深部開采巖爆災害的預測與控制

摘 要：淺部資源的消耗殆盡決定了深部開采時地下礦山發(fā)展的必然趨勢，而深部開采中的巖爆動力學災害問題是困擾采礦安全高效生產的一大瓶頸。通過總結巖爆發(fā)生機理，對巖爆災害發(fā)生預測方法以及巖爆的防治技術進行探討，提出了可行性的預防對策。

關鍵詞：深部開采；巖爆機理；巖爆預測；巖爆防治

1 引言

目前世界淺部資源的消耗殆盡， 深部開采成為地下礦山發(fā)展的必然趨勢。隨著深部采礦工程和深部隧道工程的不斷深入發(fā)展，深部開采中的巖爆動力學災害問題成為了困擾采礦安全高效生產的一大瓶頸。巖爆是完整性較好的彈脆性巖體在高地應力和外加擾動雙重作用下伴隨著內部應變能釋放的一種特殊巖體破壞的現(xiàn)象。巖爆是深部采礦高地應力區(qū)危險性較大的災害[1～2]。

2 巖爆機理分析

巖爆是巖體內部彈性應變能的釋放，產生的結果是巖體破壞，引發(fā)深部采礦的安全問題。為了深入揭示巖爆的形成，目前巖爆的機理主要有如下四類。

2.1 強度理論

該理論認為地下開采洞室周圍開挖后產生集中應力， 當巖體承受的集中應力超過巖體的最大強度時， 巖爆將發(fā)生。但是，在深部開采的巷道以及采場中，經常巖體承受的集中應力超過巖體的最大承載強度而又沒有出現(xiàn)巖爆的現(xiàn)象，這說明此理論的依據不充分，它僅僅只能用于巖體破壞的判斷，不能確定是屬于靜態(tài)破壞還是屬于動態(tài)破壞。

2.2 能量理論

Cook等根據巖爆發(fā)生時需消耗很多能量的事實，提出了發(fā)生巖爆的能量理論，指出礦體-圍巖體系在力學平衡狀態(tài)受到破壞，如果釋放的能量大于消耗的能量時，將出現(xiàn)巖爆。能量理論從能量轉化的方面分析了巖爆的成因，也較好地解釋了地震和巖石拋出等動力現(xiàn)象，但沒有指出平衡狀態(tài)怎樣才能打破的，也沒有提出未圍巖釋放能量的條件，因此理論缺乏的判別巖爆發(fā)生的必要條件。

2.3 剛度理論

Cook等依據剛性壓力機試驗提出了剛度理論：認為地層結構（巖體） 的剛度大于地層負荷（圍巖）的剛度是產生巖爆的必要條件。設巖石的剛度是一個變量， 在小于強度極限以前的剛度（km ）為設定為正值， 則超過強度極限以后的剛度為負值（ks）， 如果 ，將發(fā)生巖爆。剛度理論比較簡單而且非常直觀，雖然確定了巖爆發(fā)生的必要條件，但忽略了煤巖物理力學性質對巖爆的影響；而且礦體強度極限無法確定，此理論在實踐中可操作性不強。

2.4 沖擊傾向性理論

此理論根據測試巖石試樣的一組沖擊傾向性指標，通過測量的指標值大小來評價巖體自身的巖爆危險性，當指標值大于某個臨界值時將發(fā)生巖爆。但是巖爆的發(fā)生不僅與煤巖自身屬性有關，而且還與煤巖物理力學性質、地質環(huán)境、開采技術等因素有關，因此該理論下的實驗數(shù)據不能代表各種因素下的巖爆數(shù)據。

3 巖爆預測方法

在深部開采中，巖爆的危害問題非常突出，目前一般采取如下方法對巖爆進行預測[1-7]。

3.1 應力判據法

（1）強度脆性系數(shù)法。巖石的單軸抗壓強度與抗拉強度的比值成為強度脆性系數(shù)。當強度脆性系數(shù)≤10，沒有巖爆發(fā)生； 當10<強度脆性系數(shù)小于等≤18， 將發(fā)生中等巖爆； 當強度脆性系數(shù)小于等>18， 將發(fā)生強烈?guī)r爆。

（2）判據法。以洞壁圍巖在外力作用下產生應力變形來計算，Rb、σ1、σ2分別為巖石的單軸抗壓強度、軸向應力和側向應力，為圍巖的最大切向應力，根據及其巖樣的點荷載強度值I， 結合拉森斯巖爆烈度劃分圖（如圖1）， 可以實現(xiàn)對巖爆的分析和預測。

3.2 能量判據法

（1）彈性應變能儲存指數(shù)法。采用巖石單軸抗壓強度實驗， 將巖石試件加載到抗壓強度最大值的70%～80%， 然后再卸載到抗壓強度最大值的5%時，卸載時釋放的彈性應變能和耗損的彈性應變能之比值彈性應變能儲存指數(shù)。通過彈性應變能儲存指數(shù)來判斷以及預測巖爆。當彈性應變能儲存指數(shù)< 2.0將不發(fā)生巖爆；當2.0≤彈性應變能儲存指數(shù)≤5. 0， 將發(fā)生中、低等巖爆； 彈性應變能儲存指數(shù)>5.0，將出現(xiàn)強烈?guī)r爆。

（2）巖爆能量比法。巖石在破壞崩出時的動能與最大彈性應變能之比值成為巖爆能量比。通過巖爆能量比來判斷以及預測巖爆。巖爆能量比≤3. 5%，將不發(fā)生巖爆；3. 5%< 巖爆能量比≤4. 2%，將發(fā)生弱巖爆；4. 2%< 巖爆能量比≤4. 7%，將發(fā)生中等巖爆；巖爆能量比> 4. 7%，將發(fā)生強烈?guī)r爆。

3.3 埋深判據法

一般情況巖爆經常發(fā)生在水平構造應力較大的地區(qū)，如果洞室在深部， 即使沒有構造應力， 但由于上覆巖體效應， 洞室也可能會發(fā)生巖爆。巖爆的臨界計算深度的公式如下，大于深度將發(fā)生巖爆。

式中：Rc表示巖石單軸抗壓強度；μ表示巖石泊松比；γ表示容重。

3.4 模糊數(shù)學綜合判據法

許多科學家認為巖爆是受各種因素制約的一個模糊問題， 各因素的內在之間聯(lián)系非常復雜，不能用用一個數(shù)學公式進行完整的表達， 因此需采用模糊數(shù)學綜合評價的方法進行判別， 選取對巖爆的有影響的主要因素（如地應力、巖體結構、地形與地貌等）對巖爆進行綜合評判。

4 巖爆防治對策

根據巖爆機理及巖爆傾向性研究、巖爆數(shù)值研究和實際巖爆研究結果，應從如下四個方面防治巖爆。

（1）降低儲存的能量：為了降低圍巖儲存的能量，避免發(fā)生巖爆。深部開采中一般采取如下方法：首先在開挖爆破過程中遵循“短進尺、多循環(huán)”的原則，采用光面爆破技術，達到減低圍巖的外加擾動和局部應力的目的。其次選擇合適的斷面進行開挖，調整圍巖的應力狀態(tài)。

（2）減緩釋放的能量：為了減低巖爆發(fā)生的風險，深部開采中一般采取如下方法減緩釋放的能量。首先選擇合理的采場結構參數(shù)，礦房長度選取比較重要。經驗參數(shù)：礦房長為75m、寬為10m、礦柱寬度為10m；其次采取小斷面、分斷面以及分步開挖等回采方式，通過調整開挖進度，實現(xiàn)逐步釋放應變能的目的。endprint

（3）采取柔性支護：采取柔性支護不僅能減慢釋放能量的步伐，還能改變了應力的大小，而且柔性支護可使洞壁從一維應力變?yōu)槿S應力，預防巖爆的發(fā)生。對于巷道在掘進過程中引發(fā)的巖爆，需預先采取柔性支護。由于巷道外加擾動而引起的巖爆，則需在巷道開挖后采取剛度較小的柔性支護。采取柔性支護可使圍巖在可控范圍內逐步破壞，又能夠支撐已經破壞的巖塊。

（4）建立常態(tài)監(jiān)測： 深部采礦過程中高地應力會不斷地發(fā)生變化，需加強開采過程中的常態(tài)監(jiān)測制度。監(jiān)測是為了掌握深部采礦過程中圍巖以及支護的變形情況，進一步指導深部采礦，確保采礦的安全性以及經濟效益，反過來進一步檢查設計可行性。采礦時應對圍巖進行變形常態(tài)監(jiān)測，如果支護出現(xiàn)嚴重的變形，就必須立刻采取加固措施，以確保深部采礦安全問題。在礦井巷現(xiàn)場要建立一整套安全生產規(guī)程，普及巖爆知識和防災意識。采取這些措施以后，即使發(fā)生巖爆，也不會造成重大安全事故。如果實行大規(guī)?；夭桑瑧O計微震監(jiān)測體系，監(jiān)控整個礦山開采活動、實現(xiàn)連續(xù)長期監(jiān)測、實現(xiàn)巖爆危險區(qū)預報等。

（5）加強防護等級：如何預測和防治巖爆是科學家難以攻克的，目前沒有特別行之有效的方法，還存在很多問題，由于地質條件的變化有可能引發(fā)巖爆，因此需根據情況，以人為本加強防護等級。首先應加強深部采礦工作人員的安全意識，提高防護等級；其次在施工時必須佩戴鋼盔加穿防彈背心，在施工機械上增加防護頂棚；最后要加強監(jiān)測、檢查，巡回找頂，清除松動懸石。

5 結語

深部開采將會是金屬礦山實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的未來趨勢，而巖爆災害作為深部開采中涌現(xiàn)的新的礦山災害，為保證礦山安全高效的生產，巖爆機理的理論研究及災害防治技術亟待研究。目前在這一領域已經取得了一些成績，但還有待進一步發(fā)展和完善。隨著深部開采如火如荼的開展，其高應力、高井深、高井溫、高巖溶水壓及采礦活動擾動的特點給礦山的正常生產帶來了嚴峻的考驗，衍生出了一系列的災害，如巖爆，熱害，冒頂，突水等等。在這種環(huán)境下，淺部的開采理論已不能完全滿足生產的需要。因而，我們應該另辟蹊徑，提出新的采礦工藝，這是解決這些災害的根本途徑，已在工程實際中得到了初步的驗證。相信更為先進的采礦工藝會隨著時代的發(fā)展而應運而生，礦山深部開采災害將不再是個難題。

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基金項目：國家自然科學基金資助項目（41272304）

通訊作者：楊英 （1973-），女，副教授，主要從事采礦以及鉆探技術等教學和科研工作。endprint