资源是经济发展的基础，随着浅部资源日益枯竭，各类矿山工程必须要向地球深部进军（何满潮等，2020）。南非、加拿大和俄罗斯等国家均有采深超千米的矿山，我国的金川铜镍矿、孙村煤矿和铜陵狮子山铜矿也已进入千米采深阶段（谢和平，2017；Tang et al.，2020）。由于岩石赋存条件存在差异，特别是在高地应力作用下，深部岩体的力学行为特征与浅部相比发生了显著变化，这是深部开采事故频发的原因所在，也是当前岩石力学界的研究热点（Hoek et al.，1980；钱七虎，2012；Li et al.，2021）。

地应力是由构造运动引起的天然应力，可划分为水平应力和竖直自重应力，它对地下岩体工程的稳定性有着重要影响。迄今为止，对于“高地应力”的界定，国内外并没有达成统一，对其界定主要有几种方法：（1）绝对值大小界定法：根据相关判断标准：将地应力小于10 MPa的地区定为低应力区，地应力为10~18 MPa的地区定为中等应力区，地应力为18~30 MPa的地区定为高应力区；地应力超过30 MPa的地区定为超高应力区（康红普等，2010）；（2）岩石强度应力比法：根据岩石强度与地应力的比值来划分地应力界限，不同国家也存在差异，如苏联认为岩石强度与地应力比值为2.2和4.0时，可作为高、中、低应力的界限值；日本地质协会和法国隧道协会认为岩石强度与地应力比值为2.0和4.0时，可作为高、中、低的界限值；我国标准规范GB50021-94则认为，当岩石强度与地应力比值小于4.0时，属于极高地应力，当岩石强度与地应力比值在4.0~7.0之间时为高地应力；（3）地质现象界定法：孙广忠（1993）认为区分高、低地应力具有明显的地质现象标志，如高应力区巷道围岩变形量大，钻孔岩心呈饼状；陈菲等（2015）认为高应力区巷道围岩易产生岩爆，洞壁出现葱皮状片帮或板裂化现象，巷道围岩变形显著，持续时间长。

金川矿区是我国最大的镍钴生产基地，其矿体厚大、地应力高且整体稳定性差，矿山开采困难重重。二矿区是金川铜镍矿的主力矿区，目前地下基建距地表已超千米。以往研究结果表明，基于上述3种高地应力界定方法，金川二矿区应划入高地应力区（李光等，2017，2018）。在深部巷道开挖后，围岩中产生应力重分布现象，在高地应力作用下，巷道收敛变形迅猛，有时伴随着岩爆（王明洋等，2015；江权等，2019）。以支护破坏失效为代表的工程灾害事故频繁出现，生产效率和经济效益严重下滑，并威胁着井下作业人员的生命安全（Li et al.，2020a）。因此，对深部高应力条件下巷道变形特征的研究是金川矿山当前面临的重要课题。

综上所述，本文以金川铜镍矿二矿区为研究背景，依据以往的研究基础和实测数据，总结二矿区地应力分布特征。在此基础上，采用数值模拟方法，对不同埋深和地应力条件下巷道围岩的变形破坏情况进行模拟计算，分析地应力对巷道围岩变形破坏的影响，并提出相应的控制方法。研究成果可为研究区深部安全、高效开采提供理论参考。

金川镍矿位于甘肃省金昌市，矿区地势平坦，平均海拔约为1 750 m（李光等，2020）。矿区坐落在龙首山东部北麓，边界处地接阿拉善台地，矿区整体的地势情况呈现出东北低、西南高的特点，矿区的地理位置简图如图1所示（马凤山等，2019；Li et al.，2020b）。金川矿区总体上属于阿拉善台块区域，基本处于台块的边缘位置，因此矿区也具有与阿拉善台块相同的地质特点。同时矿区还受到山区褶皱的影响，引发岩浆的数次侵入活动，构造背景复杂。

对于金川矿区地应力的测量和研究由来已久，许多单位的研究人员均对该区进行过现场测量工作（吴满路等，2008；孙鹏，2019）。根据本次研究的目的，选取部分特征地应力值换算到水平及竖直方向，并定义最大水平主应力σ_H与竖直地应力σ_v的比值为k，如表1所示。

由表1可知，31个测点中最大水平主应力极值为39.3 MPa，最大水平主应力大于竖直主应力的测点有25个，所占比例超过80%，说明该区原岩应力总体上水平应力占优势。由于埋藏深度不同及地质构造原因，矿区内各处地应力差别较大。按照3个主应力的大小排列，可分为3种情况：①σ_H>σ_v>σ_h，16个测点，占总测点数的51.6%；②σ_v>σ_H>σ_h，6个测点，占总测点数的19.4%；③σ_H>σ_h>σ_v，9个测点，大部分是埋藏较浅的井区，占总测点数的29.0%。

根据表1数据制作主应力—深度散点图并进行线性拟合，如图2所示。由图2可知，最大与最小水平主应力值总体上呈现随巷道埋深增加而增大的趋势，但由于受到多个地质构造的影响，导致水平应力值离散性很强，规律性较差，这也正是地质构造复杂矿区井下地应力分布的鲜明特点。因此，在浅部井区，水平应力的增加速度大于竖直应力；随着埋深的增加，水平应力的增加速度逐渐降低，竖直主应力有接近最大水平主应力的趋势。

深部地下工程建设所处的条件复杂，影响巷道围岩变形破坏的因素较多，包括地应力、巷道走向和采动等。为深入探讨地应力在巷道围岩变形破坏中扮演的角色，仅以地应力水平为变量，采用数值模拟的方法对赋存在不同地应力条件下的巷道开挖变形过程进行模拟计算。离散单元法通过设置单元间的接触关系来反映材料特性，允许颗粒间出现大变形和破裂，能够模拟岩体的滑移和破坏，尤其适合用来描述开挖区附近岩体的变形破裂过程（Fakhimi et al.，2002；陶连金等，2010）。PFC作为一款成熟的离散元软件，能够精细刻画粒状集合材料的破裂及其裂缝扩展规律，且对宏观可见的，大范围、大规模的材料变形同样可以进行模拟（Liu et al.，2019）。基于以上原因，此次研究选择的数值模拟方法为离散元方法，采用PFC^2D软件。

在PFC^2D软件平台上建立巷道开挖的数值模型，模型尺寸长30 m，高30 m，开挖巷道为直墙半圆拱形，尺寸为高4.5 m，宽4.5 m，与研究区实际巷道尺寸相符，模型示意图如图3所示。颗粒粒径取6~10 cm，共生成颗粒38 603个。PFC^2D软件中采用微观接触本构模型，有2种常用的黏结模型：接触黏结模型和平行黏结模型（Potyondy et al.，2004；Cho et al.，2007）。其中，平行黏结模型既可以传递力，也可以传递力矩，更适合模拟岩石材料。因此，本次研究选用平行黏结模型。

由于PFC数值计算中采用微观力学参数反映岩土材料的宏观力学性质，因此不能直接采用矿区岩体宏观力学参数进行计算，需要针对宏观力学参数建立相应的标定模型。挑选研究区完整岩石标本进行单轴压缩试验，然后针对试验结果，在软件中对参数进行标定（Li et al.，2021）。根据标定试验得到的岩石微观力学参数如表2所示。试验对比结果及应力—应变曲线对比如图4所示。

结合矿山实际条件，选择埋深550，750，1 000 m这3个主要生产平面上的巷道作为研究对象，在二维模型中，水平方向和垂直方向的地应力根据经验公式计算得出，如表3所示。

分别对3个数值模型进行了模拟计算，获取了巷道围岩不同时步下的变形演化过程，共计算了40 000步，每2 500步保存一次工程文件，分析巷道在不同地应力条件下的变形破坏特征。

图5所示为埋深550 m巷道模拟结果图，从整体上看，模型变形受水平地应力控制明显，位移云图被挤压为竖直向的扁椭圆状，最大变形值为3.97 cm，发生在模型边界处，说明受到了边界效应的影响。巷道周围的变形主要发生在巷道两帮处，变形值为1.25 cm；其次为拱肩和墙角处，变形值为0.75 cm；巷道底板未发生明显变形，变形值不足0.5 cm，且顶拱处此时几乎不发生变形。由此可见，巷道在埋深550 m地应力条件下，整体变形值不大，变形分布受水平地应力影响显著，巷道两帮的变形大于顶底变形，开挖后可自行达到稳定状态，无需支护。

图6所示为埋深750 m巷道模拟结果图，从整体上看，模型变形主要集中在开挖区周围，巷道影响区外的围岩基本达到稳定。巷道周围的变形分布表现为顶底大、两帮小，两帮变形值约为5 cm；巷道顶板形成了一个近似帽子状变形区，变形区左右边界均发生不同程度的离层开裂，左侧延伸至左拱肩处，右侧延伸至起拱线处。顶板沉降变形区不断发育，变形增长较快，左右两侧的离层开裂仍在加剧，顶拱有整体垮塌的可能，最大沉降值超过85 cm；巷道底板发育一楔形变形区，同样出现了离层现象。楔形隆起在中部裂开，形成一个不均匀凸起，隆起变形值约为55 cm。由此可见，在埋深750 m地应力条件下，巷道整体变形分布特征表现为顶底大、两帮小。顶板发育一帽子形沉降区，有整体垮塌的可能，工程中应给予足够重视；底板发育一楔形隆起区，并出现离层和开裂现象，发生不均匀底鼓，工程中应增加底部支护。

图7所示为埋深1 000 m巷道模拟结果图，从整体上看，模型变形受水平地应力控制明显，变形破坏区显现为竖直向的扁椭圆状，变形主要集中在开挖区周围。与埋深750 m巷道变形分布规律相似，该模型变形也表现为顶底大、两帮小，两帮变形值稳定在约10 cm；巷道顶板形成一个竖椭圆形沉降区，上方呈放射状拓展，顶板不断下沉，原拱顶围岩已下沉至拱肩处。顶板沉降变形区不断发育，顶拱整体垮塌，最大沉降值超过100 cm；巷道底板形成了一个深度超过3 m的楔形变形区，隆起部分出现“V”型离层，中间隆起量大，两边隆起量小，最大隆起变形值超过80 cm。

由此可见，在埋深1 000 m地应力条件下，巷道整体变形分布特征表现为顶底大、两帮小。顶板发育一竖椭圆形沉降区，模拟计算结束后仍不断下沉，工程中应给予足够重视；底板发育一楔形隆起区，并出现离层现象，发生拱形底鼓，工程中应增强底部支护。

综上所述，在不受结构面影响的情况下，均质围岩巷道变形模式主要为顶板下沉和底鼓，围岩变形主要依靠塑性流动。随着地应力的不断增加，巷道的总变形量和变形速度均在增加。其中，埋深550 m的巷道顶底和两帮变形量均较小，基本处于稳定状态，说明在低应力水平下，巷道围岩的塑性流动速度较慢；埋深750 m的巷道在顶板和底板上发生了较大的变形，顶板变形超过85 cm，底板变形超过50 cm，表现形式分别为顶板下沉和底鼓，随着计算的进行，变形增长速度逐渐变缓。两帮变形比550 m埋深条件下有所增加，但变化不大；埋深1 000 m巷道各位置变形均较前2个模型有所增加，顶板和底板的变形值约为100 cm，两帮变形也接近10 cm，且在计算结束时，顶底的变形仍以较快速度增长，不能自行达到稳定。在工程中，若遇到此种地质条件，应主要施加顶板和底板的支护，以维持巷道整体稳定性。

（1）受复杂地质背景的影响，金川二矿区地应力分布离散性较强，已测数据中最大水平主应力大于竖直主应力的测点超过80%，原岩应力总体上水平应力占优势。在浅部井区，水平应力的增加速度大于竖直应力，随着埋深的增加，水平应力的增加速度逐渐降低，竖直主应力逐渐接近最大水平主应力。

（2）在不受结构面影响的情况下，均质围岩巷道变形模式主要为顶板下沉和底鼓，围岩变形主要依靠塑性流动。随着地应力的不断增加，巷道的总变形量和变形速度均在增加。地应力未改变巷道围岩的变形模式，但加剧了巷道围岩的破坏程度。

（3）在水平地应力主导的地质条件下进行巷道开挖，应加强顶、底板的支护，以维持巷道整体稳定性。同时，由于塑性变形往往具有显著的时间效应，巷道衬砌受压所产生的开裂也有一定的滞后，所以在施工中应对巷道变形进行有规律的监测，以及时发现有害变形。