1 引言

傳統(tǒng)的崩落評估方法只考慮巖體在特定的開采水力半徑(hydraulic radius)下是否會(huì)出現(xiàn)崩落, 這種判斷是基于經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)圖表，該圖表將可崩性與MRMR和開采水力半徑聯(lián)系起來[崩落采礦研究的先驅(qū)和傳奇人物---Dennis Laubscher (1929-2021)]。Duplancic and Brady(1999)提出了一個(gè)崩落采礦的概念性模型 [Characterisation of caving mechanisms by analysis of seismicity and rock stress]。該模型是被工業(yè)界廣泛認(rèn)可的崩落模型，也是解釋大多數(shù)數(shù)值模型和崩落監(jiān)測結(jié)果的框架，特別是IMASS模型的應(yīng)用。這個(gè)筆記簡要回顧了這個(gè)概念性模型。

2 Duplancic模型建立

Duplancic模型把崩落過程劃分為5個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的特征都是通過現(xiàn)場監(jiān)測/觀測和數(shù)值模擬確定出來的，其特征定義如下：

(1) 似連續(xù)區(qū)或彈性區(qū)(Pseudo-continuous domain or elastic region)。該區(qū)域的巖體主要表現(xiàn)為彈性狀態(tài)(Elastic zone), 原巖未受擾動(dòng)，誘發(fā)應(yīng)力不足以產(chǎn)生可測量的微地震。

(2) 發(fā)震區(qū)(Seismogenic zone)。由于不連續(xù)體的滑動(dòng)以及新斷裂的產(chǎn)生，這一區(qū)域會(huì)發(fā)生微震(有時(shí)是地震)活動(dòng)，巖體出現(xiàn)損傷，包括節(jié)理滑動(dòng)和裂縫擴(kuò)展。Diederichs(1999)給出了一個(gè)崩落數(shù)值模型中發(fā)震區(qū)的總體推進(jìn)速度、厚度以及空間分布的關(guān)系式:

(3) 松動(dòng)區(qū)或屈服區(qū)(Zone of loosening or yielded zone)。這個(gè)區(qū)域內(nèi)的巖體已經(jīng)發(fā)生斷裂和解體，巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度，失去了部分或全部的內(nèi)聚力和抗拉抗拉強(qiáng)度，即內(nèi)聚力或抗拉強(qiáng)度退化為零，對上覆巖體的支撐力很小。Duplancic和Brady(1999)把這個(gè)區(qū)域稱為不連續(xù)變形區(qū)，但沒有大的位移。該區(qū)的上限一般是巖石的斷裂極限，不過，雖然內(nèi)聚力弱化，但巖塊之間的摩擦力增強(qiáng)，IMASS模型考慮了這個(gè)現(xiàn)象。

(4) 空氣間隙(Air Gap)。如果上覆巖體保持一定程度的內(nèi)聚力和抗拉強(qiáng)度，就會(huì)存在空氣間隙。隨著氣隙的不斷擴(kuò)大，上覆巖體的支撐力會(huì)進(jìn)一步減弱，導(dǎo)致屈服區(qū)擴(kuò)大。這個(gè)區(qū)域的巖體巖體達(dá)到殘余強(qiáng)度。

(5) 崩落帶或移動(dòng)區(qū)(Caved zone or mobilised zone)。這個(gè)區(qū)域的巖體與圍巖產(chǎn)生徹底的分離，巖體分割成塊體，隨著生產(chǎn)的推進(jìn)溜到放礦點(diǎn)中。此時(shí)巖體移動(dòng)了相當(dāng)大的距離，并開始體積膨脹，模量軟化。數(shù)值模型中的崩落帶的規(guī)模由垂直位移大于1m(1m-2m)的巖塊來確定(Sainsbury B., Analysis of Caving Behaviour Using a Synthetic Rock Mass - Ubiquitous Joint Rock Mass Modelling Technique)。

概念性模型vs數(shù)值模型

后來發(fā)展的IMASS應(yīng)變軟化模型數(shù)值地表征和擴(kuò)展了上述的崩落概念性模型，包括:

(1) 巖石粘結(jié)力和抗拉強(qiáng)度弱化以及摩擦力增強(qiáng)。當(dāng)巖體變形時(shí)，強(qiáng)度從原位峰值降低到殘余值。一般來說，塊狀至中等節(jié)理的巖塊會(huì)因斷裂及相關(guān)的粘結(jié)力和抗拉強(qiáng)度損失而弱化，但由于斷裂巖塊的空間重排和孔隙度增加，塊體之間的摩擦運(yùn)動(dòng)和體積膨脹等因素的綜合作用，導(dǎo)致了摩檫力增強(qiáng)。

(2) 峰值后的脆性。當(dāng)受載材料積累塑性變形時(shí)，強(qiáng)度從峰值下降到殘余值的速度稱為脆性(brittleness)。在持續(xù)加載下仍能保持其峰值強(qiáng)度的巖石被稱為完全塑性(延展性)。當(dāng)巖石的強(qiáng)度超過其峰值強(qiáng)度時(shí)，瞬間下降到剩余強(qiáng)度特性的巖石質(zhì)量被稱為完全脆性。因此，脆性控制著巖體隨著累積應(yīng)變的增加應(yīng)力的屈服速率。

(3) 模量軟化。在屈服和運(yùn)動(dòng)過程中，隨著完整巖塊斷裂、分離和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致巖體體積增加。巖石體積變大模量就會(huì)減少。隨著巖體體積膨脹，其承載力會(huì)降低。

(4) 體積膨脹。膨脹是隨著剪切變形而發(fā)生的巖石體積變化。準(zhǔn)確評估和表示巖體的膨脹行為對于預(yù)測塑性變形過程中的體積增加至關(guān)重要。

 

3 Duplancic模型評價(jià)

Duplancic概念性模型的建立主要是基于簡單的微震分析和一個(gè)礦山案例的線彈性數(shù)值模擬研究，詳情參考他的博士論文【Duplancic, P. (2002) Characterization of caving mechanisms through analysis of stress and seismicity. Ph.D Thesis, Department of Civil and Resource Engineering, University of Western Australia, 227p.】。如上所述，這是一個(gè)連續(xù)性的斷裂傳播模型，然而一些研究表明，情況可能并不總是如此，有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的破壞斷面。Cumming-Potvin等人(2016)使用離心機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果表明，崩落可能通過一系列與崩落表面平行的斷裂發(fā)生，而且斷裂不是漸進(jìn)產(chǎn)生的，而是呈現(xiàn)出不連續(xù)的跳躍狀態(tài)，他把這種崩落機(jī)制稱之為"斷裂帶(fracture banding)"：。

[1] Cumming-Potvin, D. (2016a) Fracture banding in caving mines.

[2] Cumming-Potvin, D. (2016b) Results from physical models of block caving.

[3] Cumming-Potvin, D. (2018) Numerical simulations of a centrifuge model of caving.

顯然，由于巖體地質(zhì)構(gòu)造、崩落范圍和使用的崩落方法不同，單一理論很難解釋所有崩落巖石的斷裂和傳播機(jī)理，包括究竟是連續(xù)傳播還是不連續(xù)傳播這個(gè)最基本的問題，因此仍有許多未知數(shù)等待我們?nèi)デ蠼狻?/span>