蹇明星，林 業(yè)，馬春德，徐明生，何忠國，王永奇

(1．貴州開磷集團(tuán)礦業(yè)公司， 貴州貴陽 550302;2．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南長沙 410083)

馬路坪礦深部開采巖爆傾向性評價與防治對策

蹇明星1，林 業(yè)2，馬春德2，徐明生1，何忠國1，王永奇1

(1．貴州開磷集團(tuán)礦業(yè)公司， 貴州貴陽 550302;2．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南長沙 410083)

貴州開磷集團(tuán)馬路坪礦進(jìn)入深部開采后，巖爆是其面臨的一個突出的問題。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)性能測試，在考慮巖爆發(fā)生機(jī)制的基礎(chǔ)上，選用彈性應(yīng)變能指數(shù)、線彈性能準(zhǔn)則、能量儲耗指數(shù)以及巖體完整性系數(shù)4個指標(biāo)對馬路坪礦深部巖體的巖爆傾向性進(jìn)行模糊綜合評價，獲得該礦4種典型巖樣的巖爆傾向性，并據(jù)此提出了該礦深部開采巖爆防治的建議措施。

深部開采;巖爆;傾向性評價;防治措施

0 前言

目前，開磷集團(tuán)下屬多個礦山的開拓采準(zhǔn)已進(jìn)入到+600～+750 m水平，距離地表達(dá)600 m左右，地應(yīng)力現(xiàn)象嚴(yán)重，深部高應(yīng)力地段出現(xiàn)巨大聲響以及彈射等巖爆現(xiàn)象，從而導(dǎo)致礦山原有的支護(hù)措施失效，主要開拓巷道破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)底鼓、冒頂、彈射等現(xiàn)象，需要多次維護(hù)與加固，維護(hù)工作量大，支護(hù)成本高。隨著開磷集團(tuán)開采深度的進(jìn)一步加大，巖爆將會嚴(yán)重制約著礦山的安全生產(chǎn)。

1 巖爆傾向性評判指標(biāo)選擇

巖爆的形成必須同時具備3個條件:一是巖石本身就具有巖爆傾向性;二是巖體要有較好的完整性;三是巖體周邊存在高應(yīng)力環(huán)境。前2個條件是巖爆發(fā)生的內(nèi)因，第3個條件是促成巖爆發(fā)生的外因［1］。為了研究判定開磷集團(tuán)下屬礦山的巖爆傾向性，筆者選擇了目前開采深度最大的馬路坪礦作為主要研究對象，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)開采環(huán)境，對其擁有的4種主要礦巖(砂巖、紅頁巖、礦石和白云巖)進(jìn)行了巖爆傾向性研究。

1．1 彈性應(yīng)變能指數(shù)

巖石在單軸抗壓峰值強(qiáng)度前儲存的彈性應(yīng)變能與塑性變形所耗散的能量之比［2］即為彈性應(yīng)變能指數(shù)，其表達(dá)式為:

式中:Wet為彈性能量指數(shù);Φsp為峰值強(qiáng)度前儲存的彈性應(yīng)變能量，kJ;Φst為耗損的應(yīng)變能，kJ。

彈性能量指數(shù)的值越大，表示破壞時釋放的能量越多，所以能較好的反映巖爆的烈度。其評判指標(biāo)［3］為:Wet＜2．0 無巖爆;2．0≤ Wet＜3．5 弱巖爆;3．5≤ Wet＜5．0 中等巖爆;Wet≥5．0 強(qiáng)巖爆。

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，馬路坪礦深部巖石的彈性應(yīng)變能指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 彈性應(yīng)變能指數(shù)法巖爆傾向性評價結(jié)果

1．2 線彈性能準(zhǔn)則［4］

巖石在單軸壓縮條件下達(dá)到峰值強(qiáng)度前所儲存的彈性能的表達(dá)式如下:

式中:σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa;Es為卸載切線彈性模量，MPa。

根據(jù)達(dá)到強(qiáng)度峰值以前所貯存的彈性能的大小，將巖爆劃分為4個等級:We＜40無巖爆;40≤We＜100弱巖爆;100≤We＜200中等巖爆;We≥200強(qiáng)巖爆。

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，馬路坪礦深部巖石的線彈性能計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 線彈性能準(zhǔn)則法巖爆傾向性評價結(jié)果

1．3 能量儲耗指數(shù)

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與其單軸抗拉強(qiáng)度的比值乘以巖石在峰值強(qiáng)度前的總應(yīng)變量與峰值強(qiáng)度后的總應(yīng)變量之比值，用k表示［5］，其表達(dá)式如下:

式中:σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa;σt為巖石的單軸抗拉強(qiáng)度，MPa;εf為單軸抗壓強(qiáng)度峰值前的總應(yīng)變量;εb為單軸抗壓強(qiáng)度峰值后的總應(yīng)變量。

結(jié)合冬瓜山發(fā)生的巖爆［5］和有關(guān)實(shí)驗(yàn)，提出能量儲耗指數(shù)k的評判指標(biāo)為:k＜20無巖爆;20≤k＜75弱巖爆;75≤k＜130中等巖爆;k≥130強(qiáng)巖爆。

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，馬路坪礦深部巖石的能量儲耗指數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 能量儲耗指數(shù)法巖爆傾向性評價結(jié)果

1．4 巖體完整性系數(shù)

根據(jù)侯發(fā)亮等人的建議，不完整巖體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)對巖爆的發(fā)生也會產(chǎn)生一定的影響，所以巖體完整性系數(shù)也是判斷巖爆發(fā)生的1個重要指標(biāo)［2］，表達(dá)式如下:

式中:Kv為巖體的完整性系數(shù);cpm為巖體的彈性縱波速，m/s;cpr為巖石的彈性縱波速，m/s。

由于完整巖體有利于儲存彈性應(yīng)變能，所以巖爆通常發(fā)生在完整巖體中。我國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)(GB50218－94)將Kv＞0．55的巖體定義為較完整巖體［6］，極有發(fā)生巖爆的可能。其評判指標(biāo)［7］為:Kv＜0．55 無巖爆;0．55≤ Kv＜0．65 弱巖爆;0．65≤Kv＜0．75 中等巖爆;Kv≥0．75強(qiáng)巖爆。

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，馬路坪礦深部巖石的巖體完整性結(jié)果如表4所示。

表4 巖體完整性系數(shù)法巖爆傾向性評價結(jié)果

2 巖爆傾向性綜合評價

巖爆作為一種巖體動力失穩(wěn)現(xiàn)象，發(fā)生相當(dāng)迅速，僅憑某種評價結(jié)果來判斷和預(yù)測巖爆是不確切的［8］。從巖爆傾向性分級可以看出，巖爆傾向性等級值是1個模糊值［9］，如果巖石的巖爆傾向性指標(biāo)在等級值附近，就很難判斷其巖爆傾向性強(qiáng)弱，利用模糊數(shù)學(xué)［10］的原理對巖石巖爆傾向性進(jìn)行綜合判斷，可以解決這類模糊問題。

參照陳守煜提出的模糊模式識別理論模型［11］，可計(jì)算得到巖爆樣本對于巖爆烈度傾向性的最優(yōu)的相對隸屬度函數(shù)，同時采用別變量的特征值Hj作為作為評判準(zhǔn)則［12］，可得到馬路坪礦4種巖樣的綜合巖爆傾向性評價結(jié)果，見表5。

表5 馬路坪礦巖爆傾向性綜合評價

經(jīng)過綜合分析表5的計(jì)算結(jié)果和巖石力學(xué)試驗(yàn)時各試件的破壞情形，可以得出馬路坪礦4種巖樣的巖爆傾向性為:砂巖有強(qiáng)巖爆傾向性，紅頁巖具有弱巖爆傾向性，礦石具有弱巖爆傾向性，白云巖沒有巖爆傾向性。砂巖和礦石屬于較為典型的硬巖，因此在深部開采過程中對砂巖和礦石巖爆應(yīng)當(dāng)注意防范。

廣泛分布于馬路坪礦下盤的紅頁巖作為一種非常特殊的巖體，既有軟巖的大變形性質(zhì)，又有在深部某種適宜條件下發(fā)生巖爆的可能性，若繼續(xù)往深部開采中還保持目前的這種狀態(tài)，則紅頁巖巷道既會發(fā)生大變形破壞，也有發(fā)生中等巖爆的可能性，巷道維護(hù)的難度和維修成本將會大大增加。

3 巖爆治理措施

前期大量的巖爆傾向性室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試顯示:馬路坪礦的4種典型礦巖(上盤白云巖、下盤砂巖、紅頁巖和磷礦石)中，上盤白云巖發(fā)生巖爆的概率較低，其余3種巖石都有隨著深度的加深而巖爆發(fā)生概率增大的趨勢。

針對具有強(qiáng)巖爆傾向的砂巖地段，地下洞室開挖后，由于卸載的回彈釋放了一部分巖體中的彈性應(yīng)變能量，使洞室周邊的切向應(yīng)力加劇并產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種不利的應(yīng)力狀態(tài)和能量分布將會破壞洞室周邊的完整性［13］。必要時可采用分部開挖的方法以降低巖爆的破壞程度，但在施工中應(yīng)盡量減少爆破振動觸發(fā)巖爆的可能性，可采取超前鉆孔應(yīng)力解除、松動爆破或振動爆破等方法，使巖體應(yīng)力降低，能量在開挖前釋放［14］。同時在采礦爆破作業(yè)后，及時對坑道掌子面及周邊進(jìn)行噴、灑水，及時軟化周邊圍巖，降低巖石單軸抗壓強(qiáng)度，從而有效降低巖爆發(fā)生的機(jī)率和等級［15］。

建議馬路坪礦在深部開采過程中應(yīng)及時建立一套有效的監(jiān)測系統(tǒng)，對深井開采中的地壓活動進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，同時對圍巖進(jìn)行變形監(jiān)測，掌握深部巷道圍巖及支護(hù)的變形動態(tài)，有針對性地對圍巖以及支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，以確保礦山施工安全與施工進(jìn)度同時達(dá)到目標(biāo)，從而保證礦山開采的安全。

4 結(jié)語

深部高應(yīng)力區(qū)的開采是未來采礦發(fā)展的必然趨勢，馬路坪礦隨著開采深度的增加，發(fā)生巖爆的幾率也在增加，在采礦方法以及采場布置等方面進(jìn)行合理的優(yōu)化同時，還加強(qiáng)對其巖爆發(fā)生規(guī)律以及其特征的認(rèn)識，從而找到有效的防治措施，以保證礦山的開采安全。

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2010－11－16)

蹇明星(1969－)，男，工程師，從事礦業(yè)工程研究，Email:gzkljmx@sina．cn。