特點，以安全系數方式判定高應力導致的孔間破裂不穩定性。安全系數以FLAC3D軟件中的廣義Mohr-Coulomb準則制定，既服從剪切破壞又要服從拉破壞，安全系數在FLAC3D中以Zone Extra形式進行輸出。

3 非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕應力場和碎裂不穩定區對比分析

對非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕應力場和碎裂不穩定區分別進行對比分析，探索深部非爆卸荷帷幕的等效力學作用。

3.1 應力場對比分析

非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕應力場模擬結果如圖3、4所示。可以看出，1#孔與1#切縫實施后，在孔和切縫的兩側均出現高度應力集中區；1#～4#孔與1#～4#切縫實施后，在兩側也出現高度應力集中區，1#孔和4#孔之間有一部分較高應力分布，但在1#～4#孔外圍形成明顯的低應力區，形成重要的應力低值卸荷區，即形成了與1#～4#切縫一樣的應力隔斷區；在1#～4#～7#孔與1#～7#切縫實施后，仍然呈現了同樣的分布規律，同樣，如果形成更長的排孔，則與爆破切縫帷幕應力場具有同樣的分布規律。

圖4 爆破切縫帷幕應力張量場分布圖Fig.4 Stress tensor field distribution of explosive slot curtain

綜上，非爆卸荷帷幕排孔在高應力作用下在實測最大主應力方向產生明顯的卸荷區，這與爆破切縫帷幕形成的卸荷區域具有明顯一致性；同時兩種帷幕都能實現將高應力向帷幕兩端的深處轉移，在帷幕長軸兩側真正起到了應力隔斷作用。因此，非爆卸荷帷幕與爆破切縫帷幕在應力場分布與轉移上具有明顯的等效作用。

3.2 碎裂不穩定區對比分析

非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕碎裂不穩定區數值模擬結果如圖5所示。可以看出，1#孔與1#切縫實施后，在孔和切縫的周邊均產生了破裂失穩現象，且破裂失穩的形狀近似“蝶形”；1#～4#孔與1#～4#切縫實施后，在兩側也均產生了破裂失穩現象，且破裂失穩的形狀也近似“蝶形”，并且不穩定“蝶形”區形態和小于1的安全系數值范圍大小一致；在1#～4#～7#孔與1#～7#切縫實施后，仍然呈現了同樣的分布規律。同樣，如果形成更長的排孔，則與爆破切縫帷幕碎裂不穩定區具有同樣的分布規律。

圖5 非爆卸荷帷幕和爆破切縫帷幕破裂不穩定區分布圖Fig.5 Broken instability area distribution of non-explosive destressing curtain and explosive slot curtain

綜上，在深部高應力作用下，非爆卸荷帷幕孔間與孔周均產生了破裂失穩現象，且破裂失穩的形狀近似“蝶形”，這與爆破切縫帷幕形成的破裂失穩范圍和破裂失穩形狀幾乎一致。因此，非爆卸荷帷幕與爆破切縫帷幕在深部高應力作用下誘導產生的碎裂不穩定區上具有明顯的等效作用。

4 結論

1)通過彈性力學解初步確定深部非爆卸荷帷幕孔間距，3倍孔的半徑可作為非爆卸荷帷幕排孔高應力作用下等效力學作用探索研究的基礎條件。

2)模擬結果表明非爆卸荷帷幕應力場的分布和高應力碎裂不穩定區分布上與爆破切縫帷幕具有高度的一致性，在力學上具有明顯的等效作用。

3)通過合理的布置孔間間距能夠實現空間巖體的失穩破裂、非爆卸荷帷幕兩側應力的隔斷，從而能夠達到高應力礦柱卸荷目的，實現對巖爆嚴重采場的解危。