張 濤,胡靜云,林 峰,李庶林,楊德源,余正方,高 偉

(1.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司, 云南玉溪市 653100;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司微震與聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)研究所, 湖南長沙 410012;3.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 福建廈門市 361005)

金屬礦千米深井高應(yīng)力特性巖爆發(fā)生規(guī)律與防治措施研究?

張 濤1,胡靜云2,林 峰2,李庶林3,楊德源1,余正方1,高 偉1

(1.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司, 云南玉溪市 653100;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司微震與聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)研究所, 湖南長沙 410012;3.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 福建廈門市 361005)

針對大紅山鐵礦進(jìn)入千米深井開采后,在巷道、豎井和大斷面硐室的基建開挖過程中發(fā)生的多次不同程度的巖爆動力地壓現(xiàn)象等嚴(yán)重的地壓災(zāi)害問題,首先對千米深部采區(qū)的高地應(yīng)力特性進(jìn)行了研究,得到了其深部高地應(yīng)力處于超過亞臨界深度的狀態(tài),但還沒有達(dá)到臨界深度的總體評價(jià)結(jié)果;其次采用模糊綜合評價(jià)法獲得了不同巖性在不同埋深的巖爆傾向性,得到了深部采區(qū)巖體總體上具有中等巖爆傾向性,在最深－40m水平的局部,大理巖、片巖和磁鐵礦的巖爆傾向性趨于強(qiáng)烈的結(jié)論;其次全面統(tǒng)計(jì)了基建過程中發(fā)生的巖爆案例,獲得了巖爆發(fā)生與埋深、地應(yīng)力、巖性等的關(guān)系與規(guī)律,得到了巖爆數(shù)量隨埋深的增加呈指數(shù)關(guān)系增加的規(guī)律;最后提出了易爆巖層巷道與硐室的巖爆動力地壓災(zāi)害的防護(hù)措施。

金屬礦山;千米深井;高應(yīng)力特性;巖爆傾向性;巖爆規(guī)律

0 前 言

巖爆的發(fā)生機(jī)制與機(jī)理十分復(fù)雜,影響巖爆發(fā)生的因素有很多,包括巖層自身的巖爆傾向性屬性、節(jié)理構(gòu)造形成的巖體結(jié)構(gòu)類型、節(jié)理構(gòu)造自身的物理力學(xué)性質(zhì)、原巖應(yīng)力、地下水、巖體開挖擾動應(yīng)力場、巖體開挖后臨空面與原有節(jié)理構(gòu)造形成的結(jié)構(gòu)等等,上述影響因素多且具有耦合非線性特征,形成一個開放的復(fù)雜系統(tǒng),研究難度相當(dāng)大。目前國內(nèi)外對巖爆的研究雖取得了較多研究成果,但仍有許多未解難題需要探索[1-24]。

從2016年開始,大紅山鐵礦采礦深度逐漸進(jìn)入767m至1261m范圍,最大開拓深度達(dá)到1301m,原巖應(yīng)力場由水平構(gòu)造應(yīng)力控制,原巖應(yīng)力較大[4,25-28]。采礦工程巷道與硐室斷面大,主要布置在變鈉質(zhì)熔巖、輝長輝綠巖、大理巖、磁鐵礦與片巖等堅(jiān)硬巖層中,礦體水文地質(zhì)條件簡單。上述開采技術(shù)條件表明大紅山鐵礦深部開采中將面臨潛在的較嚴(yán)重的巖爆威脅[4,25-26]。深部開采范圍內(nèi)Ⅱ1礦組分合采和分采2個部分,采礦規(guī)模共550萬t/a,主要采礦方法為無底柱分段崩落法,多采區(qū)大規(guī)模同時開采將導(dǎo)致開采擾動應(yīng)力更加劇烈與頻繁,會增大巖爆發(fā)生的頻度與強(qiáng)度。

本文通過研究,擬獲得深部采區(qū)高應(yīng)力特性、各巖層各深度下巖性的巖爆傾向性強(qiáng)弱程度;通過統(tǒng)計(jì)基建過程中,僅受巷道掘進(jìn)擾動應(yīng)力下,巷道與硐室圍巖的巖爆案例與規(guī)律,為下一步全面大規(guī)模開采中,巷道與硐室圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)一步受采動應(yīng)力擾動下,預(yù)測巖爆可能在哪些區(qū)域更容易發(fā)生及其發(fā)生的強(qiáng)弱程度,并提出科學(xué)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防治措施,確保人員與設(shè)備在深部大規(guī)模開采過程中不遭受巖爆動力災(zāi)害的傷害。

1 深部采區(qū)高應(yīng)力特性研究

根據(jù)《大紅山鐵礦巖體力學(xué)性質(zhì)研究及原巖應(yīng)力場測定》報(bào)告,可得原巖地應(yīng)力分布規(guī)律為:

(1)礦區(qū)原巖應(yīng)力場中最大主應(yīng)力方向的傾角都小于26°,最小傾角僅為2.89°,平均傾角為14.35°,大紅山鐵礦的最大主應(yīng)力是由水平構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)的。礦區(qū)最大主應(yīng)力方向的方位介于北16°東到北65.68°東之間,平均方位為北40.84°東,最大主應(yīng)力近南北向。

(2)最大主應(yīng)力隨深度變化的一元回歸方程為:σ1＝1.337＋0.047H(MPa);中間主應(yīng)力隨深度變化的一元回歸方程為:σ2＝0.59＋0.022H (MPa);最小主應(yīng)力隨深度變化的一元回歸方程為: σ3＝1.01＋0.012H(MPa),式中H為埋深。

(3)大紅山地應(yīng)力場的側(cè)壓系數(shù)λ(即水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比)的最小值為0.56,最大為4.81。

從2016年開始,大紅山鐵礦采礦深度逐漸進(jìn)入767m至1261m范圍,最大開拓深度達(dá)到1301m,由原巖地應(yīng)力場隨深度變化的一元回歸方程可知,在這一深度范圍內(nèi),最大主應(yīng)力處于37.4MPa至62.5MPa之間,中間主應(yīng)力處于17.5MPa至23.3 MPa之間,最小主應(yīng)力處于10.2MPa至16.6MPa之間,原巖應(yīng)力較大。

除了考慮原巖地應(yīng)力外,生產(chǎn)巷道與硐室開挖后形成的掘進(jìn)擾動應(yīng)力也是評價(jià)巖爆發(fā)生強(qiáng)度的重要因素之一。在各分段布置的幾何尺寸與形狀不同的生產(chǎn)巷道與硐室中,本文僅考慮巷道與硐室的軸向與最大主應(yīng)力相垂直這一最不利情形,即巷道與硐室軸向近似東西方向布置。采用ANSYS大型三維有限元數(shù)值模擬軟件,對＋370m開拓水平布置的巷道因掘進(jìn)開挖引起的應(yīng)力集中進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。巷道斷面為三心拱,斷面寬度為4.8m,高度為3.8m,巷道開挖可近似按平面應(yīng)變問題研究。巷道開挖后數(shù)值模擬的最大主應(yīng)力分布見圖1。由圖1可知,最大主應(yīng)力產(chǎn)生于底板與直墻的交角處,為112.25MPa,但分布區(qū)域有限,對巷道的整體變形與巖爆強(qiáng)弱程度影響不大。在巷道頂板區(qū)域中最大主應(yīng)力為89.62MPa,分布區(qū)域較大,對巷道的巖爆強(qiáng)弱程度影響較大,相比37.4MPa的最大水平原巖應(yīng)力,應(yīng)力集中系數(shù)約為2.4。

圖1 370m水平巷道開挖最大主應(yīng)力分布/MPa

謝和平等[1,6]提出深部的新概念:深部不是深度,而是一種力學(xué)狀態(tài),是由地應(yīng)力水平、采動應(yīng)力狀態(tài)、圍巖屬性共同決定的力學(xué)狀態(tài),可以通過力學(xué)分析給出定量化表征。李庶林,謝和平等[1,6]綜合考慮原巖應(yīng)力狀態(tài)、開采擾動應(yīng)力水平和巖體性質(zhì)3方面因素,提出了深部開采的亞臨界深度、臨界深度和超臨界深度,3個概念:

(1)定義一:亞臨界深度Hscr滿足條件:

巖體在采動應(yīng)力作用下進(jìn)入脆塑性破壞的臨界點(diǎn)。Hscr可表示為。

(2)定義二:臨界深度Hcr1應(yīng)同時滿足以下2個條件:

若處于臨界深度Hcr1處,巖體處于準(zhǔn)靜水應(yīng)力狀態(tài);若處于臨界深度Hcr1處,自重應(yīng)力σv已經(jīng)達(dá)到圍巖的彈性極限σte。臨界深度Hcr1可表示為:

式中,K1為最大水平應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值。

第一個條件是地應(yīng)力實(shí)測規(guī)律,即臨界深度以下的巖體處于二向等壓的地應(yīng)力狀態(tài);第二條是深部開采臨界深度的一個基本量化指標(biāo),表明深部巖體的自重應(yīng)力超出巖體的彈性極限,深部巖體易發(fā)生塑性大變形和高烈度的動力破壞。

(3)定義三:超深部臨界深度Hcr2應(yīng)同時滿足以下2個條件:

超深部臨界深度Hcr2處,巖體處于靜水應(yīng)力狀態(tài);超深部臨界深度Hcr2處,巖體已處于全塑性狀態(tài),應(yīng)力狀態(tài)滿足巖體屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則。超臨界深度Hcr2可表示為:

式中,K2為最小水平應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值。

根據(jù)上述臨界深度的定義,在大紅山鐵礦767 m至1301m的開采深度內(nèi),在巷道掘進(jìn)的擾動應(yīng)力下,巷道與硐室的圍巖已經(jīng)處于超過亞臨界深度的狀態(tài),但還沒有達(dá)到臨界深度的狀態(tài)。當(dāng)采深超過亞臨界深度Hscr時,開采擾動下圍巖體已達(dá)到彈性極限,巖體出現(xiàn)大變形并可能產(chǎn)生弱巖爆,但圍巖尚處于彈性階段,圍巖結(jié)構(gòu)是相對穩(wěn)定的,常規(guī)的巷道支護(hù)、動力災(zāi)害防治手段是有效的。當(dāng)采深超過臨界深度Hcr1時,認(rèn)為礦山進(jìn)入了深部開采階段,此時高地應(yīng)力水平和巖體中變形能高度集聚,易導(dǎo)致巖爆等動力災(zāi)害的頻繁發(fā)生,同時將發(fā)生塑性流動失穩(wěn),傳統(tǒng)的頂板控制與圍巖支護(hù)理論將不再適用,需要進(jìn)行改進(jìn)與探索。

2 巖爆規(guī)律與防治

2.1 巖爆傾向性評價(jià)結(jié)果

[4]結(jié)合大紅山鐵礦巖樣的力學(xué)特性、巖石的埋藏深度以及巷道掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力擾動情況,采取彈性應(yīng)變能儲存指數(shù)法、強(qiáng)度脆性系數(shù)判別法、變形脆性系數(shù)判別法、最大主應(yīng)力判別法以及切向應(yīng)力準(zhǔn)則法5個指標(biāo),得到巖爆傾向性綜合評價(jià)結(jié)果(見表1)。

表1 巖爆傾向性綜合評價(jià)結(jié)果

綜合預(yù)測結(jié)果表明:從370m水平開始,5種巖石總體上具有中等巖爆傾向性,隨著深度增加,輝長輝綠巖巖爆傾向性由弱轉(zhuǎn)為中等,在最深－40m水平,大理巖的巖爆傾向性趨于強(qiáng)烈,片巖和磁鐵礦將達(dá)到強(qiáng)烈?guī)r爆。

2.2 巖爆案例統(tǒng)計(jì)及規(guī)律分析

深部II1礦組主礦體二期工程520萬t/a進(jìn)入了千米深井硬巖高地應(yīng)力開采環(huán)境,最大開拓水平到達(dá)了－40m,開拓深度達(dá)到了1301m,最大原巖應(yīng)力約為62MPa,巷道與硐室的圍巖已經(jīng)處于超過亞臨界深度的狀態(tài),二期工程面臨較為嚴(yán)重的巖爆災(zāi)害。從2012年至2015年,在其開拓系統(tǒng)的施工過程中,施工人員多次經(jīng)歷了輕微至中等巖爆現(xiàn)象,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),550萬t/a二期工程開拓工程中歷次發(fā)生的巖爆災(zāi)害(見表2),共發(fā)生輕微巖爆22起,中等巖爆8起,強(qiáng)烈?guī)r爆0起,巖爆強(qiáng)弱程度的定義見表3,其中將近65%的巖爆現(xiàn)象是在0～－40m水平發(fā)生的,初步顯示了隨著埋深的增加,巖爆的頻次與強(qiáng)度也隨之增加的規(guī)律。巖爆在巷道、硐室與豎井等各種工程類型中均有發(fā)生,在變鈉質(zhì)熔巖、輝長輝綠巖、大理巖與片巖等巖性中均有發(fā)生,巖爆的具體發(fā)生部位主要在巷道與硐室的頂板與邊幫,巖爆最初發(fā)生時間一般是在巷道與硐室掘進(jìn)放炮后當(dāng)天至15d之內(nèi),巖爆持續(xù)時間一般為幾十秒至15d。

巖爆數(shù)量與埋深的規(guī)律關(guān)系見圖2,將近65%的巖爆現(xiàn)象是在埋深1261～1301m范圍內(nèi)發(fā)生的,巖爆數(shù)量隨埋深的增加呈指數(shù)關(guān)系增加,說明在大紅山鐵礦基建過程中埋深與原巖應(yīng)力是巖爆是否發(fā)生的最主要原因。

2.3 易爆巖層防護(hù)措施

巖爆防治措施的主要原則是根據(jù)巖性巖爆傾向性、節(jié)理構(gòu)造與應(yīng)力場等因素,及時查明巖爆危險(xiǎn)的巖層,采取區(qū)域性的防范措施與局部性的解危措施[29]。對于金屬礦山來講,區(qū)域性防范措施主要為采取合理的開拓布置與開采方式,例如巷道與大型硐室的軸向盡量與最大水平應(yīng)力方向平行或小角度斜交。局部性解危措施主要包括巖體注水或澆水軟化、爆破泄壓、鉆孔泄壓、爆破主動誘發(fā)、支護(hù)加固等[7]。

根據(jù)大紅山鐵礦巖層自身的巖爆傾向性、節(jié)理裂隙構(gòu)造、無底柱分段崩落法采礦方法等特點(diǎn),因地制宜地采取的易爆巖層的巷道與硐室的防護(hù)措施有:巷道與硐室掘進(jìn)時采用光面爆破,減少對圍巖整體性的破壞;對掘進(jìn)后發(fā)生巖爆的巷道或硐室的圍巖巖體進(jìn)行澆水軟化;對預(yù)期易爆巖層內(nèi)的巷道與硐室進(jìn)行支護(hù)加固。

2.3.1 光面爆破

在深部采區(qū)的二期工程基建中,對重要巷道與硐室的掘進(jìn),設(shè)計(jì)中要求采用光面爆破。采用光面爆破的作用是:減少對巷道與硐室圍巖的爆破破壞,保護(hù)圍巖體自身的強(qiáng)度,提高觸發(fā)巖爆發(fā)生的應(yīng)力極限;光面爆破后巷道與硐室表面不會形成坑坑洼洼的不規(guī)則形狀,能較大程度地降低應(yīng)力集中程度與范圍,盡量避免達(dá)到巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件。

2.3.2 掘進(jìn)過程中的澆水弱化

掘進(jìn)后,若巷道或硐室掌子面等發(fā)生巖爆,則采取澆水軟化的應(yīng)對措施。巖石一般都具有浸水軟化的特點(diǎn),水通過巖石的孔隙、裂隙、節(jié)理、層理等弱面進(jìn)入巖體內(nèi),經(jīng)過物理化學(xué)作用,擴(kuò)大了裂隙,溶解了部分礦物,增加了含水量,從而破壞了巖體的整體性,降低了巖體的強(qiáng)度,增加了巖體的塑性變形能力,降低了巖體集聚彈性應(yīng)變能的能力,減弱了其發(fā)生巖爆的概率與程度。

但不同巖石之間浸水后巖體的軟化程度差別較大,浸水軟化只有達(dá)到一定程度后,才具有實(shí)用價(jià)值。

表2 大紅山鐵礦550萬t/a二期工程開拓過程中的巖爆統(tǒng)計(jì)

2.3.3 井巷支護(hù)加固措施

大紅山鐵礦巖爆傾向性的評價(jià)結(jié)果表明,對埋深在861～1221m之間的巷道與硐室,若只在巷道掘進(jìn)擾動應(yīng)力條件下,則預(yù)期巖爆傾向性最大為中等巖爆,對于該深度范圍內(nèi)的巷道與硐室的巖爆防護(hù),采用非讓壓錨桿＋金屬網(wǎng)＋噴射混凝土的聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)即可。對埋深在1261～1301m之間、即0 m與－40m水平的巷道與硐室,若只在巷道掘進(jìn)擾動應(yīng)力條件下,在大理巖、片巖與磁鐵礦巖層中的巷道與硐室的最大巖爆程度可能為強(qiáng)烈?guī)r爆,對于該深度范圍內(nèi)的巷道與硐室的巖爆防護(hù),采用讓壓錨桿＋金屬網(wǎng)＋噴射混凝土的聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)。

大紅山深部II1礦組主礦體550萬t/a二期工程40m水平巷道的典型支護(hù)設(shè)計(jì)見圖3,噴射混凝土支護(hù)采用的水泥標(biāo)號為C30,錨桿為20mm砂漿錨桿,長度為2.5m,錨桿排距與間距均為1m。部分巷道采取的支護(hù)效果照片見圖4。

隨著深部II1礦組主礦體550萬t/a二期工程于2016年底投產(chǎn),在深部開采過程中,由于開采擾動應(yīng)力的疊加作用,將增加預(yù)期的巖爆傾向性程度,作業(yè)人員將會面臨更加嚴(yán)重的巖爆與礦震等動力地壓災(zāi)害的威脅,巖爆與礦震動力地壓災(zāi)害輕則損失人員與設(shè)備、重則破壞采場作業(yè)面,更嚴(yán)重的則會使整個采場報(bào)廢,因此,進(jìn)一步開展在深部開采擾動應(yīng)力條件下的巖爆與礦震防治工作將是礦山重要的地壓研究課題。

表3 巖爆強(qiáng)弱程度的定義

圖2 巖爆數(shù)量與埋深的關(guān)系

圖3 典型巷道(硐室)支護(hù)設(shè)計(jì)/mm

圖4 深部二期工程部分開拓巷道支護(hù)效果

3 結(jié) 論

(1)大紅山鐵礦千米深井深部高應(yīng)力特性:在767～1301m的開采深度內(nèi),在巷道掘進(jìn)的擾動應(yīng)力下,巷道與硐室的圍巖已經(jīng)處于超過亞臨界深度的狀態(tài),但還沒有達(dá)到臨界深度的狀態(tài),常規(guī)的巷道支護(hù)、動力災(zāi)害防治手段是有效的。

(2)巖爆傾向性綜合預(yù)測結(jié)果表明:深部采區(qū)巖體總體上具有中等巖爆傾向性。在最深－40m水平,大理巖、片巖和磁鐵礦的巖爆傾向性趨于強(qiáng)烈。

(3)深部II1礦組主礦體二期工程基建過程中共發(fā)生輕微巖爆22起,中等巖爆8起,強(qiáng)烈?guī)r爆0起,其中將近65%的巖爆現(xiàn)象是在埋深1261～1301 m范圍內(nèi)發(fā)生的,巖爆數(shù)量隨埋深的增加呈指數(shù)關(guān)系增加,說明在大紅山鐵礦埋深與原巖應(yīng)力是巖爆是否發(fā)生的最主要原因。

(4)因地制宜采取的易爆巖層的巷道與硐室的防護(hù)措施有:巷道與硐室掘進(jìn)時采用光面爆破,減少對圍巖整體性的破壞,能較大程度地降低應(yīng)力集中程度與范圍,避免達(dá)到巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件;對掘進(jìn)后發(fā)生巖爆的巷道或硐室的圍巖巖體進(jìn)行澆水軟化;對預(yù)期易爆巖層內(nèi)的巷道與硐室進(jìn)行支護(hù)加固,預(yù)期巖爆為中等巖爆,采用非讓壓錨桿＋金屬網(wǎng)＋噴射混凝土的聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng),預(yù)期巖爆程度為強(qiáng)烈?guī)r爆時,采用讓壓錨桿＋金屬網(wǎng)＋噴射混凝土的聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)。

(5)在深部開采過程中,由于開采擾動應(yīng)力的疊加作用,將增加預(yù)期的巖爆傾向性程度,作業(yè)人員將會面臨更加嚴(yán)重的巖爆與礦震等動力地壓災(zāi)害的威脅,建議建立微震監(jiān)測系統(tǒng)對巖爆前兆信息進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警,以提高礦山的安全生產(chǎn)保障水平。

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2017-02-16)

張 濤(1979－),女,云南昭通人,工程師,主要從事采礦技術(shù)管理工作,Email:58670634＠qq.com。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51674218);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0600702).