劉祥鑫 梁正召 張艷博 姚旭龍 李海洋

LIU Xiangxin① LIANG Zhengzhao② ZHANG Yanbo① YAO Xulong① LI Haiyang①

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卸荷誘發(fā)巷道模型巖爆的發(fā)生機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究*

劉祥鑫①梁正召②張艷博①姚旭龍①李海洋①

以“巷道-圍巖”系統(tǒng)為研究對(duì)象，以水平應(yīng)力卸荷操作模擬工程現(xiàn)場的巷道周邊礦巖開挖卸荷作用，再現(xiàn)了巷道卸荷巖爆。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，巷道卸荷巖爆經(jīng)歷了“平靜期→小顆粒彈射→片狀剝離→片狀剝落”的演化過程，在巷道內(nèi)壁產(chǎn)生“巖爆→應(yīng)力調(diào)整→應(yīng)力調(diào)整失敗→再次巖爆”的多次巖爆過程，最終形成“V”字型巖爆坑。卸荷條件下，不同水平應(yīng)力的巷道模型巖爆將產(chǎn)生不同的破壞，形成了不同的破裂面。理論推導(dǎo)得出卸荷前巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律，運(yùn)用修正Griffith破壞準(zhǔn)則，計(jì)算了不同水平應(yīng)力(8.9MPa、13.3MPa、17.8MPa)卸荷后巷道圍巖發(fā)生巖爆破壞的豎向起裂應(yīng)力，構(gòu)建了巷道邊壁“V”字型巖爆坑的計(jì)算模型。研究得出水平應(yīng)力存在一個(gè)影響豎向承載能力的應(yīng)力點(diǎn)(13.3MPa)，當(dāng)水平應(yīng)力小于13.3MPa時(shí)，水平應(yīng)力與豎向起裂應(yīng)力呈正相關(guān)； 當(dāng)水平應(yīng)力大于13.3MPa時(shí)，水平應(yīng)力與豎向起裂應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)。對(duì)左右邊壁應(yīng)變能累積區(qū)域的信息進(jìn)行量化處理，得出相較8.9MPa和17.8MPa，水平應(yīng)力為13.3MPa的左右邊幫應(yīng)變能集中區(qū)域的累積能量最大，集中區(qū)域與邊壁的距離最短。

巖石力學(xué) 卸荷 巷道模型 巖爆

LIU Xiangxin①LIANG Zhengzhao②ZHANG Yanbo①YAO Xulong①LI Haiyang①

0 引 言

在堅(jiān)硬、脆性巖體的地下巷道中，對(duì)巷道周邊巖體進(jìn)行開挖操作，將對(duì)巷道產(chǎn)生卸荷擾動(dòng)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，繼而出現(xiàn)應(yīng)力集中。若巖體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能突發(fā)性的急劇釋放，產(chǎn)生爆裂松脫、巖屑剝落、巖塊彈射等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，稱之為巖爆(中國科協(xié)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)部， 2011)。任何破壞的發(fā)生都有一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程，巖爆的發(fā)生亦如此。由于現(xiàn)場巖體的非均質(zhì)性、各向異性、不可視性，以及巖爆問題的復(fù)雜性、發(fā)生的瞬時(shí)性、不可逆性，監(jiān)測結(jié)果的失真或誤判時(shí)有發(fā)生。

在巖爆機(jī)理研究方面，基于非線性理論的混沌理論(譚云亮等， 2002)、突變理論(唐春安， 2002)、損傷理論(劉小明等， 1997)、分形理論(謝和平等， 1993)在巖爆問題中得到了廣泛的應(yīng)用。巖爆是突然的巖石破壞，是巖石的破碎和從圍巖中突出并伴隨著能量的猛烈釋放(Brady et al.， 1990)。在地下硐室開挖中，高地應(yīng)力環(huán)境下高儲(chǔ)能脆性巖石通常會(huì)通過脆性破裂快速釋放應(yīng)變能，產(chǎn)生巖爆。即巖爆是伴隨彈性能猛烈釋放的巖體結(jié)構(gòu)劇烈破壞現(xiàn)象，一般發(fā)生在較為完整的十分干燥的脆硬性巖石中。因此，硬巖巖爆的關(guān)鍵在于脆性破壞(陳宗基， 1987； 唐春安等， 1993； 伍法權(quán)等， 2010)。關(guān)于巖爆發(fā)生的本質(zhì)問題，有學(xué)者指出就是圍巖得到了高于破壞的能量，使碎屑獲得了動(dòng)能。如果沒有多余的能量，就是普通的巖石破壞而不是巖爆。而從防治角度出發(fā)，巖爆也可定義為高地應(yīng)力地區(qū)由于地下工程開挖卸荷引起的圍巖彈射性破裂的現(xiàn)象(Linkov， 1996； 何滿潮等， 2007； 錢七虎， 2014)。巖爆的孕育是從巖體破裂開始，并提出了預(yù)測和調(diào)控方案(馮夏庭等， 2012)。針對(duì)隧洞圍巖工程地質(zhì)分類問題，有學(xué)者將云模型理論應(yīng)用于此，建立了隧洞分類多級(jí)定量指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，判定隧洞圍巖工程地質(zhì)類別。針對(duì)一些地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道圍巖較硬脆等情況，應(yīng)用屬性識(shí)別模型，建立了巖爆發(fā)生預(yù)測和烈度分級(jí)的屬性識(shí)別模型，并且評(píng)判結(jié)果與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、距離判別法等的評(píng)判結(jié)果一致(文暢平， 2008； 張勇等， 2016)。巖體破裂過程的演變規(guī)律與能量及斷裂的關(guān)系，學(xué)者總結(jié)出了固體強(qiáng)度的動(dòng)能概念及剛度不連續(xù)下的開采微震事件的巖爆預(yù)測方法(Mamsurov， 2001)。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方面，通過開展含洞室?guī)r體的雙軸壓縮狀態(tài)的巖爆實(shí)驗(yàn)，采用模糊數(shù)學(xué)方法，總結(jié)出考慮多因素的巖爆預(yù)測方法。還有學(xué)者通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究構(gòu)造應(yīng)力對(duì)花崗巖巷道巖爆的影響，從可見光圖像、聲發(fā)射、遠(yuǎn)紅外的變化規(guī)律入手，分析三者與巷道巖爆的內(nèi)在聯(lián)系，揭示巷道巖爆的孕育機(jī)制(秦乃兵， 2001； 張艷博等， 2014)。

本文通過雙軸加載模擬地下巷道的應(yīng)力環(huán)境，以水平卸荷操作模擬巷道周圍巖體的開挖工序，分析水平卸荷后巷道圍巖的應(yīng)力演化特征，得到巖爆在巷道圍巖的顯現(xiàn)規(guī)律。理論求解不同水平應(yīng)力的巷道圍巖發(fā)生巖爆的豎向起裂應(yīng)力值，得出巷道邊壁的“V”字型巖爆坑的形成機(jī)理。采用Plaxis 3D數(shù)值模擬軟件，模擬了水平卸荷作用下“巷道-圍巖”系統(tǒng)的力學(xué)及能量分布規(guī)律，提取應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)變能集中區(qū)域的信息，并對(duì)水平應(yīng)力與集中區(qū)域的相關(guān)信息展開討論。最后，綜合室內(nèi)試驗(yàn)、理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬3種手段，對(duì)卸荷誘發(fā)巷道模型巖爆的發(fā)生機(jī)理開展全方位討論。

1 室內(nèi)巷道模型卸荷巖爆試驗(yàn)

1.1 試樣設(shè)計(jì)

將花崗巖制成150mm×150mm×150mm尺寸的巖樣，通過磨石機(jī)磨平巖樣6個(gè)端面，經(jīng)過人工打磨，試樣兩端面高度差不大于0.05mm，端面不平整度誤差不大于0.02mm，正中心鉆直徑為45mm通孔。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

巷道巖爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由加載系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)兩部分組成，試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

加載系統(tǒng)：RLW-3000雙軸伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，該加載系統(tǒng)可對(duì)水平以及豎直進(jìn)行獨(dú)立控制。其中豎向最大試驗(yàn)力3000kN，橫向最大試驗(yàn)力1000kN，試驗(yàn)力測量精度±1%。

觀測系統(tǒng)：CCD高速相機(jī)、高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)3部分組成，構(gòu)成立體觀測系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)過程

(1)水平方向首先以600N·s-1速率加載到預(yù)定值8.9MPa、13.3MPa、17.8MPa，軸向以1000N·s-1速率加載至花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度值的90%(97.8MPa)；

(2)保持當(dāng)前應(yīng)力環(huán)境5min；

(3)豎向保持不變，水平方向快速卸載(卸載速率為20mm·min-1)。

(4)若沒有發(fā)生巖爆，水平方向恢復(fù)至最初狀態(tài)，豎向增加50kN，重復(fù)步驟(3)，直到發(fā)生巖爆(圖2)。

圖2 水平方向卸荷前后巖石破裂形態(tài)

1.4 巷道卸荷巖爆特征

1.4.1 巖爆過程分析

何滿潮等(2007)研究指出，典型的巷道巖爆可劃分為：(1)平靜期； (2)小顆粒彈射； (3)片狀剝離伴； (4)巖爆發(fā)生。由試驗(yàn)觀察得出，水平方向卸荷后，巷道內(nèi)部也經(jīng)歷了4個(gè)過程 (圖3)。

圖3 巖爆孕育、發(fā)生過程

圖4 “V”字型巖爆坑

在地下工程中，已成型的巷道由于周邊巖體的開挖操作，形成卸荷力學(xué)效應(yīng)，造成局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生松弛效應(yīng)，差異回彈形成殘余應(yīng)力，形成卸荷巖體(費(fèi)文平等， 2010)。巖體在卸荷條件下容易產(chǎn)生張開型裂隙，形成劈裂破壞，巖體積蓄的能量因?yàn)樽杂擅娴拇嬖诙菀桩a(chǎn)生耗散，有利于巖體進(jìn)一步發(fā)生張性破裂。

圖5 巖爆后巷道模型破壞情況

圖6 水平應(yīng)力與聲發(fā)射RA-AF值分布云圖

1.4.2 “V”字型巖爆坑形成

在經(jīng)歷了圖3 的4個(gè)階段后，若巷道模型應(yīng)力調(diào)整失敗，且應(yīng)變能還未完全耗散，孔洞內(nèi)會(huì)再次出現(xiàn)圖3d階段，碎屑持續(xù)在內(nèi)壁左右兩側(cè)剝落，并以一定速度彈射而出。圍巖將經(jīng)歷“巖爆→應(yīng)力調(diào)整→調(diào)整失敗→再次巖爆”的循環(huán)過程，多次應(yīng)力調(diào)整將形成多次巖爆。當(dāng)聚集的能量耗散完后，巖爆停止，最終形成了圖4 所示的“V”字型巖爆坑。

1.4.3 巖爆后的巷道模型整體破壞形態(tài)分析

巖爆是巷道模型內(nèi)壁的局部應(yīng)力集中所發(fā)生的急劇破壞現(xiàn)象，巖爆的發(fā)生也將造成巷道模型整體失穩(wěn)破壞。8.9MPa， 13.3MPa， 17.8MPa屬于水平應(yīng)力，水平應(yīng)力卸載誘發(fā)巷道模型內(nèi)壁均發(fā)生巖爆。但巖爆后導(dǎo)致巷道整體所產(chǎn)生的破裂形態(tài)與劇烈程度與中間主應(yīng)力不同。

破裂劇烈程度方面，水平應(yīng)力13.3MPa破壞程度最嚴(yán)重，巷道模型變形最大(圖5b內(nèi)巷道模型)，且碎屑最為粉碎； 水平應(yīng)力為17.8MPa發(fā)生巖爆時(shí)也產(chǎn)生了較大的破裂，相較于13.3MPa，碎屑尺寸較大； 水平應(yīng)力為8.9MPa也形成了明顯的破裂面，巷道模型變形最小。

破裂形態(tài)方面。水平應(yīng)力為13.3MPa時(shí)，剪切破壞最明顯，剪切裂紋最為發(fā)育 (圖6b)，由于剪切應(yīng)力超過了巖石材料晶體間的滑移、錯(cuò)位能力，使材料發(fā)生了剪切滑移破壞，造成13.3MPa出現(xiàn)了如圖5b的整體粉碎情況； 水平應(yīng)力為17.8MPa時(shí)(圖5c)，形成了平行于最大主應(yīng)力方向(豎向)的張拉破裂面，張性裂紋最為發(fā)育 (圖6c)； 水平應(yīng)力為8.9MPa時(shí))(圖5a)，由于水平應(yīng)力最小，巖爆后發(fā)生的破壞最弱，形成破裂面的開合程度最小，破裂程度也最弱。

2 巷道模型卸荷巖爆的力學(xué)分析

2.1 巷道模型圍巖應(yīng)力分析

在實(shí)際礦山現(xiàn)場，巷道圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，但沿巷道走向的受力及變形一般情況下可不予考慮。為簡化計(jì)算，假設(shè)巷道產(chǎn)生的變形由橫向以及豎向應(yīng)力共同作用形成，可簡化為平面應(yīng)變問題(王嘉新， 1993)(圖7)。以圓形巷道為例，圍巖中的各向應(yīng)力表示如下：

(1)

式中，p為豎向應(yīng)力； q為橫向應(yīng)力； a為巷道半徑； σr為徑向應(yīng)力；σθ為環(huán)向應(yīng)力； τrθ為剪切應(yīng)力； r為A點(diǎn)距巷道中心距離； μ為泊松比。

圖7 巷道簡化模型

在本次試驗(yàn)中，巷道圍巖發(fā)生巖爆的位置位于巷道兩側(cè)，即左側(cè)θ=180°，右側(cè)θ=0°處，帶入式(1)，可得：

(2)

在巷道左右壁面處，r=a，可得：

(3)

當(dāng)豎向應(yīng)力維持在97.8MPa(2200kN)，水平應(yīng)力維持在8.9MPa或13.3MPa或17.8MPa時(shí)，巷道模型保持平衡。當(dāng)水平應(yīng)力卸荷，即巷道在水平方向卸荷時(shí)，式(3)中的q值迅速降低至0，造成σθ達(dá)到最大值3p，巷道左右邊幫處發(fā)生巖爆破壞。

硬脆性圍巖在洞壁平行于最大初始應(yīng)力σ1，致使左右洞壁壓致張裂，形成板狀劈裂，產(chǎn)生如圖3 的劈裂面。在此階段，劈裂破壞經(jīng)歷了兩個(gè)過程(圖8)：(1)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此階段發(fā)生在豎向應(yīng)力呈線性增加階段，進(jìn)入豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力保載階段時(shí)，裂紋擴(kuò)展停止； (2)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，當(dāng)水平發(fā)生卸荷作用時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，形成板狀劈裂，此階段為巖爆初級(jí)破壞階段(譚以安， 1989)。

圖8 巷道左右壁面處卸荷劈裂機(jī)制(王明洋等， 2010)

2.2 “V”字型巖爆坑力學(xué)模型構(gòu)建及分析

巷道左右壁面處卸荷所產(chǎn)生的劈裂破壞，是巷道卸荷單次巖爆的形成機(jī)制。觀察巷道模型演化過程，巷道圍巖經(jīng)歷了多次顆粒彈射及片狀剝落過程，即經(jīng)歷“巖爆→應(yīng)力調(diào)整→調(diào)整失敗→再次巖爆”的循環(huán)過程，最終在左右邊壁形成“V”型巖爆坑。

卸荷操作后，巷道左右邊壁的“V”型巖塊受力情況(圖9)，水平應(yīng)力σh急劇下降至零，圖中左邊表示“V”型巖塊所受豎向應(yīng)力σa，右邊表示將豎向應(yīng)力σa分解成垂直于“V”型巖塊斜面的正應(yīng)力分量σP和平行于“V”型巖塊斜面的切應(yīng)力分量τ。

圖9 “V”字型巖爆坑受力分析

其中求解σP和τ如下所示：

(4)

對(duì)“V”字型巖塊進(jìn)行受力分析可知，“V”字型巖爆坑的形成可分解為如下兩個(gè)步驟：

第1，正應(yīng)力分量σP形成向巷道面的破裂分量，即推動(dòng)巖塊向自由面運(yùn)動(dòng)的分量，從圍巖中拋擲出去。可采用庫侖抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行求解。

即

(5)

第2，切應(yīng)力分量τ將圍巖剪切，最終形成OAB面積的“V”字型巖爆體。

水平應(yīng)力的卸荷，造成豎向應(yīng)力σa逐步遞增，由于破裂的產(chǎn)生，巖石材料產(chǎn)生損傷，使其力學(xué)性質(zhì)降低，導(dǎo)致巖石材料的c和φ數(shù)值降低。“V”字型巖爆坑的形成愈加迅速，在巷道模型縱向的左右邊壁形成了如圖10 所示的連續(xù)巖爆坑。

圖10 孔洞內(nèi)壁巖屑剝落情況

2.3 巷道模型卸荷后圍巖應(yīng)力集中分析

水平應(yīng)力卸荷后，巷道模型圍巖的左右兩邊幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而在此部位出現(xiàn)巖爆。若能掌握卸荷前后應(yīng)力集中的規(guī)律，這必然能指導(dǎo)現(xiàn)場巖爆預(yù)防及治理工作。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬作為第3種研究方法，在巖石力學(xué)問題中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

假設(shè)巷道圍巖的微結(jié)構(gòu)面相對(duì)于模擬尺寸為無窮小，且沒有明顯的層理結(jié)構(gòu)，可將圍巖材料看作均質(zhì)、連續(xù)介質(zhì)。采用基于有限元的Plaxis 3D三維數(shù)值模擬軟件，開展水平應(yīng)力卸荷作用下巷道模型的穩(wěn)定性模擬工作，構(gòu)建圖11 所示的巷道模型，材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 材料力學(xué)參數(shù)

Table1 Mechanical parameters employed in simulation

參數(shù)名稱重度/kN·mm-3彈性模量/kN·mm-2泊松比黏聚力/kN·mm-2內(nèi)摩擦角/(°)圍巖2.6360.000.25060

數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)過程跟室內(nèi)實(shí)驗(yàn)完全一致，具體模擬步驟如下：

第1階段，導(dǎo)入試件模型，如圖9a；

第2階段，巷道模型形成，并對(duì)豎向及水平向加載至應(yīng)力環(huán)境，如圖9b；

第3階段，保持應(yīng)力環(huán)境50步(5min)；

第4階段，以20mm·min-1速率水平卸荷，當(dāng)水平應(yīng)力降為0時(shí)，卸荷結(jié)束；

第5階段，若巷道邊壁并未發(fā)生巖爆，水平方向應(yīng)力恢復(fù)至原始狀態(tài)，豎向增加50kN，重復(fù)第4階段，直到巖爆發(fā)生。

限于篇幅，針對(duì)巷道模型卸荷后圍巖應(yīng)力分析以水平應(yīng)力8.9MPa為例。經(jīng)“第1階段→第2階段→第3階段→第4階段”后，巷道圍巖整體應(yīng)力分布如圖12 所示。

圖12 巷道模型力學(xué)分布云圖

如圖12a所示，在巷道左右邊壁出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中區(qū)C，在上下邊壁出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)P。左右邊壁拉應(yīng)力集中區(qū)C的最大拉應(yīng)力數(shù)值為520kN·m-1m2， 上下邊壁壓應(yīng)力集中區(qū)P的最大壓應(yīng)力數(shù)值為40kN·m-1m2。C區(qū)域面積也要小于P區(qū)域面積，即C區(qū)域集中度也要大于P區(qū)域，再結(jié)合巖石的拉應(yīng)力是壓應(yīng)力的1/10～1/30，造成C區(qū)域比P區(qū)域更易出現(xiàn)破裂。

如圖12b所示，在巷道左右邊壁出現(xiàn)正應(yīng)變E區(qū)域，表現(xiàn)為伸長類的膨脹效應(yīng)。在巷道4個(gè)角出現(xiàn)負(fù)應(yīng)變S區(qū)域，表現(xiàn)為壓縮類收縮變形。其中左右邊壁的正應(yīng)變E區(qū)域的最大拉應(yīng)變數(shù)值達(dá)3.5～4，而巷道4個(gè)角的S區(qū)域最大壓縮應(yīng)變?yōu)?，最大拉應(yīng)變數(shù)>最大壓縮應(yīng)變。再結(jié)合拉應(yīng)變將產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，而壓縮應(yīng)變對(duì)應(yīng)收縮效應(yīng)，E區(qū)域比S區(qū)域更易出現(xiàn)破裂。

綜合巷道模型邊壁的應(yīng)力及應(yīng)變分布可知，在左右邊壁區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)拉應(yīng)力C和拉應(yīng)變集中E區(qū)域。因此，在巷道的左右邊壁將出現(xiàn)拉破壞效果，率先出現(xiàn)巖爆。

3 討 論

3.1 水平應(yīng)力與巷道巖爆發(fā)生起裂應(yīng)力關(guān)系

根據(jù)2.1關(guān)于巷道圍巖的應(yīng)力分析可知，在卸載瞬間，巷道左右壁面處的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到最大，此處的張性裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展，該處圍巖發(fā)生了劈裂破壞，即為巖爆顯現(xiàn)初始階段發(fā)生的具體位置。

在本實(shí)驗(yàn)中，水平應(yīng)力卸荷試驗(yàn)形成巖爆是以劈裂顯現(xiàn)的，是巷道圍巖在雙向受靜水壓后水平方向應(yīng)力(小主應(yīng)力)卸荷致拉的結(jié)果。Griffith準(zhǔn)則是劈裂破壞的起裂準(zhǔn)則，Murrell推廣到二、三維應(yīng)力空間的修正Griffith準(zhǔn)則可表示如下：

(6)

式中，σ1為最大主應(yīng)力； σ2和σ3為中間及最小主應(yīng)力； σt為巖石抗拉強(qiáng)度。

圖14 不同水平應(yīng)力下巷道左右邊幫能量集中情況

圖13 豎向起裂應(yīng)力與水平應(yīng)力關(guān)系圖

表2 巖爆發(fā)生的最大主應(yīng)力對(duì)比

Table2 The maximum principal stress of rock burst occurrence

水平應(yīng)力σ2/MPa式(6)計(jì)算最大豎向應(yīng)力σ1/MPa實(shí)驗(yàn)測得最大豎向應(yīng)力σ'1/MPa8.983.28013.394.9106.717.888.9100

(1)當(dāng)水平應(yīng)力σ2小于13.3MPa時(shí)，隨著水平應(yīng)力σ2的增加，豎向起裂應(yīng)力也隨之提升。

(2)當(dāng)水平應(yīng)力σ2大于13.3MPa時(shí)，隨著水平應(yīng)力σ2的增加，豎向起裂應(yīng)力反而降低。

3.2 水平應(yīng)力與巷道圍巖張性應(yīng)變集中區(qū)域關(guān)系

巖爆發(fā)生與能量的累積量、集中度以及釋放速率有密切關(guān)系，豎向起裂應(yīng)力的大小與應(yīng)變能量累積量相關(guān)(蘭天偉等， 2012)。水平應(yīng)力為13.3MPa時(shí)，豎向起裂應(yīng)力最大，這必然跟應(yīng)變能的集中區(qū)域有直接關(guān)系。從圖11 巷道模型力學(xué)分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，張性應(yīng)變能主要集中區(qū)域分布在左右邊壁(圖14)。

如圖14 所示，水平應(yīng)力的不同，巷道左右邊幫集中區(qū)域的信息也存在區(qū)別。根據(jù)圓形巷道受力的對(duì)稱性，以左邊幫的集中區(qū)域?yàn)槔?，求取區(qū)域的參量(表3)。其中集中區(qū)域面積與水平應(yīng)力呈正相關(guān)； 區(qū)域平均有效應(yīng)力則相差不大； 區(qū)域平均應(yīng)變、區(qū)域能量以及區(qū)域距邊壁距離則出現(xiàn)了圖12 的規(guī)律，即水平應(yīng)力為13.3MPa時(shí)，區(qū)域平均應(yīng)變和區(qū)域距邊壁距離出現(xiàn)了最低值，而區(qū)域能量卻最大。

表3 左邊幫集中區(qū)域信息統(tǒng)計(jì)表

Table3 Statistical table of concentrated area information on left side

水平應(yīng)力/MPa區(qū)域面積/mm2區(qū)域平均有效應(yīng)力/MPa區(qū)域平均應(yīng)變區(qū)域能量/E3*J區(qū)域距邊壁距離/mm8.920.72-290-1.64649.82513.357.57-300-2.26607.37117.8302.40-300-1.648011.886

圖15為不同水平應(yīng)力下左邊幫集中區(qū)域應(yīng)變能以及集中區(qū)域距邊壁距離統(tǒng)計(jì)圖形，結(jié)合圖13 分析可知，在13.3MPa中，巖爆發(fā)生時(shí)的豎向應(yīng)力起裂應(yīng)力最大。這勢必造成累積的應(yīng)變能最多，同時(shí)結(jié)合集中區(qū)域與邊壁的距離最小，水平應(yīng)力13.3MPa發(fā)生的巖爆裂度最大。

圖15 左邊幫集中區(qū)域應(yīng)變能以及距邊壁距離統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié) 論

(1)巷道卸荷巖爆經(jīng)歷了“平靜期→小顆粒彈射→片狀剝離伴→巖爆發(fā)生”的演化過程，在巷道內(nèi)壁產(chǎn)生了“巖爆→應(yīng)力調(diào)整→應(yīng)力調(diào)整失敗→再次巖爆”多次巖爆循環(huán)過程，最終形成“V”字型巖爆坑。在水平快速卸荷作用下，巷道圍巖左右邊壁形成一系列平行于洞壁連通性較差的張裂隙，這些張裂隙將洞壁圍巖分割成顆粒狀、板片狀等小塊狀巖屑，巖屑向自由面彈射而出。

(2)水平應(yīng)力為13.3MPa巖爆發(fā)生后，形成了明顯的剪切滑移破壞。水平應(yīng)力為17.8MPa卸荷后，巷道模型巖爆后將發(fā)生明顯的張性破壞，形成平行于最大主應(yīng)力的張性破裂面。水平應(yīng)力為8.9MPa巖爆發(fā)生后，破裂尺度及破裂裂度最弱。

(3)對(duì)水平方向進(jìn)行卸荷，巷道左右壁面產(chǎn)生平行于卸荷方向的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力在水平應(yīng)力卸為零時(shí)達(dá)到最大。運(yùn)用修正Griffith破壞準(zhǔn)則，計(jì)算了不同水平應(yīng)力(8.9MPa、13.3MPa、17.8MPa)下巷道圍巖發(fā)生巖爆破壞的豎向起裂應(yīng)力值。

(4)水平應(yīng)力存在一個(gè)影響巖爆起裂的豎向應(yīng)力點(diǎn)(本研究為13.3MPa)。當(dāng)水平應(yīng)力小于13.3MPa，隨水平應(yīng)力的增加，豎向承載應(yīng)力隨之提升。當(dāng)水平應(yīng)力大于13.3MPa時(shí)，水平應(yīng)力增加，豎向承載應(yīng)力反而降低。

(5)水平應(yīng)力為13.3MPa時(shí)，巖爆發(fā)生的裂度大于8.9MPa和17.8MPa。原因在于左右邊幫的應(yīng)變能集中區(qū)域的累積量最大，以及集中區(qū)域與邊壁的距離最短。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 1004-9665/2016/24(5)- 0976- 05

UNLOADING TEST FOR ROCKBURST MECHANISM IN TUNNEL MODEL

With research on“surrounding rock￣roadway” system， the unloading rockburst can be recreated by the operation of horizontal stress unloading. The results indicate that the unloading rockburst has experienced evolution process of from “nonchalant stage to small particles ejection stage to flake off stage and to rockburst”.The tunnel model produces a number of the process from rockburst to stress adjust then to stress adjust failure and to another rockburst. At the end it forms “V”shape rockburst hole. In the condition of unloading， it exists some relationship between horizontal stress and fracture model. The unloading operation of tunnel model of distribution stress can be obtained from theoretical derivation. Vertical crack stress in different horizontal stresses(8.9MPa， 13.3MPa， 17.8MPa) is taken by modified Griffith failure criteria. The calculation model of “V”shape is established. At the stress point(13.3MPa) when the horizontal stress is under 13.3MPa， the relationship between horizontal stress and vertical crack stress has a positive correlation. When the horizontal stress is above 13.3MPa， the relationship between the horizontal stress and the vertical crack stress is a negative correlation. When the horizontal stress is at 13.3MPa， the strain energy concentrated area is the largest， and distance between this area and side wall is the minimum．

Rock mechanics， Unloading， Tunnel model， Rockburst

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.028

2016-05-30;

2016-07-26.

國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2014CB047100), 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374088， 51574102, 51604117), 河北省鋼鐵聯(lián)合基金項(xiàng)目(E2016209357)資助.

劉祥鑫(1987-)，男，碩士，講師，主要從事礦山巖石力學(xué)的教學(xué)與研究工作. Email: liuxiangxin9@163.com

簡介： 梁正召(1977-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事隧洞破裂失穩(wěn)的研究工作. Email: LiangZZ@dlut.edu.cn

TD353

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