深部开采矿山岩爆倾向性研究

邹 平，曹 宇，胡培良，孟中华，刘正宇

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012； 2.湖南瑶岗仙矿业有限责任公司，湖南 郴州市 424209； 3.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

深部开采矿山岩爆倾向性研究

邹 平1,3，曹 宇2，胡培良1，孟中华1，刘正宇1

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012； 2.湖南瑶岗仙矿业有限责任公司，湖南 郴州市 424209； 3.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

岩爆是深部开采中最为常见和严重的岩体破坏现象。针对湖北某矿深部开采过程中遇到的岩爆问题，分别采用脆性系数判别法、弹性变形能指数判别法、冲击能指标判别法、岩体结构判别法对该矿3种岩石的岩爆倾向性强度等级和顺序进行了判别，并据此提出了相关建议，以减小该矿深部开采岩爆灾害的发生。

深部开采；岩爆；倾向性；综合判别

0 引 言

近年来，我国大批金属与非金属矿山已转入深部开采阶段，如红透山铜矿、冬瓜山铜矿、弓长岭铁矿、夹皮沟金矿、湘西金矿、山东玲珑金矿等矿山的开采深度都已超过800 m[1]。深部开采带来的岩爆问题严重威胁到井下作业人员和设备的安全，必须引起足够的重视。岩爆是处于高地应力或极限平衡状态的岩体或地质结构体，在开挖活动的扰动下，其内部储存的应力能瞬间释放，造成开挖空间周围部分岩体从母岩体中急剧、猛烈地突出或弹射出来的一种动态力学现象[2]。

岩爆涉及岩性、岩体结构和应力环境三个方面。目前岩爆研究思路大致为：首先进行岩爆机理研究，测定岩爆倾向性指标，提出岩爆判据。根据判据，借助于有限单元等方法进行数值模拟，分析岩体工程围岩的应力分布，优化采场结构参数，控制采矿工程的岩爆发生，并安装监测仪器监测岩爆与预报岩爆，以采取措施减轻或消除岩爆危害[3￣6]。

1 工程概况

湖北某矿从1974年开始建矿，经过40多年的地下开采，在井下已形成了16个开采中段，目前主要的生产和开拓中段为-530，-570，-600 m中段，开采深度为700～800 m。随着开采深度的增加，地压活动越来越频繁，在进行深部-530，-570 m巷道开拓和矿体开采时发生了片帮、开裂甚至岩爆等地压活动现象。

矿体赋存于石英闪长岩与大理岩接触带上，矿体为含铜矽卡岩、含铜矽化大理岩及含铜石英闪长岩，为坚硬性脆的地质体，围岩坚硬致密，抗风化能力较强，稳定性好。

矿床内的工程地质岩组主要有大理岩、矽卡岩和石英闪长斑岩：

(1) 大理岩岩组：灰色，主要矿物为结晶方解石，结构致密，块状构造，岩石稳固性、完整性较好。按工程岩体分类，为块体结构。

(2) 矽卡岩岩组：灰褐色，主要矿物为石榴子，其次为透辉石。结构致密，块状构造。岩石稳固性、完整性好，属块体结构。

(3) 石英闪长斑岩岩组：灰色，主要矿物为长石、石英及云母。多为斑状结构、块状构造。在节理裂隙发育处或岩石强烈蚀变处，岩石较破碎。新鲜岩石比较坚固和完整。工程岩体分类为块体结构。

总体工程地质类型属简单类型。

2 岩爆倾向性判别

岩爆倾向性是指岩石自身具有的发生岩爆的内在特性。岩爆倾向性研究是从岩石的强度特性和变形特性着手进行岩爆预测研究。目前，用于岩爆倾向性判别的方法主要有脆性系数判别法、弹性变形能指数判别法、冲击能指标判别法、岩体结构判别法等[7￣11]。

该矿岩石均为坚硬、较坚硬的岩石，岩体质量、完整性及其稳定性较好，且其工程地质条件较好。在岩体结构和应力环境两方面明显具备发生岩爆的条件，因此，只要对岩石的岩爆倾向性进行研究就可以预测是否会发生岩爆。

2.1 脆性系数判别法

陆家佑教授根据岩石的单轴抗压强度和抗拉强度提出了岩爆的强度脆性系数(R)判别法：通常发生岩爆的岩石为致密的硬岩(Rc>60 MPa)，当Rc/Rt≥R时，将产生岩爆，R值越大说明岩石的脆性越大，则岩爆发生的倾向性越大。其判别准则为：

(1)R<10时，无岩爆；

(2) 10≤R<18时，中等程度岩爆；

(3) 18≤R时，强烈岩爆。

根据脆性系数R判断该矿岩爆倾向性的结果见表1。

2.2 弹性变形能指数判别法

弹性变形能指数Wet由波兰采矿研究总院提出，岩石循环加载实验将岩石试件加载到(0.7～0.8)Rc，然后再卸载到0.05Rc，得到岩石的加卸载曲线如图1所示。

图1 岩石试样的加卸载曲线

根据加卸载曲线可以得到弹性能指数：

式中，Ee为岩石试件峰值载荷前的弹性变形储能；Ep为岩石试件由于产生塑性变形和内部微破裂而消耗的能量；f(ε),f1(ε)分别为加卸载曲线；εt,εe,εp分别为总应变、弹性应变和塑性应变。

Wet判别法的准则为：

(1)Wet≥5.0时，强烈岩爆倾向；

(2) 2.0≤Wet<5.0时，中等岩爆倾向；

(3)Wet<2.0时，无岩爆倾向。

根据Wet判断岩爆倾向性的结果见表2。

表2 弹性变形能指数Wet判别岩爆倾向性结果

2.3 冲击能指标判别法

冲击能指标判别法主要是通过比较岩石在破坏前后的能量损失来判断岩爆倾向性。冲击能指标通过岩石全应力-应变实验获得，其计算公式为：

Wcf=F1/F2

式中，Wcf为冲击能指标；F1和F2分别为岩石的全应力-应变曲线图中以峰值荷载为界的左右部分曲线与变形坐标轴围成的面积。

用Wcf判别岩石岩爆倾向性的标准为：

(1)Wcf>3.0时，强烈岩爆倾向；

(2) 2.0

(3)Wcf<2.0时，无岩爆倾向。

根据冲击能指标Wcf判断岩爆倾向性的结果见表3。试验过程中大理岩基本试验平稳，无炸裂声；闪长岩普遍有炸裂声；2块矽卡岩有炸裂声，其余4块无炸裂声。若岩石突然炸裂成碎块，很难绘制出峰值后的完整曲线，其计算的冲击能指标偏大。

2.4 岩体结构判别法

裂隙发育的岩体不易引起高应力集中和能量积聚，岩爆一般发生I、II两类和部分III类岩体中。岩体结构判别法主要是根据岩石完整性系数Kv或岩体质量指标RQD来表示岩体结构对岩爆发生的控制作用，其判别准则为：Kv0.75或RQD60%。

根据岩体结构判别岩爆倾向性的结果见表4。

表3 冲击能指标Wcf判别岩爆倾向性结果

表4 岩体结构判断岩爆倾向性结果

2.5 岩爆倾向性综合判定

根据以上4种岩爆倾向性判别方法的分析结果来看，由于每一种岩爆倾向性判别方法均具有一定的局限性，对同一种岩石采用不同的方法得到不同的结论，因此需要综合各种方法的分析结果来判别湖北某矿矿岩的岩爆倾向性，综合判定结果见表5。

表5 岩爆倾向性综合判定结果

3 结 论

(1) 岩爆是深部开采中最为常见和严重的岩体破坏现象。岩爆倾向性是岩石自身发生岩爆的内在特性，是研究岩爆的基础。

(2) 采用脆性系数判别法、弹性变形能指数判别法、冲击能指标判别法、岩体结构判别法对湖北某矿深部开采的3种岩石的岩爆倾向性进行了判别，其综合判别结果为：大理岩无岩爆倾向性；闪长岩为中等岩爆倾向性；矽卡岩为无～中等岩爆倾向性，其岩爆倾向性顺序为：闪长岩>矽卡岩>大理岩。

(3) 根据岩爆倾向性的判别结果，建议该矿在深部开采过程中尽量将巷道布置在无岩爆倾向性的大理岩岩体中，以减少岩爆灾害的发生。

[1]李冬青,王李管,等.深井硬岩大规模开采理论与技术[M].北京:金工业出版社.

[2]郭 然,潘长良,于润沧.有岩爆倾向硬岩矿床采矿理论与技术[M].北京:金工业出版社.

[3]崔曙忠.某铁矿中厚及以上缓倾斜矿体采矿方法研究[J].金属矿山,2012,434(8):21￣24.

[4]王 伟，王恩元.岩爆预测技术综述及发展分析[J].矿业安全与环保,2003,30(4):12￣15.

[5]彭振斌,方建勤,颜荣贵，等.硬岩矿山深井岩爆预测方法的研究[J].矿冶工程,2003,23(5):8￣11.

[6]谢学斌.硬岩矿床岩爆预测与控制的理论和技术及其应用研究[D].长沙:中南工业大学,1999.

[7]周宗红,侯克鹏,金小川.会泽铅锌矿深部岩体岩爆倾向性实验研究[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2014,39(1):21￣25.

[8]李丽娟,曹 平,陈 瑜.深井矿山开采中岩爆发生机理及其预测方法研究[J].南华大学学报(自然科学版),2008,22(4):80￣83.

[9]张继忠,孙广义,杨海军.东海煤矿深部岩爆倾向性评价[J].采矿技术,2009,9(2):18￣19.

[10]金小川,周宗红,章雅琦，等.岩爆的深度判定法及应用[J].矿业研究与开发,2013,33(1):69￣72,120.

[11]李庶林,唐海燕.岩爆倾向性评价的弹性应变能指标法[J].矿业研究与开发,2005,25(5):16￣18,61.

罗光财(1979-)，男，硕士，工程师，主要从事土木工程施工管理工作，Email：35016567@qq.com。

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