地下金属矿诱导致裂理论与工程实践.pdf

中图分类号婴墨鱼 U D C 硕士学位论文 学校代码 Q 三三 密级垒珏 地下金属矿诱导致裂理论与工程实践 I n d u c e d f r a c t u r et h e o r ya n de n g i n e e r i n g p r a c t i c eo f u n d e r g r o u n dm e t a lm i n e 作者姓名马驰 学科专业矿业工程 研究方向矿业工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师赵国彦教授 副指导教师 论文答辩日期2 坚』兰答辩委员 中南大学 2 0 1 3 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名曼丝日期型 三年』月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名导师签 中南大学硕士学位论文 摘要 地下金属矿诱导致裂理论与工程实践 摘要人类对岩体工程进行的一系列的工程活动，这些工程活动势必 要影响或破坏岩体的应力平衡状态，造成地应力的重分布，如果不能 合理利用和控制应力重分布，势必造成岩体位移、失稳、崩落、垮塌 等一系列不可修复性的破坏。事物都有它的两面性，本文从辩证角度 出发，高应力可以诱发灾害，也可以被正确利用用以破岩，因此本文 针对高应力矿岩诱导致裂问题作了以下研究 1 结合岩石岩体卸荷破坏规律及特征，运用断裂力学理论推 导二次开挖后围岩破裂损伤深度及破坏范围。 2 分析顶板失稳的结构力学特征，结合矿岩爆破致裂技术， 提出了矿岩致裂爆破与崩落法相结合的诱导致裂崩落采矿思路，归纳 了围岩诱导致裂崩落的三个基本条件破坏条件，临空面条件，平衡 条件。 3 在诱导致裂崩落采矿思路的基础上，设计了多分段诱导致 裂崩落采矿方案，通过对设计方案的开采顺序及开挖的模拟发现人 为调整上下分层各矿块的开采顺序，可控制二次开挖产生的集中应力 方向，将其转化为预破坏力对矿块进行致裂破坏。 4 组织了采矿方案施工，通过布置上下分层各矿块开采顺序， 人为控制集中应力转移，并采用诱导致裂爆破技术，控制矿块自然崩 落，达到了良好的效果。大大节约了开采成本，提高了矿山生产效率。 关键词诱导致裂卸荷破坏；岩体力学；数值模拟；诱导工程布置； 集中应力 分类号T D 8 6 3 I I 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T 一_ ●_ _ ●，一 I n d u c e d - f r a c t u r et h e o r ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c eo f m e t a lm i n e A b s t r a c t s e r i e so fr o c ke n g i n e e r i n ga c t i v i t i e si sb o u n d t oa f f e c to rb r o k e nt h er o c k m a s ss t r e s sb a l a n c e ，c a u s i n gt h er e d i s t r i b u t i o no ft h eg r o u n ds t r e s s ．I ft h es e c o n dg r o u n ds t r e s sc a l ln o tb er e a s o n a b l yc o n t r o l l e da n d u t i l i z e d ，t h er o c km a s sw i l li n e v i t a b l yr e s u l t e di ni n s t a b i l i t y , d i s p l a c e m e n t ，c o l l a p s ea n d as e r i e so fr e p a i r a b l ed a m a g e ．E v e r y t h i n gh a si t st w os i d e s ． F r o mad i a l e c t i c a lp e r s p e c t i v e ，h i 曲s t r e s sc a ni n d u c e dd i s a s t e r s ，C a na l s o b ep r o p e r l yu t i l i z e df o rt h er o c kb r e a k i n g ．F o rt h ep r o b l e mo fh i g hg r o u n d s t r e s si n d u c e df r a c t u r e ，t h i sp a p e rm a d et h ef o l l o w i n gr e s e a r c h 1 A c c o r d i n g t ot h er o c ku n l o a d i n gf a i l u r e r e g u l a r i t y a n d c h a r a c t e r i s t i c s ，u s i n gf r a c t u r em e c h a n i c st h e o r y , t h er o c kd e p t h o fd a m a g e a n dt h ee x t e n to fd a m a g ew e r ed e d u c e du n d e rs e c o n d a r ye x c a v a t i o no f b r o k e n ． 2 A n a l y s i so ft h er o o fi n s t a b i l i t yo ft h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m b i n e dw i t ho r ea n dr o c kb l a s t i n gf r a c t u r i n gt e c h n i q u e ， o r e b e a t i n gr o c ki sp u tf o r w a r dt ot h eb l a s t i n ga n dc a v i n gi n d u c e dc r a c k c a v i n gm i n i n gm e t h o d ．T h ei n d u c e dc r a c ko fs u r r o u n d i n gr o c kc a v i n go f t h et h r e eb a s i cc o n d i t i o n s d a m a g ec o n d i t i o n ，a i r p o r ts u r f a c ec o n d i t i o n s a n de q u i l i b r i u mc o n d i t i o n sa r ei n d u c t i v e ． 3 O nt h eb a s i so ft h ei n d u c e dc r a c kc a v i n gm i n i n gi d e a ，m o r e s e g m e n t e di n d u c e dc r a c kc a v i n gm i n i n gp l a nw a sd e s i g n e d ．T h r o u g ht h e s i m u l a t i o no fd e s i g np l a no fm i n i n gs e q u e n c ea n de x c a v a t i o n ，t h e c o n c l u s i o n sw e r ed i s c o v e r e d ．a r t i f i c i a l l ya d j u s t i n gt h em i n i n gs e q u e n c eo f u p p e ra n d1 0 w e rl a y e r so r e b l o c kC a nc o n t r o l 血ed i r e c t i o no fc o n c e n t r a t e d s t r e s s ．T h i sc o n c e n t r a t e ds t r e s si su s e dt op r eb r e a kc r o c ka sp r e l i m i n a r y d e s t r u c t i v ep o w e r ． 4 T h i sp a p e ro r g a n i z e dt h ec o n s t r u c t i o no f t h em i n i n gp r o g r a m ．I t a c h i e v e dg o o dr e s u l t sb ya r r a n g i n gt h em i n i n gs e q u e n c ei nu p p e ra n d l o w e rl a y e r s ，t r a n s f e r r i n gc o n c e n t r a t e ds t r e s st h r o u g ha r t i f i c i a lc o n t r o l ， u s i n gt h eb l a s t i n gt e c h n o l o g yo f i n d u c t i o nt of r a c t u r ea n dc o n t r o l l i n gt h e n u g g e ta v a l a n c h i n gn a t u r a l l y ．I ts a v e dm i n i n gc o s t sg r e a t l ya n di m p r o v e d T I T 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T m i n e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ． K e yw o r d s I n d u c e d - 胁c t u r e ；u n l o a d i n gf a i l u r e ；r o c km e c h a n i c s ； N u m e r i c a lS i m u l a t i o n ；I n d u c e de n g i n e e r i n g ；C o n c e n t r a t e ds t r e s s C l a s s i f i c a t i o n 邢D 8 6 3 I V 中南大学硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅱ 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．i 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2研究背景与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．3 ．1 诱导致裂、诱导崩矿研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．2 高应力围岩卸荷损伤及裂隙发育规律研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2破碎岩体应力卸荷损伤规律研究及断裂力学推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1岩体屈服与破坏特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 卸荷岩体力学特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3岩体卸荷的变形破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 ．1 岩石卸荷变形破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 ．2 开挖卸荷岩体变形破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 6 2 ．4 岩石卸荷损伤的断裂力学推导演算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．4 ．1 岩石卸荷下破碎岩体的断裂力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 7 2 ．4 ．2 巷道开挖的应力扰动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 8 2 ．4 ．3 围岩断裂破坏的判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 2 ．4 ．4围岩弱变及强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．4 ．5 压剪力作用下裂纹延展深度的讨论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 3 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3诱导致裂技术研究与应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 顶板结构稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 ．1 矿房项板围岩失稳的力学原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．1 ．2 顶板破断的结构力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 3 ．2 矿岩爆破致裂技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 ．1矿岩损伤及致裂成缝机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．2 ．2 致裂孔裂纹扩展过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．2 ．3 影响爆破致裂成缝的因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 3 ．3 致裂爆破与崩落法相结合的诱导致裂崩落技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 i 中南大学硕士学位论文目录 3 ．3 ．1诱导致裂崩落技术的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 3 ．3 ．2 诱导致裂崩落的基本条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 8 3 ．3 ．3 诱导致裂崩落工程实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 9 3 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4分段诱导致裂崩落采矿数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．1数值模拟方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2计算模型与参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．2 ．1矿岩及充填料参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．2 ．2计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 4 ．3开挖顺序及开挖方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．3 ．1 开挖顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．2开挖方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4数据处理及模拟结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．4 ．1数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．4 ．2有效应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 4 ．4 ．3最大主应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．4 ．4 水平位移⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 诱导致裂工程实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1海南抱伦金矿矿床概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．1 ．1 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．1 ．2矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 7 5 ．1 ．3开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．2诱导致裂崩矿工艺应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．2 ．1诱导致裂崩矿方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 9 5 ．2 ．2采矿方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 5 ．2 ．3普通矿块凿岩爆破设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．2 ．4致裂孔凿岩爆破设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 3 5 ．3诱导致裂崩落施工技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．4诱导致裂崩落采矿效果分析与改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．4 ．1效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 5 ．4 ．2存在的问题与改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 中南大学硕士学位论文目录 6 ．1全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 6 ．2建议与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 致1 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 中南大学硕士学位论文绪论 l 绪论 1 ．1 前言 随着社会的进步和科技的发展，能源与资源逐渐耗竭，人类社会对矿产资源的 需求程度更加明显，尤其在不可再生资源中，人类对其需求量增大与资源枯竭的矛 盾日益凸显。经过改革开放3 0 余年的发展，我国经济快速发展，预计在2 0 1 0 年， 我国的国民生产总值将超过日本，跃居世界第二。伴随着经济的快速发展，矿产资 源也被大量消耗，据统计，2 0 0 9 年我国的原煤、钢铁、水泥以及十种有色金属的产 量分别达到3 0 ．5 亿t 、5 ．6 7 8 4 亿t 、1 6 ．7 亿t 和2 6 8 1 万t 。在今后一个较长的时期内， 矿产品的需求仍将保持上升的态势，势必对我国矿产资源保障能力、开发方式和开 采技术带来巨大的压力，对采矿科技人员提出新的更高的要求。 人类的采矿活动是在一个相对静止和稳定的平衡状态下对岩体工程进行的一系 列的工程活动，这些工程活动势必要影响或破话岩体的应力平衡状态，造成地应力 的重分布，这种应力的重新分布也必将使原有的井下工程和活动发生改变。比如造 成岩体位移、失稳、崩落、垮塌，如果分布后的应力超过岩体的极限强度时，就有 可能引起地下工程的不可修复性破坏。当这种采矿活动持续向深部发展时，会改变 一定地质区域的应力分布，诱发新的应力平衡。如果人类能够正确合理利用这些应 力改变，人为建构或改变地应力的分布，在这些重新分布的有效应力的基础上进行 安全高效的开采活动，这是一种新的开采思路及对地矿领域进行的新的探索。 在宏观角度上，这种在高地应力或相对高地应力基础上人为建构或改变一定区 域地应力的思路是也可符合了古德生院士所提出的开采环境再造概念。古德生院士 所提出的开采环境再造开采方法即采用胶结材料在所开采矿段周围构筑一个开放或 封闭的结构，在这种相对安全的结构下进行矿床的集中开采。深部岩石自身具有很高 的能量，利用高原岩应力有可诱变成有利因素的思路，将高地应力可产生岩爆、热 害、高孔隙水等特征同深部破岩致裂机理相结合，利用岩石自身的能量实现诱导崩 落，是深井采矿技术一条新的技术思路。 在微细观角度上，国内外学者对岩石破坏的宏观破坏与微细观破坏机理做了大 量研究，并取得了可喜的进展。总结起来可知，岩石 体 的多变的力学行为与岩石的 矿物组成和组构，与岩体的断续性、非均匀性、各向异性有关外，还与岩体的地质 发展历程及演化历程有关。因此，研究岩石的力学行为及活动是一件复杂而有意义 的事，也是现阶段岩石力学研究的重要课题。近年来，我国学者引入断裂力学和损 伤力学，拓展对岩石力学的研究方法，随着课题逐渐深入的研究，众多学者从岩石 内部的微细观结构入手，运用理论与实验相结合的研究方法，分析岩体工程的宏观 破坏机制，并成为了新的科研分支和研究热点。目前，岩石微细观破裂的的理论分 1 中南大学硕士学位论文绪论 析主要以断裂力学和损伤力学为主，细观分析主要以岩石试件室内试验并借助细观 损伤监测设备与技术进行分析。 然而人们在研究高地应力开采问题时，更多研究者是立足与高地应力开采有关 的“三高一扰动”诱发的工程灾害，其多是针对岩爆机理和灾害预警的研究。然而， 事物都有它的两面性，高应力可以诱发灾害，也可以被正确利用用以破岩【l J 。在深井 开采中，坚硬矿岩出现的好“好凿好爆”现象给人们重要启示，这种现象就是高应 力所致。在矿床开采过程中，能否改变传统落矿模式，利用高地应力或相对高地应 力蕴藏的高能量对矿岩进行破岩致裂，并通过一定技术或工艺对能动的控制这种能 量释放，以达到控制矿石块度、崩落范围等目的。这是对开采工艺一种新的挑战， 对其思路的新颖、技术的先进应给予重视，并且能够创造一种安全、高效的矿床开 采新工艺。 1 ．2 研究背景与研究意义 本文研究以国家重点项目和院科研方向为支撑平台，并结合工程实际进行开题， 运用理论联系实际的方式，力求深部矿岩开采理论创新，为深部矿岩和高地应力矿 岩的开采提供技术支撑。 1 国家重点科技攻关项目高应力硬岩矿床非爆连续开采理论与技术的基 础研究。 2 中南大学硕士生学位论文创新资助项目一一“空场法低贫损开采技术及采 场稳定性研究”。 3 海南山金抱伦金矿立项项目“多类型复杂矿床综合开采技术研究”。 随着我国对资源需求量的增加以及矿山开采条件的日益恶化，传统意义的破岩 理论及开采工艺己不能满足对深部资源及难采资源的开采。另外，在激烈的市场竞 争下，如何实现安全、高效、经济的开采，把深部资源及特殊条件下的矿产资源开 采出来，使金属矿产资源满足国家经济需求并且确保企业的健康持续发展，也成为 我国乃至世界矿业特别关注的问趔1 ，2 1 。 根据国家重点科技攻关项目一一高应力硬岩矿床非爆连续开采理论与技术的基 础研究，结合矿山开采逐步向深部发展的而造成的一系列深部开采的现实，在矿产 资源形势不容乐观的大环境中，如何最大程度回收矿产资源减少贫化损失，创新设 计安全高效采矿技术，并对诱导致裂、诱导破碎相关基础理论进行研究是每一个矿 产工作者应努力的方向。 立足海南山金抱伦金矿多类型复杂矿床综合开采工程。海南山金矿业有限公司 抱伦金矿是海南省新近发现的大型破碎蚀岩型金矿床，属于急倾斜的矿床。并在脉 金型矿床中发现了厚大破碎矿体，矿体由含金石英脉和含金蚀变岩组成。含金石英 中南大学硕士学位论文绪论 脉界线清楚，含金蚀变岩与围岩千枚岩界线不清。矿体多呈脉状、似透镜状、透镜 状，赋存于与其产状基本一致的含矿破碎带中，矿体长度7 0 ～1 2 4 0 m ，厚度l g m ， 属于不稳定类型。矿体平均品位1 ．0 0 - - 一2 9 ．3 0 9 ／t ，品位变化极大。厚大矿体上部数百 米范围矿段一直采用之字形空场法开采，且伴有大量民采，形成了上下数百米、长 达整个矿体长度的采空区，在这些采空区中，既尚存有位置不详的高品位残矿资源， 其品位高达2 0 9 ／t ～4 0 9 ／t 。另外这些采空区数量大，上下连通，范围8 0 0 0 0 m 3 ，是矿 山下部开采重大安全隐患。对于厚度大于7 m 以上的低品位破碎矿体，由于作业安全 性差，成本高，现有采矿方法与支护措施已经不能适应矿体的开采，必须寻找安全、 高效、经济的采矿方法。 有鉴于此，针对这种非常规地应力和地质环境条件下的矿床，为解决抱伦金矿 存在的技术难题，结合抱伦金矿井下生产实际，开展诱导致裂、诱导崩矿的技术研 究。相关研究是基于前人理论研究的基础上，针对抱伦金矿开采具体问题开展相关 研究工作并结合诱导致裂、诱导崩落机理研究结果，一方面对揭示地下复杂矿床岩 石在动载荷施加后的破碎过程与能量耗散过程，另一方面，利用岩石破裂过程的理 论、实验和运用各种应力分析方法为工程实践提供指导，也是本论文研究的意义之 1 ．3 国内外研究现状 1 ．3 ．1 诱导致裂、诱导崩矿研究现状 矿石的损伤、断裂、崩落和垮落在不同的围岩应力、工程结构及围岩条件下表 现的结果并不相同。对于诱导致裂机理的研究，主要有两种理论，高应力条件下硬 岩致裂机理和动静荷载耦合破岩机理。 对于高应力条件下硬岩致裂机理的研究，分为两种情况一是高应力在硬岩致 裂中的作用。高应力条件下，岩石的内部原有的位错、裂隙及不连续面发生扩展， 致使岩石性质不断下降恶化，当这种恶化程度达到一定程度超过材料极限后，岩石 将发生弱化流变破坏或突发产生岩爆灾害。当高应力作用于岩石上时，岩石有两种 表现，一是高应力并未超过岩石的弹性极限。在相同的扰动能量下，高应力岩石产 生的扰动效果要比低应力产生的效果明显的多，高应力扰动条件下，裂纹扩展速度 快，数量大，新生裂纹数量大大增加，旧裂纹损伤严重，此种条件下即提高了扰动 能量利用率【3 ”J 。此种理论不仅应用在深井开采中，在适合应力相对集中的空区条件 下开采。例如，厂坝铅锌矿由于乱采乱挖造成大量空区存留，造成应力分布不均， 集中程度较高，为安全有效的开采空区下矿房，在高应力下采用爆破微震落矿，既 保持了空区稳定性，也提高了生产效率，降低了生产成本。另外，若围岩应力控制 中南大学硕士学位论文绪论 不当，高应力可造成深部开采岩爆。随着金属矿山开采深度逐年递增，深部开采中 的岩爆事故越来越严重，我国部分矿山也发生过类似由于应力过高导致井下围岩突 发性爆裂崩落，造成的人员伤亡及财产损失。我国金属矿山较早发生过岩爆的有湖 南锡矿山、江西盘古山、东北杨家杖子、石嘴子铜矿，以及金 t l - - 矿区、红透山铜 矿、铜陵冬瓜山铜矿【5 ，6 1 。高应力作用于岩石上第二种表现为材料的弱化，此种情况 高应力已经超过围岩的极限弹性应力，岩石内部的微裂隙扩展导致材料宏观属性降 低，强度降低，由于裂纹密布容易使能量耗散，大大降低了能量利用率。 对于高应力硬岩开挖释放能量与致裂机理的研究，主要停留在理论阶段。围岩 在开挖过程中，会产生应力的集聚、转移、释放，伴随能量的重组集聚、转移和释 放。不同的应力状态代表不同的岩石存储能，且围岩都有极限存储能，当能量高于 极限存储能时，会发生能量转移及释放，其过程则表现为岩石变形、破坏。地下工 程的开挖导致围岩应力重组，最小主应力降低，削弱了围岩能量存储能力，更多的 能量将被释放和转移，因此，更容易产生围岩崩落、推移及抛出。 因此，在地下巷道开挖过程中，应最小限度的减少岩体能量释放，保护巷道稳 定性，在矿房开挖时，则应最大限度的利用能量的释放转移，利用能量的释放进行 破岩开采。在地下高应力状态下，用爆破微震就可达到矿岩开采的目的也是基于此 种理论。我国李夕兵教授及其团队从动静组合加载岩石力学入手，对岩石在高应力 条件下的破坏行为及特征进行了深入研究【7 。1 0 】。 上a ／一 荔荔缓 豸兹 荔 ．．_ ／ ／ ．．’| _／ ／ ．◆。，t ．． ． - ．．_≯ I ．．t 。 幸⋯一I 。量 。 一 G 图1 - 1 崩矿方式与动静组合载荷下的岩石破碎 针对动静荷载耦合破岩机理的研究，国内外学者做了大量研究，多是基于单一 静态压力试验和动态霍布金逊试验基础。我国学者通过对高静压作用下的岩石施加 应力脉冲试验发现动静组合条件下，岩石的脆性裂纹发展更为丰富，围岩破碎效 果更为理想。左宇掣1 1 】研制了一种二维动静组合加载装置，并进行了试验。实验发 现动荷载不变时，岩石弹性模量随应力的增加先升后降，泊松比先降后升；且静 应力的初始状态对岩石应力状态起着主导作用，越靠近岩石的极限弹性应力，岩石 4 中南大学硕士学位论文 绪论 越敏感，对动应力的相应越强烈，反之越迟钝，且裂纹的扩展方向也是沿着静应力 制约方向。李夕兵【7 ，1 0 1 等人通过改进的S H P B 试验装置进行三轴压缩动静组合加载试 验。实验发现轴向静压不足抗压强度的7 0 ％时，岩石的抗破坏能力要大于单一的 动荷载或静荷载强度，动静组合加载下，岩石多出现劈裂破坏，劈裂方向多沿静压 方向，如果设计合理的施压方式，将提高能量利用率，对破岩效果起到积极作用。 高应力条件下深部硬岩致裂发展了一下几种新技术，并得到一定推广应用一 是水力破岩。水力破岩始于2 0 世纪7 0 年代，采用高压水射流冲击破碎岩石，该方 法适合在中硬及中硬以上岩石使用，且在机械破碎前提下辅助使用。二是热一机破 岩【1 2 1 。它与热力碎岩相结合，先用热机对开采岩石进行预热加压，岩石在高温下其 强度降低5 ％一7 0 0 , 6 ，岩石强度降低，随即采用切削设备对预热矿岩进行切削破碎， 其方法的碎岩效果明显改善，破岩效率也大大增加。第三种方法为贯通锥形断裂破 岩即P C F 技术1 1 2 1 ，它建立在拉伸破坏的机理上，对矿石进行预控施工，并采用小药 包对其进行破岩粉碎，此方法耗材低、断面形状及边帮易于控制，且破岩效率是钻 爆法的和5 倍。在其他技术破岩方式中还有激光破岩、微波破岩、等离子破岩以及 电子束破岩等几种破岩方式，但这些破岩方法仅适用与部分特殊地质条件下的围岩 破碎，并无实际应用推广价值，不过不同的破岩方法可以给金属矿致裂破岩提供更 多的选择。 诱导崩矿是在传统崩落法的基础上发展起来的，在围岩破碎、强度较低的条件 下，围岩更容易发生自然冒落，此种情况常出现在煤炭顶板的开采中。针对强制崩 落的应用，许多矿山采用人工诱发矿岩系统失稳，利用钻孔爆破对矿岩进行致裂破 碎，再人为对矿岩进行应力扰动，造成矿体的逐步失稳，自动崩落。在国内工程实 践中，大厂铜坑矿9 2 号矿体开采时【1 3 l ，采用连续采矿诱导崩落处理顶板综合技术对 大型矿体进行诱导崩矿，矿房利用连续采矿、崩顶充填的方式开采，顶板处理紧跟矿 房开采之后，采用诱导孔爆破致裂，并设置合理的开采顺序，使顶板在结构力学失 稳下进行自然崩落。 针对诱导崩落技术与原理的研究，我国学者分别从诱导崩落技术、深部矿床诱 导崩落的突变理论模型、诱导崩落力学条件三个方面分别作了研究，并对崩落起始 阶段的围岩可崩性进行了分析研究。以经验和单因素指标为准则的I ⅫD 法、 B ．K ．M e m a h o r 的二次破碎炸药单耗量评价法【1 4 1 ，通过大量现场实验发现岩石R Q D 指 标与可崩性是非线性关系，并提出了崩落性指标，即C R Q D ％ 2 9 ．1 4 ／1 1 ．2 1 1 5 】。基 于岩石完整性检测的声波评价法和比能衰减系数法也得到了广泛应用【1 6 ，1 7 】。相比较 而言，常用的矿岩质量的可泵性评价方法主要有R Q D 、R M R 、R M Q 法。对不同的 岩石条件，应采用不同的评价方法，使其更具有针对性。2 0 世纪8 0 年代T a u s c h e r [ ”- 2 0 ] 提出了新的可崩性评价方法，该方法可对矿岩进行定量分析岩石质量，此方法迅速 中南大学硕士学位论文绪论 发展成为国际上矿岩可崩性评价的主要方法之一。1 9 8 0 年M a t h e w s l 2 l 】等人提出了 L a u b s e h e r 崩落图表评级法，该方法适用于埋藏1 0 0 0 m 以下的硬岩质量评价。M a t h e w s 根据5 0 个工程实例，统计并绘图了了每个工程实例的稳定数和崩落水力半径关系图， 使该理论更贴合实际工程需要。随后，P r o v i n l 2 2 l 、S t e w a r t 和F o r s y t h l 、及T r u e m a n 等 又陆续增加了5 0 0 例工程实例，对稳定图表进行了补充和修正。 诱导崩落技术作为一种新开采技术，在国内外已得到应用，且极具推广价值。 澳大利亚诺斯帕克斯矿是节理裂隙发育的矿体特征，岩体强度随深度增加而减弱， 为充分利用高应力的致裂破岩条件，该矿利用勘探孔进行水力预碎诱发不能自然崩 落的矿石，使其产量达到了7 0 0 万吨／a 幽】。我国闰少宏将高压水注入切割槽，人为扰 动矿房老顶，弱化顶板岩石，实现诱导崩落目的。李俊平[ 2 4 1 采用布置切槽的方式将 采空区应力分散，同时利用控制爆破技术，有效控制顶板冒落，是顶板沿掏槽中线 自动崩落垮塌。 另外，有关学者从非线性科学角度分析计算了扰动应力对岩石力学失稳的影响 程度，提出了临界微扰诱导崩落理论1 2 5 1 和扰动诱导崩落突变理论【2 6 ，2 7 1 。根据临界微 扰诱导崩落理论，扰动的结果将被放大，由此产生扰动诱发作用。在临界点附近， 围岩应力处于高度活跃状态，任何微小的扰动在高应力条件下都会被放大，宏观表 现为造成巨大的扰动响应，由此促使围岩从一个状态转变为另一个状态。根据扰动 诱导崩落突变理论，矿岩诱导致裂是一个多层次、立体式复杂的系统，有许多致裂 突变因素组成，当岩体状态处于临界状态时，任何微小扰动都可以诱发系统失稳， 而系统失稳的发展方向和释放途径是一个不可知的情况。 图1 - 2 采场顶板诱导崩落力学模型 此外，也有学者从力学角度出发，将矿房开采视为力学的失效，将项板受力状 况简化为力学模型，见图1 ．2 。通过分析绞支架的长度、抗拉强度模拟顶板岩层的垮 中南大学硕士学位论文 绪论 塌极限，通过实验发现，诱导崩落技术关键是要确定合理的采场顶板暴露面积，从 而获取矿房最佳长度，从而控制顶板崩落时机及效果。 1 ．3 ．2 高应力围岩卸荷损伤及裂隙发育规律研究现状 节理、裂隙等结构面的存在是岩石赋存的本质，为改变原生岩石的前提下，这 些节理裂隙被压密闭合，宏观表现仍具有较强的力学特性。人类的地下工程活动扰 动了原岩应力，改变了节理裂隙的围岩条件，当围岩卸荷时，结构面及节理裂隙在 改变条件下将产生扩展萌生，密闭的裂纹张开，次