马路坪矿深部开采岩爆倾向性评价与防治对策

蹇明星，林 业，马春德，徐明生，何忠国，王永奇

(1．贵州开磷集团矿业公司， 贵州贵阳 550302;2．中南大学资源与安全工程学院， 湖南长沙 410083)

马路坪矿深部开采岩爆倾向性评价与防治对策

蹇明星1，林 业2，马春德2，徐明生1，何忠国1，王永奇1

(1．贵州开磷集团矿业公司， 贵州贵阳 550302;2．中南大学资源与安全工程学院， 湖南长沙 410083)

贵州开磷集团马路坪矿进入深部开采后，岩爆是其面临的一个突出的问题。根据现场工程地质调查和实验室岩石力学性能测试，在考虑岩爆发生机制的基础上，选用弹性应变能指数、线弹性能准则、能量储耗指数以及岩体完整性系数4个指标对马路坪矿深部岩体的岩爆倾向性进行模糊综合评价，获得该矿4种典型岩样的岩爆倾向性，并据此提出了该矿深部开采岩爆防治的建议措施。

深部开采;岩爆;倾向性评价;防治措施

0 前言

目前，开磷集团下属多个矿山的开拓采准已进入到+600～+750 m水平，距离地表达600 m左右，地应力现象严重，深部高应力地段出现巨大声响以及弹射等岩爆现象，从而导致矿山原有的支护措施失效，主要开拓巷道破坏现象严重，出现底鼓、冒顶、弹射等现象，需要多次维护与加固，维护工作量大，支护成本高。随着开磷集团开采深度的进一步加大，岩爆将会严重制约着矿山的安全生产。

1 岩爆倾向性评判指标选择

岩爆的形成必须同时具备3个条件:一是岩石本身就具有岩爆倾向性;二是岩体要有较好的完整性;三是岩体周边存在高应力环境。前2个条件是岩爆发生的内因，第3个条件是促成岩爆发生的外因［1］。为了研究判定开磷集团下属矿山的岩爆倾向性，笔者选择了目前开采深度最大的马路坪矿作为主要研究对象，结合实际地质开采环境，对其拥有的4种主要矿岩(砂岩、红页岩、矿石和白云岩)进行了岩爆倾向性研究。

1．1 弹性应变能指数

岩石在单轴抗压峰值强度前储存的弹性应变能与塑性变形所耗散的能量之比［2］即为弹性应变能指数，其表达式为:

式中:Wet为弹性能量指数;Φsp为峰值强度前储存的弹性应变能量，kJ;Φst为耗损的应变能，kJ。

弹性能量指数的值越大，表示破坏时释放的能量越多，所以能较好的反映岩爆的烈度。其评判指标［3］为:Wet＜2．0 无岩爆;2．0≤ Wet＜3．5 弱岩爆;3．5≤ Wet＜5．0 中等岩爆;Wet≥5．0 强岩爆。

根据岩石力学试验结果，马路坪矿深部岩石的弹性应变能指数计算结果如表1所示。

表1 弹性应变能指数法岩爆倾向性评价结果

1．2 线弹性能准则［4］

岩石在单轴压缩条件下达到峰值强度前所储存的弹性能的表达式如下:

式中:σc为单轴抗压强度，MPa;Es为卸载切线弹性模量，MPa。

根据达到强度峰值以前所贮存的弹性能的大小，将岩爆划分为4个等级:We＜40无岩爆;40≤We＜100弱岩爆;100≤We＜200中等岩爆;We≥200强岩爆。

根据岩石力学试验结果，马路坪矿深部岩石的线弹性能计算结果如表2所示。

表2 线弹性能准则法岩爆倾向性评价结果

1．3 能量储耗指数

岩石的单轴抗压强度与其单轴抗拉强度的比值乘以岩石在峰值强度前的总应变量与峰值强度后的总应变量之比值，用k表示［5］，其表达式如下:

式中:σc为岩石的单轴抗压强度，MPa;σt为岩石的单轴抗拉强度，MPa;εf为单轴抗压强度峰值前的总应变量;εb为单轴抗压强度峰值后的总应变量。

结合冬瓜山发生的岩爆［5］和有关实验，提出能量储耗指数k的评判指标为:k＜20无岩爆;20≤k＜75弱岩爆;75≤k＜130中等岩爆;k≥130强岩爆。

根据岩石力学试验结果，马路坪矿深部岩石的能量储耗指数结果如表3所示。

表3 能量储耗指数法岩爆倾向性评价结果

1．4 岩体完整性系数

根据侯发亮等人的建议，不完整岩体的结构性质对岩爆的发生也会产生一定的影响，所以岩体完整性系数也是判断岩爆发生的1个重要指标［2］，表达式如下:

式中:Kv为岩体的完整性系数;cpm为岩体的弹性纵波速，m/s;cpr为岩石的弹性纵波速，m/s。

由于完整岩体有利于储存弹性应变能，所以岩爆通常发生在完整岩体中。我国工程岩体分级标准(GB50218－94)将Kv＞0．55的岩体定义为较完整岩体［6］，极有发生岩爆的可能。其评判指标［7］为:Kv＜0．55 无岩爆;0．55≤ Kv＜0．65 弱岩爆;0．65≤Kv＜0．75 中等岩爆;Kv≥0．75强岩爆。

根据岩石力学试验结果，马路坪矿深部岩石的岩体完整性结果如表4所示。

表4 岩体完整性系数法岩爆倾向性评价结果

2 岩爆倾向性综合评价

岩爆作为一种岩体动力失稳现象，发生相当迅速，仅凭某种评价结果来判断和预测岩爆是不确切的［8］。从岩爆倾向性分级可以看出，岩爆倾向性等级值是1个模糊值［9］，如果岩石的岩爆倾向性指标在等级值附近，就很难判断其岩爆倾向性强弱，利用模糊数学［10］的原理对岩石岩爆倾向性进行综合判断，可以解决这类模糊问题。

参照陈守煜提出的模糊模式识别理论模型［11］，可计算得到岩爆样本对于岩爆烈度倾向性的最优的相对隶属度函数，同时采用别变量的特征值Hj作为作为评判准则［12］，可得到马路坪矿4种岩样的综合岩爆倾向性评价结果，见表5。

表5 马路坪矿岩爆倾向性综合评价

经过综合分析表5的计算结果和岩石力学试验时各试件的破坏情形，可以得出马路坪矿4种岩样的岩爆倾向性为:砂岩有强岩爆倾向性，红页岩具有弱岩爆倾向性，矿石具有弱岩爆倾向性，白云岩没有岩爆倾向性。砂岩和矿石属于较为典型的硬岩，因此在深部开采过程中对砂岩和矿石岩爆应当注意防范。

广泛分布于马路坪矿下盘的红页岩作为一种非常特殊的岩体，既有软岩的大变形性质，又有在深部某种适宜条件下发生岩爆的可能性，若继续往深部开采中还保持目前的这种状态，则红页岩巷道既会发生大变形破坏，也有发生中等岩爆的可能性，巷道维护的难度和维修成本将会大大增加。

3 岩爆治理措施

前期大量的岩爆倾向性室内试验和现场测试显示:马路坪矿的4种典型矿岩(上盘白云岩、下盘砂岩、红页岩和磷矿石)中，上盘白云岩发生岩爆的概率较低，其余3种岩石都有随着深度的加深而岩爆发生概率增大的趋势。

针对具有强岩爆倾向的砂岩地段，地下洞室开挖后，由于卸载的回弹释放了一部分岩体中的弹性应变能量，使洞室周边的切向应力加剧并产生应力集中，这种不利的应力状态和能量分布将会破坏洞室周边的完整性［13］。必要时可采用分部开挖的方法以降低岩爆的破坏程度，但在施工中应尽量减少爆破振动触发岩爆的可能性，可采取超前钻孔应力解除、松动爆破或振动爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放［14］。同时在采矿爆破作业后，及时对坑道掌子面及周边进行喷、洒水，及时软化周边围岩，降低岩石单轴抗压强度，从而有效降低岩爆发生的机率和等级［15］。

建议马路坪矿在深部开采过程中应及时建立一套有效的监测系统，对深井开采中的地压活动进行现场监测，同时对围岩进行变形监测，掌握深部巷道围岩及支护的变形动态，有针对性地对围岩以及支护进行补强加固，以确保矿山施工安全与施工进度同时达到目标，从而保证矿山开采的安全。

4 结语

深部高应力区的开采是未来采矿发展的必然趋势，马路坪矿随着开采深度的增加，发生岩爆的几率也在增加，在采矿方法以及采场布置等方面进行合理的优化同时，还加强对其岩爆发生规律以及其特征的认识，从而找到有效的防治措施，以保证矿山的开采安全。

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2010－11－16)

蹇明星(1969－)，男，工程师，从事矿业工程研究，Email:gzkljmx@sina．cn。