吳偉偉,戴興國,杜 坤,歐陽景權(quán),陳 建

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083;2.湖南安化渣滓溪礦業(yè)有限公司, 湖南 安化縣 413500)

0 引 言

巖爆目前是礦山中深部開采和深埋隧道掘進工程中一種常見的動力災(zāi)害,礦山巖爆又稱為采礦誘發(fā)地震,其實質(zhì)是巖體動力破壞的一種形式。它是處于高應(yīng)力或極限平衡狀態(tài)下的硬脆性巖體,在開挖等工程的擾動下,其內(nèi)部儲存的彈性應(yīng)變能瞬間、急速釋放,造成開挖空間周圍部分巖石從其母巖中急劇、猛烈地突出或彈射出來的一種動態(tài)力學(xué)現(xiàn)象。

目前工程界對巖爆發(fā)生、破壞機理的研究尚沒有達成統(tǒng)一認識。郭然等根據(jù)巖爆的震源機理,將其劃為應(yīng)變型,彎曲破壞型、礦柱破壞型、剪切破壞型和斷層滑移型5類巖爆[1]。針對巖爆的破壞機理,多位學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場和室內(nèi)試驗認為巖爆是張性破壞或張剪性破壞的結(jié)果,如：王蘭生教授針對二郎山隧道巖爆的研究,認為其破壞形式是壓致拉裂、壓致剪切拉裂和彎曲鼓折;譚以安等則把巖爆破壞過程劃分成3個階段,即：“劈裂成板－剪切成塊－塊片彈射”[1-3]。

針對巖爆是在其內(nèi)因和外因共同作用下,滿足特定條件時形成的這一結(jié)論得到了工程界的一致認可。內(nèi)因取決于巖體是否具備儲存高應(yīng)變能的性質(zhì),外因首先取決于巖體是否處于較高的應(yīng)力環(huán)境或處于極限平衡狀態(tài)中,其次為是否有開挖、爆破等工程活動的擾動。

當前對巖爆機理、防治的研究多集中在一些“大埋深、大斷面、高應(yīng)力”的隧道工程中,如：二郎山、秦嶺公路隧道以及天生橋二級水電站、太平驛水電站和雅礱江錦屏二級水電站的引水隧洞等,并取得了豐碩的成果[4],如：基本掌握了巖爆易發(fā)的時間和區(qū)域,見表1和表2。同時我國的礦山建設(shè)目前已普遍進入中深部開采,井下巖爆現(xiàn)象已從無到有,從偶發(fā)到常發(fā),從吱吱作響到大塊劇烈、急速拋出,已嚴重威脅井下的安全生產(chǎn),我國部分礦山巖爆情況如表3所示。

礦山井下巖爆的防治不等同于隧洞工程,其主要區(qū)別如下：

(1)礦山井下基建開拓、生產(chǎn)服務(wù)期較長;

(2)礦山巷道斷面一般較小;

(3)礦山巷道施工、支護質(zhì)量要求相對較低;

(4)礦山巷道種類多,除平巷、平硐外,還有豎井、斜井、天井、上山、硐室等;

(5)礦山井下多以采場巖爆為主,采場根據(jù)傾角、厚度的不同,而有多種不同類型的采場;

(6)采場由于回采的重復(fù)性,一般不能用支護的方式防治巖爆;

(7)不同的采礦工藝、采礦設(shè)備對井下采場、巷道等有持續(xù)不同的動態(tài)擾動。

因此,礦山井下巖爆是多因素動態(tài)、持續(xù)、反復(fù)擾動的結(jié)果。

表1 國內(nèi)部分隧道、礦山巖爆發(fā)生時間

表2 國內(nèi)部分隧道巖爆發(fā)生區(qū)域

表3 國內(nèi)部分礦山巖爆情況

1 巖爆防治機理

巖爆是在其內(nèi)因和外因共同作用下形成的,因此其防治機理側(cè)重于兩個方面。第一：改變巖體力學(xué)性質(zhì),使其不能儲存較大的應(yīng)變能;第二：減小巖體所處的應(yīng)力環(huán)境。國內(nèi)外專家學(xué)者從不同方面開展巖爆防治機理的研究,如N.N.Mel′nikov等從非線性動力學(xué)方面考慮巖爆的防治;Jiang HE、Zhichao TIAN等主要研究煤礦頂板斷裂、沿空巷道、孤島工作面等巖爆的防治[5-9]。

1.1 超剪應(yīng)力理論

嚴鵬等基于“超剪應(yīng)力理論”提出了防治斷裂型巖爆的機理和方法[10]。其認為工程開挖擾動降低了斷裂表面的滑動超剪應(yīng)力門檻值,可以使斷裂兩側(cè)巖體在較低的超剪應(yīng)力條件下產(chǎn)生滑動,進而誘發(fā)微地震或巖爆,其對圍巖的影響主要體現(xiàn)在以下4個方面：

(1)應(yīng)力波從相對堅硬的巖體傳入較弱的巖體中時,在巖層界面會產(chǎn)生拉伸波,形成拉應(yīng)力;

(2)巖塊系中會產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng);

(3)巖塊系中會產(chǎn)生準共振現(xiàn)象;

(4)圍巖中動態(tài)剪應(yīng)力增大,直接增大超剪應(yīng)力。

針對此類巖爆,其防治理念應(yīng)側(cè)重于降低開挖擾動對不利結(jié)構(gòu)部位巖體的影響。

1.2 RDM本構(gòu)模型和局部能量釋放率理論

陳國慶等建立了可反映高地應(yīng)力下硬脆性巖體破壞過程和特點的RDM彈脆塑性本構(gòu)模型,即：巖體裂化模型。同時再結(jié)合局部能量釋放率評價指標來分析硬巖脆性破壞過程中能量釋放的強弱,為巖爆防治方法和時機選擇提供依據(jù)[11]。

RDM模型考慮了破損區(qū)的巖體力學(xué)性質(zhì)隨巖體破損程度的不同而發(fā)生相應(yīng)劣化,即破損區(qū)的圍巖力學(xué)參數(shù)是等效塑性應(yīng)變函數(shù),如式(1)所示。

式中,Eo、co、φo分別為巖體初始狀態(tài)時的彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角;分別為一定等效塑性應(yīng)變下巖體的彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為其變化函數(shù)。

局部能量釋放率如式(2)、式(3)所示。

式中,LERRi第i個單元局部能量釋放率;NEimax第i個單元脆性破壞前的彈性應(yīng)變能密度峰值;NEimin第i個單元脆性破壞后的彈性應(yīng)變能密度谷值;ERE為總的彈性釋放能;Vi第i個單元的體積。

1.3 快速應(yīng)力釋放理論

汪洋等認為巖爆的發(fā)生主要與硐室開挖后硐壁上處于單向應(yīng)力狀態(tài)的切向應(yīng)力的大小有關(guān),據(jù)此提出采用快速應(yīng)力釋放法防治巖爆。其主要手段為在圍巖內(nèi)爆破形成破碎帶,創(chuàng)造一個低彈性區(qū),從而使硐室周邊高應(yīng)力向深部圍巖轉(zhuǎn)移,通過減小硐壁上的切向應(yīng)力,達到巖爆防治的目的[12]。

羅憶等也認為硐室開挖后圍巖應(yīng)力重分布使得圍巖表面徑向應(yīng)力減小,環(huán)向應(yīng)力增加,形成環(huán)向擠壓。因而針對時滯型巖爆提出了切縫法防治機理,通過在關(guān)鍵部位的切縫可起到：

(1)弱化表層圍巖,使其高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移;

(2)為環(huán)向應(yīng)變提供變形空間,降低圍巖表面的環(huán)向應(yīng)力;

(3)切縫底部和切縫間形成了塑性區(qū),可消耗圍巖中部分彈性應(yīng)變能。巷道或硐室可采用破碎孔爆破或聚能預(yù)裂爆破的方法形成切縫[13]。

1.4 能量釋放率理論

Cook等在研究南非金礦巖爆問題時,于1966年首次提出了能量釋放率的概念。謝學(xué)斌等認為巖爆發(fā)生的必要條件是“礦體－圍巖系統(tǒng)”在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時所釋放的能量大于所消耗的能量[14]。因而從理論上可以通過優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)來降低圍巖積聚和釋放的彈性應(yīng)變能,其通過采用數(shù)值模擬和正交實驗相結(jié)合的方法,建立以平均能量釋放率為目標函數(shù),采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量的函數(shù)優(yōu)化問題,如式(4)所示。通過函數(shù)優(yōu)化求解,可得出積聚和釋放彈性應(yīng)變能最小的采場結(jié)構(gòu)參數(shù),以此來防治采場巖爆。

式中,E為目標采場平均能量釋放率;A,B,C,...分別表示采場結(jié)構(gòu)參數(shù)等變量。

1.5 動靜組合支護理論

王斌等認為從巖爆發(fā)生的特點及表現(xiàn)形式上分析,巖爆屬性涉及動力學(xué)和靜力學(xué)兩方面。因此,傳統(tǒng)的基于靜力學(xué)的支護措施在巖爆防治效果方面作用有限[15]。其從圍巖結(jié)構(gòu)效應(yīng)角度,研究了外界擾動和巖爆圍巖自身誘發(fā)巖爆的動力學(xué)機制,得出巖爆是滿足一定條件下圍巖內(nèi)部自穩(wěn)時變結(jié)構(gòu)調(diào)整的過程?；诖颂岢鰩r爆防治的動靜組合支護理論,通過采用預(yù)留錨固方式、動靜組合錨桿等關(guān)鍵技術(shù)來加固圍巖防治巖爆。同時要求,設(shè)計、施工中錨桿可伸長構(gòu)件必須設(shè)置在圍巖體內(nèi)部破裂區(qū)和彈性區(qū)邊界附近,從而給應(yīng)力波擾動破壞的彈性區(qū)巖石提供擴容變形空間。

1.6 水防治理論

唐寶慶等于1996年首次研究了巖層注水防治巖爆的原理及效果,其機理主要體現(xiàn)在以下兩個方面[16]。

(1)水及某些含陽離子的溶液可以降低巖石顆粒間的表面能,從而降低巖石的破裂強度。

(2)注水后巖石的層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育更好,數(shù)量更多,孔隙率更高。從巖石力學(xué)性質(zhì)角度考慮,巖石的強度、彈模、粘結(jié)力減小,泊松比增加。從能量角度考慮,巖石能夠貯存的彈性能減小。

王斌等[17-18]通過飽水砂巖的室內(nèi)靜載試驗進一步表明較硬巖石遇水后靜態(tài)強度下降,變形量增大,巖體積聚彈性能的能力下降。但同時指出室內(nèi)試驗巖樣飽水過程非常重要,(要求：首先將巖樣浸水至其1/3處,12 h后,再浸水至其2/3處,再12 h后,浸入全部巖樣,30 d完成飽水過程),其對試驗結(jié)果影響很大?，F(xiàn)場中若巖石的滲透性低,水不易充分滲入巖體,則防治效果很差。

Shankun ZHAO等[19]基于非線性動力學(xué)和彈塑性理論,采用RFPA數(shù)模軟件,應(yīng)用滲流－應(yīng)力耦合模型研究了高應(yīng)力地區(qū)鉆孔在水壓致裂下的裂紋擴展和應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程。實驗結(jié)果表明在巖爆易發(fā)的高地應(yīng)力區(qū),鉆孔在高水壓形成的拉剪應(yīng)力的致裂作用下,主裂紋的擴展方向和最大主應(yīng)力方向平行,高水壓的致裂、滲流作用可以導(dǎo)致巖層破壞,也可以弱化礦巖的物理力學(xué)參數(shù)。

Zengqiang YANG等[20]也進行了高壓水射流弱化圍巖結(jié)構(gòu)的理論分析,其認為高壓水射流可以形成應(yīng)力卸壓區(qū),且鉆孔越長,卸壓區(qū)越大。

2 巖爆預(yù)防方法

2.1 設(shè)計預(yù)防

設(shè)計預(yù)防,即從礦山開采設(shè)計之初,就采取避險措施,從源頭上減弱巖爆的形成條件,以達到回采中無巖爆發(fā)生的目的[21-24]。它應(yīng)綜合考慮以下幾方面因素：

(1)礦山構(gòu)造、礦脈產(chǎn)狀、巖性等地質(zhì)條件;

(2)礦山實測地應(yīng)力;

(3)礦床開采規(guī)模、采礦方法等開采條件。

因而,設(shè)計預(yù)防的主要方法有：

(1)設(shè)計巷道軸線方向應(yīng)盡量與最大主應(yīng)力方向平行或者小角度相交(≤30°);

(2)設(shè)計巷道斷面盡量采用圓形、橢圓形或帳篷形等;

(3)在高地應(yīng)力區(qū),若水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,則巷道斷面的寬高比應(yīng)近似等于側(cè)壓系數(shù),以達到最佳受力狀態(tài);

(4)巷道掘進盡量采用光面爆破;

(5)在垂直礦體走向方向上,回采工作由背斜軸部向兩翼開展;沿礦體走向方向上,由中央厚大部位向兩端回采;

(6)采場長軸盡量與礦體走向一致,盡可能不留礦柱,減少巷道交匯。

2.2 監(jiān)測預(yù)防

監(jiān)測預(yù)防,即在巖爆發(fā)生概率大的區(qū)域,埋置儀器,通過觀察分析數(shù)據(jù)奇異點的情況來提供巖爆預(yù)警。其主要方法有[25]：

(1)地壓監(jiān)測。曾憲濤等在會澤3＃豎井施工中在圍巖和混凝土巖壁上布置應(yīng)力監(jiān)測點。若監(jiān)測應(yīng)力值突然升高2 MPa時,采用臨時防護措施;若大于2 MPa時,采取卸壓措施。

(2)鉆孔監(jiān)測。在巖爆易發(fā)區(qū)域,布置鉆孔,根據(jù)鉆粉率指數(shù)來判別巖爆危險度,其相互關(guān)系如表4所示(鉆粉率指數(shù)＝每米實際鉆粉量/正常鉆粉量)。

表4 鉆粉率指數(shù)與巖爆危險度關(guān)系

(3)微震監(jiān)測。即通過監(jiān)測巖體破裂產(chǎn)生的震動,對巖體的破壞情況作出評價,從而提出預(yù)警工作。如冬瓜山銅礦采用了以微震監(jiān)測系統(tǒng)為主,短周期地震監(jiān)測,人工觀察記錄和便攜式檢測儀為輔的巖爆監(jiān)測系統(tǒng)方案。

(4)電磁輻射監(jiān)測。巖體電磁輻射是巖體受載變形破壞過程中向外輻射電磁能量的一種現(xiàn)象,與巖體的變形破壞密切相關(guān)。李桂元等在平煤集團十二礦采用了電磁輻射法對巷道施工過程進行巖爆監(jiān)測。

3 巖爆治理方法

巖爆治理方法分主動治理和被動治理。以卸壓為手段的方法稱為主動治理;以加強支護為手段的方法稱為被動治理。巖爆防治中可結(jié)合實際情況,即可單獨應(yīng)用,也可綜合應(yīng)用。

3.1 柔性支護

柔性支護主要是指錨桿(水脹式錨桿、管縫式錨桿)、噴射混凝土(鋼纖維)和鋼筋網(wǎng)形成的支護系統(tǒng)[26-28],國內(nèi)采用柔性支護防治巖爆的工程實例如表5所示,其防治機理如下：

(1)柔性支護有較高的承載力和對圍巖表面較高的覆蓋率;

(2)柔性支護具有吸能作用;

(3)柔性支護遵循能量逐步釋放的原則。

3.2 鉆孔卸壓

鉆孔卸壓可有效釋放巷道圍巖應(yīng)力增高區(qū)的變形破壞能量,促使淺部高應(yīng)力向深部巖體中轉(zhuǎn)移,國內(nèi)采用鉆孔卸壓防治巖爆的工程實例如表6所示。

卸壓效果與孔徑、孔間距密切相關(guān),原則上孔徑越大、間距越小則卸壓效果越好[29-30]。

鉆孔周圍破裂區(qū)半徑的計算,如式(5)～式(7)所示：

式中,D為鉆孔周圍破裂區(qū)半徑,mm;β為破裂范圍系數(shù);r為鉆孔半徑,mm;S為鉆孔實際與正常鉆屑量之比;k為孔壁松散系數(shù)。

表5 柔性支護防治巖爆工程實例

表6 鉆孔卸壓防治巖爆工程實例

3.3 爆破卸壓

爆破卸壓,即通過布置在巖爆易發(fā)區(qū)域的鉆孔孔底爆破,形成局部破碎區(qū),一方面可消耗圍巖中積聚的應(yīng)變能,另一方面可以使高應(yīng)力區(qū)向巖體深部轉(zhuǎn)移。

同時,在施工中要注意以下兩點。

(1)爆破鉆孔必須深入到高應(yīng)力區(qū)進行孔底爆破,而不破壞硐壁圍巖。

(2)爆破后,視情況進行錨桿支護,長度應(yīng)超過爆破松動區(qū),防止巖塊塌落。

國內(nèi)部分礦山采用爆破卸壓設(shè)計及工程實例分別如圖1～圖2和表7所示。

圖1 靈寶黃金礦業(yè)卸壓炮孔布置(單位：m)

圖2 會澤3＃豎井卸壓炮孔布置(單位：m)

表7 爆破卸壓防治巖爆工程實例

3.4 采場卸壓

郭然等認為對于有巖爆危險的礦山,采空區(qū)宜進行膠結(jié)充填,其防治機理如下[1]：

(1)防爆作用機理。充填體能夠減小開挖后巖體發(fā)生的體積變形、降低能量釋放率和超量剪切應(yīng)力以及提高采礦結(jié)構(gòu)巖體強度。

(2)減災(zāi)作用機理。充填體能吸收巖爆產(chǎn)生的地震能,從而降低巖爆的破壞性。

此外,吳愛祥[31-33]還提出了以下幾種采場卸壓方法防治巖爆。

(1)沿礦體底板或頂板超前回采保護層的連續(xù)采礦法。其一可以使支承壓力帶向未擾動的巖體轉(zhuǎn)移,其二礦體邊緣可通過彈性恢復(fù)變形卸載部分應(yīng)力。

(2)上盤卸載無底柱分段崩落法。該法采用分段回采礦體,回采工作面的總推進方向是從上盤到下盤,幾個分段同步回采形成臺階狀的卸壓槽,其臺階沿35°方向推進,巷道中的應(yīng)力比傳統(tǒng)方案降低33%～66%。

(3)卸壓崩落采礦法。即：在鑿巖硐室中,鉆鑿卸壓孔,爆破后形成卸壓帶,在礦房回采的同時,回采水平的巷道也隨之消失,使采場應(yīng)力無法集中,避免了巖爆的發(fā)生。

李學(xué)峰等[34]針對凡口鉛鋅礦深部巖爆問題,采用三維彈塑性數(shù)值模擬,進行了盤區(qū)卸壓開采技術(shù)研究。提出：

(1)凡口礦以－360 m標高為界劃分為2個獨立的采區(qū),上部從上至下開采,深部從下至上開采;

(2)盤區(qū)回采順序由中央向兩翼;

(3)盤區(qū)卸壓方式為盤區(qū)兩側(cè)采場卸壓和區(qū)內(nèi)采場提前拉底,并采用雙中段同時卸壓措施。

胡毅夫等[35]采用FLAC3D軟件開展了渣滓溪銻礦急傾斜薄礦脈群卸壓開采技術(shù)研究,認為從下盤至上盤開采或者從上盤至下盤開采都可以使下一個待采礦塊處于卸壓環(huán)境中。

4 結(jié) 論

(1)巖爆的防治機理研究側(cè)重于如何減小巖體所處的應(yīng)力環(huán)境、減緩并控制能量釋放率;

(2)微震監(jiān)測是目前常用的巖爆監(jiān)測手段;

(3)礦山巷道、硐室可根據(jù)巖爆程度分別采用柔性支護、鉆孔卸壓、爆破卸壓等方法防治巖爆;

(4)采場巖爆可根據(jù)不同情況采用充填法、崩落法,改變回采順序等防治方法。