某深井矿山岩爆特征及形成机理研究.pdf

S e r i e s No ． 38 7 S e p t e mb e r 2 0 0 8 垒 母 MET AL MI NE 总 第3 8 7期 2 0 0 8 年 第 9期 某深井矿 山岩爆 特征及形 成机 理研 究 吉学文 王春来 吴爱祥 严庆文 黄学贵 1 ．云南驰宏锌锗股份有限公司； 2 ．北京科技大学 摘要 南驰宏锌锗股份有限公司会泽铅锌矿是我国一个千米深井矿山， 该深井硬岩矿山开采的基本问题 要素就是高地应力、 构造发育。对矿山地质条件进行了阐述， 通过现场调查 ， 描述了岩芯饼化和围岩剥落现象 ， 分 析了岩爆特征， 总结了发生岩爆的基本规律， 对 8 矿体进行了岩爆类型和岩爆烈度分级划分， 得出了该矿体围岩从 1 4 5 1 m中段至1 2 6 1 m中段具有中等至强烈岩爆倾向性， 从原岩应力、 地质构造及开采深度等岩爆影响因素分析了 岩爆发生的成因和形成机理， 为选择合理的采矿方法和岩爆控制技术措施提供了重要依据。 关键词深部开采高应力 岩芯饼化岩爆岩层剥 落 S t u d y o n t h e Ro c k b u s t M e c h a n i s m a n d Ch a r a c t e r i s t i c s i n a De e p Mi n e J i X u e w e n Wa n g C h u n l a i 。 Wu A i x i a n g Y a n Q i n g w e n H u a n g X u e g u i 0 1 ． Y u n n a n C h i h o n g Z nG e C o ． ， L ￡ a ． ； 2 ．U n i v e r s i t ， o fS c i e n c e T e c h n o l o g y B e t H g Ab s t r a c t Hu i z e L e a d ＆ Z i n c Mi n e o f Yu n n a n C h i h o n g Z n G e C o ． 。L t d i s a o n e t h o u s a n d me t e r d e e p mi n e ．T h e ma i n p r o b l e ms i n t h e mi n i n g of t h i s h a r d r o c k d e p o s i t i n c l u d e h i g h g r o u n d s t r e s s a n d d e v e l o p e d f a u l t s t r u c t u r e ．T h e p a p e r d e s c r i b e s t h e mi n e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a n d t h e r o c k c o r e c a k i n g a n d w a l l r o c k s p all i n g o b s e r v e d i n t h e f i e l d i n v e s t i g a t i o n， a n a l y z e s t h e r o c k b u r s t c h a r a c t e r i s t i c s ，s u mma riz e s t h e b a s i c l a w o f r o e k b u r s t o c c u r r e n c e a n d c l a s s i fi e s t h e r o e k b u r s t t y p e a n d i n t e n s i t y o f No ．8 o r e b o d y ．I t i s c o n c l u d e d t h a t t h e wa l l r o c k o f t h i s o r e b o d y b e t w e e n 1 4 5 1 I l l l e v e l t o 1 2 6 1 m l e v e l h a s me d i u m t o s t r o n g t r e n d o f r o c k b u r s t ．Th e c a u s e s a n d me c h a n i s m o f r o c k b u r s t a r e a n a l y z e d f r o m t h e i n i t i al r o c k s t r e s s ， g e o l o g i c a l s t r u c t u r e a n d mi n i n g d e p t h，h e r e b y p r o v i d i n g a n i mp o r t a n t b a s i s f o r c h o o s i n g t h e r a t i o n a l mi n i n g me t h o d a n d t h e t e c h ni c a l me a s u r e s f o r c o nt r o l l i n g t h e r o c k bu r s t ． Ke y wo r d s D e e p m i n i n g ， H i g h s t r e s s ， R o c k c o r e c a k i n g ， R o c k b u r s t ， R o c k s p a l l i n g 岩爆是在 高地 应力条件下地下 工程开挖过程 中， 硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异 ， 岩体 内原先储存的弹性应变能突发性地急剧释放， 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 。尽管 国内外学者在岩爆 的形成 、 发 生机理上和监测手段方面取得 了较大进展 ， 但没有 从根本上解决深井硬岩矿山岩爆问题 。 云南驰宏锌锗股份有限公司会泽铅锌矿是我国 乃至全世界罕见的特富铅锌锗多金属矿床 ， 地质储 量大 ， 矿石 品位 高 ， 且 富含锗 、 银、 镉 等多种稀 贵金 属 。矿 区深部矿体赋存条件极为复杂 ， 其开采条件 集“ 水 、 深 、 碎、 难 ” 于一体 ， 在我 国尚无先例。矿床 三面环水 ， 矿体与充水、 含水岩层直接接触并处于长 江支流牛栏江的河床之下 ， 矿体与矿 区东侧牛栏江 的水平距离仅为 9 0 0 m， 采矿生产活动一旦破坏隔 水岩层 ， 将可能导致矿井透水事故的发生 ； 矿 山深部 开采矿体埋藏深度达 1 2 8 0 IT I ， 是 目前全 国最深的金 属矿深井开采矿山之一 ； 深井 以及矿 区地处云贵高 原 的峡谷地 区， 原岩应力高 ， 矿井局部地段 已发生过 岩爆 ， 采矿生产存在极大 的安全威胁。 1 矿 山地质条件及岩爆特征 1 ． 1 矿山地质条件 矿 区位于云南省东北部 ， 下辖单位 中有一个是 以开采硫化铅锌矿石为主的麒麟厂 图 1 。矿床位 于扬子准地台西南缘 ， 滇黔褶断区的西部 ， 滇东北褶 断束南东部东川 一镇雄构造带中的会泽金牛厂 一 矿 山厂成矿带上。矿区构造以发育北东 一 南西向褶皱 与断层组成破背斜为特征。北东 一南西向的断层是 矿床重要的控矿构造 ， 矿山厂、 麒麟厂 、 银厂坡断层 组成三重叠瓦状构造 ， 断层具多期活动之特点 ， 与成 国家“ 十一五” 科技支撑计 划项 目 编号 2 0 0 6 B AB 0 2 A O 1 。 吉学文 1 9 6 6 一 ， 男， 云南驰宏锌锗股份有限公司资源开发处， 高级 工程师 ， 6 5 4 2 1 1云南省 曲靖市 。 维普资讯 总第 3 8 7期 金 离 矿 山 2 0 0 8年第 9期 矿关系密切 。麒麟坑 区域构造发育有北西 向断裂、 麒麟厂逆断层 ， 需要监测的 8 矿体赋存于下石炭统 摆佐组上部粗晶白云岩中， 矿体顶、 底板与围岩界限 清楚 ， 沿层产 出。矿体产状与地层一致 ， 走 向为北 2 0 。～ 4 0 。 东； 倾 向为南东 ； 倾角为 6 1 。～ 6 3 。 ， 埋深达 1 2 8 0 m， 矿体上 、 下盘均为中粗晶白云岩夹灰岩。 图 1 会泽铅锌矿 矿区地质构造 P 2 8一上二叠统玄武岩 ， 压扭性断裂 ； P 1 一上二叠统灰岩 ， 张 扭 性断裂； C一 石炭系白云岩， 夹灰岩矿床； D一 泥盆 系灰岩 ， 夹砂页岩假整合面 ； C一寒 武系页岩 、 砂岩 ， 地质 界线 ； z b 一上震旦统灯影组灰岩 ， AA剖面线 1 ． 2 岩爆特征 1 ． 2 ． 1 岩芯饼化现象 所谓岩芯饼化现象是指在钻进取样过程 中岩芯 因应力释放而呈 圆饼状破 裂的现象 ， 是岩石脆性和 矿区处于高应力状态的明显标志 ， 是钻孔 中发生脆 性破裂 、 钻进过程 中差异卸荷 回弹的产物， 破裂主要 发生在一定高度的岩芯根部， 是由拉张和复合机制 导致的。这种现象主要见 于火成岩地区 ， 但在坚硬 变质岩及沉积岩 中也能见到l 7 - 8 1 o这一现象早在 2 O 世纪 6 0年代就有发现 ， 但直到 7 0年代 ， 人们认识到 它是高地应力区所特有 的岩体力学现象时 ， 才引起 足够重视。我国二滩电站 、 鲁布革电站 、 黄河拉西瓦 电站、 金川矿 区等都有岩芯饼化现象 ， 在会泽铅锌矿 麒麟厂矿体现场土程地质钻探过程 中， 在各岩层 中 均发现有不同程度的岩芯饼化现象。现场统计结果 表明， 岩芯饼化现象具有如下特征。 1 分布范 围广 ， 但数 量较少。在所施工 的钻 孔中， 大部分沿矿体走向布置的钻孔见饼化现象 ， 但 饼化数量并不多， 即饼化现象并不严重。一般一个 钻孔 1 5 1T I 中分布 2～ 3处 ， 每处 2 0 e m左右。 2 岩饼厚度小。平均厚度为 1～ 2 c m， 最薄的 仅为0 ． 2～ 0 ． 3 c m， 一般厚度为 1 c m左右 ， 一般厚度 小于直径的 1 ／ 3 。 ． 2 4 3 有一类还未断开成饼状的岩芯， 其上清晰 可见 由互相迭错 的细小齿状裂缝构成 的环带 ， 裂缝 最大张开度约 0 ． 5 mm， 这类岩芯可顺裂缝将其掰成 饼状， 之后还能就其原始位置接起来。 4 岩饼主要有 2种形态 一种表面凹凸不平 ； 另一种表面平整光滑 ， 岩饼表面新鲜 ， 无浸染痕迹 。 钻孔饼化岩芯及岩饼形态见 图2 。 图 2 钻孔 中的岩芯饼化 1 ． 2 ． 2 巷道围岩的片状剥落现象 由于 8 矿体 深部开采埋深 已超过 1 0 0 0 m， 在 8 矿体 1 3 9 1 m、 1 3 3 1 m中段 ， 发现在矿体 的上盘穿 脉和下盘主运输巷出现不同程度的围岩片状剥落现 象 ， 具体特征如下 1 巷道 的“ 肩部 ” 和边帮剥落现象尤 为严重 ， 且 比较普遍 ； 2 矿体上盘比矿体下盘巷道围岩片落现象更 严重 ； 3 深部巷道围岩片落比浅部要严重得多； 4 片落方 向与巷 道轴线 方 向垂直 ， 延伸方 向 与巷道主轴方向一致 ， 沿巷道方向延伸数米至数 十 米 ， 呈板状岩片 ， 厚度为 0 ． 5～ 2 0 c m， 向巷道侧帮延 伸约 0 ． 3～ 0 ． 8 1T I 。 2 岩爆类型与岩爆烈度分级 岩爆类型划分主要是依据岩体弹性应变能的储 存与释放特征或应力作用方式而进行 的 ， 目前学术 界 尚未达成共识 。岩爆类型和岩爆烈度分级是研究 岩爆 预测和防治的基本依据 ， 为了掌握 8 矿体发生 岩爆 的基本依据 ， 采取有效的、 针对性的岩爆防治措 施 ， 根据现场调查 的成果 ， 对 8 矿体进行岩爆类型 和岩爆烈度分级研究分析 1 按破裂程度将其划分为破裂松弛型 ； 2 按规模将岩爆划 分为零星岩爆 长 为 0 ． 5 ～ 1 0 m 和成片岩爆 长为 1 0 ～2 0 m ； 3 根据岩爆岩体破坏方式， 将其划分为片状 剥落型 ； 4 根据岩爆岩体高地应力成因和最大主应力 维普资讯 吉学文等 某深井矿山岩爆特征及形成机理研 究 2 0 0 8年第 9期 方 向， 将其划分为混合应力型。 综合 国内外研究现状 加 ， 岩爆烈度划分 为轻 微 、 中等 、 强烈 、 剧烈岩爆 4级 表 1 。 表 1 岩爆 烈度分级 应力法是挪威的 B a o n等人提 出的 Q系统分 类中的 或 J8 判别法 ， 它是最简单的方法之一 ， 表 达式为 R ， ／ I J 式中 ， R 为岩石单轴抗压强度 ； R 为单轴抗拉强度； 为最大地应力 。判别方法 1 00 ． 6 6， 无岩爆 ； 5 ≤ 1 0 ， 0 ． 3 3 0 ． 6 6 ， 轻微岩爆 ； 2 ． 5 ≤ 1 0， 0 ． 1 6 0 ． 3 3 ， 中等岩爆 ； ≤2 ． 5 ， 6 0 MP a的硬岩 ， 容易发生岩爆。8 矿体 直接顶板为 C l b 岩层 、 底板为 C 岩层 ， 上部为灰 白色 厚层含生物碎屑粗 晶白云岩及 粉晶 一细晶灰岩 ， 具 溶孔构造 ； 下部为灰色厚层状砂砾屑灰岩夹细晶 白 云岩 ， 具藻纹层结构 ， 中部为浅灰色 一灰 白色中至粗 晶白云岩 ， 具藻纹层和溶孔构造 ， 含黄铁矿 。其 中， C l a 岩层单轴抗压强度已超过 8 0 M P a ， R Q O值均超 过 7 0 ％ ， 属于较完整岩体。在井下 工程开挖 时， 由 于高地应力 的作用而在工程巷道 的“ 肩 部’ ’ 形成 剪 应力集中， 产生岩层剥落。这一规律的发现 ， 可以为 高应力区工程岩爆 的防治提供重要的依据 。 3 ． 1 ． 2 原岩应力对岩爆 的影响因素 岩石在原岩应力的作用下 ， 比较容易蓄积较高 的弹性应变能 ， 在高应力条件下 ， 进行开挖洞室或巷 道 ， 使得巷道周边岩体应力可 以达到原岩应力 2～ 3 倍 。经测试 ， 8 矿体 1 3 9 1 m 中段 、 1 2 6 1 m 中段原 岩应力最 大值达 到 2 5 ． 5 MP a和 3 1 ． 5 MP a 。利 用 B a r t o n等人提出的应力法 ， R ／ 2～ 2 ． 6判断为 极高应力 区， 具有 中等至强烈岩爆倾 向。以上结论 说明 ， 8 矿体具有 中等至强烈岩爆倾 向， 在该岩体 中 开挖工程一定要注意岩爆的防治。 3 ． 1 ． 3工程埋 深 就岩爆发生 的地点而言 ， 一般都发生在地下深 部 7 0 0 m以下 ， 但也会发生在较浅或 中深部高应力 岩层 中， 欧洲煤矿在地表以下 2 0 0～ 4 0 0 m即有岩爆 发生， 前苏联 的金属矿 山始发深度在 1 8 0～4 0 0 m， 印度的 K o l a r 金矿在 1 5 0 m深处就发生过岩爆 。目 前 ， 8 矿体开拓至 1 2 6 1 m水平 ， 埋深超过 1 0 0 0 m， 所以， 从现有开拓工程及即将开采深度看 ， 8 矿体存 在着严重 的岩爆倾 向性 。 3 ． 2 岩爆形成机理 由于巷道 的开挖 ， 在高应力作用下 ， 具有硬脆性 的岩石巷道周边形成应力集 中， 巷道工程主要是沿 矿体走向方向 ， 在巷道周边形成平行于洞壁方向 ， 巷 道周边岩体处于单 轴抗压或低 围压状态 ， 在水平地 应力 的作用下会产生巷道“ 肩部” 剥落 。 在实验室 下转第 3 0页 - 维普资讯 总第 3 8 7期 金 砖 2 0 0 8年第 9期 D／ r n 图 7 碱 矿渣水 泥 一 尾 砂固化体 内部孔 结构的 MI P测定结果 一 1 0 ％． 7 d ⋯ 1 5 ％． 7f l 一- 一 3 0 ％． 7 I 一一 l 0 ％． 2 8 {⋯- 一 i 5 ％． 2 8 d ⋯⋯ 3 O ％ 2 8 d 可以看出， 对于养护龄期相同的固化体试样 ， 随 着碱矿渣水泥掺量的增加固化体结构逐渐致密化。 当养护龄期为 7 d时， 水泥掺量为 1 0 ％时固化体内 的孔隙主要集 中于 0 ． 1 m m左右 ， 水 泥掺量增加 至 1 5 ％时固化体内的孔隙主要集中于 1 m左右， 而 当水泥掺量增加至 3 0 ％时固化体内的孔隙则主要 集中于小于 5 0 n n l 的区域。当养护龄期为 2 8 d时， 水泥掺量为 1 0 ％时 固化体 内的孔 隙就 已经集 中于 小于 1 m的区域 ， 水泥掺量增 加至 1 5 ％时 固化体 内的孑 L 隙则已经集 中于小于 5 0 n m 的区域 ， 而 当水 泥掺量增加至3 0 ％时固化体内的孔隙则几乎全部集 中于小于 1 0 n m的区域 ， 已经基本与硬化水泥石 内 部孔 隙相接近 。 3结论 1 水玻璃模数为 ， 掺量为 1 4 ％时 ， 碱矿渣 水泥净浆强度最高 ， 3 d ． 7 d和 2 8 d抗压强度可分 别达到 6 9 ． 6 MP a , 8 4 ． 0 MP a和 9 1 ． 8 MP a 。 2 在水泥 一尾砂 浆体 固含量相 同的情况下 ， 碱矿渣水泥 一尾砂浆体 的流动性 明显好于普通硅酸 盐水泥 一尾砂浆体的流动性 ， 固化体强度也明显高 于普通硅酸盐水泥 一尾砂 固化体 ， 尤其是后期强度 提高更明显。 3 碱矿渣水泥比普通硅酸盐水泥更适合于用 作尾砂 回填胶结材料 。 [ 2 ] [ 3] [ 4] 参考文献 孙恒 虎，黄玉诚 ， 杨 宝贵．当代胶结 充填技术 [ M] ． 北京 冶 金工业 出版社 ． 2 0 0 2 ． 沈威 ，黄文熙 ，闵盘荣 水泥工艺学 [ M] ．武 汉 武 汉工业 大 学出版社 ． 2 0 0 2 ． 闫小梅， 潘志华， 王方汉， 等． 水泥 一尾砂浆体流动性与固化 体强度的研究 [ J j ．金属矿山 ， 2 0 0 7 9 3 5 - 3 8 ． 王方汊， 姚中亮， 曹维勤．全尾砂膏体充填技术及工艺流程 的试 验研究 [ c] ／ ／ 第八届 国际充填采矿会议论文集 ．长沙 矿 业研 究与开发杂志社 ，2 0 0 4 5 1 - 5 5 ． 收稿 日期2 0 0 8 - 0 7 ． 0 9 上接第 2 5页 中进行 的单轴抗压试验表 明， 试样破坏表现为 2种 类型 一种是沿试样 主轴 方向即主应力方 向劈裂属 于张 劈裂； 另一种是沿试样斜剪切破坏。 4结论 根据现场调查结果并结合前期科研工作成果 ， 回采的 1 3 3 1 I n中段 、 1 3 9 1 1 T I 中段具有 中等 一强烈 岩爆倾 向性 ， 采矿工程 的开挖会增加工程周边岩体 的应力集中， 由于地质条件因素不能改变采矿方法 ， 并且证 明改变采矿方法都不能消除采场上下盘岩体 的应力集中， 所以 ， 进行 采矿工程设计 时， 应尽量考 虑优化 回采顺序和采场结构参数 ， 尽 量避免产生岩 爆发生。 [ 2 ] 参考文献 刁心宏 ， 远洋 ，张传 信．金属矿 山地质 灾害 及其研 究发 展 趋势 [ J ] ．金属矿山 ， 2 0 0 6 6 1 - 4 ． 徐林生 ， 王兰生 ， 李天斌．国 内外岩爆 研究现状综 述 [ J ] ． 长 江 3 0 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] 科学 院院报 ， 1 9 9 9， 1 6 4 2 4 - 2 7 ． 李桂云， 李金良， 赵晓举， 等．深部巷道岩爆预测及防治技术 [ J ] ．河南理工大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 4 2 6 6 - 2 6 9 ． 王春来 ， 徐必根 ， 李 庶林． 凡 口铅锌矿 深部 岩体声 波测试研 究 [ J ] ．采矿技术 ， 2 0 0 3 ， 3 1 4 1 42 ． 熊祖强 ，贺怀建． 深井 矿 山硬 岩巷道 岩爆 治理方 案研究 [ J ] ． 化工矿物与加工 ， 2 0 0 6 9 2 5 - 2 7 ． ‘ 徐林生 ．王兰生．岩爆形 成机理研 究 [ J ] ．重庆 大学学报 自 然科学版 ， 2 0 0 1 ， 2 4 2 1 1 5 1 1 7 ． 唐绍辉 ，吴壮军 ，陈向华．地 下深井 矿山岩爆 发生 规律及形 成机理研究 [ J ] ．岩石 力学 与工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 2 8 1 2 5 0 1 2 5 4． 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 ． 徐林生 ， 王兰生 ， 李永林． 岩爆形成 机制与判据研究 [ J ] ．岩 土 力学 , 2 0 0 2 ，2 3 3 3 0 0 - 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