小廠壩礦區(qū)巖爆傾向性研究

李 忠，劉勇文，劉財林

(1.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004；2.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900)

深部礦體的開采過程中，由于高地應力和采礦擾動的影響，巖爆災害已經(jīng)成為影響其安全高效開采的主要災害之一[1-3]。在我國深井開采過程中，發(fā)生巖爆事件的礦山越來越多，嚴重影響井下作業(yè)人員的安全及采礦設施、設備的安全。根據(jù)以往的研究成果，巖爆的發(fā)生與巖石本身的屬性相關[4-7]，也與巖石所處的應力環(huán)境相關，相關研究表明，巖石發(fā)生巖爆與巖石內(nèi)部儲存的彈性應變能有很大關系[8-11]。巖爆傾向性的研究，一直是巖爆問題研究的熱點問題，受到國內(nèi)外眾多學者的長期研究，從室內(nèi)力學試驗入手，在開采前期通過大量的巖石力學試驗對開采礦體及其圍巖的巖爆傾向性進行預先研究和判斷，已成為現(xiàn)階段研究和防治巖爆問題的重要途徑。

1 巖爆傾向性評價指標

由于巖爆問題的廣泛研究，關于巖石的巖爆傾向性評價指標的研究也十分多，許多學者依據(jù)現(xiàn)場巖爆發(fā)生的實際情況和室內(nèi)巖石力學試驗，對巖爆傾向性評價指標進行了大量的總結(jié)與歸納，主要有如下幾種指標。

1.1 脆性巖爆指標

研究表明，巖爆主要發(fā)生在堅硬脆性巖石中，采用巖石的脆性系數(shù)評價其巖爆傾向性被廣泛應用，其表達式見式(1)。

B=σc/σt

(1)

式中：B為脆性系數(shù)；σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；σt為巖石抗拉強度，MPa。

從式(1)中可以看出，B值越小，巖石單軸抗壓強度越小，抗拉強度越大，巖石越軟，發(fā)生巖爆的可能性越小，B值與巖爆傾向性之間的判別關系見表1。

1.2 Barton巖爆指標

該巖爆指標是從巖石開挖后其應力分布入手，認為巖石發(fā)生巖爆的主要原因是由于其應力狀態(tài)超過了其極限所能承受的最大應力，部分學者根據(jù)現(xiàn)場實際和室內(nèi)力學試驗，提出采用巖石所處環(huán)境下的第一主應力值與單軸抗壓強度之間的比值來表征Barton巖爆指標，并且得到了廣泛應用，其表達式見式(2)。

α=σ1/σc

(2)

式中：α為Barton系數(shù)；σ1為最大地應力值，MPa；σc為巖石單軸抗壓強度，MPa。

從式(2)中可以看出，Barton系數(shù)α越大，最大地應力值越大，巖石發(fā)生巖爆的可能性越大，α值與巖爆傾向性之間的判別關系見表2。

表1 脆性指標與巖爆傾向性的判別關系Table 1 Discriminant relationship between brittlenessindex and rockburst tendency

表2 Barton指標與巖爆傾向性的判別關系Table 2 Discriminant relationship between Barton indexand rockburst tendency

1.3 彈性變形能巖爆指標

該指標是有加拿大學者SINGH和波蘭學者KIDYBINSKI根據(jù)巖石彈性應變能的概念演變而來的，該指標需要在室內(nèi)巖石力學試驗中獲得，對巖石試樣進行單軸加卸載試驗，當軸向荷載加載至巖石單軸抗壓強度的90%左右卸載，通過求取加載應力應變曲線面積與卸載應力應變曲線面積，比較二者之間的比值求得彈性變形能巖爆指標，其計算公式見式(3)，計算示意圖見圖1。

(3)

式中：Wet為彈性變性能巖爆指標；Ee為彈性變形能；Ep為塑性變形能；εe為彈性應變；εp為塑性應變；εt為總應變；f(ε)為加載時的應力應變曲線函數(shù)；f1(ε)為卸載時的應力應變曲線函數(shù)。

關于彈性變形能指標Wet與巖爆傾向性之間的判別關系，SINGH根據(jù)硬巖礦山巖石試驗結(jié)果，提出了二者的對應關系，KIDYBINSKI根據(jù)波蘭煤礦巖石試驗結(jié)果，也提出了彈性變形能指標Wet與巖爆傾向性之間的判別關系，但是二者相差比較大，本次研究對上述二者提出的判別關系進行總結(jié)，以SINGH提出的判別關系為主，以KIDYBINSKI提出的判別關系為輔，提出了本次研究彈性變形能指標法巖爆傾向性的判別關系，具體見表3。

圖1 彈性變形能計算示意圖Fig.1 Elastic deformation energy calculation diagram

表3 彈性變形能指標法巖爆傾向性的判別關系Table 3 Discrimination relation of rockburst tendency inelastic deformation energy index method

彈性變形能指標Wet判別情況Wet≥10強巖爆傾向性5≤Wet<10中巖爆傾向性2≤Wet<5弱巖爆傾向性Wet<2無巖爆傾向性

1.4 沖擊能巖爆指標

該巖爆傾向性評價指標是從巖爆發(fā)生過程中巖石釋放能量的角度入手，采用巖石單軸壓縮全應力應變曲線的峰值前后的面積之比來表征巖石發(fā)生巖爆傾向性。其計算示意圖見圖2，計算公式見式(4)。

Wcf=F1/F2

(4)

式中：Wcf為沖擊能巖爆指標；F1為峰值強度前全應力應變曲線與橫坐標圍成的面積；F2為峰值強度后全應力應變曲線與橫坐標圍成的面積。

2 單一指標巖爆傾向性評價

根據(jù)小廠壩礦區(qū)的礦體賦存特征及主要礦巖圍巖的分布及類型，分別在礦體頂板、礦體和礦體下盤處選取了灰?guī)r(h)、礦石(k)和黑云母石英片巖(hy)進行了巖爆傾向性研究，根據(jù)上文4種巖爆傾向性判別指標，通過現(xiàn)場取樣并進行了室內(nèi)巖石力學試驗，主要包括巖石單軸壓縮、巴西劈裂試驗、單軸加卸載試驗。

2.1 脆性巖爆指標

根據(jù)脆性指標B的計算方法，只要得到巖石的單軸抗壓強度和及抗拉強度，便可計算脆性指標B，圖3為巴西劈裂試驗照片，圖4為灰?guī)r的單軸壓縮應力應變曲線。表4為巖石力學試驗結(jié)果及脆性巖爆指標評價結(jié)果，根據(jù)計算結(jié)果，3種巖石均為強巖爆傾向性。

圖2 巖石沖擊能指標Wcf的計算示意圖Fig.2 Calculation schematic diagram of rockimpact energy index Wcf

圖3 巴西劈裂試驗Fig.3 Brazilian split test

2.2 Barton巖爆指標

根據(jù)Barton巖爆指標的計算方法，只要知道最大地應力值和單軸抗壓強度，即可以計算Barton系數(shù)α，根據(jù)中南大學對小廠壩礦區(qū)的地應力測量結(jié)果，在750 m中段，礦區(qū)內(nèi)水平最大地應力值為30 MPa，礦區(qū)內(nèi)以水平主應力為主。圖5為單軸壓縮試驗照片，Barton巖爆指標評價結(jié)果見表5。

圖4 灰?guī)r應力-應變曲線Fig.4 Limestone stress-strain curve

表4 脆性巖爆指標評價結(jié)果Table 4 Brittle rockburst index evaluation results

巖性抗壓強度/MPa抗拉強度/MPaB傾向性灰?guī)r(h)849.29.12強礦石(k)1269.613.11強黑云母石英片巖(hy)10110.59.62強

表5 Barton巖爆指標評價結(jié)果Table 5 Barton rockburst index evaluation results

圖5 單軸壓縮試驗Fig.5 Uniaxial compression test

2.3 彈性變形能巖爆指標

根據(jù)彈性變形能巖爆指標Wet的計算方法，只要獲得巖石單軸加卸載試驗應力-應變曲線面積，便可計算彈性變形能巖爆指標Wet，圖6～8為3種巖石的單軸加卸載試驗曲線及計算的彈性變形能巖爆指標Wet，彈性變形能巖爆指標評價結(jié)果見表6。

圖6 灰?guī)r單軸加-卸載試驗曲線Fig.6 Limestone uniaxial loading-unloading test curve

圖7 礦巖單軸加-卸載試驗曲線Fig.7 Ore rock uniaxial loading-unloading test curve

圖8 黑云母石英片巖單軸加-卸載試驗曲線Fig.8 Biotite quartz schist uniaxial loading-unloadingtest curve

2.4 沖擊能巖爆指標

根據(jù)沖擊能巖爆指標的計算方法，只要求取巖石單軸壓縮全應力應變曲線的峰值前、后的面積便可計算出沖擊能巖爆指標Wcf，圖9～11為3種巖石的單軸壓縮試驗曲線及計算的沖擊能巖爆指標Wcf，沖擊能巖爆指標評價結(jié)果見表7。

表6 彈性變形能巖爆指標評價結(jié)果Table 6 Elastic deformation energy rockburst indexevaluation results

圖9 灰?guī)r單軸壓縮應力-應變曲線Fig.9 Limestone uniaxial compression stress-strain curve

圖10 礦巖單軸壓縮應力-應變曲線Fig.10 Ore uniaxial compression stress-strain curve

圖11 黑云母石英片巖單軸壓縮應力-應變曲線Fig.11 Biotite quartz schist uniaxial compressivestress-strain curve

表7 沖擊能巖爆指標評價結(jié)果Table 7 Impact energy rockburst index evaluation results

巖性Wcf傾向性灰?guī)r(h)1.56中礦石(k)8.73強黑云母石英片巖(hy)4.96強

3 巖爆傾向性綜合評價

由以上分析可以看出，四種巖爆傾向性評價指標的評價結(jié)果不一致，為了更加準確地評價巖石的巖爆傾向性等級，根據(jù)脆性巖爆指標、Barton巖爆指標、彈性變形能巖爆指標和沖擊能巖爆指標對礦體頂板、 礦體和礦體下盤處的灰?guī)r(h)、 礦石(k)和黑云母石英片巖(hy) 3種巖石的巖爆傾向性進行對比分析，最終確定其巖爆傾向性等級。

從評價結(jié)果可以看出，灰?guī)r的評價結(jié)果較為分散，其中脆性巖爆指標判別為強巖爆傾向性，而Barton巖爆指標和沖擊能巖爆指標判別為中巖爆傾向性，彈性變形能指標判別為中巖爆傾向性，由于脆性指標判別法判別結(jié)果較為激進，綜合判定灰?guī)r的巖爆傾向性為中等級別。礦巖的判別結(jié)果同樣較為分散，其中脆性巖爆指標與沖擊能巖爆指標的判別結(jié)果均為強巖爆傾向性，Barton指標與彈性變形能指標的判定結(jié)果為弱巖爆傾向性和中巖爆傾向性，由于脆性指標判別結(jié)果比較激進，Barton指標的判別結(jié)果考慮了地應力的影響，結(jié)果與實際情況較為接近，判定結(jié)果為中巖爆傾向性，由于礦體的巖爆傾向性對采礦生產(chǎn)的安全性非常重要，加之沖擊能指標的判定結(jié)果為強巖爆傾向性，最終確定礦巖的巖爆傾向性為強巖爆傾向性，希望礦山在采礦過程中加強對礦巖應力變化的監(jiān)測，防止巖爆現(xiàn)象的發(fā)生。石英片巖的評價結(jié)果較為一致，脆性巖爆指標、彈性變形能指標和沖擊能巖爆指標的判定結(jié)果均為強巖爆傾向性，Barton指標的判定結(jié)果為中巖爆傾向性，最終確定石英片巖的巖爆傾向性為強巖爆傾向性，各巖爆判定指標的判定結(jié)果與綜合判定結(jié)果見表8。

從綜合評價結(jié)果來看，礦體的頂板灰?guī)r為中巖爆傾向性，而礦體和礦體下盤為強巖爆性，采礦活動和主要的巷道都布置在礦體內(nèi)和礦體下盤，因此，在礦體的開采過程中，應注意對礦體下盤巷道的支護，防止發(fā)生巖爆。在礦體的開采過程中，應加強對地壓變化的監(jiān)測，采取適當措施，采用合理的開采方式及開采順序，降低巖爆發(fā)生的概率和強度。

表8 巖爆傾向性綜合評價Table 8 Comprehensive evaluation of rockburst tendency

4 結(jié) 語

在對巖石力學實驗結(jié)果分析的基礎上，分別采用巖石脆性指標、Barton巖爆指標、巖石彈性變形能指標和巖石沖擊能指標等單一指標評判法對小廠壩礦區(qū)礦體、上下盤圍巖的巖爆傾向性進行了分析，各評價指標之間具有一定的差異性，對巖石的巖爆傾向性評價結(jié)果不一致。對4個巖爆指標的評價結(jié)果進行綜合分析，礦體及下盤圍巖屬于高巖爆傾向性等級，在開采過程中，應加強對礦體應力及下盤圍巖應力的監(jiān)測，由于開拓工程和采準工程主要布置在礦體下盤，因此，需加強下盤巷道、硐室的支護。