玲珑金矿深部开采岩爆分析.pdf

S e r i e s No ． 468 J u n e 2 01 5 金属矿山 METAL MI NE 总第 4 6 8 期 2 0 1 5年第 6期安全与环保玲珑金矿深部开采岩爆分析张子健纪洪广，张月征，陈志杰，宋朝阳， 1 ．金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要在金属矿山的深部开采过程中，岩爆的问题时有发生，现阶段对于岩爆问题的致灾原因分析主要集中在高地应力的领域，具有一定的局限性。通过引入能量指标以及冲击危险性应力指标，将岩石自身性质以及岩体所处应力状态等指标引入，丰富了岩爆研究的参数。借助 F L A C 如数值分析手段，对玲珑金矿未来深部开采过程中可能面临的岩爆问题进行模拟研究，，初步确定了玲珑金矿岩爆的危险性指数以及岩爆释放能量的大小，明确了岩爆的发生范围，并与现场的实地情况进行对比，较好地吻合了现场的实际情况，这也为玲珑金矿的安全生产、下一步的回采工作及岩爆的安全控制提供了依据。关键词能量指标冲击危险深部开采数值建模中图分类号T U 4 5 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 1 2 5 0 2 0 1 5 一 0 6 1 3 4 - 0 5 An a l y s i s o f Ro c k Bu r s t i n De e p M i n i n g o f Li n g l o n g Go l d M i n e Z h a n g Z i j i a n ， J i H o n g g u a n g Z h a n g Y u e z h e n g ， C h e n Z h i j i e ， S o n g Z h a o y a n g ， 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fH ig h E f fi c ie n t Mi n i n g a n d S a f e t y of Me t a l Mi n e s Mi n i s t ry of E d u c a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l of C i v i l a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g， U n i v e r s i t y of S c i e n c e a nd T e c h n o l o g y B e lti n g， B e ifi n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e r o c k b u r s t o f t e n h a p p e n s i n t h e p r o c e d u r e o f d e e p mi n i n g i n t h e me t a l mi n e ． S t u d i e s o n t h e r e a s o n s f o r t h e r o c k b u r s t ma i n l y f o c u s o n t h e h i g h i n s i t u s t r e s s fi e l d wi t h s o me l i mi t a t i o n s ． I n t h i s s t u d y ， t h e e n e r g y i n d e x a n d t h e s t r e s s i n d e x o f s h o c k h a z a r d we r e i n t r o d u c e d w i t h c o n s i d e r a t i o n o f r o c k p r o p e r t i e s a n d t h e s t a t e o f t h e r o c k， e n r i c h i n g t h e p a r a me t e r s o f s t u d y i n g r o c k b u r s t ． W i t h t h e u s e o f F L AC n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d， t h e p r o b l e m o f r o c k b u rst i n d e e p mi n i n g i n L i n g l o n g g o l d mi n e w a s s i mu l a t e d ． T h e n， t h e ri s k for r o c k b u r s t ， t h e v o l u me of t h e r e l e a s e d e n e r gy a n d t h e s c o p e o f r o c k b u r s t w e r e p r i ma r i l y d e t e r mi n e d， wh i c h w a s i n a c c o r d a n c e w i t h t h e a c t u a l s i t u a t i o n a f t e r c o mp a r i s o n ． T h e r e f o r e， t h i s me t h o d c a n p r o v i d e t h e b a s i s for s a f e p r o d u c ti o n a n d t h e f o l l o wi n g s t o p i n g i n L i n g l o n g g o l d mi n e ． Ke y wo r d s E n e r gy i n d e x， Ro c k b u r s t h a z a r d， D e e p mi n i n g ， Nu me r i c a l mo d e l i n g 近几年以来我国经济高速发展，对能源与矿产资源的需求不断增加，矿山开采在深度与广度上不断的增加与扩张，由此而来的矿山深部开采带来了岩爆等一系列地质灾害问题。在以往对岩爆的研究与分析过程中可以看出，岩体内部累积的能量对于岩爆以及岩石破坏的发生起着根本的作用⋯ ，能量的积累与耗散是一个动态平衡的过程，岩石在变形破坏过程中始终不断地与外界交换着物质和能量，是一个能量耗散的损伤演化过程 J ，岩体的变形过程中不断与外界产生能量的交换，当能量在耗散过程中发生突变时岩石会发生失稳和破坏，从宏观的能量角度研究岩爆过程中能量的积累及传递过程，能够为防灾减灾提供理论依据。在岩爆的研究过程中往往还会发现，岩爆的发生不仅与岩体内能量、应力的高低相关，更与岩石本身的力学性质有着密不可分的联系，岩爆的发生还与岩体所处的应力环境以及采场结构形式有着密切的关系，本研究以深度开采的玲珑金矿为背景，考虑矿岩的物理力学性质、能量聚集以及应力环境等状况，提出基于能量及冲击危险性的岩爆判别方法，并对岩爆发生的等级进行综合预判；借助数值分析手段，模拟了现阶段开采过程中的岩爆情况，并预测了玲珑金矿未来深部开采过程中可能面临的岩爆危险性，为岩爆预测的研究提供一条新的途径。 1 0 另 0 准贝 0 在岩爆的研究中，关于岩爆的判据指标有强度准收稿日期2 0 1 5 0 3 0 6 基金项目国家自然科学基金项目编号 5 1 1 7 4 0 1 5 ，国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划项目编号 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 3 。作者简介张子健 1 9 8 7 一，男，博士研究生。通讯作者纪洪广 1 9 6 3 一，男，教授，博士，博士研究生导师。 1 3 4 张子健等玲珑金矿深部开采岩爆分析 2 0 1 5年第6期则、深度准则、刚度准则以及能量准则，以上准则在岩爆预测中存在着参数单一、将岩石自身性质与岩石应力环境分开讨论等问题，为优化这一问题，就需要对岩爆的发生机理做一定的研究，岩爆的发生通常需要以下 2个条件岩体内部具有较高的能量，在岩体周围有给岩体提供岩爆所需的能量条件。文献 [ 8 - 9 ] 对上述 2个条件的研究表明，岩石岩爆的研究不能将岩体与岩体周围的力环境与能量环境分割讨论。因此在研究玲珑金矿深部开采岩爆危险性的过程中，选取了应变能指标与冲击危险性指标进行分析。通过应变能指标判别岩石所含有的能量大小，利用冲击危险性指标判断岩石周围应力环境产生岩爆的冲击危险程度，通过以上 2个指标综合分析岩爆发生的可能性及其强度。本研究利用 F L A C 如中内嵌的 fi s h进行编程，将能量判据与冲击危险应力指标判据，作为 F L A C 如软件的额外参量进行计算。 1 ． 1 能量判别为了确定岩体内部储存的能量大小，引入了能量理论中的经典应变能计算公式，利用 fi s h语言将式 1 进行编程计算 1 r ．． 1 J c r ；一 2 v o -l 0 -2 0 “2 0 “3 0 -3 0 “ 1 l ，二 B 1 其中，为应变能密度； o r ，、、，为岩石所处位置的 3个主应力值； E为弹性模量；为泊松比。由式 1 计算岩体中含有的应变能密度，结合单轴抗压试验中线弹性能准则判据如表 1 ，判断岩体岩爆等级。表 1 线弹性能判据等级分类 T a b l e 1 Th e c l a s s i fic a t i o n o f Li n e r e l a s t i c e n e r g y c t e do n 1 ． 2 冲击危险判别指标通过引入冲击危险性应力指标可以反应在某一应力水平下岩石的冲击危险性，将岩石的自身物理特性与周边岩体的应力环境联系到一起，完善了岩爆分析中指标单一的问题 “ 一式中，为冲击危险应力指标； c 为内聚力； 0 为内摩擦角；为应力峰值系数。冲击危险应力指标及对应危险等级见表 2 。表 2 冲击危险性指数应力指标 Ta b l e 2 Th e s t r e s s i n d e x o f r o c k ． b u r s t r i s k 2工程概况玲珑金矿是我国最大的黄金矿山之一，其金矿脉属于石英脉型金矿，对此类矿床赋存条件的地下矿山，深部开采将涉及一系列深部岩石力学问题，其中最突出的就是冲击地压和岩爆等动力学问题。在地层深部，高地应力的存在造成岩体内储存大量的弹性能，开采过程中，围岩破坏后弹性能的突然释放，有可能导致岩爆等突发的动力灾害。自2 0 0 7年以来，在一 4 2 0 m水平以下中段，发生多次比较明显的岩爆事件。目前，玲珑金矿已在 - 8 0 0 m以下水平发现了有开采价值矿体，其未来开采深度将很快超过 1 1 0 0 m，成为我国黄金矿山，甚至整个金属矿山领域开采深度最深的矿山之一。目前，其矿区内九曲一大开头分矿的最深生产中段为 - 7 2 0 m 中段，其深度已超过 9 0 0 m．一 7 2 0 m水平中段以下正在进行采准和开拓，因此，开展岩爆的预测、监测、预报和防治研究，成为保证该矿深部安全、高效开采的关键问题。 3 数值模拟及分析 3 ． 1 模型建立通过收集的地质剖面图、各中段采场设计图、采场平面图、剖面图，建立矿区模型。在模型的建立过程中，为提高模拟结果的精度，模型严格按照采场图纸进行建模，并考虑采场中巷道的安全，做到与实际地质情况吻合，限于网格数量对于计算速度计精度的影响，在建模的过程中主要考虑以下因素矿区围岩的应力分布情况及地质构造的影响范围；模型的尺寸协调关系对于模型计算结果的影响；近期的开采计划。最终确定模型范围及模型如图 1～图 3所示。图 1采场及巷道模型 Fi g． 1 The mode l o f s t o pe an d r oa dwa y 3 ． 2 计算参数设置玲珑金矿现用采矿方法为浅孔留矿法，回采结束后不进行充填。在计算的过程中按照实际的工程条件，模型共分为 2种不同的岩性，模型的试验参数按照表 3进行赋值。总第 4 6 8期金山 2 0 1 5年第 6期 g i n e e r i n g[ M] ． B e i j i n g S c ie n c e P r e s s ， 2 0 0 2 ． [ u] 张月征，纪洪广．基于莫尔一库伦强度理论的岩石冲击危险性判据[ J ] ．金属矿山， 2 0 1 4 1 1 1 3 8 1 4 2 ． Z h a n g Yu e z h e n g ， J i Ho n g g u ang ．I n s t a bi l i t y c rit e ri o n o f r o c k b u r s t r i s k b a s e d o n Mo h r C o u l o m b s t r e n g t h t h e o r y [ J ] ． Me t a l Mi n e ， 2 0 1 4 1 1 1 3 8 - 1 4 2 ． [ 1 2 ] 蔡美峰，刘卫东，李远．玲珑金矿深部地应力测量及矿区地应 1 3 8 力场分布规律[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 1 0 2 2 2 7 2 3 3 ． Ca i Me i f e n g， “u W e i d o n g， L i Yu a n ．I n s i t u s t r e s s me a s u r e me n t a t d e e p p o s i t i o n o f L i n g l o n g s o l d mi ne a n d d i s t rib u t i o n l a w of i n s i t u s t r e s s f i e l d i n mi n e a Y e a 『 J 1 ． C h i n e s e J o u rna l of R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 2 2 2 7 2 3 3 ．责任编辑石海林