深井开采冲击地压与防治

1、深井开采冲击地压与防治王志方郑永学(红透山铜矿辽宁113321(东北大学沈阳110006摘要用矿岩能量指标和岩爆倾向度等多因素评价作为岩爆发生条件的判据,对红透山铜矿的岩爆现象作了定性研究与监测,并介绍了防止岩爆发生的几项措施。关键词岩爆岩爆判据深部地压采空区处理两步开采由冲击地压引起的岩爆是最危险的地压活动。它不同于其它静力形式地压活动,其特点是以瞬间突变的急剧释放能量的爆炸形式发生动力破坏,发生时有不同量级的能量逸出,常带有岩块或碎屑高速射出。活动本身虽然发生在高应力区,但引发的破坏范围很大,且发生的时间、地点、规模也难以预测,因而高量级冲击地压的后果非常严重。近年来,在红透山铜矿随着开采

2、深度增加,冲击地压现象日臻加剧,其防治与研究工作亦相应有了很大进展。1深部开采的冲击地压现象红透山铜矿属前寒武纪块状硫化物矿床,矿石中硬,围岩为片麻岩,中硬以上。目前开采深度达1377m,近十余年岩爆活动有明显发展。最初的岩爆显现始于+13m中段(地下深度437m的弱岩爆现象,表现为电耙道突然迸裂,发出劈啪劈啪爆豆般响声,岩石碎块射出23m远。进入-587-767m中段后(深度范围1037 1217m便发展为中等岩爆,在回采过程中,岩(矿柱突然劈裂或坍塌,岩块射出、响声频度增加。该深度范围十余个采场发生岩爆引发了200 400m2的顶柱或上盘突然垮落,造成人员伤亡,个别采场报废,影响了生产的正

3、常进行。进入-767 887m中段(12171397m的深度,岩爆情况有了新的发展。1200m深度以上主要在开挖空间较大地段如采场、硐室有显现,而在1200m深度以下,在掘进石门时即发生岩爆。据1995年9月调查,上述中段二副井前巷、后巷顶板和帮壁均有大面积近似层状剥落,厚度0.30.5m,撬掉后再行剥落。个别处发生响声后有数立米滑块射落。上述井巷工程附近的岩爆活动,引起了矿山的高度重视。为防止更严重的岩爆,我矿与东北大学于1988年开始联合进行了十年的红透山矿冲击地压活动研究。2岩爆判据的提出目前所见岩爆发生判据有能量、刚度、岩爆倾向度等多种理论及表达式,似有单一性。东北大学郑永学教授提出的

4、采用矿岩能量指标和岩爆倾向度等多因素综合评价作为岩爆发生条件的判据是比较全面的评价标准,并作为红透山矿发生岩爆的评价标准。该综合理论主要思想是:岩爆发生要有两个条件,一是必要条件,即能量条件或应力条件;二是充分条件(岩性条件,只有同时具备这两个条件岩爆才会发生,其表达式是:K i>K i3(1U>U3(2(1式表达了岩性条件,反映了岩石能否发生岩爆的倾向性大小的物理力学性质,系充分条件。K i是实验室测定的岩样冲击倾向性指标,K i3为发生岩爆的限定指标。8(2式为发生岩爆的必要条件,反映工程岩体中弹性应变能的蓄积能量与能耗量的关系。式中U为蓄积的弹性应变能量,U3为岩爆发生时的临

5、界能耗量。(1式的充分条件岩样冲击倾向性指标,用弹性能量指数We、冲击能量指数Wb、动态破坏时间D T表示,发生岩爆的限定指标参照表1。表1发生岩爆岩石冲击倾向性指标岩爆等级We Wb D T(ms强烈岩爆危险中等岩爆危险无岩爆危险152.04.9<2.0>3.01.53.0<1.5<5050100>500(2式的必要条件能量条件即应力条件,指岩体中某处蓄积的能量大于其破坏能量。3红透山深部地压的定性为解决我矿的地压显现是否属于或属于哪一量级的冲击地压,其发展趋势与后果如何,对井巷工程稳定性与矿床开采活动有何影响;以及怎样有效地防治等问题,我们与东北大学联合做了一

6、系列的研究工作。3.1矿岩物理力学性质及其岩爆倾向度测定取-527m中段(977m深度矿岩标本,在东大加工成试样,并做试验,We、Wb、D T的测定结果见表2。根据测试结果可以认为:深部矿岩坚硬,强度大,弹性模量大,跌落模量亦大,具备了发生岩爆的岩性条件即满足了充分条件。根据测定数据对深部矿岩做出岩爆强烈程度的概略分级结果:深部角闪片麻岩、矽线石片麻岩、辉绿岩具有发生强烈岩爆倾向;黑云母斜长片麻岩、铜矿石具有发生中等岩爆倾向。表2岩爆倾向度测定结果矿岩We Wb D T(ms角闪片麻岩黑云母片麻岩铜矿石矽线石片麻岩辉绿岩15.65.37.37.114.54.83.15.05.35.750702

7、318133.2发生岩爆的能量条件研究上述研究结果肯定了深部有发生中等至强烈岩爆的可能性,但究竟在什么样的外部条件下发生,还需要由能量条件或应力条件来确定。对-527m水平采场用有限元法进行了模拟计算。首先计算出不同回采时期关键点应力值,再根据采场周围岩体中应力值,计算相应部位的弹性应变能值,以及单向压缩试验破坏时的耗散能量值,结果见表3。表3不同回采部位围岩应变能值关键点位置极限强度MPa 破坏时耗散能量1×104J计算部位弹性蓄能1×104J从表3中可看出:采至距顶柱10m时,单位体积岩体蓄积的弹性应变能量小于单向压缩试验破坏时所需的能耗量,断定此部位肯定不会发生岩爆。

8、但当上采进行到接近顶柱时,弹性应变能值大于岩石破坏时所需要的能量即5.54×104J>5.07×104J,满足了发生岩爆的能量条件,再联系前述认定的岩性条件,可以肯定此部位必然要发生岩爆。事实上,该部位后来钻孔时出现了岩屑喷出量高出正常排粉量数倍的岩爆现象。根据上述研究得出结论:红透山铜矿在深部开采发生的地压现象已属于弱岩爆至中等岩爆的范畴,并具备了发生强烈岩爆的可能性,故应加强深部开采的冲击地压防治工作。附岩爆等级按释放能量划分标准,见表4。9表4各等级岩爆释放能量及地震等级岩爆等级释放能量(J发生点烈度(度弱岩爆中等岩爆强烈岩爆灾害性岩爆<101021021

9、04104107>1071223.53.55.0>54深部开采冲击地压的防治4.1声发射监测岩体声发射是处于高应力状态下的岩体能量释放的一种动力现象。从破坏理论上讲,岩体破坏是在应力集中区形成之后宏观裂隙失稳扩展而引起的。因此,可能通过应力集中区微观破裂时的声发射或微观破坏后形成宏观破裂的声发射以及宏观裂缝扩张的声发射来预测岩爆。由于声发射监测岩爆涉及许多客观因素,所以首先应搞清楚在红透山矿岩条件下用该法监测的可行性。首先采集了深部岩样在实验室中进行声发射试验,结果查明矿岩破坏前声发射异常,当试件极限应力达到95%时,声发射显著增加,故可将其做为岩爆前兆的预报。为可靠计,又进一步从

10、理论上利用Kaiser效应特征应力K进行评价。Kaiser效应特征点理论是根据声发射总数时间、声发射率时间两条曲线的突破点及跳跃点的重合。但一般大多采用声发射总数时间曲线的突破点为特征点。利用Kaiser效应特征应力K做为评价采用声发射法的可靠性依据取:n=S CK式中n为评价指数,n越大,现场应用可靠度越高,S C为单轴抗压强度,评价结果见表5。表5Kaiser效应可靠评价指数矿岩铜矿石角闪片麻岩黑云母片麻岩n 1.9 1.3 1.7从表5看出,我矿矿岩n值较大,从而进一步认定用声发射法监测岩爆是可靠的,有效的。在此基础上,又在现场布点进行实际观测,大量观测结果证明;深部岩体声发射特征明显,

11、凡出现高的频度值(大于20次/min和较大的变化率时,岩体进入危险状态,有岩爆发生的可能性,岩音频度高但变化率不大,未必会发生大的岩爆。反之频度变化虽较大但频度值低(5次/min以下肯定不会发生岩爆。监测过程中,由于岩体、岩性、结构和空间结合状态均与声音频度有关,因此现场实施过程应注意分析和观察,以便取值可靠。由于岩体完全破坏之前,声音频度并不是一直上升的,而是达到峰值后,在一定时间内下降到较低水平,以后才发生岩爆,因此,以岩音频度明显增大做为预报岩爆的手段,赢得了时间的提前量。4.2加强采空区处理红透山矿采空区倾斜延深1200m,上盘总揭露面积24万m2,围岩压力很大。在此情况下,加强空区处

12、理是很重要的。具体措施有二:一是用胶结充填代替刚性矿柱支护空区围岩。如1985年对支护系统空间的-16m中段底柱和-227m中段顶柱计厚15m,面积约4700m2,矿量25万t的永久间隔矿柱用胶结充填法进行了回收,至今空区上盘无移动或破坏。二是对嗣后充填的空区处理及时,而且处理质量较好。为保证足够的充填料来源和充填体质量,于1995年建立了井下废石不出坑的充填系统,新增年供废石5万m3的能力,并将分级尾砂充填改为全尾砂充填,增加砂源20%;又建立了向搅拌筒内加干水泥和河砂两个系统;为加强接顶充填,在顶柱中设若干充填短井,使接顶率大于60%,并待其下沉后多次补充。4.3改革采矿方法我矿历史上沿袭

13、下来的采矿方法为浅孔留矿法和上向水平分层充填法,比例各半。浅孔留矿法弊病是留房间矿柱支撑上部矿层,造成应力集中的条件,易引发岩爆,导致大规模空区失稳,1损失矿产资源,工人直接在顶帮暴露下作业,安全难以得到保证。在东北大学协助下,我矿经十年努力,现已将深部矿体采矿方法形成了两步骤采矿的成功模式:沿矿体走向连续划分矿块,不留间柱,矿块长轴方向垂直矿体走向,分一步、二步两步矿房开采。一步矿房宽10m,嗣后胶结充填,其强度2.5MPa;二步矿房宽17m,嗣后全尾砂充填。最终中段两步开采矿段总面积4000m2。两步采矿在深部中段几十个矿块大面积应用,效果较好,于1997年6月通过了中国有色总公司的科技成

14、果鉴定。4.4改变开采顺序传统的矿床开采顺序是由远而近,主要从地压上考虑能安全有效地回收资源。从模拟试验结果和-467m3#脉矿段试验结果看,我们认为在深部厚大矿体条件下两步开采用以间隔矿块开采形式的由中间向两翼推进的顺序,能收到大面积岩层均匀变形的良好效果,对控制冲击地压的发生更为有利。由中间向两翼推进,一期开采的矿房跨度不大,又是间隔式的,复岩压力由相邻的二期矿房承担,稳定性没问题,因二期矿房尺寸较大,不会被压垮。而二期矿房开采后,复岩压力均匀地负担在密集的一期矿房高强度充填体上,顶板变形是微量和均匀的。如果采用由远而近的后退式开采顺序,即使用同样的两步开采形式,由于开挖矿段下沉量以中间部

15、位最大,那么当采至该部位时,矿房帮壁及顶板受力最大,其支护方式又恰恰属于刚性矿柱支撑,覆岩中能量积骤增强,只有向待采矿量部分释放,故必然发生岩爆活动,很难维持围岩稳定性,这是经模拟试验结果证实了的。5效果与认识我矿经十年综合治理,中等至强烈岩爆现象已经停止。数十平方米以上的大面积巷道或硐室开裂、剥皮已不再发生和发展,多个采矿场数百平米顶帮突然垮落情况不再发生,危及提升井筒安全的可能性因素已经消除。但是,弱岩爆现象仍频繁发生,受力岩柱突然破裂,开挖空洞后的响声或岩块射出情况亦相当普遍。我们认为,在脆性和硬度较强的岩体中深部开挖,空洞形成后突然失去原来的平衡状态,其自身表面或其外围必然产生新的平衡

16、,而发生变形或有响声和弹射物,这是必然和正常的,对正常生产秩序没有太大影响,只有大面积高能量的岩爆活动,才会造成实际危害。治理大面积冲击地压活动,是使岩体中应力在重新平衡过程中能量不造成急剧释放,而是缓慢、均衡逸散,大面积高强度的采空区充填就是有效的手段之一。当然阻止岩体表面形变量使之最小仍是至关重要的,所以在加强接顶充填的同时,还要提高充填体强度。在岩爆监测方面,我矿现已采用岩体表面应力测试法,虽精确性不高但也能说明问题,很适合现场使用。(收稿日期:1998-04-17Rock Burst under Control inDeep MiningWang ZhifangZhang Y ongXue(Hong Duoshang Copper Mine(Northeast UniversityAbstractThe rock burst appearance occurred in Hong Doushang Copper Mine is studied and monitored qualitatively by us2 ing rock energy index and