深部開(kāi)采礦山巖爆傾向性研究

鄒 平，曹 宇，胡培良，孟中華，劉正宇

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.湖南瑤崗仙礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 郴州市 424209； 3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

深部開(kāi)采礦山巖爆傾向性研究

鄒 平1,3，曹 宇2，胡培良1，孟中華1，劉正宇1

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.湖南瑤崗仙礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 郴州市 424209； 3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

巖爆是深部開(kāi)采中最為常見(jiàn)和嚴(yán)重的巖體破壞現(xiàn)象。針對(duì)湖北某礦深部開(kāi)采過(guò)程中遇到的巖爆問(wèn)題，分別采用脆性系數(shù)判別法、彈性變形能指數(shù)判別法、沖擊能指標(biāo)判別法、巖體結(jié)構(gòu)判別法對(duì)該礦3種巖石的巖爆傾向性強(qiáng)度等級(jí)和順序進(jìn)行了判別，并據(jù)此提出了相關(guān)建議，以減小該礦深部開(kāi)采巖爆災(zāi)害的發(fā)生。

深部開(kāi)采；巖爆；傾向性；綜合判別

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)大批金屬與非金屬礦山已轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采階段，如紅透山銅礦、冬瓜山銅礦、弓長(zhǎng)嶺鐵礦、夾皮溝金礦、湘西金礦、山東玲瓏金礦等礦山的開(kāi)采深度都已超過(guò)800 m[1]。深部開(kāi)采帶來(lái)的巖爆問(wèn)題嚴(yán)重威脅到井下作業(yè)人員和設(shè)備的安全，必須引起足夠的重視。巖爆是處于高地應(yīng)力或極限平衡狀態(tài)的巖體或地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，在開(kāi)挖活動(dòng)的擾動(dòng)下，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的應(yīng)力能瞬間釋放，造成開(kāi)挖空間周圍部分巖體從母巖體中急劇、猛烈地突出或彈射出來(lái)的一種動(dòng)態(tài)力學(xué)現(xiàn)象[2]。

巖爆涉及巖性、巖體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境三個(gè)方面。目前巖爆研究思路大致為：首先進(jìn)行巖爆機(jī)理研究，測(cè)定巖爆傾向性指標(biāo)，提出巖爆判據(jù)。根據(jù)判據(jù)，借助于有限單元等方法進(jìn)行數(shù)值模擬，分析巖體工程圍巖的應(yīng)力分布，優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，控制采礦工程的巖爆發(fā)生，并安裝監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)巖爆與預(yù)報(bào)巖爆，以采取措施減輕或消除巖爆危害[3￣6]。

1 工程概況

湖北某礦從1974年開(kāi)始建礦，經(jīng)過(guò)40多年的地下開(kāi)采，在井下已形成了16個(gè)開(kāi)采中段，目前主要的生產(chǎn)和開(kāi)拓中段為-530，-570，-600 m中段，開(kāi)采深度為700～800 m。隨著開(kāi)采深度的增加，地壓活動(dòng)越來(lái)越頻繁，在進(jìn)行深部-530，-570 m巷道開(kāi)拓和礦體開(kāi)采時(shí)發(fā)生了片幫、開(kāi)裂甚至巖爆等地壓活動(dòng)現(xiàn)象。

礦體賦存于石英閃長(zhǎng)巖與大理巖接觸帶上，礦體為含銅矽卡巖、含銅矽化大理巖及含銅石英閃長(zhǎng)巖，為堅(jiān)硬性脆的地質(zhì)體，圍巖堅(jiān)硬致密，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

礦床內(nèi)的工程地質(zhì)巖組主要有大理巖、矽卡巖和石英閃長(zhǎng)斑巖：

(1) 大理巖巖組：灰色，主要礦物為結(jié)晶方解石，結(jié)構(gòu)致密，塊狀構(gòu)造，巖石穩(wěn)固性、完整性較好。按工程巖體分類，為塊體結(jié)構(gòu)。

(2) 矽卡巖巖組：灰褐色，主要礦物為石榴子，其次為透輝石。結(jié)構(gòu)致密，塊狀構(gòu)造。巖石穩(wěn)固性、完整性好，屬塊體結(jié)構(gòu)。

(3) 石英閃長(zhǎng)斑巖巖組：灰色，主要礦物為長(zhǎng)石、石英及云母。多為斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。在節(jié)理裂隙發(fā)育處或巖石強(qiáng)烈蝕變處，巖石較破碎。新鮮巖石比較堅(jiān)固和完整。工程巖體分類為塊體結(jié)構(gòu)。

總體工程地質(zhì)類型屬簡(jiǎn)單類型。

2 巖爆傾向性判別

巖爆傾向性是指巖石自身具有的發(fā)生巖爆的內(nèi)在特性。巖爆傾向性研究是從巖石的強(qiáng)度特性和變形特性著手進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)研究。目前，用于巖爆傾向性判別的方法主要有脆性系數(shù)判別法、彈性變形能指數(shù)判別法、沖擊能指標(biāo)判別法、巖體結(jié)構(gòu)判別法等[7￣11]。

該礦巖石均為堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬的巖石，巖體質(zhì)量、完整性及其穩(wěn)定性較好，且其工程地質(zhì)條件較好。在巖體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境兩方面明顯具備發(fā)生巖爆的條件，因此，只要對(duì)巖石的巖爆傾向性進(jìn)行研究就可以預(yù)測(cè)是否會(huì)發(fā)生巖爆。

2.1 脆性系數(shù)判別法

陸家佑教授根據(jù)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提出了巖爆的強(qiáng)度脆性系數(shù)(R)判別法：通常發(fā)生巖爆的巖石為致密的硬巖(Rc>60 MPa)，當(dāng)Rc/Rt≥R時(shí)，將產(chǎn)生巖爆，R值越大說(shuō)明巖石的脆性越大，則巖爆發(fā)生的傾向性越大。其判別準(zhǔn)則為：

(1)R<10時(shí)，無(wú)巖爆；

(2) 10≤R<18時(shí)，中等程度巖爆；

(3) 18≤R時(shí)，強(qiáng)烈?guī)r爆。

根據(jù)脆性系數(shù)R判斷該礦巖爆傾向性的結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 彈性變形能指數(shù)判別法

彈性變形能指數(shù)Wet由波蘭采礦研究總院提出，巖石循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)將巖石試件加載到(0.7～0.8)Rc，然后再卸載到0.05Rc，得到巖石的加卸載曲線如圖1所示。

圖1 巖石試樣的加卸載曲線

根據(jù)加卸載曲線可以得到彈性能指數(shù)：

式中，Ee為巖石試件峰值載荷前的彈性變形儲(chǔ)能；Ep為巖石試件由于產(chǎn)生塑性變形和內(nèi)部微破裂而消耗的能量；f(ε),f1(ε)分別為加卸載曲線；εt,εe,εp分別為總應(yīng)變、彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變。

Wet判別法的準(zhǔn)則為：

(1)Wet≥5.0時(shí)，強(qiáng)烈?guī)r爆傾向；

(2) 2.0≤Wet<5.0時(shí)，中等巖爆傾向；

(3)Wet<2.0時(shí)，無(wú)巖爆傾向。

根據(jù)Wet判斷巖爆傾向性的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 彈性變形能指數(shù)Wet判別巖爆傾向性結(jié)果

2.3 沖擊能指標(biāo)判別法

沖擊能指標(biāo)判別法主要是通過(guò)比較巖石在破壞前后的能量損失來(lái)判斷巖爆傾向性。沖擊能指標(biāo)通過(guò)巖石全應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)獲得，其計(jì)算公式為：

Wcf=F1/F2

式中，Wcf為沖擊能指標(biāo)；F1和F2分別為巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中以峰值荷載為界的左右部分曲線與變形坐標(biāo)軸圍成的面積。

用Wcf判別巖石巖爆傾向性的標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)Wcf>3.0時(shí)，強(qiáng)烈?guī)r爆傾向；

(2) 2.0

(3)Wcf<2.0時(shí)，無(wú)巖爆傾向。

根據(jù)沖擊能指標(biāo)Wcf判斷巖爆傾向性的結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)過(guò)程中大理巖基本試驗(yàn)平穩(wěn)，無(wú)炸裂聲；閃長(zhǎng)巖普遍有炸裂聲；2塊矽卡巖有炸裂聲，其余4塊無(wú)炸裂聲。若巖石突然炸裂成碎塊，很難繪制出峰值后的完整曲線，其計(jì)算的沖擊能指標(biāo)偏大。

2.4 巖體結(jié)構(gòu)判別法

裂隙發(fā)育的巖體不易引起高應(yīng)力集中和能量積聚，巖爆一般發(fā)生I、II兩類和部分III類巖體中。巖體結(jié)構(gòu)判別法主要是根據(jù)巖石完整性系數(shù)Kv或巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD來(lái)表示巖體結(jié)構(gòu)對(duì)巖爆發(fā)生的控制作用，其判別準(zhǔn)則為：Kv0.75或RQD60%。

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)判別巖爆傾向性的結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 沖擊能指標(biāo)Wcf判別巖爆傾向性結(jié)果

表4 巖體結(jié)構(gòu)判斷巖爆傾向性結(jié)果

2.5 巖爆傾向性綜合判定

根據(jù)以上4種巖爆傾向性判別方法的分析結(jié)果來(lái)看，由于每一種巖爆傾向性判別方法均具有一定的局限性，對(duì)同一種巖石采用不同的方法得到不同的結(jié)論，因此需要綜合各種方法的分析結(jié)果來(lái)判別湖北某礦礦巖的巖爆傾向性，綜合判定結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 巖爆傾向性綜合判定結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 巖爆是深部開(kāi)采中最為常見(jiàn)和嚴(yán)重的巖體破壞現(xiàn)象。巖爆傾向性是巖石自身發(fā)生巖爆的內(nèi)在特性，是研究巖爆的基礎(chǔ)。

(2) 采用脆性系數(shù)判別法、彈性變形能指數(shù)判別法、沖擊能指標(biāo)判別法、巖體結(jié)構(gòu)判別法對(duì)湖北某礦深部開(kāi)采的3種巖石的巖爆傾向性進(jìn)行了判別，其綜合判別結(jié)果為：大理巖無(wú)巖爆傾向性；閃長(zhǎng)巖為中等巖爆傾向性；矽卡巖為無(wú)～中等巖爆傾向性，其巖爆傾向性順序?yàn)椋洪W長(zhǎng)巖>矽卡巖>大理巖。

(3) 根據(jù)巖爆傾向性的判別結(jié)果，建議該礦在深部開(kāi)采過(guò)程中盡量將巷道布置在無(wú)巖爆傾向性的大理巖巖體中，以減少巖爆災(zāi)害的發(fā)生。

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羅光財(cái)(1979-)，男，碩士，工程師，主要從事土木工程施工管理工作，Email：35016567@qq.com。

2017￣01￣17)