当量采深估算方法在岩爆危险性等级评价中的应用

成 功，李炜强，李冬伟，马利科

(中核集团核工业北京地质研究院，北京 100029)

在岩爆的危险性预测方法中，采深被认为是最直接的判别指标之一，因此，很多矿山在开采过程中都把采深作为岩爆防治措施中巷道支护强度设计的依据。然而，近年来浅部岩爆事故越来越多，这与通常情况下岩爆发生在深部的认知不符。大量工程实践表明，对于地质条件和工程条件复杂的矿山，采深这一指标已不能满足岩爆危险性分析的需求。

根据现有文献，国内已发生数起浅部岩爆灾害，如山东玲珑金矿西山坑口岩爆埋深不足500 m，属于典型的矿山浅部岩爆[1]；浅部岩爆(冲击地压)现象在一些非金属矿山出现频率更高[2-4]。分析浅部岩爆事故发现存在以下共同特点：采场均形成了大量独立矿柱，岩体具有中等以上岩爆倾向性，采场内地质构造复杂等。事故分析表明：采场的支护和安全防护措施，均采用实际采深指标进行设计，未考虑采掘区域应力的分布特征，导致岩爆事故的发生。对于岩爆倾向性较高的采掘工作面，在应力异常的区域，尽管开采深度不大，也极易发生岩爆灾害。单纯采用实际采深进行岩爆危险性评价是不合理的，严重者会导致重大安全事故的发生。

1 工程概况

山东某矿浅部450中段采场标高为-450～-435 m，矿体赋存于黄铁绢英岩中，主要受F1断层影响，F1断层走向NE，倾向SE，倾角∠38°左右，主裂面有一层2～10 cm的黑色泥质物，隔水性较好，F2断层较F1断层规模小，断裂面较平整且无杂物充填。

450中段采场采用中深孔爆破嗣后充填法开采，采场沿矿体走向布置，该中段巷道已开挖完毕，形成规则的矿柱呈矩阵式排列，如图1所示。 该矿在435中段和420中段回采过程中均出现了岩爆预兆现象，主要表现为片帮冒顶。 采用岩石脆性系数法、Barton岩爆判据法和岩石冲击能指标法计算岩爆等级[5]，结果表明该矿岩体具有中等～强岩爆倾向性。

图1 450中段采场平面图Fig.1 Plane figure of the 450 level

2 当量采深估算方法

2.1 当量采深概念

采场岩体某点处实际应力值对应的采深称为当量采深，即岩体某点处实际应力与岩体密度之比。当量采深公式见式(1)。

H=σ/ρg

(1)

式中：H为某点处当量采深，m；σ为岩体某点处实际应力值，Pa；ρ为上覆岩层平均密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

2.2 模型建立

2.2.1 完整岩体

假设工作面开拓系统已完成，上部无采空区，矿柱和巷道断面为标准的矩形且采场内岩性均一，各方向均质，不存在大型地质构造影响。如图2(a)所示，矿柱平面尺寸为a×b，东西向(垂直采联巷道方向)巷道宽为c，南北向(平行采联巷道方向)巷道宽为d。

图2 采场模型示意图Fig.2 Schematic diagram of stope model

假设上覆岩层应力均转移至相邻矿柱上，每部分矿柱垂直方向受力相当于图2(b)中矿柱上部阴影部分覆岩的重量，则当量采深计算公式见式(2)。

H=[ρgh(a+c)(b+d)/(ab)]/ρg=

h(a+c)(b+d)/(ab)

(2)

由式(2)可知，岩体完整条件下，当量采深H与实际采深h、巷道宽度(c、d)和矿柱大小(a、b)有密切关系。当采场尺寸及布置方式确定情况下，即a+c和b+d是固定值，则当量采深与实际采深成正相关，与矿柱平面面积a×b成负相关。

2.2.2 地质构造影响

相同埋深岩体的当量采深值是相同的，但实际矿山开采过程中，完全没有地质构造的工作面基本是不存在的，地质构造往往是影响岩爆发生最关键的因素，据此探讨地质构造影响下当量采深模型。

根据矿山构造应力估算方法和地应力测算标准[6-7]，参考该矿已有构造应力实际测量数据和构造应力估算工程经验，见表1。由表1可知，有大断层穿过的区域，应力峰值增加到该区域应力值的1.5倍左右，构造应力增量为0.5倍区域应力。如果断层规模较小，则应力值增加到1.2倍左右，构造应力增量为0.2倍区域应力。根据式(1)，当量采深随应力的变化而变化，分别增加到区域应力的1.5倍和1.2倍左右。

表1 某矿构造应力实测值Table 1 Measured value of tectonic stress in a mine

采场经过网格划分后，形成20个矿柱单元，构造影响区域为构造线性经过的矿柱单元，见图3中灰色阴影区域。将划分后的矿柱单元放入平面坐标系中，并以(x，y)对每一个矿柱单元进行定义，如图4所示。以每个矿柱中心点为计算单元，对于多条断层重叠影响区域，采用应力叠加方法进行累加计算。已有研究表明[8]，岩体的总应力为该水平某点自重应力的基础上，叠加各个诱发岩爆(冲击地压)因素对该点产生的应力增量。地壳内复杂受力的构造应力场，依据叠加原理，可以看作是若干简单受力的构造应力场增量的叠加，比如有一条主断层穿过的区域，构造应力增量为0.5倍区域应力，岩体总应力水平为1.5倍区域应力，当量采深为1.5H;有一条主断层和一条小断层穿过区域，构造应力增量为0.7倍区域应力，岩体总应力水平为1.7倍区域应力,当量采深为1.7H，依次类推，直至所有构造应力叠加完毕。

图3 构造应力影响示意图Fig.3 Schematic diagram of tectonic stress effects

图4 当量采深估算方法坐标系构建Fig.4 Coordinate system construction of equivalentmining depth estimation method

2.3 当量采深估算方法步骤

1) 确定采场内矿柱和巷道尺寸a、b、c、d，计算无构造应力条件下当量采深H。

2) 网格法划分矿柱单元，确定断层影响矿柱单元。

3) 建立直角坐标系，计算每一矿柱单元当量采深值，与岩爆深度标准对比，划分危险区。

4) 根据危险等级采取分级岩爆防治措施。

3 工程应用

3.1 岩爆危险区划分

1) 无构造应力下当量采深H计算。450中段共划分为5个采场，采场长度均为矿体走向，长约为90 m，采场宽度11 m，采场高度为15 m，埋深h=450 m。根据450中段采场设计，得到采场矿柱和巷道尺寸约为a=8 m，b=10 m，c=3 m，d=2.5 m。将以上参数带入式(2)，得到当量采深H为773 m。

2) 划分矿柱单元，确定构造应力影响范围。利用网格法将采区平面划分形成48个矿柱单元，如图5所示，灰色阴影区域为断层影响矿柱单元。

3) 计算当量采深值，划分危险区。根据矿山工程经验和相邻采区的数据记录，当没有任何干扰因素影响时，该矿在自然埋深超过800 m时，才有可能发生岩爆灾害；超过1 000 m时，岩爆发生可能性大大增加；超过1 300 m时，岩爆灾害极有可能发生，据此确定当量采深对应危险区划分标准为：安全区<800 m；一般危险区800～1 000 m；中等危险区1 000～1 300 m；高度危险区>1 300 m。

逐一对矿柱单元进行构造应力下当量采深值的计算，得到结果见表2，反映到坐标系中如图6所示。

图5 构造应力影响范围Fig.5 Influence range of tectonic stress

表2 当量采深计算结果汇总表Table 2 Calculation result of equivalent mining depth

图6 采场危险区划分Fig.6 Classification of stope danger zone

3.2 岩爆分级防治措施

在回采过程中要严格采取岩爆防治措施，避免岩爆事故发生。鉴于岩爆防治成本高，需要对采场进行分级评价，并针对不同区域采取经济合理的岩爆防治措施。安全区：不做处理；一般危险区：素喷混凝土支护；中等危险区：喷锚网联合支护；高度危险区：在地质构造带，加大矿柱尺寸，或选择该区域矿石不回采，回采区域采取喷-锚-网-喷和矿柱混凝土浇筑等综合支护方式。

4 结 论

1) 当量采深是一个新的概念，其直观方便且易于理解，在整个矿业开采范围内可以大力推广，此概念的提出对矿山开采有着很强的实际指导意义。

2) 山东某矿浅部450中段采场划分形成48个矿柱单元，其中有1个高度危险区，9个中等危险区，4个一般危险区，34个安全区，对不同区域采取岩爆分级防治措施，达到了良好的岩爆防治目的。

3) 研究表明当量采深与实际采深成正相关，与矿柱平面面积成负相关。 通过当量采深估算方法，成功实现对浅部矿山岩爆危险性预评价，根据评价结果采取岩爆分级防治措施，从而实现矿山岩爆灾害防治精细化管理，提高矿山回采安全性和经济性，该方法适用于埋深浅但有大型地质构造影响的矿山。