深部礦巖巖爆傾向性評估方法及支護建議

黃小豐 舒煒煒

(1.湖南辰州礦業有限責任公司；2.中南大學資源與安全工程學院)

礦產資源作為國家經濟發展的基本保障，其淺部資源已經趨于枯竭，大量礦井逐漸向深部延伸。近年來，深部找礦探礦工作成果表明,我國1 000 m以下存在巨大的資源潛力，因此,開采深度超過1 000 m 的礦山也越來越多，深部開采已經成為我國采礦行業發展的新常態[1-3]。隨著開采深度和地應力的明顯增加，深部開挖卸荷及斷層活化等開采擾動往往容易誘發大震級巖爆事故，造成大量人員傷亡、機械損壞、工期延誤和重大經濟損失，嚴重影響深部礦山的安全高效開采[4-5]。

大量工程實例表明，巖爆是一種涉及地質條件、巖體結構、力學性質等多種內因、外因的動力失穩災害，基礎研究薄弱，致災機理復雜[6-7]。大量學者的研究指出，巖爆是巖體內積聚大量應變能的突然無序釋放引起的巖石劇烈破壞現象，并且常常伴隨著巖石的剝落、彈射及拋擲，造成支護失效，巷道垮塌[8-9]。因此，研究深部礦巖巖爆傾向性評估方法對于礦區巖爆防控與支護優化具有重要的理論與現實意義。

目前，國內外學者在巖爆傾向性預測方面做出許多卓有成效的研究工作，主要包括模糊數學判別法[10]、機器學習法[11-13]、距離判別分析法[14]及未確知測度評價法[15-16]等。劉潤田等[17]通過單軸壓縮實驗和劈裂拉伸實驗測算了花崗巖的力學性質參數，并將巖石脆性指數、巖石彈性變性能指數及巖石沖擊能指數作為巖爆傾向性指標。殷志強等[18]利用動靜組合加載下巖石破壞過程中的能量儲存和釋放特征，提出了巖爆傾向性指標，克服了現有指標只考慮靜載的局限性，更加貼合工程實際。裴啟濤等[19]利用組合賦權方法與歐幾里得距離函數建立了巖爆傾向性預測灰評估綜合模型，具有編程簡單、預測準確的優點。上述研究工作針對巖爆預測進行了大膽的有益探索，利用各類指標提出了多種巖爆傾向性評估方法，豐富了巖爆傾向性評估理論方法。然而，大部分礦山企業仍處于直接套用的階段，未根據礦山實際情況對其進行歸納總結與改進完善，缺乏針對性與實用性。另外，在具有巖爆傾向性的礦區中，安全問題中首當其沖的巖體支護研究與工程建議仍涉及較少。鑒于此，本文總結完善深部礦巖巖爆傾向性評估方法并根據工程實際提出切實可行的支護建議，以期為深部安全開采提供指導。

1 巖爆傾向性評估方法介紹

1.1 巖石脆性系數評估法

巖石脆性系數是巖石單軸抗壓強度與抗拉強度的比值，其計算方程如下：

B=σc/στ,

(1)

式中，B為巖石脆性指數；σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；στ為巖石抗拉強度，MPa。

巖石脆性系數的巖爆傾向性評估準則見表1。

表1 巖爆傾向性評估準則

1.2 巖石應力系數評估法

巖石應力系數是巖石最大切應力與單軸抗壓強度的比值，其計算方程如下：

S=σθ/σc,

(2)

式中，S為巖石脆性指數；σθ為巖石最大切應力，MPa；σc為巖石單軸抗壓強度，MPa。

巖石應力系數的巖爆傾向性評估準則見表1。

1.3 巖石彈性能量指數法

巖石彈性能量指數的具體求算方法為進行巖石單軸壓縮試驗，當應力等于巖石強度80%～90%時記錄下此時的應力應變曲線；進而求算巖石彈性變形儲能與塑性變形耗能；計算巖石彈性變形能和塑性變形能的比值。計算方程如下：

Wet=Ee/Ep,

(3)

式中，Wet為巖石彈性能量指數；Ee為巖石彈性變形儲能，kJ；Ep為巖石塑性變形耗能,kJ。

根據Kidybiński的研究成果[20]，巖石彈性能量指數的巖爆傾向性評估準則見表1。

1.4 巖石沖擊能量指數法

由于埋深和高地應力的影響，深部礦巖積聚了大量彈性應變能，并在超過自身強度之后突然進行能量的無序釋放，使之具有強烈的沖擊性。通過巖石試樣的全應力應變曲線可求解巖石沖擊能量指數，其計算方程如下：

Wcf=Esa/Esc,

(4)

式中，Wcf為巖石沖擊能量指數；Esa為巖石應力峰值強度前的儲能，kJ;Esc為巖石應力峰值強度之后的耗能，kJ。

巖石沖擊能量指數的巖爆傾向性評估準則見表1。

1.5 動靜組合加載巖爆傾向性指標法

上述巖爆傾向性評估方法均是在巖石處于純靜載時討論所得到的。然而，深部工程巖體處于高地應力和工程開挖擾動的特定應力環境，考慮動靜組合加載能夠更加真實地反映深部巖體的應力狀態。隨著開采深度持續增加，巖石所受靜載明顯增大，在采礦作業產生的沖擊能量(動載)的作用下，巖石臨界破壞時的應變回彈現象會逐漸消失，進而轉變為應力峰值強度后應變無回彈的破壞模式。由此可見，找出能夠解釋這一能量釋放特點的指標是評估深部礦巖巖爆傾向性的關鍵。鑒于此，基于Wcf的計算方法，充分考慮巖石儲能及耗能的相互關系以彌補現有巖爆傾向性評估指標的不足，其計算方程如下：

(5)

式中，εsa、εsc分別為峰值應力前應變與峰值應力后應變；Wcf為巖石沖擊能量指數。

結合Wcf的巖爆傾向性評估準則與試樣耗能密度，可確定動靜組合加載下巖爆傾向性指標的等級評估準則，即

(6)

1.6 多指標融合的機器學習判別法

以單一指標為基礎，綜合考慮各評估指標對巖爆傾向性的影響，利用機器學習方法融合多指標建立巖爆傾向性評估模型。這些指標包括巖石單軸抗壓強度σc、巖石抗拉強度στ、巖石彈性能量指數Wet及巖石最大切應力σθ，其中，σc、στ及Wet均能反映圍巖的力學性質，同時最大切應力σθ能反映原始地應力條件及地下空間形狀和尺寸對巖爆傾向性的影響[21]。最終，利用諸如隨機森林、支持向量機、神經網絡等機器學習算法，可將巖爆傾向性評估為無、弱、中等及強4個等級。

2 巖爆傾向性評估方法應用優化

雖然國內外學者對巖爆傾向性評估方法進行了大量研究，然而，在礦山實際應用時仍存在些許不足，如評估指標過于單一，評估準則的確定沒有考慮到深部礦山的地質條件與開采現狀；在多指標評估方法中沒有考慮到各指標之間的相關性與權重占比，可能會導致巖爆傾向性預測準確率降低。因此，為了使以上巖爆傾向性評估方法對于深部礦巖更具綜合性與合理性，得到準確客觀的評估結果，結合國內外研究的優點，提出了以下應用優化建議：

(1)由于巖爆是一種極其復雜的動力災害，涉及到的因素不止是巖石的強度和力學性質，所以必須考慮礦區的實際地質條件與開采現狀，如采礦方法選擇、開拓布置、采場結構參數等。在不同礦區應用原有巖爆傾向性評估模型時，應根據實際情況對指標及等級判別準則進行優化改進，從而使得巖爆傾向性評估模型更加貼近工程現場實際。

(2)在進行巖爆傾向性評估時，盡量采用多指標聯合評估方法以確保評估結果的可靠性與合理性；綜合利用各類指標建立多元非線性評估模型，使其準確描述巖爆的力學與能量特征。

(3)當采用多指標融合的巖爆傾向性評估方法時，應考慮到不同指標之間的相關性與各指標所占的權重。消除相關性之后可以有效減少輸入指標的數量以簡化模型并提高模型評估的計算效率，定量確定權重則可以描述不同指標對于巖爆傾向性評估的重要性，得到準確合理的評估結果。

(4)在選取評估指標時，應以定量指標為主，定性指標為輔建立巖爆傾向性評估模型；當定量指標的現場數據較少而難以反映真實情況時，可考慮區間數學理論來描述定量指標的不確定性。

3 深部巖體支護對策及建議

目前大量研究聚焦于巖爆傾向性評估及巖爆局部防控，而忽略巖爆區域內的巖體支護方法與技術，在礦山實際開采中，應對策略仍停留在增加傳統錨噴支護強度與密度的階段，導致支護成本升高且支護效果欠佳。為此，從巖爆防治的角度為礦山巖體支護提出以下對策及建議：

(1)采用主動柔性支護。由于巖爆發生時常伴隨巖石的剝落、彈射及拋擲，所以支護系統必須具有一定的讓壓屈服性能以吸收巖石攜帶的巨大動能。錨網支護相較于傳統的錨噴支護更具優勢，其中，錨桿通過調節深部巖體的應力狀態實現有效控制，而柔性防護網施工簡便且能主動吸能，因此，錨網柔性支護體系可以防控巖爆的安全風險，保障人員、機械及施工安全[22]。

(2)采用預留錨固方式。當前，錨桿多采用端頭錨固方式達到變形讓壓的目的，然而，巖爆往往使得表層巖體剝落，導致錨桿托盤未與巖體接觸，造成支護失效，圍巖進一步破壞。因此，可將除錨桿的可伸長部件之外的錨桿主體全部注漿錨固，從而保證錨桿與巖體的緊密接觸，達到巖爆防控的效果[23]。

4 結 論

巖爆是嚴重危害深部礦山安全高效開采的一種復雜動力災害。基于國內外巖爆防控的研究，針對巖爆傾向性評估重要環節，歸納總結了6類具有代表性的巖爆傾向性評估方法。為了使上述方法對深部礦巖更具綜合性與合理性，從評價指標數量、相關性與權重、實際工程背景、模型建立等方面分析了當前方法存在的缺陷，并且對其實際應用提出了切實可行的優化建議，以期得到準確客觀的評估結果。同時，針對巖爆區域巖體支護提出了主動柔性支護和預留錨固支護的對策及建議，可有效改善深部礦巖支護效果，降低支護成本，提高工作效率。