摘要： 交叉巷道暴露面积大，开挖表面光滑性差，是应力集中的多发区域，在脆性岩体环境下容易发生岩爆。合理的支护方式能改善围岩环境，防止岩爆发生，在选择支护方式上采用flac3D数值模拟软件对不同支护方式进行分析比较，同时使用FISH语言从能量、应力等方面岩爆预测判据内置于所建模型的单元体内，在比较岩爆判据的灵敏性的同时优选出合适的韧性支护方式。该分析方法在使用岩爆判据来优选支护结构，优化支护方式做出了尝试，效果明显。
Abstract： The exposed area of cross tunnel is large， the smooth of the surface in excavation is poor， there is stress-prone regions， are prone to be rock outburst in brittle rock， and rational support methods can improve surrounding rock environment， prevent rock explosion occurred. On the selecting support method， it uses flac3D numerical simulation software for analysis and comparison on different supporting methods， uses FISH language to make rock explosion criterion insetthe unit of the model， and slects suitable toughness of supporting method when comparing sensitivity of rockburst criterion. The analysis method has made attempts to slect support structure， and optimize support method， using rock burst criterion， the effect is obvious.
关键词： 采矿工程；岩爆；支护结构；交叉巷道
Key words： mineral engineering；rock outburst；supporting structure；intersecting service tunnel
中图分类号：TD8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0046-03
0 引言
冯涛等利用扫描电镜研究了冬瓜山现场岩爆剥落岩石的断口形貌，发现岩爆断口以拉伸为主、剪切为辅的方式破坏，这表明冬瓜山岩爆破坏形式以拉伸破坏为主。祝方才教授系统分析了冬瓜山矿区岩爆发生机制，指出冬瓜山矿床岩爆大多发生在坚硬、完整致密的岩石中，在应力集中部位如巷道交叉处、两种岩石交界处易于发生，岩爆的破坏形式以拉伸破坏为主[1]。本文依据冬瓜山岩爆发生机理，就冬瓜山矿区内交叉巷道处易发生岩爆的交叉巷道作为研究对象，构建其数值模拟模型。通过将弹性应变能密度、陶振宇判据等岩爆预测判据引入到FLAC3D中，来对比分析所用支护结构的支护效果，然后优选出具有防治岩爆且能保持巷道稳定的支护形式。
1 有岩爆倾向的巷道支护机理及预测判据
岩爆主要是岩体在达到极限破坏之前，岩体内集聚大量弹性应变能，极限平衡打破后，储备的应变能失控性的猛烈释放出来，产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷的一种非线性动力失稳现象。因此与非岩爆支护相比，有岩爆倾向的巷道支护应当具有消耗围岩体内储存的大量弹性应变能的特性。合理转化或者消耗弹性应变能是支护有效的关键。纵观支护单元体的功能，主要是加固围岩和悬吊承托作用。在高应力的作用下，未支护的巷道临空面最先由于不平衡力作用发生碎胀扩容破坏，然后向深部转移。其中锚杆单元不仅与围岩体组合共同作用过程中提高了围岩的强度，还能悬吊住松动破裂的岩块，拉住金属网和混凝土组合形成的“网兜”；喷射的混凝土缝合了巷道壁的裂隙，避免松动碎裂岩块进一步的扩展破裂，还可以平滑巷道临空面，使巷道壁均匀受力；金属网能够兜住松散的岩块并在锚杆拉应力的作用下让这些岩块组合成承托拱的形式，支撑和分散高应力，达到转移高应力至承托结构上的目的。各支护单元必须具有一定的韧性来缓解或者允许弹性应变能的释放所产生的变形的能力。不然各支护单元在应变能释放过程中因刚性系数过大，允许的变形小，无法阻挡弹性应变能的释放所产生的冲击效应，造成各单元体脱落、松动甚至整体抛出现象。
目前关于岩爆产生形式运用较广的当属kaiser.p.k等人将岩爆划分的“自激发”和“远距离诱发”两种方式。从上面的破坏形式知道，不管是何种方式引起的应变性岩爆，局部释放的弹性应变能越大，其岩爆发生的倾向也越大[4]。于是引入应变能密度νε来衡量应变能的大小。不管单元体承受的是拉、压或是剪应力，应变能密度都能够综合反映单元体各应力分量的作用。在每一个给定时刻，每个单元能够储存的应变能是有限的，不同位置单元体中储存的应变能也不相同[3]。三向应力状态下的应变能密度：
Vε=■σ1ε1+■σ2ε2+■σ3ε3=
■σ■■+σ■■+σ■■-2μ（σ1σ2+σ3σ2+σ1σ3）
式中，σ1、σ2、σ3、ε1、ε2、ε3分别为岩体单元内的主应力和主应变；E、μ分别为岩体的弹性模量和泊松比。一般认为，当岩体内部弹性能达到或超过100kJ·m-3，将可能发生岩爆或冲击地压。
岩爆的发生是多种因素共同作用的结果，在特定环境下，某一种或几种因素成主要控制因素。由于不同岩爆判据的侧重点不同，除了上述从能量的角度考虑外，还可以从应力判据来预测，陶振宇提出的岩体单轴抗压强度与所受最大主应力比值，即：
I0=■
2 计算模型
2.1 模型的建立 选取出矿巷道出矿进路与运输巷道交接处作为研究对象，此处极易造成采场次生应力高度集中，是冬瓜山矿区岩爆高发区域。在地下-730m水平阶段截取巷道模型，巷道交叉成T字形。模型边界条件：四周为水平约束，底部固定，上部为自由面。根据圣维南原理减少边界条件的影响，模型取值范围15m×15m×20m，模型本构模型选用摩尔库仑（mohr-coulomb）本构模型。
2.2 参数的确定 该区域巷道原支护采用“锚杆+金属网+喷射混凝土”的形式，其中锚杆为缝管式胶结锚杆，钢筋网的钢筋直径为4.0mm，网度为100mm×100mm，喷射混凝土采用C25型号。计算中所需的岩体力学参数，如抗拉、抗压、粘结强度等，应取其试块相应强度的1/5～1/20，一般取1/10，重度和内摩擦角则不予折减[6]。经折算拟合后，巷道变形的数值模拟结果与现场监测结果对比见下图。从图6至图11中可以看到，各切面下的数值模拟的位移变形量与现场实测的位移变形量相差不大；对图12、图13上的数值模拟数据与现场监控数据进行比较，发现两结果基本吻合。
3 支护模型设计及其效果分析
考虑到冬瓜山矿现行支护方式、支护设备、支护材料以及岩爆控制所需的韧性支护结构，初步设计有五种支护方式，见表1。锚杆排距锚至交叉处实施方式为：排距为0.7m，首锚点距端头0.4m，前后分7排，至交叉处5m。巷道开挖后立即喷射混凝土30mm，挂网打锚杆后，复喷射到设计厚度100mm。实测地应力为σ1=36.89MPa，σ2=9.8MPa，σ3=12.5MPa。混凝土采用C25混凝土，锚杆为胶结式缝管锚杆，长为2.2m；锚索为废旧除锈的钢丝绳，直径为20～24mm，长为6.0m；钢筋网的钢筋直径为4.0mm，网度为100mm×100mm。其支护后断面形状如图15和图16所示。
通过对上述支护方案的进行数值模拟，模拟效果如表1所示（反应时步6000）。
从表1上看到，各种支护方式下，围岩位移量变化小，基本在21.167e-3m。陶振宇判据下的支护效果对抵抗或者削弱岩爆的发生不太敏感。支护对岩爆判据的影响还是在小范围内波动。主要是由于围岩岩体在围压作用下自身的变形就小，并且长锚索所起的承受锚喷网等联合支护体的松动应力在此并没有很好的体现。因为岩体变形小，松动圈范围小，锚索起悬吊的作用弱化，基本在岩体垮塌时才表现出来，但锚索对裂隙面上的岩体松动脱落后的支撑还是发挥巨大作用。同时，还可以看到，弹性应变能密度系数和陶振宇判据对岩体的预测性能偏低，单纯从能量和应力的角度分析预测岩爆并不科学，可以尝试着根据各种判据的侧重点，以及结合工程实际选择合适的，甚至联合多个的岩爆判据。也许未达到这些岩爆判据，岩爆也会发生；另外，岩爆的发生是在各种因素共同作用下激化发生的，阻止和延缓这种激化过程的发生是进行合理支护的关键。因此，支护的目的又返回到防止应力集中，及时释放岩体内积聚的能量。根据工程需要，在高应力区打卸压孔、采用可伸缩的韧性支护、合理布置开采顺序、冷却凿岩工作面等措施都可以减少岩爆的发生。
4 结论
①岩爆倾向性判据较少，可以利用不同判据所侧重的影响因素不同，利用专家系统对不同判据进行施加权重，进而综合各个判据对该支护体系的支护效果进行判别。
②本文在模拟中忽略了岩石性质的影响，岩石性质的不同，岩爆发生的等级有差别。
③开挖顺序能影响岩爆的发生。回采顺序从工作面上盘往下盘推进，各个分段回采形成台阶状的卸压槽，很好的减弱了岩爆的发生。
④在支护系统中每个构件的作用是复杂的，取决于岩层-支护之间相互作用的具体情况，对于围岩位移变化小，围岩自重应力大，使用时间长的的巷道，添加长锚索能加强支护的悬吊作用，特别对易发生大块松动脱落的区域起到很好的安全防御效果。
⑤建立矿山微震监测网，实时监测采区岩体对采矿活动的反映，及时预报可能发生的破坏性岩爆位置和强度。根据生产过程中逐步积累的微震监测数据，利用反分析技术确定和调整岩爆判据指标。
参考文献：
[1]祝方才，潘长良等.冬瓜山矿床岩爆发生机制分析[J].金属矿山，2002（2）：20-21.
[2]薛奕忠.冬瓜山铜矿床开采过程中岩爆问题的探讨[J].中国矿山工程，1998（8）：32-35.
[3]孙倩，李树忱，冯现大，李文婷，袁超.基于应变能密度理论的岩石破裂数值模拟方法研究[J].岩土工程，2011（5）：16-19.
[4]张志强，张宝树等.岩爆发生条件的基本分析[J].铁道学报，2005（5）：82-84.
[5]陈金平，盛建龙.粉矿岩体巷道锚喷网支护措施数值模拟研究[J].金属矿山，2011（7）：28-31.
[6]编委会.新编《矿山采矿设计手册》井巷工程卷[M].中国矿业大学出版社，2007.