矿井深部开采非线性力学特点.pdf

第2 8 卷第 5 期 VO 1 ． 28 No． 5 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f L i a o n i n g Te c h n i c a l Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e 2 0 0 9年 1 0月 0c t ． 2 0 0 9 文章编号1 0 0 8 - 0 5 6 2 2 0 0 9 0 5 0 7 8 5 0 3 矿井深部开采非线性力学特点 B． H．阿巴林 f 俄罗斯科学院西伯利亚分院矿业研究所，俄罗斯 新西伯利亚市 6 3 0 0 9 1 摘要为了解矿井深部开采过程中大范围非线性应力现象和自组织多分量现象， 对采矿诱发地震和岩爆地震的监 测方法和体系做了相应的分析， 总结了深部采掘工程中岩体非线性力学特点。 认为矿井地下巷道岩区碎化现象是 由重力应力分量达到或者超过岩石的单轴压缩强度形成的。 对人工填充体的组织和结构特点进行了分析， 并利用 岩石分区碎裂现象和 自组织人工充填体的相互作用来提高采矿效率。 关键词矿井深部开采；非线性力学特点；岩石碎裂；人工填充体 中图分类号0 3 4 2 文章标识码A No n l i n e a r me c h a n i c s p r o p e r t i e s i n d e e p mi n i n g V． H． oPARI N I n s t i t u t e o f Mi n i n g ， S i b e r i a n b r a n c h ， Ru s s i a n a c a d e my o f s c i e n c e s ， No v o s i b i r s k 6 3 0 0 9 1 ， Ru s s i a Ab s t r a c t I n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e n o n l i n e a r s t r e s s p r o p e r t i e s a n d s e l f - o r g a n i z a t i o n mu l ti - c o mp o n e n t in d e 印 mi n i n g ， a n i n v e s t i g a ti o n wa s c o n d u c ed o n the mo n i t o r i n g me tho d an d the s y s t e m o f e a r t h q u a k e and r o c k b u r s t i n d u c e d b y mi n ing a n d o n the n o n l ine ar me c h a n i c s p r o p e rt i e s in d e e p mi n ing ． T h e s t u d y s h o we d t h a t the r o c k b r e a k i n g in mi n e r o a d wa y i s ind u c e d b y the c o mp o n e n t - o f g r a v i t a ti o n s tre s s e s wh i c h r e a c h o r e x c e e d r o c k u n i a x i a l c o mp r e s s i o n s r e n g t h ． Al s o ， the s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s o f a r t i fi c i a l fi l l ing b o d y we r e a n a l y z e d ． Mi n i n g e ffic i e n c y c a n b e i mp r o v e d wi t h the int e r a c t i o n b e t we e n z o n a l r o c k b r e a k i n g and s e l f - o r g ani z a t i o n mu l t i c o mp o n e n t a r t i fi c i a l fi l l ing b o d y ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g；n o n l i n e a r me c h a n i c s p r o p e r t i e s ；r o c k b r e a k i n g ， a r t i fi c i a l fil l i n g b o d y 0 引 言 岩石力学和岩石动力学的研究发现 ，地球动力 学现象和采矿诱发的现场地质应力过程 ，特别是在 构造活动区域，存在着紧密的关系 。而且 ，更重要 的是一种岩体 的层次 的块状结构会导致现存 的大 范围非线性地应力现象的解释和 自组织多分量。这 促进了现代非线性岩石力学和岩石动力学的发展。 地下巷道围岩分区碎裂化现象的意义在于，可用来 指导采掘工作 。例如，开挖巷道应尽量沿破碎区的 轮廓进行， 而锚杆的端部应处于未破碎区； 在爆破时 未破碎区应用强爆力炸药，破碎区应用弱力炸药。 这方面还有待于进一步研究 。 2 通过岩石力学，测量和地球物理方法 ， 对震源 区变形 的规律及 灾难技术成 因进行实验研 究 ，以便进一步预测和防范灾难； 3 在数值上和物理方面模拟块状介质在应力 集中震源区以及地质媒介在冲动作用下的动力特征。 2深部采掘工程岩体非线性力学特点 矿井开采进入深部以后，地质力学环境远 比浅 部复杂得多，由此引起的各种非线性力学现象越来 越严重，给深部支护与开采带来很大 的难度 。由于 非线性力学研究的内容是复杂，因此在此简单介绍 在非线性地质力学领域中的有深远意义的成果。 1 诱发地震和岩爆地震监测方法 2 ．1 地质 力学变量 诱发的地震和岩爆的地震监测方法和体系主 要包括 1 开发新方法和设计实验室的实验装置， 现场调查岩体 中地震变形和 电磁散发事件和地表 的采矿诱发的地震和岩爆； 非线性地质力学是一门基于岩石力学和地球 物理学中的重大发现的基础上的综合性的发展中 学科。该学科 中，分层岩块构造假说，由俄罗斯 的 M． S a d o v s k y院士和他的团队提出。尽管这种假设 十分武断，但是这种假设被专家广泛地接受，并且 收稿 日期2 0 0 8 ． 1 2 1 5 作者简介B ．H 阿巴林，男 1 9 5 1 ． ，俄罗斯科学院通讯院士，物理数学博士，教授，主要从事非线性地质学和矿业地球物理学研究。本文编校焦丽 7 8 6 辽宁工程技术大学学报 自 然科学版 第2 8 卷 用于分析地质力学和地球物理学信息方面。因此， 在此简单介绍 S a d o v s k y假设的基本原理 。 1 所有的地质媒介对象 ，从全球尺度到一 个晶粒尺度，都有一个层次块结构；一个层次等级 的块被嵌入另一个较大尺度层次等级的块 中； 2 岩体中相邻 的层次等级通常可用系数 来描述， ∈2 5 。 分析众 多关 于地质块 的结构和尺寸 的数据表 明，裂缝位移宽度 6 和被这些不同层次等级裂缝隔 开的地块直径 △关系为 ． _ 1 o 1 0 - 2 对于任意 ， “ △． 1 其中， 为地质变不变量；g i 为平均裂缝 分离距离； 为第 i 个等级的地块平均直径； 为间距为 0 ．5 ． 2时的最频繁的因子。 在 同样 的岩体中，评价真正的裂缝宽度模型为 v 1 0 ～一1 0 ． 岩体块状层次构造的理论 ，使得作为岩石力学 分析基础的连续介质力学中的基本单元概念以及 圣维南变形协调理论受到 了怀疑。岩体块状层次构 造概念以及地质应变量 △ 的存在，决定了组成 岩体的岩块具有一定 自由度。 目前， 研究者十分注重关于岩石压力显现造成的 灾难的实验研究。首先，地震中心及其周围的地震和 变形波的推移。 通过联系这些移动和不同层次等级岩 体能量交换过程， 证 明对这种地块地质媒介缓慢移动 的关注是合理的。当即将到来的灾难事件 岩爆 ，地 震等 以及采矿诱发的地质力学过程有能量，这些能 源密集的过程就会发生。出现调查上述的现象的区域 是多为在矿井特别是在有变形的区域 支承煤柱，分 离的岩体等等 。因此，采用地质力学和地球物理学 器械方法 ，进行现场研究是非常有利的。 2 ． 2 地下巷道围岩分区碎裂化现象 目前，在很多国家的深部开采过程中都有发现围 岩分区碎裂化现象，例如南非的金矿、俄罗斯乌克兰 以及远东的金属矿 山和煤矿等，同时又是岩石力学领 域尚未解决的难题。深部开采是未来发展的趋势，解 决深部开采所遇到的岩石分区碎裂化问题迫在眉睫。 起初 ，岩石力学采用假设依赖于地下工作会对 岩体产生的影响是何种形状和尺寸。例如 ，关于拱 的假设，散体介质以及基于结构力学和材料强度理 论的假设 。后来 ，这些关于岩体当地状态的主张被 新 的理论所代替，该理论认为 ，封闭在一个矿 山巷 道 内整体岩 体应 力应变状态应采 用连续介质力学 模型和弹性力学。后者的假定认为，矿井工作面周 围有连续的三个带。这三个带中的岩石具有不 同的 应力应变状态，这种应力应变状态受岩体固有应力 和拉伸应变支配 。因此 ，这些区都是接近等值区的 巷道 ， 属于无弹性应变 区 小面积区域具有弹塑性岩 石 。岩体应力升高 ， 在最初的两个区宽度逐渐增加 混乱和弹塑性应变 ，并且，在一定深度，矿 山巷 道或者不稳定，或者根本不可能掘进。 但是 ， 大采深开采时， 岩石强度达到它的极限， 可以注意到，公认 的状态和地下巷道周 围岩体的实 际状态逐渐不同，俄罗斯科学 院的研究小组成功地 发现 了这种差别。研究人员展开了当地地质力学和 地球物理测量，试验模拟和地下 目视观测，证明存 在 以前未知 的现象，即矿井地下巷道周围岩石碎 化 。这种现象的要点是，在深部开采巷道周围，重 力应力分量达到或者超过岩石 的单轴压缩强度 ，无 干扰且断裂岩石的环形区就会连续形成。这在本质 上 ，是地下洞穴周 围地质应力能量量子化现象。这 说明，存在一个不稳定态和准稳态区域的横断面的 离散集，如图 1 。 P p a 井下采掘工作面周围岩石分区碎裂现象； ■ b 两个 载荷分量的橡胶底层的破裂类型 图 1 岩石的分区域碎裂 F i g ． 1 z o n a l r o c k b r e a k i n g 为了应用岩石的分区碎裂现象 ，确定其比例因 子是十分重要的。基于对大量实验数据的理论研 究， 我们规定， 给定的比例因子通 过模数 也 ， i 0 ， 1 ， 2⋯来描述，它与工作区域最初的半径有关 ，分 第 5 期 阿巴林矿井深部开采非线性力学特点 7 8 7 区碎化宽度 △ 与初始半径 r 有关， 该值可以按照 公式计算 △ ∈ 0 ． 0 5 一O ． 1 1 2 式中， f 为 碎化的区域数目， 按采掘轮廓计算； O r“ √ 。 2 ． 3 人工充填体的自组织现象和蜂窝结构 的形成 从以往经验可知，大采深条件下减轻岩石压力 对采矿影响的最决定性措施就是采用充填，使之变 为全阶段水平推进回采嗣后充填。在俄罗斯和其他 国家的坚硬矿物开采中，地下充填是 目 前被广泛使 用的工程技术。为了更加安全，最好采用人造充填 物 。 最近，岩石力学研究人员和技术专家发现在制 作人工充填体时，使用高标号的混凝土会增加其对 上覆岩层的承压能力，从而能够防止它们产生迭片 结构 。但是，使用高标号混凝土增加了矿物生产成 本，使采矿企业的收益下降。 在对 No r i l s k矿床 的进行实验研究时，发现 了 形成蜂房结构人工体的 自组织现象。在井田范围 内，当开采的跨度变大时，上覆岩层沿着构造断层 和分裂区域周期沉降，在人工充填体内会形成支撑 蜂窝结构 如图2 。 实验还发现， 蜂窝承压几何结构 的尺寸依赖于原生岩 内充填体 的宽度和位置 。 圈 非能动芯 圆 封闭的围岩 国 排水区域 圈 构造断层或分区碎裂 圜 不规则的高密度 充填 体 图2人工充填体自组织和蜂窝状承压结构 F i g ． 2 s e l f - o r g a n i z a t i o n mu l t i - c o mp o n e n t o f a r t i fic i a l fil l i n g b o d y 该 结构外 部的覆盖物是一个排水和边缘传质 区域，当内部区域用非常规的的高密度充填时，它 的功能是作为岩层静应力和上、下开采引起的岩层 互相作用引起 的应变的一种保护。非能动芯为一种 推力 ，具有低应力应变特征 。因此，根据物理力学 特性，这是类似雪球或者鸡蛋黄的一种结构。 了解上述所描述 的现 象对 于推荐高标号混凝 土结构或者其他的工业废物替代物是十分重要的。 而且，这种现象和岩石分区碎裂化互相作用，可以 在工程解决方案中使用这它们。 2 ． 4 分区碎裂现象和 自组织充填体的互相作用 在充填体内， 按照蜂窝承压结构活动的组织覆盖 物的物理解释和数值计算，作者首次使用 了地质应力 不变量 △ 。当开采范围增大时，为了预测原生岩 的聚合，结合分区碎裂表达式 2 ， 1 的特征就显得 有用了。与已知的方法不同，这种方法不仅解释 了开 采过程中上覆岩层下沉，而且，基于 1 和 2 ，允许 定义一个可以被预测的发展过程的参数。 岩石分区碎裂现象和 自组织人工 充填 体的的 互相作用是十分有用的，首先，可 以通过预测地质 碎裂区域，提高采矿效率，其次，在大采深时，我 们可 以设计低本高效的、安全的开采技术。 由于硐室前面的破裂现象交替出现，从而可以 预先破坏岩体，降低岩爆的危险；另外，还可以提 高巷道开挖效率，降低作业成本。即把威力大的炸 药放在为破坏区，威力小的炸药放在破裂区，从而 充分利用爆破能 。 3 结 论 1 论述了深部采掘工程岩体非线性力学特点； 2 提出了人工 充填 体的 自组织现象和蜂窝结 构。 参考文献 【 1 】B．H．On a p n n H A p ．Me T o 皿 H H l,I 3 1v i e p H T e Y l b lt b l e n p n 6 o p b i皿 Ⅱ 且 MO , e a H p O B a H H g H H a T y p H b l X H C C B e O B a H H fi H e ．rI HH e H H b l X 且 e 巾 o p M a I I H o H H 0 一 B O J I H O B b I X n p o t t e c c o B B 6 J l o q H t ,i x M a C C H B a X r o p H X n o po I t ． HO B O C n 6 n p C K HB l a T e ．q b C T B O CO PAH， 2 0 0 7． 一3 2 0 C ．