深井礦山巷道掘進掌子面巖爆卸壓防治研究

李 文， 劉育明， 張愛民， 張少杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

隨著人類社會對各種礦產(chǎn)資源需求的不斷增加，向地球深部索取礦產(chǎn)資源已成為大趨勢，推動地下礦山不斷朝著地球深部發(fā)展。伴隨礦山開采深度的增加，礦巖體所處的地質(zhì)環(huán)境將更為復(fù)雜，開采技術(shù)條件將更為嚴苛，明顯表現(xiàn)特征為高地應(yīng)力、高地熱、高巖溶水壓(即深部“三高”特征)。目前世界上開采最深的金屬礦山是南非的姆波尼格(Mponeng)金礦，其開采深度約4 350 m[1]，我國深井金屬礦山開采深度主要在1 000～1 700 m水平。深井礦山深部工程作業(yè)面臨著嚴重地壓災(zāi)害威脅，突出表現(xiàn)形式為巖爆。巖爆是高地應(yīng)力條件下的一種非常復(fù)雜的動力型地壓災(zāi)害現(xiàn)象，伴隨著爆裂聲響及巖石碎塊剝離、崩出，具有很強的突發(fā)性和破壞性。通常干燥、完整、堅硬且處于高地應(yīng)力環(huán)境的巖體如花崗巖、石英巖等在開挖擾動后易發(fā)生巖爆現(xiàn)象。盡管相關(guān)學(xué)者在巖爆誘發(fā)條件、孕災(zāi)機制及監(jiān)測預(yù)警等方面開展了大量研究并不斷剖析巖爆獲取新認知[2-6]，巖爆災(zāi)害防治仍是深部巖體工程領(lǐng)域的世界性難題。

巷道掘進是地下礦山采礦活動的重要開拓采準工程，具有作業(yè)面環(huán)境差、安全風險高、施工周期長等特點，通常鑿巖、爆破等工人需在巷道掌子面環(huán)境連續(xù)作業(yè)數(shù)小時。巷道掌子面和幫壁、拱頂是深井礦山巖爆發(fā)生高風險部位，直接威脅著作業(yè)人員人身安全和設(shè)備財產(chǎn)安全。前人研究表明巷道幫壁/拱頂巖爆通?？赏ㄟ^實施光面爆破、噴錨網(wǎng)支護[7]等措施得到較好地防治，但針對巷道掌子面巖爆及其防治措施研究相對較少。董鵬[8]等(2021)針對引漢濟渭工程秦嶺隧洞工程巖爆段采用掌子面周邊布孔和中部布孔兩種方式開展了超前應(yīng)力釋放爆破研究，對圍巖內(nèi)部應(yīng)力釋放效果進行了分析。吳世勇[9]等(2018)針對錦屏二級引水隧洞開展了掌子面垂直超前孔爆破卸壓研究，研究表明在掌子面前方可產(chǎn)生一定延伸范圍的松弛區(qū)，有效釋放掌子面處的集中應(yīng)力。李俊平[10]等(2018)將ANSYS/LS-DYNA程序和FLAC3D程序相結(jié)合，動態(tài)模擬了硬巖巷道端面的鉆孔爆破卸壓過程，分析了不同卸壓方案的鉆孔爆破卸壓效果，得到了合理的鉆孔布置方式及鉆孔深度、裝藥長度。

為了有效地降低深井礦山巷道掘進過程中掌子面巖爆發(fā)生機率及其危害，本文在分析總結(jié)前人研究成果基礎(chǔ)上提出了“掌子面超前預(yù)裂爆破卸壓”理念，并開展了巷道掌子面超前卸壓效果仿真與卸壓爆破工藝設(shè)計，定量分析了卸壓前后巷道圍巖應(yīng)力分布特征，可為后期深井礦山巷道工程安全高效實施提供技術(shù)支撐。

2 巷道掌子面巖爆發(fā)生機理分析

巷道工程施工后，巖體原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，應(yīng)力重分布后形成圍巖局部應(yīng)力集中，當應(yīng)力積聚到一定程度并得到突然釋放，即為巖爆發(fā)生提供了能量基礎(chǔ)。實踐和研究發(fā)現(xiàn)，巖爆的發(fā)生主要與巷道開挖后圍巖切向應(yīng)力大小有關(guān)。

采用FLAC3D軟件建立了一個尺寸分別為100 m×100 m×40 m的深部巷道開挖模擬三維模型。巷道位于模型中央，巷道軸向沿模型Y軸方向。首先對模型施加圍巖物理力學(xué)特性參數(shù)及初始應(yīng)力邊界條件，得到巷道未開挖前的初始應(yīng)力狀態(tài)，巷道區(qū)域最小主應(yīng)力約為44.65 MPa，最大剪應(yīng)力約為10 MPa。然后模擬巷道開挖10 m后的圍巖擾動應(yīng)力重分布特征(圖1)，從圖1中應(yīng)力分布結(jié)果可知在巷道拱頂、底板及掌子面前方均有應(yīng)力集中區(qū)域。圖2所示為巷道掌子面前方不同位置的最大剪應(yīng)力分布規(guī)律，位于掌子面前方1.5 m處存在最大剪應(yīng)力峰值，最大剪應(yīng)力值約為21.1 MPa。通過以上分析可知，巷道開挖后在掌子面前方1.5 m處存在剪應(yīng)力集中效應(yīng)，當超過巖石體的抗剪強度就會發(fā)生剪切破壞進而誘發(fā)掌子面巖爆。

圖1 巷道開挖后圍巖最大剪應(yīng)力分布云圖

圖2 巷道掌子面前方最大剪應(yīng)力分布曲線

3 巷道掌子面巖爆卸壓防治研究

3.1 掌子面超前預(yù)裂爆破卸壓機理分析

為了防治巷道掌子面巖爆發(fā)生，提出在掌子面掘進循環(huán)作業(yè)中向掌子面前方施工超前鉆孔并與掘進爆破同工序起爆，在下一掘進循環(huán)掌子面前方形成一定厚度的碎裂區(qū)，起到阻隔高地應(yīng)力集中效應(yīng)的作用，實現(xiàn)掌子面巖爆防治目的。圖3所示為深部巷道工程超前預(yù)裂爆破卸壓機理示意圖，可以看出，實施超前預(yù)裂爆破后在掌子面前方形成了碎裂區(qū)，同時掌子面前方應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，降低了臨近掌子面區(qū)域的應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖3 深部巷道掌子面超前爆破卸壓機理

3.2 掌子面超前卸壓爆破效果分析

模擬不同卸壓爆破深度對卸壓效果的影響，此次模擬過程中卸壓爆破過程進行了簡化，假定卸壓爆破后在裝藥段所在深度形成一碎裂區(qū)，在模擬過程中以空區(qū)表示。圖4所示為巷道掌子面前方卸壓爆破深度對應(yīng)力擾動影響，從圖中可以看出，隨著卸壓爆破深度距離掌子面距離的增大，在掌子面前方的應(yīng)力集中區(qū)先消散然后重新聚積。當卸壓爆破深度大于2 m時，巷道掌子面前方的應(yīng)力集中區(qū)重新出現(xiàn)，說明該情形下實施的卸壓爆破不能夠消除掌子面前方高地應(yīng)力集中的問題，掌子面仍然存在巖爆風險。圖5所示是不同掌子面超前卸壓爆破深度對卸壓效果的影響，從中可以看出，當卸壓爆破深度為4 m時掌子面前方最大剪應(yīng)力集中效應(yīng)加劇，相比未卸壓爆破前增加了約20%；當卸壓爆破深度小于3 m時掌子面前方最大剪應(yīng)力集中效應(yīng)消散，相比未卸壓爆破前分別降低了10.9%(卸壓爆破深度3 m)、53.6%(卸壓爆破深度2 m)和61.9%(卸壓爆破深度1 m)。

圖4 巷道掌子面前方卸壓爆破深度對應(yīng)力擾動影響

圖5 掌子面超前卸壓爆破深度對卸壓效果影響

3.3 掌子面超前卸壓爆破工藝方案

1)掌子面超前卸壓爆破鉆孔布置

以某深井礦山深部巷道工程為例開展掌子面超前卸壓爆破鉆孔布置方案設(shè)計。圖6所示為不同形式的超前預(yù)裂爆破鉆孔布置示意圖。圖中巷道斷面型式為直墻三心拱，巷道寬度3.9 m，高度4.15 m，直墻高度2.8 m。巷道掌子面炮孔主要有掏槽孔、輔助孔、周邊孔和卸壓孔，其中掏槽孔和周邊孔的布置形式保持不變，根據(jù)卸壓孔的布置形式設(shè)計了4種方案。其中，方案一和方案三中卸壓孔數(shù)量為6個，方案二和方案四中卸壓孔數(shù)量為5個。炮孔直徑均為50 mm，卸壓孔長度為5 m，其他孔深均為3 m。掏槽孔、輔助孔和卸壓孔均為水平直孔，周邊孔根據(jù)在巷道所處部位分別向拱頂、直墻外側(cè)及底板底部方向呈5°傾角。上述炮孔布置型式可供生產(chǎn)實踐借鑒使用。

圖6 巷道掘進爆破炮孔布置圖

2)裝藥及起爆

待掌子面鉆孔施工完成后，開始裝藥、連線及起爆工作。根據(jù)礦山現(xiàn)場實際條件選用炸藥材料，通常為卷狀乳化炸藥。卸壓孔采用密實孔底裝藥，裝藥長度為2 m，堵塞長度為3 m；掏槽孔、輔助孔采用密實孔底裝藥，裝藥長度為2 m，堵塞長度為1 m；周邊孔采用分段間隔裝藥，總裝藥長度控制在1.5 m，堵塞長度為1 m。炮孔孔口采用黏土、砂子、水按比例調(diào)配的炮泥堵塞。各鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 掌子面超前卸壓爆破鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

掌子面超前爆破卸壓孔與巷道循環(huán)掘進爆破孔(掏槽孔、輔助孔、周邊孔)作為一個工序同步起爆，按照卸壓孔、掏槽孔、輔助孔、周邊孔的順序采取孔間毫秒微差方式起爆，可根據(jù)現(xiàn)場工程條件合理有效連接起爆網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)論

通過對深井礦山巷道掌子面巖爆發(fā)生機理分析，提出了掌子面超前預(yù)裂爆破卸壓理念并開展了卸壓爆破效果分析與工藝設(shè)計，得出以下結(jié)論：

(1)深部巷道工程掌子面前方圍巖體內(nèi)部剪應(yīng)力積聚并高于巖體抗剪強度時導(dǎo)致剪切破壞是掌子面巖爆發(fā)生的重要誘因。

(2)通過掌子面超前卸壓爆破可以有效地降低掌子面前方剪應(yīng)力水平，實現(xiàn)積聚高應(yīng)力轉(zhuǎn)移與消散，起到降低巖爆風險作用。

(3)通過分析卸壓爆破深度對掌子面前方應(yīng)力重分布影響表明，掌子面超前卸壓爆破深度應(yīng)不大于2 m，指導(dǎo)掌子面超前卸壓爆破工藝方案設(shè)計。