岩爆动力冲击作用下释能支护技术及其发展动态∗

赵兴东,杨晓明,牛佳安,李怀宾

(东北大学 采矿地压与控制研究中心, 辽宁 沈阳 110819)

0 概 述

随着金属矿床资源的不断开发,地表及浅部金属矿产资源已逐渐枯竭,迫使世界上许多国家的金属矿山转入深部开采[1].据不完全统计,国外金属矿山开采深度超过2000 m的矿山已达100余座,主要集中在南非、加拿大、美国和印度等国家[2G4].世界上金属矿床开采最深的国家是南非,截至2012年,南非有约30%的金矿其开采深度超过3000 m;加拿大的Kidd Creek铜金矿[5]、Creighton矿[6G7]、La Ronde金矿[8]以及美国的Hecla Lucky Friday矿其开采深度均超过3000 m.俄罗斯Skalistaja(BC10)矿开采深度为2100 m.澳大利亚昆士兰的Mount Isa矿开采深度为1800 m.此外,巴西、智利、瑞典等国家亦有开采深度超过1500 m的矿山.在我国,开采最深的金属矿山是夹皮沟金矿(开拓深度在1600 m左右),抚顺红透山铜矿开拓深度在1360 m,原乳山金矿开拓深度1263 m,思山岭铁矿已竣工净直径10 m、井深1355 m的竖井,会泽铅锌矿已建成1526 m深竖井.目前,我国在建和已建竖井深度超过1000 m的矿山已达30余座,可见,国内许多地下金属矿山已经步入超深(1000~2000 m)开采阶段[9].从南非、加拿大等国家深井开采矿山现场调研来看,岩爆等动力灾害是深部采矿地压控制的核心问题.

深部矿体处于高应力、高岩温及开采扰动应力作用下,硬岩巷道围岩由浅部低应力状态的结构面控制型破坏,逐步转化为片落、轻微弹射、层裂、应力膨胀、岩爆、灾变以及脆延性破坏(见图1).在岩爆等动力灾害作用下,造成(未)支护硬岩巷道产生潜在的大范围损伤破坏或完全垮塌.因此,在深部采矿诱发地压作用下,如何有效控制深部巷道围岩的稳定是十分有意义的研究.

1 深部开采诱发岩爆灾害及其调控

岩爆灾害主要指矿井在开采过程中,井巷或者采场周围岩体在力学平衡状态破坏时,由于弹性变形能突然释放而产生急剧猛烈的动力现象,具有突然爆发、声响巨大、冲击性强、弹性震动等特点,其过程往往是突发的、无前兆的突变过程,具有强烈的冲击破坏特性,宏观表现为巷道顶板或周边围岩大范围的突然失稳、坍塌[10G12].岩爆发生是受多因素制约的,但岩爆发生主要与围岩初始应力状态同开挖后应力场的调整密切相关,因为岩爆是动态开挖过程中诱发的一种人为的地质灾害过程,它不是单纯的自然灾害现象.即使在相同的地应力条件下,由于开挖方式不同,围岩可能表现出完全不同的响应,所以对岩爆的研究不仅要注重岩体结构、性能、地质构造条件、水文地质条件等地质情况,同时也应关注开挖过程中的各个环节.

多年来,在矿山岩爆灾害研究方面取得了一定的进展,然而大多数研究都局限在行业技术进步问题上,往往只是对某单一问题或某几个问题进行研究,而非系统研究[13].研究岩爆的最终目的是防止或控制岩爆的发生,岩爆预测研究的目的是试图降低岩爆可能会造成破坏的严重程度,消除或降低对井下工作人员以及设备等造成的危害.从诱发岩爆发生的原因来看,主要是应变型岩爆、断层滑移或者二者的组合.因此,对矿山而言要控制岩爆灾害的发生通常采取3种控制技术,即:动态调整围岩应力分布[14]、应力调控技术[15G16]以及围岩加固技术[17G19].

对于深部开采矿区的区域性岩爆防控主要措施有:合理布置矿山开拓系统,优化采场、硐室和巷道的结构参数与方位,确定最佳回采顺序,防止大范围应力长期超过岩体强度;岩层预注水,降低岩体强度,增加岩体塑性变形比例,使岩体内积聚的应变能多次小规模释放,防止应变能集中释放;开采岩体保护层,先将大规模开采矿体上方或下方的岩层采掉,使矿体大部分落入卸压带内,降低矿体大面积回采时的区域应力(采场应力);充填采空区,降低采场弹性变形和平均能量释放率,达到减少岩爆发生次数(特别是破坏性岩爆)和降低岩爆强度的目的.

2 岩爆等动力作用下岩体动力响应

在深井开采高应力条件下进行采矿,岩爆控制是非常具有挑战性的工作.南非Durr hei m[20]提出,对于岩爆控制从3个方面进行着手:在设计或者开采之前,应用地质力学方法识别孕震结构(岩脉、断层等);应用适合的支护系统创造抗岩爆灾害;连续监测岩爆灾害.超前识别孕震结构便于及时调整采矿设计、采场和巷道支护设计等.

岩石遭受加速加载之后,导致岩石结构破坏、块体弹射、采场封闭[16G17](见图2).动力特征现象表现为深部矿井中的岩块弹射、冒落等岩爆现象[21].Zubelewicz[22],Mueler[23]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.岩爆诱发巷道围岩表面动力响应特征主要表现为:破坏时有响声,表现为片帮、岩块弹射、爆裂剥落、岩体抛掷性破坏等[24G25];其最显著的动力破坏特征是岩块从巷道(采场)围岩表面高速弹出,其表面1 m厚的岩体能以5~10 m/s的速度向巷道内抛出[26G27],其抛掷距离可达10~20 m之远,其弹射能一般为5~20 kJ/m2,最大可达50 kJ/m2[19].岩爆等级不同,其诱发的岩体动力响应也不同,轻微岩爆的岩石呈片状剥落,而强烈岩爆可将巨石猛烈抛出,甚至一次岩爆就能抛出数以吨计的岩块和岩片,严重威胁着井下施工人员和设备的安全.Ortlepp[26]认为如果围岩表面特别是大岩爆附近破坏岩块的弹射速度和加速度能够被精确测量,将有利于各类支护组件(锚杆、注浆锚索以及采场的液压支柱等)的设计与材料选择.

3 释能支护原理

在岩爆动力冲击作用下,在岩体围岩表面积聚的高应变能快速释放,将岩块从围岩表面抛出;从能量耗散角度而言,如果巷道围岩破坏深度达到1.5 m以上,为灾害性岩爆发生提供了条件.发生条件取决于应力水平、系统刚度、破坏岩体的体积(取决于破坏深度).巷道断面积越大其单位面积释放能量越大,弹射速度越低,因此,巷道断面越大其支护系统承担的能量释放能力越大.就能量释放而言,破坏程度可以单位岩石弹射速度或者能含量来表达.由于该动能必须由动力支护系统来释放,考虑单位面积岩体的能含量更具有意义.动力支护系统其抵抗的能量耗散能力在5~20 kJ/m2,实际上其最大可以达到50 kJ/m2[19].

释能支护原理是动力或释能支护设计的基础,释能支护的基本要求(见图3):

(1)在高动力冲击作用下,释能支护区域内岩体以相同的加速度移动;

(2)动力冲击作用后,释能支护系统控制岩体移动速度减小到0;

(3)释能支护系统提供高支护阻力强度,同时能够产生大的恒定位移;

(4)释能支护系统最薄弱位置等同于或高于冲击能量;不考虑相邻释能支护单元影响区域及稳定跨度影响程度,释能支护原理要同时满足上述条件.释能支护原理需要在现场实际观察与监测岩爆动力冲击作用下岩体动力响应破坏与支护系统表现,进行进一步修正与补充.该支护原理未充分考虑动荷载循环、震荡以及滞后特点[28G29].目前,释能支护设计考虑岩石质点峰值速度替代岩块弹射速度,设计释能支护系统考虑质点振动速度为3~10 m/s,以此确定释能支护系统的锚杆(索)能够承担指定位移能力.

图3 释能支护原理

4 释能锚杆研究

锚杆是加固开挖体围岩最常用的方式,锚杆的种类繁多,而且各有优缺点.由于普通锚杆的作用机理是基于静态载荷的加固围岩方式,在受到岩爆等动力破坏时,往往导致锚杆变形太大而失去锚固力.当岩爆灾害发生之后,不可避免产生围岩破坏,最主要的问题是通过采取有效的支护技术确保巷道破坏能够被维护,使其仍然保证其服务功能.即:在岩爆灾害发生之后,巷道支护系统仍能保持其承载能力.在高应力、高岩爆倾向以及大变形环境下,动力响应特征成为支护系统选择及设计的关键参数[30].实际上,在选择支护系统时,需要考虑钻孔直径、环境因素(潮湿程度)、腐蚀、胶结材料(水泥或者树脂)等影响,并且要知道这些影响因素对不同静力环境的影响[31].作为新型的动力(屈服)支护锚杆[32](诸如:新型锥体锚杆、屈服锚索、屈服锚杆等),需要根据具体条件不断改进以满足各种不同需求(设备要求、提高承载能力、较高刚度特性等)[33].释能锚杆在防治岩爆动力冲击围岩破坏中优于普通锚杆,广泛应用于岩爆支护.

早在20世纪90年代,南非首先提出释能支护体系[34],并发明第一种释能锚杆,即锥体锚杆(Cone锚杆)(见图4).锥体锚杆主要在圆钢一端锻造成扁平的圆锥形体,在圆钢表面喷涂一薄层润滑材料,致使锚杆在荷载作用下易于分离.该种锚杆通常采用水泥浆或者树脂进行全长锚固,当锚固在锚杆托盘与圆锥体之间的岩石膨胀时,将在锚杆杆体产生拉力.当拉拔力超过预设值时,锚固端的圆锥体将费力地从锚固体中滑移.因此,该锚杆发挥其作用并吸收岩爆产生的动能.最初,该锚杆设计是采用水泥浆锚固,之后调整为采用树脂进行锚固.新型锥体(Cone)锚杆在其端头增加树脂搅拌功能,被广泛应用于加拿大易于诱发岩爆灾害的深井巷道支护中[35].

图4 南非锥形(Cone)锚杆结构

在南非[36],主要是应用释能锚杆支护岩体,释放岩体内的动能.另一部分动能通过碎裂岩体被岩体表面支护结构释放.在南非支护系统中,使用钢丝绳代替钢带.在高应力岩体中掘进巷道时,采用释能锚杆(锥体锚杆(Cone Bolt)、改进的锥体锚杆、管缝锚杆以及锚索)与金属网或者纤维喷射混凝土组合支护.在澳大利亚[37G38],主要通过管缝锚杆、长锚索并辅以金属网、钢带或者喷射混凝土组合支护解决高应力碎裂蠕变岩体稳定性控制问题.对具有岩爆倾向的岩体,主要采用长锥体锚杆与金属网或者纤维喷射混凝土组成动力支护系统控制其稳定.在加拿大[19,39],采用短锚杆和金属网支护破碎岩体,偶尔采用纤维喷射混凝土和金属网.通常锚杆主要为管缝锚杆、螺纹钢锚杆和锥体锚杆.在经常发生岩爆的巷道,主要采用螺纹钢锚杆和锥体锚杆与金属网组成动力支护体系,增强岩体的刚度.在北欧[40G42],其支护理念与加拿大相似,采用短锚杆与金属网支护浅层破碎岩体,使其形成整体.但在北欧不使用管缝锚杆,钢纤维喷射混凝土应用比较广泛.

目前,在国际上主要有如下动力支护系统:

(1)Durabar锚杆[40]:是在锥体锚杆基础上改进的一种锚杆,在光滑杆体设计几个褶皱,在锚杆的尾部设计成一个光滑的圆环.当进行拉拔力测试时,托板承受荷载锚杆沿着波形面滑移.其最大滑动位移等同于锚杆尾部长度(约为0.6 m),属于两点锚固锚杆,但此种锚杆未进行动力测试.

(2)膨胀(Swellex)锚杆[40]:图5是一种典型的膨胀锚杆,该锚杆主要通过锚杆杆体与锚杆孔管壁之间的摩擦力锚固岩体.最新研制的Mn24型Swellex锚杆具有较好的释能能力,其释能范围为18~29 kJ.

图5 Swellex水力膨胀锚杆

(3)Garf ord刚性锚杆[41](见图6):主要由圆钢、锚头及粗牙螺纹钢套组成,采用树脂锚固.粗牙螺纹钢套主要用于搅拌树脂.该锚杆的工程锚头能产生较大的位移量.该锚固头采用厚壁圆钢制作,压入钢管套中350 mm.圆钢直径压缩至原始尺寸插入粗牙螺纹钢套中.当锚固端与托板间压缩岩石膨胀时,圆钢被从锚固端拔出.当被拔出之后,其锚固力仍然保持不变,该锚杆能够产生390 mm位移.

图6 Garfor d刚性锚杆

(4)Roofex锚杆[42]:是一种动力韧性锚杆,由锚固端和圆钢组成,采用树脂进行锚固.圆钢从锚固端中滑动,产生80 k N的恒定支护阻力,锚杆的锚固力低于圆钢抗拉强度.Roofex锚杆动力荷载约为60 k N,其动力测试能量为12~27 kJ.

(5)D锚杆[40G42]:由圆钢带一定数量的具有一定间隔的锚固点组成(见图7),锚杆安装后,由于锚固点较圆钢直径大,能自动固定在锚杆孔中.锚杆使用树脂或者水泥浆液全长锚固在锚杆孔中,在两锚固点之间的圆钢与锚固体的粘结较弱,当岩体膨胀时,在两锚固点之间的拉力将控制岩体膨胀,这部分弹性延伸几毫米屈服,整体可产生200 mm的拉伸长度.当荷载为200 k N,锚杆的拉伸位移为100~120 mm,承受冲击荷载的能量为36~39 kJ.

图7 挪威D锚杆结构形式

5 M(ace)释能锚杆研发

深井岩爆发生时,锚固在岩体内的释能锚杆在保持高拉拔力的同时要具有动力释能让压.依据岩石动力学、能量积累和耗散原理、锚杆支护原理等作为设计基础,研发了一种满足上述要求的新型M(ace)释能锚杆(见图8).该锚杆由M(ace)模块和搅拌模块组成.在安装过程中,M(ace)释能锚杆通过使用搅拌模块搅拌安放在锚杆孔中的树脂药卷或水泥药卷,使M(ace)模块与锚杆孔粘结牢固;新型M(ace)释能锚杆的最大特点是既具有南非cone锚杆的整体滑移能力,又具有D锚杆的多点锚固作用,同时两点锚固间产生滑移作用,使得锚杆既可以与围岩共同移动消耗积聚在围岩内部的动能,又可以保持较高的锚固力,保持围岩与支护体的稳定,使其在高应力、岩爆(冲击地压)以及脆－延性大变形作用下,保持巷道围岩稳定.

图8 新型M(ace)释能锚杆结构

岩爆等动力灾害研发的动力支护系统(见图9)应具有以下特征:

(1)该系统应能承受剪切和拉伸荷载;

(2)该支护系统既允许开挖岩体表面产生一定大的变形,又能控制其变形位移量,从而保证开挖结构的有效工作空间;

(3)该系统不仅能吸收岩爆释放能量,又能抵制动力转换或者降低岩体冲击荷载的作用;

(4)该系统能抵抗多次岩爆灾害发生.

图9 岩爆动力冲击作用下的释能支护效果

采用矿山动力支护系统会吸收岩爆发生时释放的能量,并使其产生的动能在岩体表面产生大幅下降.为此,研发有效控制岩爆危害的矿山动力支护系统,实现“爆而不倒”、留有足够的安全空间确保人员和机械设备的安全,为我国深井开采及高应力矿体安全、高效开采提供技术保障.

6 结 论

在深部高应力及采矿地压作用下,岩爆等动力灾害是深部采矿地压控制的核心问题.研究开采诱发岩爆的最终目的是防止或控制岩爆的发生,岩爆预测研究的目的是试图降低岩爆可能会造成破坏的严重程度,消除或降低岩爆对井下工作人员以及设备等造成的危害.

本文在系统分析岩爆诱发巷道围岩动力响应特征的基础上,提出释能支护机理,即释能支护要满足下列条件:

(1)在高动力冲击作用下,释能支护区域内岩体以相同的加速度移动;

(2)动力冲击作用后,释能支护系统控制岩体移动速度减小到0;

(3)释能支护系统提供高支护阻力的同时,能够产生大的恒定位移;

(4)释能支护系统最薄弱位置等同于或高于冲击能量.

对于释能支护系统中释能锚杆的选择,应考虑岩石质点峰值速度替代岩块弹射速度(3~10 m/s)与位移能力.综合分析释能锚杆研究现状,提出新型Mace释能锚杆及其作用机理,为深部岩爆等动力冲击作用下岩体的稳定性控制提供了技术支撑.

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