基于多種判據和能量聚集的巖爆傾向性研究

裴佃飛，苗勝軍，龍 超，陳 瀚，黃冠霖

(1．北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083；2.北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100083；3.山東黃金集團有限公司,山東 濟南 250100)

近年來，隨著地下資源開采的不斷深入，高地應力環境下巖爆事故頻發，與巖爆相關的巖石力學基礎理論研究也越來越受到人們的重視。巖爆事故主要表現為大范圍工程巖體的突然破壞、破裂圍巖的動力拋擲，并伴有不同程度的爆炸、撕裂聲；同時圍巖釋放大量能量，使幾米至幾百米的硐室瞬間破壞。嚴重的巖爆災害會將巨石猛烈拋出，造成人員傷亡和設備損失[1]。

18世紀以來，各國學者分別從強度、剛度、能量、穩定、斷裂、損傷、分形和突變等諸多方面對巖爆進行了探索和研究[2-4]。然而，巖爆是非常復雜的動力地質現象，其發生與否及烈度大小不僅取決于某一單一因素，而是多種因素共同作用的結果[6]，所以，從單一角度分析巖爆是片面和局限的。而且，巖爆機理尚未研究清楚，無法準確的采用數學及力學方法建立巖爆預警模型，這就給巖爆災害的準確預報帶來了極大的困難[7]。

1 工程概況

三山島金礦是山東黃金集團的主體礦山之一，礦區地質構造復雜，開采深度大，斜坡道已開拓至到-780m以下，自-600m水平起的盲豎井已施工至-1180m處。深部井巷工程處于高地應力環境，除斷裂帶附近外，其他部位巖體結構完整性較好，均具有巖爆發生的隱患。

雖然三山島金礦目前尚未發生強烈的巖爆災害，但在-555m標高中段開拓時，就發生巖塊呈片狀擲出，在巷道壁上形成臺階盆形凹坑，并發生了巖石彈射和拋擲等巖爆現象(圖1)；在進行切割巷施工時，由于地壓較大，巷道頂板呈層狀片落，造成巷道無法施工。隨著開采水平的深入，巖爆現象越來越嚴重，已經影響到三山島金礦井下的安全生產，制約著企業的發展。

圖1 巷道頂板巖爆片落后形成的凹坑

2 基于多種判據的巖爆傾向性的定性分析

為了預報硐室或巷道發生巖爆的可能性，國內外學者提出了多種巖爆傾向性判據[8]。本次研究選取巖石的脆性系數、線彈性能、沖擊性能評價等三個判據指標對三山島金礦深部開采巖石的巖爆傾向性進行定性分析。

根據三山島金礦深部開采現狀，在-870m到-960m水平選取巖石試樣，進行室內物理力學試驗。試樣主要包括：角閃英云閃長巖、二長花崗巖、黑云變粒巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖、下盤花崗巖等6類。

2.1 基于脆性系數B的巖爆傾向性判斷

巖石的單軸抗壓強度σc與抗拉強度σt之比稱為脆性系數，它反映了巖石的脆性程度。即

B=σc/σt

(1)

式中：σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；σt為巖石抗拉強度，MPa。

脆性系數判據只考慮巖石本身的力學性質。該方法的判別指標：B>40為無巖爆傾向；26.7

表1 基于脆性系數判據的巖爆傾向性判別結果

2.2 基于線彈性能We的巖爆傾向性判斷

根據功能原理，可以求得巖石在單軸壓縮條件下，達到強度峰值以前所儲存的線彈性能We，其計算公式為

(2)

式中Es為卸載切線彈性模量，MPa。

線彈性能判據從能量的角度劃分巖爆傾向性，式(2)可知，單軸抗壓能力有利于線彈性能的存儲，所以，單軸抗壓強度越大，巖爆的傾向越大[9]。根據線彈性能的大小，將巖爆傾向性劃分為4個等級：We<40kJ/m3為輕微巖爆傾向；40kJ/m3≤We<100kJ/m3為中等巖爆傾向；100kJ/m3≤We≤200kJ/m3為強烈巖爆傾向；We>200kJ/m3為極強烈巖爆傾向。

如表2所示，三山島金礦深部角閃英云閃長巖、二長花崗巖、下盤花崗巖有中等巖爆傾向，黑云變粒巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖有強烈巖爆傾向。

表2 基于線彈性能判據的巖爆傾向性判別結果

2.3 基于巖石沖擊性能評價指標R的巖爆傾向性判斷

基于剛性實驗的巖石沖擊性能評價指標R計算公式為

R=WE/WP

(3)

式中：WE、WP分別為巖石在破壞前積聚的彈性變形能和破壞后消耗的塑性變形能。

堅硬巖石受壓，如圖2(a)所示，在其峰值荷載前可認為只發生彈性變形，微破壞可忽略，峰值前試樣中儲存的彈性變形能近似等于WE，巖石完全破壞所消耗的能量近似等于WP。對于較軟巖石，其峰值前塑性變形較大，微破壞嚴重，WE與試樣內儲存的彈性變形能差異較大，而且軟巖一般不會發生巖爆現象。因此，該指標僅適用于堅硬巖石。

巖石剛性試驗獲得的全應力-應變曲線，如圖2(a)所示，以峰值強度為界，曲線所圍左半部分面積代表WE，右半部分面積代表WP。一般認為：當R≥1時，將產生沖擊現象；R值越大，沖擊能量越大。圖2為三山島金礦深部二長花崗巖、黑云變粒巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖、下盤花崗巖的剛性試驗曲線。

圖2 三山島金礦深部開采巖石試樣剛性試驗曲線

如圖2所示，二長花崗巖的峰值強度為95MPa，荷載下降到25MPa時巖樣失去承載能力，巖石沖擊性能評價指標R約為2；黑云變粒巖峰值強度約為150MPa，荷載下降到25MPa時巖樣失去承載能力，R約為3.1；絹英巖化花崗巖的峰值強度為120MPa，荷載下降到30MPa時巖樣失去承載能力，R約為3；絹英巖的峰值強度為110MPa，荷載下降到22MPa時巖樣失去承載能力，R約為3.3；下盤花崗巖變形達到0.2mm時出現裂痕，荷載開始上下波動，峰值強度為122MPa，荷載下降到60MPa時巖樣失去承載能力，R約為3.8。三山島金礦深部選取的5類巖石均具有潛在的沖擊和巖爆的可能性。

2.4 巖爆傾向性定性分析結果

基于巖石脆性系數B、線彈性能We、巖石沖擊性能評價指標R，從定性的角度分析了三山島金礦深部開采巖石的巖爆傾向性。總體看來，三山島金礦深部開采存在巖爆傾向。

此外，由表1、表2可知，巖石的脆性系數B與線彈性能指標We所評判的角閃英云閃長巖、二長花崗巖和下盤花崗巖的巖爆傾向性結果不盡相同。而巖石沖擊性能評價指標R只能判斷各種巖石是否存在巖爆可能性，并不能對巖爆等級進行劃分。考慮到巖石試件比巖體的體積小、節理裂隙少，室內試驗測得巖樣的強度應大于巖體的強度，實際圍巖的巖爆傾向性應該比巖石試驗預測的要小。因此，論文進一步采用數值建模對三山島金礦深部開采圍巖體的巖爆傾向性進行定量分析。

3 基于能量聚集的深部開采巖爆預測研究

3.1 深部開采圍巖體彈性應變能分布特征研究

以三山島金礦-555m水平盤區及采場布置為建模標準，采用FLAC3D三維有限差分法建模計算，獲得了三山島金礦深部開采采場圍巖應力、應變分布狀況，進而依據彈性變形能公式(4)，編制FISH語言計算開采過程中貯存于圍巖體內的彈性應變能，結果如圖3所示。

(4)

式中：W為貯存在單元體中的能量；σ1、σ2、σ3為單元體中的三個主應力，ε1、ε2、ε3為單元體中的三個主應變；Ve為單元體的體積，n為單元體個數。

圖3 三山島金礦深部開采采場圍巖彈性能分布云圖(單位：kJ/m3)

3.2 深部開采圍巖體能量積聚規律研究

圍巖內聚集的應變能越大，誘發巖爆強度越高。研究表明圍巖內聚集的應變能大于100kJ/m3,將發生巖爆和沖擊地壓[10-11]。如圖3所示，三山島金礦深部開采巖體內積聚有很高的彈性應變能，以現有中段高度劃分，當深部開采到-780m至-825m中段時，圍巖最大彈性應變能達到99.585kJ/m3，該中段以下開采過程中，采場圍巖的最大彈性應變能均超過100kJ/m3，具體數值如表3所示。

表3 深部開采圍巖體能量積聚規律

由表3可知，三山島金礦深部開采時，采場圍巖體將聚集較高的彈性應變能，而且從上向下逐漸增大，為圍巖體發生巖爆提供了外部高能量與應力環境。另外，能量高聚集區主要分布在采場兩幫和上盤圍巖，最大值也出現在采場兩幫和上盤圍巖的交界處，開采深度超過-825m后，各中段開采過程中采場圍巖的最大彈性應變能超過100kJ/m3，具有發生巖爆和巖石彈射的傾向性，這與巖爆傾向性定性分析成果相一致。

通過能量分布特征發現，最大線彈性能集中在采場拐角處，彈性能較為集中的區域分布在采場圍巖大概10m范圍內。所以，圈定采場圍巖最大線彈性能10m范圍，計算不同深度采場圍巖上述范圍積蓄的能量總值，結果如表3所示。

3.3 巖爆震級等級判定預測

根據地震級別計算公式(5)，可以計算出圈定范圍內聚集的能量相當于多大震級地震釋放出的能量，進而預測潛在巖爆的等級[12]。三山島金礦深部開采巖爆等級判定結果如表3所示。

lgE=4.8+1.5M

(5)

式中：E為巖體中累積的能量，單位為J(焦耳)，M為巖爆的級別。

4 總結

基于室內物理力學試驗結果，從巖石脆性系數B、線彈性能We、沖擊性能評價指標R三個方面定性的評價了三山島金礦深部開采巖石的巖爆傾向性，預測了巖爆發生的可能性。通過對三山島金礦深部采場圍巖進行建模計算，從定量角度研究了巖體的能量分布情況。隨著礦采的逐步深入，巖體聚集的能量越來越大，深部開采超過-825m時，極有可能發生巖爆及巖石彈射，巖爆震級可能會超過3級。建議對深部開采設計進行優化，對采場聚集能量大的巖體可采取巖層注水、爆破卸壓、鉆孔卸壓等措施進行卸壓。從長期的防治上講，合理的布置開拓井巷，改善圍巖應力條件，保護開采層至關重要；同時應采取安全科學的回采方法，及時有效的監測預警，以保障三山島金礦深部安全高效開采。

[1] 苗勝軍,楊志軍,龍超，等.混合花崗巖加載細觀力學特性及破裂演化規律[J].江蘇大學學報,2012,33(4):469-473.

[2] Jha P C,Chouhan R K S.Long range rockburst prediction:A seismological approach[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1994,31(1):71-77.

[3] Chavan Shridhar A S,Raju N M,Srivastava S B.Prediction of area instability from mining induced seismicity[C]∥Proc.of 35thU.S Symposium on Rock Mechanics.Rotterdam:Balkema A A,1995:533-540.

[4] 秦乃兵.用模糊數學方法對巖爆進行預測預報[J].工程力學,2001,18(增刊):734-738.

[5] 姜彤,黃志全,趙彥彥，等.灰色系統最優歸類模型在巖爆預涮中的應用[J].華北水利水電學院學報,2003,24(2):37-40.

[6] 馮夏庭.智能巖石力學導論[M].北京:科學出版社,2000.

[7] Mendecki A J.Seismology for rockburst prevention control and prediction[C]∥Simrac Symposium.Johannesburg:SAIMM,1995:1-13.

[8] 蔡美峰,何滿潮,劉東燕.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002.

[9] 苗勝軍,樊少武,蔡美峰，等.基于加卸載響應比的載荷巖石動力學特征試驗研究[J].煤炭學報,2009,34(3):329-333.

[10] 趙洪波.巖爆分類的支持向量機方法[J].巖土力學,2005,26(4):642-644.

[11] 王元漢,李臥東,李啟光，等.巖爆預測的模糊教學綜臺評判方法[J].巖石力學與工程學報,1998,17(5):493-501.

[12] Xia-Ting Feng,S.Webber,M.U.Ozbay,et al.An expert system on assessing rockburst risks for South African deep gold mines[J].Journal of Coal Science & Engineering,1996,2(2):23-32.