深部開采礦山巖爆傾向性研究

鄒 平，曹 宇，胡培良，孟中華，劉正宇

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.湖南瑤崗仙礦業有限責任公司，湖南 郴州市 424209； 3.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

深部開采礦山巖爆傾向性研究

鄒 平1,3，曹 宇2，胡培良1，孟中華1，劉正宇1

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.湖南瑤崗仙礦業有限責任公司，湖南 郴州市 424209； 3.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

巖爆是深部開采中最為常見和嚴重的巖體破壞現象。針對湖北某礦深部開采過程中遇到的巖爆問題，分別采用脆性系數判別法、彈性變形能指數判別法、沖擊能指標判別法、巖體結構判別法對該礦3種巖石的巖爆傾向性強度等級和順序進行了判別，并據此提出了相關建議，以減小該礦深部開采巖爆災害的發生。

深部開采；巖爆；傾向性；綜合判別

0 引 言

近年來，我國大批金屬與非金屬礦山已轉入深部開采階段，如紅透山銅礦、冬瓜山銅礦、弓長嶺鐵礦、夾皮溝金礦、湘西金礦、山東玲瓏金礦等礦山的開采深度都已超過800 m[1]。深部開采帶來的巖爆問題嚴重威脅到井下作業人員和設備的安全，必須引起足夠的重視。巖爆是處于高地應力或極限平衡狀態的巖體或地質結構體，在開挖活動的擾動下，其內部儲存的應力能瞬間釋放，造成開挖空間周圍部分巖體從母巖體中急劇、猛烈地突出或彈射出來的一種動態力學現象[2]。

巖爆涉及巖性、巖體結構和應力環境三個方面。目前巖爆研究思路大致為：首先進行巖爆機理研究，測定巖爆傾向性指標，提出巖爆判據。根據判據，借助于有限單元等方法進行數值模擬，分析巖體工程圍巖的應力分布，優化采場結構參數，控制采礦工程的巖爆發生，并安裝監測儀器監測巖爆與預報巖爆，以采取措施減輕或消除巖爆危害[3￣6]。

1 工程概況

湖北某礦從1974年開始建礦，經過40多年的地下開采，在井下已形成了16個開采中段，目前主要的生產和開拓中段為-530，-570，-600 m中段，開采深度為700～800 m。隨著開采深度的增加，地壓活動越來越頻繁，在進行深部-530，-570 m巷道開拓和礦體開采時發生了片幫、開裂甚至巖爆等地壓活動現象。

礦體賦存于石英閃長巖與大理巖接觸帶上，礦體為含銅矽卡巖、含銅矽化大理巖及含銅石英閃長巖，為堅硬性脆的地質體，圍巖堅硬致密，抗風化能力較強，穩定性好。

礦床內的工程地質巖組主要有大理巖、矽卡巖和石英閃長斑巖：

(1) 大理巖巖組：灰色，主要礦物為結晶方解石，結構致密，塊狀構造，巖石穩固性、完整性較好。按工程巖體分類，為塊體結構。

(2) 矽卡巖巖組：灰褐色，主要礦物為石榴子，其次為透輝石。結構致密，塊狀構造。巖石穩固性、完整性好，屬塊體結構。

(3) 石英閃長斑巖巖組：灰色，主要礦物為長石、石英及云母。多為斑狀結構、塊狀構造。在節理裂隙發育處或巖石強烈蝕變處，巖石較破碎。新鮮巖石比較堅固和完整。工程巖體分類為塊體結構。

總體工程地質類型屬簡單類型。

2 巖爆傾向性判別

巖爆傾向性是指巖石自身具有的發生巖爆的內在特性。巖爆傾向性研究是從巖石的強度特性和變形特性著手進行巖爆預測研究。目前，用于巖爆傾向性判別的方法主要有脆性系數判別法、彈性變形能指數判別法、沖擊能指標判別法、巖體結構判別法等[7￣11]。

該礦巖石均為堅硬、較堅硬的巖石，巖體質量、完整性及其穩定性較好，且其工程地質條件較好。在巖體結構和應力環境兩方面明顯具備發生巖爆的條件，因此，只要對巖石的巖爆傾向性進行研究就可以預測是否會發生巖爆。

2.1 脆性系數判別法

陸家佑教授根據巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度提出了巖爆的強度脆性系數(R)判別法：通常發生巖爆的巖石為致密的硬巖(Rc>60 MPa)，當Rc/Rt≥R時，將產生巖爆，R值越大說明巖石的脆性越大，則巖爆發生的傾向性越大。其判別準則為：

(1)R<10時，無巖爆；

(2) 10≤R<18時，中等程度巖爆；

(3) 18≤R時，強烈巖爆。

根據脆性系數R判斷該礦巖爆傾向性的結果見表1。

2.2 彈性變形能指數判別法

彈性變形能指數Wet由波蘭采礦研究總院提出，巖石循環加載實驗將巖石試件加載到(0.7～0.8)Rc，然后再卸載到0.05Rc，得到巖石的加卸載曲線如圖1所示。

圖1 巖石試樣的加卸載曲線

根據加卸載曲線可以得到彈性能指數：

式中，Ee為巖石試件峰值載荷前的彈性變形儲能；Ep為巖石試件由于產生塑性變形和內部微破裂而消耗的能量；f(ε),f1(ε)分別為加卸載曲線；εt,εe,εp分別為總應變、彈性應變和塑性應變。

Wet判別法的準則為：

(1)Wet≥5.0時，強烈巖爆傾向；

(2) 2.0≤Wet<5.0時，中等巖爆傾向；

(3)Wet<2.0時，無巖爆傾向。

根據Wet判斷巖爆傾向性的結果見表2。

表2 彈性變形能指數Wet判別巖爆傾向性結果

2.3 沖擊能指標判別法

沖擊能指標判別法主要是通過比較巖石在破壞前后的能量損失來判斷巖爆傾向性。沖擊能指標通過巖石全應力-應變實驗獲得，其計算公式為：

Wcf=F1/F2

式中，Wcf為沖擊能指標；F1和F2分別為巖石的全應力-應變曲線圖中以峰值荷載為界的左右部分曲線與變形坐標軸圍成的面積。

用Wcf判別巖石巖爆傾向性的標準為：

(1)Wcf>3.0時，強烈巖爆傾向；

(2) 2.0

(3)Wcf<2.0時，無巖爆傾向。

根據沖擊能指標Wcf判斷巖爆傾向性的結果見表3。試驗過程中大理巖基本試驗平穩，無炸裂聲；閃長巖普遍有炸裂聲；2塊矽卡巖有炸裂聲，其余4塊無炸裂聲。若巖石突然炸裂成碎塊，很難繪制出峰值后的完整曲線，其計算的沖擊能指標偏大。

2.4 巖體結構判別法

裂隙發育的巖體不易引起高應力集中和能量積聚，巖爆一般發生I、II兩類和部分III類巖體中。巖體結構判別法主要是根據巖石完整性系數Kv或巖體質量指標RQD來表示巖體結構對巖爆發生的控制作用，其判別準則為：Kv0.75或RQD60%。

根據巖體結構判別巖爆傾向性的結果見表4。

表3 沖擊能指標Wcf判別巖爆傾向性結果

表4 巖體結構判斷巖爆傾向性結果

2.5 巖爆傾向性綜合判定

根據以上4種巖爆傾向性判別方法的分析結果來看，由于每一種巖爆傾向性判別方法均具有一定的局限性，對同一種巖石采用不同的方法得到不同的結論，因此需要綜合各種方法的分析結果來判別湖北某礦礦巖的巖爆傾向性，綜合判定結果見表5。

表5 巖爆傾向性綜合判定結果

3 結 論

(1) 巖爆是深部開采中最為常見和嚴重的巖體破壞現象。巖爆傾向性是巖石自身發生巖爆的內在特性，是研究巖爆的基礎。

(2) 采用脆性系數判別法、彈性變形能指數判別法、沖擊能指標判別法、巖體結構判別法對湖北某礦深部開采的3種巖石的巖爆傾向性進行了判別，其綜合判別結果為：大理巖無巖爆傾向性；閃長巖為中等巖爆傾向性；矽卡巖為無～中等巖爆傾向性，其巖爆傾向性順序為：閃長巖>矽卡巖>大理巖。

(3) 根據巖爆傾向性的判別結果，建議該礦在深部開采過程中盡量將巷道布置在無巖爆傾向性的大理巖巖體中，以減少巖爆災害的發生。

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[2]郭 然,潘長良,于潤滄.有巖爆傾向硬巖礦床采礦理論與技術[M].北京:金工業出版社.

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羅光財(1979-)，男，碩士，工程師，主要從事土木工程施工管理工作，Email：35016567@qq.com。

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