蒙庫鐵礦深部巷道巖爆預測及控制技術

宋多權 陳立達 李學文 簡相洋 陳 凱 王揮云 劉海卿

（1.中鐵十九局集團礦業投資有限公司，北京 100161；2.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000；3.晉能控股煤業集團朔州公司，山西 朔州 036000）

隨著淺部資源逐漸枯竭和地下工程技術不斷研發，能源發展戰略逐步向深部縱橫方向轉移，高埋深的地下巷道工程逐漸遍布采礦工程領域[1-3]。隨著地下巷道工程埋深的逐漸增加，巷道圍巖的地應力顯著增大，加劇了深部巷道工程巖爆的破壞性和發生頻率。巖爆災害的防治已經成為制約深部巷道圍巖安全施工的瓶頸問題。

巖爆現象的產生有其內外影響因素，其外因是開挖深度和開挖方式等因素，誘發巖爆的產生；但產生巖爆的主要原因還是巖石自身的內因，在初始高地應力情況下，地下工程施工過程中儲存在巷道巖體的圍巖應力突然釋放，導致巷道圍巖局部出現應力集中，使開挖后的巷道圍巖塊石壓碎脫落或者以突然、猛烈的方式向已經開挖的空間進行彈射和拋擲的破壞現象[4-11]。由于巖爆等相關的工程地質問題的存在，直接對施工人員、設備的安全、礦山生產等產生直接威脅，并影響工程進度和投入成本。

本項目以蒙庫鐵礦深部巷道圍巖開挖施工發生巖爆現象為背景，對現場巷道巖爆現象及主要影響因素進行分析。由巖爆特性對深部巷道巖爆進行了預測預報[10-12]，并對深部巷道巖爆提出了控制技術，并運用有限元軟件[12-15]對深部巷道巖爆控制技術進行了研究。結果說明了錨網噴支護效果比較顯著，巖爆預測及控制技術已經得到顯著的效果，解決了本工程現場巖爆問題，保證了井下斜坡道延伸段在開挖施工工程的安全性和礦井生產期間的長久穩定性。因此，對井下巖爆段巷道圍巖安全快速施工具有重要指導意義。

1 工程地質概況

富蘊蒙庫鐵礦位于新疆阿勒泰地區，它處于亞歐大陸腹地，北方有雄偉壯觀的阿爾泰山，西南方向有薩吾爾山，南方有準噶爾盆地，西面比較開闊，從上方看形狀如喇叭口，海拔在300～1 700 m。地形呈現西高東低的山脈和東高西低的丘陵平原，相應高差是500～600 m。巖體走向290°～300°，有些巖層幾乎與深部巷道圍巖垂直或者平行，地質構造比較復雜，深部巷道圍巖開挖比較困難，當深部巷道圍巖開挖后卸荷集中應力大于巖石極限強度后，巷道圍巖極易發生巖爆現象。

蒙庫鐵礦深部巷道掌子面圍巖為硬巖、較脆，整體圍巖為中薄層狀結構，巖層傾角近乎直立，層間結合較差，巖層走向與巷道前進方向一致，在深部巷道圍巖開挖，極易發生巖爆現象。通過巖爆控制技術對深部巷道巖體巖性和應力條件進行改進，使巷道圍巖強度和脆性下降，改變深部巷道圍巖開挖卸荷后的應力條件，可以有效地降低巖爆的發生。

2 現場巖爆現象與成因分析

2.1 巖爆現象

井下開采巖爆段中比較嚴重的具體位置及發生的巖爆現象分別是，在井下斜坡道延伸902～884 m段X17～X18+34 m處，輕微巖爆偶有響聲，維持時間較短，拱頂表層有離散巖體脫落母巖掉落，無彈射；臺車清撬可以清撬大量散巖，肉眼辨識度差，圍巖結構整體性較差。如圖1所示，深部巷道圍巖開挖后，短時間內有巖石破碎的聲音，之后有大塊的巖石向已經開挖空間內脫落或者彈射。

在井下斜坡道延伸902～884 m段X18+34 m～X20處，巖爆特征較為突出，掘進爆破后出渣過程輕微顯現，第二天后表現突出，主要表現在頂板有連續間斷聲響，過后伴隨微小巖體輕微彈落，及不間斷的小片巖體剝落脫離母巖。掉落巖體多為片狀，厚度為10～20 cm，面積0.1～1.0 m2不等，如圖2所示。

綜上現場巖爆現象所述，有片狀的巖石向已開挖空間脫落或者彈射，可以得到發生巖爆情況下，巖石結構構造和巖爆成因分析，進一步判別巖爆發生的條件，做好地下工程巖爆防控措施，保證地下深部巷道圍巖開挖快速安全施工。

2.2 深部巷道巖爆成因分析

產生巖爆現象的外因主要是開挖深度和開挖方式，但內因主要還是巖石自身巖性和最大地應力方向，下面從深部巷道巖爆發生的內因和外因兩方面來分析巖爆成因。

2.2.1 巖爆內因

蒙庫鐵礦圍巖巖體主要由角閃變粒巖、條帶狀角閃變粒巖和少量大理巖、黑云角閃斜長片麻巖構成，巖體與巷道圍巖界線明顯，巖體中常見圍巖夾層，這些巖石特性是清脆且堅硬的，當巷道圍巖開挖卸荷后突然出現局部集中應力，巷道圍巖極易發生巖爆現象。從能量的角度來看，巖體在開挖之前儲存較多彈性能量，彈性能越大，在開挖之后釋放的能量就越多，這些能量就是產生巖爆的強烈動力。當深部巷道圍巖進尺方向與最大主地應力方向平行時極易發生巖爆。

2.2.2 巖爆外因

隨著地下工程埋深的逐漸增加，地應力呈現逐漸增大的趨勢。縱橫方向也呈現隨埋深變化而相應變化，依據國內外對測定地應力的數據分析可得，當埋深小于1 000 m時，水平方向的主地應力占主導因素，當埋深大于1 000 m時，垂直方向的主地應力占主導因素。從現場巖爆現象來看，發生巖爆段均在880 m以上的位置，隨著埋深增加發生巖爆的可能性越大。

開挖方式與巖爆有著密切聯系，在高初始地應力的巖體進行開挖，極易在局部產生應力集中，導致巖爆現象發生。現場掌子面爆破施工效果比較好，巷道圍巖開挖輪廓圓順，產生巖爆現象的概率就小。另外，深部巷道圍巖開挖進尺越大釋放的應力就越大，發生巖爆現象就越顯著，從多年現場施工經驗得到深部巷道圍巖開挖進尺小于2 m時，產生巖爆現象的概率顯著變小。

3 巖爆預測預報

3.1 巖體結構分析

深部巷道巖爆成因分析，巖爆現象的預測需要圍繞巖性、最大主地應力方向、埋深、開挖方式等主要成因研究，通過對巖爆現象的深部巷道圍巖巖性及巖體結構構造等特性進行數據統計分析，可以得到產生巖爆的深部巷道圍巖巖性及巖體結構構造特性，來判斷巖爆現象的發生。

3.2 應力解除法

深部巖體的任何一點均受到三向應力狀態，人為去除某一點的應力，巖體的某點必受彈性變形，采用應變片采集應變量，應用彈性力學公式計算初始地應力。運用巖體初始地應力，來判斷巖爆的發生。

關于應力解除法計算巖體的初始地應力，秦雨樵等針對深部巖體高溫高壓測試環境條件下鉆孔，提出了深部巷道巖石的三維初始地應力計算公式，其巷道圍巖上一點的本構關系[16-17]為

式中，E為深部巷道圍巖橫向觀測各向同性面的彈性模量；E′為垂直于深部巷道圍巖橫向觀測各向同性面的彈性模量；G′為垂直于深部巷道圍巖橫向觀測各向同性面的剪切模量；ν為深部巷道圍巖橫向觀測各向同性面的泊松比；ν′為垂直于深部巷道圍巖橫向觀測各向同性面的剪切模量；βs與βs′分別為深部巷道圍巖上的鉆孔坐標系平面和ξ方向上的熱力學參數；Tw為深部巷道圍巖溫度。

定義εφ為深部巷道圍巖孔壁上與切向夾角為φ上的正應變，其與深部巷道圍巖孔壁上3個互為45°夾角方向上的應變之間的表達式為

深部巷道圍巖孔壁上的正應變與原始地應力之間的關系：

式中，[T]，[p]分別為考慮高溫高壓測試環境條件的溫差參量以及深部巷道圍巖孔壁壓力；S為巖體地應力；A1～A6為和深部巷道圍巖鉆孔方向、巖石彈性參數有關的常數，計算公式分別為

最后將εφ位置的θ（水平軸線與鉆孔軸線夾角）和φ值代入，通過深部巷道圍巖孔壁上3個測點的應變片采集應變量，經過公式計算，得出深部巷道圍巖的三維初始地應力張量。

4 深部巷道巖爆控制分析

蒙庫鐵礦深部巷道在X20迎頭15 m區域巖爆較為突出，表現為吱、砰響聲，并伴隨微小巖塊彈落，局部小塊巖體沿層間剝離脫落，維持時間較長，空頂作業風險較大，根據工程實際情況采用掛網錨噴支護。通過對掛網錨噴支護建立數值模型及分析，驗證巖爆控制技術的合理性，確保了巖爆段安全快速施工。

4.1 巷道圍巖彈—脆—塑性本構模型

在深部巷道圍巖的巖爆破壞過程中，深部巷道圍巖的脆性破壞和塑性破壞都屬于巖石材料應變軟化行為的一種特殊表現形式。深部巷道圍巖屈服準則與塑性勢能方程不僅由應力張量σij表達，其中還包括軟化參數η，其表達式[18-20]為

式中，σθ為最大主應力；σr為最小主應力。

Mohr-Coulomb屈服準則可表示為

式中，σc為深部巷道巖石單軸抗壓強度；其中，

若假設Mohr-Coulomb常數中的c、φ隨η值線性衰減，則可得到Mohr-Coulomb應變軟化關系式為

式中，ωp為峰值參數；ωr為殘余參數；η*為深部巷道圍巖巖石由應變軟化轉變到殘余階段的臨界軟化參數值；ω可以代替Mohr-Coulomb模型中的黏聚力c及內摩擦角φ。即當η=0時，巖體處于彈性變形階段，0＜η＜η*時為應變軟化階段，η＞η*為殘余階段，其中，深部巷道圍巖巖石的軟化過程則由巖石峰后應力—應變曲線的斜率決定，即深部巷道圍巖巖石的軟化模量M，如圖3所示。

塑性參數η*可由內在變量的形式表示，即將塑性參數η*定義為塑性剪切應變，通過最大主塑性應變和最小主塑性應變的差值獲得，即

式中，γp為塑性剪切應變分別為最大、最小塑性應變。

本文數值計算中，深部巷道圍巖力學參數如表1所示。

?

4.2 模型建立

蒙庫鐵礦巷道圍巖的斷面尺寸4.8 m×4.3 m，拱頂半徑為3.32 m。巖土的彈性模量200 MPa，泊松比0.2，巖石的容重20 kN/m3。治理巖爆采用錨網噴支護方式，支護參數為：采用2 m管縫錨桿，錨桿間距1 m，網片1.2 m×2 m，噴射22 cm厚的C20鋼纖維混凝土。迎頭超前支護預防，沿巷道斷面頂板外輪廓超前鉆進并安設管棚，管棚采用?22 mm螺紋鋼，長度3 m，間距0.4 m，傾角為12～15°，與下一循環搭接長度為1 m，孔內填裝錨固劑固定。

4.3 巖爆控制有限元分析

通過有限元模型模擬了巖爆段深部巷道圍巖開挖和錨網噴支護過程，如圖4所示。從圖中可以得到施工過程中深部巷道圍巖正上方各測點豎向位移的變形圖，隨著開挖和支護工程不斷前進，各測點豎向位移變形逐漸趨向穩定，巖爆控制技術效果比較顯著。從圖5可以得到，拱頂測點和拱腰測點在深部巷道圍巖開挖時，由于儲存在巖石中的能量突然釋放，在測點局部出現應力集中，應力值變化趨勢出現擾動，隨后進行錨網噴支護，使測點的應力值變化逐漸趨向穩定，錨網噴支護效果比較顯著。如圖6所示，可以得到在深部巷道施工過程中各測點豎向位移變化趨勢，無論是在拱頂測點還是拱腰測點位移均是突然增大然后逐漸趨于穩定，從圖中可以看出支護起到顯著的作用。綜上所述，分析結論說明了巖爆控制技術已經得到顯著的效果，巖爆已經得到顯著的控制，深部巖爆段巷道圍巖可以安全快速開挖施工。

5 結論

依托蒙庫鐵礦工程實際，進行了深部巷道圍巖巖爆現象及成因分析，提出了深部巷道巖爆預測預報方法，通過深部巷道巖爆控制相關研究，得到結論如下：

（1）通過深部巷道巖爆現象及成因分析，得到巖爆時的巖體結構和巖性特征來預測巖爆的發生。

（2）應力解除法可以得到深部巷道巖體的初始地應力，應用初始地應力來預測深部巷道巖爆的發生。

（3）錨網噴支護對深部巷道圍巖巖爆控制效果比較顯著，可實現安全快速施工。