張子健 紀洪廣 張月征 陳志杰 宋朝陽

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083;2.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083)

近幾年以來我國經(jīng)濟高速發(fā)展，對能源與礦產(chǎn)資源的需求不斷增加，礦山開采在深度與廣度上不斷的增加與擴張，由此而來的礦山深部開采帶來了巖爆等一系列地質(zhì)災害問題。

在以往對巖爆的研究與分析過程中可以看出，巖體內(nèi)部累積的能量對于巖爆以及巖石破壞的發(fā)生起著根本的作用［1］，能量的積累與耗散是一個動態(tài)平衡的過程，巖石在變形破壞過程中始終不斷地與外界交換著物質(zhì)和能量，是一個能量耗散的損傷演化過程［2］，巖體的變形過程中不斷與外界產(chǎn)生能量的交換，當能量在耗散過程中發(fā)生突變時巖石會發(fā)生失穩(wěn)和破壞，從宏觀的能量角度研究巖爆過程中能量的積累及傳遞過程，能夠為防災減災提供理論依據(jù)［3］。在巖爆的研究過程中往往還會發(fā)現(xiàn)，巖爆的發(fā)生不僅與巖體內(nèi)能量、應力的高低相關(guān)，更與巖石本身的力學性質(zhì)有著密不可分的聯(lián)系，巖爆的發(fā)生還與巖體所處的應力環(huán)境以及采場結(jié)構(gòu)形式有著密切的關(guān)系，本研究以深度開采的玲瓏金礦為背景，考慮礦巖的物理力學性質(zhì)、能量聚集以及應力環(huán)境等狀況，提出基于能量及沖擊危險性的巖爆判別方法，并對巖爆發(fā)生的等級進行綜合預判;借助數(shù)值分析手段，模擬了現(xiàn)階段開采過程中的巖爆情況，并預測了玲瓏金礦未來深部開采過程中可能面臨的巖爆危險性，為巖爆預測的研究提供一條新的途徑。

1 判別準則

在巖爆的研究中，關(guān)于巖爆的判據(jù)指標有強度準則［4］、深度準則［5］、剛度準則［6］以及能量準則［7］，以上準則在巖爆預測中存在著參數(shù)單一、將巖石自身性質(zhì)與巖石應力環(huán)境分開討論等問題，為優(yōu)化這一問題，就需要對巖爆的發(fā)生機理做一定的研究，巖爆的發(fā)生通常需要以下2 個條件:巖體內(nèi)部具有較高的能量，在巖體周圍有給巖體提供巖爆所需的能量條件。文獻［8-9］對上述2 個條件的研究表明，巖石巖爆的研究不能將巖體與巖體周圍的力環(huán)境與能量環(huán)境分割討論。因此在研究玲瓏金礦深部開采巖爆危險性的過程中，選取了應變能指標與沖擊危險性指標進行分析。通過應變能指標判別巖石所含有的能量大小，利用沖擊危險性指標判斷巖石周圍應力環(huán)境產(chǎn)生巖爆的沖擊危險程度，通過以上2 個指標綜合分析巖爆發(fā)生的可能性及其強度。

本研究利用FLAC3D中內(nèi)嵌的fish 進行編程，將能量判據(jù)與沖擊危險應力指標判據(jù)，作為FLAC3D軟件的額外參量進行計算。

1.1 能量判別

為了確定巖體內(nèi)部儲存的能量大小，引入了能量理論中的經(jīng)典應變能計算公式［10］，利用fish 語言將式(1)進行編程計算:

其中，We為應變能密度;σ1、σ2、σ3為巖石所處位置的3 個主應力值;E 為彈性模量;ν 為泊松比。

由式(1)計算巖體中含有的應變能密度，結(jié)合單軸抗壓試驗中線彈性能準則判據(jù)(如表1)，判斷巖體巖爆等級。

表1 線彈性能判據(jù)等級分類Table 1 The classification of Liner elastic energy criterion

1.2 沖擊危險判別指標

通過引入沖擊危險性應力指標可以反應在某一應力水平下巖石的沖擊危險性，將巖石的自身物理特性與周邊巖體的應力環(huán)境聯(lián)系到一起，完善了巖爆分析中指標單一的問題［11］:

式中，Wσ為沖擊危險應力指標;c 為內(nèi)聚力;θ 為內(nèi)摩擦角;ξ 為應力峰值系數(shù)。

沖擊危險應力指標及對應危險等級見表2。

表2 沖擊危險性指數(shù)應力指標Table 2 The stress index of rock-burst risk

2 工程概況

玲瓏金礦是我國最大的黃金礦山之一，其金礦脈屬于石英脈型金礦，對此類礦床賦存條件的地下礦山，深部開采將涉及一系列深部巖石力學問題，其中最突出的就是沖擊地壓和巖爆等動力學問題。在地層深部，高地應力的存在造成巖體內(nèi)儲存大量的彈性能，開采過程中，圍巖破壞后彈性能的突然釋放，有可能導致巖爆等突發(fā)的動力災害。自2007 年以來，在－420 m水平以下中段，發(fā)生多次比較明顯的巖爆事件。目前，玲瓏金礦已在－800 m 以下水平發(fā)現(xiàn)了有開采價值礦體，其未來開采深度將很快超過1 100 m，成為我國黃金礦山，甚至整個金屬礦山領(lǐng)域開采深度最深的礦山之一。目前，其礦區(qū)內(nèi)九曲－大開頭分礦的最深生產(chǎn)中段為－720 m 中段，其深度已超過900 m. －720 m 水平中段以下正在進行采準和開拓，因此，開展巖爆的預測、監(jiān)測、預報和防治研究，成為保證該礦深部安全、高效開采的關(guān)鍵問題。

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 模型建立

通過收集的地質(zhì)剖面圖、各中段采場設(shè)計圖、采場平面圖、剖面圖，建立礦區(qū)模型。在模型的建立過程中，為提高模擬結(jié)果的精度，模型嚴格按照采場圖紙進行建模，并考慮采場中巷道的安全，做到與實際地質(zhì)情況吻合，限于網(wǎng)格數(shù)量對于計算速度計精度的影響，在建模的過程中主要考慮以下因素:礦區(qū)圍巖的應力分布情況及地質(zhì)構(gòu)造的影響范圍;模型的尺寸協(xié)調(diào)關(guān)系對于模型計算結(jié)果的影響;近期的開采計劃。最終確定模型范圍及模型如圖1 ～圖3 所示。

圖1 采場及巷道模型Fig.1 The model of stope and roadway

3.2 計算參數(shù)設(shè)置

玲瓏金礦現(xiàn)用采礦方法為淺孔留礦法，回采結(jié)束后不進行充填。在計算的過程中按照實際的工程條件，模型共分為2 種不同的巖性，模型的試驗參數(shù)按照表3 進行賦值。

圖2 采場數(shù)值網(wǎng)格模型Fig.2 The numerical grid of stope

圖3 采場平面圖及A－A 剖面位置Fig.3 The plane graph of the stope and the position of the A-A profile

表3 材料力學參數(shù)Table 3 Material mechanics parameters

邊界條件按照玲瓏金礦地應力測量的結(jié)果進行施加，玲瓏金礦地應力測量采用應力解除法和實現(xiàn)完全溫度補償?shù)目招陌w應變測量技術(shù)，共在金礦7 個水平布置測點18 個，由測試結(jié)果知，礦區(qū)地應力場以水平構(gòu)造應力為主，其大小為自重應力場的2.26倍［12］，礦區(qū)最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力值均隨深度呈近似線性增加的關(guān)系，地應力值(MPa)隨深度的線性回歸方程為

式中，H 為埋深，m。區(qū)域水平主應力換算成x、y 方向的水平應力。

3.3 線彈性能指標分析

通過對－670、－720 中段的線彈性能云圖4 分布可以看出，不同開采情況下能量場的分布情況，其能量級別主要分布在Ⅰ級Ⅱ級，在此區(qū)域內(nèi)在沒有開采的情況下巖石不會發(fā)生強烈?guī)r爆，這與實際是相符的，但是隨著開采進行，能量場不斷進行著轉(zhuǎn)移、集中，而轉(zhuǎn)移的方式主要符合以下幾點規(guī)律。

圖4 線彈性能云圖Fig.4 The cloud image of Liner elastic energy

(1)在－670中段采場內(nèi)，能量較高的位置集中在云圖所圈定的區(qū)域內(nèi)，－670中段采場開采的過程中，此區(qū)域處于Ⅱ級巖爆，當開采到達第35 步時，即開始開采－720 中段采場，此區(qū)域能量加速集聚，能量達到159 kJ，達到了判據(jù)中的Ⅲ級巖爆。

(2)通過剖面云圖可以看出，在開采－670 中段采場時－720 中段巷道能量變化微小，當開始開采－720中段采場時，上部能量變化明顯，因此可以看出，下層中段的開采對上層中段的開采影響較大，因此在開采的過程中，除對本中段的圍巖以及巷道進行加固外，應當考慮到采場上方的巷道的加固，避免出現(xiàn)冒頂?shù)任ｋU的發(fā)生。

(3)隨著開采的進行，當采場向所設(shè)定剖面靠近時，剖面上的能量變化明顯，且能量逐漸增大，剖面處礦體開采后，能量達到最大值162 kJ，達到了巖爆Ⅲ級危險，能量的集中區(qū)域為礦體的頂板和底板，礦體兩幫的能量向這兩部分轉(zhuǎn)移，能量逐漸釋放。

(4)對于巷道的支護區(qū)域應首先考慮采場下方的巷道，此處在礦體開采之后，能量變化巨大，在90 kJ 以上，絕對能量達到了159 kJ，為巖爆III 級危險。

3.4 沖擊危險性指標分析

利用FLAC3D軟件，并結(jié)合沖擊危險性公式，對沖擊危險性應力指標進行計算，得到開采過程沖擊危險應力云圖，見圖5。

圖5 沖擊危險性云圖Fig.5 The cloud image of rock burst hazard

其分析結(jié)果如下:

(1)沖擊危險應力指標云圖變化規(guī)律與能量云圖變化規(guī)律基本相同，主要體現(xiàn)在沖擊危險的位置、靠近剖面時的云圖變化等方面。

(2)與能量指數(shù)不同之處，－670 中段與－720中段的沖擊危險性屬于穩(wěn)定狀態(tài)，這也符合研究過程中的不同指標疊加規(guī)律，通過不同指標的綜合疊加來判斷巖爆的危險區(qū)域，而不是僅僅由單一指標來判斷。

(3)在剖面云圖中可以清楚地看到，上層開采對下層開采的影響較小，而下層開采對采場上部的影響較大。

(4)在采場礦體開采過后，采場的頂板與底板的沖擊危險性較大，主要集中在剖面圖中的圈識范圍內(nèi)，沖擊危險性指數(shù)達到0.7 左右，介于中高巖爆狀態(tài)與較高巖爆狀態(tài)，這和能量分析過程中一致，因此通過該2 指標可以判斷礦區(qū)的巖爆區(qū)域主要集中在采場的頂板和底板易產(chǎn)生應力集中的夾角處，由此可見，當巷道穿過采場底部時最易發(fā)生巖爆災害。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)礦山所提供的地質(zhì)資料等現(xiàn)有條件通過workbench 與FLAC3D相結(jié)合建立了礦山數(shù)值模型，并將巷道考慮在內(nèi)，更接近礦山開采現(xiàn)狀，增加了模型精度。

(2)此次分析引入能量判據(jù)與巖爆沖擊危險性判據(jù)，將巖石的能量儲存、巖石自身的力學性質(zhì)及巖體周圍的應力環(huán)境結(jié)合分析，豐富了巖爆研究分析參數(shù)，提高了巖爆預測精度。

(3)此次計算對玲瓏金礦不同開采階段的巖爆情況進行模擬，其結(jié)果與現(xiàn)階段金礦深部巖爆情況較吻合，這也為玲瓏金礦下一步開采過程中巖爆的防治提供了依據(jù)。

［1］ 謝和平，彭瑞東，鞠 楊，等. 巖石破壞的能量分析初探［J］. 巖石力學與工程學報，2005，24(15):2603-2608.

Xie Heping，Peng Ruidong，Ju Yang，et al. On energy analysis of rock failure［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(15):2603-2608.

［2］ 謝和平，彭瑞東，鞠 楊.巖石變形破壞過程中的能量耗散分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(21):3565-3570.

Xie Heping，Peng Ruidong，Ju Yang.Energy dissipation of rock deformation and fracture［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(21):3565-3570.

［3］ 彭瑞東，謝和平，周宏偉.巖石變形破壞過程的熱力學分析［J］.金屬礦山，2008(3):61-64.

Peng Ruidong，Xie Heping，Zhou Hongwei. Thermodynamic analysis of rock deformation and failure process［J］. Metal Mine，2008(3):61-64.

［4］ 鄭曉來. 隧道施工中巖爆的預測及治理［J］. 四川水力發(fā)電，2009(5):71-72.

Zheng Xiaolai.The prediction and the management of rock burst in the tunnel construction［J］.Sichuan Water Power，2009(5):71-72.

［5］ 侯發(fā)亮，王敏強.圓形隧洞中巖爆的判據(jù)及防治措施［C］∥第二次全國巖石力學與工程學術(shù)會議論文集. 廣州:［s. n.］，1989:195-208.

Hou Faliang，Wang Minqiang.The criterion of rock burst in circular tunnel and prevention measures［C］∥The Second National Conference on Rock Mechanics and Engineering. Guangzhou:［s. n.］，1989:195-208.

［6］ 劉景儒，等.滇藏鐵路麗江玉峰寺隧道圍巖巖爆剛度判據(jù)［J］.地質(zhì)通報，2007(6):748-755.

Liu Jingru，et al.Surrounding rock stiffness criterion of rock burst in Lijiang jade peak temple tunnel yunnan-tibet railway［J］.Geological Bulletin of China，2007(6):748-755.

［7］ 鄧金燦，羅一忠，謝學斌.大廠105 號礦體深井開采巖爆傾向性研究［J］.有色金屬:礦山部分，2009(5):37-39.

Deng Jincan，Luo Yizhong，Xie Xuebin. Study of deep mining rock burst tendency［J］. Nonferrous Metals:Mine Section，2009(5):37-39.

［8］ 金小川，周宗紅.巖爆的能量公式［J］. 金屬礦山，2012(8):40-43.

Jin Xiaochuan，Zhou Zonghong. Energy formula of rockburst［J］.Metal Mine，2012(8):40-43.

［9］ 蔡美峰，冀 東，郭奇峰，等. 基于地應力現(xiàn)場實測與開采擾動能量積聚理論的巖爆預測研究［J］.巖石力學與工程學報，2013(10):1973-1980.

Cai Meifeng，Ji Dong，Guo Qifeng，et al.Study of rockburst prediction based on in-situ stress measurement and theory of energy accumulation caused by mining disturbance［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013(10):1973-1980.

［10］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2002.

Cai Meifeng，He Manchao，Liu Dongyan. Rock Mechanics and Engineering［M］.Beijing:Science Press，2002.

［11］ 張月征，紀洪廣.基于莫爾－庫倫強度理論的巖石沖擊危險性判據(jù)［J］.金屬礦山，2014(11):138-142.

Zhang Yuezheng，Ji Hongguang. Instability criterion of rockburst risk based on Mohr-Coulomb strength theory［J］.Metal Mine，2014(11):138-142.

［12］ 蔡美峰，劉衛(wèi)東，李 遠.玲瓏金礦深部地應力測量及礦區(qū)地應力場分布規(guī)律［J］.巖石力學與工程學報，2010(2):227-233.

Cai Meifeng，Liu Weidong，Li Yuan. In-situ stress measurement at deep position of Linglong gold mine and distribution law of in-situ stress field in mine area［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010(2):227-233.