深部非爆卸荷帷幕的等效力学作用研究

于世波，杨小聪，王志修，原 野

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

随着一大批矿山转向深部开采实践，中国硬岩矿山已经逐步进入深部开采阶段。深部开采中重大安全隐患之一是岩爆动力灾害引起的各种暴力破坏事故[1-2]。许多矿山在浅部开采时，沿用浅部开采的思路，导致大量的浅部残留矿柱处于高应力、极高应力状态，这些残留矿柱是最容易发展成为岩爆动力灾害的主要危险源，迫切需要针对性的处理方式进行对症处理从而对其进行安全解危。最常用方法为在垂直最大主应力方向上采用爆破的方式形成切缝帷幕[2-5]，降低矿柱中的主应力水平，从而降低矿柱的岩爆应力风险。事实证明，这种方法在大多数情况下确实是一种行之有效的方法，但在现实生产中，还面对一些高应力高风险的残留矿柱不允许使用爆破方式进行解危的情况，除了人工制造非爆卸荷帷幕并没有其他可行的方式可用，而这种非爆卸荷帷幕的人工制造原理是使用密集排孔，充分利用深部高应力及其诱导应力集中的作用，使排孔内部的孔与孔之间岩体发生屈服，从而形成应力隔断帷幕线，即所谓的非爆卸荷帷幕。

应该说，非爆卸荷帷幕从原理上来说是有科学依据的，但是其起效机制及力学作用仍然不清晰，本文通过理论分析优选帷幕排孔内部孔间距离，采用数值模拟方法，建立非爆卸荷帷幕和对应的爆破切缝帷幕模型，通过非爆卸荷帷幕爆破切缝帷幕应力场和碎裂不稳定区对比分析，探索深部非爆卸荷帷幕的等效力学作用，为深部高应力高风险矿柱的工程处理提供理论支撑。

1 非爆卸荷帷幕孔间距离选择

为了研究非爆卸荷帷幕的等效力学作用，需要先确定非爆卸荷帷幕多孔之间合理孔间距。首先根据弹性力学分析单孔形成之后的应力分布情况。

弹性力学深部单孔平面应变状态下的孔壁周边应力如下：

(1)

(2)

(3)

其中，λ为侧压力系数。为了简要得出深部单孔的应力影响主要范围，将λ=1作为简化情况分析，即当λ=1时，其孔壁周边的应力分布如图1所示。可以看出，单孔扰动应力场的明显影响范围为3倍孔的半径。因此，要使两孔或多孔之间形成高应力集中区，应使深部非爆卸荷帷幕孔间间距在3倍孔的半径以内，本次选取3倍孔的半径作为基础进行非爆卸荷帷幕排孔高应力作用下的探索研究。

图1 深部圆形孔开挖后的二次应力分布Fig.1 Secondary stress distribution after deep hole excavation

2 数值力学模型

为了探索非爆卸荷帷幕和爆破切缝帷幕的等效力学作用，建立了对应两种情况的数值力学模型，如图2所示。其中非爆卸荷模型钻孔直径为40 mm，共建立12个钻孔；爆破切缝模型连续切缝长度等同于12个钻孔的直径。两个力学模型的尺度和边界条件都相同，本构模型采用广义Mohr-Coulomb模型，应力边界采用中国西南某矿深部水平推测最大主应力值84.7 MPa和最小主应力值44.6 MPa，模拟选用力学参数为该矿深部岩体力学参数，如表1所示。

图2 卸荷帷幕数值力学模型Fig.2 Numerical mechanical model of deep destressing curtain

为了说明高应力条件下的非爆卸荷帷幕和爆破切缝帷幕的等效力学作用，结合非爆卸荷帷幕的钻孔影响范围初步选择距离，分别设置了两种模型中1#孔与1#切缝、1#～4#孔与1#～4#切缝、1#～4#～7#孔与1#～7#切缝的模拟结果对比。

为了模拟高应力作用下的排孔内部由于高应力导致的破裂不稳定情况，本次结合连续介质力学模型的特点，以安全系数方式判定高应力导致的孔间破裂不稳定性。安全系数以FLAC3D软件中的广义Mohr-Coulomb准则制定，既服从剪切破坏又要服从拉破坏，安全系数在FLAC3D中以Zone Extra形式进行输出。

3 非爆卸荷帷幕和爆破切缝帷幕应力场和碎裂不稳定区对比分析

对非爆卸荷帷幕和爆破切缝帷幕应力场和碎裂不稳定区分别进行对比分析，探索深部非爆卸荷帷幕的等效力学作用。

3.1 应力场对比分析

非爆卸荷帷幕和爆破切缝帷幕应力场模拟结果如图3、4所示。可以看出，1#孔与1#切缝实施后，在孔和切缝的两侧均出现高度应力集中区；1#～4#孔与1#～4#切缝实施后，在两侧也出现高度应力集中区，1#孔和4#孔之间有一部分较高应力分布，但在1#～4#孔外围形成明显的低应力区，形成重要的应力低值卸荷区，即形成了与1#～4#切缝一样的应力隔断区；在1#～4#～7#孔与1#～7#切缝实施后，仍然呈现了同样的分布规律，同样，如果形成更长的排孔，则与爆破切缝帷幕应力场具有同样的分布规律。

图4 爆破切缝帷幕应力张量场分布图Fig.4 Stress tensor field distribution of explosive slot curtain

综上，非爆卸荷帷幕排孔在高应力作用下在实测最大主应力方向产生明显的卸荷区，这与爆破切缝帷幕形成的卸荷区域具有明显一致性；同时两种帷幕都能实现将高应力向帷幕两端的深处转移，在帷幕长轴两侧真正起到了应力隔断作用。因此，非爆卸荷帷幕与爆破切缝帷幕在应力场分布与转移上具有明显的等效作用。

3.2 碎裂不稳定区对比分析

非爆卸荷帷幕和爆破切缝帷幕碎裂不稳定区数值模拟结果如图5所示。可以看出，1#孔与1#切缝实施后，在孔和切缝的周边均产生了破裂失稳现象，且破裂失稳的形状近似“蝶形”；1#～4#孔与1#～4#切缝实施后，在两侧也均产生了破裂失稳现象，且破裂失稳的形状也近似“蝶形”，并且不稳定“蝶形”区形态和小于1的安全系数值范围大小一致；在1#～4#～7#孔与1#～7#切缝实施后，仍然呈现了同样的分布规律。同样，如果形成更长的排孔，则与爆破切缝帷幕碎裂不稳定区具有同样的分布规律。

图5 非爆卸荷帷幕和爆破切缝帷幕破裂不稳定区分布图Fig.5 Broken instability area distribution of non-explosive destressing curtain and explosive slot curtain

综上，在深部高应力作用下，非爆卸荷帷幕孔间与孔周均产生了破裂失稳现象，且破裂失稳的形状近似“蝶形”，这与爆破切缝帷幕形成的破裂失稳范围和破裂失稳形状几乎一致。因此，非爆卸荷帷幕与爆破切缝帷幕在深部高应力作用下诱导产生的碎裂不稳定区上具有明显的等效作用。

4 结论

1)通过弹性力学解初步确定深部非爆卸荷帷幕孔间距，3倍孔的半径可作为非爆卸荷帷幕排孔高应力作用下等效力学作用探索研究的基础条件。

2)模拟结果表明非爆卸荷帷幕应力场的分布和高应力碎裂不稳定区分布上与爆破切缝帷幕具有高度的一致性，在力学上具有明显的等效作用。

3)通过合理的布置孔间间距能够实现空间岩体的失稳破裂、非爆卸荷帷幕两侧应力的隔断，从而能够达到高应力矿柱卸荷目的，实现对岩爆严重采场的解危。