一种新的岩爆等级评估指标及其在某超埋深矿井中的应用

李鹏翔 彭剑平 张博超 陈 立

(1.菏泽学院城市建设学院,山东 菏泽 274015;2.中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北 武汉 430071;3.岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;4.招金矿业股份有限公司,山东 莱州 261442;5.华东交通大学土木建筑学院,江西 南昌 330013)

随着社会和经济的快速发展,越来越多的矿山、水利水电、交通、核废料处置及国防等领域的相关地下工程逐步向深部转移,开挖(开采)诱发的岩爆灾害日趋严重[1]。 岩爆是一种极其复杂的动力地质灾害,它是集聚在岩体中的弹性应变能突然释放的结果,可造成严重的人员伤亡和经济损失,是深埋工程的主要灾害之一[2]。

为了正确认识这一地质灾害,国内外学者进行了大量的探索和研究,在岩爆的发生机理、预测预警和风险防控等方面取得了较为丰硕的成果[2]。 但岩爆是一种极为复杂的动力现象,目前对岩爆的发生机理还尚未有统一的认识,对岩爆进行科学有效的预警及防控更是任重道远。 正如英国岩石力学专家布朗(E.T.Brown)教授所说“岩爆在定义上都很难达到意见的统一,它的进展将代表着岩石力学这门学科的发展和重大突破”[1-4]。 现有的岩爆预测预警方法大致可分为指标判据法、数值指标法、应用数学方法以及现场监测法等[2]。 这些方法针对不同的工程和工程所处的不同阶段取得了不同的应用效果,或指导了开挖、开采方法选择或指导了隧道选址选线、矿井开拓布置方案确定。 指标判据法具有成本低廉、快速、判别结果直观的优点,目前已广泛应用于深埋工程岩爆风险预判,为制定岩爆风险防控策略提供了重要参考[2]。

本研究首先分析了现有岩爆指标判据存在的优缺点,指出多数岩爆指标判据仅考虑岩爆发生的外界条件(应力条件)或仅考虑岩爆发生的内部条件(岩石自身岩爆倾向),并未充分顾及岩爆发生的充分必要条件,即岩爆发生的外在驱动力(即应力条件)和岩爆发生的内在条件(即岩石固有的储能、耗能特性)。 针对以上不足,本研究提出了一种考虑内外因素的岩爆预测指标,所提岩爆指标具有参数简便易得、预测准确性高的优点,应用该指标判据分析了山东某超埋深金矿-1 480 m 水平的岩爆风险,预测结果较理想,研究成果可为类似工程提供借鉴。

1 现有岩爆指标存在的问题

大量研究表明,岩爆发生在应力较高且具有岩爆倾向性的岩石中。 地应力是驱动岩石破坏发展的根源,岩体开挖或者矿体开挖后打破原有应力平衡,地应力进行调整,一般地应力越高,应力调整越剧烈,岩爆风险越高[2]。 岩石具有岩爆倾向性是岩石发生岩爆的基础,只有具有岩爆倾向性的岩石在较高地应力条件下才会发生岩爆。 因此只有岩石达到了相应的应力条件和岩石具有岩爆倾向性时,岩爆才会发生;反之,亦然。 由此可见,高地应力和岩石具有岩爆倾向性是岩石发生岩爆的充分必要条件。

目前已有较多的岩爆判据被应用到具体的地下工程中,并取得了不同程度的成功,比较典型的指标判据如表1 所示。 这些判据多是单一因素判据,考虑较为片面,并未考虑岩爆发生的充分必要条件即岩爆发生的外在驱动力(应力条件)和岩爆发生的内在条件(岩石固有的储能、耗能特性)。 例如:Russense 判据、Barton 判据、Hoek 判据、陶振宇判据等可归结为只考虑应力条件即岩爆外部条件来判断岩爆风险,岩石自身是否具有岩爆倾向性质未做考虑;能量冲击性指数KE、弹性能量指数Wet、能量储耗指数k、岩石脆性指标B、剩余弹性能指数Aef[2,5]等判据可归结为只考虑岩石自身是否具有岩爆倾向性,未考虑是否达到了岩爆发生的外在驱动因素即应力条件。 以上两类指标均可能对岩爆发生等级产生误判,例如第一类情况,可能外在驱动力(应力)达到了岩爆发生条件,但若岩石不具有岩爆倾向性(如软岩),此时岩爆不会发生;又如第二类情况,虽然岩石自身具有岩爆发生的倾向性,但外在驱动力达不到岩爆应力阈值,此时岩爆也不会发生。 究其原因以上应力因素(外部条件)和岩石自身具有岩爆倾向性(内部条件)均是岩爆发生的必要条件而非充分条件,必须同时满足以上2 个条件,岩爆才会发生。 因此,在对岩爆等级评估时应综合考虑以上2 个因素才能较为可靠地预测岩爆,进而采取恰当的防护措施,降低岩爆对人员和设备造成的损害。

表1 典型岩爆指标判据Table 1 Typical rockburst index criterion

2 新岩爆指标提出

2.1 岩爆影响外部因素——应力的表征

定义岩爆风险待评估区最大主应力σ1与单轴抗压强度σc的比值为岩爆影响外部因子k1,即k1=σ1/σc。 该参数无需通过复杂计算、获取简便,σ1可通过地应力测试或通过查阅既往含有地应力信息的相关资料获取,σc只需通过简单的单轴加载试验获得。k1值表征了地应力相对于岩石强度的大小,在一定程度上表达了外界地应力做功的能力,该值越大表示地应力相对于岩石强度越高,岩石储能外界条件越好,岩石可存储的应变能就越高,岩石越容易发生失稳破坏,如果岩石具有岩爆倾向性,岩爆越容易发生。 因此该参数可表达岩爆发生的应力因素(即外部因素),同时可以看出k1为一无量纲数值。

2.2 岩爆影响内部因素—岩爆倾向性表征

内部因素为岩石自身固有性质,是岩爆发生的必要条件。 根据岩爆能量理论,只有当岩石受载发生破坏时岩石存储的能量大于破坏所消耗的能量时(即有剩余能量)才会发生岩爆。

定义峰值前应变εb与峰值后应变εa比值为岩爆影响内部因子k2,即k2=εb/εa。 根据岩爆能量相关理论[6],岩石具有岩爆倾向的条件为岩石受载存储的应变能A1(峰值前应力—应变曲线下面积)大于峰后岩石破坏过程中所需耗散的能量A2(峰值后应力—应变曲线下面积),剩余的能量以弹射动能形式表现出来,此时A1与A2的比值大于1,显然该值越大就有越多的弹性能剩余,岩石发生非稳定性破坏的概率也就越高即岩爆倾向性越高,其比值称为能量冲击性指数KE,该指标现广泛应用于判断岩石自身岩爆倾向性质。 由全应力—应变曲线形态(图1)不难看出:峰值前应变量εb与峰值后应变量εa之比可近似表征岩石峰值前存储的应变能A1与峰值后岩石破坏所需能量A2之间的相对大小关系,因此可用峰值前应变εb和峰值后应变εa之比来描述岩石的岩爆倾向性。 同时峰值前应变量εb与峰值后应变量εa可较容易地从全应力—应变曲线中读取出来,可避免在计算岩石受载存储的应变能A1和峰后岩石破坏过程中所需耗散的能量A2时根据应力—应变曲线求积分的误差,可在很大程度上简化计算。 同时可以看出k2为一无量纲数值。

图1 岩石单轴加载全应力—应变曲线Fig.1 Full stress-strain curve of rock under uniaxial loading

2.3 新岩爆判据指标

2.3.1 新判据指标提出

综上所述,本研究认为岩爆判据指标应考虑岩爆发生的充分必要条件,既要考虑岩爆发生的外部条件即应力条件,又要考虑岩石固有的岩爆倾向性条件。因此采用外部因子和内部因子相乘,作为判断具体工程的岩爆风险指标(R),其表达式为

式中,σ1为待评估区最大主应力,MPa;σc为岩石单轴抗压强度,MPa;εb为岩石峰值前应变;εa为岩石峰值后应变。 显然R值越大,岩爆风险性越高。

该指标判据采用外部因素(应力因素)和内部因素(岩石自身岩爆倾向性因素)无量纲乘积形式,综合考虑了岩爆发生的应力和岩石自身岩爆倾向性即岩爆发生的充分必要条件,提高了预警准确性,降低了误判可能。 只有两者同时取较高(低)值时R值才较高(低),有助于避免单一因素产生误判。 例如当σ1/σc值较大时,显示岩石处于高应力状态,具备产生岩爆的外部应力条件(单一因素判据可能判断具有高岩爆风险),但εb/εa值较小时,意味着岩石岩爆倾向性较低,此时R取值不会太大,岩爆风险判别不会太高。 同样的,当εb/εa值较大,意味着岩石岩爆倾向性较高(单一因素判据可能判断具有高岩爆风险),但σ1/σc值较小时,即显示岩石处于较低应力状态,意味着岩石岩爆倾向性较低,R取值不会太大,岩爆判别风险不会太高。

从以上分析可以看出该指标提高了判别结果的可靠性和稳定性。 该指标所用参数除了岩爆风险待评估区最大主应力σ1外,其他参数均可直接在岩石全应力—应变曲线上获得,无须进行复杂的计算,易于操作。

2.3.2 岩爆等级判别区间确定

本研究岩爆指标判据中不同等级岩爆判别区间确定依据为室内试验结果或现场具体岩爆案例总结[2]。 本研究选用锦屏二级地下深埋实验室[7-8]、冬瓜山铜矿[9-10]、金川二矿[11]和巴基斯坦Neelum-Jhelum(N-J)水电站引水隧道[12-13]等重大深部工程的岩石力学参数及岩爆实际发生情况(表2),对岩爆判据指标R不同等级的岩爆判定区间进行初步确定。 当R＞4 时为强岩爆,当2＜R≤4 时为中等岩爆,当1＜R≤2 时为弱岩爆,当R≤1 时为无岩爆。 后期随着研究的深入和更多典型岩爆工程案例的出现,不同等级的岩爆判别区间划分会更加精确。

表2 典型重大深埋工程及相关参数Table 2 Typical major deep buried engineering and relevant parameters

3 某金矿岩爆倾向性评估

某金矿矿床完全位于海底岩体中,为海下开采矿山。 设计采选能力396 万t/a,首采区位于-1 480 m水平,后期深度可达1 800 m 以上,为特大型超埋深矿井,超埋深开采可能面临高地应力诱导的岩爆灾害,因此有必要对该矿岩爆风险进行评估。

该矿岩性比较单一,以花岗岩为主,在首采区(-1 480 m)取大块岩石,在室内将试块加工成3 个标准岩样。 加工后的岩石试样在刚性试验机上测定所需的岩石全应力—应变曲线,花岗岩单轴破坏典型形式及其应力—应变曲线如图2 所示。

图2 花岗岩单轴破坏典型形式及其应力—应变曲线Fig.2 Typical forms of uniaxial failure of granite and its stress-strain curve

在应力—应变曲线上分别获取3 个试样的峰值强度、峰前应变和峰后应变,如表3 所示。

表3 花岗岩岩石力学参数Table 3 Typical major deep buried engineering and relevant parameters

根据该矿2#钻孔地应力测试结果,勘探区应力场以水平应力为主导,最大水平主应力SH与铅直主应力Sv的比值为1.06～1.41,平均为1.24。 2 个水平主应力比值为1.19～1.54,平均为1.37,最大水平主应力为12. 61 ～39. 74 MPa,最小水平主应力为10.64～28.89 MPa。

从图3 可以看出,2 个水平方向主应力和铅直主应力随着上覆岩层厚度(即埋深)的增加而增加,并基本呈线性关系。 该矿2#钻孔各测点的最大水平主应力(SH)、最小水平主应力(Sh)和铅直主应力(Sv)与钻孔深度的关系可分别表示为

图3 2钻孔主应力值随深度变化特征Fig.3 Variation characteristics of the principal stress value of 2#borehole with depth

式中,D为钻孔深度(向下为正),m。

将表3 岩石力学相关数据及最大主应力代入新的岩爆指标判据,可得花岗岩3 个试样的R值分别为2.65、2.92、2.70,均值约为2.76。 根据该岩爆判据,岩爆风险待预警区域有潜在中等岩爆风险。

目前,该矿还处于基建阶段,预测结果暂时无法进行现场验证。 但其紧邻矿井三山岛金矿在-780.4～-764.3 m采场发生了轻微岩爆,-780 m采场最大主应力实测值为33 MPa[14],根据本研究所提岩爆指标判据方法计算的R值分别为1.76、1.94、1.79。 根据新的岩爆判据,该采场存在轻微岩爆风险,岩爆预测等级与实际发生等级一致,佐证了所提指标的可靠性。 某金矿首采区位于-1 480 m 水平,其地应力高达49.6 MPa,随着采深增加,岩爆风险等级势必高于-780 m 水平(该金矿在与三山岛金矿同水平即-780 m 水平发生轻微岩爆的可能性极高),根据新的岩爆判据,岩爆风险将增至中等岩爆。 在-1 480 m 水平岩爆风险区可采取优化开拓巷道布置和优化回采顺序、选择合理的采矿方法和工艺,在巷道掘进和回采过程中建议采用岩爆微震监测技术[15-18],严密监视岩爆风险,必要时可采取岩层注水、爆破卸压、钻孔卸压等主动岩爆防控措施,软化围岩降低其岩爆倾向性,降低应力集中程度弱化岩爆发生的应力条件。 当岩爆风险较高时,可对支护方案进行吸能优化设计同时继续加强支护,采用“主动防御”与“被动防护”相结合的岩爆综合防控策略。

4 结 论

(1)分析了现有岩爆倾向性判据的优缺点,指出了现有多数岩爆指标仅考虑岩爆发生的外界条件或仅考虑岩爆发生的内部条件(岩石自身岩爆倾向)的不足。

(2)提出了一种考虑内外因素的岩爆等级评估方法,该方法充分考虑了岩爆发生的充分必要条件即岩爆发生的外在驱动力(应力条件)和岩爆发生的内在条件(岩石固有的储能、耗能特性)。 该方法所用参数易于获得,无须进行复杂计算,易于操作。

(3)结合多个重大工程案例初步给出了新岩爆指标判据中不同等级岩爆风险的判别区间。 应用该判据判别了山东某超埋深金矿-1 480 m 水平岩爆倾向性,判别结果为中等岩爆风险,判别结果经分析认为可靠性较高,证明了所提岩爆指标的准确性。 应当指出的是:本研究所提岩爆指标判据仅适用于岩性相对单一、地质条件相对简单的深部地下工程。