礦山巖爆防治機理及方法研究綜述

吳偉偉,戴興國,杜 坤,歐陽景權,陳 建

(1.中南大學 資源與安全工程學院, 湖南 長沙 410083;2.湖南安化渣滓溪礦業有限公司, 湖南 安化縣 413500)

0 引 言

巖爆目前是礦山中深部開采和深埋隧道掘進工程中一種常見的動力災害,礦山巖爆又稱為采礦誘發地震,其實質是巖體動力破壞的一種形式。它是處于高應力或極限平衡狀態下的硬脆性巖體,在開挖等工程的擾動下,其內部儲存的彈性應變能瞬間、急速釋放,造成開挖空間周圍部分巖石從其母巖中急劇、猛烈地突出或彈射出來的一種動態力學現象。

目前工程界對巖爆發生、破壞機理的研究尚沒有達成統一認識。郭然等根據巖爆的震源機理,將其劃為應變型,彎曲破壞型、礦柱破壞型、剪切破壞型和斷層滑移型5類巖爆[1]。針對巖爆的破壞機理,多位學者結合現場和室內試驗認為巖爆是張性破壞或張剪性破壞的結果,如：王蘭生教授針對二郎山隧道巖爆的研究,認為其破壞形式是壓致拉裂、壓致剪切拉裂和彎曲鼓折;譚以安等則把巖爆破壞過程劃分成3個階段,即：“劈裂成板－剪切成塊－塊片彈射”[1-3]。

針對巖爆是在其內因和外因共同作用下,滿足特定條件時形成的這一結論得到了工程界的一致認可。內因取決于巖體是否具備儲存高應變能的性質,外因首先取決于巖體是否處于較高的應力環境或處于極限平衡狀態中,其次為是否有開挖、爆破等工程活動的擾動。

當前對巖爆機理、防治的研究多集中在一些“大埋深、大斷面、高應力”的隧道工程中,如：二郎山、秦嶺公路隧道以及天生橋二級水電站、太平驛水電站和雅礱江錦屏二級水電站的引水隧洞等,并取得了豐碩的成果[4],如：基本掌握了巖爆易發的時間和區域,見表1和表2。同時我國的礦山建設目前已普遍進入中深部開采,井下巖爆現象已從無到有,從偶發到常發,從吱吱作響到大塊劇烈、急速拋出,已嚴重威脅井下的安全生產,我國部分礦山巖爆情況如表3所示。

礦山井下巖爆的防治不等同于隧洞工程,其主要區別如下：

(1)礦山井下基建開拓、生產服務期較長;

(2)礦山巷道斷面一般較小;

(3)礦山巷道施工、支護質量要求相對較低;

(4)礦山巷道種類多,除平巷、平硐外,還有豎井、斜井、天井、上山、硐室等;

(5)礦山井下多以采場巖爆為主,采場根據傾角、厚度的不同,而有多種不同類型的采場;

(6)采場由于回采的重復性,一般不能用支護的方式防治巖爆;

(7)不同的采礦工藝、采礦設備對井下采場、巷道等有持續不同的動態擾動。

因此,礦山井下巖爆是多因素動態、持續、反復擾動的結果。

表1 國內部分隧道、礦山巖爆發生時間

表2 國內部分隧道巖爆發生區域

表3 國內部分礦山巖爆情況

1 巖爆防治機理

巖爆是在其內因和外因共同作用下形成的,因此其防治機理側重于兩個方面。第一：改變巖體力學性質,使其不能儲存較大的應變能;第二：減小巖體所處的應力環境。國內外專家學者從不同方面開展巖爆防治機理的研究,如N.N.Mel′nikov等從非線性動力學方面考慮巖爆的防治;Jiang HE、Zhichao TIAN等主要研究煤礦頂板斷裂、沿空巷道、孤島工作面等巖爆的防治[5-9]。

1.1 超剪應力理論

嚴鵬等基于“超剪應力理論”提出了防治斷裂型巖爆的機理和方法[10]。其認為工程開挖擾動降低了斷裂表面的滑動超剪應力門檻值,可以使斷裂兩側巖體在較低的超剪應力條件下產生滑動,進而誘發微地震或巖爆,其對圍巖的影響主要體現在以下4個方面：

(1)應力波從相對堅硬的巖體傳入較弱的巖體中時,在巖層界面會產生拉伸波,形成拉應力;

(2)巖塊系中會產生超低摩擦效應;

(3)巖塊系中會產生準共振現象;

(4)圍巖中動態剪應力增大,直接增大超剪應力。

針對此類巖爆,其防治理念應側重于降低開挖擾動對不利結構部位巖體的影響。

1.2 RDM本構模型和局部能量釋放率理論

陳國慶等建立了可反映高地應力下硬脆性巖體破壞過程和特點的RDM彈脆塑性本構模型,即：巖體裂化模型。同時再結合局部能量釋放率評價指標來分析硬巖脆性破壞過程中能量釋放的強弱,為巖爆防治方法和時機選擇提供依據[11]。

RDM模型考慮了破損區的巖體力學性質隨巖體破損程度的不同而發生相應劣化,即破損區的圍巖力學參數是等效塑性應變函數,如式(1)所示。

式中,Eo、co、φo分別為巖體初始狀態時的彈性模量、粘聚力和內摩擦角;分別為一定等效塑性應變下巖體的彈性模量、粘聚力和內摩擦角分別為其變化函數。

局部能量釋放率如式(2)、式(3)所示。

式中,LERRi第i個單元局部能量釋放率;NEimax第i個單元脆性破壞前的彈性應變能密度峰值;NEimin第i個單元脆性破壞后的彈性應變能密度谷值;ERE為總的彈性釋放能;Vi第i個單元的體積。

1.3 快速應力釋放理論

汪洋等認為巖爆的發生主要與硐室開挖后硐壁上處于單向應力狀態的切向應力的大小有關,據此提出采用快速應力釋放法防治巖爆。其主要手段為在圍巖內爆破形成破碎帶,創造一個低彈性區,從而使硐室周邊高應力向深部圍巖轉移,通過減小硐壁上的切向應力,達到巖爆防治的目的[12]。

羅憶等也認為硐室開挖后圍巖應力重分布使得圍巖表面徑向應力減小,環向應力增加,形成環向擠壓。因而針對時滯型巖爆提出了切縫法防治機理,通過在關鍵部位的切縫可起到：

(1)弱化表層圍巖,使其高應力向圍巖深部轉移;

(2)為環向應變提供變形空間,降低圍巖表面的環向應力;

(3)切縫底部和切縫間形成了塑性區,可消耗圍巖中部分彈性應變能。巷道或硐室可采用破碎孔爆破或聚能預裂爆破的方法形成切縫[13]。

1.4 能量釋放率理論

Cook等在研究南非金礦巖爆問題時,于1966年首次提出了能量釋放率的概念。謝學斌等認為巖爆發生的必要條件是“礦體－圍巖系統”在其力學平衡狀態破壞時所釋放的能量大于所消耗的能量[14]。因而從理論上可以通過優化采場結構參數來降低圍巖積聚和釋放的彈性應變能,其通過采用數值模擬和正交實驗相結合的方法,建立以平均能量釋放率為目標函數,采場結構參數為自變量的函數優化問題,如式(4)所示。通過函數優化求解,可得出積聚和釋放彈性應變能最小的采場結構參數,以此來防治采場巖爆。

式中,E為目標采場平均能量釋放率;A,B,C,...分別表示采場結構參數等變量。

1.5 動靜組合支護理論

王斌等認為從巖爆發生的特點及表現形式上分析,巖爆屬性涉及動力學和靜力學兩方面。因此,傳統的基于靜力學的支護措施在巖爆防治效果方面作用有限[15]。其從圍巖結構效應角度,研究了外界擾動和巖爆圍巖自身誘發巖爆的動力學機制,得出巖爆是滿足一定條件下圍巖內部自穩時變結構調整的過程。基于此提出巖爆防治的動靜組合支護理論,通過采用預留錨固方式、動靜組合錨桿等關鍵技術來加固圍巖防治巖爆。同時要求,設計、施工中錨桿可伸長構件必須設置在圍巖體內部破裂區和彈性區邊界附近,從而給應力波擾動破壞的彈性區巖石提供擴容變形空間。

1.6 水防治理論

唐寶慶等于1996年首次研究了巖層注水防治巖爆的原理及效果,其機理主要體現在以下兩個方面[16]。

(1)水及某些含陽離子的溶液可以降低巖石顆粒間的表面能,從而降低巖石的破裂強度。

(2)注水后巖石的層理、節理、裂隙發育更好,數量更多,孔隙率更高。從巖石力學性質角度考慮,巖石的強度、彈模、粘結力減小,泊松比增加。從能量角度考慮,巖石能夠貯存的彈性能減小。

王斌等[17-18]通過飽水砂巖的室內靜載試驗進一步表明較硬巖石遇水后靜態強度下降,變形量增大,巖體積聚彈性能的能力下降。但同時指出室內試驗巖樣飽水過程非常重要,(要求：首先將巖樣浸水至其1/3處,12 h后,再浸水至其2/3處,再12 h后,浸入全部巖樣,30 d完成飽水過程),其對試驗結果影響很大。現場中若巖石的滲透性低,水不易充分滲入巖體,則防治效果很差。

Shankun ZHAO等[19]基于非線性動力學和彈塑性理論,采用RFPA數模軟件,應用滲流－應力耦合模型研究了高應力地區鉆孔在水壓致裂下的裂紋擴展和應力轉移過程。實驗結果表明在巖爆易發的高地應力區,鉆孔在高水壓形成的拉剪應力的致裂作用下,主裂紋的擴展方向和最大主應力方向平行,高水壓的致裂、滲流作用可以導致巖層破壞,也可以弱化礦巖的物理力學參數。

Zengqiang YANG等[20]也進行了高壓水射流弱化圍巖結構的理論分析,其認為高壓水射流可以形成應力卸壓區,且鉆孔越長,卸壓區越大。

2 巖爆預防方法

2.1 設計預防

設計預防,即從礦山開采設計之初,就采取避險措施,從源頭上減弱巖爆的形成條件,以達到回采中無巖爆發生的目的[21-24]。它應綜合考慮以下幾方面因素：

(1)礦山構造、礦脈產狀、巖性等地質條件;

(2)礦山實測地應力;

(3)礦床開采規模、采礦方法等開采條件。

因而,設計預防的主要方法有：

(1)設計巷道軸線方向應盡量與最大主應力方向平行或者小角度相交(≤30°);

(2)設計巷道斷面盡量采用圓形、橢圓形或帳篷形等;

(3)在高地應力區,若水平應力大于垂直應力,則巷道斷面的寬高比應近似等于側壓系數,以達到最佳受力狀態;

(4)巷道掘進盡量采用光面爆破;

(5)在垂直礦體走向方向上,回采工作由背斜軸部向兩翼開展;沿礦體走向方向上,由中央厚大部位向兩端回采;

(6)采場長軸盡量與礦體走向一致,盡可能不留礦柱,減少巷道交匯。

2.2 監測預防

監測預防,即在巖爆發生概率大的區域,埋置儀器,通過觀察分析數據奇異點的情況來提供巖爆預警。其主要方法有[25]：

(1)地壓監測。曾憲濤等在會澤3＃豎井施工中在圍巖和混凝土巖壁上布置應力監測點。若監測應力值突然升高2 MPa時,采用臨時防護措施;若大于2 MPa時,采取卸壓措施。

(2)鉆孔監測。在巖爆易發區域,布置鉆孔,根據鉆粉率指數來判別巖爆危險度,其相互關系如表4所示(鉆粉率指數＝每米實際鉆粉量/正常鉆粉量)。

表4 鉆粉率指數與巖爆危險度關系

(3)微震監測。即通過監測巖體破裂產生的震動,對巖體的破壞情況作出評價,從而提出預警工作。如冬瓜山銅礦采用了以微震監測系統為主,短周期地震監測,人工觀察記錄和便攜式檢測儀為輔的巖爆監測系統方案。

(4)電磁輻射監測。巖體電磁輻射是巖體受載變形破壞過程中向外輻射電磁能量的一種現象,與巖體的變形破壞密切相關。李桂元等在平煤集團十二礦采用了電磁輻射法對巷道施工過程進行巖爆監測。

3 巖爆治理方法

巖爆治理方法分主動治理和被動治理。以卸壓為手段的方法稱為主動治理;以加強支護為手段的方法稱為被動治理。巖爆防治中可結合實際情況,即可單獨應用,也可綜合應用。

3.1 柔性支護

柔性支護主要是指錨桿(水脹式錨桿、管縫式錨桿)、噴射混凝土(鋼纖維)和鋼筋網形成的支護系統[26-28],國內采用柔性支護防治巖爆的工程實例如表5所示,其防治機理如下：

(1)柔性支護有較高的承載力和對圍巖表面較高的覆蓋率;

(2)柔性支護具有吸能作用;

(3)柔性支護遵循能量逐步釋放的原則。

3.2 鉆孔卸壓

鉆孔卸壓可有效釋放巷道圍巖應力增高區的變形破壞能量,促使淺部高應力向深部巖體中轉移,國內采用鉆孔卸壓防治巖爆的工程實例如表6所示。

卸壓效果與孔徑、孔間距密切相關,原則上孔徑越大、間距越小則卸壓效果越好[29-30]。

鉆孔周圍破裂區半徑的計算,如式(5)～式(7)所示：

式中,D為鉆孔周圍破裂區半徑,mm;β為破裂范圍系數;r為鉆孔半徑,mm;S為鉆孔實際與正常鉆屑量之比;k為孔壁松散系數。

表5 柔性支護防治巖爆工程實例

表6 鉆孔卸壓防治巖爆工程實例

3.3 爆破卸壓

爆破卸壓,即通過布置在巖爆易發區域的鉆孔孔底爆破,形成局部破碎區,一方面可消耗圍巖中積聚的應變能,另一方面可以使高應力區向巖體深部轉移。

同時,在施工中要注意以下兩點。

(1)爆破鉆孔必須深入到高應力區進行孔底爆破,而不破壞硐壁圍巖。

(2)爆破后,視情況進行錨桿支護,長度應超過爆破松動區,防止巖塊塌落。

國內部分礦山采用爆破卸壓設計及工程實例分別如圖1～圖2和表7所示。

圖1 靈寶黃金礦業卸壓炮孔布置(單位：m)

圖2 會澤3＃豎井卸壓炮孔布置(單位：m)

表7 爆破卸壓防治巖爆工程實例

3.4 采場卸壓

郭然等認為對于有巖爆危險的礦山,采空區宜進行膠結充填,其防治機理如下[1]：

(1)防爆作用機理。充填體能夠減小開挖后巖體發生的體積變形、降低能量釋放率和超量剪切應力以及提高采礦結構巖體強度。

(2)減災作用機理。充填體能吸收巖爆產生的地震能,從而降低巖爆的破壞性。

此外,吳愛祥[31-33]還提出了以下幾種采場卸壓方法防治巖爆。

(1)沿礦體底板或頂板超前回采保護層的連續采礦法。其一可以使支承壓力帶向未擾動的巖體轉移,其二礦體邊緣可通過彈性恢復變形卸載部分應力。

(2)上盤卸載無底柱分段崩落法。該法采用分段回采礦體,回采工作面的總推進方向是從上盤到下盤,幾個分段同步回采形成臺階狀的卸壓槽,其臺階沿35°方向推進,巷道中的應力比傳統方案降低33%～66%。

(3)卸壓崩落采礦法。即：在鑿巖硐室中,鉆鑿卸壓孔,爆破后形成卸壓帶,在礦房回采的同時,回采水平的巷道也隨之消失,使采場應力無法集中,避免了巖爆的發生。

李學峰等[34]針對凡口鉛鋅礦深部巖爆問題,采用三維彈塑性數值模擬,進行了盤區卸壓開采技術研究。提出：

(1)凡口礦以－360 m標高為界劃分為2個獨立的采區,上部從上至下開采,深部從下至上開采;

(2)盤區回采順序由中央向兩翼;

(3)盤區卸壓方式為盤區兩側采場卸壓和區內采場提前拉底,并采用雙中段同時卸壓措施。

胡毅夫等[35]采用FLAC3D軟件開展了渣滓溪銻礦急傾斜薄礦脈群卸壓開采技術研究,認為從下盤至上盤開采或者從上盤至下盤開采都可以使下一個待采礦塊處于卸壓環境中。

4 結 論

(1)巖爆的防治機理研究側重于如何減小巖體所處的應力環境、減緩并控制能量釋放率;

(2)微震監測是目前常用的巖爆監測手段;

(3)礦山巷道、硐室可根據巖爆程度分別采用柔性支護、鉆孔卸壓、爆破卸壓等方法防治巖爆;

(4)采場巖爆可根據不同情況采用充填法、崩落法,改變回采順序等防治方法。