巖爆動力沖擊作用下釋能支護技術及其發展動態?

趙興東,楊曉明,牛佳安,李懷賓

(東北大學 采礦地壓與控制研究中心, 遼寧 沈陽 110819)

0 概 述

隨著金屬礦床資源的不斷開發,地表及淺部金屬礦產資源已逐漸枯竭,迫使世界上許多國家的金屬礦山轉入深部開采[1].據不完全統計,國外金屬礦山開采深度超過2000 m的礦山已達100余座,主要集中在南非、加拿大、美國和印度等國家[2G4].世界上金屬礦床開采最深的國家是南非,截至2012年,南非有約30%的金礦其開采深度超過3000 m;加拿大的Kidd Creek銅金礦[5]、Creighton礦[6G7]、La Ronde金礦[8]以及美國的Hecla Lucky Friday礦其開采深度均超過3000 m.俄羅斯Skalistaja(BC10)礦開采深度為2100 m.澳大利亞昆士蘭的Mount Isa礦開采深度為1800 m.此外,巴西、智利、瑞典等國家亦有開采深度超過1500 m的礦山.在我國,開采最深的金屬礦山是夾皮溝金礦(開拓深度在1600 m左右),撫順紅透山銅礦開拓深度在1360 m,原乳山金礦開拓深度1263 m,思山嶺鐵礦已竣工凈直徑10 m、井深1355 m的豎井,會澤鉛鋅礦已建成1526 m深豎井.目前,我國在建和已建豎井深度超過1000 m的礦山已達30余座,可見,國內許多地下金屬礦山已經步入超深(1000~2000 m)開采階段[9].從南非、加拿大等國家深井開采礦山現場調研來看,巖爆等動力災害是深部采礦地壓控制的核心問題.

深部礦體處于高應力、高巖溫及開采擾動應力作用下,硬巖巷道圍巖由淺部低應力狀態的結構面控制型破壞,逐步轉化為片落、輕微彈射、層裂、應力膨脹、巖爆、災變以及脆延性破壞(見圖1).在巖爆等動力災害作用下,造成(未)支護硬巖巷道產生潛在的大范圍損傷破壞或完全垮塌.因此,在深部采礦誘發地壓作用下,如何有效控制深部巷道圍巖的穩定是十分有意義的研究.

1 深部開采誘發巖爆災害及其調控

巖爆災害主要指礦井在開采過程中,井巷或者采場周圍巖體在力學平衡狀態破壞時,由于彈性變形能突然釋放而產生急劇猛烈的動力現象,具有突然爆發、聲響巨大、沖擊性強、彈性震動等特點,其過程往往是突發的、無前兆的突變過程,具有強烈的沖擊破壞特性,宏觀表現為巷道頂板或周邊圍巖大范圍的突然失穩、坍塌[10G12].巖爆發生是受多因素制約的,但巖爆發生主要與圍巖初始應力狀態同開挖后應力場的調整密切相關,因為巖爆是動態開挖過程中誘發的一種人為的地質災害過程,它不是單純的自然災害現象.即使在相同的地應力條件下,由于開挖方式不同,圍巖可能表現出完全不同的響應,所以對巖爆的研究不僅要注重巖體結構、性能、地質構造條件、水文地質條件等地質情況,同時也應關注開挖過程中的各個環節.

多年來,在礦山巖爆災害研究方面取得了一定的進展,然而大多數研究都局限在行業技術進步問題上,往往只是對某單一問題或某幾個問題進行研究,而非系統研究[13].研究巖爆的最終目的是防止或控制巖爆的發生,巖爆預測研究的目的是試圖降低巖爆可能會造成破壞的嚴重程度,消除或降低對井下工作人員以及設備等造成的危害.從誘發巖爆發生的原因來看,主要是應變型巖爆、斷層滑移或者二者的組合.因此,對礦山而言要控制巖爆災害的發生通常采取3種控制技術,即:動態調整圍巖應力分布[14]、應力調控技術[15G16]以及圍巖加固技術[17G19].

對于深部開采礦區的區域性巖爆防控主要措施有:合理布置礦山開拓系統,優化采場、硐室和巷道的結構參數與方位,確定最佳回采順序,防止大范圍應力長期超過巖體強度;巖層預注水,降低巖體強度,增加巖體塑性變形比例,使巖體內積聚的應變能多次小規模釋放,防止應變能集中釋放;開采巖體保護層,先將大規模開采礦體上方或下方的巖層采掉,使礦體大部分落入卸壓帶內,降低礦體大面積回采時的區域應力(采場應力);充填采空區,降低采場彈性變形和平均能量釋放率,達到減少巖爆發生次數(特別是破壞性巖爆)和降低巖爆強度的目的.

2 巖爆等動力作用下巖體動力響應

在深井開采高應力條件下進行采礦,巖爆控制是非常具有挑戰性的工作.南非Durr hei m[20]提出,對于巖爆控制從3個方面進行著手:在設計或者開采之前,應用地質力學方法識別孕震結構(巖脈、斷層等);應用適合的支護系統創造抗巖爆災害;連續監測巖爆災害.超前識別孕震結構便于及時調整采礦設計、采場和巷道支護設計等.

巖石遭受加速加載之后,導致巖石結構破壞、塊體彈射、采場封閉[16G17](見圖2).動力特征現象表現為深部礦井中的巖塊彈射、冒落等巖爆現象[21].Zubelewicz[22],Mueler[23]認為,巖爆是在巖體的靜力穩定條件被打破時發生的動力失穩過程.巖爆誘發巷道圍巖表面動力響應特征主要表現為:破壞時有響聲,表現為片幫、巖塊彈射、爆裂剝落、巖體拋擲性破壞等[24G25];其最顯著的動力破壞特征是巖塊從巷道(采場)圍巖表面高速彈出,其表面1 m厚的巖體能以5~10 m/s的速度向巷道內拋出[26G27],其拋擲距離可達10~20 m之遠,其彈射能一般為5~20 kJ/m2,最大可達50 kJ/m2[19].巖爆等級不同,其誘發的巖體動力響應也不同,輕微巖爆的巖石呈片狀剝落,而強烈巖爆可將巨石猛烈拋出,甚至一次巖爆就能拋出數以噸計的巖塊和巖片,嚴重威脅著井下施工人員和設備的安全.Ortlepp[26]認為如果圍巖表面特別是大巖爆附近破壞巖塊的彈射速度和加速度能夠被精確測量,將有利于各類支護組件(錨桿、注漿錨索以及采場的液壓支柱等)的設計與材料選擇.

3 釋能支護原理

在巖爆動力沖擊作用下,在巖體圍巖表面積聚的高應變能快速釋放,將巖塊從圍巖表面拋出;從能量耗散角度而言,如果巷道圍巖破壞深度達到1.5 m以上,為災害性巖爆發生提供了條件.發生條件取決于應力水平、系統剛度、破壞巖體的體積(取決于破壞深度).巷道斷面積越大其單位面積釋放能量越大,彈射速度越低,因此,巷道斷面越大其支護系統承擔的能量釋放能力越大.就能量釋放而言,破壞程度可以單位巖石彈射速度或者能含量來表達.由于該動能必須由動力支護系統來釋放,考慮單位面積巖體的能含量更具有意義.動力支護系統其抵抗的能量耗散能力在5~20 kJ/m2,實際上其最大可以達到50 kJ/m2[19].

釋能支護原理是動力或釋能支護設計的基礎,釋能支護的基本要求(見圖3):

(1)在高動力沖擊作用下,釋能支護區域內巖體以相同的加速度移動;

(2)動力沖擊作用后,釋能支護系統控制巖體移動速度減小到0;

(3)釋能支護系統提供高支護阻力強度,同時能夠產生大的恒定位移;

(4)釋能支護系統最薄弱位置等同于或高于沖擊能量;不考慮相鄰釋能支護單元影響區域及穩定跨度影響程度,釋能支護原理要同時滿足上述條件.釋能支護原理需要在現場實際觀察與監測巖爆動力沖擊作用下巖體動力響應破壞與支護系統表現,進行進一步修正與補充.該支護原理未充分考慮動荷載循環、震蕩以及滯后特點[28G29].目前,釋能支護設計考慮巖石質點峰值速度替代巖塊彈射速度,設計釋能支護系統考慮質點振動速度為3~10 m/s,以此確定釋能支護系統的錨桿(索)能夠承擔指定位移能力.

圖3 釋能支護原理

4 釋能錨桿研究

錨桿是加固開挖體圍巖最常用的方式,錨桿的種類繁多,而且各有優缺點.由于普通錨桿的作用機理是基于靜態載荷的加固圍巖方式,在受到巖爆等動力破壞時,往往導致錨桿變形太大而失去錨固力.當巖爆災害發生之后,不可避免產生圍巖破壞,最主要的問題是通過采取有效的支護技術確保巷道破壞能夠被維護,使其仍然保證其服務功能.即:在巖爆災害發生之后,巷道支護系統仍能保持其承載能力.在高應力、高巖爆傾向以及大變形環境下,動力響應特征成為支護系統選擇及設計的關鍵參數[30].實際上,在選擇支護系統時,需要考慮鉆孔直徑、環境因素(潮濕程度)、腐蝕、膠結材料(水泥或者樹脂)等影響,并且要知道這些影響因素對不同靜力環境的影響[31].作為新型的動力(屈服)支護錨桿[32](諸如:新型錐體錨桿、屈服錨索、屈服錨桿等),需要根據具體條件不斷改進以滿足各種不同需求(設備要求、提高承載能力、較高剛度特性等)[33].釋能錨桿在防治巖爆動力沖擊圍巖破壞中優于普通錨桿,廣泛應用于巖爆支護.

早在20世紀90年代,南非首先提出釋能支護體系[34],并發明第一種釋能錨桿,即錐體錨桿(Cone錨桿)(見圖4).錐體錨桿主要在圓鋼一端鍛造成扁平的圓錐形體,在圓鋼表面噴涂一薄層潤滑材料,致使錨桿在荷載作用下易于分離.該種錨桿通常采用水泥漿或者樹脂進行全長錨固,當錨固在錨桿托盤與圓錐體之間的巖石膨脹時,將在錨桿桿體產生拉力.當拉拔力超過預設值時,錨固端的圓錐體將費力地從錨固體中滑移.因此,該錨桿發揮其作用并吸收巖爆產生的動能.最初,該錨桿設計是采用水泥漿錨固,之后調整為采用樹脂進行錨固.新型錐體(Cone)錨桿在其端頭增加樹脂攪拌功能,被廣泛應用于加拿大易于誘發巖爆災害的深井巷道支護中[35].

圖4 南非錐形(Cone)錨桿結構

在南非[36],主要是應用釋能錨桿支護巖體,釋放巖體內的動能.另一部分動能通過碎裂巖體被巖體表面支護結構釋放.在南非支護系統中,使用鋼絲繩代替鋼帶.在高應力巖體中掘進巷道時,采用釋能錨桿(錐體錨桿(Cone Bolt)、改進的錐體錨桿、管縫錨桿以及錨索)與金屬網或者纖維噴射混凝土組合支護.在澳大利亞[37G38],主要通過管縫錨桿、長錨索并輔以金屬網、鋼帶或者噴射混凝土組合支護解決高應力碎裂蠕變巖體穩定性控制問題.對具有巖爆傾向的巖體,主要采用長錐體錨桿與金屬網或者纖維噴射混凝土組成動力支護系統控制其穩定.在加拿大[19,39],采用短錨桿和金屬網支護破碎巖體,偶爾采用纖維噴射混凝土和金屬網.通常錨桿主要為管縫錨桿、螺紋鋼錨桿和錐體錨桿.在經常發生巖爆的巷道,主要采用螺紋鋼錨桿和錐體錨桿與金屬網組成動力支護體系,增強巖體的剛度.在北歐[40G42],其支護理念與加拿大相似,采用短錨桿與金屬網支護淺層破碎巖體,使其形成整體.但在北歐不使用管縫錨桿,鋼纖維噴射混凝土應用比較廣泛.

目前,在國際上主要有如下動力支護系統:

(1)Durabar錨桿[40]:是在錐體錨桿基礎上改進的一種錨桿,在光滑桿體設計幾個褶皺,在錨桿的尾部設計成一個光滑的圓環.當進行拉拔力測試時,托板承受荷載錨桿沿著波形面滑移.其最大滑動位移等同于錨桿尾部長度(約為0.6 m),屬于兩點錨固錨桿,但此種錨桿未進行動力測試.

(2)膨脹(Swellex)錨桿[40]:圖5是一種典型的膨脹錨桿,該錨桿主要通過錨桿桿體與錨桿孔管壁之間的摩擦力錨固巖體.最新研制的Mn24型Swellex錨桿具有較好的釋能能力,其釋能范圍為18~29 kJ.

圖5 Swellex水力膨脹錨桿

(3)Garf ord剛性錨桿[41](見圖6):主要由圓鋼、錨頭及粗牙螺紋鋼套組成,采用樹脂錨固.粗牙螺紋鋼套主要用于攪拌樹脂.該錨桿的工程錨頭能產生較大的位移量.該錨固頭采用厚壁圓鋼制作,壓入鋼管套中350 mm.圓鋼直徑壓縮至原始尺寸插入粗牙螺紋鋼套中.當錨固端與托板間壓縮巖石膨脹時,圓鋼被從錨固端拔出.當被拔出之后,其錨固力仍然保持不變,該錨桿能夠產生390 mm位移.

圖6 Garfor d剛性錨桿

(4)Roofex錨桿[42]:是一種動力韌性錨桿,由錨固端和圓鋼組成,采用樹脂進行錨固.圓鋼從錨固端中滑動,產生80 k N的恒定支護阻力,錨桿的錨固力低于圓鋼抗拉強度.Roofex錨桿動力荷載約為60 k N,其動力測試能量為12~27 kJ.

(5)D錨桿[40G42]:由圓鋼帶一定數量的具有一定間隔的錨固點組成(見圖7),錨桿安裝后,由于錨固點較圓鋼直徑大,能自動固定在錨桿孔中.錨桿使用樹脂或者水泥漿液全長錨固在錨桿孔中,在兩錨固點之間的圓鋼與錨固體的粘結較弱,當巖體膨脹時,在兩錨固點之間的拉力將控制巖體膨脹,這部分彈性延伸幾毫米屈服,整體可產生200 mm的拉伸長度.當荷載為200 k N,錨桿的拉伸位移為100~120 mm,承受沖擊荷載的能量為36~39 kJ.

圖7 挪威D錨桿結構形式

5 M(ace)釋能錨桿研發

深井巖爆發生時,錨固在巖體內的釋能錨桿在保持高拉拔力的同時要具有動力釋能讓壓.依據巖石動力學、能量積累和耗散原理、錨桿支護原理等作為設計基礎,研發了一種滿足上述要求的新型M(ace)釋能錨桿(見圖8).該錨桿由M(ace)模塊和攪拌模塊組成.在安裝過程中,M(ace)釋能錨桿通過使用攪拌模塊攪拌安放在錨桿孔中的樹脂藥卷或水泥藥卷,使M(ace)模塊與錨桿孔粘結牢固;新型M(ace)釋能錨桿的最大特點是既具有南非cone錨桿的整體滑移能力,又具有D錨桿的多點錨固作用,同時兩點錨固間產生滑移作用,使得錨桿既可以與圍巖共同移動消耗積聚在圍巖內部的動能,又可以保持較高的錨固力,保持圍巖與支護體的穩定,使其在高應力、巖爆(沖擊地壓)以及脆－延性大變形作用下,保持巷道圍巖穩定.

圖8 新型M(ace)釋能錨桿結構

巖爆等動力災害研發的動力支護系統(見圖9)應具有以下特征:

(1)該系統應能承受剪切和拉伸荷載;

(2)該支護系統既允許開挖巖體表面產生一定大的變形,又能控制其變形位移量,從而保證開挖結構的有效工作空間;

(3)該系統不僅能吸收巖爆釋放能量,又能抵制動力轉換或者降低巖體沖擊荷載的作用;

(4)該系統能抵抗多次巖爆災害發生.

圖9 巖爆動力沖擊作用下的釋能支護效果

采用礦山動力支護系統會吸收巖爆發生時釋放的能量,并使其產生的動能在巖體表面產生大幅下降.為此,研發有效控制巖爆危害的礦山動力支護系統,實現“爆而不倒”、留有足夠的安全空間確保人員和機械設備的安全,為我國深井開采及高應力礦體安全、高效開采提供技術保障.

6 結 論

在深部高應力及采礦地壓作用下,巖爆等動力災害是深部采礦地壓控制的核心問題.研究開采誘發巖爆的最終目的是防止或控制巖爆的發生,巖爆預測研究的目的是試圖降低巖爆可能會造成破壞的嚴重程度,消除或降低巖爆對井下工作人員以及設備等造成的危害.

本文在系統分析巖爆誘發巷道圍巖動力響應特征的基礎上,提出釋能支護機理,即釋能支護要滿足下列條件:

(1)在高動力沖擊作用下,釋能支護區域內巖體以相同的加速度移動;

(2)動力沖擊作用后,釋能支護系統控制巖體移動速度減小到0;

(3)釋能支護系統提供高支護阻力的同時,能夠產生大的恒定位移;

(4)釋能支護系統最薄弱位置等同于或高于沖擊能量.

對于釋能支護系統中釋能錨桿的選擇,應考慮巖石質點峰值速度替代巖塊彈射速度(3~10 m/s)與位移能力.綜合分析釋能錨桿研究現狀,提出新型Mace釋能錨桿及其作用機理,為深部巖爆等動力沖擊作用下巖體的穩定性控制提供了技術支撐.

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