深埋矿床开采中的岩爆问题.pdf

／ 0 深埋矿床开采中的岩爆问题 ， 锻 北京有色冶金设计研究总院 郭 然 ／ 【 摘要 】 岩 瀑 机 理 和 岩 爆 防 治 措 施的 研 究 在 我国 迁 刚 起步 本 文 在 借 鉴 国 外 深 井 开 采 岩 爆 防 治经验和理论研究成果的基础上． 做了一些有益的探讨。 ， 关 键 塑 坠 ， R oCKB URS TS I NDUCE D I N DEEP LE VE L I NG B e ij in g C e n t r a l E n g i n e e r i n g＆ R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r No nf e r r o u s Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y G u o Ra n 【 A B S T R A C T】I n C h L ,， r e s e a r c h o f r o c k b u r s t me c h a n i s m ， r o c k b u r s t p r e v e n t i o n a n d c o nt r o l i s s t i l l a t i t s i ni t i a l s t a g e ． On t h e ba s i s o f i n t e r n a t i o n a l p r a c t i c a l e x p e r i e n c e s a n d t h e o r e t i c a l a c h i e v e me n t s ， t h e a u t h o r h a s ma d e S O me b e n e f i c i a l e x p 】 o r a t i o n s i n t o t h e wa y s a n d me a s u r e s o f r o c k bu r s t c o nt r o1 ． KE Y W 0RDS De e p mi n i n g R o c k b u r s t me c h a n i s m Ro c k b u r s t p r e v e n t i o n ． 1 前 言 矿床开采深度增加，岩爆发生的频率和 强度将会提高。岩爆会给采矿方法的选择 ， 回采顺序和支护型式的确定带来很大困难， 有时甚至是难以克服的。有些矿山用于防治 岩爆的费用占采矿总成本的8 ％～l 8 ％ 。 司见 岩爆的研究是非常必要的。目前，人们对岩 爆发生机理的认识还大都停留在假说和经验 公式 的水平上，没有一致公认 的严格理论 。 尽管如此，人们在控制 、 预防和预报岩爆方 面并非一无所知，束手无策。本文力图在这 一 方面做一尝试，以便为今后进一步研究奠 定基础 。 2 岩爆及发生机理 2 ． 1 岩爆的定义 作者在大量阅读有关文献时发现，岩爆、 矿震和地震这三个概念被广泛论及，它们有 时互相混用，也有时被区别对待。 一般说来， 地震 也有时称微震，是指各种因素引起的 矿岩介质质点振动所引起的岩层震动；矿震 一 般指震动较大的地震 ，是地震的一 部分 ； 岩爆又是矿震的一小部分，专门指会给矿山 生产和安全带来较严重破坏的矿震。 地震相 对于其它两个概念来讲包括范围更广泛，矿 震和岩爆有时又互为因果。 岩爆是岩休处于极限平衡状态时，由于 受到人类生产活动扰动，其内部储存的应变 能在瞬间释放．使采掘工作面附近的岩石从 母体中急剧 、 猛烈地突出或弹射出来的一利 动态力学现掠。 本文所述岩爆都遵循此定义。 2 ． 2 岩爆的机理 6 0 年代以来，人们解释矿山岩爆机理方 有也 I 9 9 8 维普资讯 - 面有三种不同的观点和理论能量理论 ，刚 度理论和岩爆倾向理论。虽然这三种理论其 表达式具体内容有所差异，但在强度方面总 的理论原则是一致的。即认为在产生岩爆 时，矿体 围岩力学系统应达到其力学极限 平衡状态 。 2 ． 2 ． 1 能量理论 随着采掘范围的不断扩大，矿体 一围岩 系统在其力学平衡状态破坏时所释放的能量 大于所消耗的能量时即产生岩爆。布霍依诺、 布格尔特和里波曼提出改进后的能量判据是 a d w -----tR ； ． d W E 1 1 d V D ‘ ‘ 式中 w 围岩所释放的能量，M J ； a 一围岩能量释放有效系数，％； w E 矿体所释放的能量，M J ； - 旷体能量释放有效系数， ； w D 消耗于克服矿体 一围岩交界 处和矿体破坏阻力的能量， M J 。 2 ． 2 ． 2 刚度理论 6 0 年代中期，库克和霍杰姆发现，用普 通压力机进行压缩试验时猛烈破坏的岩石试 件， 若改用刚性试验机试验，则破坏并不猛 烈，而且有可能得到应力与应变全过程曲线。 经分析 试件产生猛烈破坏的原因是试件刚 度大于试验机的剐度 。 库克等人将试验室所 得到的这一结果用于解释房柱式采矿法的矿 柱 一围岩系统的岩爆问题 。 7 0 年代，布莱克将刚度理论完善化，并 用于分析美国爱达荷加利纳矿区的岩爆问题， 这一理论的基本原则是矿山结构 矿体 的剐度大于矿山负荷 围岩的刚度是产生 矿山岩爆的必要条件。 2 ． 2 ． 3 岩爆倾向理论 用一个或一组指标衡量矿岩的岩爆倾向 强弱，这类理论就是所谓的岩爆倾向理论 。 岩爆倾向理论的指标很多，其中最主要的有 以下几种 1 弹性能量指数 该指数由波兰的A． 奇代宾斯基建议， 以岩石在峰值荷载前的弹性储能与永久变形 耗能之比来衡量岩爆倾向。具体作法为在 实验室对岩样进行单轴压缩试验，首先加载 至岩样峰值强度的8 0 ％ --9 0 ％ ， 然后卸载至零， 根据记录的应力 一应变曲线 ，用图形积分法 得到弹性变形储能与塑性变形耗能之比，即 弹性变形能指数 WE T 。 W E T 号 式中E e 一弹性变形能，M J ； E 塑性变形能 ， M J； 按波兰的指标，w Ⅱ指标划分如下 Wm - ≯5 强烈岩爆倾向； WE T 2 ～5 中等岩爆倾向； wⅡ 2 无岩爆倾向。 2 脆性系数 经验表明，发生岩爆的岩石大都是弹性 强 、脆性大的岩石，塑性变形占主要部分的 岩石不可能发生岩爆，因为积聚的变形能大 都消耗在塑性变形当中。 脆性系数定义为 詈 式中 口 岩石单轴抗压强度，M P a； o t 岩石单轴抗拉强度，M P a 。 具体判别标准为 R 1 8 强烈岩爆倾向。 3 冲击能量指标 使用刚性试验机对岩样进行单轴压缩试 验，得到应力应变全曲线，用峰值前后应力 应变曲线与应变轴所围成面积之比来表示岩 爆倾向，其计算模式为 W 昔 深埋矿床开采中的岩爆问题 郭然 邮编 1 0 0 0 3 8 、 ＼ ． 维普资讯 式中 wⅡ冲击能量指标； ． F 峰值前应力应变曲线与应变轴 围成的面积 ， M J； F t 峰值后应力应变曲线与应变轴 围成的面积， 。 w 越大， 表示岩爆可能性越大，判别 标准是 晰 强烈岩爆倾向； 晰 2 ～3 中等岩爆倾向； 晰 2 无岩爆倾向。‘ 2 ． 2 ． 4 岩爆机理研究的最新进展 断裂力学理论的发展和自然地震发生机 理的研究，进一步推动了矿山岩爆机理的研 究工作。通过最近十几年的研究，人们取得 如下共识 1 采帮诱发的岩爆可分为两大类，与 采矿活动直接相关的采矿工作面新裂纹形成 和发展导致的工型岩爆和与主要地质不连续 结构面运动有关的Ⅱ型岩爆； 2 岩爆的强度严格受局部地质结构和 构造矿岩介质的非均质性和不连续性、次生 应力和残余构造应力等相互作用的影响。工 型岩爆发生所需应力远大于导致Ⅱ型岩爆所 需应力。因为工 型岩爆的发生乃震源动应力 超过矿岩强度所致，而Ⅱ型岩爆的震源是地 质构造弱面，当该面处于极限平衡状态时， 只需很小的应力变化即可导致滑动，从而发 生岩爆 。 上述两种类型岩爆的震源发生机理有两 种假设．即双力偶震源机理和非双力偶震源 机理。这两种力学模型的详细介绍可参见有 关文献 。 大量矿山岩爆统计研究发现，对于同一 个矿山，在不同时期最大岩爆释放能量与概 率分布一般遵循双模型关系。对于双模型概 率分布有两种假设一是认为双模型是由于 岩体的非均质性和非连续性所致．岩爆乃是 采矿次生应力所致；另一是认为低能分布模 型是采矿次生应力所致，而高能模型则是采 矿次生应力和残余构造应力联台作用所致。 3 岩爆分类及防治措施 3 ． 1 岩爆的分类 根据其与采矿作业的关系，矿山岩爆可 分为两大类 采矿型岩爆 也称 “ 静态岩爆’， 和构造型岩爆 也称 “ 动态岩爆 ’ ，。即上面 曾经提到的工 型和Ⅱ型岩爆。 。 根据 H a s e g a w a 建议矿山岩爆可细分为 6 种 1 应变型岩爆； 2矿柱型岩爆； f 3 顶板完整岩石张性断裂型岩爆； 4应变能型岩爆 工作面附近岩石 由于爆破和体积收缩联合作用产生正断裂 ； 5冲断层岩爆 震源在工作面下方 ； 6近水平冲断层型岩爆。 这里的前三种为采矿型岩爆，后三种为 构造型岩爆。 3 ． 2 岩爆的预防和控制措施 根据上述岩爆机理和分类，防治岩爆措 施可分为全局的战略性措施和局部的战术性 措施。 3 ． 2 ． 1 合理选择采矿方法和回采顺序 有岩爆倾向矿床的采矿方法选择，除要 考虑矿体产状和稳定性等因素外，还要尽量 考虑岩爆发生后如何尽快恢复生产等因素 。 国外生产经验表明早期常用的房柱采矿法 最容易导致岩爆发生，改为长壁采矿法后． 情况大为改观。长壁画采嗣后充填空区而不 崩落空区会使岩爆频度和强度进一步降低。 国外金属矿山实践还表明充填采矿法是控 制和预防岩爆发生的最重要措施之一 。 充填 体控制岩爆的作用主要有以下几条 1 吸收岩爆的地震能，降低产生破坏 的能量 2 阻止岩爆弹射出的岩块对井下人员、 设备和设施造成伤害和破坏； 3 缩短采场空顶距，提高矿岩共振频 率； 、 有色矿山I 9 9 8 - 维普资讯 4 降低能量释放率 E R R和超剪切应 力 E s S； 5 改变矿柱受力状态，提高其破坏强 度 。 ． 回采顺序的优化有利于降低应力集中系 数和缩小应力集中范围，从而在一定程度上 降低破坏性更大的动态岩爆发生的可能性 。 首采地段在局部构造应力较高处有利于矿区 应力水平的降低；两个工作面相背推进或一 个工作面推进方向背离断层有利于控制岩爆。 3 ． 2 ． 2 控制岩爆的局部措施 大量矿山生产实践表明，降低工作面前 端矿岩刚度，预先释放应变能等措施均可使 矿山岩爆得到相应减弱 。这类措施主要有 1 用爆破法防治岩爆 在工作面前端 应力集中区打预爆破钻孔， 进行小型预爆破 使工作面前端应力集中区内微裂隙得到充分 发育， 使矿岩刚度降低从而达到控制岩爆的目 的 。 2 岩层注水这种措施有利于降低静 态型岩爆的发生， 有些矿山取得了良好效果。 但根据动态岩爆的发生机理．岩层注水可能 导致地质构造弱面的强度进一步降低，有使 这种岩爆趋于强烈和易于发生的可能。因此， 采取这种措施时必须根据具体矿山实际条件 进行详细研究．最终决定可否采取这种措施。 3 开采释放层这种方法对于开采平 行矿脉和超高应力条件下的厚大矿体有较好 效果 。 3 I 2 ． 3 建立矿山微震监测网 在矿山建立微震监测蒹统的主要目的有 两个①确定岩爆震源位置以便指导抢救工 作；②进行岩爆的预报。 近年来，地震波形和频谱分析研究方法 的发展极大推动了定量描述岩爆和预测岩爆 发生可能性理论的研究 。 南非岩爆研究工作 者提出了用四个独立参数描述岩爆震源参数 事件发生平均时间间隔E 、顺序发生事件震 源平均间距 X 震源地震能总和 和震源 地震矩总和 。研究发现，岩爆发生前常 有下列现象；震源内共振变形速度加快；顺 序发生事件间距增大；震源核心内部地震应 力或能量指数 E ／ E M 低而核外部高 。利用 上述参数描述震源，并通过对监测拾取到的 数据进行分析计算，较好地实现了南非金矿 岩爆的预报。 加拿大的研究工作者通过理论分析和矿 山现场实际监测发现岩爆发生前地震发生 频率在常规水平基础上猛增，随后又恢复到 通常水平，这常常意味着岩爆即将发生。 不同研究者在利用地震波研究岩爆时， 所采用的参数和指标不尽一致，但有一个共 同认识 在岩爆发生前有一能量积累的过程， B 量达到一定程度后，先是消耗于矿岩微裂 ， 纹扩展为宏观破裂带，随后才发生岩爆 。 根 据能量急剧增加后岩爆不立即发生这一特点， 可以相信如同自然地震一样，岩爆发生前 是有征兆的，因此是可以进行预报的。 对于一个具体矿山而言，在建立了微震 监测网后，根据对拾取数据和发生岩爆进行 的反分析，就可逐步摸索出一条有效防治岩 爆的途径。因此，在这个意义上讲，建立微 震监测网也是防治岩爆的措施之～。 4 结 论 人们在长期的生产和科研实践中总结出 了许多防治岩爆的方法。作者经分析认为， 防治岩爆的战略性措施主要是选择适当的开 采工艺和回采顺序。 充填法对防治岩爆具有其 它方法无法取代的作用， 值得我们进一步研究。 合理回采顺序可使矿山大范围的应力分布更 趋于均衡， 有利于控制岩爆的发生。 战略性防 治措施可防动态岩爆。 局部战术性措施主要着 眼于静态岩爆的防治， 主要是通过各种手段降 低工作面附近岩体的刚度和脆性， 减小局部应 力集中或将应力集中向远离工作面方向转移， 从而达到防治或降低岩爆强度的目的。 深埋矿床开采中的岩爆问题郭然 m E 编 l 0 0 0 3 8’ 维普资讯