深部開(kāi)采巖爆災(zāi)害的預(yù)測(cè)與控制

摘 要：淺部資源的消耗殆盡決定了深部開(kāi)采時(shí)地下礦山發(fā)展的必然趨勢(shì)，而深部開(kāi)采中的巖爆動(dòng)力學(xué)災(zāi)害問(wèn)題是困擾采礦安全高效生產(chǎn)的一大瓶頸。通過(guò)總結(jié)巖爆發(fā)生機(jī)理，對(duì)巖爆災(zāi)害發(fā)生預(yù)測(cè)方法以及巖爆的防治技術(shù)進(jìn)行探討，提出了可行性的預(yù)防對(duì)策。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采；巖爆機(jī)理；巖爆預(yù)測(cè)；巖爆防治

1 引言

目前世界淺部資源的消耗殆盡， 深部開(kāi)采成為地下礦山發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著深部采礦工程和深部隧道工程的不斷深入發(fā)展，深部開(kāi)采中的巖爆動(dòng)力學(xué)災(zāi)害問(wèn)題成為了困擾采礦安全高效生產(chǎn)的一大瓶頸。巖爆是完整性較好的彈脆性巖體在高地應(yīng)力和外加擾動(dòng)雙重作用下伴隨著內(nèi)部應(yīng)變能釋放的一種特殊巖體破壞的現(xiàn)象。巖爆是深部采礦高地應(yīng)力區(qū)危險(xiǎn)性較大的災(zāi)害[1～2]。

2 巖爆機(jī)理分析

巖爆是巖體內(nèi)部彈性應(yīng)變能的釋放，產(chǎn)生的結(jié)果是巖體破壞，引發(fā)深部采礦的安全問(wèn)題。為了深入揭示巖爆的形成，目前巖爆的機(jī)理主要有如下四類。

2.1 強(qiáng)度理論

該理論認(rèn)為地下開(kāi)采洞室周圍開(kāi)挖后產(chǎn)生集中應(yīng)力， 當(dāng)巖體承受的集中應(yīng)力超過(guò)巖體的最大強(qiáng)度時(shí)， 巖爆將發(fā)生。但是，在深部開(kāi)采的巷道以及采場(chǎng)中，經(jīng)常巖體承受的集中應(yīng)力超過(guò)巖體的最大承載強(qiáng)度而又沒(méi)有出現(xiàn)巖爆的現(xiàn)象，這說(shuō)明此理論的依據(jù)不充分，它僅僅只能用于巖體破壞的判斷，不能確定是屬于靜態(tài)破壞還是屬于動(dòng)態(tài)破壞。

2.2 能量理論

Cook等根據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)需消耗很多能量的事實(shí)，提出了發(fā)生巖爆的能量理論，指出礦體-圍巖體系在力學(xué)平衡狀態(tài)受到破壞，如果釋放的能量大于消耗的能量時(shí)，將出現(xiàn)巖爆。能量理論從能量轉(zhuǎn)化的方面分析了巖爆的成因，也較好地解釋了地震和巖石拋出等動(dòng)力現(xiàn)象，但沒(méi)有指出平衡狀態(tài)怎樣才能打破的，也沒(méi)有提出未圍巖釋放能量的條件，因此理論缺乏的判別巖爆發(fā)生的必要條件。

2.3 剛度理論

Cook等依據(jù)剛性壓力機(jī)試驗(yàn)提出了剛度理論：認(rèn)為地層結(jié)構(gòu)（巖體） 的剛度大于地層負(fù)荷（圍巖）的剛度是產(chǎn)生巖爆的必要條件。設(shè)巖石的剛度是一個(gè)變量， 在小于強(qiáng)度極限以前的剛度（km ）為設(shè)定為正值， 則超過(guò)強(qiáng)度極限以后的剛度為負(fù)值（ks）， 如果 ，將發(fā)生巖爆。剛度理論比較簡(jiǎn)單而且非常直觀，雖然確定了巖爆發(fā)生的必要條件，但忽略了煤巖物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)巖爆的影響；而且礦體強(qiáng)度極限無(wú)法確定，此理論在實(shí)踐中可操作性不強(qiáng)。

2.4 沖擊傾向性理論

此理論根據(jù)測(cè)試巖石試樣的一組沖擊傾向性指標(biāo)，通過(guò)測(cè)量的指標(biāo)值大小來(lái)評(píng)價(jià)巖體自身的巖爆危險(xiǎn)性，當(dāng)指標(biāo)值大于某個(gè)臨界值時(shí)將發(fā)生巖爆。但是巖爆的發(fā)生不僅與煤巖自身屬性有關(guān)，而且還與煤巖物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境、開(kāi)采技術(shù)等因素有關(guān)，因此該理論下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能代表各種因素下的巖爆數(shù)據(jù)。

3 巖爆預(yù)測(cè)方法

在深部開(kāi)采中，巖爆的危害問(wèn)題非常突出，目前一般采取如下方法對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)[1-7]。

3.1 應(yīng)力判據(jù)法

（1）強(qiáng)度脆性系數(shù)法。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值成為強(qiáng)度脆性系數(shù)。當(dāng)強(qiáng)度脆性系數(shù)≤10，沒(méi)有巖爆發(fā)生； 當(dāng)10<強(qiáng)度脆性系數(shù)小于等≤18， 將發(fā)生中等巖爆； 當(dāng)強(qiáng)度脆性系數(shù)小于等>18， 將發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。

（2）判據(jù)法。以洞壁圍巖在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力變形來(lái)計(jì)算，Rb、σ1、σ2分別為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、軸向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力，為圍巖的最大切向應(yīng)力，根據(jù)及其巖樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度值I， 結(jié)合拉森斯巖爆烈度劃分圖（如圖1）， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆的分析和預(yù)測(cè)。

3.2 能量判據(jù)法

（1）彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存指數(shù)法。采用巖石單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)， 將巖石試件加載到抗壓強(qiáng)度最大值的70%～80%， 然后再卸載到抗壓強(qiáng)度最大值的5%時(shí)，卸載時(shí)釋放的彈性應(yīng)變能和耗損的彈性應(yīng)變能之比值彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存指數(shù)。通過(guò)彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存指數(shù)來(lái)判斷以及預(yù)測(cè)巖爆。當(dāng)彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存指數(shù)< 2.0將不發(fā)生巖爆；當(dāng)2.0≤彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存指數(shù)≤5. 0， 將發(fā)生中、低等巖爆； 彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存指數(shù)>5.0，將出現(xiàn)強(qiáng)烈?guī)r爆。

（2）巖爆能量比法。巖石在破壞崩出時(shí)的動(dòng)能與最大彈性應(yīng)變能之比值成為巖爆能量比。通過(guò)巖爆能量比來(lái)判斷以及預(yù)測(cè)巖爆。巖爆能量比≤3. 5%，將不發(fā)生巖爆；3. 5%< 巖爆能量比≤4. 2%，將發(fā)生弱巖爆；4. 2%< 巖爆能量比≤4. 7%，將發(fā)生中等巖爆；巖爆能量比> 4. 7%，將發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。

3.3 埋深判據(jù)法

一般情況巖爆經(jīng)常發(fā)生在水平構(gòu)造應(yīng)力較大的地區(qū)，如果洞室在深部， 即使沒(méi)有構(gòu)造應(yīng)力， 但由于上覆巖體效應(yīng)， 洞室也可能會(huì)發(fā)生巖爆。巖爆的臨界計(jì)算深度的公式如下，大于深度將發(fā)生巖爆。

式中：Rc表示巖石單軸抗壓強(qiáng)度；μ表示巖石泊松比；γ表示容重。

3.4 模糊數(shù)學(xué)綜合判據(jù)法

許多科學(xué)家認(rèn)為巖爆是受各種因素制約的一個(gè)模糊問(wèn)題， 各因素的內(nèi)在之間聯(lián)系非常復(fù)雜，不能用用一個(gè)數(shù)學(xué)公式進(jìn)行完整的表達(dá)， 因此需采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行判別， 選取對(duì)巖爆的有影響的主要因素（如地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)、地形與地貌等）對(duì)巖爆進(jìn)行綜合評(píng)判。

4 巖爆防治對(duì)策

根據(jù)巖爆機(jī)理及巖爆傾向性研究、巖爆數(shù)值研究和實(shí)際巖爆研究結(jié)果，應(yīng)從如下四個(gè)方面防治巖爆。

（1）降低儲(chǔ)存的能量：為了降低圍巖儲(chǔ)存的能量，避免發(fā)生巖爆。深部開(kāi)采中一般采取如下方法：首先在開(kāi)挖爆破過(guò)程中遵循“短進(jìn)尺、多循環(huán)”的原則，采用光面爆破技術(shù)，達(dá)到減低圍巖的外加擾動(dòng)和局部應(yīng)力的目的。其次選擇合適的斷面進(jìn)行開(kāi)挖，調(diào)整圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。

（2）減緩釋放的能量：為了減低巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，深部開(kāi)采中一般采取如下方法減緩釋放的能量。首先選擇合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，礦房長(zhǎng)度選取比較重要。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)：礦房長(zhǎng)為75m、寬為10m、礦柱寬度為10m；其次采取小斷面、分?jǐn)嗝嬉约胺植介_(kāi)挖等回采方式，通過(guò)調(diào)整開(kāi)挖進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)逐步釋放應(yīng)變能的目的。endprint

（3）采取柔性支護(hù)：采取柔性支護(hù)不僅能減慢釋放能量的步伐，還能改變了應(yīng)力的大小，而且柔性支護(hù)可使洞壁從一維應(yīng)力變?yōu)槿S應(yīng)力，預(yù)防巖爆的發(fā)生。對(duì)于巷道在掘進(jìn)過(guò)程中引發(fā)的巖爆，需預(yù)先采取柔性支護(hù)。由于巷道外加擾動(dòng)而引起的巖爆，則需在巷道開(kāi)挖后采取剛度較小的柔性支護(hù)。采取柔性支護(hù)可使圍巖在可控范圍內(nèi)逐步破壞，又能夠支撐已經(jīng)破壞的巖塊。

（4）建立常態(tài)監(jiān)測(cè)： 深部采礦過(guò)程中高地應(yīng)力會(huì)不斷地發(fā)生變化，需加強(qiáng)開(kāi)采過(guò)程中的常態(tài)監(jiān)測(cè)制度。監(jiān)測(cè)是為了掌握深部采礦過(guò)程中圍巖以及支護(hù)的變形情況，進(jìn)一步指導(dǎo)深部采礦，確保采礦的安全性以及經(jīng)濟(jì)效益，反過(guò)來(lái)進(jìn)一步檢查設(shè)計(jì)可行性。采礦時(shí)應(yīng)對(duì)圍巖進(jìn)行變形常態(tài)監(jiān)測(cè)，如果支護(hù)出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，就必須立刻采取加固措施，以確保深部采礦安全問(wèn)題。在礦井巷現(xiàn)場(chǎng)要建立一整套安全生產(chǎn)規(guī)程，普及巖爆知識(shí)和防災(zāi)意識(shí)。采取這些措施以后，即使發(fā)生巖爆，也不會(huì)造成重大安全事故。如果實(shí)行大規(guī)模回采，應(yīng)設(shè)計(jì)微震監(jiān)測(cè)體系，監(jiān)控整個(gè)礦山開(kāi)采活動(dòng)、實(shí)現(xiàn)連續(xù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)巖爆危險(xiǎn)區(qū)預(yù)報(bào)等。

（5）加強(qiáng)防護(hù)等級(jí)：如何預(yù)測(cè)和防治巖爆是科學(xué)家難以攻克的，目前沒(méi)有特別行之有效的方法，還存在很多問(wèn)題，由于地質(zhì)條件的變化有可能引發(fā)巖爆，因此需根據(jù)情況，以人為本加強(qiáng)防護(hù)等級(jí)。首先應(yīng)加強(qiáng)深部采礦工作人員的安全意識(shí)，提高防護(hù)等級(jí)；其次在施工時(shí)必須佩戴鋼盔加穿防彈背心，在施工機(jī)械上增加防護(hù)頂棚；最后要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、檢查，巡回找頂，清除松動(dòng)懸石。

5 結(jié)語(yǔ)

深部開(kāi)采將會(huì)是金屬礦山實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)，而巖爆災(zāi)害作為深部開(kāi)采中涌現(xiàn)的新的礦山災(zāi)害，為保證礦山安全高效的生產(chǎn)，巖爆機(jī)理的理論研究及災(zāi)害防治技術(shù)亟待研究。目前在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些成績(jī)，但還有待進(jìn)一步發(fā)展和完善。隨著深部開(kāi)采如火如荼的開(kāi)展，其高應(yīng)力、高井深、高井溫、高巖溶水壓及采礦活動(dòng)擾動(dòng)的特點(diǎn)給礦山的正常生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，衍生出了一系列的災(zāi)害，如巖爆，熱害，冒頂，突水等等。在這種環(huán)境下，淺部的開(kāi)采理論已不能完全滿足生產(chǎn)的需要。因而，我們應(yīng)該另辟蹊徑，提出新的采礦工藝，這是解決這些災(zāi)害的根本途徑，已在工程實(shí)際中得到了初步的驗(yàn)證。相信更為先進(jìn)的采礦工藝會(huì)隨著時(shí)代的發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生，礦山深部開(kāi)采災(zāi)害將不再是個(gè)難題。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41272304）

通訊作者：楊英 （1973-），女，副教授，主要從事采礦以及鉆探技術(shù)等教學(xué)和科研工作。endprint