裴佃飛，苗勝軍，龍 超，陳 瀚，黃冠霖

(1．北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083；3.山東黃金集團有限公司,山東 濟南 250100)

近年來，隨著地下資源開采的不斷深入，高地應(yīng)力環(huán)境下巖爆事故頻發(fā)，與巖爆相關(guān)的巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論研究也越來越受到人們的重視。巖爆事故主要表現(xiàn)為大范圍工程巖體的突然破壞、破裂圍巖的動力拋擲，并伴有不同程度的爆炸、撕裂聲；同時圍巖釋放大量能量，使幾米至幾百米的硐室瞬間破壞。嚴重的巖爆災(zāi)害會將巨石猛烈拋出，造成人員傷亡和設(shè)備損失[1]。

18世紀以來，各國學(xué)者分別從強度、剛度、能量、穩(wěn)定、斷裂、損傷、分形和突變等諸多方面對巖爆進行了探索和研究[2-4]。然而，巖爆是非常復(fù)雜的動力地質(zhì)現(xiàn)象，其發(fā)生與否及烈度大小不僅取決于某一單一因素，而是多種因素共同作用的結(jié)果[6]，所以，從單一角度分析巖爆是片面和局限的。而且，巖爆機理尚未研究清楚，無法準(zhǔn)確的采用數(shù)學(xué)及力學(xué)方法建立巖爆預(yù)警模型，這就給巖爆災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)報帶來了極大的困難[7]。

1 工程概況

三山島金礦是山東黃金集團的主體礦山之一，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，開采深度大，斜坡道已開拓至到-780m以下，自-600m水平起的盲豎井已施工至-1180m處。深部井巷工程處于高地應(yīng)力環(huán)境，除斷裂帶附近外，其他部位巖體結(jié)構(gòu)完整性較好，均具有巖爆發(fā)生的隱患。

雖然三山島金礦目前尚未發(fā)生強烈的巖爆災(zāi)害，但在-555m標(biāo)高中段開拓時，就發(fā)生巖塊呈片狀擲出，在巷道壁上形成臺階盆形凹坑，并發(fā)生了巖石彈射和拋擲等巖爆現(xiàn)象(圖1)；在進行切割巷施工時，由于地壓較大，巷道頂板呈層狀片落，造成巷道無法施工。隨著開采水平的深入，巖爆現(xiàn)象越來越嚴重，已經(jīng)影響到三山島金礦井下的安全生產(chǎn)，制約著企業(yè)的發(fā)展。

圖1 巷道頂板巖爆片落后形成的凹坑

2 基于多種判據(jù)的巖爆傾向性的定性分析

為了預(yù)報硐室或巷道發(fā)生巖爆的可能性，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種巖爆傾向性判據(jù)[8]。本次研究選取巖石的脆性系數(shù)、線彈性能、沖擊性能評價等三個判據(jù)指標(biāo)對三山島金礦深部開采巖石的巖爆傾向性進行定性分析。

根據(jù)三山島金礦深部開采現(xiàn)狀，在-870m到-960m水平選取巖石試樣，進行室內(nèi)物理力學(xué)試驗。試樣主要包括：角閃英云閃長巖、二長花崗巖、黑云變粒巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖、下盤花崗巖等6類。

2.1 基于脆性系數(shù)B的巖爆傾向性判斷

巖石的單軸抗壓強度σc與抗拉強度σt之比稱為脆性系數(shù)，它反映了巖石的脆性程度。即

B=σc/σt

(1)

式中：σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；σt為巖石抗拉強度，MPa。

脆性系數(shù)判據(jù)只考慮巖石本身的力學(xué)性質(zhì)。該方法的判別指標(biāo)：B>40為無巖爆傾向；26.7

表1 基于脆性系數(shù)判據(jù)的巖爆傾向性判別結(jié)果

2.2 基于線彈性能We的巖爆傾向性判斷

根據(jù)功能原理，可以求得巖石在單軸壓縮條件下，達到強度峰值以前所儲存的線彈性能We，其計算公式為

(2)

式中Es為卸載切線彈性模量，MPa。

線彈性能判據(jù)從能量的角度劃分巖爆傾向性，式(2)可知，單軸抗壓能力有利于線彈性能的存儲，所以，單軸抗壓強度越大，巖爆的傾向越大[9]。根據(jù)線彈性能的大小，將巖爆傾向性劃分為4個等級：We<40kJ/m3為輕微巖爆傾向；40kJ/m3≤We<100kJ/m3為中等巖爆傾向；100kJ/m3≤We≤200kJ/m3為強烈?guī)r爆傾向；We>200kJ/m3為極強烈?guī)r爆傾向。

如表2所示，三山島金礦深部角閃英云閃長巖、二長花崗巖、下盤花崗巖有中等巖爆傾向，黑云變粒巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖有強烈?guī)r爆傾向。

表2 基于線彈性能判據(jù)的巖爆傾向性判別結(jié)果

2.3 基于巖石沖擊性能評價指標(biāo)R的巖爆傾向性判斷

基于剛性實驗的巖石沖擊性能評價指標(biāo)R計算公式為

R=WE/WP

(3)

式中：WE、WP分別為巖石在破壞前積聚的彈性變形能和破壞后消耗的塑性變形能。

堅硬巖石受壓，如圖2(a)所示，在其峰值荷載前可認為只發(fā)生彈性變形，微破壞可忽略，峰值前試樣中儲存的彈性變形能近似等于WE，巖石完全破壞所消耗的能量近似等于WP。對于較軟巖石，其峰值前塑性變形較大，微破壞嚴重，WE與試樣內(nèi)儲存的彈性變形能差異較大，而且軟巖一般不會發(fā)生巖爆現(xiàn)象。因此，該指標(biāo)僅適用于堅硬巖石。

巖石剛性試驗獲得的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2(a)所示，以峰值強度為界，曲線所圍左半部分面積代表WE，右半部分面積代表WP。一般認為：當(dāng)R≥1時，將產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象；R值越大，沖擊能量越大。圖2為三山島金礦深部二長花崗巖、黑云變粒巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖、下盤花崗巖的剛性試驗曲線。

圖2 三山島金礦深部開采巖石試樣剛性試驗曲線

如圖2所示，二長花崗巖的峰值強度為95MPa，荷載下降到25MPa時巖樣失去承載能力，巖石沖擊性能評價指標(biāo)R約為2；黑云變粒巖峰值強度約為150MPa，荷載下降到25MPa時巖樣失去承載能力，R約為3.1；絹英巖化花崗巖的峰值強度為120MPa，荷載下降到30MPa時巖樣失去承載能力，R約為3；絹英巖的峰值強度為110MPa，荷載下降到22MPa時巖樣失去承載能力，R約為3.3；下盤花崗巖變形達到0.2mm時出現(xiàn)裂痕，荷載開始上下波動，峰值強度為122MPa，荷載下降到60MPa時巖樣失去承載能力，R約為3.8。三山島金礦深部選取的5類巖石均具有潛在的沖擊和巖爆的可能性。

2.4 巖爆傾向性定性分析結(jié)果

基于巖石脆性系數(shù)B、線彈性能We、巖石沖擊性能評價指標(biāo)R，從定性的角度分析了三山島金礦深部開采巖石的巖爆傾向性?？傮w看來，三山島金礦深部開采存在巖爆傾向。

此外，由表1、表2可知，巖石的脆性系數(shù)B與線彈性能指標(biāo)We所評判的角閃英云閃長巖、二長花崗巖和下盤花崗巖的巖爆傾向性結(jié)果不盡相同。而巖石沖擊性能評價指標(biāo)R只能判斷各種巖石是否存在巖爆可能性，并不能對巖爆等級進行劃分。考慮到巖石試件比巖體的體積小、節(jié)理裂隙少，室內(nèi)試驗測得巖樣的強度應(yīng)大于巖體的強度，實際圍巖的巖爆傾向性應(yīng)該比巖石試驗預(yù)測的要小。因此，論文進一步采用數(shù)值建模對三山島金礦深部開采圍巖體的巖爆傾向性進行定量分析。

3 基于能量聚集的深部開采巖爆預(yù)測研究

3.1 深部開采圍巖體彈性應(yīng)變能分布特征研究

以三山島金礦-555m水平盤區(qū)及采場布置為建模標(biāo)準(zhǔn)，采用FLAC3D三維有限差分法建模計算，獲得了三山島金礦深部開采采場圍巖應(yīng)力、應(yīng)變分布狀況，進而依據(jù)彈性變形能公式(4)，編制FISH語言計算開采過程中貯存于圍巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能，結(jié)果如圖3所示。

(4)

式中：W為貯存在單元體中的能量；σ1、σ2、σ3為單元體中的三個主應(yīng)力，ε1、ε2、ε3為單元體中的三個主應(yīng)變；Ve為單元體的體積，n為單元體個數(shù)。

圖3 三山島金礦深部開采采場圍巖彈性能分布云圖(單位：kJ/m3)

3.2 深部開采圍巖體能量積聚規(guī)律研究

圍巖內(nèi)聚集的應(yīng)變能越大，誘發(fā)巖爆強度越高。研究表明圍巖內(nèi)聚集的應(yīng)變能大于100kJ/m3,將發(fā)生巖爆和沖擊地壓[10-11]。如圖3所示，三山島金礦深部開采巖體內(nèi)積聚有很高的彈性應(yīng)變能，以現(xiàn)有中段高度劃分，當(dāng)深部開采到-780m至-825m中段時，圍巖最大彈性應(yīng)變能達到99.585kJ/m3，該中段以下開采過程中，采場圍巖的最大彈性應(yīng)變能均超過100kJ/m3，具體數(shù)值如表3所示。

表3 深部開采圍巖體能量積聚規(guī)律

由表3可知，三山島金礦深部開采時，采場圍巖體將聚集較高的彈性應(yīng)變能，而且從上向下逐漸增大，為圍巖體發(fā)生巖爆提供了外部高能量與應(yīng)力環(huán)境。另外，能量高聚集區(qū)主要分布在采場兩幫和上盤圍巖，最大值也出現(xiàn)在采場兩幫和上盤圍巖的交界處，開采深度超過-825m后，各中段開采過程中采場圍巖的最大彈性應(yīng)變能超過100kJ/m3，具有發(fā)生巖爆和巖石彈射的傾向性，這與巖爆傾向性定性分析成果相一致。

通過能量分布特征發(fā)現(xiàn)，最大線彈性能集中在采場拐角處，彈性能較為集中的區(qū)域分布在采場圍巖大概10m范圍內(nèi)。所以，圈定采場圍巖最大線彈性能10m范圍，計算不同深度采場圍巖上述范圍積蓄的能量總值，結(jié)果如表3所示。

3.3 巖爆震級等級判定預(yù)測

根據(jù)地震級別計算公式(5)，可以計算出圈定范圍內(nèi)聚集的能量相當(dāng)于多大震級地震釋放出的能量，進而預(yù)測潛在巖爆的等級[12]。三山島金礦深部開采巖爆等級判定結(jié)果如表3所示。

lgE=4.8+1.5M

(5)

式中：E為巖體中累積的能量，單位為J(焦耳)，M為巖爆的級別。

4 總結(jié)

基于室內(nèi)物理力學(xué)試驗結(jié)果，從巖石脆性系數(shù)B、線彈性能We、沖擊性能評價指標(biāo)R三個方面定性的評價了三山島金礦深部開采巖石的巖爆傾向性，預(yù)測了巖爆發(fā)生的可能性。通過對三山島金礦深部采場圍巖進行建模計算，從定量角度研究了巖體的能量分布情況。隨著礦采的逐步深入，巖體聚集的能量越來越大，深部開采超過-825m時，極有可能發(fā)生巖爆及巖石彈射，巖爆震級可能會超過3級。建議對深部開采設(shè)計進行優(yōu)化，對采場聚集能量大的巖體可采取巖層注水、爆破卸壓、鉆孔卸壓等措施進行卸壓。從長期的防治上講，合理的布置開拓井巷，改善圍巖應(yīng)力條件，保護開采層至關(guān)重要；同時應(yīng)采取安全科學(xué)的回采方法，及時有效的監(jiān)測預(yù)警，以保障三山島金礦深部安全高效開采。

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