深竖井开挖岩爆倾向性多指标预测_刘焕新.pdf

收稿日期2019-09-22 基金项目国家重点研发项目 （编号 2016YFC0600800） 。 作者简介刘焕新1988， 男， 工程师， 博士研究生。通讯作者王玺1989， 男， 工程师， 硕士。 总第 522 期 2019 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE 深竖井开挖岩爆倾向性多指标预测 刘焕新 1， 2 王玺 1 程力 11 （1. 山东黄金集团有限公司深井开采实验室， 山东 莱州 261400； 2. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083） 摘要工程地质勘查孔及其信息是深部岩石工程前期重要的研究对象和决策依据。综合考虑诱发岩爆的 内因和外因， 从岩石性质条件、 围岩应力条件、 围岩地质条件三个方面选取8个评价指标， 基于钻孔岩芯开展了地 应力测试、 岩石力学指标测试、 声波测试， 分析了新城金矿新主井-930 m以下井筒开挖岩爆倾向性。结果表明 ① 岩爆倾向性并非随深度线性增长， 各深度水平岩爆危险性真实值应为多种因素综合作用的结果； ②新城金矿新主 井-930 m以下深度井筒开挖的岩爆倾向较大， 可采用作业面钻孔卸压、 垂直井壁钻孔卸压、 超前爆破卸压、 柔性让 压支护等手段进行岩爆防治； ③不同指标分级方法所得结果存在一定的差异性， 说明单指标岩爆倾向性评价方法 存在一定的局限性， 应建立更为科学的综合评价方法。 关键词深竖井钻孔岩芯岩爆多指标预测 中图分类号TD321文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -12-050-06 DOI10.19614/ki.jsks.201912008 Multi-index Prediction of Rock Burst Tendency in Deep Shaft Excavation Liu Huanxin1， 2Wang Xi1Cheng Li12 （1. Deep Mining Laboratory of Shandong Gold Group Co.， Ltd.， Laizhou 261400， China； 2. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China） AbstractEngineering geological exploration holes and their ination are important research objects and decision- making basis in the early stage of deep rock engineering. Considering the internal and external causes of inducing rock burst， eight uation inds are selected from three aspects of rock property condition， surrounding rock stress condition and sur- rounding rock geological condition. Based on the borehole core， series of tests as the in-situ stress test， rock mechanics index test and acoustic wave test are carried out to analyze the rock burst tendency of the new main well under -930 m in Xincheng Gold Mine. The results show that ①the rock burst tendency does not increase linearly with the depth，and the real value of horizontal rock burst risk at each depth should be the result of a variety of factors； ② the rock burst tendency of the new main shaft of Xincheng Gold Mine under -930 m is relatively high， and it can be prevented and controlled by means of drilling pres- sure relief at the working face， drilling pressure relief at the vertical shaft wall， blasting pressure relief in advance， and flexi- ble pressure yield support， etc.. ③there are some differences in the results of different index classification s， which in- dicates that there are some limitations in the single index uation for rockburst tendency， so a more scientific com- prehensive uation should be established. KeywordsDeep shaft， Borehole core， Rock burst， Multi-index prediction 深部地下工程岩体开挖引起的岩爆直接影响施 工人员人身安全和设备安全， 更严重影响施工进 度 ［1-3］。在金属矿开采行业， 目前全球范围内的金属 矿开采已进入-1 000～-2 000 m 第二深度空间 ［4-5］。 岩爆的预测预报及防治是世界性难题， 我国对岩爆 的预测预报主要分2个阶段进行， 在设计阶段结合现 场实测地应力值， 通过反演初始应力场， 再通过数值 模拟获得围岩应力分布， 并结合室内岩石力学试验 进行岩爆倾向性分析， 预测可能发生的岩爆的等级， 提出相应的对策。在施工阶段通过现场声发射、 微 震监测及各种常规应力、 位移监测手段对岩爆进行 预警预报， 并采取减少能量集中、 能量转移、 吸能支 Series No. 522 December2019 50 ChaoXing 护等方法进行岩爆的防治 ［6-7］。岩爆的发生与岩石工 程的地质条件和工程技术条件都有关系， 岩石本身 的物理力学性质等地质条件， 称为诱发岩爆的内因； 工程技术条件称为岩爆的外因， 包括围岩应力条件 和围岩地质条件等， 如地下采矿过程中工程布置、 开 挖工艺和支护工艺所引发的应力集中问题等。岩爆 倾向性的判定预测是有效防治岩爆的基础 ［8-11］， 而在 金属矿前期阶段往往未有任何工程揭露， 开展岩爆 现场监测手段受限。但矿山前期勘察阶段往往施工 了大量的地质钻孔， 大量的地质钻孔岩芯通常只基 于探矿目的进行地质编录， 岩芯未得到充分利用， 本 研究从岩爆发生的内因和外因出发， 考虑诱发岩爆 的岩石性质条件、 围岩应力条件、 围岩地质条件， 选 取岩爆倾向性评价指标， 利用地质钻孔岩芯开展地 应力测试、 岩石力学性质指标测试、 声波测试， 建立 岩爆倾向性分析方法体系， 为深部岩体开挖岩爆防 治提供理论依据。 1岩爆取样及试样制备 山东新城金矿新建新主井， 井口标高32.9 m， 井底标高-1 494.10 m， 井筒全深1 527 m， 净直径6.7 m。为了解竖井深部岩体岩爆倾向性， 进而指导新 城金矿深井掘进及支护设计， 矿山计划在井下-930 m 掘进 1条巷道至竖井位置 （图 1 （a） ） ， 在竖井中心 附近打平行钻孔， 钻孔全长 640 m。选取有代表性 的岩爆倾向性测试岩芯样本， 根据新主井地质勘探 报告， 分别在-950 m、 -1 050 m、 -1 150 m、 -1 250 m、 -1 350 m、 -1 450 m、 -1 550 m等7个水平各选取岩 样1组。对于钻孔岩芯取样位置， 依据具体情况与现 场实际确定， 尽量选择岩爆倾向性较大的岩体进行 试验， 每组16～20个样品， 单个岩芯样品长度不小于 100 mm （图 1 （b） ） 。对用于实验的全部岩芯进行编 号， 标明每段岩芯的起止标高、 岩性等信息后， 采用 腊封或保鲜膜包裹好， 运至中试实验室， 按相关标准 进行试件加工。 2岩爆倾向性指标实验测试 2. 1与岩性有关的岩爆倾向性指标 为研究与岩性有关的岩爆倾向性指标， 开展钻 孔岩爆试验， 通过岩石试件的劈裂拉伸试验、 单轴压 缩全过程试验及加卸载试验获得与矿岩岩爆倾向性 有关的抗压强度、 抗拉强度、 弹性参数、 加卸载特性、 储能及能量耗散等参数指标。 岩石单轴抗压强度是在刚性压力机上于静荷载 作用下测得的结果， 岩石全应力应变曲线是静态荷 载条件下测得的岩石在受力变形直至破坏的全过程 曲线。试验过程中， 先采用载荷控制方式， 加载速度 为0.5 MPa/s， 在试件快要破坏时控制方式转为轴向 应变控制加载， 加载控制速率 （1～5） 10-6， 不同孔 深的岩芯单轴压缩全应力应变曲线见图2所示。 冲击能指数是指岩石试样在峰值载荷前存储的 弹性变形能与峰值载荷后直到完全破坏这一过程所 要消耗的能量之比， 其为 WCFE1/E2，（1） 式中，E1为峰值前贮存的变形能；E2为破坏过程损耗 的变形能。WCF反映岩石破坏过程中剩余能量的大 小， 当WCF＜2， 无岩爆； 2≤WCF＜3， 弱岩爆； 3≤WCF＜5， 中等岩爆；WCF≥5， 强烈岩爆 ［8］。 岩石的加卸载试验过程与静态单轴压缩试验基 本相同， 也是在静态荷载作用下， 测定岩石在峰值强 度时一次性应力卸载至零的过程曲线， 如图3所示。 试验过程中， 加载是采用纵向应变控制的， 加载控制 速率为 （1～5） 10-6。新城金矿新竖井工勘孔不同孔 深岩石的全应力应变曲线如图4所示。 通过加卸载求得岩石峰值荷载u和永久变形时 荷载ul来评价岩爆倾向性， 其表达式如下 Ku u/u1，（2） 式中，Ku为岩石的脆性指数，Ku越大， 说明岩石的脆 性越大， 则岩爆发生的倾向性亦越大。Ku＜2.0， 无岩 爆； 2.0≤Ku＜6.0， 弱岩爆； 6.0≤Ku＜9.0， 中等岩爆；Ku≥ 2019年第12期刘焕新等 深竖井开挖岩爆倾向性多指标预测 51 ChaoXing 9.0， 强烈岩爆 ［10］。 根据加卸载应力应变曲线下包围的面积， 采 用弹性应变能储存指数判定岩爆发生的可能性。 Wetφsp/φst，（3） 式中， Wet为应变能储存指数 （弹性能量指数） ；φsp为滞 留的弹性应变能， kJ；φst为耗损的应变能， kJ。其中， Wet＜2.0， 无岩爆； 2.0≤Wet＜3.5， 弱岩爆； 3.5≤Wet＜5.0， 中 等岩爆； Wet≥5.0强烈岩爆 ［10-11］。 金属矿山2019年第12期总第522期 52 ChaoXing 采用单轴压缩条件下， 岩石达到峰值强度以前 所储存的弹性能来判别岩爆的倾向性。其表达式如 下 We σ2 c 2Es ,（4） 式中，We为线弹性指数；σ2 c为单轴抗压强度， MPa； Es 为卸载切线弹性模量， MPa。其中，We＜40， 无岩爆； 40 ≤We＜80， 弱岩爆； 80≤We＜200， 中等岩爆；We≥200， 强烈 岩爆 ［10］。 2. 2与围岩地质条件有关的岩爆倾向性指标 （1） 岩体完整性系数测试。由岩石的完整性系 数计算公式可知，若想获得岩体完整性系数Kv， 就需 要知道岩体弹性纵波速Cpm和岩石弹性纵波速Cpr。 从目前国内外测试水平看， 尚无法实现大深度钻孔 内岩体波速的现场测量， 因此， 采用在实验室内对取 自钻孔代表性地段的大尺度岩心 （长度至少500 mm 以上） 的波速来代替岩体波速的方法， 如图 5所示。 图5中， 采用收发一体探头， A表示振幅， f表示频率， 即时间周期p的倒数， l表示岩样的长度， C表示波速。 测得钻孔不同深度平均岩体完整性系数Kv见表1所 示。 Kv[ ] CpmCpr 2 ，（5） 式中，Kv为岩体完整性系数；Cpm为岩体弹性纵波速， m/s；Cpr为岩石弹性纵波速， m/s。当Kv＜ 0.55时， 无 岩爆； 0.55≤Kv＜0.65， 弱岩爆； 0.65≤Kv＜0.75， 中等岩爆； Kv≥0.75， 强烈岩爆。 （2） 钻孔岩心RQD值的确定。新城金矿新主井 附近JCK-1钻孔有些地层岩石非常破碎， 完整性和 稳定性很差， 即使具有再高的地应力和其他外部条 件也基本不具备发生岩爆的可能。根据RQD值岩爆 等级判别标准， 当50＜RQD≤70， 中等岩爆； RQD＞ 70， 强烈岩爆。因此， 在新城金矿新主井施工过程 中应重点关注RQD值大于50的区域。本项目取钻 孔岩芯各测点深度附近的RQD值， 见表1。 2. 3与应力条件有关参数的计算 岩爆作为一种复杂的动力失稳现象， 是在高应 力条件下， 引起硬脆性岩体在短时间内产生的储备 弹性应变能突然、 快速释放， 并发生岩块剥落、 弹射 甚至抛掷、 突发性的破裂。岩爆是由围岩的岩体强 度、 围岩应力状态、 岩体构造环境、 工程布置和施工 工艺等多种因素综合作用的结果。其中地应力在岩 爆预测中， 占有最重要的位置。因此， 进行围岩岩性 调查和岩体试验， 并进行现场地应力测量是研究围 岩变形破坏机理和制定相应加固处理方案的基本依 据。 钻孔围岩中切向应力和径向应力可用下式计 算 σr 1 2 p q 1 - a2 r2 1 2 q - p 1 - 4a2 r2 3a4 r4 cos2θ, 6 σθ 1 2 p q 1 a2 r2 - 1 2 q - p 1 3a4 r4 cos2θ,7 式中， p为铅直向应力； q为水平向应力； a为钻孔半 径；σr为径向应力；σθ为切向应力； r为应力计算点距 钻孔中心距离。 式 （7） 中， 当ra， θ90时， 可以得到钻孔最大环 向应力σθmax为 σθmax 3q - p.（8） 采用围岩切向应力σθ与岩石单轴抗压强度σc之 比表示岩爆倾向性切向应力指数， 最大主应力σ1与 岩石单轴抗压强度之比σc表示岩爆倾向性地应力指 数， 计算结果见表2。其中， 地应力指数S＜0.15， 无 岩爆； 0.15≤S＜0.2， 弱岩爆； 0.2≤S＜0.25， 中等岩爆； S ≥0.25， 强烈岩爆。切向应力指数T＜0.3， 无岩爆； 0.3≤ T＜0.5， 弱岩爆； 0.5≤T＜0.7， 中等岩爆； T≥0.7， 强烈岩 爆 ［9］。 2019年第12期刘焕新等 深竖井开挖岩爆倾向性多指标预测 53 ChaoXing 3岩爆倾向性评价结果 根据前述测试结果及岩爆倾向性指标计算方 法， 我们将新城金矿新主井附近JCK-1钻孔岩层发 生岩爆倾向性计算结果列出， 见表3。 依据岩爆倾向性各指标分级标准， 对应的岩爆 等级见表4所示。 4结论 以工程地质钻孔岩芯为研究对象， 综合考虑诱 发岩爆的内因和外因， 从岩石力学性质条件、 围岩地 质条件、 围岩应力条件3个角度选取8个评价指标， 对新城金矿新竖井-930 m以下深部井筒开挖岩爆倾 向性进行评价， 主要结论如下 （1） 从单指标评价结果来看， 岩爆倾向性并非随 深度线性增长。各深度水平开挖岩爆危险性真实值 应为受多种因素综合作用的结果。 （2） 总体上看， 新城金矿新主井-930 m以下深度 井筒开挖的岩爆倾向比较大。考虑到岩石样比岩体 的体积小， 节理裂隙较少， 室内试验岩样测得的强度 应该大于岩体的强度， 从岩性条件分析得到的倾向 性分级结果比实际要大， 但从围岩应力条件和围岩 的完整性条件综合分析， 井筒深部开挖需加强岩爆 的防治， 可采用作业面钻孔卸压、 垂直井壁钻孔卸 压、 超强爆破卸压、 柔性让压支护等手段进行岩爆防 治。 （3） 从岩爆倾向性评价结果来看， 不同指标分级 方法所得结果存在一定的差异性， 说明单指标岩爆 倾向性评价方法存在一定的局限性， 应建立更为科 学的综合评价方法。 （4） 工程地质钻孔是工程预研的的重要手段， 应 充分利用钻孔及岩芯开展地应力测试和岩爆倾向性 预测， 为岩爆的防治奠定基础。 参 考 文 献 钱七虎.岩爆、 冲击地压的定义、 机制、 分类及其定量预测模型 ［J］ .岩土力学， 2014， 35 （1） 1-6. 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