阿舍勒銅礦深部巖石巖爆傾向性評價及防治措施研究

栗盼平

（新疆阿舍勒銅業(yè)股份有限公司，新疆阿勒泰 836700）

1 概況

阿舍勒銅礦深部開采達到1000m，埋藏深度較大。通過分析研究我國各地礦山情況發(fā)現(xiàn)，當開采深度達到800m 時，巖爆頻率明顯增多。在深部開采過程中，自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及采礦次生應(yīng)力的疊加可能會超出脆性巖石強度，從而導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。因此，阿舍勒銅礦深部開采時有發(fā)生巖爆的可能。

巖爆的烈度等級需要根據(jù)巖爆傾向性判據(jù)進行分析，才能確定出深部不同巖石的巖爆烈度。本文通過不同的巖爆傾向性評價方法確定阿舍勒銅礦深部不同巖石的巖爆烈度等級，并根據(jù)巖爆烈度等級提出相應(yīng)的危害防治措施。

2 巖爆傾向性評價

國內(nèi)外評價巖爆傾向性的方法有很多，本文選用三種具有代表性的巖爆傾向性評價方法對其深部具有代表性的三種巖石進行評價。

2.1 評價方法

（1）巖石強度脆性系數(shù)評價法

巖石的脆性破裂指的是，當其沒有出現(xiàn)永久變形時，某一面上的強度突然減弱至零的情況。K值是衡量巖爆傾向性的重要指標，它可以用巖石的抗壓強度和抗拉強度的比來表示。一般認為，脆性系數(shù)越大，巖爆越強烈。巖石脆性系數(shù)判據(jù)如表2-1所示。

表2-1 巖石強度脆性系數(shù)判據(jù)

K計算表達式：

式中：σc為巖石單軸抗壓強度，單位為MPa；σt為巖石單軸抗拉強度，單位為MPa。

（2）彈性能量指數(shù)評價法

通過單軸壓縮試驗可以確定巖石試塊的彈性能量指數(shù)。在實驗室對阿舍勒銅礦深部巖石試樣進行單軸壓縮試驗，以其強度的70%～90%的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為依據(jù)，采用圖形積分法計算出彈性變形能量儲能與塑性變形耗能的比值，即WET。

WET計算表達式：

式中：φsp是由于巖石產(chǎn)生塑性變形和內(nèi)部產(chǎn)生微破壞而消耗的能量，單位為MJ；φst是卸載后仍然儲存在巖石內(nèi)部的應(yīng)變能，單位為MJ。

表2-2 彈性能量指數(shù)判據(jù)

（3）能量沖擊性指標判據(jù)法

在評估巖爆傾向性時，這種方法是最常用的。礦巖具有聚集彈性應(yīng)變能并在超出其強度后突然釋放的物理力學(xué)特性，這就是其沖擊傾向性。這一概念闡明了巖爆產(chǎn)生的原因和必要條件。國內(nèi)外學(xué)者利用單軸壓縮試驗中的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線，計算出巖爆能量沖擊性指標Wcf。

Wcf計算表達式：

式中：A1為單軸壓縮試驗獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值強度前與坐標軸橫軸所圍成的區(qū)域的面積；A2為單軸壓縮試驗獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值強度后與坐標軸橫軸所圍成的區(qū)域的面積。

表2-3 彈性能量指數(shù)判據(jù)

2.2 評價結(jié)果

（1）巖石強度脆性系數(shù)評價法評價結(jié)果

通過對阿舍勒銅礦深部巖石進行單軸壓縮試驗及巴西劈裂試驗，并按照式（2-1）進行計算，求得巖石強度脆性系數(shù)K。所得試驗結(jié)果如表2-4所示。

表2-4 巖石強度脆性系數(shù)評價法評價結(jié)果

（2）彈性能量指數(shù)評價法評價結(jié)果

通過對阿舍勒銅礦深部巖石進行單軸循環(huán)加卸載試驗，并按照式（2-2）進行計算，所得試驗結(jié)果如表2-5所示。

表2-5 彈性能量指數(shù)評價法評價結(jié)果

（3）能量沖擊性指標判據(jù)法評價結(jié)果

通過對阿舍勒銅礦深部巖石進行單軸壓縮試驗，求取巖爆能量沖擊性指標Wcf。所得試驗結(jié)果如表2-6所示。

表2-6 能量沖擊性指標判據(jù)法評價結(jié)果

綜合對比三種評價方法結(jié)果可知，阿舍勒銅礦深部具有代表性的凝灰?guī)r、銅硫礦以及黃鐵礦均存在巖爆傾向。

3 巖爆危害防治措施研究

經(jīng)巖爆傾向性評價結(jié)果分析可知，阿舍勒銅礦在進行深部開采時會發(fā)生巖爆。弱巖爆發(fā)生破壞巖體厚度為不大于0.25m，而中等巖爆發(fā)生破壞巖體厚度一般為0.25～0.75m。因此，中等巖爆的發(fā)生會對礦山生產(chǎn)造成的一定的危害，有必要采取相應(yīng)的防治措施。

采取防治措施如下：

（1）優(yōu)化巷道斷面設(shè)計、巷道走向和采場布置。為減少巷道圍巖應(yīng)力集中，建議阿舍勒銅礦深部巷道長短軸之比取1.4～1.6。將深部巷道采場和巷道走向與最大主應(yīng)力方向（接近東西向）平行或接近平行布置，以減少高水平應(yīng)力對采場和巷道穩(wěn)定性的不利影響。

（2）及時充填采空區(qū)。隨著開采深度不斷增加，阿舍勒銅礦地應(yīng)力將不斷增大。處于高應(yīng)力區(qū)的采場圍巖，特別是孤島礦柱，積聚了較高的彈性能，是巖爆高發(fā)區(qū)域。建議在礦體開采后，及時充填采空區(qū)，盡量縮短空區(qū)圍巖暴露時間，改善圍巖受力狀況，防止圍巖應(yīng)力過于集中導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。

（3）優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序。通過相關(guān)試驗確定阿舍勒銅礦深部合理的采場結(jié)構(gòu)以及正確的回采工藝，有效減少或避免應(yīng)力高度集中，防止能量大量積聚發(fā)生巖爆。

（4）對支護參數(shù)進行優(yōu)化，及時實施圍巖支護。在開挖前或開挖完成后，應(yīng)及時對圍巖進行支護。通過支護使圍巖重新處于新的平衡狀態(tài)，由此來減輕巖爆的危害，降低一線采礦人員的施工風(fēng)險。

4 結(jié)論

通過對阿舍勒銅礦深部具有代表性的巖石進行巖爆傾向性評價，發(fā)現(xiàn)其均存在巖爆傾向。結(jié)果表明阿舍勒銅礦在深部進行開采時可能會發(fā)生巖爆。通過采取優(yōu)化巷道斷面設(shè)計、巷道走向和采場布置、及時充填采空區(qū)、優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序、優(yōu)化支護參數(shù)，及時進行圍巖支護等措施來防止巖爆現(xiàn)象的發(fā)生，從而降低一線采礦人員的施工風(fēng)險。