一、概述

新世紀(jì)初我國將有更多的金屬礦山進(jìn)入深部開采，深井礦山地壓問題將成為制約我國礦山安全生產(chǎn)、資源回收和

企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的主導(dǎo)因素之一。大深度、高地應(yīng)力下的開采地壓問題將成為金屬礦山企業(yè)面臨的重大技術(shù)難題，解決深井地壓問題，也就必然成為我國礦山行業(yè)的重大技術(shù)發(fā)展方向。有鑒于此，國家專門立項(xiàng)對深井硬巖礦山開采、地壓與巖爆問題進(jìn)行研究。

二、巖爆巷道支護(hù)機(jī)理

１、巖爆巷道支護(hù)機(jī)理 當(dāng)一個(gè)復(fù)雜的支護(hù)系統(tǒng)被簡化之后，都可以劃分為兩種主要的支護(hù)功能：加固圍巖和懸吊-承托。在這兩種功能中，加固圍巖和起懸吊作用的支護(hù)單元為錨桿，而承托單元?jiǎng)t由金屬網(wǎng)、噴混凝土、索帶或它們之間的組合形式來完成。

通過錨桿加固圍巖體是提高圍巖的強(qiáng)度，在圍巖體中形成一個(gè)能承載巖石應(yīng)力的巖石拱，加固錨桿與被加固圍巖一道共同承擔(dān)圍巖傳遞的應(yīng)力。這種以提高圍巖自承能力為目的的方法為一種廣為應(yīng)用的方法。

懸吊-承托作用就是通過起懸吊作用的錨桿和承托單元把破碎的巖石限制在深部巖體上。在通常的低應(yīng)力條件下，這種作用主要是基于安全考慮，而不是對圍巖自身的穩(wěn)定性考慮。但已有研究表明，這種承托作用的錨桿和承托單元(如金屬網(wǎng)、噴混凝土)把破裂巖石限制在深部巖體上，在通常的低應(yīng)力條件下這種作用在保證受高應(yīng)力作用的巷道穩(wěn)定性方面可以起到一個(gè)非常重要的作用。在高應(yīng)力作用下，引起明顯的巖石破裂且通常伴有較大的巖體變形，巖體的破壞通常伴隨巖體剝落的過程而發(fā)展，通過保持破裂巖石層來對巖塊連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)控制。

２、支護(hù)結(jié)構(gòu)單元的特性 完成前述的兩種支護(hù)功能是由支護(hù)結(jié)構(gòu)的各個(gè)單元所起作用的組合而獲得的。在一個(gè)支護(hù)系統(tǒng)中對圍巖起主要加固作用的元件為錨桿，錨桿打入加固圍巖體中之后，在與圍巖共同作用過程中將吸收彈性變形能，提高圍巖體的自承能力。在懸頂-承托支護(hù)結(jié)構(gòu)中，錨桿為維系這一結(jié)構(gòu)的基本單元，一旦錨桿失效則整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)失去作用。

噴射混凝土則可以對表層裂隙巖體起加固、鎖合作用，它與金屬網(wǎng)一起還有較好的抗彎剛度，它可以使沖擊荷載較均勻地分?jǐn)偟郊庸虇卧?錨桿)中去；特別是它可以使錨桿處于單拉狀態(tài)而不是剪切狀態(tài)，從而使錨桿結(jié)構(gòu)的作用功能得到優(yōu)化。噴射混凝土與金屬網(wǎng)共同作用可起到與錨桿相聯(lián)的“托盤”作用，以防止托盤與網(wǎng)之間產(chǎn)生扯脫現(xiàn)象。另外，噴射混凝土作為一個(gè)整體性支護(hù)單元還有一定的支撐效果，使巷道周邊更光滑而消除應(yīng)力集中，通過提供側(cè)向或切向剪切阻力而限制圍巖膨脹等作用。

對于有巖爆巖層的各支護(hù)單元來說，必需具有良好的韌性。所謂韌性是指材料或結(jié)構(gòu)在荷載作用下到破壞或失效為止吸收能量的性能，通常多用應(yīng)力-應(yīng)變曲線或荷載-變形曲線所圍成的面積表示。實(shí)際上材料的韌性反應(yīng)了其吸受彈性應(yīng)變能的能力，韌性越好吸收能量的能力越強(qiáng)。韌性不僅取決于材料的強(qiáng)度，還取決于材料直至破壞時(shí)的變形能力。

三、巖爆巷道支護(hù)應(yīng)考慮的因素

１、確定微震中心 為了有助于巖爆巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)，確定微震活動(dòng)的中心是必要的，目前確定微震源的唯一方法是采用聲發(fā)射微震系統(tǒng)，因此礦山首先必須研究采用微震監(jiān)測系統(tǒng)，來確定微震的量級、事件的頻率、空間位置分布等。A.K.McGarr等人首先研究了微震對巷道周邊產(chǎn)生的影響關(guān)系，他們根據(jù)巖爆量級M，巷道距震源的距離R，峰值質(zhì)點(diǎn)的速度V等參數(shù)給出如下的關(guān)系式：

Log(RV)=aM+b(1)

式中a、b為常數(shù)。這里的M和R為兩個(gè)基本參數(shù)，V為破壞程度的衡量指標(biāo)。G.N.Owen等人基于經(jīng)驗(yàn)資料對V在量級上建立了判別指標(biāo)，當(dāng)V＜0.2g時(shí)為非破壞限，當(dāng)V＞0.5g時(shí)為嚴(yán)重破壞級限，這里的g為重力加速度。

另外，正確地認(rèn)識引起破壞的微震事件是必要的，確定破壞是否由主震事件或余震引起，也是很關(guān)鍵的。就采礦而言，最關(guān)鍵的余震是一種應(yīng)變巖爆。盡管這種余震在量值上比主震事件小得多，但由于它們接近巷道，也可以引起嚴(yán)重的破壞。

２、巖爆/微震誘發(fā)的巷道破壞機(jī)制 地下巖爆/微震造成的巷道圍巖的破壞性基于兩種不同的機(jī)理：巖爆自身的作用和由它導(dǎo)致的微震波的作用。巖爆自身的作用就是巖爆發(fā)生在巷道周邊，直接導(dǎo)致巖爆破壞；而微震波的作用是巖體中深層巖爆產(chǎn)生的地震波傳遞到巷道周邊的處于高應(yīng)力狀態(tài)的巖體上產(chǎn)生的巖石破壞。了解巖爆/微震對巷道產(chǎn)生的破壞機(jī)制和破壞形式，對于選擇正確的支護(hù)形式具有重要的作用。

３、支護(hù)系統(tǒng)的功能和響應(yīng) 一個(gè)支護(hù)系統(tǒng)對動(dòng)靜荷載的力學(xué)響應(yīng)特性決定了該支護(hù)系統(tǒng)所能完成的功能，選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)(單元)才能組成一個(gè)完整的、符合要求的支護(hù)系統(tǒng)。在巷道出現(xiàn)破壞之前，支護(hù)必須通過加固來提高巖體強(qiáng)度。巖體的完整性必須得到保證，以便巖體和支護(hù)共同形成一個(gè)連續(xù)體。只要有可能，就要提高這種加固系統(tǒng)吸收微震能的能力。一旦巖石破裂且產(chǎn)生了破壞，支護(hù)結(jié)構(gòu)必須承托住破碎巖體且錨固系統(tǒng)仍能夠使托住的破碎巖石保留在原位，同時(shí)還必須能夠耗散噴出的巖石的動(dòng)能。支護(hù)系統(tǒng)在產(chǎn)生一定的變形(位移)之后，必須能重新建立一個(gè)靜態(tài)平衡。

很明顯，一個(gè)支護(hù)系統(tǒng)承受動(dòng)力作用和重新平衡的能力必須取決于在微震事件發(fā)生之前的支護(hù)效果，這已被靜態(tài)安全因子很好地描述了，它是巷道破壞的量度。引起或誘發(fā)破壞的安全界限值(門坎值)可以通過比較支護(hù)能力和作用在支護(hù)上的載荷來進(jìn)行評價(jià)，在誘發(fā)一個(gè)破壞之后平衡被打破，從能量角度考慮引起一個(gè)是否建立一個(gè)新的平衡的問題。

對于易爆巖層的支護(hù)來說，支護(hù)結(jié)構(gòu)必須具有很好的延展性是一個(gè)基本特征。因此，研究支護(hù)系統(tǒng)的延展性是必要的。但就材料的力學(xué)性質(zhì)而言，延展性的增大意味著極限強(qiáng)度的減少。對于一個(gè)支護(hù)系統(tǒng)來說，它是多支護(hù)單元的組合，就整體而言仍可以相互彌補(bǔ)強(qiáng)度降低的不足，使整體仍具有較好的承載能力。支護(hù)系統(tǒng)在受到巖爆的沖擊作用之后，應(yīng)當(dāng)能保證圍巖的穩(wěn)定；或由加固功能轉(zhuǎn)化為懸吊-承托功能而繼續(xù)保證圍巖的穩(wěn)定。

4、安全性與效益評價(jià) 對于一個(gè)支護(hù)系統(tǒng)來說，支護(hù)結(jié)果的安全性、支護(hù)成本及支護(hù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益三個(gè)方面應(yīng)當(dāng)是相互關(guān)聯(lián)的。支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性越大，就意味著支護(hù)成本的增加和效益的降低。顯然，對一個(gè)具體的工程支護(hù)來說，不僅要考慮支護(hù)在技術(shù)上的可行性，還必須考慮支護(hù)成本和由支護(hù)帶來的效益。若能定量地確定這種關(guān)系，就有助于確定是否需要附加支護(hù)及選擇最合適的支護(hù)系統(tǒng)。

四、結(jié)束語

國外在巖爆方面的研究和應(yīng)用都已取得較多的經(jīng)驗(yàn)，本文根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)對巖爆支護(hù)所涉及的一些問題作了概述。我國深井硬巖礦山巖爆支護(hù)研究還只是剛剛起步，借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)有利于加速我們的研究進(jìn)展。根據(jù)我國的實(shí)際，今后需要加強(qiáng)研究的幾個(gè)方面的內(nèi)容為：1)建立微震監(jiān)測系統(tǒng)；2)加強(qiáng)巖爆發(fā)生機(jī)理、巖爆對巷道的破壞機(jī)理研究；3)巖爆支護(hù)理論研究；4)新型以護(hù)結(jié)構(gòu)、材料等的研究；5)巷道巖爆防治措施研究；6)巖爆支護(hù)安全規(guī)程及管理措施的建立。