藍昌金

(梅州市金雁銅業(yè)公司 玉水硫銅礦，廣東 梅州 514000)

巖爆是高應力區(qū)地下工程開挖過程中因開挖卸載發(fā)生脆性破壞的一種動力失穩(wěn)地質災害。隨著開采強度及其開采深度的增加[1-3]，巖爆在金屬礦井開采中已經(jīng)成為威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素。而巖爆發(fā)生時間與空間的不確定性使得巖爆的防治極為困難[4-8]。

20世紀80年代首次發(fā)生巖爆后，學者們便針對巖爆產(chǎn)生機理及防治措施進行了一系列深入的研究與探討。李麗娟[9]通過實驗測定巖爆能量沖擊指標與巖爆彈性指數(shù)，判別礦井巖樣的巖爆傾向性，明確巖爆危險巖層與區(qū)域。嚴健等[10]通過數(shù)值模擬計算了熱力耦合作用下巖爆的烈度和范圍。ORTLEPP等[11]通過實驗對井筒與隧道中巖爆的產(chǎn)生機理進行了闡述，說明巖爆是由能量的積聚釋放導致。LINDIN等[12]通過不同的加載條件對試樣的應力應變狀態(tài)進行分析，給出了一種可能發(fā)生巖爆的判斷方法。LEE等[13]對水下隧道中巖爆現(xiàn)象的出現(xiàn)進行了分析，總結出影響巖爆發(fā)生的因素包括掘進速度、掘進方法、巖體性質、地應力等因素。LI Tianbin等[14]分析了地質條件對巖爆危險性發(fā)生的影響，對巖爆地質條件進行分類，指導生產(chǎn)實踐。盡管各國學者對巖爆發(fā)生機理均給出了各自的解釋與說明，但是對巖爆機理的認識仍然較為模糊，缺乏適應不同地質與生產(chǎn)條件的巖爆理論分析與防治措施。

小廠壩礦區(qū)在開采生產(chǎn)過程中，經(jīng)常發(fā)生多點位、大范圍的輕微或劇烈不等的巖爆現(xiàn)象，巖爆成為影響礦井安全高效生產(chǎn)的主要災害之一。因此，本研究結合小廠壩礦區(qū)生產(chǎn)與地質條件，對礦井當前巖爆危險區(qū)域進行評估，并對危險等級進行劃分，同時給出卸壓降低巖體應力集中和優(yōu)化礦井開采順序方案，以降低或消除礦井巖爆危險。

1 礦井概況

小廠壩鉛鋅礦區(qū)位于甘肅省隴南市，礦區(qū)構造處于昆侖秦嶺地槽褶皺系的禮縣—柞水海西冒地槽褶皺帶中部的西成礦田中，礦區(qū)中斷層、褶皺構造發(fā)育。礦層上部巖層以灰?guī)r、黑云方解石英片巖為主，下部巖層以黑云石英片巖為主。小廠壩鉛鋅礦床礦體埋藏深，地應力高，且礦體中有不同程度的民采老硐分布，采空區(qū)范圍大，礦柱分布廣使得礦井生產(chǎn)過程中巖爆現(xiàn)象頻發(fā)，威脅礦工生命及生產(chǎn)設備安全，制約礦井安全高效生產(chǎn)。

本文選用小廠壩礦區(qū)作為研究對象，研究礦體厚16.2 m，平均傾向200°，平均傾角55°。礦區(qū)開采方式為分段式房柱法，各分段間豎向距離為50 m。礦區(qū)當前開采750 m和800 m水平中段，開采深度約為600 m(地表標高1 300～1 400 m)。800 m水平以上基本為采空區(qū)，如圖1所示。其中，800 m水平有兩個礦房在完成采準切割工序后，巷道出現(xiàn)巖爆跡象，從而制約其進一步回采，750 m水平基本沒有開采。

圖1 采掘布置圖Fig.1 Schematic diagram of mining and driving distribution

2 研究方法介紹

本研究采用FLAC3D有限差分數(shù)值軟件作為研究手段，如圖2所示，模型尺寸為1 000 m×1 000 m×600 m，計算單元數(shù)為675 650個，節(jié)點數(shù)為131 415個，網(wǎng)格類型選用四面體自由網(wǎng)格。數(shù)值計算中，巖體和礦體受力變形服從摩爾—庫倫準則，支護材料采用錨桿、錨索結構單元。模型水平方向采用應力邊界條件，地面采用位移邊界條件。應力邊界及圍巖力學參數(shù)均來自現(xiàn)場和室內試驗。

2.1 邊界條件

1)地應力場反演

為了確定模型邊界條件，分別在850 m、800 m和750 m三個水平中段不同位置取出巖芯，做原巖應力測量，結果如表1所示。

圖2 計算模型Fig.2 Schematic diagram of finite element analyses model

測點編號埋深/m垂直主應力σv /MPa最小水平主應力σH/MPa最大水平主應力σh/MPa850 m-1#54513.7611.2219.76850 m-2#60212.9111.9627.24850 m-3#65813.5011.3835.94850 m-4#65511.8210.6625.89850 m-5#73113.8011.7824.60800 m-1#56215.9713.0820.23800 m-2#67714.6912.8129.76800 m-3#69714.2411.2720.74800 m-4#69615.3613.4227.62800 m-5#74716.4412.8230.44750 m-1#64019.4917.4925.62750 m-2#71517.4515.1028.50750 m-3#75518.9015.5033.13750 m-4#82123.5715.3131.69750 m-5#79621.0115.7431.25

利用線性回歸法，確定地應力值隨深度變化的

計算公式如下(圖3)：

σv= 0.023h

(1)

σH= 0.039h+0.321

(2)

σh= 0.018 1h+0.853

(3)

式中：σv—垂直主應力，MPa；σH—最大水平主應力，MPa；σh—最小水平主應力，MPa；h—埋深，m。

2)模型邊界條件

對模型的前后左右四個表面施加應力邊界條件，對模型底邊施加位移邊界條件，上表面為自由面。單元所受應力隨著埋深增加而增加，因此模型前后左右四個面必須為漸變應力邊界條件。

根據(jù)各個方向的散點繪制的趨勢線，可以得到邊界條件中漸變應力梯度：垂直方向為0.023 MPa/m，最小水平主應力方向為0.018 MPa/m，最大水平主應力方向為0.039 MPa/m。

(a)垂直地應力與埋深關系 (b)水平最大主應力與埋深關系 (c)水平最小主應力與埋深關系圖3 主應力與埋深關系曲線 Fig.3 Relation curve between principal stress and buried depth

2.2 模型參數(shù)

1)實驗室內數(shù)據(jù)測定

根據(jù)研究目的，使用WAW-600D單軸壓力試驗機對小廠壩礦區(qū)的含礦灰?guī)r、礦巖和黑云母石英片巖三種巖石的巖石力學參數(shù)進行了測試，結果見表2。

表2 小廠壩礦區(qū)礦巖力學參數(shù)

2)模型參數(shù)確定

根據(jù)蔡美峰[15]指出數(shù)值分析中所使用參數(shù)，需根據(jù)實驗室?guī)r石力學試驗獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)進行折減修正，以獲得接近真實巖體參數(shù)。

首先，選取巖體質量分級RMR法作為小廠壩礦區(qū)深部巖體質量分級方法，依據(jù)礦區(qū)現(xiàn)場地質與巖體賦存條件和公式(4)，確定小廠壩礦區(qū)巖體RMR值，如表3所示。然后根據(jù)Hoek-Brown公式(5)對巖體抗壓強度進行折減。孫麗[16]指出巖體抗拉強度為抗壓強度的0.07～0.23，本文取0.2的系數(shù)折減。根據(jù)巖體彈性模量Em與RMR的關系如公式(6), 可修正巖體彈性模量Em。根據(jù)公式(7)、(8)、(9)，可修正泊松比、體積模量E和剪切模量G。根據(jù)公式(10)、(11)可修正巖體黏聚力Cm，內摩擦角φm。修正后的巖體參數(shù)如表4所示。

RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6

(4)

其中，巖體的RMR值取決于5個通用參數(shù)和一個修正參數(shù)。五個通用參數(shù)為巖石抗壓強度R1、巖石RQD指標R2、節(jié)理間距R3、節(jié)理狀態(tài)R4和地下水狀態(tài)R5。一個修正參數(shù)R6則取決于節(jié)理方向對工程的影響。

(5)

Em=0.0097RMR3.54

(6)

式中：Em—折減后彈性模量。

μm=0.25(1+e-0.25σmc)

(7)

式中：μm—泊松比。

Km=Em/3(1-2μm)

(8)

Gm=Em/3(1+2μm)

(9)

式中：Km—修正后的體積模量，Gm—修正后的剪切模量。

(10)

(11)

式中：Cm—修正后的黏聚力；φm—修正后的內摩擦角；σmt—修正后的抗拉強度。

表3巖體質量分級RMR值參數(shù)

Table3TherockmassqualityclassificationandthevalueofRMR

巖石名稱R1R2R3R4R5R6總分含礦灰?guī)r9.116.013.22510-568.3礦石13.113.910.93010-275.9黑云母石英片巖11.416.013.22510-570.6

表4 修正后的巖體強度參數(shù)

3 研究結果與討論

3.1 受力結果分析

從圖4可知，應力集中區(qū)域主要在頂?shù)字烷g柱交叉口，其中1 000 m中段應力集中最嚴重，是同等標高原巖應力的3倍左右。950 m、900 m和850 m中段頂?shù)字烷g柱交叉口處次之，集中區(qū)應力值是同等標高原巖應力的2倍左右，其他尖角處也或多或少出現(xiàn)了應力集中。從圖4可知空區(qū)的影響范圍為10～30 m。

圖5可知，巖體的破壞形式包括剪切破壞和拉伸破壞，剪切破壞居多，拉伸破壞主要發(fā)生在間柱或頂?shù)字砻?。塑性區(qū)主要分布在應力集中區(qū)附近，間柱塑性區(qū)范圍比頂?shù)字苄詤^(qū)范圍要多。850～1 000 m中段塑性區(qū)較多，而該區(qū)域的間柱和頂?shù)字驾^小，可知空區(qū)越集中的區(qū)域塑性區(qū)較多；同時可以說明雖然埋深不大但是空區(qū)較多時，也會造成應力集中，同樣會產(chǎn)生大面積破壞，與現(xiàn)場900 m和950 m中段出現(xiàn)大面積坍塌基本吻合。

圖4 小廠壩應力云圖Fig.4 Stress contour of Xiaochangba

圖5 小廠壩塑性區(qū)分布圖Fig.5 Plastic zone distribution of Xiaochangba

3.2 巖爆危險區(qū)判定

本研究采用Barton法對巖爆區(qū)域范圍和等級進行判別：

α=σ1/σc

式中：σ1—最大主應力；σc—單軸抗壓強度，α—巖爆判別參數(shù)。其中α<0.2無巖爆傾向性；0.2≤α<0.27弱巖爆傾向性；0.27≤α≤0.4中巖爆傾向性；α>0.4強巖爆傾向性。得到巖爆區(qū)域劃分標準，如表5所示。

圖6所示，礦體巖爆危險區(qū)域中沒有強巖爆傾向區(qū)域，中巖爆傾向區(qū)域主要分布在頂?shù)字绊數(shù)字c間柱交界處。弱巖爆傾向區(qū)域隨著深度增加而增大，并有過渡到中巖爆傾向的趨勢。對于中等巖爆區(qū)域必須做好一定的預防措施，因為當巖體局部區(qū)域硬度較大時，隨著時間推移(當周邊軟弱巖體發(fā)生塑性變形后)，其集中應力會越來越大，可能過渡到強巖爆傾向區(qū)。因此，隨著時間推移，空區(qū)群礦區(qū)存在潛在危險，應力轉移也很難預測和定位。隨著開采深度的增加，及時充填管理低壓很有必要。

表5 巖爆危險區(qū)域劃分標準

4 消除巖爆危險性技術方案與研究

依據(jù)巖爆發(fā)生機理可知應力集中是發(fā)生巖爆的主要因素，本研究對礦井生產(chǎn)的采掘布置進行全局優(yōu)化，降低礦房與礦柱應力集中，減少圍巖塑性區(qū)破壞范圍，降低或消除巖爆危險性。本文主要從開采方式和礦房布置形式兩方面進行優(yōu)化研究。

4.1 開采方式優(yōu)化

本文將開采方式分為連續(xù)開采和間隔開采，如圖7所示。比較連續(xù)開采和間隔開采的應力云圖可知，間隔開采具備以下優(yōu)點：第一，間隔開采頂板集中應力較小，保持在50 MPa左右。而連續(xù)開采集中應力較大，保持在70 MPa左右。第二，間隔開采頂板應力分布較均勻，沒有出現(xiàn)局部區(qū)域應力特別集中的情況，整體穩(wěn)定性較好。而連續(xù)開采集中應力分布不均勻，越靠近采空區(qū)中間，應力集中越嚴重。第三，間隔開采對圍巖和底板影響范圍較少。從圖7(a)可知，連續(xù)開采對底板集中應力大小影響很大，影響范圍也較廣，可能造成底鼓災害。間隔開采可以很好地彌補連續(xù)開采這一缺陷。因此，綜合比較連續(xù)開采和間隔開采各區(qū)域應力集中情況，可知間隔開采效果相對較好。

圖6 礦體巖爆危險區(qū)域分布圖Fig.6 Rock burst dangerous region distribution

4.2 礦房布置形式優(yōu)化

從圖8可知，礦房平行最大主應力布置時，較大集中應力區(qū)域范圍較小；各礦柱受力均勻，只有極少區(qū)域應力相對過大。而礦房垂直礦體方向布置時，其礦柱受力很不均勻，左幫應力明顯較大，極易造成左部片幫。由礦房到原巖應力區(qū)，應力變化均勻，頂?shù)装鍛Ψ植记闆r都優(yōu)于礦房垂直礦體方向布置時的情況。

5 結論

1) 小廠壩礦區(qū)受空區(qū)群影響，集中應力主要分布在頂?shù)字烷g柱交界處，最大集中應力超過同等深度地應力的3倍，其次空區(qū)群的影響范圍10～30 m。

圖7 開采方式優(yōu)化研究Fig.7 Optimization research of mining methods

圖8 礦房布置形式優(yōu)化研究Fig.8 Optimization research of room arrangement

2) 礦區(qū)塑性區(qū)主要分布在應力集中區(qū)附近，且間柱塑性區(qū)范圍比頂?shù)字苄詤^(qū)范圍要多。當間柱和頂?shù)字^細且空區(qū)較多時，即使埋深不大，也會造成應力集中，同樣會產(chǎn)生大面積破壞，這與現(xiàn)場900 m和950 m中段出現(xiàn)大面積坍塌基本吻合。

3) 采用Barton法對巖爆區(qū)域范圍和等級進行判別，結果顯示小廠壩礦區(qū)沒有強巖爆危險區(qū)域。建議中等巖爆區(qū)域做好一定預防措施，以防中等巖爆區(qū)域向強巖爆區(qū)域過渡。

4) 通過比較連續(xù)開采和間隔開采兩種方式，發(fā)現(xiàn)間隔開采方式具有圍巖應力分布較均勻、最大集中應力較小、集中應力分布范圍較小等優(yōu)點，因此間隔開采方式適合小廠壩礦區(qū)深部礦房開采。

5) 通過比較礦房平行最大主應力方向布置和礦房垂直礦體方向布置兩種布置方式，發(fā)現(xiàn)當?shù)V房平行最大主應力布置時，應力集中區(qū)域范圍較小，各礦柱受力均勻，只有極少區(qū)域應力相對過大，整體應力分布較均勻，開采更安全。