阿舍勒銅礦深部巖石巖爆傾向性評價及防治措施研究

栗盼平

（新疆阿舍勒銅業股份有限公司，新疆阿勒泰 836700）

1 概況

阿舍勒銅礦深部開采達到1000m，埋藏深度較大。通過分析研究我國各地礦山情況發現，當開采深度達到800m 時，巖爆頻率明顯增多。在深部開采過程中，自重應力、構造應力以及采礦次生應力的疊加可能會超出脆性巖石強度，從而導致巖爆的發生。因此，阿舍勒銅礦深部開采時有發生巖爆的可能。

巖爆的烈度等級需要根據巖爆傾向性判據進行分析，才能確定出深部不同巖石的巖爆烈度。本文通過不同的巖爆傾向性評價方法確定阿舍勒銅礦深部不同巖石的巖爆烈度等級，并根據巖爆烈度等級提出相應的危害防治措施。

2 巖爆傾向性評價

國內外評價巖爆傾向性的方法有很多，本文選用三種具有代表性的巖爆傾向性評價方法對其深部具有代表性的三種巖石進行評價。

2.1 評價方法

（1）巖石強度脆性系數評價法

巖石的脆性破裂指的是，當其沒有出現永久變形時，某一面上的強度突然減弱至零的情況。K值是衡量巖爆傾向性的重要指標，它可以用巖石的抗壓強度和抗拉強度的比來表示。一般認為，脆性系數越大，巖爆越強烈。巖石脆性系數判據如表2-1所示。

表2-1 巖石強度脆性系數判據

K計算表達式：

式中：σc為巖石單軸抗壓強度，單位為MPa；σt為巖石單軸抗拉強度，單位為MPa。

（2）彈性能量指數評價法

通過單軸壓縮試驗可以確定巖石試塊的彈性能量指數。在實驗室對阿舍勒銅礦深部巖石試樣進行單軸壓縮試驗，以其強度的70%～90%的應力-應變曲線為依據，采用圖形積分法計算出彈性變形能量儲能與塑性變形耗能的比值，即WET。

WET計算表達式：

式中：φsp是由于巖石產生塑性變形和內部產生微破壞而消耗的能量，單位為MJ；φst是卸載后仍然儲存在巖石內部的應變能，單位為MJ。

表2-2 彈性能量指數判據

（3）能量沖擊性指標判據法

在評估巖爆傾向性時，這種方法是最常用的。礦巖具有聚集彈性應變能并在超出其強度后突然釋放的物理力學特性，這就是其沖擊傾向性。這一概念闡明了巖爆產生的原因和必要條件。國內外學者利用單軸壓縮試驗中的應力-應變全過程曲線，計算出巖爆能量沖擊性指標Wcf。

Wcf計算表達式：

式中：A1為單軸壓縮試驗獲得的應力-應變曲線在峰值強度前與坐標軸橫軸所圍成的區域的面積；A2為單軸壓縮試驗獲得的應力-應變曲線在峰值強度后與坐標軸橫軸所圍成的區域的面積。

表2-3 彈性能量指數判據

2.2 評價結果

（1）巖石強度脆性系數評價法評價結果

通過對阿舍勒銅礦深部巖石進行單軸壓縮試驗及巴西劈裂試驗，并按照式（2-1）進行計算，求得巖石強度脆性系數K。所得試驗結果如表2-4所示。

表2-4 巖石強度脆性系數評價法評價結果

（2）彈性能量指數評價法評價結果

通過對阿舍勒銅礦深部巖石進行單軸循環加卸載試驗，并按照式（2-2）進行計算，所得試驗結果如表2-5所示。

表2-5 彈性能量指數評價法評價結果

（3）能量沖擊性指標判據法評價結果

通過對阿舍勒銅礦深部巖石進行單軸壓縮試驗，求取巖爆能量沖擊性指標Wcf。所得試驗結果如表2-6所示。

表2-6 能量沖擊性指標判據法評價結果

綜合對比三種評價方法結果可知，阿舍勒銅礦深部具有代表性的凝灰巖、銅硫礦以及黃鐵礦均存在巖爆傾向。

3 巖爆危害防治措施研究

經巖爆傾向性評價結果分析可知，阿舍勒銅礦在進行深部開采時會發生巖爆。弱巖爆發生破壞巖體厚度為不大于0.25m，而中等巖爆發生破壞巖體厚度一般為0.25～0.75m。因此，中等巖爆的發生會對礦山生產造成的一定的危害，有必要采取相應的防治措施。

采取防治措施如下：

（1）優化巷道斷面設計、巷道走向和采場布置。為減少巷道圍巖應力集中，建議阿舍勒銅礦深部巷道長短軸之比取1.4～1.6。將深部巷道采場和巷道走向與最大主應力方向（接近東西向）平行或接近平行布置，以減少高水平應力對采場和巷道穩定性的不利影響。

（2）及時充填采空區。隨著開采深度不斷增加，阿舍勒銅礦地應力將不斷增大。處于高應力區的采場圍巖，特別是孤島礦柱，積聚了較高的彈性能，是巖爆高發區域。建議在礦體開采后，及時充填采空區，盡量縮短空區圍巖暴露時間，改善圍巖受力狀況，防止圍巖應力過于集中導致巖爆的發生。

（3）優化采場結構參數及回采順序。通過相關試驗確定阿舍勒銅礦深部合理的采場結構以及正確的回采工藝，有效減少或避免應力高度集中，防止能量大量積聚發生巖爆。

（4）對支護參數進行優化，及時實施圍巖支護。在開挖前或開挖完成后，應及時對圍巖進行支護。通過支護使圍巖重新處于新的平衡狀態，由此來減輕巖爆的危害，降低一線采礦人員的施工風險。

4 結論

通過對阿舍勒銅礦深部具有代表性的巖石進行巖爆傾向性評價，發現其均存在巖爆傾向。結果表明阿舍勒銅礦在深部進行開采時可能會發生巖爆。通過采取優化巷道斷面設計、巷道走向和采場布置、及時充填采空區、優化采場結構參數及回采順序、優化支護參數，及時進行圍巖支護等措施來防止巖爆現象的發生，從而降低一線采礦人員的施工風險。