深部礦巖巖爆傾向性評估方法及支護建議

黃小豐 舒煒煒

(1.湖南辰州礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

礦產(chǎn)資源作為國家經(jīng)濟發(fā)展的基本保障，其淺部資源已經(jīng)趨于枯竭，大量礦井逐漸向深部延伸。近年來，深部找礦探礦工作成果表明,我國1 000 m以下存在巨大的資源潛力，因此,開采深度超過1 000 m 的礦山也越來越多，深部開采已經(jīng)成為我國采礦行業(yè)發(fā)展的新常態(tài)[1-3]。隨著開采深度和地應(yīng)力的明顯增加，深部開挖卸荷及斷層活化等開采擾動往往容易誘發(fā)大震級巖爆事故，造成大量人員傷亡、機械損壞、工期延誤和重大經(jīng)濟損失，嚴(yán)重影響深部礦山的安全高效開采[4-5]。

大量工程實例表明，巖爆是一種涉及地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)等多種內(nèi)因、外因的動力失穩(wěn)災(zāi)害，基礎(chǔ)研究薄弱，致災(zāi)機理復(fù)雜[6-7]。大量學(xué)者的研究指出，巖爆是巖體內(nèi)積聚大量應(yīng)變能的突然無序釋放引起的巖石劇烈破壞現(xiàn)象，并且常常伴隨著巖石的剝落、彈射及拋擲，造成支護失效，巷道垮塌[8-9]。因此，研究深部礦巖巖爆傾向性評估方法對于礦區(qū)巖爆防控與支護優(yōu)化具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在巖爆傾向性預(yù)測方面做出許多卓有成效的研究工作，主要包括模糊數(shù)學(xué)判別法[10]、機器學(xué)習(xí)法[11-13]、距離判別分析法[14]及未確知測度評價法[15-16]等。劉潤田等[17]通過單軸壓縮實驗和劈裂拉伸實驗測算了花崗巖的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，并將巖石脆性指數(shù)、巖石彈性變性能指數(shù)及巖石沖擊能指數(shù)作為巖爆傾向性指標(biāo)。殷志強等[18]利用動靜組合加載下巖石破壞過程中的能量儲存和釋放特征，提出了巖爆傾向性指標(biāo)，克服了現(xiàn)有指標(biāo)只考慮靜載的局限性，更加貼合工程實際。裴啟濤等[19]利用組合賦權(quán)方法與歐幾里得距離函數(shù)建立了巖爆傾向性預(yù)測灰評估綜合模型，具有編程簡單、預(yù)測準(zhǔn)確的優(yōu)點。上述研究工作針對巖爆預(yù)測進行了大膽的有益探索，利用各類指標(biāo)提出了多種巖爆傾向性評估方法，豐富了巖爆傾向性評估理論方法。然而，大部分礦山企業(yè)仍處于直接套用的階段，未根據(jù)礦山實際情況對其進行歸納總結(jié)與改進完善，缺乏針對性與實用性。另外，在具有巖爆傾向性的礦區(qū)中，安全問題中首當(dāng)其沖的巖體支護研究與工程建議仍涉及較少。鑒于此，本文總結(jié)完善深部礦巖巖爆傾向性評估方法并根據(jù)工程實際提出切實可行的支護建議，以期為深部安全開采提供指導(dǎo)。

1 巖爆傾向性評估方法介紹

1.1 巖石脆性系數(shù)評估法

巖石脆性系數(shù)是巖石單軸抗壓強度與抗拉強度的比值，其計算方程如下：

B=σc/στ,

(1)

式中，B為巖石脆性指數(shù)；σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；στ為巖石抗拉強度，MPa。

巖石脆性系數(shù)的巖爆傾向性評估準(zhǔn)則見表1。

表1 巖爆傾向性評估準(zhǔn)則

1.2 巖石應(yīng)力系數(shù)評估法

巖石應(yīng)力系數(shù)是巖石最大切應(yīng)力與單軸抗壓強度的比值，其計算方程如下：

S=σθ/σc,

(2)

式中，S為巖石脆性指數(shù)；σθ為巖石最大切應(yīng)力，MPa；σc為巖石單軸抗壓強度，MPa。

巖石應(yīng)力系數(shù)的巖爆傾向性評估準(zhǔn)則見表1。

1.3 巖石彈性能量指數(shù)法

巖石彈性能量指數(shù)的具體求算方法為進行巖石單軸壓縮試驗，當(dāng)應(yīng)力等于巖石強度80%～90%時記錄下此時的應(yīng)力應(yīng)變曲線；進而求算巖石彈性變形儲能與塑性變形耗能；計算巖石彈性變形能和塑性變形能的比值。計算方程如下：

Wet=Ee/Ep,

(3)

式中，Wet為巖石彈性能量指數(shù)；Ee為巖石彈性變形儲能，kJ；Ep為巖石塑性變形耗能,kJ。

根據(jù)Kidybiński的研究成果[20]，巖石彈性能量指數(shù)的巖爆傾向性評估準(zhǔn)則見表1。

1.4 巖石沖擊能量指數(shù)法

由于埋深和高地應(yīng)力的影響，深部礦巖積聚了大量彈性應(yīng)變能，并在超過自身強度之后突然進行能量的無序釋放，使之具有強烈的沖擊性。通過巖石試樣的全應(yīng)力應(yīng)變曲線可求解巖石沖擊能量指數(shù)，其計算方程如下：

Wcf=Esa/Esc,

(4)

式中，Wcf為巖石沖擊能量指數(shù)；Esa為巖石應(yīng)力峰值強度前的儲能，kJ;Esc為巖石應(yīng)力峰值強度之后的耗能，kJ。

巖石沖擊能量指數(shù)的巖爆傾向性評估準(zhǔn)則見表1。

1.5 動靜組合加載巖爆傾向性指標(biāo)法

上述巖爆傾向性評估方法均是在巖石處于純靜載時討論所得到的。然而，深部工程巖體處于高地應(yīng)力和工程開挖擾動的特定應(yīng)力環(huán)境，考慮動靜組合加載能夠更加真實地反映深部巖體的應(yīng)力狀態(tài)。隨著開采深度持續(xù)增加，巖石所受靜載明顯增大，在采礦作業(yè)產(chǎn)生的沖擊能量(動載)的作用下，巖石臨界破壞時的應(yīng)變回彈現(xiàn)象會逐漸消失，進而轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力峰值強度后應(yīng)變無回彈的破壞模式。由此可見，找出能夠解釋這一能量釋放特點的指標(biāo)是評估深部礦巖巖爆傾向性的關(guān)鍵。鑒于此，基于Wcf的計算方法，充分考慮巖石儲能及耗能的相互關(guān)系以彌補現(xiàn)有巖爆傾向性評估指標(biāo)的不足，其計算方程如下：

(5)

式中，εsa、εsc分別為峰值應(yīng)力前應(yīng)變與峰值應(yīng)力后應(yīng)變；Wcf為巖石沖擊能量指數(shù)。

結(jié)合Wcf的巖爆傾向性評估準(zhǔn)則與試樣耗能密度，可確定動靜組合加載下巖爆傾向性指標(biāo)的等級評估準(zhǔn)則，即

(6)

1.6 多指標(biāo)融合的機器學(xué)習(xí)判別法

以單一指標(biāo)為基礎(chǔ)，綜合考慮各評估指標(biāo)對巖爆傾向性的影響，利用機器學(xué)習(xí)方法融合多指標(biāo)建立巖爆傾向性評估模型。這些指標(biāo)包括巖石單軸抗壓強度σc、巖石抗拉強度στ、巖石彈性能量指數(shù)Wet及巖石最大切應(yīng)力σθ，其中，σc、στ及Wet均能反映圍巖的力學(xué)性質(zhì)，同時最大切應(yīng)力σθ能反映原始地應(yīng)力條件及地下空間形狀和尺寸對巖爆傾向性的影響[21]。最終，利用諸如隨機森林、支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機器學(xué)習(xí)算法，可將巖爆傾向性評估為無、弱、中等及強4個等級。

2 巖爆傾向性評估方法應(yīng)用優(yōu)化

雖然國內(nèi)外學(xué)者對巖爆傾向性評估方法進行了大量研究，然而，在礦山實際應(yīng)用時仍存在些許不足，如評估指標(biāo)過于單一，評估準(zhǔn)則的確定沒有考慮到深部礦山的地質(zhì)條件與開采現(xiàn)狀；在多指標(biāo)評估方法中沒有考慮到各指標(biāo)之間的相關(guān)性與權(quán)重占比，可能會導(dǎo)致巖爆傾向性預(yù)測準(zhǔn)確率降低。因此，為了使以上巖爆傾向性評估方法對于深部礦巖更具綜合性與合理性，得到準(zhǔn)確客觀的評估結(jié)果，結(jié)合國內(nèi)外研究的優(yōu)點，提出了以下應(yīng)用優(yōu)化建議：

(1)由于巖爆是一種極其復(fù)雜的動力災(zāi)害，涉及到的因素不止是巖石的強度和力學(xué)性質(zhì)，所以必須考慮礦區(qū)的實際地質(zhì)條件與開采現(xiàn)狀，如采礦方法選擇、開拓布置、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)等。在不同礦區(qū)應(yīng)用原有巖爆傾向性評估模型時，應(yīng)根據(jù)實際情況對指標(biāo)及等級判別準(zhǔn)則進行優(yōu)化改進，從而使得巖爆傾向性評估模型更加貼近工程現(xiàn)場實際。

(2)在進行巖爆傾向性評估時，盡量采用多指標(biāo)聯(lián)合評估方法以確保評估結(jié)果的可靠性與合理性；綜合利用各類指標(biāo)建立多元非線性評估模型，使其準(zhǔn)確描述巖爆的力學(xué)與能量特征。

(3)當(dāng)采用多指標(biāo)融合的巖爆傾向性評估方法時，應(yīng)考慮到不同指標(biāo)之間的相關(guān)性與各指標(biāo)所占的權(quán)重。消除相關(guān)性之后可以有效減少輸入指標(biāo)的數(shù)量以簡化模型并提高模型評估的計算效率，定量確定權(quán)重則可以描述不同指標(biāo)對于巖爆傾向性評估的重要性，得到準(zhǔn)確合理的評估結(jié)果。

(4)在選取評估指標(biāo)時，應(yīng)以定量指標(biāo)為主，定性指標(biāo)為輔建立巖爆傾向性評估模型；當(dāng)定量指標(biāo)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)較少而難以反映真實情況時，可考慮區(qū)間數(shù)學(xué)理論來描述定量指標(biāo)的不確定性。

3 深部巖體支護對策及建議

目前大量研究聚焦于巖爆傾向性評估及巖爆局部防控，而忽略巖爆區(qū)域內(nèi)的巖體支護方法與技術(shù)，在礦山實際開采中，應(yīng)對策略仍停留在增加傳統(tǒng)錨噴支護強度與密度的階段，導(dǎo)致支護成本升高且支護效果欠佳。為此，從巖爆防治的角度為礦山巖體支護提出以下對策及建議：

(1)采用主動柔性支護。由于巖爆發(fā)生時常伴隨巖石的剝落、彈射及拋擲，所以支護系統(tǒng)必須具有一定的讓壓屈服性能以吸收巖石攜帶的巨大動能。錨網(wǎng)支護相較于傳統(tǒng)的錨噴支護更具優(yōu)勢，其中，錨桿通過調(diào)節(jié)深部巖體的應(yīng)力狀態(tài)實現(xiàn)有效控制，而柔性防護網(wǎng)施工簡便且能主動吸能，因此，錨網(wǎng)柔性支護體系可以防控巖爆的安全風(fēng)險，保障人員、機械及施工安全[22]。

(2)采用預(yù)留錨固方式。當(dāng)前，錨桿多采用端頭錨固方式達到變形讓壓的目的，然而，巖爆往往使得表層巖體剝落，導(dǎo)致錨桿托盤未與巖體接觸，造成支護失效，圍巖進一步破壞。因此，可將除錨桿的可伸長部件之外的錨桿主體全部注漿錨固，從而保證錨桿與巖體的緊密接觸，達到巖爆防控的效果[23]。

4 結(jié) 論

巖爆是嚴(yán)重危害深部礦山安全高效開采的一種復(fù)雜動力災(zāi)害?；趪鴥?nèi)外巖爆防控的研究，針對巖爆傾向性評估重要環(huán)節(jié)，歸納總結(jié)了6類具有代表性的巖爆傾向性評估方法。為了使上述方法對深部礦巖更具綜合性與合理性，從評價指標(biāo)數(shù)量、相關(guān)性與權(quán)重、實際工程背景、模型建立等方面分析了當(dāng)前方法存在的缺陷，并且對其實際應(yīng)用提出了切實可行的優(yōu)化建議，以期得到準(zhǔn)確客觀的評估結(jié)果。同時，針對巖爆區(qū)域巖體支護提出了主動柔性支護和預(yù)留錨固支護的對策及建議，可有效改善深部礦巖支護效果，降低支護成本，提高工作效率。