玲珑金矿深部开采岩爆分析

张子健 纪洪广 张月征 陈志杰 宋朝阳

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083;2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

近几年以来我国经济高速发展，对能源与矿产资源的需求不断增加，矿山开采在深度与广度上不断的增加与扩张，由此而来的矿山深部开采带来了岩爆等一系列地质灾害问题。

在以往对岩爆的研究与分析过程中可以看出，岩体内部累积的能量对于岩爆以及岩石破坏的发生起着根本的作用［1］，能量的积累与耗散是一个动态平衡的过程，岩石在变形破坏过程中始终不断地与外界交换着物质和能量，是一个能量耗散的损伤演化过程［2］，岩体的变形过程中不断与外界产生能量的交换，当能量在耗散过程中发生突变时岩石会发生失稳和破坏，从宏观的能量角度研究岩爆过程中能量的积累及传递过程，能够为防灾减灾提供理论依据［3］。在岩爆的研究过程中往往还会发现，岩爆的发生不仅与岩体内能量、应力的高低相关，更与岩石本身的力学性质有着密不可分的联系，岩爆的发生还与岩体所处的应力环境以及采场结构形式有着密切的关系，本研究以深度开采的玲珑金矿为背景，考虑矿岩的物理力学性质、能量聚集以及应力环境等状况，提出基于能量及冲击危险性的岩爆判别方法，并对岩爆发生的等级进行综合预判;借助数值分析手段，模拟了现阶段开采过程中的岩爆情况，并预测了玲珑金矿未来深部开采过程中可能面临的岩爆危险性，为岩爆预测的研究提供一条新的途径。

1 判别准则

在岩爆的研究中，关于岩爆的判据指标有强度准则［4］、深度准则［5］、刚度准则［6］以及能量准则［7］，以上准则在岩爆预测中存在着参数单一、将岩石自身性质与岩石应力环境分开讨论等问题，为优化这一问题，就需要对岩爆的发生机理做一定的研究，岩爆的发生通常需要以下2 个条件:岩体内部具有较高的能量，在岩体周围有给岩体提供岩爆所需的能量条件。文献［8-9］对上述2 个条件的研究表明，岩石岩爆的研究不能将岩体与岩体周围的力环境与能量环境分割讨论。因此在研究玲珑金矿深部开采岩爆危险性的过程中，选取了应变能指标与冲击危险性指标进行分析。通过应变能指标判别岩石所含有的能量大小，利用冲击危险性指标判断岩石周围应力环境产生岩爆的冲击危险程度，通过以上2 个指标综合分析岩爆发生的可能性及其强度。

本研究利用FLAC3D中内嵌的fish 进行编程，将能量判据与冲击危险应力指标判据，作为FLAC3D软件的额外参量进行计算。

1.1 能量判别

为了确定岩体内部储存的能量大小，引入了能量理论中的经典应变能计算公式［10］，利用fish 语言将式(1)进行编程计算:

其中，We为应变能密度;σ1、σ2、σ3为岩石所处位置的3 个主应力值;E 为弹性模量;ν 为泊松比。

由式(1)计算岩体中含有的应变能密度，结合单轴抗压试验中线弹性能准则判据(如表1)，判断岩体岩爆等级。

表1 线弹性能判据等级分类Table 1 The classification of Liner elastic energy criterion

1.2 冲击危险判别指标

通过引入冲击危险性应力指标可以反应在某一应力水平下岩石的冲击危险性，将岩石的自身物理特性与周边岩体的应力环境联系到一起，完善了岩爆分析中指标单一的问题［11］:

式中，Wσ为冲击危险应力指标;c 为内聚力;θ 为内摩擦角;ξ 为应力峰值系数。

冲击危险应力指标及对应危险等级见表2。

表2 冲击危险性指数应力指标Table 2 The stress index of rock-burst risk

2 工程概况

玲珑金矿是我国最大的黄金矿山之一，其金矿脉属于石英脉型金矿，对此类矿床赋存条件的地下矿山，深部开采将涉及一系列深部岩石力学问题，其中最突出的就是冲击地压和岩爆等动力学问题。在地层深部，高地应力的存在造成岩体内储存大量的弹性能，开采过程中，围岩破坏后弹性能的突然释放，有可能导致岩爆等突发的动力灾害。自2007 年以来，在－420 m水平以下中段，发生多次比较明显的岩爆事件。目前，玲珑金矿已在－800 m 以下水平发现了有开采价值矿体，其未来开采深度将很快超过1 100 m，成为我国黄金矿山，甚至整个金属矿山领域开采深度最深的矿山之一。目前，其矿区内九曲－大开头分矿的最深生产中段为－720 m 中段，其深度已超过900 m. －720 m 水平中段以下正在进行采准和开拓，因此，开展岩爆的预测、监测、预报和防治研究，成为保证该矿深部安全、高效开采的关键问题。

3 数值模拟及分析

3.1 模型建立

通过收集的地质剖面图、各中段采场设计图、采场平面图、剖面图，建立矿区模型。在模型的建立过程中，为提高模拟结果的精度，模型严格按照采场图纸进行建模，并考虑采场中巷道的安全，做到与实际地质情况吻合，限于网格数量对于计算速度计精度的影响，在建模的过程中主要考虑以下因素:矿区围岩的应力分布情况及地质构造的影响范围;模型的尺寸协调关系对于模型计算结果的影响;近期的开采计划。最终确定模型范围及模型如图1 ～图3 所示。

图1 采场及巷道模型Fig.1 The model of stope and roadway

3.2 计算参数设置

玲珑金矿现用采矿方法为浅孔留矿法，回采结束后不进行充填。在计算的过程中按照实际的工程条件，模型共分为2 种不同的岩性，模型的试验参数按照表3 进行赋值。

图2 采场数值网格模型Fig.2 The numerical grid of stope

图3 采场平面图及A－A 剖面位置Fig.3 The plane graph of the stope and the position of the A-A profile

表3 材料力学参数Table 3 Material mechanics parameters

边界条件按照玲珑金矿地应力测量的结果进行施加，玲珑金矿地应力测量采用应力解除法和实现完全温度补偿的空心包体应变测量技术，共在金矿7 个水平布置测点18 个，由测试结果知，矿区地应力场以水平构造应力为主，其大小为自重应力场的2.26倍［12］，矿区最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力值均随深度呈近似线性增加的关系，地应力值(MPa)随深度的线性回归方程为

式中，H 为埋深，m。区域水平主应力换算成x、y 方向的水平应力。

3.3 线弹性能指标分析

通过对－670、－720 中段的线弹性能云图4 分布可以看出，不同开采情况下能量场的分布情况，其能量级别主要分布在Ⅰ级Ⅱ级，在此区域内在没有开采的情况下岩石不会发生强烈岩爆，这与实际是相符的，但是随着开采进行，能量场不断进行着转移、集中，而转移的方式主要符合以下几点规律。

图4 线弹性能云图Fig.4 The cloud image of Liner elastic energy

(1)在－670中段采场内，能量较高的位置集中在云图所圈定的区域内，－670中段采场开采的过程中，此区域处于Ⅱ级岩爆，当开采到达第35 步时，即开始开采－720 中段采场，此区域能量加速集聚，能量达到159 kJ，达到了判据中的Ⅲ级岩爆。

(2)通过剖面云图可以看出，在开采－670 中段采场时－720 中段巷道能量变化微小，当开始开采－720中段采场时，上部能量变化明显，因此可以看出，下层中段的开采对上层中段的开采影响较大，因此在开采的过程中，除对本中段的围岩以及巷道进行加固外，应当考虑到采场上方的巷道的加固，避免出现冒顶等危险的发生。

(3)随着开采的进行，当采场向所设定剖面靠近时，剖面上的能量变化明显，且能量逐渐增大，剖面处矿体开采后，能量达到最大值162 kJ，达到了岩爆Ⅲ级危险，能量的集中区域为矿体的顶板和底板，矿体两帮的能量向这两部分转移，能量逐渐释放。

(4)对于巷道的支护区域应首先考虑采场下方的巷道，此处在矿体开采之后，能量变化巨大，在90 kJ 以上，绝对能量达到了159 kJ，为岩爆III 级危险。

3.4 冲击危险性指标分析

利用FLAC3D软件，并结合冲击危险性公式，对冲击危险性应力指标进行计算，得到开采过程冲击危险应力云图，见图5。

图5 冲击危险性云图Fig.5 The cloud image of rock burst hazard

其分析结果如下:

(1)冲击危险应力指标云图变化规律与能量云图变化规律基本相同，主要体现在冲击危险的位置、靠近剖面时的云图变化等方面。

(2)与能量指数不同之处，－670 中段与－720中段的冲击危险性属于稳定状态，这也符合研究过程中的不同指标叠加规律，通过不同指标的综合叠加来判断岩爆的危险区域，而不是仅仅由单一指标来判断。

(3)在剖面云图中可以清楚地看到，上层开采对下层开采的影响较小，而下层开采对采场上部的影响较大。

(4)在采场矿体开采过后，采场的顶板与底板的冲击危险性较大，主要集中在剖面图中的圈识范围内，冲击危险性指数达到0.7 左右，介于中高岩爆状态与较高岩爆状态，这和能量分析过程中一致，因此通过该2 指标可以判断矿区的岩爆区域主要集中在采场的顶板和底板易产生应力集中的夹角处，由此可见，当巷道穿过采场底部时最易发生岩爆灾害。

4 结 论

(1)根据矿山所提供的地质资料等现有条件通过workbench 与FLAC3D相结合建立了矿山数值模型，并将巷道考虑在内，更接近矿山开采现状，增加了模型精度。

(2)此次分析引入能量判据与岩爆冲击危险性判据，将岩石的能量储存、岩石自身的力学性质及岩体周围的应力环境结合分析，丰富了岩爆研究分析参数，提高了岩爆预测精度。

(3)此次计算对玲珑金矿不同开采阶段的岩爆情况进行模拟，其结果与现阶段金矿深部岩爆情况较吻合，这也为玲珑金矿下一步开采过程中岩爆的防治提供了依据。

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