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第 44 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 44 No. 5 2019 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay 2019 移动阅读 彭瑞东,薛东杰,孙华飞,等. 深部开采中的强扰动特性探讨[J]. 煤炭学报,2019,4451359-1368. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2019. 6024 PENG Ruidong,XUE Dongjie,SUN Huafei,et al. Characteristics of strong disturbance to rock mass in deep mining [J]. Journal of China Coal Society,2019,4451359-1368. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2019. 6024 深部开采中的强扰动特性探讨 彭瑞东1,2,薛东杰2,孙华飞2,周宏伟1,2 1. 中国矿业大学北京 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083; 2. 中国矿业大学北京 力学与建筑工程学院,北京 100083 摘 要深部岩体具有高地应力、高地温、高渗压的独特赋存环境,其采动影响远较浅部复杂。 通过 将深部岩体的赋存环境和深部开采的扰动特征两方面相结合,系统分析了深部岩体开采中的强扰 动特性。 首先对扰动激励的动静组合特点进行了分析。 根据深部开采中的应力变化路径,给出了 不同深度类型下原岩应力状态以及扰动应力状态的分布区域,揭示了深部开采中应力变化更加复 杂的必然性,并初步给出了考虑赋存深度、开采工艺、岩体重度、残余应力以及采动速度影响的岩体 卸荷速率计算公式。 根据深部开采中的动力扰动类型和波动传播规律,分析指出了深部岩体中的 流体压力传播特征,揭示了深部动力扰动时间延长和扰动范围扩大的特点。 然后基于扰动状态概 念DSC对扰动影响水平进行了分析。 通过对深部岩体能量蓄积、能量耗散以及释放规律的分析, 定义了基于能量特征的扰动函数,可以籍此构建基于 DSC 的深部岩体统一本构模型,并定量描述 深部岩体扰动的大小。 最后定性描述了深部岩体开采中开挖扰动区的分布特点以及相应的应力应 变状态,将其划分为原岩弹性区、开挖损伤区EDZ以及开挖破碎区,其中开挖损伤区又可分为峰 前损伤区、塑性流变区、外部损伤区。 并初步给出了开挖损伤区大小的计算公式,讨论了各项参数 的意义及影响因素。 研究表明,深部岩体的高应力状态以及复杂的多场多相耦合环境使其在更大 范围内受到扰动的影响,EDZ 的范围将显著增大,并表现出复杂的时空演化特征。 利用扰动状态 概念DSC建立的扰动函数,以及基于能量分析建立的开挖损伤区EDZ大小计算公式,可以定量 刻画深部扰动的程度,分别反映了深部扰动激励增大和扰动影响增大的特点。 关键词岩石;深部开采;扰动;能量;损伤;开挖扰动区 中图分类号TD313;O346． 5 文献标志码A 文章编号0253-9993201905-1359-10 收稿日期2019-01-31 修回日期2019-03-26 责任编辑郭晓炜 基金项目国家重点研发计划资助项目2016YFC0600704;北京市教育委员会共建资助项目 作者简介彭瑞东1974,男,山西忻州人,教授,博士。 Tel010-62331253,E-mailprd cumtb． edu． cn 通讯作者周宏伟1965,男,重庆合川人,教授,博士。 Tel010-62331286,E-mailzhw cumtb． edu． cn Characteristics of strong disturbance to rock mass in deep mining PENG Ruidong1,2,XUE Dongjie2,SUN Huafei2,ZHOU Hongwei1,2 1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining 2. School of Me- chanics and Civil Engineering,China University of Mining deep mining;disturbance;energy;damage;excavation disturbance zone 随着浅部资源的枯竭,深部矿产资源、油气资源 的开采逐步成为全球资源获取的新常态。 而且未来 深地空间的开发利用具有更为重要的战略意义,在能 源储备、核废料处置、地下生态城市与深地生态圈等 领域都有着巨大的潜在价值。 但究竟什么是深部,如 何定义深部,却始终没有科学的、定量化的表达。 2001 年谢和平召集了我国第一个以“深部岩体力学” 为主题的香山科学论坛,率先提出深部岩石所处环境 的“三高一强”高地应力、高地温、高渗压;极强的时 间效应特征 [1]。 随后,深部开采与深部岩体力学研 究得到了持续的、广泛的关注,获得了一些高水平研 究成果[2-3]。 钱七虎等建议依据分区破裂化现象来 界定深部岩体工程[4]。 何满潮等建议将深部开采深 度定义为工程岩体最先开始出现非线性力学现象的 深度[5]。 袁亮等建议在深部储层中开展煤气共 采[6]。 康红普等系统研究了深部巷道中支护技术的 特点和发展趋势[7]。 谢和平等进一步论述了国内外 关于深部、浅部差异的量化界线,并针对煤炭科学开 采对资源储量和开采技术发展水平的要求,从工作面 环境温度、巷道变形控制以及采动岩体能量聚集灾变 等方面,论述了极限开采深度的概念,给出了极限深 度范围[8]。 随着研究的不断深入,现在普遍认为“深 部”不是一个简单的深度概念,而是一种由地应力水 平、采动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态, 可以通过力学分析给出定量化表征[9]。 2015 年 12 月,谢和平应邀作陈宗基讲座的主题报告“深部资源 开发的基础理论研究探索” [10],总结分析了该领域的 最新进展。 无论深部如何定义、界定和描述,都无法回避深 部资源赋存的地质条件复杂、地应力增大、地温升高、 岩体破裂程度加剧、涌水加剧,致使资源开采难度加 大、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧增加等 一系列问题。 因此,强扰动和强时效是区别于浅部的 深部资源开采的两大特征[11]。 本文将针对深部岩体 开采中的强扰动特性进行初步探讨。 传统岩石力学是基于连续介质固体力学理论发 展起来的。 这些理论现在还只能描述固体材料或结 构破坏前的力学行为。 长期以来,岩石力学也主要是 通过实验测定的全应力-应变曲线来分析和描述岩 体的基本力学行为和损伤破坏过程,获得的是岩石材 料本身的基本力学性质如强度、刚度、弹性模量、蠕 变系数、黏结力等,其优点是实验结果具有可比性, 缺点是没有考虑现场的原位应力状态和开采或开挖 路径的影响,与工程活动相割裂,没有考虑在工程活 动或运营状态下岩体真实的力学性质。 采矿工程与 土木工程的最大区别是“破”与“不破” [12]。 采矿工 程中的岩石力学不仅要研究如何避免岩体的破坏,为 制定合理的开挖及支护措施提供科学指导,还要研究 如何利用岩体的破坏,为控制岩石破碎块度或压裂缝 网提供科学指导。 随着开采深度增加,深部采矿可称 0631 第 5 期彭瑞东等深部开采中的强扰动特性探讨 为“地质工程” [12]。 地质工程的对象包含两个层面 地质体的结构和地质体中的应力场。 地质体结构的 复杂性已经引起了广泛关注,并被归咎为岩体力学响 应复杂多变的重要原因,但对于地质体应力环境的复 杂性还缺乏足够的关注。 而恰恰是地质体中的卸荷 效应[13-17]、动静组合效应[18-20]等应力扰动在决定着 工程岩体的力学响应,岩体的稳定与否、破坏与否莫 不与此相关。 深部岩体工程的强扰动特征之一就是 这种扰动激励更加剧烈和复杂了,这不仅与深部岩石 的应力状态变化更加复杂剧烈有关,也与深部岩石中 原始很高的孔隙压力有关。 而且深部岩石所面临的 多场多相问题非常突出,采动影响也因此变得更加复 杂多变。 深部岩体的工程活动通常表现出明显的强扰动 特征,这可以从扰动的激励水平和影响水平两方面加 以描述。 需要注意的是,剧烈扰动并不一定会导致非 常复杂的扰动响应。 例如对于理想弹性材料,即便扰 动激励很强烈,也还是可以从弹性应力波的传播分析 中得到一些有益的结论。 因此,在浅部岩体工程中偶 尔遇到的剧烈扰动,与深部岩体工程中普遍存在的剧 烈扰动有着很大区别。 深部岩体工程的强扰动特征 是深部扰动激励加剧和扰动影响增大的综合反映。 就扰动激励而言,深部岩体工程中往往表现出更大的 卸荷速率、更高的应力扰动水平、以及不可避免的高 孔压变化。 就扰动影响而言,深部岩体不再是简单地 弹性响应,通常会出现塑性、黏性响应,具有更加复杂 的阻尼机制,还往往涉及到温度场、渗流场乃至化学 物质场的变化。 因此必须将深部岩体的赋存环境和 深部开采的扰动特征两方面相结合来认识深部岩体 开采中的强扰动特性。 1 深部岩体的赋存环境 从资 源 开 采 来 说, 目 前 煤 炭 开 采 深 度 已 达 1 500 m,地热开采深度超过 3 000 m,有色金属矿 开采 深 度 超 过 4 350 m, 油 气 资 源 开 采 深 度 达 7 500 m,未来深部资源开采将成为常态。 但深 部开采工程实践活动已超前于相关基础理论的系 统探索,工程实践一定程度上存在盲目性、低效性 和不确定性。 值得注意的是,“深部” 不等于“深 度”。 “深部”定义的内涵应该是岩体赋存环境的特 点,亦即“三高一强”,这种赋存环境决定了岩石的 原始力学状态和物理化学属性,也正是岩石在工程 扰动下出现强烈非线性响应的本质原因。 在不同 的技术条件下,深部所对应的深度有可能是不同 的,这与岩体类型、地质条件、开采方式等都有关 系[8-10],不能简单地依赖深度大小来区分是否进入 深部开采。 将开采“深度”区分为浅部与深部,是因 为对于深部岩体的基本力学行为还存在认识不足, 业已形成的在浅部岩体基础上建立起来的岩石变 形破坏规律不能很好的适用于深部岩体,从而导致 深部岩体开采中的不确定性。 为此,有必要先对深 部岩体的赋存环境特点及其影响作一简要概述。 地下岩体的应力环境包括原始地应力环境和工 程扰动后引起的应力调整。 原岩应力主要由构造应 力和上覆岩层的自重应力构成,这是深部岩体应力场 的基础。 扰动应力包括开挖引起的应力重分布以及 爆破、切削等带来的动态应力波动。 大量数据表明, 当埋深较浅时构造应力占主导地位,而当埋深较深时 岩体将处于静水压力状态。 在不同温度环境下,岩体表现出的变形破坏特点 会有较大差别,其力学性能参数具有显著差异。 深部 岩石往往处于相对较高的温度下,因此其黏性行为表 现显著,流变变形不容忽视。 而且岩体内温度变化 1 ℃可产生 0． 4 0． 5 MPa 的地应力变化,这种热胀 冷缩引起的局部应力或应变调整也会对深部岩体的 变形破坏产生极大影响。 岩石工程中往往会涉及到地下含水层以及各种 油气储层,这时岩石处于一种固液气多相共存状态。 气液相在岩石基质孔裂隙中的运移与岩石的变性破 坏是一种复杂的流固耦合过程。 在深部岩体中,传统 的线性达西渗流规律以及吸附解吸和扩散规律面临 众多挑战,不能很好地解释深部岩体中的流体渗流运 移现象。 究其本质,与深部岩体处于多场多相耦合的 复杂环境下有很大关系。 进入深部以后,地应力增 大,同时伴随着岩溶水压及储层压力的升高。 有数据 表明千米深度后煤层气压力也达到了 10 MPa 以上。 在深部岩体中,储层压力通常处于超压异常状态,这 就会导致储层损害,对于油气开采带来很大影响,甚 至诱发瓦斯突出、突水、岩爆等灾害。 2 深部开采的扰动类型 处于原始平衡状态的地下岩体在经历工程采动 后力学状态会发生变化,这一过程不同于机械、交通、 建筑等领域以加载响应为主的材料变形破坏过程,这 是一个由于局部卸荷作用而导致的应力重分布过程, 而且不可避免地受到工程扰动的影响。 一方面,岩体 开采中需要首先借助钻爆法或机械切削将工作面上 的岩石破碎移除,或者通过水压致裂等方法在目标岩 层中形成裂隙网络。 这时是通过外力加载来达到破 岩目的,与此同时会在附近岩体中形成一个扰动影响 1631 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 区。 影响范围不仅取决于破岩带来的弹性能释放程 度,而且与破岩过程中爆炸、碾压、切削等形成的应力 波传播情况有关。 尤其是当应力波动的影响超出理 想弹性范围后,波动过程的能量耗散程度将对扰动影 响区的范围及影响程度都产生很大影响。 另一方面, 破岩之后的支护作用也将极大地影响扰动区内岩石 应力的重分布。 无论是巷道中的锚杆、衬砌、支架、岩 柱等系统,还是压裂缝隙中的支撑剂等,都会在一定 程度上发挥阻止变形的作用,改变局部卸荷后的应力 调整路径,从而对扰动影响区内最终的应力分布形态 产生重要影响。 因此,岩体开采中不同的破岩方式、 支护方式会形成不同的扰动类型,这可从应力变化路 径以及动力扰动特点两方面来分析。 2． 1 不同开采方式下的应力变化路径 以深部煤炭开采或开挖为例,它具有多种方 式,例如放顶煤开采、无煤柱开采、保护层开采等。 在不同开采或开挖方式下,工作面前方煤岩体经历 了不同的应力环境和应力路径。 在各种特有的采 动应力路径下岩体的力学响应可称为采动力学过 程,这种研究方法就是采动岩体力学[10]。 图 1 所示 为不同开采方式下岩体应力的卸荷路径[21]。 同时 在图 1 中画出了不同深度下原岩应力状态的分布 区域。 在深部岩体中,原岩应力主要分布在静水压 力线附近。 在不同的开采方式下,工作面附近岩体 中的应力由于卸荷增压效应会有不同程度上升,然 后再伴随岩体回弹而下降甚至出现拉应力,从而在 巷道周围形成松动圈。 不难发现,在深部岩体中, 由于原岩应力较高,破岩卸荷所引起的局部高应力 区有可能超过岩石的极限载荷蠕变极限或强度极 限,从而导致岩体发生较大流变变形甚至发生损 伤破坏。 所以,深部岩体开采中的应力变化路径将 更加复杂,这不仅体现在应力变化范围增大,而且 对于大多数岩体会涉及到塑性、流变、损伤累积乃 至破裂等过程,这远较浅部的弹性加卸荷变化复杂 得多。 无论是在实验模拟还是在数值模拟中,都必 须遵从地下岩体开采中的这种独特应力路径,才能 切实模拟地下岩体的力学响应过程。 在地下岩体开采过程中,不同开采方式引起的最 大应力可统一表示为 σ1αγH,其中,H 为岩体深度, γ 为上覆岩石的平均容重,α 为不同开采方式引起的 应力集中系数,对无煤柱开采、放顶煤开采和保护层 开采 α 分别取 3． 0,2． 5,2． 0[21]。 该最大应力一般位 于岩体内距离工作面为 L1的地方,受岩性、破岩方 式、支护方式、原岩应力情况等影响,这一卸压扰动 区 L1的范围也不尽相同[21]。 在此基础上,可进一步 图 1 不同开采方式下岩体应力状态分布和变化路径 Fig． 1 Stress states and paths of rock mass in various mining 给出工作面岩石的卸荷速率为 σ αγH - R L1 v1 其中,R 为工作面岩石内的残余应力,与岩性、支护方 式有关;v 为工作面采动速度,与破岩方式有关。 需 要说明的是,式中卸压扰动区 L1的大小与系数 α 和 采动速度 v 有关,因此式1并不意味着卸荷速率与 开采速度成正比。 通过对具体的现场监测数据进行 统计和理论分析,可以确定式中各参数的具体数值, 得出最终形式。 不妨对式1进行简单的定性分析, 可以看出,随着开采深度增加,岩石卸荷速率也将迅 速增大。 实验表明,峰值后的应力跌落与岩石破碎块 度有很大关系,同时受到围压作用的影响,岩石在太 高围压作用下会表现出脆性破坏的特征[22]。 因此深 部岩石的高速卸荷势必会导致岩石破坏形态的变化, 进而影响扰动区范围与分布特点,这也是深部冲击地 压显著以及出现分区破裂化的重要诱因。 采用 TBM 切削法时的采动速度要比传统钻爆法低,因此岩石的 卸荷速率也较慢,这就有助于控制开采扰动在较小的 范围内。 2． 2 开采过程的动力扰动特点 深部岩体处于高应力状态,而且在开采过程中会 受到爆破崩矿、机械凿岩、落矿扒渣或水力压裂等各 种频繁的动力扰动。 因此深部岩体是典型的岩石动 静组合加载作用问题[18]。 动力扰动是由外界动载荷 作用带来的应力波动,取决于扰动源的振动形式以及 岩体自身波阻抗特性,其变化形态、幅值、频率等都会 存在较大差异。 因此,深部岩体中的应力波动可表示 为 σ σ0 σ d 2 其中,σ0为岩体所在位置的地应力水平,受原岩应力 以及开挖方式的影响,在扰动影响区内具有特定的分 2631 第 5 期彭瑞东等深部开采中的强扰动特性探讨 布形态,是岩体开采后的静态重分布应力;σd为钻爆 冲击、碾压切削等引起的应力波动,具有特定的时程 分布特点,表现为一定的周期振荡或阶跃脉冲形式, 往往会受岩体阻尼、传播路径的影响。 图 2 为在甘肃北山花岗岩巷道中监测到的几种 工程扰动信号,包括人为活动、打孔、爆破前后以及扒 渣等阶段引起的声发射特征信号。 尽管目前还不好 区分声发射信号是源于局部损伤破裂还是机械振动, 但还是可以在一定程度上反映出动力扰动的规律。 其中爆破前后的扰动是最剧烈的,而且具有一定周期 性。 而扒渣阶段的碰撞冲击则表现出一定的阶跃特 征。 图 2 不同施工阶段在巷道围岩中引起的声发射信号 Fig． 2 Acoustic emission signals from surrounding rocks in a tunnel during different engineering stages 在深部开采中,较高的地应力水平使得应力波动 也发生在较高的水平。 深部岩体在高地应力的作用 下相当于在岩石内部施加了部分预应力,使深部硬岩 成为储能体[23]。 在一定条件下,岩体内蓄积的变形 能会释放出来,转变为动能,形成微震,甚至引起岩 爆。 现场监测表明,微震现象与开采深度和岩石强度 有关,而且受到工作面采动的显著影响[24]。 深部矿 体开采过程中,岩爆加剧并频发是一个重大工程灾害 问题,利用动静组合加载理论可以对此作出较好的解 释。 不过从另外一个方面来看,深部高应力硬岩内部 蓄积的弹性能也可通过人为诱导成为有效破岩的动 力源[18],这对于高效爆破或压裂都是有益的。 另外,深部含水层中的水压或深部储层压力也是 相对较高的。 在原始状态下流体压力是以封闭压力 的形式存在于岩石孔裂隙中,由于开采扰动的影响, 高压流体也会在瞬时发生卸压,引起岩体内的应力扰 动。 尤其是在储层压裂过程中,裂缝形成瞬间的这种 流体卸压扰动会对应力波在岩体中的传播产生影响。 一方面,岩体中的气相或液相流体会增大岩体的阻 尼,削弱应力扰动的有效传播距离,另一方面,联通的 气相或液相流体则会传播流体压力。 因此,深部岩体 中流体压力的传播过程必须采用瞬变流模型,而不能 简单的简化为达西渗流模型或振荡流模型。 深部岩体往往具有一定的流变特征,在应力扰动 下将产生塑性变形以及蠕变,这将使得应力波的传播 速度有所下降。 另外,不同于浅部岩体的节理裂隙比 较发育,深部岩体相对比较完整,工程开挖又往往距 离断层较远,因此应力波的折反射时程增大,且应力 波衰减变慢。 这就使得在深部岩体中扰动应力波的 传播时间将延长,需要经历一定的时间后才会达到某 一暂态的平衡。 这也是深部岩爆、塌方、底臌等灾害 事故滞后发生的重要原因之一。 深部岩体的高应力状态以及复杂的多场多相耦 合环境使其在更大范围内受到扰动的影响,开采扰动 的影响表现为扰动时间延长、扰动范围扩大的重要特 点,具有更加复杂的时空演化特征。 3 基于 DSC 的深部岩体能量分析 由于实际工程材料尤其是岩土材料 的特殊 性非均匀、有缺陷和不确定性,进行工程材料本构 模型的研究具有相当的复杂性和艰巨性。 美国 DE- SAI C S 教授于 1974 年提出的扰动状态概念DSC, Disturbed State Concept为工程材料提供了一种统一 的本构模型建立方法。 现在 DSC 已得到大量应用和 3631 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 推广[25-28]。 在深部岩石工程中,扰动激励的复杂性 使得传统的单一本构模型很难描述岩石的真实力学 响应,这为 DSC 的应用提供了广阔的前景。 考虑到 岩石变形破坏的核心驱动力是能量,可以基于能量特 征来定义岩石的扰动函数。 这样就可兼顾岩体的应 力特征和变形特征,并将复杂的多场耦合统一起来。 就完整状态RI的岩石而言,其所能蓄积的最 大能量密度可定义为 ei,按照线弹性胡克定律有 eiσe ijε e ij /2,其中,σ e ij 为完整岩石的强度极限;εe ij 为与强度极限对应的弹性应变。 考虑到岩石变形破坏过程中发生的能量耗散,可 定义最大耗散能密度 ed为 ed w pl w dm w vb w rd 3 其中,wpl为工程许可的单位体积岩体最大塑性变形 功以及流变变形功,与屈服应力、流变应力以及累积 塑性变形有关,该极限值可根据最大许可变形来确 定,并受实际可能的流变应力影响,如果存在裂隙结 构,这部分能量还包括岩石沿裂隙面滑移消耗的塑性 功;wdm为工程许可的单位体积岩体最大损伤耗能, 可根据损伤极限以及裂纹扩展阻力率来确定,该极限 值与岩石的断裂韧度以及工程许可的孔裂隙密度有 关;wvb为工程许可的单位体积岩体最大振动能量,该 极限值与岩石的密度和波速有关,并受实际可能的振 幅、频率以及岩石的阻尼系数影响;wrd为工程许可的 单位体积岩体最大辐射能,反映了岩体破坏前向外辐 射的最大能量,包括热能和电磁辐射能,一般可以忽 略。 需要说明的是,ed所反映的能量耗散是与路径 有关的,因此在不同的地质环境下、不同的开采方式 下、不同的工程安全要求下,这一许可的极限值也会 有所不同。 就完全调整状态FA的岩石而言,其所能蓄积 的最大能量可定义为 ec,根据岩石的残余强度有 ec σrijσrkl/ 2Cijkl,其中,σrij以及 σrkl为破碎岩体的残余 强度下标 i,j,k,l 为张量自由指标记号;Cijkl为破 碎岩体的弹性模量。 对于岩体孔裂隙中的流体相,如水、油、气等,在 完整状态RI下处于封闭状态,具备一定压力能 eip, 这与岩层水压或储层压力有关,也反映了岩体孔裂隙 结构的影响。 在完全调整状态FA下,封闭的流体 基本全部释放出来,残余的流体压力能 ecp≈0。 于是可定义扰动函数为 D ～ ei e ip w - e ep ei e ip ed - ec ecp 4 其中, e 和 ep为某一时刻单位体积岩石中实际储存 的能量;e 为岩石实际的弹性应变能,可根据实际的 应力 σij和弹性应变 εij确定,即 eσijεij /2;ep为岩 石中实际的流体压力势能;w 为某一时刻单位体积岩 石中实际耗散的能量,包括累积塑性变形功、累积振 动能、累计损伤耗能等;下标 i,c 分别为初始完整状 态和最终完全调整状态。 在上述扰动函数中ei eip为初始完整状态岩石所能蓄积的最大能量,是岩 体的最大可释放能量;ec e cp为最终完全调整状态 岩石所能蓄积的最大能量,这是为了保障地下岩体稳 定性,岩体需贮存的最小能量;ed为岩石从初始完整 状态到最终完全调整状态所耗散掉的最大能量,是工 程许可的岩体的最大耗散能密度。 式4 分子项 中ei e ip-eep ei-eeip -e p,为实际释放的 能量。 因此整个分子项表示某时刻岩石实际耗散和 释放的能量。 式4 分母项中ei e ip -ec e cp ei-eceip-ecp为岩石从初始完整状态RI到 最终完全调整状态FA所释放的能量,整个分母项 表示岩石从 RI 态到 FA 态所耗散和释放的最大能 量。 理想情况下,初始时刻岩石的能量耗散和释放量 为 0,即式4分子项为 0,因此扰动函数的取值为 0。 当岩石实际耗散和释放的能量达到所许可的最大能 量时,扰动函数的取值达到最大值 1。 由于在初始时刻原岩应力 σij一般不会达到岩 石的弹性极限值 σe ij,因此有 eei,而且在初始时刻可 认为 ep e ip,w0,所以初始扰动值并不为 0。 考虑到 深部岩体的原岩应力 σij一般要大于浅部,因此深部 岩体的初始弹性应变能 e 一般要大于浅部,于是可以 看出,深部的初始扰动要比浅部小一些。 埋深越大, 岩体中的应力越大,也就越接近其强度极限,但这时 是几乎不受扰动影响的,接近初始完整的状态。 由于 采动卸荷的影响,岩石中蓄积的弹性能释放出来,岩 石应力下降,表现为扰动逐渐加剧。 而埋深越浅,岩 体中应力越小,这也就相当于已经受到了一定扰动。 可见,采用上述扰动函数的定义,能够很好地反映实 际岩体工程中的卸荷实质。 由于深部岩体变形破坏过程中的能量耗散要比 浅部复杂和严重,因此深部开采中的 w 要大于浅部, 这就使得深部的扰动发展将更为剧烈。 从工程安全 的角度来看,需要将扰动函数的值控制在一定范围, 不能接近 1。 这就需要控制岩石的弹性应变能 e 和 耗散能 w,或者通过合理选址、优化工艺来控制 ed。 另外需要说明的是,在上述扰动函数中,各能量分项 还受岩性、温度的影响,所以在地下岩体中,扰动函数 是一个复杂的时空分布函数,不仅会随开采时程而变 化,而且在不同区域可能会有不同的变化规律。 因 此,在引入扰动函数建立 DSC 本构模型后,还必须结 4631 第 5 期彭瑞东等深部开采中的强扰动特性探讨 合有效的数值模拟手段来进行求解分析,从而对深部 岩体开采所引起的扰动进行科学预测和控制。 4 深部强扰动的影响 在岩体工程中普遍存在着开挖岩体和保护围岩 稳定这一相互矛盾但又必须解决的问题。 无论是采 用钻爆法还是全断面法TBM进行开挖,都会对围 岩造成损伤和破坏,使围岩的物理力学性能发生扰 动,形成所谓的开挖扰动区 Excavation Disturbed Zone 或 开 挖 损 伤 区 ExcavationDamaged Zone [29-33]。 而且开挖损伤区的形成及后续的时空 演化过程是一个温度场、渗流场、应力场和损伤场耦 合作用的过程[29]。 与浅部岩体的变形破坏不同,深部工程围岩由于 处于受到较强的应力扰动影响,变形与破坏具有显著 的非线性特性,并常常伴随着诸如岩爆、瓦斯突出、大 体积塌方、塌陷等重大工程灾害,对生命安全及财产 构成巨大威胁。 这也意味着开挖扰动区的范围急剧 增大。 开挖损伤区范围及其损伤程度的估算以及损伤 区围岩物理力学特性的研究,对于岩体工程稳定性设 计是至关重要的。 但开挖损伤区的理论研究远远滞 后于工程实践。 目前,开挖损伤区的研究主要依赖于 现场测试提出经验公式。 国际上应用比较广泛的是 Kaiser 等提出的 D a 1． 34 σmax σc - 0． 57 0． 055 以及后来 Martin 等提出的 D a 1． 25 σmax σc - 0． 51 0． 16 其中,D 为损伤区深度;a 为隧硐等效半径;σmax为硐 室边界上的最大切向应力,可计算为 σmax3σ1 -σ 3; σc为岩石单轴抗压强度。 可见,开挖损伤区的范围 及损伤程度取决于岩体结构、原岩地应力和开挖方 法。 对于工程应用而言,了解开挖损伤区的物理力学 特征是进行各种工程设计的基础。 广义来看,硐室围岩的损伤可分为外损伤区和内 损伤区两部分,分别为由开挖直接引起的损伤区 CDZConstruction Damage Zone和开挖后应力重分 布 诱 发 的 损 伤 区 SIDZ Stress - Induced Damage Zone。 一般而言,建造损伤区CDZ取决于开挖方 法,其损伤范围和程度可通过调整开挖策略来减少或 者消除,而应力损伤区SIDZ与开挖方法无关,取决 于岩体强度、硐室形状与诱发应力,该部分损伤不可 避免。 开挖损伤区 EDZExcavation Damaged Zone,含 CDZ 和 SIDZ的范围和时空演化规律对岩石工程稳 定性评价及支护设计至关重要,各类受关注的岩体变 形过程和破坏现象均发生在开挖损伤区内,如时效变 形、片帮剥落、岩爆和垮塌等,这些宏观破裂的区域称 为开挖破裂区 EFZExcavation Fracture Zone。 对于 开挖扰动区 EIZExcavation Influence Zone,一般认 为是应力张量中至少一个分量的扰动超过初始应力 5的区域[30],在处理多重硐室的间距问题时需考虑 开挖扰动区间应力的交互作用。 这里的 EIZ 更强调 没有损伤或可以忽略损伤的影响区域,它与开挖损伤 区 EDZ含 CDZ 和 SIDZ以及开挖破裂区 EFZ 一起 构成了开挖扰动区。 地应力的瞬态卸载以及钻爆、凿削等引起的动力 扰动是地下岩体开挖扰动区孕育及演化的重要影响 因素。 按照 DSC 理论,开挖扰动区的时空演化特征 也就是在扰动影响下从相对完整状态初始地应力 环境向完全调整状态开挖后新的平衡状态逐步 发展的过程,这是一个具有高度时间依赖性和空间依 赖性的亚临界演化过程。 相对于浅部岩体,深部岩体 的这一调整过程具有更加复杂的时空依赖性,表现出 显著的流变、损伤等非线性特征。 深部岩体的力学特性与浅部岩体有很大不同。 浅部巷道围岩状态通常可以分为松动区、塑性区和弹 性区,其本构关系可采用弹塑性力学理论进行推导求 解。 而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,这一现象被称为区 域破裂现象或分区破裂化现象[4,34-36]。 分区破裂化 现象是深部岩体工程响应的特征和标志。 从本质上 看,分区破裂化现象是应力扰动渐次传播所导致的, 这也表明扰动影响的时程延长、范围增大。 综上,深部岩体的独特本构关系尤其是卸荷响 应以及深部开挖的独特应力环境使得深部工程表 现出明显的强扰动特征,具体体现为开挖扰动区的分 布范围显著增大,也变得十分复杂。 图 3 定性的给出 了深部开挖扰动区的分布特点以及相应的应力应变 状态。 这包括临空面的开挖破碎区 EFZExcavation Fracture Zone、相邻的开挖损伤区 EDZExcavation Damaged Zone以及内部的原岩弹性区 IEZInner E- lastic Zone。 其中开挖损伤区 EDZ 由内及外分别对 应于卸荷前后的损伤区。 靠近外部的是峰后卸荷损 伤区 UDZUnloading Damage Zone,裂隙比较发育, 损伤程度严重。 中间的是塑性流变区 PDZPlastic Disturbed Zone,是深部岩体独有的损伤区,存在时 效性。 靠近内部的是峰前损伤区 IDZInner Damage Zone,损伤程度较弱,岩性改变不大。 塑性流变区和 5631 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 峰前损伤区统称为内损伤区,也就是前述的应力损伤 区SIDZ,主要取决于岩体强度特征和地应力水平, 与开挖方式关系不大,是不可避免的。 临空面的峰后 卸荷损伤区可称为外损伤区,这也就是前述的建造损 伤区CDZ,它的分布主要取决于开挖方式。 通过优 化爆破、高效 TBM 等工艺可显著降低外损伤区的大 小。 另外需要指出的是,这里的原岩弹性区 IEZ 旨在 强调存在应力扰动变化但仍处于弹性范围的区域,要 区别于完全未受扰动的原岩弹性范围区域。 它与前 述的 EIZ 区在本质上是一致的,只不过概念更加明确 了。 图 3 开挖扰动区划分示意 Fig． 3 Distribution of excavation disturbance zone 根据岩石在不同应力状态下的本构关系,可以 从机理上揭示开挖损伤区 EDZ 的本质特征,从而将 其划分为峰后卸荷损伤区 UDZ、塑性流变区 PDZ 和 峰前损伤区 IDZ 三种区域。 尽管可以将 UDZ 理解为 建造损伤区 CDZ,将 PDZ 和 IDZ 理解为应力损伤 区 SIDZ,但考虑到前者更加强调岩石自身的力学行 为特点,而后者则更加强调损伤区形成的外部原因, 因此从本质上前者可以更好地描述损伤区形成的内 因,为定量计算损伤区的分布奠定了基础。 结合图 3,开挖损伤区的大小为 D a Du a Dp a Di a β ei ec ξ wp σs λ wd σe 7 其中,D 为损伤区深度;a 为隧硐等效半径;Du为由于 开挖引起的外部损伤区的深度,与岩石的应力跌落特 性有关,可根据最大弹性应变能密度 ei与残余弹性 应变能密度 ec的比值来确定,影响因子 β 取决于开 挖方式、支护方式以及巷道尺寸和形状;Dp为由于开 挖引起的塑性流变区的深度,与岩石的流变特性有 关,可根据累积塑性变形功 wp与屈服强度 σs的比值 来确定,σs越低,wp越大,塑性流变区的深度 Dp就 越大,影响因子 ξ 取决于原岩应力、开采方式以及巷 道尺寸和形状;Di为开挖后应力调整引起的峰前损 伤区深度,与完整岩石的损伤特性有关,可根据累积 损伤耗散能 wd与弹性极限或损伤起始应力σe的 比值来确定,σe越低,wd越大,峰前损伤区的深度 Di 就越大,影响因子 λ 取决于原岩应力、动力扰动情况 以及巷道尺寸和形状。 需要注意的是,在岩体开采过 程中,开挖损伤区是一个动态变化的区域。 从空间分 布上来看,工作面附近的岩体受开采扰动影响而处于 不同的状态。 从时间历程上来看,特定位置的岩体将 会在开采扰动下从原岩弹性区历经峰前损伤区、塑性 流变区、外部损伤区、开挖破碎区直至被破岩移走。 相对于浅部,塑性流变区是深部岩石开采所独有的。 受开采扰动,这一区域内部岩石的力学状态还会发生 进一步变化,因为这时岩石是处于一种临界稳定状 态。 动力扰动或者应力调整都有可能诱发岩石破裂, 进而引起连锁反应,表现出分区破裂化以及冲击地压 突发、突水突气等灾害。 另外考虑到深部强时效的影 响,开挖损伤区各部分的大小还会有所变化,是一个 长时间的动态演化过程。 尤其是塑性流变区和峰前 损伤区的时间效应会更显著。 5 结 论 1岩体开采中不同的破岩方式、支护方式会形 成不同的动静扰动类型。 根据深部开采中的应力变 化路径,给出了不同深度下原岩应力状态以及扰动应 力状态的分布区域。 深部开采中的应力变化路径更 加复杂,这不仅体现在应力变化范围增大,而且对于 大多数岩体会涉及到塑性、流变、损伤累积乃至破裂 等过程。 深部动力扰动发生在较高的应力水平上,表 现出扰动时间延长、扰动范围扩大的重要特点。 因此 深部扰动激励明显加剧。 2通过对深部岩体能量耗散及释放规律的分 析,定义了基于能量特征的扰动函数,从而为采用扰 动状态概念DSC建立深部岩体的统一本构模型奠 定了基础。 3定性描述了深部岩体开采中开挖扰动区的 分布特点以及相应的应力应变状态,这包括原岩弹性 区、开挖损伤