高应力超大采空区围岩破裂机理研究_邓鹏宏.pdf

Series No. 481 July2016 金属矿山 METAL MINE 总 第481 期 2016年第 7 期 收稿日期2016- 03- 12 基金项目国家自然科学基金项目 编号 11232014， 51109035 ， 中央高校基本科研业务费专项 编号 N120701001， N120801002 。 作者简介邓鹏宏 1967 ， 男， 经理助理， 高级工程师。 采矿工程 高应力超大采空区围岩破裂机理研究 邓鹏宏 1 崔瑞瑞 2 刘建坡 2 李元辉 2 1． 鞍钢集团矿业公司， 辽宁 鞍山 114004;2． 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室， 辽宁 沈阳 110004 摘要针对红透山铜矿岩爆等地压灾害频发现状， 采用声发射与多点位移计联合监测技术， 对 27 采场 4 分层 边墙和顶板的岩体破裂及变形进行长期监测。通过位移与 AE 事件数的不同分时累计曲线比较发现 ①硬脆性岩体 在强卸荷后， 其释放的变形很小， 而且变形的波动总是先于 AE 事件。根据岩体变形破坏能量释放机制， 围岩变形释 放的应变能决定了岩体耗散能， 而耗散能是导致岩体破裂的直接原因， 所以， 围岩变形是微破裂产生的先决条件。② 岩体微破裂的开裂扩展改变了岩体的内部结构， 在应力场的二次调整过程中， 裂隙不断发育， 直至产生稳定的岩体构 造。为避免硬脆性岩体在高应力强卸荷条件下出现片帮、 岩爆等剧烈破坏， 建议通过增加卸荷瞬时释放变形的方式， 加强岩体应变能的释放， 从而减少耗散能; 同时在爆破开挖后及时支护阻止岩体内部构造的劣化。另外在岩爆多发 地段， 增加布设高精度位移监测设备， 通过卸荷后围岩变形的突变， 对高应力条件下的地质灾害进行预测预报。 关键词岩石力学高应力强卸荷声发射多点位移计 中图分类号TU45文献标志码A文章编号1001- 1250 2016 - 07- 084- 06 Study on the Mechanism of Surrounding Rock Fracture at Large- size Goafs Under High Stress Deng Penghong1Cui Ruirui2Liu Jianpo2Li Yuanhui2 1． Ansteel Mining Company， Anshan 114001， China; 2． Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines， Shenyang 110004， China AbstractAcoustic emission AE events and multiple- point borehole extensometer were employed in the long term mo- nitoring on rock mass deation and fractures of sidewall and roof at the 4 sub- level 27 stope of Hongtoushan Copper Mine， where highly frequent ground pressure disasters occur， such as rock burst． Two observations could be derived from the dea- tion data comparison and different time cumulative curve of AE events ①Initial deation is very small after a strong unloa- ding in hard brittle rock mass， and AE events lags behind the deation occurrence． Release of strain energy in the surround- ing rock affects dissipated energy of rock mass in terms of the energy release mechanism of deation and fracture． The dissi- pated energy is primary factor to result in rock mass destruction， so the deation of surrounding rock is precondition to pro- duce the micro fracture． ②The internal structure of the rock mass has been changed due to the propagation of micro crack． In the secondary adjustment process of the stress field， fractures keep growing until generating a stable rock mass structure． There- fore， to avoid from spalling and rock burst in the hard brittle rock under high stress， an approach of increasing deation in transient deation of surrounding rock is suggested， which leads to improve the release strain energy of surrounding rock and hence reduce dissipated energy; Meanwhile， degradation on the internal structure of the rock mass can be prevented through setting up support system timely after excavation． Furthermore， in the field where rock burst frequently occurs， more displace- ment monitor equipments is suggested to lay out． Geological disasters under high stress could be forecasted by means of monito- ring the sudden deation of the surrounding rock after unloading． KeywordsRock mechanics， High stress， Strong unloading， Acoustic emission， Multiple- point borehole extensometer 深埋岩体在开挖、 开采等强卸荷扰动下， 极易诱 发片帮、 岩爆、 大体积塌方等工程地质灾害 ［1- 6 ］。如红 透山铜矿， 在 2002 年以前零星发生岩爆现象， 而后随 着开挖深度的增加， 岩爆发生频率逐年升高， 2008 年 就达到 20 多次， 而进入 2010 年后， 随着开挖深度接 近地下 1 000 m， 采场巷道出现应力性破坏的次数与 强度更是明显增加， 这些已经成为制约该矿山安全开 采的首要灾害。为此， 东北大学深部金属矿山安全开 48 ChaoXing 采研究中心联合武汉岩土力学研究所与抚顺红透山 矿业公司， 在红透山 27 采场建立了“深地开采过程 实验室” ， 该实验室对深埋强卸荷条件下硬脆性岩体 的破裂过程进行长期监测， 以探寻深部矿体开采过程 中深部工程地质灾害形成的诱因， 为我国深部金属矿 山的减灾避灾与预测预报提供理论依据。 1红透山 －707 m 中段 27 采场概况 抚顺红透山铜矿是国内金属矿业中地下开采较 深的矿井之一， 矿区岩体以片麻岩为主。目前开采深 度已经达到 900 ～1 100 m， 伴随着开采深度的增加， 巷道和采场的岩体破坏为安全、 高效的开采工作带来 了诸不确定因素。为此， 在 2007 年2011 年期间， 赵兴东 ［7 ］、 刘建坡等［8 ］先后在红透山多个采场布设 传感器， 建立深部金属矿山微震监测系统， 对深部地 压活动规律进行连续监测， 捕捉由地压活动引起的微 震活动信息， 并实现微震源定位， 为高应力硬脆性岩 体破裂机理研究做了大量前期基础性工作。 该矿 －707 m 中段岩体破坏方式如图 1 所示。 图 1 －707 m 中段岩体破坏方式 Fig． 1Rock failure modes in －707 m level －707 m 中段 27 采场的开采深度为 1 137 m， 是 目前红透山铜矿开采面积最大的采场， 设计矿量 16. 7 万 t， 采用水平上向分层充填法回采， 分层回采 高度 3 m， 采场暴露面积 2 400 ～3 000 m2， 是深部采 区的典型采场。目前已经开采 3 个分层， 拟回采第 4 分层。27 采附近的采场为 19 采 ～26 采， 采用嗣后充 填阶段矿房法回采。其周边的 16、 17、 18、 20、 22、 24 与 26 采已经完成回采及充填工作， 详见图 2。 根据地应力测试结果， 该采场的地应力达到 50 MPa 以上 ［9 ］， 以至于在采场巷道开挖过程中， 采场围 岩出现了大量的片帮、 鼓帮、 冒落等现象， 采场预留矿 柱也出现了竖向裂纹， 并且现场工人反映落矿后围岩 内部有明显的岩体破裂的“啪啪” 声响。 为此， 拟通 图 2 －707 m 中段 27 采平面 Fig． 2Plan of 27 stope in middle section of －707 m level 过对 27 采场的地压活动监测， 研究高应力脆性岩体 破裂导致的地质灾害的原因。 2现场多手段监测 深埋高应力硬脆性岩体破坏的孕育往往是岩体 内部微裂隙形成、 扩展、 开裂直至贯通的过程， 在此过 程中， 伴随着岩体宏观变形的变化， 并最终产生片帮、 冒顶与垮塌， 甚至岩爆等工程灾害现象。为此， 东北 大学深井中心将观测岩体内部微破裂的实时监测手 段与位移静态观测方法相结合， 探寻岩体内部微裂隙 形成与表观变形之间的内在联系， 研究岩体微破裂发 生的机理， 为减少或者预防岩爆发生次数与破坏程度 提供理论依据。 在深地开采过程实验室内布设了多种宏观与微 观监测设备， 其中主要采用多点位移计、 声发射与微 震等监测设备对岩体的破裂机理进行研究。深地开 采过程实验室的监测方案参见图 3， 图中数字表示岩 体开采顺序， A、 B 分别为预先开采区， C 区为隔离矿 柱， D 区为出矿口的尾采区。 图 3 －707 m 中段监测手段 Fig． 3Monitoring means in middle section of －707 m level 2． 1多点位移计 多点位移计采用分布式数据采集单元， 内部集成 了多点位移计数据采集、 分析模块， 具有自动数据采 集、 预设采集频率及周期、 数据存储传输功能， 并且利 用光纤将井下数据直接反馈到东北大学深井中心， 实 58 邓鹏宏等 高应力超大采空区围岩破裂机理研究2016 年第 7 期 ChaoXing 现远程实时监控， 使得对数据的分析及时准确。本次 研究中多点位移计共设置 5 个传感器测点， 这 5 个测 点沿钻孔布置于孔深 15、 14、 13、 12、 1 m 处， 各传感器 测点所得的变位值即为测点所在处围岩变位值， 多点 位移计与采场的空间位置参见图 4。 图 4 －707 m 中段多点位移计 Fig． 4Multiple- point borehole extensometer in middle section of - 707 m level 2． 2声发射 本次声发射监测采用 DISP 声发射测试系统， 该 系统包括传感器、 前置放大器、 声发射采集卡、 主机系 统 和处理软件、 采集系统。 为了监测27采场4分层 落矿过程中， 边墙与顶板的地压活动规律及墙体破裂 情况， 声发射传感器均布置在四平台和五平台之间的 斜坡道中。该声发射设备含 9 个传感器， 由于声发射 传感器的固有频率较高， 为了防止高频信号衰减快带 带的定位精度低的缺点， 声发射传感器采用集中布置 的方式， 且全部布置在斜坡道中段， 每组传感器的间 距为 8 m， 共设置 3 组如图 5 所示。而且利用远程传 输模块与互联网， 将井下监测数据通过 Internet 网络 下载至东北大学远程微震监测中心， 这样方便监测数 据的处理与及时分析。 图 5 －707 m 中段声发射 Fig． 5Acoustic emission AE in middle section of －707 m level 3开采期各监测信息的比对分析 3． 1多点位移计监测结果 红透山27 采4 分层从1 月11 日开始， 至1 月19 日完成了采区主要 8 块矿体的开采工作， 开采期间多 点位移计的变化曲线见图 6。 图 6变形曲线 Fig． 6Deation curves ◆15 m 处;■14 m 处;▲13 m 处;●12 m 处;1 m 处 68 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing 多点位移计的变形曲线显示， 在 11 日13 日期 间， 由于 1、 3 采区域临近变形监测点， 围岩的变化相 对较为活跃， 变形值最大幅度约为 0. 02 mm。当开采 作业远离监测点时， 多点位移计的变化逐渐趋于平 缓。19 日集中落矿结束后， 采场围岩的总体变形较 小， 基本上在 0. 1 mm。由图 6 可见 1 在高应力强卸荷状态下， 硬脆性岩体的变形 是极其微小的， 难以通过肉眼或精度较低的位移收敛 仪进行观察监测。但在小变形情况下， 硬脆性岩体便 可以发生片帮等微破坏， 因此深埋高应力采场岩体的 破坏往往是没有任何宏观征兆的， 具有一定的突发 性， 难以预防， 例如斜坡道顶板一些大块岩体的掉落， 参见图 1 c ， 由于该区域没有作业人员的通行， 因此 没有对生产与安全造成影响。 2 27 采围岩的变形主要集中在每天 16 00 的 大爆破之后， 爆破后 30 min 内， 岩体变形进入相对稳 定阶段， 表明高应力强卸荷情况下硬脆性岩体变形的 时效性不强， 而且变形的累计曲线也进一步证明硬脆 性岩体的变形在卸荷后随即收敛稳定 19 日以后岩 体不再发生变形 。 3 对不同深度多点位移计变化值进行比较发 现， 巷道与采场两端的多点位移计变化更为明显， 其 中巷道一侧变形的波动最为显著， 而且高应力产生的 岩体破坏也较为严重， 多处产生的片帮现象是不断向 岩体内部发展的， 初步分析认为是由于采场开采后应 力场的分布与斜坡道围岩经受的二次扰动引起的。 3． 2声发射监测结果 集中开挖落矿期间的大爆破时间集中在下午 16 00左右， 此时为矿山工人交接班时间段， 并且现场 人员与设备必须于 15 30 前撤离采场， 期间停止一切 作业， 直至 17 00 时才允许工作人员进入采场。因此 16 0017 00 是干扰信号最少的时间段， 避免了噪 声、 开挖等人为活动信号对监测工作的影响， 有利于 信号的捕捉与定位， 而且提高了监测信息的准确性。 图 7 为 1 月 12 日1 月 19 日声发射事件在 15 3018 00 时间段内的分布图。声发射信号率采用 每隔 5 min 计数。从图 7 可以发现 在爆破开挖前， 岩体微破裂活动较为平静， 而爆破开挖后， 声发射活 动突增， 随着岩体卸荷后活动趋于稳定， 声发射活动 也趋于平静。以声发射信号率背景活动性 100 个 每 5 min 间隔 为集中， 大爆破期间声发射信号率恢 复到背景活动性的时间大致在 60 min 左右， 而 1 月 13 日恢复到背景活动性的时间为 120 min。这主要 是由于高频信号衰减较快， 当距离较远时， 大部分信 号传递到声发射传感器时已经衰减到极低的水平， 未 能被传感器监测到。因此 1 月 13 日监测信息的规律 性更具有研究价值， 利于岩体微破裂的理论分析。 图 8 为爆破开挖后声发射事件的空间分布图， 通 过空间定位可知， 岩体破裂所产生的声发射信号多出 现在采场与斜坡道之间的边墙中， 有少部分信号出现 在采场的顶板内， 尤其 1 月 13 日距离声发射传感器 最近的一次落矿， 斜坡道附近围岩内部的破裂尤为突 出， 这与现场监测到斜坡道表面变形波动较大， 片帮 与鼓帮的破坏严重的现象完全一致。 3． 3岩体内部破裂与其宏观变形的关联 1 将声发射事件每天的 AE 累积数与多点位移 计每天的累积变形进行对比， 结果见图 9， 可以发现 岩体开挖强卸荷后， 声发射事件数与围岩变形都会有 一定突变， 而且围岩变形的突变总是先于声发射。根 据谢和平院士提出的岩体变形破坏能量释放机制， 认 为开采落矿过程中， 岩体瞬时释放的变形就是岩体释 放的应变能， 该能量与岩体瞬时释放的变形成正比关 系; 而声发射监测到的岩体微破裂信号， 就是岩体内 耗散能的表象。 由于岩体内储存的总能量是一定值， 所以耗散能 释放多少完全取决于岩体释放的应变能， 参见图 10。 因此为了降低耗散能的释放， 可以适当增加岩体瞬时 释放的应变能。我国最深的水工引水隧洞 锦屏二 级电站 在施工过程中， 通过现场的反复实验发现， 利用钻爆法开挖导洞， 释放岩体的应变能， 再利用 TBM 微扰动开挖可以有效避免岩爆的发生 ［10 ］。这种 实验结果与本研究规律基本一致。 另外， 监测结果也表明耗散能的释放总是滞后于 应变能的释放， 因此以岩体开裂、 片帮、 岩爆与塌落等 方式释放的耗散能往往滞后于开挖， 导致深埋强卸荷 工程灾害具有时滞性， 而滞后的时间与耗散能释放强 度则取决于地应力、 岩体性状与地质条件等。 2 以最靠近监测点 13 日大爆破为例， 当天爆 破前后的声发射事件与多点位移计分时累积曲线对 比表明， 大爆破后围岩的变形随即出现且马上收敛， 并没有持续变形， 而岩体的声发射事件在爆破后大量 出现， 并持续发生， 直至 2 h 后才趋于稳定， 说明耗散 能的释放是不断破岩的过程， 即微裂隙不断萌生发育 的过程。而微小裂隙的出现改变了岩体的内部结构， 在应力场的调整过程中， 应力集中区域不断转移， 导 致新生裂隙不断出现， 岩体内部结构也相应发生变 化， 这一过程是一个“变形开裂变形” 不断寻找 平衡边际的过程。因此片帮、 岩爆、 塌方等地质灾害 往往都具有延续性 ［11 ］。 78 邓鹏宏等 高应力超大采空区围岩破裂机理研究2016 年第 7 期 ChaoXing 图 7爆破开挖后声发射信号时间统计 Fig． 7AE signals temporal distribution after excavation by blast 图 8爆破开挖后声发射事件空间分布 Fig． 8AE events spatial distribution after excavation by blast 3 根据以上规律， 本研究认为为避免深埋硬脆 性岩体开挖过程中出现岩爆与大范围塌落等高应力 地质灾害， 应适当增加岩体开挖后瞬时的变形， 而且 开挖结束后， 要及时布设锚杆、 锚索与钢筋混凝土衬 砌等支护手段， 降低应力场与能量场调整过程中耗散 能的释放， 从而避免产生高地压诱发的工程灾害。 4 根据监测获得的地压活动规律， 应该在岩爆 等地质灾害多发地段加强位移监测， 通过开挖后位移 的变化幅度， 为岩爆、 冒落发生的等级进行预测预警。 图 9围岩变形与声发射事件数曲线 Fig． 9Curves of surroudning rock deation and AE events ▲15 m 处;■14 m 处;13 m 处; ●12 m 处;1 m 处;◆AE 率 88 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing 图 10能量耗散和可释放应变能的量值关系 Fig． 10Relationship between dissipated energy and releasable energy Ud受力过程中的耗散能或称耗散功; Ue单位体积内存储的可释放弹性应变能 4结论 通过对红透山 27 采 4 分层集中落矿期间围岩的 微观破裂与宏观变形的长期观测发现， 高应力强卸荷 后， 岩体瞬时释放的变形是岩体内部裂隙发生的先决 条件， 同时它也决定岩体内部耗散能释放的多少。虽 然硬脆性岩体瞬间释放的弹性变形很小， 但是它能够 从能量释放的角度， 揭示高应力强卸荷条件下岩体的 破裂机理。因此如何利用该指标从定量角度出发， 预 测预报岩爆等工程地质灾害的发生是值得深入研究 的课题。 参考文献 ［ 1］吴世勇， 王鸽． 锦屏二级水电站深埋长隧洞群的建设和工程 中的挑战性问题［ J］ ． 岩石力学与工程学报， 2010， 29 11 2161- 2171． Wu Shiyong， Wang Ge． Challenge issues in construction and project of large- scale deep- buried tunnel group of Jinping Ⅱ Hydropower Station［J］． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2010， 29 11 2161- 2171． ［ 2］陈炳瑞， 冯夏庭， 曾雄辉， 等． 深埋隧洞 TBM 掘进微震实时监测 与特征分析［J］． 岩石力学与工程学报， 2011， 30 2 275- 283． Chen Bingrui， Feng Xiating， Zeng Xionghui， et al． Real- time micro- seismic monitoring and its characteristic analysis during TBM tunne- ling in deep- buried tunnel［J］ ． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2011， 30 2 275- 283． ［ 3］杨志国， 于润沧 郭然， 等． 基于微震监测技术的矿山高应力区 采动研究［J］． 岩石力学与工程学报， 2009， 29 S2 3632- 1937． Yang Zhiguo， Yu Runcang， Guo Ran， et al． Research of mining based on micro- seismic monitoring technology in high- stress area［J］． Chi- nese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2009， 29 S2 3632- 1937． ［ 4］谢学斌， 冯涛， 潘长良， 等． 大型深埋有岩爆倾向矿床采场结 构的优化研究［J］． 矿业工程， 2001， 21 1 10- 15． Xie Xuebin， Feng Tao， Pan Changliang， et al． Optimization study of stope structure parameters of large- scale deep deposit prone to rock- burst［J］． Mining and Metallurgical Engineering， 2001， 21 1 10- 15． ［ 5］杨承祥， 罗周全， 唐礼忠． 基于微震监测技术的深井开采地压活 动规律研究［J］． 岩石力学与工程学报， 2007， 26 4 818- 824． Yang Chengxiang， Luo Zhouquan， Tang Lizhong． Study on rule of ge- ostatic activity based on micro- seismic monitoring technique in deep mine［J］． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2007， 26 4 818- 824． ［ 6］李庶林， 尹贤刚， 郑文达， 等． 凡口铅锌矿多通道微震监测系统 及其应用研究［J］． 岩石力学与工程学报， 2005， 24 12 2048- 2053． Li Shulin， Yin Xiangang， Zheng Wenda， et al． Research of multi- channel micro- seismic monitoring system and its application to Fank- ou Lead- zinc Mine［J］． Chinese Journal of Rock Mechanics and En- gineering， 2005， 24 12 2048- 2053． ［ 7］赵兴东， 石长岩， 刘建坡， 等． 红透山铜矿微震监测系统及其应 用［J］． 东北大学学报 自然科学版， 2008， 29 3 399- 402． Zhao Xingdong， Shi Changyan， Liu Jianpo， et al． Micro- seismic moni- toring system establishment and its application to Hongtoushan Cop- per Mine［J］． Journal of Northeastern University Natural Science， 2008， 29 3 399- 402． ［ 8］刘建坡， 李元辉， 赵兴东， 等． 微震技术在深部矿山地压监测中 的应用［J］． 金属矿山， 2008 5 125- 128． Liu Jianpo， Li Yuanhui， Zhao Xingdong， et al． Application of micro- seismic technique in monitoring ground pressure in deep mines［J］． Metal Mine， 2008 5 125- 128． ［ 9］石长岩． 红透山铜矿深部地压及岩爆问题探讨［J］． 有色矿冶， 2000， 16 1 4- 8． Shi Changyan． Study and discussion on deep rock burst of Hongtous- han Copper Mine［J］． Non- Ferrous Mining and Metallurgy， 2000， 16 1 4- 8． ［ 10］张照太， 陈竹， 陈炳瑞． 大直径 TBM 通过深埋强岩爆洞段的 岩爆防治方法［J］． 煤炭学报， 2011， 36 S．2 431- 435． Zhang Zhaotai， Chen Zhu， Cheng Bingrui． TBM construction in the large over burden and intensive rock burst zone［J］． Journal of China Coal Society， 2011， 36 S．2 431- 435． ［ 11］章奇锋， 周春宏， 周辉， 等． 锦屏Ⅱ水电站辅助洞岩爆灾害评 价及对策研究［J］． 岩土力学， 2009， 30 S2 422- 426． Zhang Qifeng， Zhou Chunhong， Zhou Hui， et al． Research on rock burst estimation and control measures for auxiliary tunnels in Jin- pingⅡHydropower Station［J］． Rock and Soil Mechanics， 2009， 30 S2 422- 426． 责任编辑徐志宏 98 邓鹏宏等 高应力超大采空区围岩破裂机理研究2016 年第 7 期 ChaoXing