深部礦山巷道巖爆傾向性預測及防治技術研究

李 準，苗勇剛，夏志遠

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

巖爆是一種常見的典型工程地質災害現象，在礦山開采、隧道開挖、水利工程等高地應力和復雜地質條件的工程時有發生。巖爆往往極具破壞性，對生命財產安全構成極大的威脅，也嚴重影響了工程的穩定性。因此，國內外學者對巖爆的研究一直沒有停止過，目前也取得了很多有巨大價值的成果，但由于地質條件的復雜性、巖爆顯現的突發性等諸多因素，在巖爆機理及巖爆判別標準方面還有很多不足，沒有統一的標準，不能進行準確有效的預測[1]。其中，最突出的問題是巖爆傾向性預測理論很多局限于理論階段，不能很好地指導在礦山實際中遇到的問題，所以巖爆傾向性預測及防治措施需要結合實際工程，根據實際情況進一步研究探討，避免巖爆造成重大災害。

1 工程概況

南和溝礦區是胡家峪礦業有限公司的主產礦區，目前已經開拓到-75 m中段，埋深達千米，進入深部開采階段。礦區在基建和開采過程中，在-75、+190和+240 m中段發現不同程度的地壓顯現，主要表現為巷道拱頂下沉甚至塌方、墻體片幫與開裂、支護后的鋼拱架變形嚴重、巖爆現象偶發。在實際生產過程中發現新掘進的巷道有透鏡狀巖片剝落，兩幫上部發現有小型三角狀破裂面，這是典型的巖爆特征，而且經工作人員描述有彈射的槍炮聲，根據現場調研及以往資料表明，南和溝礦區存在巖爆現象。南和溝礦區后續將繼續開采+190、+140、+90、+40、-10 m五個中段，隨著開采深度的增大，地壓將顯著增大，經過計算測量，在+190 m中段最大主應力達30.2 MPa，處于高地應力范圍，面臨極大的巖爆風險。

圍巖以矽化大理巖為主，黑色片巖次之，另外還有鈣質云母石英片巖和厚層大理巖。抗壓強度測定標本按不同巖性礦體圍巖頂底板進行采集，得到矽化大理巖平均單軸抗壓強度82.05 MPa，厚層大理巖平均單軸抗壓強度57.13 MPa，黑色片巖平均單軸抗壓強度69.66 MPa，鈣質云母石英片巖平均單軸抗壓強度66.24 MPa。

2 巖爆傾向性分析

2.1 基于應力-強度判據的巖爆傾向性預測

1)Russenes判據

Russenes巖爆判據的判別標準如下[2]：

(1)

式中：σθ—巷道最大切向應力，MPa；Rc—巖石單軸抗壓強度，MPa。下同。

依據Russenes巖爆判據標準，四種巖石的巖爆判別結果見表1。Russenes巖爆判據平均值為0.535，初步判斷胡家峪南和溝礦有中等巖爆傾向。

表1 Russenses判據分析結果

2)Hoek判據

Hoek巖爆判據的判別標準如下[3]：

(2)

依據Hoek巖爆判據標準，四種巖石的巖爆判別結果見表2。Hoek巖爆判據平均值為0.535，初步判斷胡家峪南和溝礦有嚴重片幫傾向。

3)谷-陶判據

谷-陶巖爆判據標準如下[4-5]：

(3)

式中：σ1—巷道最大主應力，MPa。

依據谷-陶巖爆判據標準，四種巖石的巖爆判別結果見表3。谷-陶巖爆判據平均值為0.448，初步判斷胡家峪南和溝礦有高巖爆傾向。

表2 Hoek判據分析結果

表3 谷-陶判據分析結果

2.2 基于能量判據的巖爆傾向性預測

1)沖擊能量指數Wcf判據

巖爆沖擊能量指數Wcf計算公式及判別標準如式(4)和(5)所示，圖1為沖擊能量指數Wcf計算示意圖[6]。

Wcf=E1/E2

(4)

圖1 沖擊能量指數Wcf計算圖Fig.1 Calculation diagram of impact energy index

式中：E1—峰值前儲存的變性能；E2—破壞過程損耗的變性能。

(5)

四種巖石試樣全應力-應變曲線如圖2所示。巖爆判別結果見表4。沖擊能量指數平均值為2.825，初步判斷胡家峪南和溝礦有弱巖爆傾向。

圖2 四種巖石試塊全應力-應變試驗曲線Fig.2 Full stress-strain test curves of four kinds of rock test blocks

表4 沖擊能量指數Wcf分析結果

2)彈性應變能指數Wet判據

彈性應變能指數Wet計算公式及判別標準如式6和式7所示，圖3為彈性應變能指數Wet計算示意圖[7-8]。

Wet=ER/ED

(6)

圖3 彈性應變能指數Wet計算圖Fig.3 Calculation diagram of elastic strain energy index

式中：ER—試塊卸載時恢復的彈性應變能；ED—試塊加卸載循環中耗散的能量。

(7)

四種巖石試樣加卸載試驗曲線如圖4所示。巖爆判別結果見表5。彈性應變能指數平均值為2.591，初步判斷胡家峪南和溝礦有弱巖爆傾向。

圖4 四種巖石試塊加卸載試驗曲線Fig.4 Test curves of four rock test blocks under loading and unloading

表5 彈性應變能指數Wet分析結果

2.3 層次分析模糊綜合評判

應用層次分析法(AHP)分析影響巖爆的各種因素并賦予權重大小，進行一致性檢驗后將其結果代入模糊綜合評判公式，即AHP-FUZZY綜合評判法[9-10]。

1)巖爆判據層次結構分析

前述巖爆判據可歸納為應力-強度判據和能量判據兩個方面，可以建立巖爆層次結構模型，如圖5所示。

圖5 巖爆發生及強度梯階層次結構模型Fig.5 Rockburst occurrence and intensity cascade structure model

利用倒數標度法，構造各層次中各因素指標的權值判斷矩陣，建立好的層次結構模型中設定的總目標為巖爆發生及強度(A)，將其與判據準則(B)構造的判斷矩陣見表6，各判據準則中組成因素之間的相對重要性判斷矩陣見表7、表8。

表6 A-B判斷矩陣

表7 B1-C判斷矩陣

表8 B2-C判斷矩陣

層次單排序結果見表9，經一致性檢驗，CR值均小于0.10，說明建立的判斷矩陣合理可靠。層次總排序結果見表10，層次總排序結果經一致性檢驗，CR值均小于0.10，證明分析結果令人滿意。

表9 層次單排序結果

表10 層次總排序結果

根據層次總排序結果，五種巖爆判據對巖爆的發生影響程度是不同的，其中谷-陶判據能較好地反映巖爆傾向性，其次還有沖擊能量指數，Russenes巖爆判據。因此，在進行巖爆綜合評價時要重點考慮這三個判據。

2)巖爆級別評價

本文將應用的幾個巖爆判據進行重新分級，以便于應用于模糊綜合評判的指標分析中，新劃分的巖爆判據有4個等級，其界限值見表11。

表11 巖爆級別評價

3)層次分析-模糊綜合評價

統計并分析評價指標值的分布特點，確定標準方程為k次拋物線型模糊分布的隸屬函數，方程如下[11]：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：u1(xi)、u2(xi)、u3(xi)、u4(xi)為判據xi對四個巖爆級別可能性的隸屬度；xi為第i個判據的指標值；ai、bi、ci為第i個判據指標分界值。

將上述五個巖爆判據的判據結果值分別代入上面4個式子中，可求得五個巖爆判據的模糊關系矩陣：

通過層次分析法得出的權矩陣向量W=(0.18 0.16 0.41 0.19 0.06)，將權矩陣向量W和模糊關系矩陣U進行加權平均計算，最終得到各判據的模糊綜合評判集B：

按最大隸屬度原則，可以綜合判定胡家峪南和溝礦區有中等巖爆傾向。

3 巖爆防治措施

3.1 改變圍巖力學性質

1)預先打超前卸壓孔或爆破卸壓

在+240、+190、-75 m中段巷道掘進時，可預先超前打卸壓孔，卸壓孔深一般為2～3 m，可沿巷道軸向或徑向在巷道邊幫布置卸壓孔，仰角一般不大于30°，可有效降低應力集中，預防巖爆的發生。也可利用局部爆破的方式爆破卸壓，對圍巖進行破碎松動，降低應力集中，耗散圍巖中儲存的能量。

2)噴灑水或注水軟化圍巖

在巷道掘進過程中，當巖石軟化系數比較小時，通過向圍巖噴灑水，水可滲入巖石孔隙，使巖石軟化，降低強度，有效降低巖爆的可能性；當巖石軟化系數比較大時，向巷道幫壁噴灑水效果并不理想，可通過打注水孔，將水壓入巖體。利用水的劈裂作用將巖石節理裂隙擴張，降低圍巖表面張力，降低巖爆的傾向性。

3.2 加固圍巖措施

胡家峪南和溝礦區的原支護方式為錨網噴支護，采用管縫式錨桿，錨桿長度1.6 m，間排距1 000 mm×1 000 mm，噴射混凝土厚度100 mm。根據現場調查的結果以及礦山記錄資料，地壓顯現嚴重，且有巖爆現象的發生，說明現有的支護方式不能滿足安全生產的要求。結合胡家峪南和溝實際支護形式，根據圍巖的完整性程度提出兩套方案，方案一(圖6)為錨網噴支護+澆筑混凝土支護，方案二(圖7)為注漿加固聯合錨網噴支護，兩套方案均采用全長樹脂錨桿進行加強支護，錨桿規格20 mm×2 000 mm，錨桿間排距0.8 m×0.8 m，呈梅花型布置。

圖6 支護方案一(單位：mm)Fig.6 Support plan one(Unit：mm)

圖7 支護方案二(單位：mm)Fig.7 Support plan two(Unit：mm)

以上兩套方案依托FLAC3D軟件，并選取Russenes判據作為判斷標準。以-75 m中段硬巖斷層接觸帶作為研究區域進行對比，得到的切向應力值變化如圖8、9所示。

圖8 方案一切向應力值Fig.8 Tangential stress value of plan one

圖9 方案二切向應力值Fig.9 Tangential stress value of plan two

支護方案一的最大切向應力值為17.88 MPa，較原始值22.94 MPa減小5.09 MPa，減少幅度22%。支護方案二的最大切向應力值為15.12 MPa，較原始值22.94 MPa減小7.6 MPa，減少幅度33%。根據Russenes判據標準，采用兩套支護方案后由中等級巖爆降低為弱等級巖爆和無巖爆，所以改進后的支護方案對控制巖爆有很好的效果。

4 結論

1)從應力-強度判據角度以及能量判據角度分析巖爆傾向性，主要用Russenes巖爆判據、Hoek巖爆判據、谷-陶巖爆判據、沖擊能量指數判據、彈性應變能指數判據對矽化大理巖、厚層大理巖、黑色片巖、鈣質云母石英片巖四種巖性進行巖爆傾向性預測。最后結合層次分析-模糊綜合評判法綜合五個判據指標分析得出胡家峪南和溝礦有中等程度巖爆傾向，使得評判結果更合理。

2)結合礦山實際情況，提出了兩種巖爆防治措施，一是改變圍巖的物理力學性質，二是加固圍巖，并設計了兩套支護方案，依托FLAC3D數值模擬軟件，分析兩種支護方案對巖爆的控制效果，在巖爆發生風險高的區域可優選兩種支護方案。