深井礦山中巖爆發(fā)生機理及控制體系的構建.doc

深井礦山中巖爆發(fā)生機理及控制體系的構建姓名（大學 學院 城市 通訊地址）摘要：隨著礦山開采深度的增加，原巖應力水平大大提高，導致巖爆等災害發(fā)生頻率提高，礦山生產(chǎn)的安全性下降。本文從巖爆的發(fā)生機理及預測方法等方面，闡述了目前國內(nèi)外學者的理論研究。簡要介紹了巖爆發(fā)生機理最常用的理論依據(jù)和巖爆傾向性預測的幾種判據(jù)，以及以微震監(jiān)測技術為中心構建的深井采礦巖爆控制體系。關鍵詞：深井采礦；巖爆控制；破壞機理；預測；微震監(jiān)測；危險震級。Rockburst Mechanism and control system in Deep level MiningName（University，School，City，China）Abstract：With the increase of mining depth, pre-mining stress level has increased dramatically, leading to disasters such as rock burst frequency increased, decreased mine production safety. From the aspect of the mechanism of rockburst prediction methods and explain the current theoretical research scholars at home and abroad. Briefly introduces the most common mechanism of rockburst theoretical basis and several rock burst tendency forecast criterion, as well as microseismic monitoring technology center built in deep mining rock burst control system.Key words：deep mining; rockburst control; failure mechanism；prediction；seismic monitoring；hazardous magnitude.0 引言高地應力區(qū)的巖體內(nèi)部積聚了很大的彈性應變能，在洞室開挖過程中或開挖之后一定時問內(nèi)，巖體內(nèi)的應力進行重分布并在洞壁附近產(chǎn)生應力集中，當集中的應力超過巖體的破壞強度時，應變能就會突然釋放，巖體發(fā)生猛烈的脆性失穩(wěn)破壞，破壞后的圍巖發(fā)生爆裂松脫、剝落，巖塊發(fā)生猛烈地彈射甚至拋擲，并常常伴有聲響，這種巖體破壞形式就是巖爆輕微巖爆僅剝落巖片而無彈射現(xiàn)象；嚴重的巖爆可將巨石猛烈拋出，甚至一次巖爆就能拋出數(shù)以噸計的巖塊和巖片，并可以測到一定級別的地震巖爆是礦山巷道、交通隧道、水利水電工程地下廠房、引水隧洞等地下工程中的一大地質(zhì)災害它直接威脅施工人員、設備的安全，影響工程進度，已成為世界性的地下工程難題之一本文就深井礦山開采中巖爆發(fā)生機理及其預測方法進行討論分析目前，已有許多巖爆理論研究，其中主要的包括強度理論、能量理論、沖擊傾向理論、剛度理論和失穩(wěn)理論我國自新中國成立以來的半個世紀，唐春安、潘岳、徐曾和、費鴻祿、潘一山、傅鶴林和李玉等學者對突變理論在巖爆中的應用和發(fā)展，出許多貢獻此外，我國巖石力學工作者還運用分叉理論、耗散結構理論、混沌理論等研究了巖石變形的局部化問題以及巖石力學系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，推動了我國巖爆及其巖石失穩(wěn)理論的發(fā)展謝和平 則利用分形幾何學的方法研究了巖爆發(fā)生的機制及其預測預報的手段譚以安提出了巖爆預測的模糊數(shù)學綜合評判方法除理論研究以外，唐春安等研究開發(fā)出具有中國自主版權的巖石破裂過程分析RFPA數(shù)值計算工具，并開發(fā)了ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)，配置了可視化RFPAView軟件，為巖爆等巖石破裂過程失穩(wěn)研究提供了新的研究手段葛德治和盧基鋒 應用不連續(xù)變形分析法(DDA)進行巖爆行為之不連續(xù)數(shù)值模擬，對于脆性巖體隧道開挖，能合理地模擬圍巖破裂及巖塊飛出行為近期，在巖爆預測方面，楊瑩春和諸靜提出了可拓評判法；XTFeng和LNWang提出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法；姜彤等提出了灰色系統(tǒng)最優(yōu)歸類模型的應用；馮夏庭和趙洪波提出了巖爆分類的支持向量機方法；宮鳳強和李夕兵 提出了距離判別分析(distance discriminant analysis)方法的應用這些方法給巖爆預測提供了新的思路和途徑1 巖爆發(fā)生機理研究對于巖爆作用機理的理論研究，到目前為止國內(nèi)外研究學者并未徹底弄清，也未在認識上達成一致的看法目前主要有巖石破壞的能量原理、均勻介質(zhì)中的集中力作用、單力偶和雙力偶巖石破壞理論、斷層破壞理論、巖石的非線性破壞理論等最常用的理論依據(jù) 有：強度理論、能量理論和剛度理論11 強度理論強度理論視巖爆為重分布應力達到巖石強度時而產(chǎn)生的破壞，巖爆形成的力學機制主要包括剪切破壞、張拉破壞、剪切與張拉共同作用破壞、和多種形式組合作用的破壞機理1)剪切破壞機理EHock等認為，巖爆足高地成力區(qū)澗室圍 巖剪切破壞作用的產(chǎn)物Zoback教授在解釋鉆孔崩落現(xiàn)象成因時，也認為類似“巖爆”的孔壁崩落破壞屬剪切破壞2)張拉破壞機理用格里菲斯理論解釋，巖爆為拉伸破壞Mas-tin和Haimson則通過打有圓孔的砂巖板巖進行的單向壓縮物理模擬試驗，在實驗室真實地再現(xiàn)了孔壁崩落現(xiàn)象；他們得出這一現(xiàn)象是由于孔壁應力集中部位的局部破壞所引起的，系張性破裂的產(chǎn)物3)剪切與張拉共同作用破壞機理我國楊淑清教授等通過天生橋二級水電站引水隧洞相似材料巖爆機制物理模擬試驗，總結出巖爆造成圍巖劈裂破壞和剪切的兩種機制，并且認為它們是二種應力共同作用的產(chǎn)物，即劈裂破壞屬脆性斷裂，而剪切破壞是巖石應力達到峰值強度狀態(tài)時的破壞；前者形成的破裂面與洞口邊界平行，而后者則與洞口邊界斜交，呈對數(shù)螺旋形狀4)多種形式組合作用的破壞機理譚以安博士等的研究成果認為，巖爆系漸時破壞過程，其形成過程可分為“劈裂成板剪斷成塊塊片彈射”三個階段以王蘭生教授為首的“川藏公路二郎山隧道高地應力與圍巖穩(wěn)定性課題組”將巖爆作用與巖石在三向應力條件下的壓縮變形破壞全過程加以對照，認為巖爆力學機制可以歸納為壓致拉裂、壓致剪切拉裂、彎曲鼓折三種基本形式，也可以多種組合方式出現(xiàn)12 能量理論從能量的觀點來看，巖爆的形成過程是巖體中的能量從儲存到釋放直至最終使巖體破壞而脫離母巖的過程因此，巖爆是否發(fā)生及其表現(xiàn)形式主要取決于巖體中是否儲存了足夠的能量，是否具有釋放能量的條件及能量釋放的方式等巖石在破壞前積聚的變形能We與破壞后消耗的塑性變形能Wp之比WET(WET=We/Wp)，是衡量巖石是否在破壞時產(chǎn)生沖擊以及沖擊程度的重要指標，巖爆傾向指數(shù)WET是波蘭Kidybinski于六十年代最先提出的13 剛度理論從剛度理論的觀點來看，巖石的剛度是變數(shù)，在強度極限以前的剛度(Km)為正值，超過強度極限以后為負值(Ks)，如果 KmKs，則試樣便發(fā)生突然而強烈的破壞，提出了剛度沖擊性指標KCF( KCF=Km/Ks)，當KCF1時有沖擊的危險存在剛度理論在六十年代中期由庫克和霍杰姆提出2 巖爆傾向性預測的主要方法近幾十年來，國內(nèi)外學者在各個方面對巖爆傾向性預測進行了研究分析，提出了多種假設和判據(jù)，主要可分為以下幾類：21 最大主應力判據(jù)應變型巖爆是地下硬巖礦山采準巷道和大型地下峒室以及土木工程隧道中最常見的一種巖爆國內(nèi)外應變型巖爆實例表明，巖爆始終呈中心對稱在巷道兩側(cè)或頂?shù)装鍍商幫瑫r發(fā)生，兩巖爆處連線與巷道周圍原巖應力場的最大主應力軸線垂直，即巖爆一般發(fā)生在巷道開挖后最大切向應力(最大主應力)處根據(jù)巖爆發(fā)生機理的強度理論假說，有的巖爆研究者通過統(tǒng)計學方法直接找出工程巖體未開挖前的原巖最大主應力1max，原與完整巖石單軸抗壓強度c之間的關系式來判斷巖爆的傾向性，其中有代表性的是南非學者Ortlepp 4 提出的巖爆傾向性判據(jù)，見式(1)所示1max(02505) c (1)為了便于工程實際應用，又有學者提出用彈性力學理論計算出的工程圍巖周邊最大主應力1max與c的比值作為巖爆傾向性的判據(jù)22 最大剪應力判據(jù)剪切破裂型巖爆和斷層滑移型巖爆發(fā)生的頻率雖然較低，但其破壞性卻較大庫倫破壞準則已經(jīng)直觀地給出了這種巖體破壞的標準，如式(2)所示C+ntan (2)式中： 一剪切或滑移面上絕對剪應力；C 一剪切或滑移面上的固有剪切強度，即內(nèi)聚力； 一靜摩擦角；n 滑動面上的正應力顯然，當破壞一旦發(fā)生，滑動面上固有的剪切強度降為零，摩擦阻力由靜摩擦阻力降為動摩擦阻力剪切或滑動破壞發(fā)生前后滑移面上的剪切應力差ess= -tan(為動摩擦角)稱為超量剪應力，Ryder等人據(jù)此給出了巖爆傾向性的判別指標，見式(3)所示CSS15 MPa(斷層或節(jié)理)極可能發(fā)生破壞性巖爆CSS20 MPa(完整巖石)極可能發(fā)生破壞性巖爆5 MPaCSS15 MPa(或20 MPa) (3)可能發(fā)生破壞性較小巖爆CSS5 MPa一般不會發(fā)生巖爆CSS0 MPa結構面穩(wěn)定23 能量判據(jù)用爆破方法開挖采礦巷道時，開挖面上爆破前的牽引力突然降為零，開挖面外部圍巖對面內(nèi)逐漸降低的支護力所作的功表現(xiàn)為開挖面上的多余能量，這部分能量稱為釋放能 開挖面上形成的釋放能，以P波和S波通過周圍巖石介質(zhì)向外傳播，釋放能 的大小直接影響開挖面與圍巖的應力場鑒于巖石工程一般是逐步形成的，研究逐步開采時的能量釋放率ERR更有實際意義ERR的計算表達式見式(4)所示ER =dwtdv (4)式中，dwt 一開挖單元釋放的能量；dv 一開挖單元的體積Cook較早采用能量判據(jù)對南非深部金礦開采的巖爆傾向性進行預測，經(jīng)過多年的實踐，能量釋放率被證明為預測南非硬巖礦山巖爆傾向性的有效手段之一.過去，ERR超過40 MJm 便認為巖爆的發(fā)生是一個嚴重的問題但是對于一定的能量釋放率，在斷裂、巖株及地質(zhì)不連續(xù)面附近開采會使巖爆發(fā)生的可能性增加現(xiàn)在認為，深部開采可以利用的ERR為3060 MJm23.巖爆控制系統(tǒng)的構建深井開采過程中， 由于高原巖應力及其它多種因素的作用，巖爆等礦山災害發(fā)生的頻率逐步提高，導致礦山生產(chǎn)的安全性下降。目前，國內(nèi)對于巖爆的理論研究主要側(cè)重于在實驗室內(nèi)進行巖石力學參數(shù)的測定，并據(jù)此確定巖石的巖爆傾向性；還有一些是針對國內(nèi)外發(fā)生巖爆的礦山或者土木工程中典型巖石測定的力學參數(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊數(shù)學等方法，對開采過程中發(fā)生巖爆的可能性進行判定；還有些利用聲發(fā)射監(jiān)測技術進行研究。遼寧的紅透山銅礦和安徽的冬瓜山銅礦生產(chǎn)實踐表明：剛進入高應力開采環(huán)境后，礦山就已經(jīng)發(fā)生了不同程度的應力破壞事件。因此，制定系統(tǒng)的地下礦山深部開采巖爆控制策略，指導礦山采取適當?shù)拇胧?，實現(xiàn)高應力環(huán)境下安全生產(chǎn)具有重要意義。3.1 硬巖礦山高應力區(qū)開采巖爆控制體系的構建許多巖爆礦山生產(chǎn)實踐表明，礦山巖爆一般經(jīng)歷三個階段：平靜期，一般是指礦山建設和生產(chǎn)初期，伴隨著掘進和生產(chǎn)爆破發(fā)生一些小型的巖爆(主要是應變型巖爆)； 過渡期，礦山投產(chǎn)后，隨著開采累計礦量的不斷增加，礦區(qū)巖體應力集中程度不斷提高，巖體發(fā)生微小破壞的頻率和范圍逐漸增加，微震事件的次數(shù)明顯增加，震級明顯增大，具有破壞性的采礦地震時有發(fā)生； 活躍期，礦山生產(chǎn)一定時間后， 由于累計采礦量的增加，巖體微小破壞逐漸聚集成核，導致破壞性較大的巖爆事件(大多為斷層滑移型和礦柱型巖爆)經(jīng)常產(chǎn)生。理論研究和生產(chǎn)實踐證明，震級很小的微震事件和具有破壞性的巖爆的發(fā)展過程具有相似性，也就是震級較大的事件發(fā)生前，一般都要經(jīng)歷平靜期、過渡期和活躍期3個階段。這不僅從理論上為巖爆的預測預報奠定了基礎，而且為我們依據(jù)微震監(jiān)測參數(shù)變化規(guī)律，適時采取預防措施贏得了時間。預防和控制措施主要包括調(diào)整回采順序和工作面推進速度，局部采取解壓爆破等。本文構建的巖爆控制體系，以目前巖爆礦山應用比較廣泛的微震監(jiān)測技術為基礎，吸取了國外典型硬巖巖爆礦山的應用經(jīng)驗，并結合了安徽冬瓜山銅礦引進南非ISS國際公司微震監(jiān)測系統(tǒng)進行深井巖爆與地壓監(jiān)測及控制技術研究的初步成果。巖爆控制體系的構成如圖1所示。3.2 硬巖礦山高應力區(qū)采礦巖爆控制體系建設步驟(1)監(jiān)測網(wǎng)絡的優(yōu)化布置根據(jù)礦山設計和建設的開拓采準系統(tǒng)、采場分布狀況、首采區(qū)域和初步確定的采區(qū)回采順序、確定的監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度和精度，利用網(wǎng)絡優(yōu)化技術，在開采區(qū)域內(nèi)合理布置監(jiān)測巖體活動的傳感器，建設井下監(jiān)測站和地面控制中心，采用銅絞線或光纜建立傳感器、井下監(jiān)測站和地表控制中心之間的聯(lián)系。(2)事件波形的分析與分類及時處理微震事件的波形，對數(shù)量眾多的事件波形進行有效的識別、分析和分類，通過波形處理和微震震源機理的初步判斷，對各事件進行準確定位，及時反應當前井下巖體的活動狀態(tài)。(3)事件參數(shù)的量化依據(jù)量化地震學理論，計算事件的震源參數(shù)，如能量指數(shù)EI，應力降和地震勢P等，研究參數(shù)特征及事件的發(fā)生機理。(4)采用的分析方法為了掌握井下開采活動對巖體的應力狀態(tài)造成的影響，分析井下發(fā)生破壞事件的誘因，可以采用不同時間段內(nèi)的分析，如日分析、月分析及年分析，及時掌握當日、當月及當年時間段內(nèi)的有效信息，采用時間序列、空間序列及數(shù)學統(tǒng)計等，對參數(shù)的變化進行分析。(5)采動過程控制最后，根據(jù)微震事件震源參數(shù)計算結果，對采礦區(qū)域進行集中圈定，研究各個參數(shù)的時空變化特征。根據(jù)監(jiān)測技術和分析結果對井下采動過程進行控制，主要包括以下內(nèi)容： 分析開采過程中的微震參數(shù)曲線的變化特征，如能量指數(shù)EI曲線、累積的視在體積CAV曲線、能量釋放率ERR曲線等，與開采中發(fā)生的事件相對應，從而對關注區(qū)域的危險進行識別，預測較大事件發(fā)生的時間T及位置L，探求回采順序與巖體失效破壞之間的關系，研究采礦工作線的合理布置；研究采場回采過程中，對圍巖和臨近采場的影響及應力的轉(zhuǎn)移規(guī)律，尤其是在有礦柱時對礦柱穩(wěn)定性的分析；采礦量與誘發(fā)的巖爆事件的產(chǎn)生頻率的關聯(lián)，從生產(chǎn)管理策略上控制事故的發(fā)生。 通過理論分析，針對井下發(fā)生的微震事件，研究參數(shù)特征及事件的機理，針對典型的巖爆事件，將現(xiàn)場的調(diào)查分析結果與監(jiān)測結果有機結合，研究大的事件誘發(fā)的原因、發(fā)生的機理、類型和破壞程度，分析震源參數(shù)和破壞之間的關系，確定巷道或者采場的有效支護形式及合理的爆破方式。對已經(jīng)發(fā)生事件進行反分析，獲得有效參數(shù)，確定研究方法，利用已經(jīng)發(fā)生的事件的信息，在充分考慮井下開采活動等影響因素，建立風險估計模型，對未來時間段內(nèi)的開采區(qū)域內(nèi)的危險源進行預測，揭示某個區(qū)域產(chǎn)生危險源的可能性P、震級ITI、破壞性D，采取諸如：減少危險性較大區(qū)域的作業(yè)人員、調(diào)整井下采礦盤區(qū)出礦比例和局部采用應力釋放等預防對策。4.總結1)巖爆是高地應力的產(chǎn)物，它發(fā)生的整個過程比較復雜，影響因素較多，不僅與地形地貌、地層巖性、巖石巖體的結構構造、地質(zhì)構造有關，而且還與地應力大小及其分布規(guī)律、作用特征、外界擾動、工程活動的方式方法、深部復雜地質(zhì)作用等因素有關所以國內(nèi)外學者的研究并沒有統(tǒng)一的認識，本文闡述了三種最常用的理論依據(jù)：強度理論、能量理論和剛度理論，對于深部礦山巖爆發(fā)生機理的研究工作提供了一定的科學理論依據(jù)2)深部礦山開采中發(fā)生巖爆必須具備內(nèi)外兩個條件：巖內(nèi)儲備有足夠的彈性應變能和引起破壞的應力集中部位論文提出的最大主應力和最大剪應力判據(jù)正是從應力角度出發(fā)考慮的，屬巖爆發(fā)生的外因；而能量判據(jù)和沖擊傾向性判據(jù)則從彈性應變能角度出發(fā)，僅考慮到巖性因素，是發(fā)生巖爆的內(nèi)在條件3)利用現(xiàn)代數(shù)字化微震監(jiān)測技術和系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對礦山開采過程中礦區(qū)巖體穩(wěn)定狀態(tài)的實時監(jiān)測。針對礦山在高應力區(qū)開采出現(xiàn)的問題，利