小厂坝矿区岩爆倾向性研究

李 忠，刘勇文，刘财林

(1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.西北矿冶研究院，甘肃 白银 730900)

深部矿体的开采过程中，由于高地应力和采矿扰动的影响，岩爆灾害已经成为影响其安全高效开采的主要灾害之一[1-3]。在我国深井开采过程中，发生岩爆事件的矿山越来越多，严重影响井下作业人员的安全及采矿设施、设备的安全。根据以往的研究成果，岩爆的发生与岩石本身的属性相关[4-7]，也与岩石所处的应力环境相关，相关研究表明，岩石发生岩爆与岩石内部储存的弹性应变能有很大关系[8-11]。岩爆倾向性的研究，一直是岩爆问题研究的热点问题，受到国内外众多学者的长期研究，从室内力学试验入手，在开采前期通过大量的岩石力学试验对开采矿体及其围岩的岩爆倾向性进行预先研究和判断，已成为现阶段研究和防治岩爆问题的重要途径。

1 岩爆倾向性评价指标

由于岩爆问题的广泛研究，关于岩石的岩爆倾向性评价指标的研究也十分多，许多学者依据现场岩爆发生的实际情况和室内岩石力学试验，对岩爆倾向性评价指标进行了大量的总结与归纳，主要有如下几种指标。

1.1 脆性岩爆指标

研究表明，岩爆主要发生在坚硬脆性岩石中，采用岩石的脆性系数评价其岩爆倾向性被广泛应用，其表达式见式(1)。

B=σc/σt

(1)

式中：B为脆性系数；σc为岩石单轴抗压强度，MPa；σt为岩石抗拉强度，MPa。

从式(1)中可以看出，B值越小，岩石单轴抗压强度越小，抗拉强度越大，岩石越软，发生岩爆的可能性越小，B值与岩爆倾向性之间的判别关系见表1。

1.2 Barton岩爆指标

该岩爆指标是从岩石开挖后其应力分布入手，认为岩石发生岩爆的主要原因是由于其应力状态超过了其极限所能承受的最大应力，部分学者根据现场实际和室内力学试验，提出采用岩石所处环境下的第一主应力值与单轴抗压强度之间的比值来表征Barton岩爆指标，并且得到了广泛应用，其表达式见式(2)。

α=σ1/σc

(2)

式中：α为Barton系数；σ1为最大地应力值，MPa；σc为岩石单轴抗压强度，MPa。

从式(2)中可以看出，Barton系数α越大，最大地应力值越大，岩石发生岩爆的可能性越大，α值与岩爆倾向性之间的判别关系见表2。

表1 脆性指标与岩爆倾向性的判别关系Table 1 Discriminant relationship between brittlenessindex and rockburst tendency

表2 Barton指标与岩爆倾向性的判别关系Table 2 Discriminant relationship between Barton indexand rockburst tendency

1.3 弹性变形能岩爆指标

该指标是有加拿大学者SINGH和波兰学者KIDYBINSKI根据岩石弹性应变能的概念演变而来的，该指标需要在室内岩石力学试验中获得，对岩石试样进行单轴加卸载试验，当轴向荷载加载至岩石单轴抗压强度的90%左右卸载，通过求取加载应力应变曲线面积与卸载应力应变曲线面积，比较二者之间的比值求得弹性变形能岩爆指标，其计算公式见式(3)，计算示意图见图1。

(3)

式中：Wet为弹性变性能岩爆指标；Ee为弹性变形能；Ep为塑性变形能；εe为弹性应变；εp为塑性应变；εt为总应变；f(ε)为加载时的应力应变曲线函数；f1(ε)为卸载时的应力应变曲线函数。

关于弹性变形能指标Wet与岩爆倾向性之间的判别关系，SINGH根据硬岩矿山岩石试验结果，提出了二者的对应关系，KIDYBINSKI根据波兰煤矿岩石试验结果，也提出了弹性变形能指标Wet与岩爆倾向性之间的判别关系，但是二者相差比较大，本次研究对上述二者提出的判别关系进行总结，以SINGH提出的判别关系为主，以KIDYBINSKI提出的判别关系为辅，提出了本次研究弹性变形能指标法岩爆倾向性的判别关系，具体见表3。

图1 弹性变形能计算示意图Fig.1 Elastic deformation energy calculation diagram

表3 弹性变形能指标法岩爆倾向性的判别关系Table 3 Discrimination relation of rockburst tendency inelastic deformation energy index method

弹性变形能指标Wet判别情况Wet≥10强岩爆倾向性5≤Wet<10中岩爆倾向性2≤Wet<5弱岩爆倾向性Wet<2无岩爆倾向性

1.4 冲击能岩爆指标

该岩爆倾向性评价指标是从岩爆发生过程中岩石释放能量的角度入手，采用岩石单轴压缩全应力应变曲线的峰值前后的面积之比来表征岩石发生岩爆倾向性。其计算示意图见图2，计算公式见式(4)。

Wcf=F1/F2

(4)

式中：Wcf为冲击能岩爆指标；F1为峰值强度前全应力应变曲线与横坐标围成的面积；F2为峰值强度后全应力应变曲线与横坐标围成的面积。

2 单一指标岩爆倾向性评价

根据小厂坝矿区的矿体赋存特征及主要矿岩围岩的分布及类型，分别在矿体顶板、矿体和矿体下盘处选取了灰岩(h)、矿石(k)和黑云母石英片岩(hy)进行了岩爆倾向性研究，根据上文4种岩爆倾向性判别指标，通过现场取样并进行了室内岩石力学试验，主要包括岩石单轴压缩、巴西劈裂试验、单轴加卸载试验。

2.1 脆性岩爆指标

根据脆性指标B的计算方法，只要得到岩石的单轴抗压强度和及抗拉强度，便可计算脆性指标B，图3为巴西劈裂试验照片，图4为灰岩的单轴压缩应力应变曲线。表4为岩石力学试验结果及脆性岩爆指标评价结果，根据计算结果，3种岩石均为强岩爆倾向性。

图2 岩石冲击能指标Wcf的计算示意图Fig.2 Calculation schematic diagram of rockimpact energy index Wcf

图3 巴西劈裂试验Fig.3 Brazilian split test

2.2 Barton岩爆指标

根据Barton岩爆指标的计算方法，只要知道最大地应力值和单轴抗压强度，即可以计算Barton系数α，根据中南大学对小厂坝矿区的地应力测量结果，在750 m中段，矿区内水平最大地应力值为30 MPa，矿区内以水平主应力为主。图5为单轴压缩试验照片，Barton岩爆指标评价结果见表5。

图4 灰岩应力-应变曲线Fig.4 Limestone stress-strain curve

表4 脆性岩爆指标评价结果Table 4 Brittle rockburst index evaluation results

岩性抗压强度/MPa抗拉强度/MPaB倾向性灰岩(h)849.29.12强矿石(k)1269.613.11强黑云母石英片岩(hy)10110.59.62强

表5 Barton岩爆指标评价结果Table 5 Barton rockburst index evaluation results

图5 单轴压缩试验Fig.5 Uniaxial compression test

2.3 弹性变形能岩爆指标

根据弹性变形能岩爆指标Wet的计算方法，只要获得岩石单轴加卸载试验应力-应变曲线面积，便可计算弹性变形能岩爆指标Wet，图6～8为3种岩石的单轴加卸载试验曲线及计算的弹性变形能岩爆指标Wet，弹性变形能岩爆指标评价结果见表6。

图6 灰岩单轴加-卸载试验曲线Fig.6 Limestone uniaxial loading-unloading test curve

图7 矿岩单轴加-卸载试验曲线Fig.7 Ore rock uniaxial loading-unloading test curve

图8 黑云母石英片岩单轴加-卸载试验曲线Fig.8 Biotite quartz schist uniaxial loading-unloadingtest curve

2.4 冲击能岩爆指标

根据冲击能岩爆指标的计算方法，只要求取岩石单轴压缩全应力应变曲线的峰值前、后的面积便可计算出冲击能岩爆指标Wcf，图9～11为3种岩石的单轴压缩试验曲线及计算的冲击能岩爆指标Wcf，冲击能岩爆指标评价结果见表7。

表6 弹性变形能岩爆指标评价结果Table 6 Elastic deformation energy rockburst indexevaluation results

图9 灰岩单轴压缩应力-应变曲线Fig.9 Limestone uniaxial compression stress-strain curve

图10 矿岩单轴压缩应力-应变曲线Fig.10 Ore uniaxial compression stress-strain curve

图11 黑云母石英片岩单轴压缩应力-应变曲线Fig.11 Biotite quartz schist uniaxial compressivestress-strain curve

表7 冲击能岩爆指标评价结果Table 7 Impact energy rockburst index evaluation results

岩性Wcf倾向性灰岩(h)1.56中矿石(k)8.73强黑云母石英片岩(hy)4.96强

3 岩爆倾向性综合评价

由以上分析可以看出，四种岩爆倾向性评价指标的评价结果不一致，为了更加准确地评价岩石的岩爆倾向性等级，根据脆性岩爆指标、Barton岩爆指标、弹性变形能岩爆指标和冲击能岩爆指标对矿体顶板、 矿体和矿体下盘处的灰岩(h)、 矿石(k)和黑云母石英片岩(hy) 3种岩石的岩爆倾向性进行对比分析，最终确定其岩爆倾向性等级。

从评价结果可以看出，灰岩的评价结果较为分散，其中脆性岩爆指标判别为强岩爆倾向性，而Barton岩爆指标和冲击能岩爆指标判别为中岩爆倾向性，弹性变形能指标判别为中岩爆倾向性，由于脆性指标判别法判别结果较为激进，综合判定灰岩的岩爆倾向性为中等级别。矿岩的判别结果同样较为分散，其中脆性岩爆指标与冲击能岩爆指标的判别结果均为强岩爆倾向性，Barton指标与弹性变形能指标的判定结果为弱岩爆倾向性和中岩爆倾向性，由于脆性指标判别结果比较激进，Barton指标的判别结果考虑了地应力的影响，结果与实际情况较为接近，判定结果为中岩爆倾向性，由于矿体的岩爆倾向性对采矿生产的安全性非常重要，加之冲击能指标的判定结果为强岩爆倾向性，最终确定矿岩的岩爆倾向性为强岩爆倾向性，希望矿山在采矿过程中加强对矿岩应力变化的监测，防止岩爆现象的发生。石英片岩的评价结果较为一致，脆性岩爆指标、弹性变形能指标和冲击能岩爆指标的判定结果均为强岩爆倾向性，Barton指标的判定结果为中岩爆倾向性，最终确定石英片岩的岩爆倾向性为强岩爆倾向性，各岩爆判定指标的判定结果与综合判定结果见表8。

从综合评价结果来看，矿体的顶板灰岩为中岩爆倾向性，而矿体和矿体下盘为强岩爆性，采矿活动和主要的巷道都布置在矿体内和矿体下盘，因此，在矿体的开采过程中，应注意对矿体下盘巷道的支护，防止发生岩爆。在矿体的开采过程中，应加强对地压变化的监测，采取适当措施，采用合理的开采方式及开采顺序，降低岩爆发生的概率和强度。

表8 岩爆倾向性综合评价Table 8 Comprehensive evaluation of rockburst tendency

4 结 语

在对岩石力学实验结果分析的基础上，分别采用岩石脆性指标、Barton岩爆指标、岩石弹性变形能指标和岩石冲击能指标等单一指标评判法对小厂坝矿区矿体、上下盘围岩的岩爆倾向性进行了分析，各评价指标之间具有一定的差异性，对岩石的岩爆倾向性评价结果不一致。对4个岩爆指标的评价结果进行综合分析，矿体及下盘围岩属于高岩爆倾向性等级，在开采过程中，应加强对矿体应力及下盘围岩应力的监测，由于开拓工程和采准工程主要布置在矿体下盘，因此，需加强下盘巷道、硐室的支护。