李 光 馬鳳山 郭 捷 雷 揚(yáng) 黃業(yè)強(qiáng) 劉愛民

(①中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 中國(guó)科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029， 中國(guó)) (②中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029， 中國(guó)) (③金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院， 金昌 737100， 中國(guó))

0 引 言

巷道是礦山開采中的命脈工程，承擔(dān)著人員作業(yè)、基建施工和礦石運(yùn)輸?shù)戎匾蝿?wù)，直接影響著礦山的安全發(fā)展和高效生產(chǎn)。隨著開采深度的增加，礦山巷道所處的環(huán)境不斷惡化，一系列工程災(zāi)害如巖體大變形、巷道強(qiáng)流變、頂板垮落、底板隆起、巖爆等日益嚴(yán)重(馬世偉等， 2020)。因此，對(duì)巷道變形破壞模式、特征及發(fā)生機(jī)制等問題的研究具有非常重要的意義(Li et al.，2020a， 2020b,2021)。

目前，針對(duì)巷道變形及失穩(wěn)方面的研究主要依靠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析、數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)。但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查需要大量的人力物力，且影響因素復(fù)雜，很難控制變量； 理論分析需要對(duì)原型進(jìn)行大量的假設(shè)和簡(jiǎn)化，用數(shù)學(xué)模型描述工程尺度的問題十分困難； 數(shù)值技術(shù)已有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但對(duì)于條件復(fù)雜、機(jī)理不明的問題，仍具有局限性(高相波等， 2020)。相比之下，物理試驗(yàn)?zāi)軌蜻€原復(fù)雜條件下原型由彈性到塑性，直至破壞的全過程，且變量可控，是一種更形象、更具說服力的研究方法(李光等， 2019a, 2019b， 2020a, 2020b)。

近年來，學(xué)者們采用物理模型試驗(yàn)方法對(duì)不同工況下的巷道相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了大量研究，具有代表性的包括：顧金才等(2008)探究了深部洞室開挖的受力變形特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了圍巖分層斷裂的破壞機(jī)制； 勾攀峰等(2009)基于自行研發(fā)的YDM-E型模型試驗(yàn)系統(tǒng)，制作了有、無支護(hù)兩種物理模型，并探討了不同水平應(yīng)力條件下巷道的變形破壞情況，結(jié)果顯示巷道的頂、底板是支護(hù)的重點(diǎn)部位； He et al. (2009)將紅外熱成像系統(tǒng)和物理模型試驗(yàn)結(jié)合起來，探討了巖層傾角在巷道開挖過程中的作用，并對(duì)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究； 張明建等(2010)將物理模擬試驗(yàn)與工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合，研究?jī)A斜層狀圍巖巷道在不同應(yīng)力條件下開挖的變形特征、破裂演化過程和位移發(fā)展規(guī)律，并基于試驗(yàn)結(jié)果提出優(yōu)化支護(hù)方式； 尹光志等(2011)以某緩傾斜巖層磷礦為原型，基于重慶大學(xué)礦山壓力相似模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了二維模型試驗(yàn)，研究了巷道圍巖在采動(dòng)應(yīng)力作用下的變形特征及破壞規(guī)律； Huang et al. (2013)探討了軟弱結(jié)構(gòu)面在巷道圍巖變形破壞過程中的作用，并提出了幾種不同的破壞模式； Li et al. (2015)研究了深部厚頂煤巷道這一特殊工況，揭示了巷道開挖和支護(hù)全過程中圍巖位移和應(yīng)力的變化過程。

表 1 相似材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of similar materials

然而，針對(duì)巷道變形破壞規(guī)律的物理試驗(yàn)中，所建模型多數(shù)只考慮均質(zhì)結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)，對(duì)于發(fā)育多組交叉節(jié)理圍巖下的巷道開挖問題研究不多。究其原因，主要是在物理模型試驗(yàn)中，制作多組結(jié)構(gòu)面的圍巖模型工藝復(fù)雜，工作量大，在巷道開挖過程中也易失敗。因此，針對(duì)這一技術(shù)難題，本文提出了一種澆-砌混合模型搭建方法，配合螺旋牽引式巷道開挖裝置，實(shí)現(xiàn)節(jié)理圍巖巷道開挖模型的高效制作和開挖模擬，并以金川礦區(qū)巷道為例進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證，旨在為同類試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和制作提供參考。

1 金川礦區(qū)巷道概況

金川銅鎳礦區(qū)是我國(guó)目前已探明的最大的硫化銅鎳礦床，也是世界上大型硫化銅鎳礦床之一，以礦體規(guī)模大、采礦難、埋藏深而聞名。由于礦區(qū)地處甘肅河西走廊，是大地構(gòu)造單元的接合部，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力高，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，礦巖體破碎，整體穩(wěn)定性極差，使得礦床在開采過程中面臨極大困難(李光等， 2017； 馬鳳山等， 2019)。由于其獨(dú)特的工程地質(zhì)條件，金川礦區(qū)成為了我國(guó)礦山工程地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)的搖籃，工程地質(zhì)大師谷德振、巖石力學(xué)大師陳宗基等一大批專家學(xué)者都在金川開展過大量的研究工作，特別是在其深部開采所遇到的巖石力學(xué)問題，具有典型性和普遍性，受到世界研究人員的重視。

在深部高地應(yīng)力、破碎巖體等復(fù)雜工程地質(zhì)條件作用下，金川礦區(qū)巷道開拓后變形快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，維護(hù)困難，對(duì)井下作業(yè)人員的生命安全也造成了威脅。礦區(qū)開拓巷道斷面為利用率較高的直墻半圓拱型，巷道尺寸如圖 1所示(李光等， 2018， 2020a, 2020b)。巷道圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中：具有典型特征的是菱塊狀大理巖，節(jié)理間距0.5～1.5m，傾角30°～60°，出露形態(tài)如圖 2所示。這類巖體的變形破壞主要受結(jié)構(gòu)面及其組合所控制，穩(wěn)定性差，本次試驗(yàn)選擇此類圍巖結(jié)構(gòu)下的巷道為原型進(jìn)行試驗(yàn)。

圖 1 金川礦區(qū)典型巷道斷面Fig. 1 Typical roadway section in Jinchuan mining area

圖 2 菱塊狀大理巖示意圖Fig. 2 Schematic diagram of rhombic marble

2 澆-砌混合模型搭建方法

搭建方法是模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)，能否真實(shí)還原出原型的結(jié)構(gòu)特征，直接決定了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。目前，常用的模型搭建方式主要包括(張定邦， 2013)：

(1)整體澆筑成形法，該方法將相似材料一次性澆入預(yù)置模型箱內(nèi)，在室溫下養(yǎng)護(hù)成形并靜置拆模，適用于巖體結(jié)構(gòu)完整、地質(zhì)界面較少的模型。但是模型較均勻，無法考慮巖體節(jié)理裂隙的影響。

(2)夯實(shí)成形法，該方法通過夯實(shí)讓材料更加致密均勻，獲得更大的容重，適用于以容重為主要控制參數(shù)的物理模型。但是需要采用專門的夯實(shí)工具，工序復(fù)雜。

(3)分層澆筑成形法，該方法首先分層搭建模型箱，并采用近流態(tài)相似材料分層澆筑振密成形，適用于構(gòu)建類似煤礦這樣的水平層狀地質(zhì)體。但是難以搭建有復(fù)雜構(gòu)造的模型，對(duì)設(shè)備要求也較高。

(4)砌筑成形法，該方法需要預(yù)制砌塊，模型搭建時(shí)，通過砌塊的堆砌填筑模型，適用于構(gòu)建節(jié)理巖體地質(zhì)模型。但試驗(yàn)工作量較大，搭建時(shí)對(duì)工藝也有一定要求。

以上幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且適用條件也不同。若要進(jìn)行研究區(qū)菱塊狀圍巖下巷道的開挖模擬，整體澆筑法、夯實(shí)成型法和分層澆筑法都無法模擬這種特殊的圍巖結(jié)構(gòu)。砌塊堆砌法能較好搭建此類模型，但單獨(dú)使用砌塊堆砌，工序較復(fù)雜，工作量也較大。

基于此，提出了一種“澆-砌混合”物理模型搭建方法，即在模型內(nèi)圈采用砌塊砌筑的方法，用以模擬節(jié)理圍巖巷道，在模型外圈采用澆筑的方法，可以大大提高試驗(yàn)效率。綜合考慮研究區(qū)巷道特征及試驗(yàn)室條件，確定模型的幾何相似比為1︰30，制作尺寸為1.05m×1.05m×0.2m的物理模型，如圖 3所示。

圖 3 模型斷面示意圖Fig. 3 Model section diagram

本次試驗(yàn)采用河砂、水泥和石膏這3種最普通的原材料，通過大量的室內(nèi)配比試驗(yàn)，確定巖石相似材料配比為河砂︰水泥=4︰1，巖體相似材料配比為河砂︰水泥︰石膏=8︰1︰1，原型和模型材料相關(guān)物理、力學(xué)參數(shù)如表 1所示。采用巖塊相似材料制作砌塊，尺寸為4cm×4cm×20cm，如圖 4a所示。為節(jié)約成本并實(shí)現(xiàn)批量制作，砌塊模具為定制的丙烯塑料板，比較輕便且方便脫模，如圖 4b所示。砌塊制作通過拌料、填料、刮平、脫模及養(yǎng)護(hù)幾個(gè)步驟，制作完成的砌塊如圖 4c所示(李光等， 2020a，2020b)。

圖 5 物理模型搭建過程Fig. 5 Model building process a. 內(nèi)圈砌塊堆砌； b. 外圈澆筑； c. 模型搭建完成圖

經(jīng)過模型箱安裝，砌塊堆砌，預(yù)埋模具，外圍澆筑等幾個(gè)步驟后，完成模型的搭建，如圖 5所示。模型外圈圍巖根據(jù)巖體參數(shù)制作相似材料，致密均勻，能有效傳遞應(yīng)力，并觀察圍巖裂縫的發(fā)展； 模型內(nèi)圈砌塊由巖塊相似材料制作，圍巖內(nèi)節(jié)理清晰可見，能較好地還原菱塊狀大理巖體的結(jié)構(gòu)特征。

圖 6 螺旋牽引式巷道開挖裝置示意圖Fig. 6 Spiral traction roadway excavation device a. 模具尺寸； b. 預(yù)埋模具實(shí)物； c. 螺旋牽引裝置設(shè)計(jì)圖； d. 螺旋牽引裝置實(shí)物

3 螺旋牽引式巷道開挖裝置

對(duì)于地下硐室工程的模型試驗(yàn)，開挖方式的選擇至關(guān)重要，當(dāng)前已有的開挖方式主要有以下幾種：

(1)直接硬挖：在模型前后畫出巷道位置，用鉆、鋸條和螺絲刀等工具進(jìn)行開挖。

(2)熱熔材料：選擇低熔點(diǎn)的熱熔材料，制成巷道形狀，開挖時(shí)加熱或點(diǎn)燃取出，如石蠟等。

(3)爆破開挖：在模型中預(yù)制炮眼，利用電雷管起爆開挖。

(4)預(yù)制模具：預(yù)制巷道形狀的拼接模具，建模時(shí)埋入，開挖時(shí)取出即可。

其中：直接硬挖對(duì)模型的擾動(dòng)較大，而且很容易因掌握不好尺度而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗； 熱熔材料需要加熱，對(duì)工藝要求較高，且不利于模型監(jiān)測(cè)手段的施加； 爆破開挖需要特定的試驗(yàn)條件，多在爆破工程專業(yè)中使用； 預(yù)制模具方法比較合理，但對(duì)于預(yù)埋材料和取出方式的選擇，研究者們有各自不同的想法。

基于此，設(shè)計(jì)了一種螺旋牽引式巷道開挖裝置，由預(yù)埋模具、拆?？ò搴蛽u桿3部分組成。其中：預(yù)埋模具根據(jù)開挖巷道設(shè)計(jì)尺寸制作，材料為鑄鐵，具有足夠的剛度，如圖 6a和圖6b所示。預(yù)埋模具中間鑲嵌一螺母，用以配合拆模裝置。拆模通過手搖桿帶動(dòng)預(yù)埋模具完成，緩慢拔出，對(duì)模型整體擾動(dòng)小，且符合分步開挖的工程實(shí)際，螺旋牽引裝置如圖 6c和圖6d所示。

預(yù)埋模具在模型搭建期間埋入，具體的安放位置在試驗(yàn)前根據(jù)實(shí)際工況決定，一般情況下在物理模型的中心位置。待模型風(fēng)干后，將螺旋牽引裝置安裝在模型箱上，并通過搖桿與預(yù)埋模具相連。實(shí)際工程中的巷道都是在有地應(yīng)力條件下進(jìn)行開挖的，而在試驗(yàn)中想要完成加載中取出模具并非易事。該裝置巧妙地運(yùn)用了螺絲的牽引力，在有壓情況下也能較輕松地完成開挖。圖 7所示為巷道開挖完成后的狀態(tài)，可見巷道成型較好，對(duì)模型擾動(dòng)小，亦能真實(shí)反演巷道分步開挖的情況。

圖 7 巷道開挖完成圖Fig. 7 Model status after roadway excavation

圖 8 物理模型試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Physical model test results a. 某時(shí)刻巷道變形情況; b. 巷道頂板變形情況; c. 巷道底板變形情況

圖 9 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果Fig. 9 Field investigation results a. 巷道頂板和邊墻開裂； b. 巷道頂板開裂掉塊； c. 巷道底板開裂隆起

4 試驗(yàn)效果

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際地應(yīng)力條件，本次試驗(yàn)?zāi)M的原型中水平地應(yīng)力為40MPa，豎直地應(yīng)力為30MPa。由相似關(guān)系換算需要施加水平力175kN，豎直力131kN。模型采用分級(jí)加載的方式，加載過程共5次完成，相鄰兩次加載時(shí)間間隔約為5min。加載速度為0.1kN·s-1，加載完成后對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)壓約10min，待模型內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力趨于穩(wěn)定和均衡后，開挖巷道。

如圖 8所示為試驗(yàn)過程中某一時(shí)刻巷道的變形破壞情況，可見巷道頂板出現(xiàn)了塌落掉塊的現(xiàn)象，由底板上堆積的塌落體可知，頂板變形破壞嚴(yán)重，若發(fā)生在實(shí)際工程中，會(huì)嚴(yán)重威脅著施工人員的安全； 巷道幫部形成了具有一定規(guī)模的開裂，圍巖以此為突破口向采空區(qū)收斂，拱肩和起拱線處也發(fā)育這種沿巷道走向的拉張裂縫； 巷道底板已出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂和隆起現(xiàn)象，底鼓變形明顯，工程中會(huì)嚴(yán)重影響巷道正常服役。

圖 9所示為研究區(qū)巷道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)中所見的頂板開裂掉塊，邊墻開裂和底鼓等現(xiàn)象，均在物理模擬中得到了很好的體現(xiàn)，試驗(yàn)真實(shí)還原了工程中巷道的變形破壞特征，充分說明了該試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性和可行性。

5 結(jié) 論

本文提出了一套節(jié)理圍巖巷道開挖的物理模型試驗(yàn)方法，并依托金川礦區(qū)典型的菱塊狀圍巖巷道，詳細(xì)介紹了模型搭建和開挖過程，證明了此方法的實(shí)用性和高效性，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)提出了一種澆-砌混合物理模型搭建方法，在模型內(nèi)圈采用砌塊堆砌的方式，外圈選擇澆筑的方式，既能體現(xiàn)出節(jié)理圍巖的結(jié)構(gòu)特征，又能提高試驗(yàn)效率。

(2)自主研制了一種螺旋牽引式巷道開挖裝置，由預(yù)埋模具、拆?？ò搴蛽u桿3部分組成，通過螺旋牽引的方式完成巷道開挖，對(duì)模型擾動(dòng)小，成型好，亦可充分還原巷道分步開挖的實(shí)際工況。

(3)依托金川礦區(qū)典型巷道制作的物理模型，真實(shí)還原了工程中巷道的變形破壞特征，試驗(yàn)所得結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中觀察到的巷道變形破壞現(xiàn)象高度一致，充分說明了該試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性和可行性。