深部洞室围岩分区破裂化的研究现状与分析

左宇军;陈春春

【摘 要】深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩的变形和破坏出现了一系列新的科学特征现象,如岩爆和围岩分区破裂化.其中,深部巷道围岩的分区破裂化现象与浅埋地下巷道开挖时在其洞周出现破裂区、塑性区和未扰动弹性区依次排列的现象有很大不同,这引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注.本文根据国内外对分区破裂化研究现状,分析总结了分区破裂化现象的研究成果,并对该领域的研究方向进行了探讨.

【期刊名称】《有色金属（矿山部分）》 【年(卷),期】2010(062)005 【总页数】5页(P34-38)

【关键词】深部洞室;分区破裂;机理 【作 者】左宇军;陈春春

【作者单位】大连大学,材料破坏力学数值试验研究中心,辽宁,大连,116622;大连大学,材料破坏力学数值试验研究中心,辽宁,大连,116622 【正文语种】中 文 【中图分类】TD313+.1 0 引言

人类社会发展到今天，面临着浅部资源枯竭的问题，深部资源开采已成为人类解决

资源枯竭问题的主要途径。目前煤炭、石油、核废料储存以及国防等大型工程已提出了深部开挖的要求[1-3]。同时，深部开挖岩体力学问题已引起岩土工程界的广泛重视，这是因为在深部开挖中岩体所处力学环境具有“三高和时间效应”的特点，这里的“三高”是指高地应力、高温、高渗透压力[4]。伴随着深部岩体工程响应发生了一系列新的科学特征现象，这些科学特征现象与浅部岩体工程响应相比具有迥异的特点[5]。深部问题引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的热点之一[6]。其中，深部岩体工程的热点科学问题之一就是所谓的分区破裂现象[5]。“分区破裂现象(Zonal Disintegration)”是俄罗斯学者等发现的深部开挖巷道围岩呈现的破裂现象，是指在深部岩体中开挖巷道或洞室时，在其两侧和工作面前的围岩中产生的逐次交替破裂区和未破裂区现象。深部巷道围岩的分区破裂化现象与浅埋地下巷道开挖时在其洞周出现破裂区、塑性区和未扰动弹性区依次排列的现象有很大不同，引起岩石力学工程领域专家的兴趣[7]。 分区破裂化现象在国内外许多深部巷道工程开挖中，通过多种物理探测手段得到证实。

20世纪70年代，Adams和Jager[8]在南非Witwatersrand金矿2 073 m深处采场采用钻孔潜望镜首次监测到顶板分区破裂情形。

20世纪80年代，Shemyakin等[9-12]在深部矿山Taimyrskii开采现场采用电阻率仪发现了分区破裂化现象(见图1)。

图1 Taimyrskii矿山分区破裂化现象[9]Fig.1 Zonal disintegration of Taimyrskii Mine[9]

方祖烈[13]在我国金川镍矿区某深部巷道采用多点位移计监测围岩变形，得到如图2所示的围岩分区破裂现象。

图2 金川镍矿区深部巷道分区破裂化现象[13]Fig.2 Zonal disintegration of deep roadway in Jinchuan nickel mine area[13]

刘高等[14]得到在我国金川镍矿区二矿区1 200 m中段一试验道中垂直于巷道侧墙的钻孔沿径向方向的围岩应力实测结果。该结果与浅部隧道围岩应力分布规律有很大不同(见图3)。

图3 金川二矿区1 200 m中段一试验道围岩应力实测结果[14]Fig.3 Test results of stresses of deposit 2 in Jinchuan Mine at 1 200 m[14]

李术才等[15]在淮南矿区丁集煤矿深部巷道围岩中通过钻孔窥测仪探测并观察到了分区破裂化现象，并以录像的形式记录下来，肯定了深部巷道围岩分区破裂化效应的存在(见图4)。

图4 淮南矿区丁集煤矿巷道分区破裂[15]Fig.4 Zonal disintegration of Dingji coal mine of Huainan mine area[15]

岩石的分区破裂现象，对具有结构性质的岩体相互作用机制的现有认识提出了挑战[16]。研究深部岩体的区域破裂化现象有助于了解深部巷道围岩的破坏机制，同时可为深部岩体的支护设计提供理论基础。因此，研究深部岩体的区域破裂化现象具有重要的理论和实际意义。 2 国内外研究现状与分析 2.1 分区破裂化现象

1)分区破裂的形状：对于分区破裂的形状，尽管多数文献提到，现场观测到的分区破裂现象都是圆形环状破裂[1,16,17]，但这些人们称之为的环状破裂，其实是通过有限个钻孔观测数据经人工连线获得的素描图。唐春安教授等认为[18]，这些素描的圆形并不一定真实地表达了现场的分区破裂扩展的实际情况。事实上，仔细分析文献[1,8]介绍的俄罗斯某矿的分区破裂素描图，发现环状破裂并非完全是连续的圆形，而是有孤立破裂带或由一条破裂带发展成两条破裂带的情形。这说明破裂的扩展受各种因素影响，不是简单的圆形环状破裂。

2)分区破裂区的宽度：从现场及模型试验观察到分区破裂现象中，破裂区和非破裂

区的宽度与巷道的尺寸有关。唐春安教授等通过数值分析也发现破裂缝间隔相当于孔径尺度，认为与实际观测结果所揭示的裂缝间隔尺度是同量级的[18]。 3)分区破裂的时间效应：从深部开采巷道围岩的分区破裂化现象中也发现了深部岩体分区破裂化进程的时间效应问题。文献[8]介绍了通过在工作面前打钻孔用肉眼观察到的分区碎裂化现象，即同一钻孔，在不同的观察日期，随开采距离不同而得到的分区破裂情况。观察结果表明，随着采面的推进，已经存在的破裂会张开，同时有新的破裂形成，并且一些新破裂总是靠近开采面处形成；破裂带的形成与工作面的推进是直接相关的，但破碎带不是随开采连续形成的，而是偶然发展的，尽管工作面推进不久大多数新产生的破裂就会出现，但工作面保持一定天数不开采时，则无新破裂形成。文献[19,20]也得出了相同的结论。

4)分区破裂化现象的规律：围岩中的分区破裂化现象大致发生在深部岩体围岩中的初始垂直地应力σ地大于岩体单轴压缩强度极限Rc的情况下；分区破裂化现象中破裂区的数量取决于比值σ地/Rc，比值越大，破裂区越多，反之则越少；分区破裂化现象既发生在巷道钻爆法施工时，也发生在巷道机械化掘进时；巷道机械法掘进时开始发生分区破裂化现象时的岩体初始地应力σ地一般高于钻爆法掘进时开始发生分区破裂化现象时的相应σ地，这意味着，卸载自由面形成的速度对分区破裂化现象的产生也有一定的影响[5]。 2.2 分区破裂化机制

在岩石力学领域，长期以来对地下坑道周围岩石的应力-应变状态变化的研究，主要是利用弹塑性力学知识在连续介质力学框架内进行[1]。据此，地下巷道围岩状态通常可以分为松动区、塑性区和弹性区，在这些区域内，岩石处于不同应力-变形状态，区域状态由岩体的自然应力场和变形-强度特征值来决定[16]。在通常的情况下，洞室的破坏一般都是在洞壁产生大块楔体，或产生不同形式的破碎区。从以往的模型试验和坑道的核、化爆试验中看到，即使洞室产生了很严重的破坏，也

未见洞室围岩产生分区破坏现象[21]。深部岩体的力学特性与浅部岩体的有很大的不同，认为深部巷道地应力大于岩体单轴极限强度时，深部巷道围岩产生膨胀带和压缩带，或称为破裂区和未破裂区交替出现的情形-分区破裂化现象[1,19-20]。 2.2.1 围岩分区破裂化理论分析

分区破裂化理论方面的研究较多。1976年，Kozel提出稳定化振动的假设，指出岩体分区破裂的形成和发展与钻探和爆破的动力过程是相联系的[22]。Mirzaev把平行于巷道周边的破裂与来自外源的地震波的作用效果联系起来，这一成果被简化成著名的Hopkinson破裂[23]。Borzykh分析了采矿工作面周围顶板岩石和煤层分区破裂的特性[24]。Shemyakin等从 Kaster等给出的弹塑性应力图出发说明了巷道两侧以及工作面前支撑压力的存在，后来又从地质结构的角度进行了分析，认为破裂区的出现是岩体在准静态变形过程中，达到不稳定状态时所发生的动力破坏[9,12]。Guzev 和 Paroshin[25]利用非欧几何模型寻找应力随离巷道表面距离的非单调性的变化规律，这种非单调性与沿着巷道的应力场衰减有关，或者与应力随时间的周期变化有关。就目前而言这种复杂的数学应用仅是一种尝试，尚不能得出令人满意的解释。Metlov等[26]从非平衡热力学角度分析了巷道附近岩石带状破裂的物理基础，但计算结果得出：分区碎裂带的形成时间过长，这与现场观测和实验分析的结果不符，因此对其物理图景的阐述还不很清晰。Reva[27]利用能量准则分析了分区破裂围岩的稳定性问题，但未能解释其发生的机制与条件。王明洋等[16,28,29]通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变形状态及其后果，得出深部围岩分区破裂现象的发生条件；李英杰等[30-31]认为巷道围岩支撑压力区的劈裂破坏是岩石分区碎裂化现象产生的必要条件；并且当开挖巷道对其产生扰动时，分区碎裂化现象并不经由动力突变产生，而是岩体经由蠕变产生。周小平、李树忱等[32-34]将巷道开挖过程视为卸荷动力问题，并在此基础上揭示深部岩体分区破裂化的机制。

2.2.2 围岩分区破裂化试验研究

在分区破裂现象的试验研究方面，Shemyakin等[10]把在深部矿山Taimyrskii开采现场发现的分区破裂化现象在实验室进行了验证。根据模型观察，发现围岩分区破裂时，其承受荷载变化相当缓慢，可以当作静态看待，从而认为间隔破裂现象是在外部条件不变或缓慢变化时形成的，而且延续时间较长。Kurlenya 和 Oparin[20]也通过实验得出了相同的结论。Sellers和Klerck[35]通过试验研究了深埋隧洞围岩不连续面对间隔破裂的影响作用，发现在满足一定要求的情况下，不连续面可能成为隧洞围岩间隔破裂的起源之一。顾金才指出[21]，要研究深部巷道围岩中的分区破裂现象，仅从荷载大小考虑或用不同的理论去分析解释荷载的作用效果可能是走不通的，并指出沿巷道轴向压应力较大是引起巷道围岩分层断裂的根本原因，最后用圆形巷道和直墙拱顶巷道加载模型试验证明了上述观点的正确性。张强勇等[36]通过相似材料三维地质力学模型试验也再现了深部巷道围岩分区破裂的形成过程。唐春安等[18,37]用RFPA并行分析系统对含圆孔方形试件进行了三维加载条件下的破裂过程数值模拟，再现了分区破裂现象，认为分区破裂现象是巷道方向主应力作用下围岩中的环状张裂破坏的结果。 2.3 分区破裂化机制分析 2.3.1 对分区破裂化机制的讨论

目前，尽管国内外许多学者在现场勘察、室内试验、理论分析和数值模拟方面做了不少工作，尝试解释分区破裂化现象，但对其产生的力学机理没有统一的定论。 传统的连续介质岩石力学理论分析分区破裂的讨论：过去一些研究者认为[17]：“分区破裂化现象及其规律与传统的连续介质岩石力学理论不相一致”。根据唐春安教授等[18]的研究结果，分区破裂现象的出现，并不说明传统的连续介质力学理论存在问题，而是人们当时的认识都局限在二维平面应力问题的讨论范围，没有意识到它是一个三维应力问题。

分区破裂二维模型与三维模型的讨论：目前多数文献对于分区破裂形成的原因主要是基于二维平面应力模型。这些模型大都认为[30]，巷道围岩中由于巷道的开挖导致了峰值应力的存在，且峰值应力处于弹性区与塑性区的交界处。文献[30]称这个峰值应力区为支撑压力区。由于支撑压力区的应力峰值及其附近的应力值都超过了岩石的单轴抗压强度，因此预计会在这个高应力区产生环状破裂带。他们进一步认为，当满足一定的应力条件时，这种过程将继续，即产生多层环状破裂带。但这种观点以塑性区与弹性区的交界处为产生环状破裂的地带。如果产生多条环状破裂带，则意味着多次交替出现塑性区与弹性区，这并没有得到实验或现场监测数据的进一步证明。

对分区破裂试验方法的讨论：对于分区破裂化现象的模拟，有的认为[7]：只有先加载后开洞，才能形成高地应力，产生动力过程；如果先挖洞后加载，不断地逐步加载和变形，加速度就不会产生，不能形成高地应力卸载，就得不到分区破裂化现象；而有的认为[7]，沿巷道轴向压应力较大是引起巷道围岩分区破裂的根本原因，先挖洞后加载，不断地逐步加载和变形，照样会得到分区破裂化现象。 2.3.2 对分区破裂化机制分类的探讨

实质上，深部岩体工程开挖是对处于高应力岩石人为进行的卸载和动力扰动过程[38]。深部岩体工程响应的科学特征现象发生的原因，钱七虎院士[5]将其归纳为两类：静力的和动力的。深部巷道开挖时，围岩的应力状态由高维向低维转变过程中，如上所述，满足一定条件，就有可能发生分区破裂化现象。根据文献[5]，深部开采巷道围岩的分区破裂化问题就其发生的原因看，既可能是静力学的问题，也可能是动力学的问题。从其致因看，分区破裂可以分为两类，第一类是地应力的主应力与巷道的轴线平行，且主应力大于一定值时，围岩发生分区破裂现象；另一类是地应力虽然与巷道的轴线平行，但主应力值还没大到足以造成围岩发生分区破裂现象，但爆破震动、地震、瞬时卸载等，使岩体原岩应力和外部扰动应力叠加而发

生的分区破裂现象。上述分析大多属于第一类分区破裂现象，此时围岩可视为准静态破坏[5]，对其研究较多；第二类分区破裂现象属于岩石动力学研究范围[32]，也积累了一些研究成果[31-32]，虽然提供了初步的理论基础，但还有待深入。 评价巷道围岩的稳定性必须研究工程岩体所受的动静组合载荷。动静组合加载下岩石的力学特性与破坏机理是一新的研究课题[38]，为探索深部开采巷道围岩分区破裂化现象提供了一种新的思维方式。当深部开采的巷道围岩受到动力扰动，此时发生的分区破裂现象可视为动静组合载荷研究的范围。 3 结语

1)目前，国内外许多学者从现场勘察、室内试验、理论分析和数值模拟方面做了不少工作，都尝试解释分区破裂化现象，但目前对其产生的力学机理没有统一的定论。 2)深部开采巷道围岩的分区破裂化问题就其发生的原因看，既可能是静力学的问题，也可能是动力学的问题。目前对分区破裂的静力学机制研究较多。

3)分区破裂化现象是对处于高应力的深部岩体人为进行的卸载和动力扰动的结果。当深部开采的巷道围岩受到动力扰动，此时发生的分区破裂现象可视为动静组合载荷研究的范围。因此，有必要应用动静组合加载破岩理论从动力学角度对分区破裂现象进行深入分析和研究，探讨动力扰动下高应力巷道围岩分区破裂化的机制。 参考文献

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