金青顶矿区深部开采诱发岩爆倾向性分析.pdf

第 3 2卷第 2期 2 0 1 6年 O 4月 有 色 矿 冶 N0N F ERR0US M I Nl NG AND M E TALLURGY V o 1 ． 3 2． № 2 Apr i l 2 01 6 文章编号 l O 0 7 9 6 7 X 2 o 1 6 0 2 2 4 0 4 金青顶矿区深部开采诱发岩爆倾 向性分析 ** 于 虎 ， 宋文志 ， 刘潭州 ， 赵兴 东。 ， 李洋洋 ， 刘 强 i ． 山东金洲矿业集 团公司 ， 山东 乳 山 2 6 4 5 0 0； 2 ． 东北大学 井巷与地压控制研究中心 ， 辽宁 沈阳 i 1 0 8 1 9 摘要 为探究金青顶矿深部开采地压显现 的内因， 预防岩爆 动力灾害 的发 生 ， 对 金青顶矿 区 7 3 5 m、 8 2 5 m 和 8 6 5 m三个中段 内典型岩石进行抗拉 实验 、 抗压实验 和加卸 载实验 。根据 岩 样的物理力学参数及应变曲线， 提出了基于能量角度岩爆倾向判定依据。利用能量法、 脆 性系数法以及弹性 指数 法对 各中段岩爆倾 向和等 级进行分 析预测 ， 得 出此 区域 内均 存在 中等至强烈岩爆倾 向 。经过实地考察 分析 ， 揭示 已发 生的岩爆 巷道属 于诱导性 岩爆 。最 后结合岩爆发生机理 ， 提 出多种有效防治岩爆 的措施 ， 对 指导矿 山安全生产及 岩爆防治具 有 重 要 的现 实 意 义 。 关键词 深部开采 ； 岩爆 ； 地应力 ； 预防 中图分类号 T D 3 2 6 文献标 识码 A 1 引 言 岩 爆 是一 种 动力 失 稳 现象 ， 它源 于 高应 力 区岩 体开挖过程 中应变能的集中释放_ 1 ] 。伴有围岩的爆 裂松 脱 、 剥 落 ， 岩 块 发 生猛 烈 地 弹 射甚 至 抛 掷 ， 并 常 常发 出声 响l_ 2 ] 。关 于 岩爆 预 测 的研 究 ， 国 内外 学 者 进行 大量 的研 究 ， 提 出许 多假 设 和 判 据 。 目前岩 爆 的预测方 法集 中在 理 论 分 析 与现 场 实 测两 个 方 面 ， 其 中最 常用 的理论 主要有 强 度理论 、 能量 理论 、 冲击 倾 向理论 、 刚度 理 论 等。 。 ] 。 由于 岩爆 的发 生 是 多 种 因素综 合 的结果 ， 而 现 有 的岩 爆 理 论 只是 从 某 一 方 面做 出 的解 释 ， 无 法解 释岩爆 发 生的本 质规 律 ， 因此 岩爆预测理论尚需进一步发展。 金青 顶矿 区 目前 已开 采 4 4年 ， 开采 深 度 达 8 5 0 m， 井巷 开拓深 度 已 达 9 8 0 r n ， 1 3 0 0 m 以下 矿 体 仍 未 封闭 。随着 采矿深 度 的增加 ， 地应 力不 断增 大 ， 而 深部岩体稳定性较好 ， 硬度 、 脆性 比较高， 为岩爆发 生 创造 有 利条 件l_ 4 ] 。鉴 于 目前 围岩 片 沉 帮 ， 巷 道 破坏 等地 压显 现 ， 为 确保 矿 山安 全 生产 及 人 员 设 备的安 全 ， 矿 区岩爆 预 测 及 预 防 已势 在 必 行 。本 文 旨在从 岩体 的能 量 角度 发 掘 岩 爆产 生 的 内在 因 素 ， 通过对岩石刚性压缩 、 循环加载 ， 测定整个破坏过程 中的弹性 应变 能指 数 等参 数 ， 综 合 分 析 判 断深 部 围 岩 岩爆强 度 的倾 向性 。 2 深部 岩石力学试验 实验 将 2 1 ～ 2 5勘 探 线 之 间 的 一7 8 5 m、 ～8 2 5 m、 一8 6 5 m 中段作为研究 区域 ， 分别选取三个 中段 出矿川具 有代 表 性 的 岩块 进 行 实验 分 析 。取 样 时 ， 钻进方向应满足 自上向下垂直钻取 ； 岩芯加工时， 使 岩芯 的长度 达到其 直径 的两倍 。岩 样两 端切 平后再 磨平 ， 试件两端的不平整度允许偏差为0 ． 0 5 mm， 断面应 垂 直于轴 线 ， 允 许偏 差为 0 ． 2 5 。 l 。 2 ． I 岩 石单轴 抗压 强度 的测定 单轴 抗压 强 度测 试 实验 采用 直 径 5 0 mm， 高 径 比为 21的岩石试 件 。试 件在 T Y J 一2 0 0 0电液伺 服试验机上以应力控制的方式加载。加载前 ， 在试 件 中部 轴对称 的两 个位 置按 轴 向和环 向各粘 上型 号 为 B XI 2 0 5 AA 电 阻 应 变 片 灵 敏 系 数 2 ． 1 2 I ． 3 ， 串联连接 ， 按 单臂桥 路分 别接 到 Y 6 D一3型 应变 仪 ， 最 后通 过连 接 的光线 记 录示 波器 记 录纵 向 应 变和横 向应 变 ， 实 验结果 见 图 1 和 表 1 。 抗压 强度 计算 公式 如下 吴 1 式 中 P 试件 的破 坏荷 载 ； A 试 件横 截面积 。 * 基金项 目 国家科技支撑计划项 目 深部采矿关键技术研究 2 0 1 2 B A B 0 8 B 0 1 ； 2 0 1 4年北京市科技计划重大科技成果转 化落地培育项 目 Z I 4 1 1 0 0 0 0 3 5 1 4 0 I 2 ；2 0 i 3年财政部施工新技术研究与开发资金项 目 2 0 1 3 [ 2 3 5 ] 号 ； 国家 自然科学基 金资助项 目 5 i i 7 4 0 4 4 ， 5 1 4 7 4 0 5 2 ； 国 家高技术研究发展计划 8 6 3 项 目 2 0 1 i AA0 6 0 4 0 0 。 * * 收 稿 日期 2 O 1 5 1 1 1 7 作者简介 于虎 1 9 6 4 一 男 ， 大专 ， 高级工程师， 主要从事采矿工程技术与管理工作 第 2 期 于虎等 金青顶矿 区深部 开采 诱发岩爆倾 向性分析 2 5 2 ． 2岩石 抗 拉 强度测 试 抗 拉 强度 采用 圆柱 试 样对 径压 缩方 法 即 巴西劈 裂 法 间接 测定 ， 试 件规 格 为 5 0 mm5 0 mm 的 圆柱 体 ， 试 验整 理结 果 见表 2 。 0 D 拉伸强度按下式计算 i 一 2 兀 J L一 式 中 P 一 峰值载荷 ； D 试 件直 径 ； L 试件 高度 。 2 ． 3 岩 石加 卸 载试验 岩 石加 卸 载 试 验 是在 静 力 荷载 下 ， 测 定 岩 石加 载至 峰 值 强 度 再 卸 载 至 零 的 过 程 曲 线 。试 件 在 TY J ～2 0 0 0电 液伺 服 试 验 机 以 0 ． 1 ram／ rai n速 率 加载终值为岩样峰值强度的 8 0 ， 然后卸载至零 。 l o 0 1 0 6 1 0 9 0 ， 矗 9 0 8 0 ， 9 0 。_攫 8 0 r 7 0 ， 8 0 ，， 7 0 6 O 甲 7 O j 6 0 5 0 6 0 5 0 ， 4 0 ，／ 5 O ／ 4 0 3 0 ， 4 0 ， 3 0 ， 2 0 ， 3O ，， 2 O ， ， 2 O _ l 0 1 0 1 0 ， I 一 一 一 - 一 E t ． ， l 0 - r0 5 0 ． i o 0 ． i 5 { 0 ． ’ 1 0 0 ． “2 o 0 ． O 0 ． - 0 5 0 ． 1 0 0 ． t 5 - 7 8 5 - 1应力一 废变曲线 ． 7 8 5 2应力一 应变 曲线 - 7 8 5 - 3应力一 应变 曲线 5 0 5 6 5 0 4 5 ， l 4 5 4 0 4 5 4 0 3 5 ≯ 4 0 ， 3 O ， 3 5 3 5 2 5 ， 3 0 ， 3 0 ， 2 O ／ 2 5 ， ， 2 5 一 ， l 5 ／ 2 O J 2 O ， 二 1 0 ， l 5 ／ l 5 ， f- 1 0 ／， l O ， ， 5 5 r 5 ， ， ， 一，． ．_ 鸱 0 0 ． 0 5 0 ． 1 0 0 ． 1 5 0 0 ． 0 5 0 ． 1 0 0 ． 1 5 l 0 ．O2 O． O4 O． 06 -8 6 5 8 2 5 1应力一 应变曲线 ～ 8 2 5 2应力一 应变 曲线 一 8 2 5 3虚力一 应变曲线 1 0 C 1 0 0 9 0 矿 9 0 1 0 C 80 8 0 9 0 7 0 7 0 8 0 西 6 0 r／ 6 0 力 7 0 5 0 ／／ 5 O 6 0 4 0 ． ， 4 O 5 O ∥ 3 0 ． ， 3 0 4 O ，， 2 O ， 2 O 。 3 O ／／ r 1 0 越 2 O l 0 ， 1 0 ∥ ， 圣 l 0 ． 0 5 0 ． 1 O 0 ． 1 5 0 0 ． 0 5 0 ． 1 O 0 ． 1 5 { 1 0．0 5 0 ． t 0 O ． 1 5 8 6 5 - 1应力一 应变曲线 一 8 6 5 2应力一 应变曲线 - 8 6 5 - 3应力一 应变曲线 图 1 不 同水 平岩 石破裂过程应 力一应变 曲线 表 1金青顶矿深 部岩 石物理力学参数 2 6 有 色矿冶 第 3 2卷 3 实验结果及岩爆倾 向性分析 矿井深部采 区地应力较大， 岩体 内积累大量的 能量 ， 坚固岩体开挖破坏过程致使 围岩受力突然失 稳 ， 积 累的能 量瞬 时大量 释放 ， 产生 岩爆 。本文 从能 量角度出发 ， 利用单轴抗压条件下岩石储存能量、 脆 性系数和弹性指数对深部矿体进行分析 ， 探求岩爆 发生 机理 。 3 ． 1 能量 法岩 爆倾 向分 析 根据能量守恒原则 ， 试件在单轴抗压条件下发 生变形 ， 岩石所存储 的能量等于压力作用下力所做 的功 。标准 试件 j 2 『 5 0 mm 1 0 0 mm 加 载 条 件下 能 量 为 E W e V 3 式 中 岩石单 轴抗 压强度 MP a ； e 试件 压应 变 ； V试件体积 ； w～ 压力 做 的功 。 岩 爆能 量判定 标准 [ 3 ] r E ％7 ． 8 5 J 弱岩爆 倾 I 7 ． 8 5 ≤E 1 9 ． 6 2 5 J 中等岩爆 1 1 9 ． 6 2 5 ≤E 3 9 ． 2 5 J 强烈岩爆 c E ≥3 9 ． 2 5 J 极强烈岩爆 从表 1 可 知 ， 一7 8 5 m 中段 和 一8 6 5 m 中段 围岩 有极 强 烈的岩 爆倾 向 ， 一 8 2 5 m 中 段存 在 中等 至 强 烈岩爆倾向。结合现场可知三个 中段岩体完整性较 好 ， 硬 度 比较大 ， 在原 岩应力 作用 下存储 大 量能量 是 岩爆 发生 的 内因 。 由于 ～8 2 5 m 中段 围岩 含 泥质 ， 硬度 相对 较低 ， 存储 能量 相 比其 它两个 较 少 ， 岩爆 倾 向相对 较弱 。 3 ． 2脆性 系数 法岩爆倾 向分 析 根 据 实验测 得 的岩石 的单轴抗 压强 度 和抗拉 强 度 ， 利用岩石脆性指标 ， 即抗压强度与抗拉强度的比 值 B来衡 量 岩爆倾 向性 ] 。脆性 系数 为 B----- 8 - z 4 式 中 岩 石单 轴抗压 强度 MP a ； ， 岩石 单轴抗 拉强 度 MP a 。 据已有研究表明， 通常采用如下判定准则 rB 1 0 无岩爆 倾 向 l 1 0 ≤B 1 4 弱岩爆倾向 ] 1 4 ≤B 1 8 中等岩爆倾 向 I B ≥1 8 强烈岩爆倾向 表 2为金 青 顶矿 深 部 岩石 脆 性 系数 结 果 ， 根 据 表 2可知 一7 8 5 m 中段 围岩 呈 现 强 烈 岩爆 倾 向 ； 一 8 2 5 m和一8 6 5 m 中段围岩呈现中等岩爆倾 向。试 件 在加载 过 程 中 出现 裂 纹 破 裂 并 产 生 “ 噼 噼 ” 破 裂 声 ， 基本不崩裂 。这说 明岩石内部存储的弹性应变 能 并非直 接导 致岩 爆 发 生 ， 当其 他 诱 导 因素 出 现才 猛 烈破 坏 。 表 2 金青顶矿深部岩石脆性 系数 结果 3 ． 3弹 性指数 法岩 爆倾 向分析 根据 卸 载试 验 记 录应 力 一应 变 曲线 ， 用 图形 积 分求出弹性变形能量储能与塑性变形耗能之 比， 即 为 弹性 能量指 数 。公 式 如下 W 5 式中 。 卸载曲线与 轴 围成的面积， 代表滞留 的弹性 应变 能 ； 加载曲线和卸载 曲线围成 的面积 ， 代表 损耗 的应 变能 。 通 常采用 如下判 定准 则 r w 2 ． o无岩爆倾 向 I 2 ． o ≤W 3 ． 5 弱岩爆倾向 ] 3 ． 5 ≤ W 5 中等岩 爆倾 向 1 W ≥5 ． 0 强烈岩爆倾 向 弹性 指数 测试分 析见 表 3 。 表 3 弹性指数测试分析 9 ． 9 2 5 ． O2 6 ． 2 3 8 ． 3 2 1 0 ． 5 7 11 ．81 7 ． O 5 强烈岩爆 1 O ． 2 3 强 烈 岩 爆 结 合岩 石弹性 应 变 分 析理 论 ， 由试 验 所 得 弹 性 应 变 指数可 知 ， 一7 8 5 m、 一8 2 5 m、 一8 6 5 m 中段 围 岩均 呈现强 烈 岩爆倾 向 。弹性应 变能指 数说 明了采 矿开 挖导 致深 部地 应力 突然 失 稳 ， 存 在 某个 方 向突 第 2期 于虎等 金青顶矿 区深部开采诱发 岩爆倾 向性分析 2 7 然 卸荷 ， 能 量 瞬间 集 中释放 正是 岩爆 发 生 的机理 。 4 结论 及建议 根 据 金 青 顶 矿 区 岩石 力 学 参 数 ， 利 用单 轴抗 压 条 件下 岩 石储 存 能量 、 脆性 系 数 和 弹性 指 数 等能 量 判定准则对深部矿体进行分析判断， 解析岩爆机理。 结果表 明当前 生产 的 7 8 5 m 中段存在 强烈岩爆倾 向 ， 一8 2 8 m 和 一8 6 5 m 中段 存 在 中等 至 强 烈 岩 爆 倾 向。经 现场 考 察及 实验 分 析 发 现 ， 深部 岩 爆 属 于 诱 导性 岩 爆 ， 其发 生 于 采 矿 活 动 和 采 空 区导 致 应 力 失稳 能 量 集 中释 放 有 密 切 关 系 。基 于 此 理 论 分 析 ， 建议开展以下措施对岩爆灾害预防 1 硐室开挖前后对关 键部位及时采取支护 ， 改变应力分布 ， 防止围岩弹射和剥落； 2 采取 超 前 径 向 钻孔 、 开 卸 载 槽 等 方 式 调整 围岩应力 ， 避免围岩局部应力集中和应变能聚集； 3 运输巷道沿最大主应力方 向布置 ， 开拓 、 采 准 、 切割 工程 在来 压前 完成 施工 ； 4 及时有效地充填空 区， 减少 岩爆发 生的空 问 。 参考文献 E l i Y o u n g ．I n r o e k b u r s t s a n d s e i s mi c i t y i n mi n e s [ J ] ． p r o c e e d i n gs o f t h e 3 r d I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u n ． A A Ba l k ma， Ro t t e r d a m， 1 9 9 3 ． r 2 ] Y．F u j i i e t a 1 ．P r e d i c t i o n o f c o a l f a c e r o c k b u r s t a n d mi c r o s e i s mi c i t y i n d e e p l o n g wa l l c o a l wa l l[ J ] ．I n t ．J ．R o c k Me e h ． S c i ，1 9 9 7， 1 8 5 9 6 ． [ 3 ] 张镜剑 ， 傅冰骏． 岩爆及其判据 和防治[ J ] ． 岩 石力学与工 程学 报 ， 2 0 0 8， 2 7 2 O 3 4 2 0 4 1 ． [ 4 ] 徐林 生．地下工程岩爆发生条件研究[ J ] ．重庆交通学院学报 。 2 0 0 5， 2 4 3 3 1 3 4． E 5 3 彭振斌 ， 方建勤 ， 颜荣贵 ， 等．硬岩矿 山深井岩爆预测方法 的研 究E J 1 ．矿冶工 程 ， 2 0 0 3 ， 2 3 5 8 1 1 ． E 6 J 许梦国 ， 杜子建 ， 姚高辉 ， 等． 程潮 铁矿深部 开采岩爆 预测[ J ] ． 岩石力学 与工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 增 1 2 9 2 1 2 9 2 8 ． E 7 3 冯涛 ， 谢学斌 ， 王文星 ， 等．岩石脆性及描述岩爆倾 向的脆性 系数E J ] ． 矿冶工程 ， 2 0 0 0 ， 2 0 4 1 8～1 9 ． Ro c k b u r s t P r e d i c t i o n a n d Co n t r o l l i n g i n J i n q i n g d i n g Go l d M i ne Un de r De e p M i n i ng YU Hu ， S ONG W e n z h i ， LI U Ta n z h o u ， ZHAO Xi n g d o n g ，LI Ya n g y a n g 。 ， L I U Qi a n g 1 ． S h a n d o n g Ji n z h o u M i n i n g I n d u s t r y Gr o u p Co ． Lt d， Ru s h a n 2 6 4 5 0 0， C h i n a； 2 ． Ce n t r e o r S h a J t Ro a d wa y a n d Gr o u n d Co n t r o l ， No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e x p l o r e t h e g r o u n d p r e s s u r e b e h a v i o r a n d p r e v e n t r o c k b u r s t a p p e a r i n g i n J i n q i n g d i n g Gol d M i n e ，a s e r i e s of t e ns i l e t e s t ，c o m p r e s s i o n t e s t a n d pr o c e s s i ng u ni n s t a l l e x pe r i m e nt wa s c o n duc t e d ． The e xpe r i m e nt a l r o c k s e l e c t e d f r o m t h r e e d i f f e r e nt l e v e 1 ．Ac c o r di n g t o t h e phy s i c a l m e c ha ni c a l pa r a m e t e r s of r oc k s a mpl e s a n d s t r a i n c ur v e s ， a m e t hod f o r de t e r m i ni n g t he t e n de n c y o f r oc k bu r s t b a s e d o n e ne r g y we r e pr o po s e d． The e ne r gy i nd e x， br i t t l e ne s s a n d e l a s t i c i t y c oe f f i c i e nt i n de x s h ow t ha t a m o de r a t e t o s t r on g r o c k b ur s t wi l l oc c u r ．So m e o n s i t e s t ud y of r oc k bu r s t ha s s ho wn t ha t i t wa s i n duc e d r o c k b ur s t ． At l a s t ，a v a r i e t y of e f f e c t i ve me a s ur e s t o pr e v e n t r o c k bu r s t c ombi n i ng r o c k bu r s t me c ha n i s m ， wh i c h h a s i m po r t a nt pr a c t i c a l s i gn i f i c a nc e t o gu i d e m i n e s a f e t y p r o du c t i on a nd p r e ve nt of r o c k bu r s t we r e p r op os e d． Ke y wo r d s de e p m i n i ng； r o c k bu r s t ； gr o un d p r e s s ur e； e on t r ol ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 一⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，。 2 0 1 6年 有色矿冶 订 阅回执 单 订 阅单 位 经 办人 详 细地 址 邮政 编码 全 年定 价 6 0 ． 0 0元 订 户 电话 户名 辽 宁省 有色 金属 学会 开 户银 行 华 夏 银行 沈 阳市 和平支 行 账 号 5 3 3 9 2 0 0 0 0 1 8 5 3 0 0 0 0 0 3 0 4 6 份数 总计 金额