王大順

(中赟國(guó)際工程有限公司，河南 鄭州 450007)

泥質(zhì)軟巖類的巖體流變特征顯著，且往往會(huì)引發(fā)地下巖體工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，因此軟巖巷道支護(hù)是影響礦山安全、有效生產(chǎn)的重要因素，也是工程上亟待解決的關(guān)鍵問題[1，2]。伽師礦自2003年開始采礦，已開采了近二十年，井下圍巖多為紫紅色含粉砂巖或淺綠色泥砂巖，巖體軟弱易碎、遇水泥化、力學(xué)性能差，具有較強(qiáng)的遇水泥化崩解效應(yīng)[3，4]。巷道表面圍巖隨著時(shí)間推移逐步被空氣中的水分侵蝕喪失自承能力引發(fā)流態(tài)化破壞，且擠壓立柱導(dǎo)致巷道變形，具有明顯的流變時(shí)效屬性。然而，對(duì)于泥質(zhì)巷道的修復(fù)往往會(huì)落入“成巷—破壞—修復(fù)—再次破壞—再次修復(fù)”的惡性循環(huán)之中，從而降低礦井產(chǎn)出效率，同時(shí)對(duì)礦井工作人員人身安全也造成極大危害[5，6]。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)于泥質(zhì)圍巖巷道變形失穩(wěn)問題主要集中在宏觀與微觀兩個(gè)層面上展開探討。宏觀層面，多是利用泥巖水化實(shí)驗(yàn)，探討不同含水量的巖體對(duì)于施工過程力學(xué)系數(shù)的影響，以及水溫、圍壓等外部因子對(duì)水化過程的影響作用。如魏海濤等人[7，8]通過測(cè)試礦巖物理力學(xué)性質(zhì)和巖石泥質(zhì)特征，研究泥質(zhì)圍巖相關(guān)力學(xué)特征和破環(huán)機(jī)理；劉寧等人[9]進(jìn)行巷道巖體力學(xué)系數(shù)與水理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，展現(xiàn)泥質(zhì)軟巖巷道破壞原理，提出“樹脂錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”為核心的主動(dòng)定向支護(hù)新工藝；李桂臣等人[10]通過物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法得出泥巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨黏性土含量的增加而增大的規(guī)律；YANG、Diansen[11，12]等人探究泥巖氣體滲透性能、蠕變性質(zhì)與含水率的聯(lián)系。在微觀層面，通過化學(xué)檢測(cè)手段如離子色譜儀(SEM)、X-衍射等來測(cè)試水化過程泥巖內(nèi)部礦物變化，或者軟件模擬定性分析泥質(zhì)圍巖礦物組構(gòu)對(duì)水化過程的影響。如張小剛等人[13]通過FLAC3D數(shù)值模擬方法探究深井軟巖巷道的穩(wěn)定性，提出拱形巷道可以提高安全性；劉高等人[14]研究高地應(yīng)力軟巖圍巖的變形破壞機(jī)制，設(shè)計(jì)“錨網(wǎng)+噴射混凝土+鋼支架”支護(hù)工藝；D.J.L.Guerra、Karaborni S、Nakano M等[15-17]利用分子模擬方法對(duì)粘土表面的吸附特性和粘土層間水的性質(zhì)開展研究。上述研究成果對(duì)于研究軟巖巷道變形有很好的指導(dǎo)作用，但是目前綜合考慮損傷和圍巖弱化系數(shù)的圍巖蠕變本構(gòu)、潮濕作用對(duì)泥質(zhì)軟巖變形的影響相關(guān)研究較少。本文以經(jīng)典Cvisc本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，建立了考慮損傷、圍巖弱化系數(shù)的軟巖本構(gòu)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等綜合方法驗(yàn)證了該本構(gòu)模型的合理性，在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析了干燥狀態(tài)、潮濕狀態(tài)下的泥質(zhì)軟巖巷道圍巖的蠕變范圍及巷道斷面變形規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，促進(jìn)礦山安全、高效生產(chǎn)。

1 泥質(zhì)軟巖損傷本構(gòu)模型建立

在施工過程中，巷道開挖瞬間會(huì)呈現(xiàn)出明顯的彈性特性，而隨著時(shí)間推移圍巖含水量越來越大，變形模量、黏性等特性均會(huì)逐漸降低，泥質(zhì)圍巖由彈性特征轉(zhuǎn)變?yōu)槿渥兲匦?，泥質(zhì)圍巖流變特征呈現(xiàn)出非線性規(guī)律。經(jīng)典流變模型能夠較好地描述巖體部分蠕變特性，但均未能考慮巖體瞬時(shí)塑性變形及加速蠕變階段變形，而深部環(huán)境下巖體一般具有衰減、勻速、加速蠕變的典型全蠕變階段特征，李廷春等指出Cvisc模型是Burgers模型和Mohr-Coulomb模型的組合體[2]，其中，Burgers模型可以較好地描述蠕變過程中的黏彈性本構(gòu)關(guān)系，Mohr-Coulomb模型可以較好地描述蠕變過程中的彈塑本構(gòu)關(guān)系。Cvisc黏彈塑性模型如圖1所示。

圖1 Cvisc黏彈塑性模型

由圖1可知，Cvisc黏彈塑性模型可以描述軟巖蠕變階段中的瞬時(shí)變形、衰減蠕變、勻速蠕變、塑性變形，其本構(gòu)方程為：

式中，εt為總應(yīng)變；ερ為塑性應(yīng)變；σ為水平應(yīng)力；t為時(shí)間；EM、ηM分別為Maxwell體的彈性模量和黏滯系數(shù)；EK、ηK分別為Kelvin體的彈性模量和黏滯系數(shù)。

軟巖遇水泥化后的蠕變過程中，材料內(nèi)部損傷程度及水環(huán)境對(duì)其變形影響較大，趙晶晶認(rèn)為巖石損傷主要存在于蠕變過程中的加速蠕變階段，且損傷變量Dt與時(shí)間t呈Weibull分布，其表達(dá)式為[18]：

Dt=1-e-αtβ

(2)

引入材料弱化系數(shù)λ考慮水環(huán)境對(duì)蠕變的影響，將λ引入式(1)可得蠕變過程中的瞬時(shí)變形、衰減蠕變、勻速蠕變、塑性變形階段本構(gòu)方程：

對(duì)Cvisc模型考慮損傷可描述加速蠕變階段[19]，對(duì)式(1)中衰減蠕變、勻速蠕變、塑性變形的元件考慮損傷，損傷的Cvisc黏彈塑性模型如圖2所示。

圖2 損傷的Cvisc黏彈塑性模型

由有效應(yīng)力模型和應(yīng)變等價(jià)原理并聯(lián)立式(2)、式(3)可得蠕變過程中的加速蠕變階段本構(gòu)方程為：

式(3)、式(4)描述了巖體蠕變?nèi)^程(瞬時(shí)變形、衰減蠕變、勻速蠕變、加速蠕變、塑性變形)階段的本構(gòu)方程，且考慮了巖石損傷變量Dt、材料弱化系數(shù)λ對(duì)蠕變的影響，從而更好地揭示圍巖隨時(shí)間弱化的情況及損傷破壞規(guī)律。

2 泥質(zhì)軟巖巷道變形破壞數(shù)值分析

2.1 模型建立

伽師礦開采深度達(dá)600 m，巷道圍巖具有層理發(fā)育、強(qiáng)度低、遇水易泥化等特征[20]，根據(jù)該礦地質(zhì)資料，運(yùn)用UDEC離散元建立深部巷道二維平面應(yīng)變計(jì)算模型如圖3所示，為消除邊界效應(yīng)對(duì)模型計(jì)算的影響，將模型長(zhǎng)與高均設(shè)置為5倍洞徑大(30 m)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于拱頂、左幫和右?guī)蜕钐?.3 m。

圖3 巷道數(shù)值模型

模型上方施加壓力為p=γh，其中，γ為模型上方巖層平均容重，水平方向施加水平應(yīng)力為μp(μ為0.42)，模型左、右兩側(cè)限制水平位移，底部限制垂直位移。模型中通過蒙特卡羅法生成符合該礦地質(zhì)勘察結(jié)果的隨機(jī)裂隙和防止模型計(jì)算自動(dòng)刪除孤立隨機(jī)裂隙的水平和垂直裂隙[21]。折減后的巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型蠕變參數(shù)反演

較準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算參數(shù)是數(shù)值模型計(jì)算的前提，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)輸入?yún)?shù)和目標(biāo)參數(shù)的任意非線性關(guān)系，可通過調(diào)整初始權(quán)重及閥值獲得滿足精度要求的預(yù)測(cè)目標(biāo)參數(shù)[22]。為盡可能還原巷道圍巖性質(zhì)，數(shù)值模型計(jì)算中巷道所在的泥巖采用Cvisc本構(gòu)模型，其余巖層采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[23]，最終以數(shù)值計(jì)算的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與實(shí)際監(jiān)測(cè)位移的均方差作為輸入集體，將蠕變參數(shù)EM、ηM、EK、ηK作為輸出集運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)，直到滿足精度要求。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。分析圖4可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合度較高，證明反演的參數(shù)能夠較準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖的變形情況，最終反演得到參數(shù)見表2。

圖4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

表2 巷道圍巖蠕變參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

伽師礦巷道所在巖層多為砂巖和泥巖，魏海濤等利用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到砂巖和泥巖的軟化系數(shù)為0.12～0.21，說明深部環(huán)境巷道圍巖強(qiáng)度受水的影響較大[7]。由于該礦在巷道掘進(jìn)過程中已經(jīng)采取相應(yīng)地下水防控措施，本文考慮水對(duì)泥巖強(qiáng)度影響時(shí)采用泥巖軟化系數(shù)0.21對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行弱化。應(yīng)用2.1節(jié)數(shù)值模型建立干燥狀態(tài)下和潮濕狀態(tài)下的數(shù)值模型，對(duì)比分析干燥狀態(tài)下和潮濕狀態(tài)下巷道圍巖蠕變范圍變形規(guī)律。

3.1 驗(yàn)證本構(gòu)模型

將2.2節(jié)反演的蠕變參數(shù)應(yīng)用到干燥狀態(tài)下和潮濕狀態(tài)下數(shù)值模型計(jì)算中，干燥狀態(tài)下圍巖材料弱化系數(shù)λ取0，潮濕狀態(tài)下圍巖材料弱化系數(shù)λ取0.21。巷道開挖穩(wěn)定后對(duì)巷道左幫、拱頂、右?guī)偷膽?yīng)變及時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)采用式(4)進(jìn)行擬合，其中，式(4)應(yīng)力水平為各時(shí)間段平均應(yīng)力，干燥狀態(tài)下擬合的主要參數(shù)見表3，擬合的結(jié)果如圖5所示。

表3 干燥狀態(tài)下式(4)擬合參數(shù)

圖5 干燥狀態(tài)下數(shù)值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析的關(guān)系

分析表3可知蠕變參數(shù)EM、ηM、EK、ηK與表2的參數(shù)數(shù)量級(jí)基本一致，說明式(4)可以較準(zhǔn)確地描述軟弱圍巖干燥狀態(tài)下變形與時(shí)間的關(guān)系，拱頂、左幫、右?guī)偷乃苄宰冃桅舙均較小，說明干燥狀態(tài)下軟弱圍巖蠕變階段主要發(fā)生黏彈性變形。

采用式(4)軟化狀態(tài)下擬合的主要參數(shù)見表4，擬合的結(jié)果如圖6所示。分析表4可知，蠕變參數(shù)EM、ηM、EK、ηK與表2的參數(shù)數(shù)量級(jí)也基本一致，說明式(4)可以較準(zhǔn)確地描述軟弱圍巖軟化狀態(tài)下變形與時(shí)間的關(guān)系，拱頂、左幫、右?guī)偷乃苄宰冃桅舙均小于干燥狀態(tài)下，說明軟化狀態(tài)下圍巖含水量增加導(dǎo)致圍巖在蠕變階段中黏彈性變形更明顯，使得最終圍巖的變形大于干燥狀態(tài)下的變形。

表4 軟弱狀態(tài)下式(4)擬合參數(shù)

圖6 潮濕軟化狀態(tài)下數(shù)值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析的關(guān)系

分析圖5、圖6可知，干燥狀態(tài)下和潮濕軟化狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用式(4)進(jìn)行擬合的效果較好，潮濕軟化狀態(tài)下拱頂、左幫、右?guī)妥畲髴?yīng)變?yōu)?.29%、0.41%、0.23%，干燥狀態(tài)下拱頂、左幫、右?guī)妥畲髴?yīng)變?yōu)?.3%、0.35%、0.21%，說明圍巖遇水潮濕對(duì)傾斜地層巷道左幫影響較大，對(duì)拱頂、右?guī)陀绊戄^小。干燥、潮濕軟化狀態(tài)下不同位置圍巖蠕變隨著時(shí)間的增加均呈現(xiàn)典型的蠕變減速(3～18 d)、蠕變勻速(18～46 d)、蠕變加速(46～52 d)三個(gè)階段。

干燥、潮濕軟化狀態(tài)下不同階段圍巖蠕變速率見表5，分析表5可知，干燥狀態(tài)下不同位置圍巖在蠕變勻速、加速階段的平均蠕變速率為減速階段的0.2～0.5、4.4～6.4倍，潮濕軟化狀態(tài)下圍巖在勻速、加速階段的平均蠕變速率為減速階段的0.14～0.46、2.8～7.9倍，說明圍巖蠕變時(shí)潮濕軟化狀態(tài)下相比干燥狀態(tài)下蠕變勻速階段歷時(shí)延長(zhǎng)，加速階段時(shí)間縮短，最終導(dǎo)致蠕變勻速階段潮濕軟化狀態(tài)下圍巖積累的損傷更多，促使在蠕變加速階段較快地發(fā)生變形，此階段對(duì)圍巖的破壞性也更大。

3.2 圍巖蠕變范圍確定

深部三高環(huán)境下巷道開挖穩(wěn)定后圍巖發(fā)生蠕變，促使巷道斷面逐漸變形。由前文分析可得巷道兩幫水平收斂變形大于拱頂?shù)南鲁磷冃?，干燥和潮濕軟化狀態(tài)下不同時(shí)間段巷道圍巖的水平位移如圖7所示。

表5 干燥、潮濕軟化狀態(tài)下不同階段圍巖蠕變速率

圖7 不同狀態(tài)下巷道圍巖水平位移

分析圖7可知，隨著蠕變時(shí)間延長(zhǎng)水平位移影響范圍逐漸增大，3～18 d時(shí)圍巖水平位移影響范圍較小，且干燥、潮濕軟化狀態(tài)下影響范圍基本一致，說明兩種狀態(tài)下3～18 d圍巖均變形緩慢，此階段圍巖變形與圍巖軟化狀態(tài)關(guān)系不大；18～46 d時(shí)水平位移影響范圍逐漸增大，且潮濕軟化狀態(tài)下水平位移影響范圍略大于干燥狀態(tài)下，說明潮濕軟化狀態(tài)下圍巖損傷略大于干燥狀態(tài)下，此階段圍巖變形與圍巖潮濕軟化狀態(tài)為正相關(guān)關(guān)系；46～52 d時(shí)圍巖水平位移范圍增大較多，且潮濕軟化狀態(tài)下水平位移范圍大于干燥狀態(tài)下，說明潮濕軟化狀態(tài)下圍巖損傷大于干燥狀態(tài)下，導(dǎo)致圍巖發(fā)生相同的變形歷時(shí)縮短，此階段圍巖變形與圍巖潮濕軟化狀態(tài)為正相關(guān)關(guān)系。以上分析說明圍巖軟化后雖然會(huì)導(dǎo)致圍巖變形量增大，但潮濕軟化狀態(tài)對(duì)圍巖的損傷具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，在某個(gè)時(shí)間之后潮濕軟化狀態(tài)對(duì)圍巖的損傷效果會(huì)更明顯。

干燥狀態(tài)下巷道圍巖左側(cè)不同深處圍巖水平位移和時(shí)間關(guān)系如圖8所示，巷道圍巖變形小于0.02 mm/d時(shí)可認(rèn)為基本穩(wěn)定[24]，由圖5、圖6可知，46 d以后圍巖處于蠕變加速階段，因此，以46 d內(nèi)圍巖變形速度均為0.02 mm/d(累計(jì)水平位移為0.00092 m)為界對(duì)圍巖蠕變范圍進(jìn)行區(qū)分。

分析圖8可知水平位移與時(shí)間為正比例關(guān)系，與深度為反比例關(guān)系，且左側(cè)圍巖深度1.0～5.5 m范圍內(nèi)圍巖累計(jì)水平位移大于0.00092 m，因此認(rèn)為巷道左側(cè)圍巖的蠕變范圍為1.0～5.5 m。同理可分析得出干燥狀態(tài)下巷道右側(cè)、上方、下方圍巖的蠕變范圍為1.0～4.5 m、1.0～5.0 m和1.0～3.5 m，由此可知干燥狀態(tài)下圍巖蠕變范圍具有非對(duì)稱性，且總體范圍從巷道左側(cè)圍巖順時(shí)針依次減小。

潮濕軟化狀態(tài)下巷道左側(cè)、右側(cè)、上方、下方圍巖的蠕變范圍為1.0～5.5 m、1.0～4.5 m、1.0～5.5 m和1.0～4.0 m，說明潮濕軟化狀態(tài)下圍巖蠕變范圍特征與干燥狀態(tài)下較一致，但潮濕軟化狀態(tài)下的圍巖蠕變范圍大于干燥狀態(tài)下的蠕變范圍。

3.3 巷道斷面變形分析

巷道圍巖蠕變促使巷道斷面發(fā)生縮減，其形狀也與原設(shè)計(jì)產(chǎn)生偏差從而影響巷道正常基本功能。干燥和潮濕軟化狀態(tài)下矩形巷道斷面在不同時(shí)間段內(nèi)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的在水平和垂直方向相對(duì)水平位移與時(shí)間的變化關(guān)系如圖9所示。分析圖9可知，水平相對(duì)位移為-1.5～1.5 cm(-1.2～1.6 cm)，垂直方向相對(duì)位移為-2.2～1.5 cm(-2.5～1.6 cm)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移與時(shí)間為正比例關(guān)系，d監(jiān)測(cè)點(diǎn)以垂直相對(duì)位移為主，造成巷道底鼓；b、f監(jiān)測(cè)點(diǎn)以水平相對(duì)位移為主，且b點(diǎn)水平位移大于f點(diǎn)，造成巷道左側(cè)片幫大于右側(cè)；a、c、e、g、 h監(jiān)測(cè)點(diǎn)既發(fā)生水平相對(duì)位移也發(fā)生垂直相對(duì)位移，造成巷道斷面向內(nèi)縮減；b、f、h、d監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移對(duì)巷道斷面變化影響較大，造成整體巷道斷面變化具有非對(duì)稱性，且變化形狀由偏轉(zhuǎn)的近似菱形過渡為梯形，最終巷道斷面形狀與文獻(xiàn)[25]基本一致。巷道在3～46 d干燥(潮濕軟化)狀態(tài)下傾斜地層巷道斷面相對(duì)位移較接近，46～52 d潮濕軟化狀態(tài)下促進(jìn)圍巖變形導(dǎo)致圍巖最終變形大于干燥狀態(tài)下，說明只有經(jīng)過一定的時(shí)間，潮濕軟化狀態(tài)才能加劇圍巖的變形內(nèi)部損傷進(jìn)而加劇圍巖變形。

圖9 干燥、潮濕軟化狀態(tài)下不同時(shí)間巷道斷面相對(duì)位移

4 結(jié) 論

1)泥質(zhì)圍巖具有明顯的流變時(shí)效屬性，屬于典型的結(jié)構(gòu)性流變巖體。泥質(zhì)圍巖多為粉砂巖或泥砂巖，當(dāng)其處于不利地質(zhì)條件，如巷道表面圍巖逐步被空氣中水分侵蝕、遇水泥化、崩解等，會(huì)伴隨著時(shí)間喪失自承能力發(fā)生蠕變破壞，這種狀態(tài)下立柱易被擠壓發(fā)生巷道變形破壞。

2)考慮損傷、圍巖材料弱化系數(shù)的Cvisc本構(gòu)模型可以較好地描述深部環(huán)境下巷道圍巖變形與時(shí)間的關(guān)系，圍巖在蠕變階段中主要表現(xiàn)為黏彈性變形。

3)3～18 d時(shí)干燥狀態(tài)和潮濕軟化狀態(tài)下圍巖蠕變基本相同，18 d以后潮濕軟化狀態(tài)下蠕變范圍較干燥狀態(tài)下擴(kuò)大，潮濕軟化狀態(tài)下圍巖的損傷具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。

4)干燥(潮濕軟化)狀態(tài)下左側(cè)、上方、右側(cè)、下方圍巖的蠕變最大范圍為5.5，5.0，4.5，3.5 m(5.5，5.5，4.5，4.0 m)，蠕變總體范圍具有非對(duì)稱性，從巷道左側(cè)順時(shí)針依次減小。

5)傾斜地層深埋巷道斷面相對(duì)變化均具有非對(duì)稱性，且在46～52 d潮濕軟化狀態(tài)下促進(jìn)圍巖變形導(dǎo)致圍巖最終變形大于干燥狀態(tài)下。