郭 立

(中國鋁業(yè)公司， 北京 100082)

多因素交互作用下巖爆主控因素辨識(shí)

郭 立

(中國鋁業(yè)公司， 北京 100082)

巖爆主控因素辨識(shí)是有效防治巖爆的關(guān)鍵。簡要介紹了巖爆發(fā)生的影響因素，引入RES理論建立了多因素交互作用下巖爆主控因素辨識(shí)的模型分析方法。通過VCR法采場(chǎng)巖爆實(shí)例分析，辨識(shí)出了交互作用下巖爆傾向性8個(gè)影響因素的作用大小，展示了該法的實(shí)際應(yīng)用。

巖爆；主控因素;交互作用;辨識(shí)

巖爆的發(fā)生是由復(fù)雜地質(zhì)因素、工程環(huán)境因素和人為開挖因素等多因素交互作用的結(jié)果，深入研究導(dǎo)致巖爆發(fā)生的影響因素,并辨識(shí)出哪些因素在巖爆啟動(dòng)的過程中起了主導(dǎo)作用，可以幫助人們更好地進(jìn)行礦山開采優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免或降低巖爆給礦山生產(chǎn)帶來的危害[1]。巖石工程系統(tǒng)理論(RES理論)是采用系統(tǒng)分析的方法，通過構(gòu)造交互作用矩陣列舉工程影響因素,并研究其交互作用的機(jī)理[2],將其應(yīng)用于巖爆傾向性預(yù)測(cè)并實(shí)現(xiàn)主控因素辨識(shí)，可以起到預(yù)防和控制巖爆災(zāi)害的作用。

1 巖爆發(fā)生的主要影響因素

巖爆的發(fā)生雖帶有一定的隨機(jī)性、模糊性和不確定性，但國內(nèi)外對(duì)巖爆機(jī)理的研究表明，巖爆的發(fā)生與工程地質(zhì)因素、工程環(huán)境因素和人為開挖因素的共同作用密切相關(guān)[3]。

1.1 地質(zhì)因素

(1) 巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個(gè)要素組成，結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的特性決定了巖體結(jié)構(gòu)特征,巖體工程是否會(huì)發(fā)生巖爆以及巖爆的烈度大小，主要取決于結(jié)構(gòu)面性質(zhì)及其空間組合和結(jié)構(gòu)體的性質(zhì)及其立體形式。

(2) 地質(zhì)構(gòu)造。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造帶容易發(fā)生巖爆,特別是向斜的軸部巖層存在較大的地應(yīng)力，聚積有大量的彈性變形能，一旦開挖或開采，就有可能產(chǎn)生巖爆。

(3) 不連續(xù)面性狀。不連續(xù)面的光滑或粗糙程度，不連續(xù)面的組合狀態(tài)及其充填物的性質(zhì)，都反映了不連續(xù)面的性質(zhì)，直接影響著結(jié)構(gòu)面的抗剪特性。結(jié)構(gòu)面越粗糙，其抗剪強(qiáng)度中的摩擦系數(shù)越高，對(duì)塊體運(yùn)動(dòng)的阻抗能力越強(qiáng)，越容易發(fā)生巖爆；結(jié)構(gòu)面的寬度或充填物的厚度越大且其組成物質(zhì)越軟弱，則壓縮變形量越大，巖爆發(fā)生的可能性則較小。

(4) 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD。巖石質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著巖體的變形特性和變形量的大小，巖石質(zhì)量越好，巖體的剛性越大，發(fā)生巖爆的可能性越大。

1.2 環(huán)境因素

(1) 工程埋深。工程埋深決定著原巖應(yīng)力的大小、方向與分布狀態(tài)，進(jìn)而影響著工程的地質(zhì)和環(huán)境狀況。而巖爆的發(fā)生與地應(yīng)力集聚特性有著密切的關(guān)系，具有較高地應(yīng)力的巖石，其彈性模量也較高，巖石具有較大的彈性變形能，也最易發(fā)生巖爆。

(2) 滲流量。通常情況下，巖爆一般發(fā)生在干燥的巖體中，而比較濕潤的巖體較難發(fā)生巖爆，這是因?yàn)闈B流對(duì)巖石的作用造成的。

(3) 地溫及其變化。深部巖體工程處于高溫度場(chǎng)控制之下，由于開采的擾動(dòng)和人為通風(fēng)降溫措施的應(yīng)用，開挖周圍一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生明顯的溫度梯度區(qū)。而巖體溫度變化可產(chǎn)生地應(yīng)力變化，再加上一定量的溫度升高可導(dǎo)致巖性變脆，增加了巖爆的發(fā)生幾率。而異常的溫度升高，又可導(dǎo)致巖性變得延展，塑性增加，從而降低了巖爆的發(fā)生幾率。

(4) 地震。當(dāng)巖體工程處于多震區(qū)，由地震產(chǎn)生的巨大的彈性波迅速傳播，可使得處于臨界狀態(tài)的巖體受到擾動(dòng)而發(fā)生突然失穩(wěn)破壞，從而導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。

1.3 開挖因素

(1) 巖體工程的規(guī)格形狀。巖體工程的開挖打破了巖體中原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，在其周圍一定范圍的巖體中發(fā)生應(yīng)力重分布，一旦某些部位的應(yīng)力值達(dá)到或超過發(fā)生巖爆的臨界值，容易發(fā)生巖爆。

(2) 工程布置。彈塑性力學(xué)分析與工程巖爆的實(shí)際表明，同樣規(guī)格形狀的巖體工程如果布置方法不一樣，造成圍巖的應(yīng)力集中與分布規(guī)律不一樣，發(fā)生巖爆的幾率也就不一樣。

(3) 開挖工藝。開挖工藝主要指工作面的開挖方式與爆破方法。工作面是采用一次開挖工藝還是分步開挖工藝，其實(shí)施效果不同。當(dāng)采用分步開挖時(shí)，積聚在巖體內(nèi)的彈性變形能能夠以較小的速率釋放出來，從而降低巖爆的發(fā)生幾率。另一方面，采用不同的爆破方式，工程巖體的外載荷在爆破的瞬間差異很大，并以P波和S波的方式在巖體內(nèi)傳播，既導(dǎo)致了圍巖的損傷演化結(jié)果有明顯區(qū)別，又成為鄰近工程巖體發(fā)生巖爆的誘發(fā)因素。

(4) 支護(hù)工藝。良好的工作面支護(hù)一般表現(xiàn)為開挖后靠近工作面的支護(hù)及時(shí)，安設(shè)可靠和初始剛性高以便限制巖體的早期位移和體積閉合量，同時(shí)還表現(xiàn)為具有一個(gè)可控制快速屈服的能力以使支護(hù)體盡可能多地吸收巖體變形釋放的能量，降低巖爆發(fā)生的幾率。

2 RES理論的基本原理

RES理論是應(yīng)用模型分析的方法，通過構(gòu)造交互作用矩陣列舉工程影響因素并研究其交互作用的機(jī)理。

2.1 模型分析方法

交互作用矩陣構(gòu)造的基本原理如圖1所示，將所有狀態(tài)變量(表示工程主控因素)列于矩陣的自左上至右下的主對(duì)角線單元內(nèi)，以非對(duì)角線單元描述變量間交互作用機(jī)理，并按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)規(guī)則表示—個(gè)狀態(tài)變量對(duì)其他狀態(tài)變量的作用方向，這樣狀態(tài)變量間通過一定的法則相互作用并決定工程系統(tǒng)的最終性態(tài)。

2.2 交互作用矩陣的構(gòu)造

(1)

2.3 各參數(shù)的交互作用強(qiáng)度和優(yōu)勢(shì)分析

為了深入研究巖石工程系統(tǒng)中各狀態(tài)變量及其交互作用，定量評(píng)價(jià)交互作用的強(qiáng)度和優(yōu)勢(shì)，RES理論通過對(duì)交互作用矩陣進(jìn)行編碼來實(shí)現(xiàn)這一目的。在RES理論中，基于ANN編碼方式，推導(dǎo)并給出了整體相對(duì)作用強(qiáng)度GRSE，見式(2):

圖1 交互作用矩陣的基本原理

(2)

GRSEji的物理意義為：

(1) 表示各輸入?yún)?shù)對(duì)輸出的相對(duì)作用，具有動(dòng)態(tài)特性;

(2) |GRSEji|≤1，該值的大小表示輸入對(duì)輸出的作用強(qiáng)弱，值越大作用越強(qiáng)，反之則越弱;

(3)GRSEji>0表示輸入與輸出之間的關(guān)系正相關(guān),GRSEji<0表示輸入與輸出之間的關(guān)系負(fù)相關(guān)。

3 實(shí)例分析

結(jié)合VCR法采場(chǎng)巖爆傾向性研究，選取8個(gè)影響因素即埋深、傾角、結(jié)構(gòu)面類型、采礦方法、區(qū)域支護(hù)、采場(chǎng)寬度、走向跨度和臨時(shí)支護(hù)，運(yùn)用RES理論辨識(shí)其主控因素。所選50個(gè)巖爆實(shí)例源自文獻(xiàn)[3]，根據(jù)這些巖爆實(shí)例，作者在文獻(xiàn)[5]建立了輸入層為8個(gè)節(jié)點(diǎn)(表示8個(gè)影響因素)、隱層為20個(gè)節(jié)點(diǎn)、輸出層為1個(gè)節(jié)點(diǎn)(表示巖爆傾向性)的3層巖爆傾向性智能分析模型，并構(gòu)造出了整體交互作用矩陣，見式(3)。圖形表達(dá)可見圖2。

(3)

圖2 各因素的相對(duì)交互作用強(qiáng)度和優(yōu)勢(shì)

可知，在上述8個(gè)因素共同作用下，VCR法開采巖爆的發(fā)生按影響順序大小排序?yàn)椋翰蓤?chǎng)寬度>走向跨度>開采深度>結(jié)構(gòu)面類型>礦體傾角>臨時(shí)支護(hù)方法>區(qū)域支護(hù)>采礦方法。此外，開采深度、結(jié)構(gòu)面類型等5個(gè)因素在巖爆發(fā)生的過程中主要起正向作用，即這些因素的輸入?yún)?shù)值越大，對(duì)巖爆的誘發(fā)作用越大。

4 結(jié) 論

(1) 簡要介紹了巖爆發(fā)生的影響因素，引入RES理論建立了多因素交互作用下巖爆主控因素辨識(shí)的模型分析方法。

(2) 運(yùn)用所構(gòu)造的分析模型對(duì)50個(gè)VCR法開采巖爆發(fā)生的實(shí)例進(jìn)行研究，按影響順序大小辨識(shí)出了巖爆主控因素，可以為有效防治巖爆提供指導(dǎo)。

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2013-10-30)

郭 立(1969-)，男，安徽阜南人，高工， 博士，主要從事礦業(yè)開發(fā)與管理工作，Email: guoli872@126.com。