马路坪矿深部开采岩爆倾向性模糊综合评判.pdf
S e r i e s No . 40 6 Apr i l 2 01 0 金 属 矿 山 METAL MI NE 总 第4 0 6期 2 0 1 0 年第 4期 马路坪矿 深部 开采岩爆倾向性模糊 综合评判 术 林 业 杜绍伦 马春德 王 斌 陈红江 1 . 中南大学 ; 2 . 贵州开磷 集团矿 业公 司 摘要开阳集团马路坪矿经过 4 0多年的开采, 某些中段即将进入深部开采的范围。为预测马路坪矿 4种 主要岩石在 7 5 0中段 、 7 0 0中段和 6 0 0中段的岩爆倾 向性 , 对这 4种 岩石进行 岩石力学 试验 , 同时提 出由不同影响 因素构成的多种评判指标, 通过理论预测法进行岩爆的模糊数学综合评判, 最后运用级别变量特征值 作为评判 准则来判断这 4种岩石在 3个中段的岩爆倾向性 , 得出这 4种岩石随着开采深度 的加 大而岩爆倾 向性增强的趋势 。 关键词 深部 开采岩爆倾 向性评判指标模糊综合评判 Fu z z y Compr e h e n s i v e Ev a l ua t i o n o n Ro c k b ur s t Te n de nc y o f De e p M i n i ng i n M a l up i ng M i n e L i n Y e D u S h a o l u n Ma C h u n d e Wa n g B i n C h e n H o n g j i a n g 1 . C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ; 2 .G u iz h o u K a i l i n P h o s p h o r u s Mi n e G r o u p C o .L t d . Ab s t r ac t Afte r 4 0 y e a r s mi ni ng i n Ma l u p i n g mi n e o f Kai y a n g P ho s p ho r us Mi n e Gr o u p, s o me o f i t s l e v e l po s i t i o n s a r e c o mi n g i n t o t h e d e e p mi ni n g.I n o r d e r t o p r e di c t t h e o r i e n t a t i o n o f r o c k bu r s t f o r f o ur ki n ds o f r o c k s i n 7 5 0 l e v e l , 7 0 0 l e v e l a n d 60 0 l e v e l r e s p e c t i v e l y, t he s y s t e ma t i c a l e x p e r i me nt s for t h e f o u r ki n ds o f r o c k s h a v e b e e n p e rfo r me d.At t h e s a me t i me, v a r i o u s e v a l u a t i o n c nt e ma on t he d i f f e r e nt i n f l u e nc e f a c t o r s we r e p ut f o r wa r d s .An d t h e t h e o r e t i c a l pr ed i c t i o n me t h o d wa s u s e d t o r e a l i z e i t s f u z z y ma t h e ma t i c s e v a l u a t i o n o f r o c k b u r s t .A t l a s t , t h e l e v e l v a r i a b l e s Ei g e n v a l u e wa s u s e d a s t h e j u d g e c r i t e r i a t o e s t i ma t e t h e o rie nt a t i o n o f r o c k bu r s t i n t h r e e l e v e l s e c t i o n s f o r t h e s e f ou r k i n d s o f r o c ks , a nd i t i s c o nc l u d e d t h a t t he r o c k b u r s t t e nd e n c y wi l l b e u p wi t h t h e d e pt h o f t he s e f o u r r o c ks i nc r e a s e . Ke y wo r d s D e e p mi n i n g , O r i e n t a t i o n o f r o c k b u r s t , J u d g i n g c r i t e r i a , F u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n 岩爆是地下工程开挖过程 中, 硬脆性 围岩受地 应力自重应力和构造应力的总和 分异和集 中的 影响 径向约束卸除, 环向应力骤然增加 , 能量进一 步集中 , 而致使储存于岩体中的弹性应变能突然 释放 , 因而产生爆裂松脱 、 剥落、 弹射甚至抛掷现象 的一种动力失稳地质灾 害 。近几 十年 国内外采 矿界和岩体工程界的专家 、 学者在岩爆的预测方面 进行 了大量的研究 , 取得 了一定的成果。主要运用 理论分析法和现场实测 法, 这些方法各有优缺点。 理论分析主要适用于工程 的初期 , 通过对岩石的取 样分析 , 预测将来是否有岩爆的发生 , 但 由于对岩爆 发生的机制 目前还不够清楚, 岩爆 的发生受多种因 素的影响, 如果只考虑其中一种 , 难免以偏概全, 难 以达到满意的程度。现场实测法虽然精度相对要高 些 , 但也有些不足之处 , 譬如测量方法以及测量设备 的不完善等, 还有待进一步的发展 。 开磷集团马路坪矿区位于洋水背斜东翼北段 , 地层为单倾斜地层 , 地层倾 向 1 1 0 。~l 6 5 。 , 倾角一 般为 2 0 。 ~ 3 5 。 , 构造 以断裂为主, 均为走向纵断层 , . 1 0 . 横断层和斜交断层少见。马路坪矿区经过 4 0多年 的开采 , 现主要 的开采 中段为 7 5 0中段 、 7 0 0中段 、 6 0 0中段。随着采矿深度的增加 , 采矿区作业 区域 的地应力越来越大 , 岩体的硬度和脆性也越来越高 , 已经逐渐形成了产生岩爆的条件。为了合理地评估 在马路坪深部开采中出现岩爆 的可能性, 通过对马 路坪矿区深部 4种主要岩石的各项试验, 根据能量 储耗指数、 岩石脆性指数 、 弹性应变能指数 、 线弹性 能准则等一系列判据指标及其评判标准 , 通过模糊 综合评判法得出了马路坪矿围岩岩爆的倾向性 。 1 岩爆影响 因素的选择 岩爆的产生有外部和内部两方面的原因。其外 因在于岩爆通常发生在高地应力 的地下岩体中, 由 于在岩体中开挖硐室改变 了岩体赋存的空间环境 , 国家重点研究发展计划 9 7 3计划 项 日 编号 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 2 , 2 0 0 9省级博士生创 新项 目 编号 C X 2 0 0 9 B 0 5 0 , 湖南 省研究 生 学位创新项 目 编号 1 3 4 3 7 4 2 3 6 0 0 0 0 1 3 。 林业 1 9 8 7 一 , 男 , 中南 大学 资源与安全 工程学 院, 硕士研究生 , 4 1 0 0 8 3湖南省长沙市。 林业等 马路坪矿深部开采岩爆倾向性模糊综合评判 2 0 1 0年第 4期 引起了洞室周围的岩体应力重新分布和应力集 中。 其内因在于岩爆一般发生在坚硬 、 脆性的岩石 中, 其 岩石矿物结构致密 、 坚硬 , 岩体在变形破坏过程中所 储存的弹性变形能不仅能满足岩体变形和破裂所消 耗 的能量 , 还有足够的剩余 能量转换为动能 , 使逐渐 被剥离的岩块弹射 出去而形成岩爆。因此 , 从岩石 本身的力学性质出发 , 研究岩石的岩爆特性 , 直接利 用岩石力学性质试验确定岩爆倾向性的定量指标是 岩爆倾向性研究的重要途径。同时还需对岩爆产生 的外 因适 当加 以考虑 。 1 . 1 与岩性条件有关的影响因素 1 . 1 . 1能量储 耗 指数 作为判别岩爆倾 向性 的指标 , 应综合考虑岩石 的弹性变形能储存 能力 以及能量 的积 累和耗散关 系 , 同时也应使实际测试工作简单可靠 。为此 , 将岩 石的单轴抗压强度与单轴抗拉强度之 比值和岩石在 峰值前 的总应 变量 与峰值后 的总应变量 之 比值 相 乘 , 将其乘积作 为岩石 的岩爆倾 向性 指标 , 用 k表 示 , 其表达式如下 k 一O “ c . , 1 t b 式 中, , 分别 为岩石 的单轴抗压强度和单轴抗 拉强度 ; , , s 分别为峰值前和峰值后 的总应变量 。 其判别指标见表 1 。 表 1岩 爆 分 级 评 价 标 准 柰 能量 储 耗指数 1 3 0 岩石脆性指数 K 9 . 0 弹性应变能指数 5 . 0 线弹幽; 准则 2 0 O 切向应力准则 T 0 . 7 地应力指数 S 0 . 2 5 岩体质量指标 R Q D 7 0 岩体完整性系数 0 . 7 5 1 . 1 . 2 岩石脆性指数 该方法是根据岩石峰值荷载前的应力 一应变曲 线 , 通过加 卸载来 求得 岩石 峰值 荷 载前 的总变形 u 和永久变形 u 来评价岩爆倾 向性 的, 其表达 式如下 K. . . 2 『 上 l ,越大 , 说明岩石 的脆性越大 , 则 岩爆发 生的 倾 向性亦越大。其判别指标见表 1 。 1 . 1 . 3弹性应变能指数 波兰的 K i d y b i n s k i 在文献 中引用 了 S t e c o w k a 和 D o mz a l 等人的弹性应变能储存指数 的概念 , 来判 定岩石发生岩爆的可能性 。应变能储存指数是岩石 的峰值强度前岩样 中弹性应变能储存能量与塑性变 形耗散的能量之 比, 其无量纲计算表达式为 , 3 式 中, 为应变 能储存指数 弹性能量指数 ; 。 。 为滞留的弹性应变能 , k J ; 为耗损的应变能 , k J 。 弹性能量指数测定 曲线见图 1 。 We 由图 1 所示 的加、 卸载应力 一应变 曲线下包 围的面积求得。 从 理论上讲 , 在试验 中应从岩石的峰值 强度点开始卸 载 以求算 。 但 由于试验时难以控制到峰值点 , 所 以一般均只加载至岩石峰值 强度 的 8 0 % ~9 0 %时 就开始卸载 。 图 1弹 性 应 变 能 指 数 的 测 定 曲线 弹性能量指数也叫冲击倾向指数 , 其值越大 , 破 坏时释放的能量也越多 , 能较好地反映岩爆 的存在 及烈度 。其判别指标见表 1 。 1 . 1 . 4线弹性能准则 在单轴压缩条件下 , 岩石达到峰值强度 以前所 储存 的弹性能为 rr 2 , 4 Z - , / A a s 式 中, 。 为单轴抗压强度 , MP a ; E 为卸载切线弹性 模量 , MP a 。其判别指标 见表 1 。 1 . 2 与围岩应力状态条件有关的影响因素 1 . 2 . 1 切 向应 力准 则 根据 R u s s e n e s , T u r c h a n i n o v , Ho e k等 人 的经验 判据提出了该准则。该准则同时考虑了岩体的应力 状态和岩石的力学性质 , 将 围岩 中的切 向应力 和岩 石抗压强度之 比定义为 , 即 7 T 一u 0 , 5 c 式 中, 为围岩切 向应力 ; 为岩石 单轴抗 压强 总第4 0 6期 金 底 砖 2 0 1 0年第4期 度。其判别指标见表 1 。 1 . 2 . 2 地 应力指 数 地应力值是表示岩体内积聚的弹性应变能的具 体指标。一般说 , 地应力在岩体中是 以三维形式存 在的, 但为计算简便, 在一般情况下可用地应力中的 最大值表示 , 即最大地应力值越大 , 积聚的弹性应变 能越大, 当岩石峰值强度前的弹性应变能的积聚量 达到岩石岩爆临界弹性能时就将发生岩爆。地应力 指数 s指最大地应力与岩石单轴抗压强度之 比, 即 S . 6 o 式 中, O - 。 为最大地应力值 ; 为岩 石单轴抗 压强 度。其判别指标见表 1 。 1 . 3与 围岩 条件有 关 的影响 因素 1 . 3 . 1 岩体质 量指标 R Q D 值 一 般情况下 , 裂隙发育的岩体完整性较差 , 不易 引起高应力集 中和能量积聚。因此 , 岩体裂隙的发 育程度从一个侧面反映了岩体产生岩爆的倾向。岩 体质量系数 R Q D值是描述岩体完整性好坏的一个 简单而实用的指标 , 根据岩体的 R Q D值可以近似分 析和掌握岩体的岩爆倾 向。其判别指标见表 l 。 1 . 3 . 2 岩体完整性系数 岩爆通常发生在完整岩体 中, 这是由于完整岩 体有利于弹性应变能的储存。根据我 国工程岩体分 级标准 G B 5 0 2 1 8 --9 4 , 岩体完整性系数 K 0 . 5 5 时岩体为较完整岩体 , 是岩爆发生 的有利条件。 在考虑不完整性岩体的结构性质对岩爆发生产生的 影响情况下 , 侯发亮等人提出的岩体完整性系数也 是决定岩爆发生的另一个重要指标 , 即 K 7 式中, K 为岩体完整性系数 ; C 为岩体弹性纵波波 速, m / s C 为岩石弹性纵波波速 , m / s 。其判别指标 见表 1 。 2 评价参数及评价标准的确定 根据实验结果 , 可得到马路坪矿的 4种岩石 的 各项指标如表 2 。 表 2马路坪矿 4种岩石指标统计 结果 注 切向应力准则与地应力指数这 2项指标 中每种岩石的 3个数值分别表示 7 5 0 , 7 0 0 , 6 0 0 13 1 这 3个 水平 中段的的数值 。 根据文献 [ 5 1 4 ] , 可得到如表 1的各个评判指 第 i 个标准值 。由此可得评价标准指标矩阵 标的岩爆分级评判标准。 Y 。 3 模糊 综合评判运算 3 . 1 指标矩阵的建立 由表 1可 得 4种 岩 样 各 项 指 标 矩 阵 。 其中岩体质量指标 R Q D取各个范围的平均值 , 即 9 3 , 3 5 , 5 3和 6 5 。 根据表 3指标分类标准与样品指标值 , 该表 中 Y Y . 分别为第 i 个评价指标第h 个分类标准值的 上下限。 i1 , 2 , ⋯, m; h1 , 2 , ⋯, C1 ; 为样品 表 3 指标分类标准值 与样 品指标值 Y z 1 ‘Y】 2 l 2 ‘Y1 3 2 1 Y2 2 2 2 2 。Y2 3 h ‘Y1 Y2 c 。Y2 林业等 马路坪矿深部开采岩爆倾向性模糊综合评判 2 0 1 0年第 4期 3 . 2 相对隶属度矩阵的建立 可以规定 , 对指 标值越 大越不稳定 的指 标 , 小 于 、 等于 1类标准下限值 Y 对模糊概念稳定性 的 相对隶属度为 1 ; 大于 、 等于 C 类标准上限值 Y 对 模糊概念稳定性的相对隶属度为 0 ; 介于Y Y 之 间指标值 的相对隶属度在 [ 1 , 0 ]区问。 按规格化公 式 8 确定 , 且类别越大稳定性越差 , 其相对隶属度 r I, 值越小 ㈦ 规定指标 i的 1类标准下 限值 Y 对模糊概念 稳定性 的相对隶属度等于 1 , 指标 i 的c 类标准 上限值 Y 对模糊概念稳定性 的相对隶属度等 于 0 , 介于 Y Y 之间指标 i 标准值 的相对隶属度在 [ 1 , 0 ] 区问。可按线性内插即规格化公式 9 确定 S i h , 9 ’ l y 式 中, S 为规格化数即指标分类标准值对模糊概念 稳定性 的相对隶属度 ; h1 , 2 , ⋯ , C , C1 。 从工程安全的角度考虑 , 指标 i 的相对隶属度 r 值落人 的类别越大 , 该指标对工程安全 的影 响越是 不利 , 应 赋予越大 的权重 。 根据此原 则 , 取定 大 于、 等于指标 i 第 C 类标准值 s 者 , 未归一化权重 W 等于 1 。 根据语气算子与相对隶属度值 的关系 , 相对 隶属度值 由 1 递减大约为 0 . 1的趋势 , 确定每递减 1 类 , W 递减 0 . 1 。 该岩爆有 4个指标 , 即 c4, 则有 表 4 。 表 4未归一化权重 类别 h 1 2 3 4 表 中 1 . 0 , 0 . 9, 0 . 8 , 0 . 7系未归一化权重标度 。 r 落入指标 i 的第 h 、 h1 类标准值s S 川 之间 者, 其未归一化权重线性 内插公式为 W 0 . 6 0 . 1f h _ 堕 l , 1 0 \ S i h S i h l 1 , 将 W 进行归一化得到 W 最终可得到样品的指标 权重矩 阵 w W 。 通常样本. 的 m个指标相对隶属度值参差不齐 地落在矩阵 不 同分类 的指标相对隶属 度标 准值 范围内。设 m个指标相对 隶属度值落入矩阵 S不 同类别 的上限值为 a ⋯ , 下限值为 a ⋯, 根据陈守煜 提出的模糊模式识别理论模 型 , 样本 . 对 于 h级 岩爆倾 向性 的最优相对隶属度函数为 芝 l ∑ z I r 一 s 1 ,a m j ≤ h ≤ am a x ; 1 1 式 中, 当距离参数P等于 1 时相当于采用海明距离 , P 等于 2时则相 当于取欧式距离。 在这里采用欧式距 离即P 2 。 最终可得到 4种岩样对各个级别 的相对隶属度 矩阵 。 3 . 3岩爆倾向性级别变量特征值评价结果 如果 采用最大隶属度原则来 确定级别的话 , 有 时会 因为丢失信息过多使评判失真 , 因此不宜采用 。 在这里 采 用 级 别 变 量 的特 征 值 作 为 评 判 准 则 ∑ M . 1 2 描述了分布列或分布多边形的整体特征 , 利 用了全部 的信息 , 且有明确的数学物理意义 , 因此它 可以作为样本J . 对模糊概念 隶属级别的评判指标 。 显然 , 应用级别变量特征值 作为评判 指标 , 要优 于 目前评判方法中通常采用 的最大隶属度原则 。 3 . 4岩爆倾向性模糊综合评判分析结果 综合 以上数据 , 可 以得到马路坪矿 4种岩石在 7 5 0 , 7 0 0 , 6 0 0 m 3个水平 中段 的岩爆倾 向性评 价结 果 , 如表 5~表 7 , 综合评价结果见表 8 。 表 5 马路坪矿 4种岩石 7 5 0 m 中段岩爆倾 向性 评价结果 表 6马路坪矿 4种岩石 7 0 0 m 中段岩爆倾 向性评价 结果 4结论 1 根据能量储耗指数 、 岩石脆性指数 、弹性应 l 3 P 。.. 总第 4 0 6期 金 属 矽 山 2 0 1 0年第4期 表 7 马路坪矿 4种岩石 6 0 0 m 中段岩爆倾 向性评价结果 表 8 马路坪矿 4种岩 石岩爆倾 向性综合评价结果 变能指数 、 线弹性能准则 、 切 向应力准则 、 地应力指 数 、 岩体质量指标和岩体完整性系数这 8项评判指 标 , 得出马路坪矿 4种岩石的岩爆倾 向性顺序为 砂 岩 矿石 红页岩 白云岩。 2 虽然砂岩在 3种水平位置 的岩爆倾向都是 中等岩爆偏向强岩爆 , 但从 值 可以看出从 7 5 0 m 中段到 6 0 0 m 中段分别为 3 . 0 4 7 , 3 . 2 6 5 , 3 . 4 4 4, 从 中可以预知 , 若继续往深部开采下去 , 则砂岩的岩爆 倾 向必定会向强岩爆靠近。 3 4种岩石若从 值观察 的话都有随着深度 的加深而发生岩爆的概率增大的趋势。因此砂岩和 矿石应 当特别注意岩爆的防范, 同时红页岩也应当 引起足够的注视, 从红页岩的 值可以看出从 7 5 0 m中段到 6 0 0 m中段分别为 1 . 8 3 2 , 1 . 8 5 3 , 1 . 9 0 7 , 若 继续往深部开采 , 红页岩也有发生中等岩爆的可能 性 。 4 白云岩的岩爆倾 向从表 中可以看出不是很 大 , 这也许与该 岩石的特性有关, 比如岩性 比较破 碎, 在高应力情况下岩体就不能储存 足够 的能量发 生岩爆 , 在现场发生 的岩爆现象可能就是因为在高 地应力的情况下破碎岩体 的剥落 , 而非岩体碎片 的 飞 出。 判指标, 对不同深度的围岩进行了岩爆的倾向性预 测 , 得到了比较合理的总体评判结果。 参考文献 [ 1 ] 谢文清. 地下工程施工 中岩爆 的形成机理及控 制措施[ J ] . 现 代隧道技术, 2 0 0 8 , 4 5 4 8 - 1 3 . 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