（采矿工程专业论文）金属矿山深部开采岩爆预测及工程应用研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 金属矿山深部采矿工程岩爆问题是困扰采矿正常生产的主要问题之一，由于其形成机 理复杂，岩爆理论研究的学术进展与具体的工程实践指导还相距较远，因此，有必要进一 步对在实际工程中岩爆的机理、预测模型进行理论研究，对岩爆防治技术进行实际探讨， 从而有针对性地提出可靠的预测方法和防治对策。 本论文的研究课题是为了解决程潮铁矿深部开采岩爆灾害而提出的。程潮铁矿经过近 4 0 年的开采，采矿生产的主要作业地点深度已超过5 0 0m ，开拓工程的深度达到1 1 0 0m ， 深部开拓和开采将面临岩爆灾害的影响。为了保证矿床安全生产、井下工作人员的人身安 全及设备正常运行，本文在综合考虑国内外多种岩爆判断准则和预测方法的基础上，对矿 山深部开采进行岩爆预测研究，主要完成了下列研究工作： 首先，本文根据系统的工程地质调查，采用砌川r 岩体分类方法和高地应力条件下适 应性较好的q 系统，对深部围岩进行工程分类。对一4 3 0 一8 0 0m 岩样进行岩石力学实 验研究，综合考虑多种岩爆判断准则分析程潮铁矿深部矿岩岩爆倾向性；其次，通过分析 国内外部分工程岩爆应力资料和矿区地应力分布规律，探讨矿区高应力环境与岩爆的关 系。运用地应力实测资料和矿区三维有限元数值模拟结果，分析深部开采时矿岩中的能量 分布规律，并使用绘图软件标出深部矿岩有岩爆倾向的区域；最后，针对程潮铁矿水平向 残余构造应力显著和无底柱分段崩落法开采特点，选取适合该矿岩爆预测的方法，进行岩 爆监测预报系统初步设计，并提出相应的岩爆防治措施。 本文在复杂矿体三维有限元模型建立，矿岩能量分析与岩爆预测，监测理论及防治技 术方面作了一些探索性工作。在金属矿山深部开采岩爆预测理论和实践方面有一定的参考 价值。 关键词：深部开采；岩爆；实验研究；数值模拟；监测防治 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o c k b u r s ti so n eo ft h em a j o rd i s a s t e ro b s s e s s i n gn o r m a ld e e pp r o d u c t i o na tt h em i n e s d u e t oi t si n t r i c a t ed e v e l o p i n gm e c h a n i s m ，i th a ss e v e r a le x t e n tb e t w e e nr o c k b u r s ts c i e n c ea n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a sar e s u l t ，i ti sn e c e s s a r yt o f u r t h e rd i s c u s sr o c k b u r s t sp r i n c i p l e ， p r e d i c t i o na n dp r e v e n t i o nt e c h n o l o g y , a l lo fw h i c hw i l lb eg r e a t l yb e n e f i c i a lt op u tf o r w a r d r e l i a b l ep r e d i c t i o nm e t h o da n dc o n t r o lm e a s u r e s t h i st o p i ci sp u tf o r w a r dt os o l v i n gt h ep r o b l e m so fr o c k b u r s ti nc h e n g c h a oi r o nm i n e a f t e r4 0y e a r s m i n i n g ，t h em i n i n gd e p t hi sm o r et h a n5 0 0m ，a n dd e e pe x p l o r a t i o nh a sr e a c h e d ll0 0 m r o c k b u r s tw i l lb eap r o b l e mf o r t h em i n ed u r i n gd e e pm i n i n ge x c a v a t i o n i no r d e rt o e n s u r et h es e c u r i t yo ft h ep e o p l ea n dt h ee q u i p m e n t ，b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fv a r i o u s p r e d i c t i o nc r i t e r i ao fr o c k b u r s ta n dp r e d i c t i o nm e t h o d s ，r o c k b u r s tp r e d i c t i o nd u r i n gd e e pm i n i n g h a sp r o c e e d e d ，p r i m a r yw o r kd o n ei ss e tf o r t ha sf o l l o w s ： f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs y s t e m a t i c a le n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u r v e y , qs y s t e m w h i c hi sw e l la p p l i c a b l et ot h ec o n d i t i o n so fh i g hs t r e s sf i e l da n dr m rm e t h o da r ea p p l i e dt o r o c ke n g i n e e r i n gc l a s s i f i c a t i o n s e c o n d l y , b yt h ea n a l y s i so f p a r t i a le n g i n e e r i n g sd a t aa n ds t r e s s d i s t r i b u t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o c k b u r s ta n dh i 2 9 hs t r e s se n v i r o n m e n ti nm i n ei sd i s c u s s e d r o c km e c h a n i c a le x p e r i m e n t so fs p 优i m e l l sf r o m - - 4 3 0ml e v e lt o - - 8 0 0ml e v e la n dv a r i o u s p r e d i c t i o nc r i t e r i ao fr o c k b u r s ta r eu s e dt oa n a l y z er o c k b u r s tt e n d e n c y w i t ht h ei n i t i a lg e o s t r e s s m e a s u r e m e n tr e s u l t sa n d3 df e mn u m e r i c a la n a l y s i s ，t h ed i s t r i b u t i o ns t a t u so fe n e r g yi n s u r r o u n d i n gr o c km a s sd u r i n gd e e pm i n i n ge x c a v a t i o na r ea n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，t h ea r e a w h i c hh a sr o c k b u r s tt e n d e n c yi sd e m a r c a t e db yd r a w i n gs o f t w a r e f i n a l l y , i nl i g h to fp r o m i n e n c e o fh o r i z o n t a lr e s i d u a lt e c t o n i cs t r e s sa n dc h a r a c t e ro fs u b l e v e lc a v i n g , t h em o n i t o r i n gs y s t e m a d a p t e dt ot h i sm i n ei sd e s i g n e d ，a n dt h em e t h o d sf o rr o c k b u r s tp r e v e n t i o na r ea l s op r o v i d e d i t i si n n o v a t i v ei n3 df e mm o d e l i n gf o rc o m p l e xd e p o s i t s ，r o c ka n dm i n e r a le n e r g y a n a l y s i s ，p r e v e n t i o n ，m o n i t o r i n gt h e o r ya n dp r e v e n t i o nt e c h n o l o g yf o rr o c k b u r s t i ti sm e a n i n g f u l t os o m ee x t e n ti nr o c k b u r s tp r e d i c t i o no fd e e pm i n i n ge x c a v a t i o nt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y k e yw o r d s ：d e e pm i n i n g ；r o c k b u r s t ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ；n u m e r a ls i m u l a t i o n ；m o n i t o r i n ga n d p r e v e n t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行砑 究所取得的成果除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成联 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：兰型座丝日期：型2 墨：兰：2 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 论文作者签名：望业 指导教师签名：主辱窒! 萤 日期：歹p 节彦6 1 0 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中，硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分 异，储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象 的一种动力失稳地质灾害。它可能造成施工人员伤亡、施工设备毁坏、施工进度延缓，导 致施工综合成本增加，已成为世界性的地下工程难题之一。 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着金属矿山开采深度的逐年递增，深井开采中的岩爆事故 越来越严重。1 9 8 7 - 1 9 9 5 年间，因岩爆和岩崩引起的受伤率和死亡率分别占南非采矿工业 的1 4 和1 2 以上。在美国，爱达荷北部的科达尔铅锌银矿区到1 9 8 4 年己采到地表以下 2 4 3 8m ，岩爆一直是该矿区生产中的一个悬而未决的难题，从1 9 8 4 年之后的4 年中，有 2 3 人受伤，6 人死亡。另外，幸运星期五矿和茄莱娜矿也曾发生过较大规模的岩爆瞳1 。在 智利，典型的岩爆矿山为e lt e n i e n t e 铜矿，矿山的第6 采区自1 9 8 9 - 1 9 9 2 年期间先后4 次 因强烈岩爆造成的破坏而停产，其中最强烈的1 9 9 2 年3 月发生的岩爆造成上百米巷道垮 落，停产时间长达2 2 个月。另外，加拿大、澳大利亚、德国、波兰、日本和印度等国家 一些深井开采的金属矿山也受到岩爆危害。 深部开采目前学术界还没有形成一个统一的明确概念，一般认为，当矿床埋藏较深而 使生产过程中出现在一般矿床开采时不曾遇到的技术难题，此时的地下开采模式便可称为 深部开采。在我国，当硬岩矿山开采深度超过6 0 0m 即公认为深部开采。 据不完全统计，目前我国有3 5 的矿山因资源枯竭而接近尾声或已闭坑，其余2 5 的 矿山将陆续转入深部开采。例如，红透山铜矿目前开采己进入9 0 0 - - 1 1 0 0m 深度；冬瓜山 铜矿已建成2 条超1 0 0 0 m 竖井来进行深部开采；弓长岭铁矿设计开拓深度己达7 5 0 m ，距 地表达1 0 0m ；夹皮沟金矿二道沟坑口矿体延深至1 0 5 0m ；湘西金矿己开拓3 8 个中段， 垂深超过8 5 0m 。此外，还有寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川镍矿、乳山金矿等许多矿山 都将进行深部开采h 1 。深井开采势在必行，已是国际矿业的重要研究领域。 我国发现岩爆的金属矿山比较典型的主要有辽宁的红透山铜矿、狮子山铜矿冬瓜山矿 床，随着开采深度的进一步加大，岩爆有增加的趋势。所以我国将要进入或已经进入深部 开采的矿山将会面临岩爆的威胁。深部开采所面临的一个重大问题就是高地应力，深井的 高应力是诱发岩爆重要原因。由于岩爆发生机理与诱发因素的复杂性和岩爆显现的突发性 及随机性，岩爆预测与控制的研究还远不能满足深井安全开采的要求，所以，今后岩爆研 究的工作重点将是深井岩爆嘲。 1 2 国内外研究现状 自从1 7 3 8 年英国的南斯塔福煤矿首次发生岩爆以来距今近2 7 0 年了，可岩爆的理论 研究是从上世纪2 0 3 0 年代才开展起来的，虽然历经几代学者的努力，岩爆研究领域已经 取得一系列重要成果，但岩爆机理研究尚未取得重大突破，也就是说，还没能对不同工程 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 中出现的各类岩爆现象给出全面、合理的理论解释。也正是由于机理研究的滞后，影响了 以此为基础的超前预报和控制技术的发展。 近几十年来，在岩爆形成机理、预测预报等方面，国外的一些经常发生岩爆的采矿大 国诸如南非、前苏联、波兰、德国、美国和加拿大等均取得了很大的成就。如波兰在煤的 冲击倾向性实验研究、冲击倾向性的井下测定等方面取得很好的成就；德国在冲击地压的 防治方面也取得过显著成效，由德国发展起来的钻屑法、钻孔卸压法等在国际上享有盛誉； 加拿大和美国在矿山微震监测方面也取得很大成就，加拿大在岩爆支护方面成绩突出；特 别值得一提的是南非在岩爆研究方面不仅起步早，而且在大深度矿山开采的实践中在岩爆 的监测( 微震监测) 、岩爆的防治等方面积累了丰富的经验和大量的工程资料。 我国在岩爆方面的研究起步较晚，到解放之后才开始。在我国，对岩爆研究最广泛的 部门是煤炭科研及生产单位。尽管我国对岩爆研究起步较晚，但岩爆研究发展较快，取得 的成就也比较显著，可以说世界各采矿国家( 包括煤炭开采) 的研究方法在我国大都得到不 同程度的应用和再试验，而且在诸如冲击地压的综合治理等方面己取得明显的效果。我国 的水电部门自上世纪七十年代也开始了对岩爆的研究工作，并在岩爆隧道支护、局部性岩 爆防治措施方面已积累了一些有借鉴作用的资料。进入9 0 年代，国内一些金属矿山相继 进入深部开采，许多科研院所和高校也开始致力于深井岩爆问题的研究，并取得了一系列 成果。例如，“十五”国家科技攻关项目冬瓜山“深井岩爆与地压监测及控制技术研 究 的微震监测系统安装调试成功，对发展我国深井矿山安全理论和技术具有重要意义。 近年来，国内外在岩爆的现场控制上取得了长足进展，利用合理接排采掘顺序，压力 预注水防止岩爆，卸压爆破，改进施工方法以及合理的支护方式等措施对岩爆进行控制； 在理论上，把岩爆从定性分析到定量理论分析，利用有限元进行数值计算己做了许多工作， 但国内外在岩爆预测的数值方法方面还没有突破性的进展，主要原因是岩爆机制尚未了解 透彻，岩爆力学分析模型的建立比较困难；在实验上，对岩爆现象的模拟方面，由于模拟 岩爆的模拟材料、加载设备的限制，复制岩爆仍很困难。因此，在岩爆发生机理、条件、 预测和控制等方面仍有许多问题，还须在理论和实践上对岩爆做更深入地研究探索。 1 3 岩爆研究存在的问题 ( 1 ) 现有的大多数岩爆预报方法均利用所研究矿山过去生产历史上发生岩爆的有关 信息和规律进行统计学分析的结果，往往偏差很大。到目前为止还没有找到公认的及时准 确预报岩爆的方法。 ( 2 ) 在强调对岩爆机理与预测预报研究的同时，忽视了对有岩爆倾向性开挖空间的有 效防护理论与技术的研究，对岩爆防治措施的研究相对较少。 ( 3 ) 在强调高应力诱发岩爆灾害的同时，忽视了高应力承载硬岩有可能带来的在采场 矿岩破碎方面的优势，以及由此产生的诱导致裂技术可应用性的认识和研究。 ( 4 ) 在强调深井岩爆问题的同时，忽视了这类基础性研究必须与采矿工艺、开采参数 和矿山地质构造相结合，化害为利，实现深井采矿技术的革新。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 1 4 论文选题意义及应用价值 程潮铁矿是武汉钢铁集团公司铁矿石原料基地，是我国著名的大型地下铁矿之一，属 于构造应力型矿山。经过近4 0 年的开采，武钢程潮铁矿的采矿技术不断的发展，目前， 采矿作业场地和开拓工程已经进入到矿体深部，开拓工程的深度达到1 1 0 01 1 1 ，采矿生产的 主要作业点的深度也已经达到5 0 0 多米。随着采矿深度的增加，采矿作业区域的地应力越 来越大，岩体的硬度也越来越高，已经逐步形成了产生岩爆的条件，给矿床开采的灾害防 治和安全生产工作带来了新的问题。国外大量深井矿山开采经验表明，岩爆的产生会对井 下工作人员和设备造成很大危害，因此，岩爆预测与防治将成为程潮铁矿矿床安全开采的 重大课题。 到目前为止，世界各国采矿界和岩土工程界的专家、学者在岩爆形成机理、岩爆预测 及防治等方面进行了大量的研究，但对岩爆形成机理的认识以及岩爆判据的研究还是停留 在假说和经验阶段，而岩爆预测理论与具体指导工程实践还相距较远，用于满足工程需要 的岩爆预测与防治技术又多偏于从发生过的岩爆灾情出发，不具预知性和普遍性。显然， 直接套用现有的理论成果来解决程潮铁矿深井开采岩爆问题是不可行的。因此，有必要结 合程潮铁矿的矿床地质条件、岩体力学性质和地应力分布规律，对岩爆发生机理、预测理 论进行探讨，提出相关的防治措施，这对矿床安全开采具有重大的现实指导意义。 1 5 论文研究思路和技术路线 本文主要结合现场工程地质调查、实验数据和三维有限元分析结果对岩爆进行定性和 定量分析研究，针对程潮铁矿的具体情况，对岩爆监测预报系统进行初步设计，并提出相 应的岩爆预防措施。具体研究内容和方法如下： ( 1 ) 对已有的岩爆研究成果进行系统全面的分析，特别是预测理论方面进行详细的综 合评述，为本文的研究奠定理论基础。 ( 2 ) 对矿区进行系统的工程地质调查，深入井下采集岩样和监测数据。 ( 3 ) 进行实验室岩石力学实验研究。根据实验结果，综合考虑国内外各种岩爆准则， 对深部矿岩岩爆倾向性进行评价。 ( 4 ) 利用有限元分析软件对矿区初始应力场进行三维数值模拟，根据初始应力场数据 计算深部矿岩弹性应变能，分析矿区岩体及矿体能量积聚与分布规律，结合相应的能量判 据，对岩爆是否发生进行预测。 ( 5 ) 准确预测岩爆的显现及其危害，进行岩爆危险区分析，探索矿山岩爆的产生规律。 ( 6 ) 建立岩爆监测预报系统，保证开拓、采矿工程的安全。 ( 7 ) 研究深部开采中岩爆的防治方法。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章岩爆形成机理及预测理论 2 1 关于岩爆形成机理的研究 就岩爆破坏机理方面，岩爆主要有三个主控因素：地质构造( 决定围岩的初始应力场 分布) ；围岩岩性条件( 包括岩体的强度、脆弹性、贮能性) ；岩体开挖的情况( 决定围岩 体二次应力场分布以及应力集中情况) 。目前，国内外许多学者依据工程实践从其强度、 刚度、稳定、断裂、损伤、变形、能量和突变理论等方面对岩爆现象进行了分析。 早期的强度理论着眼于岩体的破坏原因，认为下井巷和采场周围产生应力集中，当应 力集中的度达到矿岩强度极限时，岩层发生突然破坏，发生岩爆。近代强度理论认为：导 致岩体承受的应力仃与其强度盯的比值，即o r 仃1 时，导致岩爆发生。2 0 世纪6 0 年代 中期，c o o k 等阻1 在总结南非金矿岩爆研究成果的基础上提出了能量理论。他们指出提出： 岩爆是由岩体一围岩系统在其力学平衡状态破坏时，系统释放的能量大于岩体本身破坏所 消耗的能量所引起的。这种理论较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。 6 0 年代中期，c o o k 和h o d g e i 发现口1 ，用普通压力机进行单轴压缩实验时猛烈破坏的 岩石试件，若改用刚性试验机试验，则破坏平稳发生而不猛烈，并且有可能得到应力一应 变全过程曲线。他们认为，试件产生猛烈破坏的原因是试件的刚度大于试验机( 即加载系 统) 的刚度。7 0 年代b l a c k 将刚度理论用于分析美国爱达荷加利纳矿区的岩爆问题认为矿 山结构( 矿体) 的刚度大于矿山负荷( 围岩) 的刚度是产生岩爆的必要条件。 e h o c k 等3 认为，岩爆是高地应力区洞室围岩剪切破坏作用的产物。m a s t i n ( 1 9 8 4 ) 和h a i m s o n ( 1 9 7 2 ，1 9 8 5 ) 通过打有圆孔的砂岩岩板进行的单向压缩物理模拟试验，在实验室 真实地再现了孔壁崩落现象；他们得出这一现象是由于孔壁应力集中部位的局部破坏所引 起的，系张性破裂的产物。我国杨淑清教授等阳1 通过天生桥二级水电站引水隧洞相似材料 岩爆机制物理模拟试验，总结出岩爆造成围岩劈裂破坏和剪切的二种机制，并且认为它们 是二种应力水平的产物，即劈裂破坏属脆性断裂，而剪切破坏是岩石应力达到峰值强度状 态时的破坏。李焯芬等n 0 1 2 1 分析了高水平地应力对岩石工程的影响。为了建立岩爆的力学 模型，潘一山等n 3 叫明提出了岩爆的稳定性动力准则、岩爆的突变理论模型。周瑞忠等n 6 1 7 1 探讨了岩爆的断裂力学机理，建立了岩爆的损伤断裂模型。这些研究都是把岩爆问题作为 无限介质中的孔洞问题来分析，讨论洞室围岩的整体稳定性，或是基于岩爆的形成是由于 高地应力区的地下洞室工程在开挖过程中( 或开挖完毕后) 发生应力调整而形成的二次应 力场作用于围岩，使裂纹发生、扩展、连接以致失稳扩展，从而导致围岩发生宏观脆性断 裂的结果基础上的。 谭以安n 町利用扫描电镜( s e m ) 对天生桥引水隧洞狄岩岩爆碎片进行观察研究后提出， 岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于丌挖，使得地应力分异、围岩应力 跃升及能量进一步集中、最终产生张一剪脆性破坏的结果。 文献 2 0 根据对二郎山公路隧道岩石( 体) 的试验研究，表明只有在岩爆倾向性指数 ( 取，) 和高地应力这两个内、外因条件均满足要求时才有可能发生岩爆活动；单轴压缩试 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 验结果则表明发生岩爆的岩石峰值后有明显的应力突降。 文献 2 1 - 2 3 认为岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于洞室开挖， 径向约束卸除，环向应力骤然增加，能量进一步集中，在集中应力作用下，产生突发性胀 剪脆性破坏，伴随声响和震动消耗部分弹性应变能。同时，剩余能量转化的动能使围岩急 剧向动态失稳发展，造成岩片( 块) 脱离母体，获得有效弹射，猛然向临空方向抛( 弹) 射的 特征，经历了快速“劈裂一剪折一弹射渐进破坏过程的动力破坏现象。因此岩内储备有 足够的弹性应变能和引起破坏的应力集中部位是岩爆发生的两个主要条件。 z u b e l e w i e z 幽1 ，m u e l e r 瞳5 1 认为，岩爆是在岩体的静力稳定条件被打破时发生的动力失 稳过程。他们分别利用有限元法和动力有限差分法，通过先求解围岩初始静力问题，然后 在边界上叠加动力干扰的方法，对岩爆过程进行过数值模拟研究。 综上所述，地下开挖空间脆性围岩的断裂失稳并伴随爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷 现象是岩爆的破坏形式，高储能体的存在及高围岩应力是岩爆发生的内在条件，而由于在 岩体内开挖，改变了围岩的赋存环境，导致围岩内应力场重新分布，这是岩爆产生的外在 因素。从本质上看，岩爆的发生可以从3 个方面汹脚1 来理解：能量的来源，只有高应力 集中区才能为储存高弹性应变能提供充足的能量来源；能量转移，只有在各种内外因素 的作用下，使岩体的某些部位发生能量的高度集中，才有可能发生岩爆；岩石储存弹性 应变能及瞬态破坏释能的能力，也就是岩体本身结构构造特征必须给能量的积储与释放提 供可能。 2 2 岩爆预测方法 岩爆预测预报是在岩爆机理研究的基础上定性或定量地确定岩爆倾向性，是实际工程 中最关心的问题，现有的岩爆预测方法总体来说可归纳为两大类：一类为理论分析法，另 一类是现场实测法。目前国内外还没有一整套成熟的理论和方法，其研究的发展方向是人 工智能、专家系统和数值分析。这里将现有的几种预测方法综述如下： 2 2 1 理论分析法 ( 1 ) 应力判据 挪威r u s s e n s e s 岩爆判别准则 仃丹盯， 0 2无岩爆 0 2 仃口仃。 0 3弱岩爆 0 3 盯一盯。 0 5 5强岩爆 式中：硐室最大切向应力，p a ；亿岩石单轴抗压强度，p a 。 前苏联t u r c h a n i n o v 岩爆判别准则汹1 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 ( + o l ) o e o 3 无岩爆 o 3 1 4 5 无岩爆产生 吼吼= 1 4 5 5 5 低等岩爆活动 吼q = 5 5 2 5中等岩爆活动 吼q 2 5高等岩爆活动 式中：仉硐室中最大主应力，p a 。 地应力指数 根据文献 3 1 的研究，地应力指数是指最大地应力与岩石单轴抗压强度之比，即 s = 玉 ( 2 1 ) d c 根据准则，当s 0 1 5 时，轻微或不发生；当0 1 5 s s 0 2 5 时，中等岩爆：当眨o 2 5 时， 严重岩爆。 ( 2 ) 岩性判据 岩爆的发生与否及其烈度大小与岩性有关，我国的陆家佑教授口2 3 提出的岩爆判据 中，认为通常发生岩爆的岩石为致密的硬岩，影响岩爆的最主要岩性是单轴抗压强度和单 轴抗拉强度，当o c 满足下式时将产生岩爆： o - o o c k ( 2 2 ) 式中，参数k 的选取与岩石单轴抗拉强度与抗压强度之比( 吼i o - o ) 有关，如表i 所示。 表l o t 吒不同值选取墨 脆性系数法。” 一 由于定义脆性系数这个名词的方法不同，可分为强度方法和变形方法两种。 a 强度脆性系数( r ) 法 该方法是根据岩石的单轴抗压强度尺。和抗强度r 之比来评价岩石的岩爆倾向性，其表 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 式为： r = r 墨( 2 3 ) 一般来说，r 越大说明岩石的脆性越大，则岩爆发生的倾向性越大，r 的判别准则为： r 1 0 无岩爆 1 0 r 1 8强烈岩爆 b 变形脆性系数( k ) 法 该方法是根据岩石峰值荷载前的应力一应变曲线，通过加卸载来求得岩石峰值荷载前 的总变( “) 和永久变形( 坼) 来评价岩爆倾向性的，其表达为： k = u u ,( 2 4 ) e 越大，说明岩石的脆性越大，则岩爆发生的倾向亦越大，墨的判别指标为： k 2 0 无岩爆 2 o k 。 6 0 弱岩爆 6 o k 9 0 中等岩爆 k 。9 0强烈岩爆 岩体质量系数( r q d ) 法泓1 岩体质量系数( r q d ) 法根据岩体质量系数( r q d ) 预测岩爆，认为r q d 6 0 时，才有 岩爆可能。岩体质量系数( r q d ) 是对岩体完整性好坏进行描述的简单实用指标，r q d 值越 小，岩体裂隙发育越强烈，岩体完整性越差，越不容易引起岩体的高应力集中和能量积聚， 发生岩爆的可能性越小 能量储耗指数 根据文献 3 5 的研究，将岩石的单轴抗压强度与其单轴抗拉强度之比值和岩石在峰值 前的总应变量与峰值后的总应变量之比值相乘的结果称为能量储耗指数，用七表示，即 七= 生生 ( 2 5 ) d tt ；b 式中：吼岩石的单轴抗拉强度，p a ；f 峰值前的总应变量：b 峰值后的总应 变量。 利用能量储耗指数k 进行岩爆倾向性判别的判据为：t 2 0 ，无岩爆；2 0 5 k 1 3 0 ，中等 岩爆；硷1 3 0 ，强岩爆。 ( 3 ) 能量判据 波兰学者i g d y b i n s k i 啪1 提出，将岩石试件加载到( 0 m 8 ) r ，然后再卸载到o o sr o 时，卸载所释放的弹性应变能和耗损的弹性应变能之比值，定义为岩爆倾向性指数 ，用于判断和预测岩爆：= c o s p 魄t 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 根据波兰国家标准：睨t 5 0 ，出现严重岩爆；w e t - 2 0 4 9 ，出现中、低烈度岩爆； t 2 0 ，则不产生岩爆。 线弹性能( 睨) 法口钉 吃= 吒2 “2 忍) ( 2 6 ) 式中：e 卸载切线弹性模量，p a 。图2 1 为线弹性能法计算示意图。 图2 1 线弹性能法计算示意图 当形2 0 0 k j m 3 ，强烈岩爆倾向；当1 0 0k j m - 3 w , 2 0 0k j m 。，中等岩爆倾向： 当4 0k j l n 3 w e 1 0 0k j m 一，低岩爆倾向；当w e 3 ，有强岩爆倾向；当2 f 3 ，有弱岩爆倾向；当，3 ，无岩爆倾向。 岩爆能量比( 刀) 法啪4 们 该方法是用岩石在破坏崩出时的动能与最大弹性应变能之比的百分数来表示岩爆的 倾向性，其表达式为： r = ( 哝哦) 1 0 0 ( 2 8 ) 式中：嚷岩石在受力破坏时碎片飞出的动能，j ；嚷最大弹性应变能，j 。 在实验室，哝的求法是忽略空气阻力等所做的功，依据碎片弹射飞行距离，换算出碎 片初始弹射速度1 ，由公式吼= 瓢1u 2 来求算崩裂小岩片的崩出动能嚷。嚷的求算方法 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 为： 哝= 慨巳2 ( 2 9 ) 式中：严一样体积，1 1 1 3 ；吒峰值应力，p a ；毛峰值时弹性应变。 ，7 的临界判别指标为： ，7 4 7 强烈岩爆 弹性应变能法 目前，岩体弹性应变能形的常用计算公式为： w = o 5 ( q 毛+ 0 2 6 2 + 0 3 6 3 ) ( 2 1 0 ) 式中：q 、蜀、o - 2 、乞、岛分别为岩体单元内的主应力和主应变。一般认为，当岩 体内部弹性能达到或超过1 0 0i c j m - 3 时，将可能发生岩爆或冲击地压臼。 ( 4 ) 临界深度判据 侯发亮嗍在1 9 8 9 年首先推导出仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生最小埋深瓯( 即 岩爆临界深度) 的计算公式： 以= 篱 ( 2 1 1 ) 式中：r 岩石单轴抗压强度，p a ；岩石泊松比；厂岩石容重，n m - 3 。 而后来潘一山嘲又考虑岩石损伤和塑性软化推导出了岩爆发生临界深度的计算公式： 也= 专笋忙) 面ll 泣幽 式中：乒一性模量，p a ；缈岩石内摩擦角，( 。) ；a 降模量，p a 。 岩爆的产生很复杂，是多种因素共同作用的结果。以上判据仅对影响岩爆发生的某一 个别因素进行讨论，必然会产生片面性和局限性。因此，近年来一些现代最新的科学技术 方法被应用到岩爆预测工作中来。 ( 1 ) 模糊数学综合评判法 给定两个有限论域：u = u i 甜2 ，) 和u = v l , v 2 ， ，评价对象所决定的y 论 域中的每一个单因素毪，对评价估计y 上的模糊子集为：r = r i l , ，；：，t i n ) 。u 中各个元 素对y 中的模糊子集可以组成模糊矩阵只。 综合评判考虑多因素影响，不同因素对应不同的权。权的分配为因素集上的一个模糊 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 子集么：彳= q ，吃，a n ) ，式中q 为u 集中第f 个因素“所对应的权，并且规定a i = l ， 将权分配给模糊子集么，结合被评判对象的各因素模糊矩阵r ，进行模糊综合评判： b = a r 。将彳和尺代入上式得b = 包，6 2 ，吃 ，由此得到评价集y 的模糊子集b 。曰中 分向量最高者在y 中所居的位置为所求的评判级别。 王元汉等h 钔以洞室围岩应力、岩性及岩爆产生的能量作为岩爆的主控因素，即论域【， 中的元素。把岩爆的破坏形式分为无岩爆、弱岩爆、中岩爆及强岩爆作为岩爆的烈度评价 集，即论域y 中的元素，划分依据请参看文献 4 5 ，对岩爆进行综合评判。结果口中最大 者在y 中所居位置即为预测岩爆的级别，评判的结果与实际情况符合得比较好。 ( 2 ) b p 人工神经网络模型预测 杨涛等h 6 3 根据前人的经验公式，把地下洞室围岩最大切向应力，岩石单轴抗压强度和 抗拉强度，岩石冲击倾向指数作为岩爆的主要影响因素，把获得的岩爆资料和资料中的主 要因素建立输入神经元数和学习样本集，从而确定隐层数和隐层神经元个数，并输出神经 元个数与期望输出结果是否符合实际，该预测方法是有效的。 ( 3 ) 岩爆预测的分形方法 谢和平h 7 删使用损伤力学和分形概念从理论上分析了岩爆的分形和物理机理，认为岩 爆的发生虽然是一个复杂的物理过程，但数学上，它仅是一个分形集聚几何过程。岩爆预 测的机理为：在岩爆发生之前，微地震地压事件几乎均匀地分布于高压应力区，对应着高 的分形维数的值；岩爆发生时，微地震事件积聚式的发生，对应于低的分形维数。 在二维情况，一个微地震事件对应一个裂纹表面单元( 或一个裂纹岛面积) 彳；，形成这 样一个断裂所需的应变能耗散至少是：置= 厂。4 f ，式中以是表面自由能，这样由分形几何 概念、面积大于4 的断裂表面单元和裂纹岛的数目刀应满足如下分形分布：万= 么，别舢， 式中的为非分形分布时的裂纹岛数目。当断裂事件( 微地震) 趋近一个集聚( 或汇合) 时， 一1 。根据损伤力学分析，一个岩爆实际上等效于岩体断裂事件的一个集聚或汇合，这 样岩爆所需的总能量释放为： 巨= r , 4 n = 儿4 1 - 驯2 或巨以= 4 - 卜驯，式中的分维数d 【o ，2 】。 三维情况：e o c 形卜驯孙，式中k 是断裂体积单元尺度，分形维d o ，3 1 。 根据能量释放随分形维数的减小按指数律增加，推广回归方程得到统一的表达形式： d = c le x p ( - c 2 e )( 2 1 3 式中，c l 和c ，是随区域和量测尺度而变化的常数，分形维数d i o ，3 l 。 岩爆的分形预测，以微地震事件位置分布为降维现象为主。岩爆中的一个低分维值对 应一个强度破坏的产生，分维数的降低可以预测预报岩爆的发生和发展过程。 ( 4 ) 智能评价系统 冯夏庭等“玑制认为，采矿诱发岩爆的发生受到地质结构、采矿结构及其布局、采矿的 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 冯夏庭等刚认为，采矿诱发岩爆的发生受到地质结构、采矿结构及其布局、采矿的 推进方向与地质结构的关系等许多因素的控制，在岩爆机理尚不清楚的情况下，可以采用 智能岩石力学理论和方法进行岩爆风险评估，并相继建立了岩爆灾害的综合集成智能评价 系统及基于数据挖掘的智能评价系统。 目前，用上述方法进行岩爆预测的准确率还比较低，部分方法的可操作性较差。 2 2 2 现场实测法 ( 1 ) 地质超前预报：徐林生等隋妇在川藏公路二郎山隧道岩爆预测中，发现该隧道岩爆 的发生与岩性及其分布特征、岩体结构、断裂和地下水状况等因素有关，并根据现场施工 跟踪观察、调研和大量统计资料分析，利用与岩爆有关的某些特殊地质现象总结出该隧道 岩爆发生的基本规律。日本k a n e t s u 公路隧道施工过程中，超前钻孔发现的岩芯饼裂区就 与岩爆区完全一致，这为正确预报岩爆、保证该隧道安全施工提供了重要依据。 ( 2 ) 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，a e ) 监测：此法源于岩石临近破坏前有声发射这一实验 观测结果，此方法的基本参数是能率e 和大事件数频度n ，它们在一定程度上反映出岩体 内部的破裂程度和应力增长速度。岩爆的产生需要积蓄能量，而能量的积蓄就意味着有一 个暂时的声发射平静期，因此，声发射活动的暂时平静，是岩爆发生的前兆。国内外有许 多学者从事过该领域的研究，m a n s u r o v 等隋羽在对岩石破坏失稳过程中的a e 进行研究的基 础上，提出用a e 技术来预测岩爆；此后v a n ，l i 和n o r d l u n d 都从事过该方面的研究；我 国学者李强等在岩爆监测中也采用过a e 测试技术。目前，美国德克萨斯西南研究所的 h s i u n g 等仍在矿山岩爆预测中从事着该方面的研究。 ( 3 ) 煤( 岩) 体电磁辐射监测预报法：2 0 世纪8 0 年代，前苏联学者将电磁辐射( e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ，e m r ) 方法引入岩爆预测。这一方法是依据完整煤( 岩石) 压缩变形破 坏过程中，弹性范围内不产生电磁辐射，峰值强度附近时电磁辐射最强烈，软化后无电磁 辐射的原理，采用特制的仪器，现场监测煤( 岩) 体变形破裂过程中发出的电磁辐射“脉冲一 信号( 脉冲数主要反映了煤岩体变形及微破裂的频次) ，通过数据处理和分析研究，来预报 煤( 岩) 爆。我国平煤集团八矿己组西大巷也曾采用电磁辐射法对巷道施工过程中的岩爆现 象进行了监测恻。 ( 4 ) 微震监测预报。南非的w i t w a t e r s r a n d 金矿，自从开采深度超过1 0 0 0m 以后，开 采过程诱发的岩爆不仅造成了井下人员和设备的损伤，而且岩爆诱发地震又引起了人口密 集的矿区建筑物的严重破坏；南非地质调查所等机构利用大量地震仪及水银管倾斜仪等设 备在地表及井下建立了严密的地震监测网，对岩爆及岩爆可能诱发的灾害性地震进行了监 测研究嘲1 。文献 5 5 以加拿大某矿山的微震监测资料为基础，提出了利用震源参数进行岩 爆灾害评价的方法，其总体思路是利用能量及明显的地震运动等标准对综合地震系统 ( i n t e g r a t e ds e i s m i cs y s t e m ，i s s ) 的连续监测数据进行过滤，从中筛选出与震动灾害( 包括 岩爆) 评价及决策过程有关的事件。文献 5 6 利用地震遥感监测方法研究了法国c o l l i e r y 省采矿震动与岩爆灾害之间的关系，试图通过该方法来圈定岩爆易发区。我国“十五 国 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 家科技攻关项目冬瓜山“深井岩爆与地压监测及控制技术研究的微震监测系统的建 立，完成了冬瓜山矿床开采由微震监测系统、常规应力变形监测系统和人工观察系统组成 的岩爆与地压综合监测系统。该系统从南非i s s i 公司引进，是国际上先进的微震监测计算 机控制系统，并以超大存储空间2 4 小时对井下的地压活动实行连续实时监控和数据记录。 通过对数据的分析，实时掌握开采引起的岩体应力活动和变形规律、预测岩爆、地压危险 区和危险程度晦7 湖。 2 2 3 对已有岩爆预测方法的综合评述 由于目前对岩爆发生机理的认识还有待深入，因此已有岩爆预测方法的局限性也比较 大。应力判据、岩性判据和能量判据基本上是以实验室具体岩块的试验结果去预测现场岩 石工程的岩爆倾向，从指标本身看具有很大的模糊性，另外，这些指标的准确量测或计算 非常困难，因此其实用性和应用范围受到很大限制。而有关岩爆的分形特征及分形机理方 面的研究尚不成熟，因此该方法有待进一步完善。模糊综合评判法试图对以上评判指标进 行改进，以尽量减少人为因素的作用，同时还考虑了更多的工程因素，诸如矿岩性质、地 质构造、生产技术因素等对地下矿山岩爆倾向性的影响，显然更符合实际。但是这种方法 与上述方法本质上并没有区别，即便考虑了工程的客观因素，也还是依靠专家的主观因素 来确定其权重值大小，因此，还依然具有上述方法同样的缺点。基于先验知识的智能预测 方法可以利用神经网络强大的自学习、非线性映射功能从己有岩爆实例中挖掘出岩爆特 征，为工程岩体岩爆倾向性预测提供了一种新的有效途径，代表了未来岩爆倾向性预测的 研究方向。但是，从现有的岩爆智能预测模型看，在网络的输入参数如何才能更加符合工 程实际、才能更加科学合理的关键环节上仍然没有很好解决，预测模型和预测结果也缺乏 必要的理论诠释和更进一步的研究。可以明显看出，目前绝大部分文献建立的岩爆预测模 型是一种静态的预测方法，还不能实现对动态开挖的复杂岩体工程的岩爆倾向性进行及时 的动态预测。此外，怎样才能使岩爆的预测结果更加有效地指导生产实践，也是今后岩爆 预测方法需要解决的一个重点和难点问题。 应当承认，岩爆的现场预测工作近年来取