深部开采岩爆理论研究现状评述.pdf

第 2 l卷第 2期 2 0 1 2年 6月 矿 冶 M1 NI NG ＆ ME TAL LURGY Vo 1 ． 2 1．NO ． 2 J u n e 2 0 1 2 文章编 号 1 0 0 5 - 7 8 5 4 2 0 1 2 0 2 -0 0 1 5 - 0 4 深部开采岩爆理论研究现状评述 齐玉俊侯 克鹏 孙华 芬 昆明理工 大 学 国土 资源 工程 学 院 ， 昆明 6 5 0 0 9 3 摘 要 随着矿 山开采 深度的增加 ， 岩爆已经成为一种越来越突 出的潜 在威胁 ，极大地威 胁着矿 山施 工人员和设备的安全 。本文针对岩爆概念 、 类型 、 形成 机理 、 影响 因素、 发生判据 、 预测与 防治 的研究现 状 ， 进行了归纳分析和评述。 关键词 深部开采； 岩爆 ； 机理； 影响因素； 预测； 判断 中图分类 号 T D 2 3 5 ． 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 - 7 8 5 4 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 0 4 REVI EW ON CURRENT S TUDY S TATUS OF ROCKBURS T T HE ORY I N DE E P MI NI NG E NG I NEE RI NG Q t Y u - j u n H O U K e - p e n g S U N H u a f e n F a c u l t y o f L a n d R e s o u r c e E n g i n e e r i n g ， K u n mi n g U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， K u n m i n g 6 5 0 0 9 3 ， C h i n a ABSTRACTAs t h e i n c r e a s i n g o f mi ni n g d e p t h，r o c k b u r s t h a s b e c o me a n o u t s t a nd i n g po t e n t i a l t hr e a t ，wh i c h t hr e a t e n s t h e s a f e t y o f mi n i n g l a b o r s a nd e q u i p me n t s ． Th i s a r t i c l e s u mma r i z e s ，a n a l y z e s a n d r e v i e ws t h e r e s e a r c h s t a t u s o f r o c kb u s t pr e d i c t i o n a n d pr e v e n t i o n f r o m ， t h e r e s p e c t s o f c o nc e p t ，t y p e，f o r ma t i o n me c ha ni s m ，i n flue n c i n g f a c t o r a n d o c c u r r e n c e c r i t e r i a o f r o c k b ur s t ． KEY WORDSd e e p mi n i n g； r o c k b u r s t ； me c h a n i s m； e f f e c t f a c t o r s ； f o r e c a s t ； j u d g g i n g 岩爆往往造成开挖工作面 的严重破坏 ， 设备损 坏 和人 员 伤亡 ， 已成 为 岩石 地 下 工 程 和 岩 石 力 学 领 域 的世 界性 难 题 。 随着 我 国大 型 交 通 工 程 、 大 型 水 电工程 的大规模兴建 ， 以及地下矿 山向深部矿床延 伸， 深部或深埋地下工程 中的岩爆问题越来越严重 ， 近年来相继出现严重的岩爆灾害。岩爆发生地点具 有随机性 、 孕育过程具有缓慢性 、 发生过程具有突发 性 ， 对生产安全和工程可靠性的危害极大， 已经严重 影响了矿 山的正 常生产 。随着开采 深度 的不 断增 加 ， 地应力随之增大 ， 导致岩爆发生频率逐步提高 ， 岩 爆 的破 坏 性 也 急 剧 加 大⋯ 。所 以必 须 从 岩 石 力 学性质 的基本理论 出发 ， 探索在深部采矿工程 中可 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 - 1 0 作者简介 齐玉俊 ， 岩士工程专业 ， 硕士研究生 。 能发 生岩 爆 的理论 和技 术 ， 从 而 防 治岩 爆 带 来 的灾 害 。 1 岩 爆 发 生 的机 理 及 分 类 1 ． 1岩爆 的 定义 岩爆是地下工程或采矿过程中岩体破坏 的一种 形式 。它是处于高地应力或极限平衡状态的岩体或 地质结构体 ， 在开挖活动的扰动下 ， 其 内部储存的应 力能瞬间释放 ， 造成开挖空间周 围部分岩体从母岩 体中急剧 、 猛烈地突 出或弹射 出来 的一种动态力学 现象。岩爆的发生常伴随着岩体震动 。 1 ． 2岩 爆 发 生机 理 国内外许多专家对岩爆研究 的结果表明， 岩爆 的发生除了岩体应力 地应力 或初始应 力 大于岩 石单轴抗压强度以外 ， 岩石还应该是坚硬 、 脆性和完 整 的 ； 同 时 ， 岩 石 的弹性 应变 能还 应 大于 岩石破 坏 耗 矿 冶 损 的应 变能 。 在矿山深部开采过程中， 岩体破裂导致岩体体 积膨胀 ， 巷道周围应力超过岩体强度时， 岩体内会产 生裂隙导致岩体膨胀 。在这过程中可能伴随着岩石 的弹射 。开挖扰动打破 了围岩原有的地应力平衡 ， 如果原有的地应力平衡在巷道开挖后分为巷道周边 切 向和径向应力。切 向应力值在巷道边线处 最大， 随着 与巷 道边 线 的距 离 增 加 而 减 小 ； 径 向应 力 在 巷 道周 边最 小 ，随着 与巷 道 边 线 的距 离减 小 而 增 加 。 如果岩体破坏快速发生， 就有可能发生岩爆 。 1 ． 3岩 爆 的类型 不 同 类 型 的岩 爆 产 生 的机 理 不 同 ， 认识 岩 爆 的 类 型是很 有 必要 的 。岩爆 一般 可 以分 为 以下 几 种类 型 1 应 变 型岩 爆 在深 部矿 井开 采 过程 中 ， 面 临着 高地应力的问题 ， 由于高原岩应力场的存在 ， 在采矿 和巷道 掘 进过 程 中 ， 会 造 成 在 垂 直 于原 岩 最 大 主 应 力方向上巷道壁处岩体 的最大切 向主应力超过岩体 本身的强度 ， 这时岩体会发生剧烈破坏并释放出储 存 的应变能 ， 这种岩爆称为应变性岩爆。 2 矿柱破坏型岩爆 房柱法采矿 的矿柱 、 留点柱 分层充填法的点柱、 长壁法开采的采场工作面等突 然破坏 ， 从而诱发矿柱周围岩体瞬间跨落 ， 造成大量 的设备损坏和人员伤亡 ， 这种岩爆称为矿柱破坏 型 岩爆 。这种 岩爆 往往 发 生在 大面 积房 柱法 开采 和分 层 充填 法 的采场 内 ， 容 易发生 连 锁反应 ， 导致矿 柱 相 继破坏 ， 造成采场内大范围塌落 ， 甚至使整个采场报 废 。 3 剪切破坏型岩爆 矿体的大面积开挖导致 巷 道 周 围未 采岩 层应 力 急 剧 升 高 ， 当应 力 达 到 完 整 岩 体破坏条件时， 导致岩体沿某一方位发生剪切破坏。 岩体的突然破裂导致破裂面上下盘岩体发生错动 ， 这 种 错动 产 生 的岩体 位移 传播 到采 场 或巷 道 的采空 区时， 造成空间 自由面附近岩体突出和破坏 ， 这种岩 爆称 为 剪切 破坏 型岩 爆 。 4 弯 曲破坏 岩 爆 在 垂 直 于层 状 岩体 巷 道 掘 进 或采矿时 ， 由于平行 于岩层层理方 向的原岩应力很 大 ， 采矿或掘进巷道会造 成平行层理方 向的岩层暴 露面积过大 ， 这有可能导致岩层发生突然弯曲折断。 这种岩爆发生在采 场时， 导致采场顶板岩体呈薄板 片状态突然冒落甚至垮塌 ； 发生在采掘巷道 内时， 表 现为巷道两侧岩帮或巷道迎头岩石呈薄板状突然破 坏 。 5 断层滑移型岩爆 大范 围采矿 ， 特别是采矿工 作面推进方向与前方岩体 内原有地质构造若面的法 线方 向一致时， 由于采矿解除了长期施 加在构 造弱 面法线方 向的夹持力 ， 导致原本活动性很差 的断层 重新 活化 ， 沿 原来 弱 面 重新 滑 动 。与 剪 切 岩爆 机 理 相近 ， 当岩体位移传播到采场或巷道临空面时 ， 导致 岩体大量破坏 ， 这种岩爆称之为断层滑移型爆破。 2岩 爆 机 理 研 究 的 现 状 由于岩爆发生机理极为复杂 ， 近几十年来 ， 虽然 国内外专家在岩爆机理方面做 了大量的研究工作 ， 但是 ， 国内外还没有成熟的理论和方法。现在 ， 人们 已从强度 、 刚度、 稳定 、 能量等诸多方 面对岩爆现象 进行 了分析 ， 提出了各种假设和判据 。 1 强度理论 早期 的强 度理论仅着 眼于岩 体 的破坏理论。而近代 的理论 主要考虑 “ 岩体． 围岩 ” 系 统复 杂受 力状 态 的极 限平衡 条件 。岩石 单 向抗 压 强 度和 围岩 的切 向应 力是 决定 岩 爆是 否发 生 以及 岩 爆 的强 烈程 度 。 2 刚度理论2 0世纪 7 0年代 B l a c k将刚度理 论用于分析美国爱达荷家利纳矿 区的岩爆问题。首 先认为矿山岩体结构理论的刚度大于矿山负荷的刚 度是岩爆产生的必要条件。岩爆取决于岩石在加载 过程 中刚度与应 力达到峰值后 卸载过程 的刚度 比 值。当该 比值 1时， 认为有可能发生岩爆 。 3 能量理论2 0世 纪 6 0年代中期 ， 库克等人 在 总结南 非 金 矿 岩 爆 研 究 的基 础 上 提 出 的 。认 为 “ 岩体． 围岩” 系统在力学平衡状态破坏时释放的能 量 大 于岩体 本身 破坏 所 消耗 的能 量则 发 生岩 爆 。通 过判断弹性应变能指数 弹性应变能与塑性应变能 的 比值 的大小 来确 定岩 爆是 否会 发 生 。 4 分形理论国内一些学者 ， 用分形几何学 的 方法 研究 了岩 爆发 生 的机 理和 预测 预报 手段 。这一 理论主要是使用分形的数 目与半径 的关系考察微震 事件 的位置分布 ， 发现微震时间具有集聚分形结构 。 在岩 爆 发生前 ， 微 震活 动 的集 聚程 度 明显增 加 ， 并 相 应 出现 在 主岩爆 区 。 3 深部 开采导致岩爆 发 生的影响 因素 和预测手段 3 ． 1 岩爆 影响 因素 巷道埋藏深度导致 围岩水平应力较高 ， 使相对 软弱的岩体发生 大范 围破 坏、 并 产生 了较 大变形 。 巷道变形非常敏感 ， 受震动、 邻近巷道掘进或回采工 作 面采 动影 响后 ， 围岩 变形 破 坏 明显 增 加 。有 岩 爆 矿 冶 表 1常用指标及预测判 断依据 T a b l e 1 C o mmo n i n d e x a n d f o r e c a s t i n g j u d g e me n t b a s i s 3 ． 2 ． 4岩爆 危 险性 判断 岩石原岩应力和岩爆倾 向性的测定 ， 应用岩爆 危险性判据判断岩爆发生的可能性。将原岩应力最 大主应力分量 o r 乘以 2 ， 计算出井巷周边的最大主 应力 o r 周 。根据 l 周 与岩石强度 o r 。的比值 判断岩 爆发生的可能性 。表 2是潘 长 良、 谢学斌 中南 大 学 的岩 爆应 力判 据 。 表 2岩爆应力判据 Ta b l e 2 Ro c k b r us t s t r e s s c r i t e r i 0 n 应力强度比值 岩爆 发生的可能 1 周／ 0 ． 2 0 ． 2≤ 1 月／ 0 ． 3 8 8 0 ． 3 8 8≤ 1 月／ o “ 0． 5 5 o - ] ／q ／ o - ≥ O ． 5 5 几乎不发生 可能发生 非常可能发生 几乎肯定发生 4 采矿过程 中岩爆 的控 制 4 ． 1优 化巷 道 围岩应 力 场 通过提高围岩的力学性能 ， 改善支护结构 ， 进而 改善围岩的承载性能 ， 形成有效的围岩 自稳强度 ， 阻 止围岩破坏 。优化巷道 围岩应力场 ， 巷道位置应布 置在应力降低区， 并对断面实施优化。 4 ． 2强化 围岩 强度 围岩强度的提高是通过对破裂岩体的碎裂过程 控制来实现的 ， 优化 围岩 的应力环境和 围岩浅部应 力环境 ， 促使 围岩由两 向应力状态 向三 向应力状态 转化。结合采矿工艺， 合理的安排采矿方法。 5 结 论 矿山随着开采深度的加大 ， 岩体应力急剧增加 ， 地温升高 ， 当岩体应力达到甚至超过岩体强度时 ， 有 关岩体力学科学与工程的若干问题由量变逐渐发展 到质变 ， 造 成资 源 开采 的极 端 困难 ， 引发 矿井 重 大安 全事故危险性增加 ， 特别是岩爆 的发生严重威胁矿 井 的安全生产。无论从战略高度还是从 当前生产实 际出发 ， 都迫切需要积极 开展深部开采 中岩爆 的基 础理论研究 ， 以期在新理论的指导下 ， 使矿井深部开 采安全 、 高产、 高效 。 参考 文献 [ 1 ]刘卫东 ， 李 角群 ， 李磊 ．岩爆研究现状综述 [ J ] ．黄金 ， 2 01 0， 3 6 1 2 6 2 8 ． [ 2 ]郭然 ， 潘长 良，于润 沧 ．有 岩爆倾 向硬岩矿床采 矿理论 与技术 [ M ]．北京 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ]郭树林 ， 姚香 ， 严 鹏 ， 等 ．中 国深井 岩 爆研 究 现 状评 述 [ J ] ．黄金 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 1 8 ． 2 1 ． [ 4 ]赵正禄 ， 刘 勇 ， 闫黄风 ．岩爆 问题 浅析 [ J ]．河南水利与 南水北调 ， 2 0 0 9 8 1 4 9 1 5 0 ． [ 5 ]杜子建 ．岩爆预测理论 与应用 研究 [ D] ．武汉 武 汉科 技大学 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ]黄学军 ，姜永东 ．隧道岩爆 的判据 与预测 预报 [ J ] ．矿 业安全 与环保 ， 2 0 0 5 ， 3 2 2 7 9 ．