深井硬巖礦山巖爆防治技術(shù)綜述

張少杰， 張愛民， 馬俊生， 楊志國， 孫 揚， 范文錄

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

在深井硬巖礦山開采過程中，由于高地應(yīng)力的存在，巖體失穩(wěn)的現(xiàn)象明顯增多，特別是以巖體突然猛烈破壞為特征的巖爆日趨嚴(yán)重，極大地威脅著井下人員、設(shè)備和材料的安全[1-9]。本文收集、分析和總結(jié)了國內(nèi)外深井硬巖礦山巖爆的相關(guān)研究成果，包括巖爆發(fā)生機理、巖爆判據(jù)和支護技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容，并提出了深井硬巖礦山巖爆防治技術(shù)的主要發(fā)展方向，為我國深井硬巖礦山開采提供指導(dǎo)和借鑒。

2 巖爆發(fā)生機理

巖爆是巖體破壞的一種形式，它是處于高應(yīng)力或極限平衡狀態(tài)的巖體或地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，在開挖活動的擾動下，其內(nèi)部儲存的應(yīng)變能瞬間釋放，造成開挖空間周圍部分圍巖從巖體中急劇、猛烈的突出或彈射出來的一種動態(tài)力學(xué)現(xiàn)象。

2.1 巖爆分類

巖爆類型劃分主要是依據(jù)巖體彈性應(yīng)變能的儲存與釋放特征或應(yīng)力作用方式劃分的，目前學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成共識。南非學(xué)者Ortlepp和Stacey根據(jù)發(fā)生在南非金礦和北美一些礦山巖爆的特點和震源機理的研究成果，建議將巖爆分為應(yīng)變型巖爆、彎曲破壞型巖爆、礦柱破壞型巖爆、剪切破裂型巖爆和斷層滑動型巖爆。應(yīng)變型巖爆如圖1所示，礦柱破壞型巖爆的實例，如圖2示。

2.2 巖爆破壞機理

Kaiser將巖爆破壞的機理劃分為3種：(1)節(jié)理化導(dǎo)致的巖體擴容。(2)微震能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的巖體噴射。

圖1 應(yīng)變型巖爆

圖2 礦柱破壞型巖爆

(3)微振動導(dǎo)致的巖體冒落。巖爆破壞機理、破壞程度和所需支護功能如圖3所示。

圖3 巖爆破壞機理、破壞程度和所需支護功能

2.3 巖爆判據(jù)

為了判斷硐室或隧洞在何種情況下發(fā)生巖爆以及若可能發(fā)生巖爆時其嚴(yán)重程度如何，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多巖爆判據(jù)和巖爆分級。

1)E. Hoek方法

(1)

σθmax為最大切向應(yīng)力，σc為巖石單軸抗壓強度。

2)Turchaninov方法(T方法)

Turchaninov根據(jù)科拉島希賓地塊的礦井建設(shè)經(jīng)驗，提出了巖爆活動性由硐室切向應(yīng)力σθmax和軸向應(yīng)力σL之和與巖石單軸抗壓強度σc之比確定為

(2)

3)Russense判據(jù)

Russense巖爆判別法是根據(jù)硐室的最大切向應(yīng)力σθmax與巖石點荷載強度Is的關(guān)系建立的。把點荷載Is換算成巖石的單軸抗壓強度σc后其判別關(guān)系為

(3)

4)采用σc/σt比值表示的Russense判據(jù)

彭祝等認(rèn)為巖爆是巖石中裂紋起始擴展到失穩(wěn)破壞及破裂拋出的過程。利用斷裂力學(xué)的Griffith強度理論以及分析地下圓形硐室圍巖附近的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)出用巖石抗拉強度表示的圓形硐室發(fā)生巖爆的臨界應(yīng)力公式：σθ=8σt。因此，用抗拉強度表示的巖爆條件可歸納為：當(dāng)σθ>8σt時，地下洞室可能發(fā)生巖爆；滿足上述條件下，σc/σt越小，則巖爆烈度越高。

將σθ=8σt代入Russense判據(jù)公式可得采用σc/σt比值描述的巖爆烈度公式為

(4)

5)陶振宇判據(jù)及其巖爆分級

陶振宇在前人(Barton、Russense、Turchaninov等)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)工程經(jīng)驗，提出了巖爆判據(jù)并對巖爆進行了分級，見表1。

表1 陶振宇提出的巖爆分級表

2.4 巖爆預(yù)防措施

巖爆預(yù)防措施主要包括改善圍巖應(yīng)力條件(超前鉆孔應(yīng)力解除法、選擇合適的開挖方式、改善施工方法、卸壓技術(shù)應(yīng)用)、加固圍巖(噴射鋼纖維混凝土、選擇適宜的錨桿類型及錨桿的長度和密度)、增設(shè)臨時防護設(shè)施、待避及找頂、變形監(jiān)測和微震監(jiān)測、現(xiàn)場管理措施等。

3 巖爆礦山支護技術(shù)

3.1 巖爆礦山支護設(shè)計概述

1)動力條件下支護系統(tǒng)的功能

Kaiser總結(jié)了動力條件下支護系統(tǒng)的4種主要功能[10]：①利用金屬網(wǎng)、噴射混凝土、噴層等保留破碎、裂隙巖體；②利用錨桿、高摩擦錨桿和全長錨固錨桿等少量加固較穩(wěn)固巖體；③利用可變形錨桿、屈服錨桿等變形協(xié)調(diào)支護單元使保留破碎巖體、加固較穩(wěn)固巖體和穩(wěn)定巖體整合在一起；④利用鋼帶、大托板、強金屬網(wǎng)和相匹配的墊板等連接、保持和保留構(gòu)件，從而確保支護系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2)巖爆礦山支護設(shè)計原則

Cai和Champaigne把現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)成一些簡單易懂的原則：①避免巖爆；②使用屈服支護系統(tǒng)；③注重弱連接；④使用整體系統(tǒng)；⑤簡便；⑥經(jīng)濟；⑦適應(yīng)性強。

3)巖爆礦山支護可接受準(zhǔn)則

(1)力學(xué)準(zhǔn)則。力學(xué)的安全因子定義為

(5)

(2)位移準(zhǔn)則。位移的安全因子定義為

(6)

(3)能量準(zhǔn)則。能量的安全因子定義為

(7)

(8)

式中：g——重力加速度；

m——巖體質(zhì)量；

ve——巖體的噴射速度；

ds——噴射巖體的位移；

E——能量需求。

(4)系統(tǒng)兼容性準(zhǔn)則。最佳的支護系統(tǒng)是每個支護單元相互兼容、均衡，共同提供承載能力。在設(shè)計中，計算表面支護單元的作用是比較困難的，因此，經(jīng)驗設(shè)計方法通常被使用，但重要的是確保支護單元的力、位移和能量能夠兼容。

3.2 巖爆和支護破壞的基本指標(biāo)

1)巖爆的強度

巖爆的強度是指巖爆對井下巷道或工作面破壞程度的一種量度。研究巖爆強度的目的是設(shè)法找到一個能夠確定巖爆強度與其可能造成破壞程度關(guān)系的參數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)，消除或減輕巖爆的破壞，設(shè)計合理的支護系統(tǒng)或采取有針對性的技術(shù)措施。

自然地震強度程度常用的是里氏震級ML，其確定方式是用伍德- 安德森式標(biāo)準(zhǔn)地震儀(靜態(tài)放大2 800倍，周期0.8 s，阻尼系數(shù)0.8)在震中距100km處監(jiān)測地震波，有些地震學(xué)家常用地震矩M0和應(yīng)力降Δσ兩個參數(shù)描述震源釋放能量，地震矩M0是震源變形或滑動大小的一種量度，Δσ是描述斷層變形或滑動時產(chǎn)生的應(yīng)力降，以上地震矩M0和應(yīng)力降Δσ均只能表示震源處釋放出能量的大小，而不能直接說明巖爆造成的破壞程度如何，故需要引入質(zhì)點峰值速度。

2)質(zhì)點峰值速度(Peak Particle Velocity，PPV)

質(zhì)點峰值速度PPV分為入射型PPV和噴出型PPV[11]。入射型PPV的實際模式非常復(fù)雜，不可能準(zhǔn)確得知。入射型PPV為一動力波沖擊巖體，引發(fā)一系列可能引發(fā)巖體破壞的現(xiàn)象。噴出型PPV定義為發(fā)生動力事件的開挖表面上的某點的PPV。在支護系統(tǒng)上所能感受到的為噴出型PPV。

澳大利亞地下礦山噴出型PPV計算公式為

PPV=[1.4×10(0.5MR)]/D

(9)

式中：PPV——質(zhì)點峰值速度，m·s-1；

MR——微震事件的里查德震級；

D——微震事件距關(guān)注位置的距離，m。

安大略地下礦山噴出型PPV的計算公式為[12]

(10)

式中：PPV——質(zhì)點峰值速度，mm·s-1；

R——距微震源的距離，m；

M——納特里震級。

PPV、震級和距離的關(guān)系[13]，如圖4所示。

圖4 PPV、震級和距離三者間的關(guān)系

3)巖爆破壞因子

表2所示為基于巖石噸量的經(jīng)驗上的巖爆破壞因子[12]。

表2 基于巖石噸量的經(jīng)驗上的巖爆破壞因子

4)支護破壞程度

表3所示為微震事件引發(fā)支護破壞程度分級，用SC0至SC5定量描述混凝土的破壞程度?？山邮艿钠茐臑镾C0至SC2，可容忍的破壞為SC3，不可容忍的破壞為SC4至SC5。

表3 微震事件引發(fā)支護破壞程度分級

表4所示為錨桿和高能量吸收金屬網(wǎng)支護系統(tǒng)的支護破壞程度SDS(support damage scale)評估結(jié)果[14]。表5所示為錨桿、高能量吸收金屬網(wǎng)和纖維混凝土支護系統(tǒng)的支護破壞程度SDS評估結(jié)果。

表4 錨桿和高能量吸收金屬網(wǎng)支護破壞程度評估結(jié)果

表5 錨桿、高能量吸收金屬網(wǎng)和纖維混凝土支護破壞程度評估結(jié)果

3.3 支護構(gòu)件發(fā)展現(xiàn)狀

1)最弱的連接

支護系統(tǒng)中最弱的連接部分通常為錨桿墊板和金屬網(wǎng)。支護系統(tǒng)的承載能力取決于最弱連接的承載能力[15]。在設(shè)計中使用加固單元單獨的動載承受能力，可能過高估計了支護系統(tǒng)的承載能力。Geobrugg公司特制了錨桿墊板，可將應(yīng)力從金屬網(wǎng)轉(zhuǎn)移到錨桿支護系統(tǒng)上。特制的錨桿墊板如圖5所示，墊板的厚度為5mm，寬度為22cm。

圖5 特制的錨桿墊板

2)新型屈服錨桿

屈服錨桿又稱讓壓錨桿或吸能錨桿。國內(nèi)外近期研制的幾種新型錨桿，包括澳大利亞的Garford錨桿、加拿大的Yield-Lok錨桿、奧地利的Roofex錨桿、瑞典的新型吸能錨桿、挪威的D錨桿以及我國的CRLD錨桿和新型高強預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿。Garford錨桿結(jié)構(gòu)如圖6所示。屈服錨桿按其屈服原理大致可分為兩種類型，即錨頭屈服型和桿體屈服型。屈服錨桿主要有兩項技術(shù)指標(biāo)：一是屈服力；二是屈服位移量。

圖6 Garford錨桿結(jié)構(gòu)

3.4 支護方案選擇的經(jīng)驗圖

圖7所示為Long-Victor礦山支護方案選擇的經(jīng)驗圖。從圖中可以看出，支護方案選擇準(zhǔn)則可以定義為：保守的或較低的S4和SC4分割線是可容忍支護性能的下限，S3和SC3分割線是可接受支護性能的下限。S3/4和S2/3分別為鋼構(gòu)件的可容忍下限和可接受下限，S3/4和S2/3分別為纖維混凝土的容忍下限和可接受下限。

圖7為工程師提供了在動力條件下支護系統(tǒng)選擇的方法和準(zhǔn)則。如果過去觀測到的微震事件足夠多，并且是將來事件的有效代表，經(jīng)驗圖表則可以被用于將來的計劃和設(shè)計。經(jīng)驗圖表法可以被用于類似礦山，為支護系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)。

圖7 Long-Victor礦山支護方案選擇的經(jīng)驗圖

4 國內(nèi)外深井礦山巖爆防治實例

4.1 加拿大Creighton礦巖爆防治實例

加拿大Creighton礦通過微震系統(tǒng)來了解復(fù)雜開采環(huán)境下的地震和微震活動情況，幫助識別需要加強支護的區(qū)域和指導(dǎo)礦山安全開采[16]。采取的措施包括合理的開采順序、卸壓爆破的設(shè)計和實施、采用φ46mm帶摩擦裝置的Swellex膨脹錨桿、進行錨索二級支護或者采用配備薄鋼帶的錐型錨桿的加強支護等。

4.2 美國Lucky Friday 礦巖爆防治實例

美國科達(dá)倫礦區(qū)Lucky Friday 礦每年平均發(fā)生震級在2.0～3.0之間的巖爆次數(shù)多于8次，主要發(fā)生在與礦柱相交的層理面上，采取的巖爆預(yù)防措施包括微震監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用、礦柱的卸壓、無底柱的下向崩落充填采礦法[17]。支護情況：采場巷道壁采用劈裂式錨桿(split sets)和鏈?zhǔn)降倪B接網(wǎng)支護；充填體頂板(fill back)采用垂直的Dywidag錨桿，鏈?zhǔn)降倪B接網(wǎng)和劈裂式錨桿支護；采場進路又附加上了至少2排水平錨索。針對爆破導(dǎo)致的底板巖石突出的掘進工作面采用噴射50mm的鋼纖維混凝土+錨網(wǎng)的支護措施。

4.3 澳大利亞Big Bell 礦巖爆防治實例

澳大利亞Big Bell礦大規(guī)模采礦誘發(fā)的地震事件頻發(fā)，其位置主要發(fā)生在沿著底板巷道上盤突出的部分、頂板層理構(gòu)造的表面、石門或水平巷道的邊幫、主要生產(chǎn)區(qū)域的下部水平等，主要發(fā)生在生產(chǎn)爆破后24h內(nèi)，在生產(chǎn)水平的上部[18]。在采用8通道CSIR-Miningtek監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用劈裂式(split sets)、端頭錨固式錨桿(end anchored rockbolts)(替代管縫式錨桿)、金屬網(wǎng)以及交叉點處的錨索(cable bolts)。另外，在高應(yīng)力巖爆傾向性地區(qū)采用可縮性錐形錨桿(cone bolts)+φ6mm金屬網(wǎng)+1.8m長的SS46劈裂式錨桿。

4.4 智利EI Teniente礦巖爆防治實例

智利EI Teniente銅礦是南美受巖爆危害最嚴(yán)重的礦山[19]，主要巖爆預(yù)防措施包括：①采用自動遙控的開采設(shè)備；②降低初期的開采率，隨著生產(chǎn)再逐漸增加；③采出率受前兩個星期微震活動頻率的限制；④開采的時空分布盡可能保持一致，以減少巖體破裂尺寸和巖爆震級；⑤生產(chǎn)區(qū)限制在已經(jīng)拉底爆破的水平，減少未采動巖體的高度，臨時性的關(guān)閉高體積的開采區(qū)域；⑥安裝了數(shù)字化的微震監(jiān)測系統(tǒng)。在裝礦點(3.6m×3.6m)采用鋼筋混凝土澆筑，厚度500～800mm，每米有一金屬拱架；生產(chǎn)水平其他區(qū)域采用噴錨網(wǎng)支護，金屬網(wǎng)為預(yù)制鋼絲網(wǎng)。

4.5 南非South Deep金礦巖爆防治實例

南非South Deep金礦目前豎向應(yīng)力為主應(yīng)力，約為75～81MPa[20]。礦區(qū)的巖爆都發(fā)生在采場，且發(fā)生頻繁。采取的巖爆預(yù)防措施包括卸壓式(destress mining)采切，馬頭門裝礦皮帶道的支護以多層金屬網(wǎng)+管縫錨桿+長錨索為主，部分區(qū)域采用鋼筋焊接鋼帶與錨索(4.5m和6.5m全長注漿)形成二次補強支護。

4.6 冬瓜山銅礦巖爆防治實例

冬瓜山銅礦在對礦巖進行巖體質(zhì)量評價的基礎(chǔ)上，采用工程類比與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，確定了不同位置、不同功能采準(zhǔn)巷道的支護形式與參數(shù)[21]。例如，布置在大理巖中的充填回風(fēng)巷道采用管縫式錨桿+直徑6mm金屬網(wǎng)方式支護；在礦巖接觸帶采用錨桿或注槳錨索支護，錨索為φ19～24mm的廢舊除銹鋼絲繩，長度4～6m，網(wǎng)度2m×(2～3)m；對出礦巷道和出礦進路采用臨時噴漿30mm+錨桿掛金屬網(wǎng)+永久噴漿的方式；出礦穿脈采用噴錨網(wǎng)+錨索的聯(lián)合支護；在出礦進路和塹溝的交匯點處采用超前預(yù)錨桿進行預(yù)支護+噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護。

4.7 會澤鉛鋅礦巖爆防治實例

會澤鉛鋅礦3#豎井在開挖過程中，顯現(xiàn)了不同程度的巖爆現(xiàn)象，其中開挖到1 400m以后發(fā)生過兩次比較嚴(yán)重的巖爆現(xiàn)象[22]。為了有效控制巖爆的發(fā)生，在對井筒進行地壓監(jiān)測的基礎(chǔ)上，實時卸壓爆破，同時避讓巖爆時間點(第一時間范圍是掘進爆破后3h以內(nèi)，第二個時間范圍是3～5d)。有輕度巖爆及以上的危險性施工區(qū)域，首先初噴CF30鋼纖維混凝土，噴層厚度50～100mm，之后掛φ6.5mm鋼筋網(wǎng)和樹脂錨桿(φ20mm，間排距均為1m)，采用錨索支護，選用單根鋼絞線，長度為6.5m，間排距1.5m×1.5m。

4.8 靈寶崟鑫金礦巖爆防治實例

靈寶崟鑫金礦2#豎井建設(shè)期間發(fā)生多次巖爆[23]，井底井幫實施卸壓爆破、噴混凝土+鋼網(wǎng)+錨桿的聯(lián)合支護；在有較強巖爆危險威脅時，應(yīng)在豎井中安裝防護鋼筒，在鋼筒內(nèi)進行底部卸壓鉆孔、南北向井壁卸壓鉆孔施工，并通過防護鋼筒上的開孔進行錨桿鉆孔、井壁錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼筋梁的安裝，再噴射混凝土；在有巖爆傾向的巖體中進行平硐掘進，采用超前爆破應(yīng)力釋放，卸壓鉆孔可按與巷道軸線15°～20°鉆進，鉆進4～5m。掘進爆破后，應(yīng)立即向工作面及以后約15m范圍內(nèi)巷道周邊噴灑高壓水,以達(dá)到消除或減弱巖爆劇烈程度的目的。

5 深井硬巖礦山巖爆防治技術(shù)的發(fā)展方向

在分析和總結(jié)國內(nèi)外深井硬巖礦山巖爆研究成果的基礎(chǔ)上，提出了深井硬巖礦山巖爆防治技術(shù)的主要發(fā)展方向：

(1)借助于先進的試驗設(shè)備和高效的計算手段，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)，對巖爆發(fā)生機理進一步研究，以提高預(yù)測方法、指標(biāo)的準(zhǔn)確性和可靠性。

(2)基于現(xiàn)代數(shù)字化微震監(jiān)測技術(shù)，根據(jù)開采過程建立巖爆“時、空、強”規(guī)律的預(yù)測，構(gòu)建深井礦山巖爆災(zāi)害的綜合防治體系。

(3)進一步研究如何利用巖石內(nèi)部存儲的能量進行破巖或開采，使積聚的能量平穩(wěn)釋放，進而減少或阻止災(zāi)害性巖爆的發(fā)生。

6 結(jié)語

巖爆的預(yù)測和防治是一個世界性難題，至今為止雖然取得了令人欣喜的成果，但要做到及時精確地預(yù)測和防治還存在困難，因不可預(yù)見的地質(zhì)變化都可能引發(fā)難以預(yù)測的情況，對于不同的地質(zhì)條件和巖爆機理，必須采取不同的防治措施。所以，對于深井硬巖礦山巖爆的預(yù)測和防治，還期望引起更多的科技工作者的關(guān)注和重視，以便繼續(xù)對其進行更深入、更系統(tǒng)研究和探索。