深部礦山巷道巖爆傾向性預(yù)測及防治技術(shù)研究

李 準(zhǔn)，苗勇剛，夏志遠(yuǎn)

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

巖爆是一種常見的典型工程地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，在礦山開采、隧道開挖、水利工程等高地應(yīng)力和復(fù)雜地質(zhì)條件的工程時有發(fā)生。巖爆往往極具破壞性，對生命財產(chǎn)安全構(gòu)成極大的威脅，也嚴(yán)重影響了工程的穩(wěn)定性。因此，國內(nèi)外學(xué)者對巖爆的研究一直沒有停止過，目前也取得了很多有巨大價值的成果，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、巖爆顯現(xiàn)的突發(fā)性等諸多因素，在巖爆機(jī)理及巖爆判別標(biāo)準(zhǔn)方面還有很多不足，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不能進(jìn)行準(zhǔn)確有效的預(yù)測[1]。其中，最突出的問題是巖爆傾向性預(yù)測理論很多局限于理論階段，不能很好地指導(dǎo)在礦山實際中遇到的問題，所以巖爆傾向性預(yù)測及防治措施需要結(jié)合實際工程，根據(jù)實際情況進(jìn)一步研究探討，避免巖爆造成重大災(zāi)害。

1 工程概況

南和溝礦區(qū)是胡家峪礦業(yè)有限公司的主產(chǎn)礦區(qū)，目前已經(jīng)開拓到-75 m中段，埋深達(dá)千米，進(jìn)入深部開采階段。礦區(qū)在基建和開采過程中，在-75、+190和+240 m中段發(fā)現(xiàn)不同程度的地壓顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為巷道拱頂下沉甚至塌方、墻體片幫與開裂、支護(hù)后的鋼拱架變形嚴(yán)重、巖爆現(xiàn)象偶發(fā)。在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)新掘進(jìn)的巷道有透鏡狀巖片剝落，兩幫上部發(fā)現(xiàn)有小型三角狀破裂面，這是典型的巖爆特征，而且經(jīng)工作人員描述有彈射的槍炮聲，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及以往資料表明，南和溝礦區(qū)存在巖爆現(xiàn)象。南和溝礦區(qū)后續(xù)將繼續(xù)開采+190、+140、+90、+40、-10 m五個中段，隨著開采深度的增大，地壓將顯著增大，經(jīng)過計算測量，在+190 m中段最大主應(yīng)力達(dá)30.2 MPa，處于高地應(yīng)力范圍，面臨極大的巖爆風(fēng)險。

圍巖以矽化大理巖為主，黑色片巖次之，另外還有鈣質(zhì)云母石英片巖和厚層大理巖?？箟簭姸葴y定標(biāo)本按不同巖性礦體圍巖頂?shù)装暹M(jìn)行采集，得到矽化大理巖平均單軸抗壓強度82.05 MPa，厚層大理巖平均單軸抗壓強度57.13 MPa，黑色片巖平均單軸抗壓強度69.66 MPa，鈣質(zhì)云母石英片巖平均單軸抗壓強度66.24 MPa。

2 巖爆傾向性分析

2.1 基于應(yīng)力-強度判據(jù)的巖爆傾向性預(yù)測

1)Russenes判據(jù)

Russenes巖爆判據(jù)的判別標(biāo)準(zhǔn)如下[2]：

(1)

式中：σθ—巷道最大切向應(yīng)力，MPa；Rc—巖石單軸抗壓強度，MPa。下同。

依據(jù)Russenes巖爆判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，四種巖石的巖爆判別結(jié)果見表1。Russenes巖爆判據(jù)平均值為0.535，初步判斷胡家峪南和溝礦有中等巖爆傾向。

表1 Russenses判據(jù)分析結(jié)果

2)Hoek判據(jù)

Hoek巖爆判據(jù)的判別標(biāo)準(zhǔn)如下[3]：

(2)

依據(jù)Hoek巖爆判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，四種巖石的巖爆判別結(jié)果見表2。Hoek巖爆判據(jù)平均值為0.535，初步判斷胡家峪南和溝礦有嚴(yán)重片幫傾向。

3)谷-陶判據(jù)

谷-陶巖爆判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如下[4-5]：

(3)

式中：σ1—巷道最大主應(yīng)力，MPa。

依據(jù)谷-陶巖爆判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，四種巖石的巖爆判別結(jié)果見表3。谷-陶巖爆判據(jù)平均值為0.448，初步判斷胡家峪南和溝礦有高巖爆傾向。

表2 Hoek判據(jù)分析結(jié)果

表3 谷-陶判據(jù)分析結(jié)果

2.2 基于能量判據(jù)的巖爆傾向性預(yù)測

1)沖擊能量指數(shù)Wcf判據(jù)

巖爆沖擊能量指數(shù)Wcf計算公式及判別標(biāo)準(zhǔn)如式(4)和(5)所示，圖1為沖擊能量指數(shù)Wcf計算示意圖[6]。

Wcf=E1/E2

(4)

圖1 沖擊能量指數(shù)Wcf計算圖Fig.1 Calculation diagram of impact energy index

式中：E1—峰值前儲存的變性能；E2—破壞過程損耗的變性能。

(5)

四種巖石試樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。巖爆判別結(jié)果見表4。沖擊能量指數(shù)平均值為2.825，初步判斷胡家峪南和溝礦有弱巖爆傾向。

圖2 四種巖石試塊全應(yīng)力-應(yīng)變試驗曲線Fig.2 Full stress-strain test curves of four kinds of rock test blocks

表4 沖擊能量指數(shù)Wcf分析結(jié)果

2)彈性應(yīng)變能指數(shù)Wet判據(jù)

彈性應(yīng)變能指數(shù)Wet計算公式及判別標(biāo)準(zhǔn)如式6和式7所示，圖3為彈性應(yīng)變能指數(shù)Wet計算示意圖[7-8]。

Wet=ER/ED

(6)

圖3 彈性應(yīng)變能指數(shù)Wet計算圖Fig.3 Calculation diagram of elastic strain energy index

式中：ER—試塊卸載時恢復(fù)的彈性應(yīng)變能；ED—試塊加卸載循環(huán)中耗散的能量。

(7)

四種巖石試樣加卸載試驗曲線如圖4所示。巖爆判別結(jié)果見表5。彈性應(yīng)變能指數(shù)平均值為2.591，初步判斷胡家峪南和溝礦有弱巖爆傾向。

圖4 四種巖石試塊加卸載試驗曲線Fig.4 Test curves of four rock test blocks under loading and unloading

表5 彈性應(yīng)變能指數(shù)Wet分析結(jié)果

2.3 層次分析模糊綜合評判

應(yīng)用層次分析法(AHP)分析影響巖爆的各種因素并賦予權(quán)重大小，進(jìn)行一致性檢驗后將其結(jié)果代入模糊綜合評判公式，即AHP-FUZZY綜合評判法[9-10]。

1)巖爆判據(jù)層次結(jié)構(gòu)分析

前述巖爆判據(jù)可歸納為應(yīng)力-強度判據(jù)和能量判據(jù)兩個方面，可以建立巖爆層次結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。

圖5 巖爆發(fā)生及強度梯階層次結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Rockburst occurrence and intensity cascade structure model

利用倒數(shù)標(biāo)度法，構(gòu)造各層次中各因素指標(biāo)的權(quán)值判斷矩陣，建立好的層次結(jié)構(gòu)模型中設(shè)定的總目標(biāo)為巖爆發(fā)生及強度(A)，將其與判據(jù)準(zhǔn)則(B)構(gòu)造的判斷矩陣見表6，各判據(jù)準(zhǔn)則中組成因素之間的相對重要性判斷矩陣見表7、表8。

表6 A-B判斷矩陣

表7 B1-C判斷矩陣

表8 B2-C判斷矩陣

層次單排序結(jié)果見表9，經(jīng)一致性檢驗，CR值均小于0.10，說明建立的判斷矩陣合理可靠。層次總排序結(jié)果見表10，層次總排序結(jié)果經(jīng)一致性檢驗，CR值均小于0.10，證明分析結(jié)果令人滿意。

表9 層次單排序結(jié)果

表10 層次總排序結(jié)果

根據(jù)層次總排序結(jié)果，五種巖爆判據(jù)對巖爆的發(fā)生影響程度是不同的，其中谷-陶判據(jù)能較好地反映巖爆傾向性，其次還有沖擊能量指數(shù)，Russenes巖爆判據(jù)。因此，在進(jìn)行巖爆綜合評價時要重點考慮這三個判據(jù)。

2)巖爆級別評價

本文將應(yīng)用的幾個巖爆判據(jù)進(jìn)行重新分級，以便于應(yīng)用于模糊綜合評判的指標(biāo)分析中，新劃分的巖爆判據(jù)有4個等級，其界限值見表11。

表11 巖爆級別評價

3)層次分析-模糊綜合評價

統(tǒng)計并分析評價指標(biāo)值的分布特點，確定標(biāo)準(zhǔn)方程為k次拋物線型模糊分布的隸屬函數(shù)，方程如下[11]：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：u1(xi)、u2(xi)、u3(xi)、u4(xi)為判據(jù)xi對四個巖爆級別可能性的隸屬度；xi為第i個判據(jù)的指標(biāo)值；ai、bi、ci為第i個判據(jù)指標(biāo)分界值。

將上述五個巖爆判據(jù)的判據(jù)結(jié)果值分別代入上面4個式子中，可求得五個巖爆判據(jù)的模糊關(guān)系矩陣：

通過層次分析法得出的權(quán)矩陣向量W=(0.18 0.16 0.41 0.19 0.06)，將權(quán)矩陣向量W和模糊關(guān)系矩陣U進(jìn)行加權(quán)平均計算，最終得到各判據(jù)的模糊綜合評判集B：

按最大隸屬度原則，可以綜合判定胡家峪南和溝礦區(qū)有中等巖爆傾向。

3 巖爆防治措施

3.1 改變圍巖力學(xué)性質(zhì)

1)預(yù)先打超前卸壓孔或爆破卸壓

在+240、+190、-75 m中段巷道掘進(jìn)時，可預(yù)先超前打卸壓孔，卸壓孔深一般為2～3 m，可沿巷道軸向或徑向在巷道邊幫布置卸壓孔，仰角一般不大于30°，可有效降低應(yīng)力集中，預(yù)防巖爆的發(fā)生。也可利用局部爆破的方式爆破卸壓，對圍巖進(jìn)行破碎松動，降低應(yīng)力集中，耗散圍巖中儲存的能量。

2)噴灑水或注水軟化圍巖

在巷道掘進(jìn)過程中，當(dāng)巖石軟化系數(shù)比較小時，通過向圍巖噴灑水，水可滲入巖石孔隙，使巖石軟化，降低強度，有效降低巖爆的可能性；當(dāng)巖石軟化系數(shù)比較大時，向巷道幫壁噴灑水效果并不理想，可通過打注水孔，將水壓入巖體。利用水的劈裂作用將巖石節(jié)理裂隙擴(kuò)張，降低圍巖表面張力，降低巖爆的傾向性。

3.2 加固圍巖措施

胡家峪南和溝礦區(qū)的原支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)，采用管縫式錨桿，錨桿長度1.6 m，間排距1 000 mm×1 000 mm，噴射混凝土厚度100 mm。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果以及礦山記錄資料，地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，且有巖爆現(xiàn)象的發(fā)生，說明現(xiàn)有的支護(hù)方式不能滿足安全生產(chǎn)的要求。結(jié)合胡家峪南和溝實際支護(hù)形式，根據(jù)圍巖的完整性程度提出兩套方案，方案一(圖6)為錨網(wǎng)噴支護(hù)+澆筑混凝土支護(hù)，方案二(圖7)為注漿加固聯(lián)合錨網(wǎng)噴支護(hù)，兩套方案均采用全長樹脂錨桿進(jìn)行加強支護(hù)，錨桿規(guī)格20 mm×2 000 mm，錨桿間排距0.8 m×0.8 m，呈梅花型布置。

圖6 支護(hù)方案一(單位：mm)Fig.6 Support plan one(Unit：mm)

圖7 支護(hù)方案二(單位：mm)Fig.7 Support plan two(Unit：mm)

以上兩套方案依托FLAC3D軟件，并選取Russenes判據(jù)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。以-75 m中段硬巖斷層接觸帶作為研究區(qū)域進(jìn)行對比，得到的切向應(yīng)力值變化如圖8、9所示。

圖8 方案一切向應(yīng)力值Fig.8 Tangential stress value of plan one

圖9 方案二切向應(yīng)力值Fig.9 Tangential stress value of plan two

支護(hù)方案一的最大切向應(yīng)力值為17.88 MPa，較原始值22.94 MPa減小5.09 MPa，減少幅度22%。支護(hù)方案二的最大切向應(yīng)力值為15.12 MPa，較原始值22.94 MPa減小7.6 MPa，減少幅度33%。根據(jù)Russenes判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，采用兩套支護(hù)方案后由中等級巖爆降低為弱等級巖爆和無巖爆，所以改進(jìn)后的支護(hù)方案對控制巖爆有很好的效果。

4 結(jié)論

1)從應(yīng)力-強度判據(jù)角度以及能量判據(jù)角度分析巖爆傾向性，主要用Russenes巖爆判據(jù)、Hoek巖爆判據(jù)、谷-陶巖爆判據(jù)、沖擊能量指數(shù)判據(jù)、彈性應(yīng)變能指數(shù)判據(jù)對矽化大理巖、厚層大理巖、黑色片巖、鈣質(zhì)云母石英片巖四種巖性進(jìn)行巖爆傾向性預(yù)測。最后結(jié)合層次分析-模糊綜合評判法綜合五個判據(jù)指標(biāo)分析得出胡家峪南和溝礦有中等程度巖爆傾向，使得評判結(jié)果更合理。

2)結(jié)合礦山實際情況，提出了兩種巖爆防治措施，一是改變圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，二是加固圍巖，并設(shè)計了兩套支護(hù)方案，依托FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析兩種支護(hù)方案對巖爆的控制效果，在巖爆發(fā)生風(fēng)險高的區(qū)域可優(yōu)選兩種支護(hù)方案。