深部开采岩爆灾害的预测与控制

摘 要：浅部资源的消耗殆尽决定了深部开采时地下矿山发展的必然趋势，而深部开采中的岩爆动力学灾害问题是困扰采矿安全高效生产的一大瓶颈。通过总结岩爆发生机理，对岩爆灾害发生预测方法以及岩爆的防治技术进行探讨，提出了可行性的预防对策。

关键词：深部开采；岩爆机理；岩爆预测；岩爆防治

1 引言

目前世界浅部资源的消耗殆尽， 深部开采成为地下矿山发展的必然趋势。随着深部采矿工程和深部隧道工程的不断深入发展，深部开采中的岩爆动力学灾害问题成为了困扰采矿安全高效生产的一大瓶颈。岩爆是完整性较好的弹脆性岩体在高地应力和外加扰动双重作用下伴随着内部应变能释放的一种特殊岩体破坏的现象。岩爆是深部采矿高地应力区危险性较大的灾害[1～2]。

2 岩爆机理分析

岩爆是岩体内部弹性应变能的释放，产生的结果是岩体破坏，引发深部采矿的安全问题。为了深入揭示岩爆的形成，目前岩爆的机理主要有如下四类。

2.1 强度理论

该理论认为地下开采洞室周围开挖后产生集中应力， 当岩体承受的集中应力超过岩体的最大强度时， 岩爆将发生。但是，在深部开采的巷道以及采场中，经常岩体承受的集中应力超过岩体的最大承载强度而又没有出现岩爆的现象，这说明此理论的依据不充分，它仅仅只能用于岩体破坏的判断，不能确定是属于静态破坏还是属于动态破坏。

2.2 能量理论

Cook等根据岩爆发生时需消耗很多能量的事实，提出了发生岩爆的能量理论，指出矿体-围岩体系在力学平衡状态受到破坏，如果释放的能量大于消耗的能量时，将出现岩爆。能量理论从能量转化的方面分析了岩爆的成因，也较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象，但没有指出平衡状态怎样才能打破的，也没有提出未围岩释放能量的条件，因此理论缺乏的判别岩爆发生的必要条件。

2.3 刚度理论

Cook等依据刚性压力机试验提出了刚度理论：认为地层结构（岩体） 的刚度大于地层负荷（围岩）的刚度是产生岩爆的必要条件。设岩石的刚度是一个变量， 在小于强度极限以前的刚度（km ）为设定为正值， 则超过强度极限以后的刚度为负值（ks）， 如果 ，将发生岩爆。刚度理论比较简单而且非常直观，虽然确定了岩爆发生的必要条件，但忽略了煤岩物理力学性质对岩爆的影响；而且矿体强度极限无法确定，此理论在实践中可操作性不强。

2.4 冲击倾向性理论

此理论根据测试岩石试样的一组冲击倾向性指标，通过测量的指标值大小来评价岩体自身的岩爆危险性，当指标值大于某个临界值时将发生岩爆。但是岩爆的发生不仅与煤岩自身属性有关，而且还与煤岩物理力学性质、地质环境、开采技术等因素有关，因此该理论下的实验数据不能代表各种因素下的岩爆数据。

3 岩爆预测方法

在深部开采中，岩爆的危害问题非常突出，目前一般采取如下方法对岩爆进行预测[1-7]。

3.1 应力判据法

（1）强度脆性系数法。岩石的单轴抗压强度与抗拉强度的比值成为强度脆性系数。当强度脆性系数≤10，没有岩爆发生； 当10<强度脆性系数小于等≤18， 将发生中等岩爆； 当强度脆性系数小于等>18， 将发生强烈岩爆。

（2）判据法。以洞壁围岩在外力作用下产生应力变形来计算，Rb、σ1、σ2分别为岩石的单轴抗压强度、轴向应力和侧向应力，为围岩的最大切向应力，根据及其岩样的点荷载强度值I， 结合拉森斯岩爆烈度划分图（如图1）， 可以实现对岩爆的分析和预测。

3.2 能量判据法

（1）弹性应变能储存指数法。采用岩石单轴抗压强度实验， 将岩石试件加载到抗压强度最大值的70%～80%， 然后再卸载到抗压强度最大值的5%时，卸载时释放的弹性应变能和耗损的弹性应变能之比值弹性应变能储存指数。通过弹性应变能储存指数来判断以及预测岩爆。当弹性应变能储存指数< 2.0将不发生岩爆；当2.0≤弹性应变能储存指数≤5. 0， 将发生中、低等岩爆； 弹性应变能储存指数>5.0，将出现强烈岩爆。

（2）岩爆能量比法。岩石在破坏崩出时的动能与最大弹性应变能之比值成为岩爆能量比。通过岩爆能量比来判断以及预测岩爆。岩爆能量比≤3. 5%，将不发生岩爆；3. 5%< 岩爆能量比≤4. 2%，将发生弱岩爆；4. 2%< 岩爆能量比≤4. 7%，将发生中等岩爆；岩爆能量比> 4. 7%，将发生强烈岩爆。

3.3 埋深判据法

一般情况岩爆经常发生在水平构造应力较大的地区，如果洞室在深部， 即使没有构造应力， 但由于上覆岩体效应， 洞室也可能会发生岩爆。岩爆的临界计算深度的公式如下，大于深度将发生岩爆。

式中：Rc表示岩石单轴抗压强度；μ表示岩石泊松比；γ表示容重。

3.4 模糊数学综合判据法

许多科学家认为岩爆是受各种因素制约的一个模糊问题， 各因素的内在之间联系非常复杂，不能用用一个数学公式进行完整的表达， 因此需采用模糊数学综合评价的方法进行判别， 选取对岩爆的有影响的主要因素（如地应力、岩体结构、地形与地貌等）对岩爆进行综合评判。

4 岩爆防治对策

根据岩爆机理及岩爆倾向性研究、岩爆数值研究和实际岩爆研究结果，应从如下四个方面防治岩爆。

（1）降低储存的能量：为了降低围岩储存的能量，避免发生岩爆。深部开采中一般采取如下方法：首先在开挖爆破过程中遵循“短进尺、多循环”的原则，采用光面爆破技术，达到减低围岩的外加扰动和局部应力的目的。其次选择合适的断面进行开挖，调整围岩的应力状态。

（2）减缓释放的能量：为了减低岩爆发生的风险，深部开采中一般采取如下方法减缓释放的能量。首先选择合理的采场结构参数，矿房长度选取比较重要。经验参数：矿房长为75m、宽为10m、矿柱宽度为10m；其次采取小断面、分断面以及分步开挖等回采方式，通过调整开挖进度，实现逐步释放应变能的目的。endprint

（3）采取柔性支护：采取柔性支护不仅能减慢释放能量的步伐，还能改变了应力的大小，而且柔性支护可使洞壁从一维应力变为三维应力，预防岩爆的发生。对于巷道在掘进过程中引发的岩爆，需预先采取柔性支护。由于巷道外加扰动而引起的岩爆，则需在巷道开挖后采取刚度较小的柔性支护。采取柔性支护可使围岩在可控范围内逐步破坏，又能够支撑已经破坏的岩块。

（4）建立常态监测： 深部采矿过程中高地应力会不断地发生变化，需加强开采过程中的常态监测制度。监测是为了掌握深部采矿过程中围岩以及支护的变形情况，进一步指导深部采矿，确保采矿的安全性以及经济效益，反过来进一步检查设计可行性。采矿时应对围岩进行变形常态监测，如果支护出现严重的变形，就必须立刻采取加固措施，以确保深部采矿安全问题。在矿井巷现场要建立一整套安全生产规程，普及岩爆知识和防灾意识。采取这些措施以后，即使发生岩爆，也不会造成重大安全事故。如果实行大规模回采，应设计微震监测体系，监控整个矿山开采活动、实现连续长期监测、实现岩爆危险区预报等。

（5）加强防护等级：如何预测和防治岩爆是科学家难以攻克的，目前没有特别行之有效的方法，还存在很多问题，由于地质条件的变化有可能引发岩爆，因此需根据情况，以人为本加强防护等级。首先应加强深部采矿工作人员的安全意识，提高防护等级；其次在施工时必须佩戴钢盔加穿防弹背心，在施工机械上增加防护顶棚；最后要加强监测、检查，巡回找顶，清除松动悬石。

5 结语

深部开采将会是金属矿山实现可持续发展的未来趋势，而岩爆灾害作为深部开采中涌现的新的矿山灾害，为保证矿山安全高效的生产，岩爆机理的理论研究及灾害防治技术亟待研究。目前在这一领域已经取得了一些成绩，但还有待进一步发展和完善。随着深部开采如火如荼的开展，其高应力、高井深、高井温、高岩溶水压及采矿活动扰动的特点给矿山的正常生产带来了严峻的考验，衍生出了一系列的灾害，如岩爆，热害，冒顶，突水等等。在这种环境下，浅部的开采理论已不能完全满足生产的需要。因而，我们应该另辟蹊径，提出新的采矿工艺，这是解决这些灾害的根本途径，已在工程实际中得到了初步的验证。相信更为先进的采矿工艺会随着时代的发展而应运而生，矿山深部开采灾害将不再是个难题。

参考文献：

[1]周宏伟，谢和平，左建平.深部高地应力下岩石力学行为研究进展[J].力学进展，2005（01）：91-99.

[2]Cook N G W. A note on rockburst considered as a problem of stability. Journal of South Africa Institute of Mining and Metallurgy，1965，65（10）：437-446.

[3]Guo Shaosu，Zhang Yan，Chen Guoqing. Identify rockburst grades for Jinping II hydropower station using Gaussian process for binary classification. In： International Conference on Computer，Mechatronics[J].Control and Electronic Engineering （CMCE）. 2010：364-367.

[4]Alexeev A D，Revva V N，Alyshev N A，Zhitlyonok D M. True triaxial loading apparatus and its application to coal outburst prediction[J]. International Journal of Coal Geology， 2004，58（02）：245-250.

[5]Cheon D S， Jeon S， Park C， Ryu C. An experimental study on the brittle failure under true triaxial conditions[J]. Tunneling and Underground Space Technology， 2006，21 （3/4）：448-449.

[6]祝启虎，卢文波，孙金山.基于能量原理的岩爆机理及应力状态分析[J].武汉大学学报（工学版），2007（02）：84-87.

[7]徐彦举，张连吉，肖军.岩爆有关问题的研究现状[J].西部探矿工程，2008（02）：98-101.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41272304）

通讯作者：杨英 （1973-），女，副教授，主要从事采矿以及钻探技术等教学和科研工作。endprint