地下矿山深部开采岩爆倾向性组合预判研究综述.pdf

40 矿产资源 Mineral resources 地下矿山深部开采岩爆倾向性组合预判研究综述 阳 俊，朱朝霞，吴 建 （湖南有色金属职业技术学院， 湖南 株洲 412000） 摘 要 地下矿山深部开采的趋势已经不可逆转， 矿体开采过程中岩爆问题日益突出， 分析探讨诱发岩爆的各种机理， 构建岩 爆倾向性组合预判模型， 为岩爆精准预测、 岩爆防治和调控提供理论基础， 最终实现地下矿山深部矿体的安全高效开采具有重 要理论价值和实际意义。 关键字 深部开采 ； 岩爆 ； 诱发机理 ； 预判模型 中图分类号 TD313 文献标识码 A 文章编号 11-5004 （2018） 09-0040-2 收稿日期 2018-09 作者简介 阳俊， （1985-） ， 男， 汉， 讲师， 研究生， 研究方向 矿山岩石力学。 由于地下矿山的不断的开采， 浅部的矿产已经日渐枯竭， 因 此很多地下矿山开采场地已转入到深部，根据岩石力学的理论 可知， 处于矿山深部开采经常面临着高地应力、 高地温、 高渗透 压和强烈的开采扰动等问题，而高地应力的条件下开采经常会 出现岩爆的现象，同时根据国内外的大量矿山开采实例表明对 于地下矿深部开采，岩爆是影响深部开采安全生产的诸多因素 中最为重要的一个因素之一。 鉴于越来越多地下矿山转为深部开采，有必要对地下矿山 深部开采后形成的采空区进行研究分析，预测其是否有发生岩 爆的倾向。 同时， 虽然岩爆现象一直是相关从业研究人员研究的 重点，然而对于岩爆的形成机理及预判依然处于经验与假说阶 段， 并不具备普遍性和预测性， 故完全采用现有的岩爆理论分析 解决地下矿山深部开采的岩爆问题是不可行的。 地下矿山往深部开采的趋势已经不可逆转，矿体开采过程 中岩爆问题日益突出， 分析归纳现有的岩爆理论， 对地下矿山深 部开挖开采进行岩爆倾向性组合预判研究，并提出相应的解决 措施， 不仅能够有效的降低相关硬岩金属矿山的采矿成本， 而且 提高井下作业人员的安全， 市场应用前景非常广阔。 1 岩爆成因机理 岩爆是一种极为复杂的物理现象，对其破坏机理和成因尚 未达成共识。 纵观岩爆成因的研究， 按照是否考虑动力加速度大 致可以分为两类， 一是静力学理论， 另一个是动力学理论。 2.1 静力学理论 静力学理论进行纯弹性分析或弹塑性分析，不考虑动力效 应， 由于具有较强的操作性， 是目前广泛采用的岩爆预测判据理 论。静力学理论认为发生岩爆需要具备两个条件 一是应力接 近岩体强度， 且有弹性势能的集聚， 这是发生岩爆的内应 ； 二是 某些附加荷载的触发， 如开挖， 地质构造运动， 这是发生岩爆的 外因。 静力学理论可以分为刚度理论、 强度理论、 能量理论以及 冲击倾向理论和损伤力学理论等。 （1） 刚度理论 刚度理论认为岩爆是不同刚度岩体因应力的不均匀分布而 发生的局部突然破坏现象。二十世纪七十年代，美国学者Black 运用刚度理论分析Galena矿区的岩爆问题。他认为 岩爆发生 的必要条件是围岩的刚度小于矿体的刚度，但是围岩和矿体的 刚度很难测算。八十年代Petukhov提出了矿体结构的刚度是应 力-应变曲线峰值后下降段的刚度。 （2） 强度和能量理论 Cook等人在20世纪60年代提出的能量理论认为当岩体-围 岩系统在力学平衡状态破坏时，系统释放的能量大于消耗的能 量时，即产生岩爆。谭以安等 （1989） 认为岩爆是硐室围岩突然 释放高地应力区聚集的弹性应变能的一种强烈的脆性破坏，并 把破坏过程划分为三个阶段， 依次是劈裂成板， 剪切成块和块片 状弹射。侯发亮等人 （1990） 认为围岩应力越大，岩体中积聚的 能量就越大， 若围岩积蓄的比能超过岩石破坏的比能， 就会有一 部分的能量迫使岩石破坏，剩下的一部分能量转化为动能释放 出来 ； 如果围岩积蓄的比能小于岩石破坏比能就不会发生岩爆。 2.2 动力学理论 总结国内外专家对岩爆机理的研究， 有很多观点较为相识， 可以总结如下 地下空区开挖致使局部围岩应力集中，首先克 服岩体强度产生张-剪性破坏， 并伴随声响和震动， 消耗部分弹 性应变能， 剩下的能量转化为岩石的动能， 使围岩急剧向失稳状 态发展， 造成岩片脱离母体， 向自由面强烈抛掷弹射， 进而产生 岩爆。 国外学者常将岩爆与微震现象联系研究。 Kaiser、 Pelli等 （1991， 1996） 从岩石破坏能量来源的角度， 将岩爆产生机理总结 为以下三种 （1） 岩体破裂导致岩体体积膨胀。当岩体破坏迅速发生时， 体积膨胀的速率就会很快， 进而导致岩爆， 破坏的能量主要来自 岩体本身储存的应变能。这和国内学者岩爆机理的主流观点基 本一致。 （2） 地震的震动引起岩石崩塌。 地震的震动力诱发重力作用 下极限平衡状态的离散岩石发生崩塌。破坏的能量主要来自远 处的岩块的重力势能和地震能。 41 矿产资源 Mineral resources （3） 地震能传播致使岩块弹射破坏。 远处震源的应力波传播 至地下空间临空面，致使原已存在的地质构造分割出来的离散 岩石强烈弹射， 破坏的能量主要来自远处的地震能。 综合国内外的观点和理论， Kaiser的观点有很多值得借鉴之 处， 提出了地震应力波和地震震动力等诱发因素。 3 岩爆倾向性预测理论 3.1 强度应力比岩爆判据 岩爆是岩石材料破坏的一种形式，破坏过程必然与本身强 度及其所受应力有关，所以，在早期的岩爆判据中，主要考虑 所受应力及岩石强度。在选择具体参数及组合形式上，有不同 的观点。 挪威学者Barton， Lien等 （1974） 提出了以初始地应力场中 的最大主应力与岩石单轴抗压强度的比值，即应力强度比来作 为岩爆的判据， 一般称之为Barton判据 ； 著名岩石力学家Hoek 和Brown （1980） 研究了南非采矿巷道围岩破坏的观测结果，利 用洞壁围岩切向应力与岩石单轴抗压强度的比值，总结出岩爆 分级的判别准则，一般称之为Hoek判据 ；侯发亮和刘小明等 （1992） 提出了以岩石点荷载强度与围岩最大切向应力的比值作 为岩爆的判据，一般称之为Russense判据 ；徐林生和王兰生等 （1999） 依据二郎山公路隧道施工记录中的200多次岩爆资料， 归纳总结提出了以围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度之比 作为岩爆的判据， 一般称之为二郎山公路隧道岩爆判据. 3.2 能量和岩性判据 岩爆的发生必然有能量转换的过程，有很多学者从能量的 角度， 主要有线弹性能、 弹性能量指数， 脆性系数、 冲击能量指 标等， 提出了岩爆判据。 根据国内外专家总结分别提出了线弹性 能指数判据、 弹性能量指数判据、 脆性系数判据、 冲击能量指标 判据等。 3.3 声发射方法和电磁辐射方法 潘长亮等 （2001） 对单轴压力下岩爆倾向性岩石根据声发射 特征进行了研究， 发现当荷载不断增加时， 声发射主频会有所变 化，在将要破坏时的声发射信号频率集中，根据试验结构认为 声发射频率与岩石结构和组成有关，同时与岩石的受力状态有 一定关系 ； 苗金丽、 何满潮等 （2009） 对真三轴应力状态下的突 然卸载应变岩爆试验监测到的声发射原始波形数据进行频谱分 析和时频分析， 得到了岩爆过程中声发射频谱特性和声发射RA 值，揭示了岩爆过程中同时产生的大量高频低幅特征的波和低 频高幅特征的波， 分别对应形成穿晶或解理微裂纹， 以张裂纹为 主及沿晶或穿晶宏观裂纹， 以剪切裂纹为主， 显示高能量释放及 低RA值特征 ； 贾雪娜、 何满潮等 （2013） 对花岗岩、 玄武岩、 板 岩、 大理岩、 砂岩和煤等不同岩性样品进行了应变岩爆实验， 采 用窄带传感器和宽带传感器两种不同的声发射监测系统实时采 集AE波形信息， 探讨了声发射传感器灵敏感度和不同放置位置 对岩爆声发射主频特征和频谱特征的影响 ； 金川有色金属公司 利用长沙矿山研究院研制的SDL-L型8通道声发射定位系统和 单通道PYE-1型携带式声发射监测分析仪进行矿山灾害预测。 3.4 基于系统理论等智能算法判据 王元汉、 李卧东等 （1998） 采用模糊数学综合评判方法预测 岩爆的发生及烈度分级 ； 杨莹春等 （2000） 根据岩爆的前期因子 特征和量值的经验值， 应用可拓学的综合评判方法， 建立了多指 标的岩爆分级预报综合评价模型， 通过计算其关联度， 给出定量 的数值评定结果， 判断岩爆的发生与否及烈度大小 ； 宫凤强、 李 夕兵等 （2010） 采用Bayes判别分析方法预测岩爆的发生及烈度 分级 ； 胡炜、 杨兴国等 （2011） 采用灰色关联分析方法预测岩爆 的发生及烈度分级 ； 王迎超等 （2014） 基于粗糙集理论和功效系 数法， 选择岩石单轴抗压强度与抗拉强度比、 切向应力与岩石单 轴抗压强度比、 弹性变形能指数和岩石脆性指数四个指标， 构建 了岩爆烈度分级预测的RS-功效系数模型来预测岩爆发生的概 率及其强度， 运用所建模型对典型岩爆实例进行分析计算， 并与 集对分析模型、 物元可拓模型评判结果进行对比。 4 结语 从以往发生的岩爆灾害的工程实例来看，在现有的技术水 平下， 如果能够准确预测岩爆发生的概率及其强度， 采用可靠的 防护手段， 能有效的降低岩爆灾害的危害， 但如果预测的岩爆发 生的概率及其强度不准确，就可能会导致现场施工人员伤亡和 设备损坏，岩爆防治的效果主要依赖于岩爆预测的准确程度及 后续的防护措施。 因此， 分析探讨诱发岩爆的各种机理， 构建岩 爆倾向性组合预判模型， 为岩爆精准预测、 岩爆防治和调控提供 理论基础，最终实现地下矿山深部矿体的安全高效开采具有重 要理论价值和实际意义。 参考文献 [1] 王磊.某硬岩矿山深部开挖巷道岩爆机理与支护方案研究.江西理工大学硕 士论文.2018. [2] 张传庆,卢景景,陈珺,周辉,杨凡杰.岩爆倾向性指标及其相互关系探讨[J]. 岩土力学.201705 [3] 刘立鹏.锦屏二级水电站施工排水洞岩爆问题研究.中国地质大学.2011. [4] 苗金丽,何满潮,李德建,曾凡江,张茜.花岗岩应变岩爆声发射特征及微观断 裂机制.岩石力学与工程学报.2009. [5] 苏国韶.高地应力下大型地下洞室群稳定性分析与智能优化研究.武汉岩土 力学研究所.2006. [6] 杨莹春,诸静.一种新的岩爆分级预报模型及其应用.煤炭学报.2000. [7] 张艳博,于光远,田宝柱,刘祥鑫,梁鹏,王亚东.花岗岩巷道岩爆声发射信号 主频特性试验研究[J].岩土力学.201705. [8] 张艳博,刘祥鑫,梁正召,李占金.基于多物理场参数变化的花岗岩巷道岩爆 前兆模拟实验研究[J].岩石力学与工程学报.201407. [9] 刘润田,张雪楣,刘吉兴.玲珑金矿花岗岩岩爆倾向性的实验研究[J].山西建 筑.201415. [10] 蔡美峰,冀东,郭奇峰.基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆 预测研究[J].岩石力学与工程学报.201310 [11] 邱道宏,李术才,张乐文,崔伟,苏茂鑫,谢富东.基于隧洞超前地质探测和地 应力场反演的岩爆预测研究[J].岩土力学.201507 [12] 贾义鹏.岩爆预测方法与理论模型研究.浙江大学.2014. [13] 郭瑞凯.某铜矿山岩爆诱发倾向及采场结构参数优化研究.江西理工大 学.2018.