阿舍勒铜矿深部岩爆倾向性综合分析应用研究.pdf

第 3 5卷第 6期 2 o 1 5年 1 2月 矿 冶 工 程 M I NI NG AND M ETALLURGI CAL ENGI NEERI NG V0 1 ． 3 5 № 6 De c e mb e r 2 01 5 阿舍勒铜矿深部岩爆倾 向性综合分析应用研究① 覃敏 ，刘 畅 ， 1 ． 长 沙矿 山研究 院有限责任公 司 ， 湖南 长沙 4 1 0 0 1 2 ； 2 ． 金属矿 山安全技术 国家重点实验室 ， 湖南 长沙 4 1 0 0 1 2 摘要 通过现场调查 、 地质钻探 、 地应力测试 ， 初步判断阿舍勒铜矿深部岩爆倾向性。依据室内试验结果运用 6种不同岩爆评价 方法对凝灰岩、 铜硫矿 、 黄铁矿 3 种深部主要岩性进行了评价 ， 并基于模糊数学多因素综合评价其岩爆倾 向性分别为弱、 强、 强。该 研究对其他深井矿山岩爆倾向性分析具有一定的指导意义。 关键词 岩爆；硬岩开采；深部开采；地应力； 模糊数学； 岩爆倾向性 中图分类号 P 6 4 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 3 6 0 9 9 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 9 文章编 号 0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 5 0 6 - 0 0 3 9 - 0 3 Ap pl i c a t i o n o f Co m p r e h e n s i v e An a l y s i s o f Ro c k b u r s t Te n de n c y i n De e p M i n i ng o f As he l e Co pp e r M i ne Q I N Mi n r ． L I U C h a n g ， 1 ． C h a n g s h a I n s t i t u t e o fMi n i n g R e s e a r c h C o L t d ，C h a n g s h a 4 1 0 0 1 2 ， H u n a n ，C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y ofMe t a l Mi n e S a f e t y T e c h n o l o g y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 1 2 ， H u n a n ， C h i n a Abs t r a c t Th e r o c k bu r s t t e nd e nc y i n t h e d e e p mi n i ng o f As h e l e Co p p e r Mi n e wa s p r e l i mi n a r i l y a n a l y z e d b a s e d o n f i e l d i n v e s t i g a t i o n，g e o l o g i c a l d ril l i n g a nd g r o u n d s t r e s s me a s u rin g ．Th e l i t h o l o g y o f t h r e e k i n d s o f r o c k a t t h e d e p t h o f mi n e t u ff， c o p p e r s u l p h u r o r e ， p y r i t e w e r e e v a l u a t e d u s i n g s i x d i ff e r e n t e v a l u a t i o n m e t h o d s f o r d e e p r o c k b u r s t b a s e d o n t h e l a bo r a t o r y t e s t r e s u l t s ．Th e r o c k b ur s t t e n d e n c y i s we a k for t u ff b u t s t r o n g for a n o t h e r t wo r o c k s ba s e d o n t he mu l t i - f a c t o r c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n me t h o d wi t h f u z z y ma t h e ma t i c s ．I t i s c o n c l u d e d t h a t t he r e s e a r c h r e s u l t i s o f r e f e r e n c e for r o c k b u r s t t e n d e n c y a n a l y s i s for d e e p mi n i n g ． Ke y wo r d sr o c k b ur s t ；h a r d r o c k mi n i n g；d e e p mi ni ng；g r o un d s t r e s s；f u z z y ma t h e ma t i c s ；r o c k b ur s t t e n d e n c y 随着浅部资源开采结束， 大部分有色金属矿山面 I 临资源减少或枯竭的局 面 ， 许多矿山已逐渐转入深部 矿床的开采 。在深部开采过程 中， 由于地应力大 ， 在 回 采扰动的影响下容易产生岩爆现象 ， 对安全生产和经 济效益产生极其不利的影响。 岩爆是深部开采尤其是深部硬岩开采地压活动 的 重要特征。深部开采地下工程一般处于高应力状 态 ， 当地应力超出岩体极限强度时， 岩体平衡受到破坏 ， 围 岩中的应力集中使岩体产生脆性破坏， 并伴随大量能 量释放 ， 发生岩爆。它可能造成施工人员伤亡 、 施工设 备毁坏 、 施工进度延缓 ， 导致施工综合成本增加等。 自 1 7 3 8年世界上首次有 了岩爆的发生记载 发生在英 国 的来比锡煤矿 ， 对国外 的许多深部矿 山而言 ， 岩爆是 “ 常见现象” 。我 国最早的岩爆记 录是 1 9 3 3年抚顺胜 利煤矿 ， 其后抚顺龙凤 矿和老虎 台矿也先后发生了岩 爆 。据资料 ， 1 9 3 5 ～1 9 8 5年 ， 世界范围内记载的较大型 深部矿 山岩爆有 5 7 0余起 ， 近年来随着世界范 围开采 深度的逐年增加 ， 关于矿山岩爆 的记载呈大幅度增加 趋势 J 。随着矿床开采向深部延 伸 ， 岩爆是深井矿床 开采的重大安全问题 ， 岩爆 防治 已成为矿山面 临的重 大难题 。 硬岩矿床开采岩爆倾向研究工作一般可按下列步 骤开展 J 第 1 步 ， 根据矿床地质勘探报告提供相关的 信息和资料对岩爆倾向初步判断； 第 2 步， 对主要岩样 进行常规物理力学室内试验和岩爆倾 向性试验 ； 第 3 步 ， 现场节理裂隙调查和地应力测试 ， 确定优势结构面 和主应力大小、 方位 ； 第 4步 ， 根据岩爆危 险性判据判 断矿床开采的岩爆倾向； 第 5步 ， 根据岩爆倾 向性分析 结果 ， 对采矿工艺进行调整 ， 并采 取相应措施控制 岩 爆 ； 第 6步， 有条件最好建立微震监测系统对岩爆 区域 ①收稿 日期 2 o 1 5 - o 6 - 2 5 作者简介 覃敏 1 9 8 6 一 ， 男 ， 湖北赤壁人 ， 硕士 ， 主要从事采矿工程安全开采方面的研究 。 矿冶工程 第 3 5卷 进行实时监测。 l 阿舍勒铜矿深部开采基本情况 阿舍勒铜矿经过 十多年 的开采 ， 4 0 0 m 中段 以上 可采矿产资源量逐渐减少 ， 为保证矿 山的持续发展和 生产能力 ， 全面开展 了二期开采建设工作 ， 开采深度达 1 0 0 0 m。深部 矿体岩性从 一般到特好 ， 整体 稳定性 好 ； 下盘围岩主要为凝灰 岩， 岩体质量从一般到 良好 ， 局部地方岩体松散 ， 遇水呈泥状 ； 上盘围压主要为黄铁 矿 ， 整体稳定性较好 。目前 已形成 3 5 0 、 3 0 0 、 2 5 0 、 2 0 0 、 1 5 0 、 1 0 0 、 5 0、 0 、 一 5 0 m共 9个中段 ， 采用 大直径深孔空 场嗣后充填法和中深孔分段空场嗣后充填法开采。 1 。 1 矿岩力学参数室内试验 为了合理评价阿舍勒铜矿深部工程地质条件 ， 获 取深部岩石物理力学特征 ， 针对矿山实际情况 ， 在现场 选取了凝灰岩 、 黄铁矿 、 铜硫矿 3种岩样进行加工 ， 并 对各岩样进行 了相关参数测定 ， 结果见表 1 。 表 1 矿岩力学参数试验结果 1 ． 2 现场 调查 通过节理裂隙调查和工程地质勘探 ， 查明阿舍勒 铜矿深部开采区域 的岩体工程地质条件 ， 为矿山整体 安全开采提供技术支撑 ； 根据矿体和围岩节理 、 裂隙现 场调查资料 ， 划分工程地质岩组 ， 评价不同岩组 的工程 地质条件 ， 结合前期室内岩石力学参数试验成果， 进行 岩体质量评价。不同分级方法的岩体分类范围见表 2 。 表 2 不 同分级方 法的岩体分类 范围表 1 ． 3现 场地应 力测 试 地应力是引起采矿等各种地下岩土工程变形和破 坏的根本作用力 J 。掌握现场地应力的大小 、 方 向对 矿山开采设 计、 地压管理等方面有重要 的指导作用 。 根据i 贝 布置原则 ， 结合矿山开采状况， 确定在阿舍勒 铜矿 3 0 0 m中段 5穿端头 、 2 0 0 m 中段 2穿内和 1 0 0 r n 中段 0穿内进行地应力现场测试。现场地应力测试结 果见表 3 。 表 3 地应力测试结果 最大主应力 6 l 中间主应力 6 2 最小主应力 数值方向倾角数值方 向倾角 ／ MP a ／ 。 ／ 。 ／ M P a ／ 。 ／ 。 3 0 0中段3 1 ．9 2 4 1 2 2 0 ．2 3 5 1 2 0 1 6 ． 5 1 2 5 7 l 2 0 O中段3 3 ．7 2 1 6 1 0 2 1 ． 3 3 0 2 2 3 墙． 6 1 0 2 6 9 1 13 0中段3 7 ． 7 2 2 7 l 8 2 6 ． 2 3 2 3 l 8 1 9 ． 1 9 6 6 4 2 阿舍勒深部岩爆倾向性试验分析 2 ． 1 深部岩爆倾 向初步判断 阿舍勒铜矿深部 开采达到 1 0 0 0 m， 埋藏深度大。 我国硬岩矿 山采矿 实践经 验表 明 J ， 开采 深度 小于 6 0 0 - 7 0 0 m时几乎没有发生岩爆 ， 而开采增加到 8 0 0 IT I 时岩爆频率明显增多， 如红透山铜矿。因此 ， 阿舍勒铜 矿有可能发生岩爆 。 地应力现场测试结果显示最大主应力以构造应力 为主 ， 而 自重应力 、 构造应力和采矿次生应力的叠3 J H -3 有可能超过脆性岩石强度 ， 导致发生岩爆。 深部矿床勘探期间发现岩芯“ 饼化” 现象 ， 说明岩 石脆性和矿区处于高应力状态。同时， 矿床在开拓采准 过程中， 采掘工人有 听到岩石破裂声 响， 说明开拓采准 巷道周围岩体中应力集中程度高 ， 岩体可能发生岩爆。 综上所述 ， 初步判断阿舍勒铜矿深部开采存在一 定程度的岩爆倾向性。 2 ． 2 深部岩爆倾向性评价 本文采用 6种不 同的评 价方法_ 2 ． 4 分别从 应力 、 能量 、 破坏时间及岩体质量等方面对深部 3种主要 岩 性进行岩爆倾 向性评价 J ， 评价结果见表 4 。 表 4 不同岩爆倾 向评价方法的评价结果 第 6期 覃敏等 阿舍勒铜矿深部岩爆倾 向性综合分析应用研究 4 1 2 ． 3 基于模糊数学多因素评价 由表 4可以看出， 对于同一种岩性 ， 运用不同判别 准则进行岩爆倾 向性预测 时， 其岩爆评 判倾 向性结果 具有一定的离散性 ， 不 能准确确定其岩爆倾 向性。不 同的评价方法依据的指标不 同 ， 且往往具 有考量 因素 上的单一性 ， 即一般只针对单一因素与岩爆 的关 系进 行评判 ， 不能将多种 因素系统地加 以分析 ， 因此 ， 不 同 的岩爆评价方法评判结果会 存在较大差异 。为此 ， 本 文引用模糊数学综合评判理论进行评价 ] 。 1 建立评判因素集 。根据岩爆倾 向性评价 内 容 ， 确定评价因素为岩石强度脆性系数 K 、 弹性能量 指数 WE 、 能量 冲击 性指 标 ， 、 动 态破 坏 时 间 D 、 线弹性应变能 和岩体质量等级 R MR ， 即 U{ ， ， ， ， D ， U， R MR} { “ 1 ， t t 2 ， U 3 ， 4 ， M 5 ， 6 各岩性因素集 u取值见表 4 。 2 建立岩爆烈度评判集 对不 同岩爆评价指 标对应的岩爆烈度发生等级进行 了分级 ， 统一分为无 岩爆倾向、 弱岩爆倾向、 中等岩爆倾 向和强岩爆倾 向 4 个级别 ， 则 无岩爆倾 向、 弱岩爆倾 向、 中等岩爆倾 向， 强 岩爆倾向 ， ， ， } 3 确定模糊关 系矩 阵及 因素隶属 函数 。确定模 糊评判矩阵 R r 。隶属度在模糊数 学中占据重 要地位 ， 主要确定方法有模糊统计方法 、 指派方法以及 其它较经典的隶属函数， 本文结合要求采用梯型隶属 度 函数作为各评价 指标对岩爆发生 烈度划分 的隶 属 函数 1级 2级 I ． t ． 3级 q ≤a a 6 ≤a a b o ， ≤ 6 ，⋯ ￡ Ci 1， b b ’ 口 4 级 0， ≤ b X i-- b i ， 6 c 其中 为第 个因素 的指标值 ； 以， “ u 分别为 指标 对应岩爆 4个级别 的隶属度 函数 ； a ， b ， c 均 为第 i 个 因素指标所对应岩爆判据等级的分界值 。 把凝灰岩 、 铜硫 矿、 黄铁矿相应数据代入式 中计 算 ， 隶属度模糊 函数分别为 R凝灰岩 铜硫矿 黄铁矿 0． 9 6 3 1 ． 0 0 0 0 ． 51 0 0 0 ． 1 3 3 1 ． 0 0 0 0 ． 88 3 0 0 ． 8 0 0 1 ． 0 0 0 0 ． 5 5 6 0 0 0． 4 2 8 1 ． 0 0 0 0． 36 4 1 ． 0 0 0 0 ． 9 3 0 0 ． 6 08 0 0 ． 5 71 1 ． 0 0 0 0 ． 73 3 0 0 0 ． 3 3 0 0． 9 6 8 1 ． 0 0 0 0 0 ． 55 6 1 ． 00 0 0． 8 0 0 O 0 ． 1 72 0． 2 08 1 ． 0 0 0 0 0 ． 0 5 6 0 ． 2 94 1 ． 0 0 0 0 O ． 71 3 1 ． 0 00 0． 2 4 2 0 0 ． 6 3 6 1 ． 0 00 0 ． 3 6 4 0 0． 2 51 0． 33 5 1 ． 0 0 0 0． 8 0 0 1 ． 0 0 0 0． 5 56 0 0 0 ． 1 5 2 0． 1 79 1 ． 0 0 0 0 0 ． 0 9 7 0． 5 36 1 ． 00 0 0 0． 6 6 9 1 ． O oo 0． 2 9 7 0 0． 6 3 6 1 ． 0 0 0 0． 3 6 4 4 确定指标因素权重集。根据各 因素的影 响程 度 ， 可分别对每一因素赋予相应的影响权重。指标因素 n 对评价对象影响 越大， 其权重越接近于1 ， 且 ∑o 1 。 蜀 确定各评价因素在岩爆倾向性评价预测中所起作用 的 大小或重要程度 权重 有 多种方法 。本文主要 采用 专家评分的方法确定权重 ， 并综合分析已有文献资料 ， 提出因素重要性系数即权重 a 的分配方案 。 A a 1 ， a 2 ， ⋯， a 6 0 ． 1 8 ， 0 ． 1 8 ， 0 ． 1 8 ， 0 ． 1 6 ， 0 ． 1 5 ， 0 ． 1 5 5 最大可能评判。用取大、 取小的合成运算 ， 可以 有一种模糊综合评判。如果 ma x { y 。 ， Y ， ⋯， y y ， 那 么判定综合评判的最大可能是 ， 。 。 YAR Y 1 ， Y 2 ， ⋯， Y n y f V ． 八 f ， J1 ， 2 ， ⋯， m 将各数据代人式中计算可知 y 凝 灰 岩 A R 0 ． 5 7 7 ， 0 ． 8 9 8 ， 0 ． 7 1 2 ， 0 ． 0 5 8 y 铜 硫 矿 A R 0 ， 0 ． 4 0 2 ， 0 ． 7 3 9 ， 0 ． 7 5 5 y 黄 铁 矿 A 0 ． 1 4 4 ， 0 ． 4 6 4 ， O ． 5 7 8 ， O ． 6 6 4 下转第 4 5 页 ， 一 0 ， 0一 ， 1 一二 O 一二 1 一 一 第 6期 陈雯等 新 型铁矿 阴离子捕 收剂 的溶解特性研究及应用 4 5 表 1 0 捕收剂 浮选 温度适应性试验结 果 3 结 语 新 型捕收剂 A 6在不 同温 度条件 下都 具有 良好 的分散性和溶解性 ， 温度 由 3 0℃降低 2 2℃时， A 6的 d 0 ． 5 仅增加了 1 5 ． 4 ％， 而 A 0的 d 0 ． 5 增加 了 7 2 ． 8 ％， 3 0℃时 A 6的溶解度为 2 7 ． 8 4 g ／ m L， 比 A 0的溶解度大 1 7 ． 8 4 g ／ m L； 1 5℃ 时 A 6的溶解 度为 l 8 ． 5 8 m L ， 比 A 0的溶解度大 1 5 ． 0 6 g ／ m L 。浮选试验中 A 6对含铁硅 酸盐矿物绿泥石 的浮选 回收率达到 6 5 ％， 而 A 0对绿 泥石的浮选 回收率仅为 4 3 ％， A 6的浮选捕收作用显著 强于 A 0 。2 0 0 时对微细粒袁家村铁矿进行反浮选试 验 ， 以 A 6为捕收剂时， 铁精矿 T F e品位达到了 6 5 ． 1 1 ％， 铁 回收率为 7 0 ． 4 6 ％， 而以 A O为捕收剂时， 铁精矿 T F e 品位仅为 5 4 ． 0 0 ％， 铁 回收率仅为 5 8 ． 6 2 ％， 相对于 A 0 ， A 6表现出更强的捕收性和选择性 ， 同时具有很好的浮 选温度适应性 。 参考文献 张泾生 ， 阙煊兰． 矿用药剂[ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 黄齐茂 ， 潘行 ， 张明 ， 等．高效 反 浮选捕 收剂 的合成 与应 用 [ J ] ． 武汉工程大学学报， 2 0 1 3 ， 3 5 4 4 3 4 7 ． 张月． 几 种新型脂肪酸类捕收剂改性药 剂介绍 [ J ] ． 盐湖研 究 ， 2 0 0 7 1 5 3 4 3 7 ． 李锋 ， 凌 济锁 ， 何茂方 ， 等 ． 一 种新 型磷矿 反浮选捕 收剂的合 成 与机理研究 [ J ] ． 化工矿物与加工 ， 2 0 1 4 6 3 - 5 ． Re n f e n g S o n g ， Ke Gu o ， C h a n g k u i Zh a n g，e t a 1 ．Re s e a r c h o n L KD n e w t y p e a n i o n i c r e v e r s e fl o t i o n c o l l e c t o r [ J ] ．Me t a l Mi n e ， 2 0 1 0 3 5 7 6 1 ． I r a n i l d e s Da n i e l Do s S a n t o s ， J o s 6 Fa r i a s Ol iv e i r a ．Ut i l i z a t i o n o f h u mi c a c i d a s a d e p r e s s a n t f o r h e ma t i t e i n t h e r e v e rse flo t a t i o n o f i r o n o r e [ J ] ． Mi n e r al s E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 2 0 1 0 0 3 1 0 0 7 ． A r a u j o A C， V i a n a P R M． P e r e s A E C ． R e a g e n t s i n i r o n o r e s fl o t a t i o n [ J ] ． Mi n e r als E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 1 8 2 1 9 2 2 4 ． 上接第 4 l 页 综上可知 ， 综合评判阿舍勒铜矿深部凝灰岩、 铜硫 矿、 黄铁矿的整体岩爆倾向性分别为弱岩爆倾向、 强岩 爆倾 向、 强岩爆倾 向。针对 阿舍 勒铜矿深部岩体岩爆 倾向性提前或及时采取措施加 以防治 ， 尽量减少岩爆 的发生 ， 并杜绝因岩爆引发 的大规模坍塌 ， 避免地下工 程开挖过程中灾难性事故 的发生 。岩爆 防治可采取 4 种有效措施， 即改善围岩性质、 降低围岩应力、 采用适 当的支护 、 合理的硐室结构布置及回采工艺。 3 结 论 通过现场调查 、 地应力测试 、 室内实验初步判断阿 舍勒铜矿深部岩爆倾 向性 ， 然后采用 6种岩爆倾 向性 评价方法对 3 种深部主要岩性进行评价 ， 最后基于模 糊数学模型多因素评价， 综合评判 3 种岩性岩爆倾向 性。针对阿舍勒铜矿岩爆倾向性分析应用， 对其他深 井矿山岩爆倾 向性分析具有一定的应用性和较强的科 学指导作用 。 参考文献 [ 1 ] 李庶林 ， 冯夏庭 ， 王泳嘉 ， 等． 深井硬岩岩爆倾 向性评价 [ J ] ． 东 北 大学 学报 自然科学版 ， 2 0 0 1 ， 2 2 1 6 0 - 6 3 ． [ 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 ] H o e k E ， B r o w n E T ． U n d e r g r o u n d E x a v a t i o n i n R o c k [ M] ． L o n d o n I n s t i t u t e of Mi n i n g a n d Me t all u r g y， 1 9 8 0 ． [ 4 ] 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 1 0 2 0 3 4 2 0 4 2 ． [ 5 ] 彭祝， 王元汉， 李廷芥． G r i f fi t h 理论与岩爆的判别准则[ J ] ． 岩 石力学与工程学报 ， 1 9 9 6 ， 1 5 增 4 9 1 - 4 9 5 ． [ 6 ] 谭以安． 模糊数学综合评判在地下洞室岩爆预测中的应用[ C ] ／ ／ 第二 次全 国岩石力学与工程学术会议论文集． 北京 知识 出版社 ， 1 9 8 9 ． [ 7 ] 王元汉， 李卧东， 李启光 ， 等． 岩爆预测的模糊数学综合评判方法 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 1 9 9 8 ， 1 7 5 4 9 3 4 9 9 ． [ 8 ] 杨健 ， 武雄 ． 岩爆综合 预测评价 方法 [ J ] ． 岩石力 学与工程 学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 3 4 1 1 4 1 6 ． 1 j 1 J、 J 1J 1 J |二