馬路坪礦深部開采巖爆傾向性評價與防治對策

蹇明星，林 業，馬春德，徐明生，何忠國，王永奇

(1．貴州開磷集團礦業公司， 貴州貴陽 550302;2．中南大學資源與安全工程學院， 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2，馬春德2，徐明生1，何忠國1，王永奇1

(1．貴州開磷集團礦業公司， 貴州貴陽 550302;2．中南大學資源與安全工程學院， 湖南長沙 410083)

貴州開磷集團馬路坪礦進入深部開采后，巖爆是其面臨的一個突出的問題。根據現場工程地質調查和實驗室巖石力學性能測試，在考慮巖爆發生機制的基礎上，選用彈性應變能指數、線彈性能準則、能量儲耗指數以及巖體完整性系數4個指標對馬路坪礦深部巖體的巖爆傾向性進行模糊綜合評價，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，開磷集團下屬多個礦山的開拓采準已進入到+600～+750 m水平，距離地表達600 m左右，地應力現象嚴重，深部高應力地段出現巨大聲響以及彈射等巖爆現象，從而導致礦山原有的支護措施失效，主要開拓巷道破壞現象嚴重，出現底鼓、冒頂、彈射等現象，需要多次維護與加固，維護工作量大，支護成本高。隨著開磷集團開采深度的進一步加大，巖爆將會嚴重制約著礦山的安全生產。

1 巖爆傾向性評判指標選擇

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力環境。前2個條件是巖爆發生的內因，第3個條件是促成巖爆發生的外因［1］。為了研究判定開磷集團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，結合實際地質開采環境，對其擁有的4種主要礦巖(砂巖、紅頁巖、礦石和白云巖)進行了巖爆傾向性研究。

1．1 彈性應變能指數

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

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

彈性能量指數的值越大，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［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 強巖爆。

根據巖石力學試驗結果，馬路坪礦深部巖石的彈性應變能指數計算結果如表1所示。

表1 彈性應變能指數法巖爆傾向性評價結果

1．2 線彈性能準則［4］

巖石在單軸壓縮條件下達到峰值強度前所儲存的彈性能的表達式如下:

式中:σc為單軸抗壓強度，MPa;Es為卸載切線彈性模量，MPa。

根據達到強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強巖爆。

根據巖石力學試驗結果，馬路坪礦深部巖石的線彈性能計算結果如表2所示。

表2 線彈性能準則法巖爆傾向性評價結果

1．3 能量儲耗指數

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

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

結合冬瓜山發生的巖爆［5］和有關實驗，提出能量儲耗指數k的評判指標為:k＜20無巖爆;20≤k＜75弱巖爆;75≤k＜130中等巖爆;k≥130強巖爆。

根據巖石力學試驗結果，馬路坪礦深部巖石的能量儲耗指數結果如表3所示。

表3 能量儲耗指數法巖爆傾向性評價結果

1．4 巖體完整性系數

根據侯發亮等人的建議，不完整巖體的結構性質對巖爆的發生也會產生一定的影響，所以巖體完整性系數也是判斷巖爆發生的1個重要指標［2］，表達式如下:

式中:Kv為巖體的完整性系數;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變能，所以巖爆通常發生在完整巖體中。我國工程巖體分級標準(GB50218－94)將Kv＞0．55的巖體定義為較完整巖體［6］，極有發生巖爆的可能。其評判指標［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強巖爆。

根據巖石力學試驗結果，馬路坪礦深部巖石的巖體完整性結果如表4所示。

表4 巖體完整性系數法巖爆傾向性評價結果

2 巖爆傾向性綜合評價

巖爆作為一種巖體動力失穩現象，發生相當迅速，僅憑某種評價結果來判斷和預測巖爆是不確切的［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在等級值附近，就很難判斷其巖爆傾向性強弱，利用模糊數學［10］的原理對巖石巖爆傾向性進行綜合判斷，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］，可計算得到巖爆樣本對于巖爆烈度傾向性的最優的相對隸屬度函數，同時采用別變量的特征值Hj作為作為評判準則［12］，可得到馬路坪礦4種巖樣的綜合巖爆傾向性評價結果，見表5。

表5 馬路坪礦巖爆傾向性綜合評價

經過綜合分析表5的計算結果和巖石力學試驗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當注意防范。

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，又有在深部某種適宜條件下發生巖爆的可能性，若繼續往深部開采中還保持目前的這種狀態，則紅頁巖巷道既會發生大變形破壞，也有發生中等巖爆的可能性，巷道維護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試驗和現場測試顯示: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生概率增大的趨勢。

針對具有強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變能量，使洞室周邊的切向應力加劇并產生應力集中，這種不利的應力狀態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，但在施工中應盡量減少爆破振動觸發巖爆的可能性，可采取超前鉆孔應力解除、松動爆破或振動爆破等方法，使巖體應力降低，能量在開挖前釋放［14］。同時在采礦爆破作業后，及時對坑道掌子面及周邊進行噴、灑水，及時軟化周邊圍巖，降低巖石單軸抗壓強度，從而有效降低巖爆發生的機率和等級［15］。

建議馬路坪礦在深部開采過程中應及時建立一套有效的監測系統，對深井開采中的地壓活動進行現場監測，同時對圍巖進行變形監測，掌握深部巷道圍巖及支護的變形動態，有針對性地對圍巖以及支護進行補強加固，以確保礦山施工安全與施工進度同時達到目標，從而保證礦山開采的安全。

4 結語

深部高應力區的開采是未來采礦發展的必然趨勢，馬路坪礦隨著開采深度的增加，發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行合理的優化同時，還加強對其巖爆發生規律以及其特征的認識，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，從事礦業工程研究，Email:gzkljmx@sina．cn。