深井开采岩爆预测与防控措施研究

2019-01-24 03:29朱青凌

福州大学学报（自然科学版） 2019年1期

刘畅，覃敏，朱青凌

(长沙矿山研究院有限责任公司，金属矿山安全技术国家重点实验室, 湖南长沙 410012)

0 引言

岩爆是采掘空间周围岩体在高应力作用下，弹性应变能突然释放，使岩体向自由空间突出或抛射的一种动力破坏现象.岩爆的发生直接威胁矿山生产作业安全，岩爆过程中的能量释放往往导致生产系统破坏、作业空间损毁、采掘工程阻滞等一系列干扰、破坏矿山生产的后果[1-4]，岩爆灾害，甚至可能造成作业人员伤亡、采区停工停产等严重危害，是矿山生产过程中面临的极大挑战.

硬岩矿山采矿过程中的岩爆问题是影响矿山发展的技术难题，深部开采的矿山面临的岩爆问题更为严峻.随着开采深度的增加，地应力不断增大，地压活动加剧，岩爆问题也越来越突出，其危害程度也呈逐渐增加的趋势，给矿山安全生产造成了严重威胁[5-7].某些深井矿山已被日益加剧的岩爆问题所困扰，安全事故频繁，采矿效率低下，甚至造成大量资源的损失.重视和加强岩爆问题的研究，对指导深井矿山安全高效开采具有十分重要的意义.

目前，对岩爆倾向性判别方法的研究主要是对岩块进行试验，利用特定的岩爆倾向性判据对试验结果进行分析，从而判断岩体是否具有岩爆.岩爆倾向性判据是判别岩爆的理论依据，针对不同矿山的情况，可对岩爆倾向性判据进行适当改进，以更好地实现理论判据与矿山实际相结合，使矿山的岩爆防治工作做到有的放矢.

1 岩爆的危险性判据

矿山生产过程中，判定岩爆倾向性具有十分重要的意义，只有确定岩体是否会发生岩爆，才能有针对性地采取措施防治岩爆灾害，最大限度避免岩爆发生，降低岩爆危害.长期以来，学者对岩爆判据的研究做了大量工作，取得了丰富的研究成果[8-11]，其中比较成熟的理论有弹性能量指数判据、动态破坏时间判据、岩石脆性系数判据等，为准确预测岩爆倾向性，本次对弹性能量指数和动态破坏时间两项指标进行重点分析.

1.1 弹性能量指数

岩石在破坏过程中，必然产生弹性变形和塑性变形，并释放或消耗一定能量.弹性能量指数指破坏前的弹性变形能与塑性变形所消耗的能量的比值.弹性能量指数主要反映岩石达到峰值强度前的能量变化，该指标可通过岩石力学试验获取：对岩样进行施加载荷，至岩石强度的70%～90%时卸载至零，然后再求出弹性变形能量储能与塑性变形耗能之比，即为弹性变形能量指数WET，如图1所示，弹性能指数判据分类标准如表1所示.

(1)

式中：Ee为弹性变形能；Ep为塑性变形能.

图1 弹性变形能WET指数计算图Fig.1 Calculation of elastic energy index of WET

表1 弹性能指数判据

1.2 动态破坏时间

动态破坏时间是指岩石达到峰值强度至完全破坏所经历的时间，用Dt表示，算法如图2所示.动态破坏时间用来衡量岩石破坏时间长短的参数，研究认为，动态破坏时间越短，岩爆倾向性越大.近年来，国内外学者通过大量研究，得出用动态破坏时间作为岩爆倾向性的分类标准，如表2所示.

图2 动态破坏时间计算图Fig.2 Calculation of dynamic failure time

Tab.2Criterionofdynamicfailuretime

判据岩爆倾向性Dt≤50ms强岩爆倾向50ms500ms无岩爆倾向

2 深部矿岩岩爆倾向性试验

岩爆危险性判据是岩爆判定准则，首先通过试验获取基础数据，然后对其进行深入分析最终得到岩爆评价结果[7-10].由于深部岩体本身为高应力状态下岩体，在同等条件下发生岩爆的可能性更大，岩爆危害程度更高，对深部岩体的岩爆倾向性研究意义更为突出.

2.1 深部开采矿山介绍

江南某铜多金属矿为大型地下开采矿山，主要生产铜、铁及其伴生矿体.矿山历经40年的发展后，逐渐由浅部开采转向深部，矿山目前开采深度为800 m，下一部开拓工作已稳步推进，开拓深度达1 000 m.

深部围岩主要为闪长岩和矽卡岩，矿体为含铜磁铁矿及含铜矽卡岩，其中闪长岩位于矿体下盘，较为破碎；矽卡岩为矿体上盘围岩，稳定性较好.

随着开采深度的增加，岩爆灾害开始显现，矿山在前期采准过程中已发生数次岩爆.此次岩爆研究岩样取自该矿深部矿岩体，为闪长岩、矽卡岩、含铜矽卡岩和含铜磁铁矿.

2.2 岩爆倾向性试验

试验方法如前述，4种岩样弹性能指数试验结果如表3所示，典型试验曲线如图3所示.选取上述4种岩样进行试验，提取对应的动态破坏时间，如图4所示，评价结果如表4所示.

表3 弹性能指数试验

图3 含铜矽卡岩WET测试曲线 Fig.3 Testing curve of WET of Cu bearing skarn ore

图4 含铜磁铁矿破坏时间曲线Fig.4 Testing curve of cupreous magnetite

岩性Dt/ms评价岩性Dt/ms评价闪长岩860

从以上两种试验可以看出，闪长岩、矽卡岩和含铜矽卡岩的评价结果均为无岩爆倾向，含铜磁铁矿评价结果为中等岩爆倾向.

岩爆灾害直接威胁矿山安全生产，随着深部工程的不断推进，已陆续出现多次岩爆现象，岩爆主要发生在采准工程施工矿体揭露过程中.但从现场记录来看，目前发生的岩爆程度较轻，岩爆范围也较小，可判断为弱-中等岩爆倾向，这与试验结果大体一致.

2.3 试验特征分析

弹性能量指数与岩石强度有关，强度越大，WET指数越高.本次岩爆试验选取闪长岩等4种岩样，每种岩样加工了12块以上试件进行试验，获取的试验数据如图5所示.从图5中可以看出，无论哪种岩性，其WET指数与强度之间均呈不规则曲线增长关系.以含铜磁铁矿为例，试样1强度为189 MPa，对应的WET为8.7；试样12强度为252 MPa，对应的WET为13.6.显然，表3中含铜磁铁矿的试验结果并非严格符合“中等岩爆倾向的评价标准”，但多数试样的WET为10～13，所以判定其为中等岩爆倾向.

动态破坏时间与强度无明显相关关系.图6为闪长岩等4种岩样动态破坏时间与强度关系曲线图，所有岩性试验结果无一例外都显示，动态破坏时间与强度曲线为无规律振荡曲线.同一岩性岩体，其破坏时间长短与强度无关.

图5 WET与强度关系曲线Fig.5 Curve of strength-time relationship

图6 动态破坏时间与强度关系曲线Fig.6 Curve of strength-dynamic failure time relationship

3 深井开采的岩爆防治措施

深井开采的岩爆防治是一项不容忽视的安全生产工作，从理论分析到矿山生产实践，逐步探索形成的一系列岩爆防治理论和经验方法，对保障深井矿山安全生产发挥了重要作用.

3.1 强采强充

矿岩体掘进和开采过程中，原岩的三向应力状态被打破，处于高应力状态下的岩体一旦发生岩爆，受其周围岩体束缚，惟有可能向自由空间突出.且岩体暴露时间越长，发生破坏甚至岩爆的可能性越大.根据岩爆这一特点，可采取相应的预防措施，即强采强充，缩短岩体暴露时间.采场开采结束后及时充填，避免长时间暴露发生岩爆.

3.2 减小采场暴露面积

实践证明，采场暴露面积越大，岩体破坏越严重.减小采场暴露面积是保持岩体稳定，控制岩爆的重要措施[12].选取围岩条件基本相同的5#采场和21#采场作为试验采场进行地压监测，获取基础数据并分析地压活动规律.5#采场凿岩硐室跨度为16 m，中间为一宽6 m条柱(即两侧各留5 m凿岩空间)； 21#采场跨度为14 m，中间为一宽6 m条柱(即两侧各留4 m凿岩空间).通过对此2个试验采场的凿岩硐室的持续观测，完整地记录了凿岩硐室冒顶片帮等岩体失稳事件，如图7所示.

图7 凿岩硐室破坏事件统计图Fig.7 Damage incident statistical of drilling chamber

从一年内的统计数据来看，5#采场的破坏事件明显多于21#采场，5#采场跨度大，地压活动频繁，减小跨度后，采场暴露面积也相应缩小，岩体失稳事件大大降低.从应力变化的角度上看，开挖的暴露面积越大，则在某些局部的应力越集中，岩体发生破坏甚至岩爆的可能性就越大.因此，适当降低采场跨度，减小暴露面积，不失为岩爆灾害控制的另一较好的选择.

3.3 加强支护

支护可减小岩体变形和破坏，采取适当的支护方式对暴露岩体进行支护，有利于防止岩爆对井下作业人员造成的伤害.从现场实践来看，锚网支护因其结构的特殊性，可有效降低岩爆危害.锚杆本身将可围岩与内部稳定岩体结合在一起而产生相对固定作用，锚网联合支护则可有效防范岩爆发生时破碎岩体向自由空间突出或弹射.虽然岩体支护仅为被动措施，但对减小岩爆危害，提高井下作业安全有着不可替代的作用.

4 结语

1) 采用岩爆试验的方法，利用弹性能指数和动态破坏时间2项判据对4种岩性岩体进行岩爆倾向性预测.结果表明，含铜磁铁矿具有中等岩爆倾向，其它3种岩性岩体无岩爆倾向，试验结果与矿山实际情况基本吻合.

2) 岩爆倾向性与岩石强度有关.同一岩性岩体，强度越大，弹性能指数越高，岩爆倾向越明显；动态破坏时间与强度无明显相关关系.

3) 做好合理开采计划，强采强充，缩短岩体暴露时间，减小采场暴露面积，并加强支护，可有效降低岩爆发生的可能性，减小岩爆危害，提高井下作业安全.