一種新的巖爆等級評估指標及其在某超埋深礦井中的應用

李鵬翔 彭劍平 張博超 陳 立

(1.菏澤學院城市建設學院,山東 菏澤 274015;2.中國科學院武漢巖土力學研究所,湖北 武漢 430071;3.巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071;4.招金礦業股份有限公司,山東 萊州 261442;5.華東交通大學土木建筑學院,江西 南昌 330013)

隨著社會和經濟的快速發展,越來越多的礦山、水利水電、交通、核廢料處置及國防等領域的相關地下工程逐步向深部轉移,開挖(開采)誘發的巖爆災害日趨嚴重[1]。 巖爆是一種極其復雜的動力地質災害,它是集聚在巖體中的彈性應變能突然釋放的結果,可造成嚴重的人員傷亡和經濟損失,是深埋工程的主要災害之一[2]。

為了正確認識這一地質災害,國內外學者進行了大量的探索和研究,在巖爆的發生機理、預測預警和風險防控等方面取得了較為豐碩的成果[2]。 但巖爆是一種極為復雜的動力現象,目前對巖爆的發生機理還尚未有統一的認識,對巖爆進行科學有效的預警及防控更是任重道遠。 正如英國巖石力學專家布朗(E.T.Brown)教授所說“巖爆在定義上都很難達到意見的統一,它的進展將代表著巖石力學這門學科的發展和重大突破”[1-4]。 現有的巖爆預測預警方法大致可分為指標判據法、數值指標法、應用數學方法以及現場監測法等[2]。 這些方法針對不同的工程和工程所處的不同階段取得了不同的應用效果,或指導了開挖、開采方法選擇或指導了隧道選址選線、礦井開拓布置方案確定。 指標判據法具有成本低廉、快速、判別結果直觀的優點,目前已廣泛應用于深埋工程巖爆風險預判,為制定巖爆風險防控策略提供了重要參考[2]。

本研究首先分析了現有巖爆指標判據存在的優缺點,指出多數巖爆指標判據僅考慮巖爆發生的外界條件(應力條件)或僅考慮巖爆發生的內部條件(巖石自身巖爆傾向),并未充分顧及巖爆發生的充分必要條件,即巖爆發生的外在驅動力(即應力條件)和巖爆發生的內在條件(即巖石固有的儲能、耗能特性)。 針對以上不足,本研究提出了一種考慮內外因素的巖爆預測指標,所提巖爆指標具有參數簡便易得、預測準確性高的優點,應用該指標判據分析了山東某超埋深金礦-1 480 m 水平的巖爆風險,預測結果較理想,研究成果可為類似工程提供借鑒。

1 現有巖爆指標存在的問題

大量研究表明,巖爆發生在應力較高且具有巖爆傾向性的巖石中。 地應力是驅動巖石破壞發展的根源,巖體開挖或者礦體開挖后打破原有應力平衡,地應力進行調整,一般地應力越高,應力調整越劇烈,巖爆風險越高[2]。 巖石具有巖爆傾向性是巖石發生巖爆的基礎,只有具有巖爆傾向性的巖石在較高地應力條件下才會發生巖爆。 因此只有巖石達到了相應的應力條件和巖石具有巖爆傾向性時,巖爆才會發生;反之,亦然。 由此可見,高地應力和巖石具有巖爆傾向性是巖石發生巖爆的充分必要條件。

目前已有較多的巖爆判據被應用到具體的地下工程中,并取得了不同程度的成功,比較典型的指標判據如表1 所示。 這些判據多是單一因素判據,考慮較為片面,并未考慮巖爆發生的充分必要條件即巖爆發生的外在驅動力(應力條件)和巖爆發生的內在條件(巖石固有的儲能、耗能特性)。 例如:Russense 判據、Barton 判據、Hoek 判據、陶振宇判據等可歸結為只考慮應力條件即巖爆外部條件來判斷巖爆風險,巖石自身是否具有巖爆傾向性質未做考慮;能量沖擊性指數KE、彈性能量指數Wet、能量儲耗指數k、巖石脆性指標B、剩余彈性能指數Aef[2,5]等判據可歸結為只考慮巖石自身是否具有巖爆傾向性,未考慮是否達到了巖爆發生的外在驅動因素即應力條件。 以上兩類指標均可能對巖爆發生等級產生誤判,例如第一類情況,可能外在驅動力(應力)達到了巖爆發生條件,但若巖石不具有巖爆傾向性(如軟巖),此時巖爆不會發生;又如第二類情況,雖然巖石自身具有巖爆發生的傾向性,但外在驅動力達不到巖爆應力閾值,此時巖爆也不會發生。 究其原因以上應力因素(外部條件)和巖石自身具有巖爆傾向性(內部條件)均是巖爆發生的必要條件而非充分條件,必須同時滿足以上2 個條件,巖爆才會發生。 因此,在對巖爆等級評估時應綜合考慮以上2 個因素才能較為可靠地預測巖爆,進而采取恰當的防護措施,降低巖爆對人員和設備造成的損害。

表1 典型巖爆指標判據Table 1 Typical rockburst index criterion

2 新巖爆指標提出

2.1 巖爆影響外部因素——應力的表征

定義巖爆風險待評估區最大主應力σ1與單軸抗壓強度σc的比值為巖爆影響外部因子k1,即k1=σ1/σc。 該參數無需通過復雜計算、獲取簡便,σ1可通過地應力測試或通過查閱既往含有地應力信息的相關資料獲取,σc只需通過簡單的單軸加載試驗獲得。k1值表征了地應力相對于巖石強度的大小,在一定程度上表達了外界地應力做功的能力,該值越大表示地應力相對于巖石強度越高,巖石儲能外界條件越好,巖石可存儲的應變能就越高,巖石越容易發生失穩破壞,如果巖石具有巖爆傾向性,巖爆越容易發生。 因此該參數可表達巖爆發生的應力因素(即外部因素),同時可以看出k1為一無量綱數值。

2.2 巖爆影響內部因素—巖爆傾向性表征

內部因素為巖石自身固有性質,是巖爆發生的必要條件。 根據巖爆能量理論,只有當巖石受載發生破壞時巖石存儲的能量大于破壞所消耗的能量時(即有剩余能量)才會發生巖爆。

定義峰值前應變εb與峰值后應變εa比值為巖爆影響內部因子k2,即k2=εb/εa。 根據巖爆能量相關理論[6],巖石具有巖爆傾向的條件為巖石受載存儲的應變能A1(峰值前應力—應變曲線下面積)大于峰后巖石破壞過程中所需耗散的能量A2(峰值后應力—應變曲線下面積),剩余的能量以彈射動能形式表現出來,此時A1與A2的比值大于1,顯然該值越大就有越多的彈性能剩余,巖石發生非穩定性破壞的概率也就越高即巖爆傾向性越高,其比值稱為能量沖擊性指數KE,該指標現廣泛應用于判斷巖石自身巖爆傾向性質。 由全應力—應變曲線形態(圖1)不難看出:峰值前應變量εb與峰值后應變量εa之比可近似表征巖石峰值前存儲的應變能A1與峰值后巖石破壞所需能量A2之間的相對大小關系,因此可用峰值前應變εb和峰值后應變εa之比來描述巖石的巖爆傾向性。 同時峰值前應變量εb與峰值后應變量εa可較容易地從全應力—應變曲線中讀取出來,可避免在計算巖石受載存儲的應變能A1和峰后巖石破壞過程中所需耗散的能量A2時根據應力—應變曲線求積分的誤差,可在很大程度上簡化計算。 同時可以看出k2為一無量綱數值。

圖1 巖石單軸加載全應力—應變曲線Fig.1 Full stress-strain curve of rock under uniaxial loading

2.3 新巖爆判據指標

2.3.1 新判據指標提出

綜上所述,本研究認為巖爆判據指標應考慮巖爆發生的充分必要條件,既要考慮巖爆發生的外部條件即應力條件,又要考慮巖石固有的巖爆傾向性條件。因此采用外部因子和內部因子相乘,作為判斷具體工程的巖爆風險指標(R),其表達式為

式中,σ1為待評估區最大主應力,MPa;σc為巖石單軸抗壓強度,MPa;εb為巖石峰值前應變;εa為巖石峰值后應變。 顯然R值越大,巖爆風險性越高。

該指標判據采用外部因素(應力因素)和內部因素(巖石自身巖爆傾向性因素)無量綱乘積形式,綜合考慮了巖爆發生的應力和巖石自身巖爆傾向性即巖爆發生的充分必要條件,提高了預警準確性,降低了誤判可能。 只有兩者同時取較高(低)值時R值才較高(低),有助于避免單一因素產生誤判。 例如當σ1/σc值較大時,顯示巖石處于高應力狀態,具備產生巖爆的外部應力條件(單一因素判據可能判斷具有高巖爆風險),但εb/εa值較小時,意味著巖石巖爆傾向性較低,此時R取值不會太大,巖爆風險判別不會太高。 同樣的,當εb/εa值較大,意味著巖石巖爆傾向性較高(單一因素判據可能判斷具有高巖爆風險),但σ1/σc值較小時,即顯示巖石處于較低應力狀態,意味著巖石巖爆傾向性較低,R取值不會太大,巖爆判別風險不會太高。

從以上分析可以看出該指標提高了判別結果的可靠性和穩定性。 該指標所用參數除了巖爆風險待評估區最大主應力σ1外,其他參數均可直接在巖石全應力—應變曲線上獲得,無須進行復雜的計算,易于操作。

2.3.2 巖爆等級判別區間確定

本研究巖爆指標判據中不同等級巖爆判別區間確定依據為室內試驗結果或現場具體巖爆案例總結[2]。 本研究選用錦屏二級地下深埋實驗室[7-8]、冬瓜山銅礦[9-10]、金川二礦[11]和巴基斯坦Neelum-Jhelum(N-J)水電站引水隧道[12-13]等重大深部工程的巖石力學參數及巖爆實際發生情況(表2),對巖爆判據指標R不同等級的巖爆判定區間進行初步確定。 當R＞4 時為強巖爆,當2＜R≤4 時為中等巖爆,當1＜R≤2 時為弱巖爆,當R≤1 時為無巖爆。 后期隨著研究的深入和更多典型巖爆工程案例的出現,不同等級的巖爆判別區間劃分會更加精確。

表2 典型重大深埋工程及相關參數Table 2 Typical major deep buried engineering and relevant parameters

3 某金礦巖爆傾向性評估

某金礦礦床完全位于海底巖體中,為海下開采礦山。 設計采選能力396 萬t/a,首采區位于-1 480 m水平,后期深度可達1 800 m 以上,為特大型超埋深礦井,超埋深開采可能面臨高地應力誘導的巖爆災害,因此有必要對該礦巖爆風險進行評估。

該礦巖性比較單一,以花崗巖為主,在首采區(-1 480 m)取大塊巖石,在室內將試塊加工成3 個標準巖樣。 加工后的巖石試樣在剛性試驗機上測定所需的巖石全應力—應變曲線,花崗巖單軸破壞典型形式及其應力—應變曲線如圖2 所示。

圖2 花崗巖單軸破壞典型形式及其應力—應變曲線Fig.2 Typical forms of uniaxial failure of granite and its stress-strain curve

在應力—應變曲線上分別獲取3 個試樣的峰值強度、峰前應變和峰后應變,如表3 所示。

表3 花崗巖巖石力學參數Table 3 Typical major deep buried engineering and relevant parameters

根據該礦2#鉆孔地應力測試結果,勘探區應力場以水平應力為主導,最大水平主應力SH與鉛直主應力Sv的比值為1.06～1.41,平均為1.24。 2 個水平主應力比值為1.19～1.54,平均為1.37,最大水平主應力為12. 61 ～39. 74 MPa,最小水平主應力為10.64～28.89 MPa。

從圖3 可以看出,2 個水平方向主應力和鉛直主應力隨著上覆巖層厚度(即埋深)的增加而增加,并基本呈線性關系。 該礦2#鉆孔各測點的最大水平主應力(SH)、最小水平主應力(Sh)和鉛直主應力(Sv)與鉆孔深度的關系可分別表示為

圖3 2鉆孔主應力值隨深度變化特征Fig.3 Variation characteristics of the principal stress value of 2#borehole with depth

式中,D為鉆孔深度(向下為正),m。

將表3 巖石力學相關數據及最大主應力代入新的巖爆指標判據,可得花崗巖3 個試樣的R值分別為2.65、2.92、2.70,均值約為2.76。 根據該巖爆判據,巖爆風險待預警區域有潛在中等巖爆風險。

目前,該礦還處于基建階段,預測結果暫時無法進行現場驗證。 但其緊鄰礦井三山島金礦在-780.4～-764.3 m采場發生了輕微巖爆,-780 m采場最大主應力實測值為33 MPa[14],根據本研究所提巖爆指標判據方法計算的R值分別為1.76、1.94、1.79。 根據新的巖爆判據,該采場存在輕微巖爆風險,巖爆預測等級與實際發生等級一致,佐證了所提指標的可靠性。 某金礦首采區位于-1 480 m 水平,其地應力高達49.6 MPa,隨著采深增加,巖爆風險等級勢必高于-780 m 水平(該金礦在與三山島金礦同水平即-780 m 水平發生輕微巖爆的可能性極高),根據新的巖爆判據,巖爆風險將增至中等巖爆。 在-1 480 m 水平巖爆風險區可采取優化開拓巷道布置和優化回采順序、選擇合理的采礦方法和工藝,在巷道掘進和回采過程中建議采用巖爆微震監測技術[15-18],嚴密監視巖爆風險,必要時可采取巖層注水、爆破卸壓、鉆孔卸壓等主動巖爆防控措施,軟化圍巖降低其巖爆傾向性,降低應力集中程度弱化巖爆發生的應力條件。 當巖爆風險較高時,可對支護方案進行吸能優化設計同時繼續加強支護,采用“主動防御”與“被動防護”相結合的巖爆綜合防控策略。

4 結 論

(1)分析了現有巖爆傾向性判據的優缺點,指出了現有多數巖爆指標僅考慮巖爆發生的外界條件或僅考慮巖爆發生的內部條件(巖石自身巖爆傾向)的不足。

(2)提出了一種考慮內外因素的巖爆等級評估方法,該方法充分考慮了巖爆發生的充分必要條件即巖爆發生的外在驅動力(應力條件)和巖爆發生的內在條件(巖石固有的儲能、耗能特性)。 該方法所用參數易于獲得,無須進行復雜計算,易于操作。

(3)結合多個重大工程案例初步給出了新巖爆指標判據中不同等級巖爆風險的判別區間。 應用該判據判別了山東某超埋深金礦-1 480 m 水平巖爆傾向性,判別結果為中等巖爆風險,判別結果經分析認為可靠性較高,證明了所提巖爆指標的準確性。 應當指出的是:本研究所提巖爆指標判據僅適用于巖性相對單一、地質條件相對簡單的深部地下工程。