地下深井礦山巖爆發(fā)生規(guī)律及形成機理研究-

1、第22卷 第8期巖石力學(xué)與工程學(xué)報 22(8:125012542003年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.,20032001年12月14日收到初稿,2002年2月24日收到修改稿。作者 唐紹輝 簡介:男,37歲,碩士,1984年畢業(yè)于同濟大學(xué)工程地質(zhì)專業(yè),現(xiàn)任教授級高級工程師,主要從事礦山巖體工程地質(zhì)、巖石力學(xué)方面的研究工作。地下深井礦山巖爆發(fā)生規(guī)律及形成機理研究唐紹輝1 吳壯軍1 陳向華2(1長沙礦山研究院 長沙 410012 (2云南會澤鉛鋅礦 會澤 654212摘要 巖爆是一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害,根據(jù)會澤鉛鋅礦

2、麒麟廠礦區(qū)工程地質(zhì)鉆探和現(xiàn)場調(diào)查中所發(fā)現(xiàn)的巖芯餅化和穿脈巷道側(cè)幫片狀剝落現(xiàn)象,總結(jié)了該礦巖爆發(fā)生的基本規(guī)律;并根據(jù)調(diào)查和實驗結(jié)果分析了巖爆的形成機理,為選擇合理的深部采礦方法和巖爆控制提供了重要依據(jù)。 關(guān)鍵詞 地下工程,礦山,巖芯餅化,巖爆分類號 TD 235.1 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-6915(200308-1250-05APPROACH TO OCCURRENCE AND MECHANISM OF ROCKBURSTIN DEEP UNDERGROUND MINESTang Shaohui 1,Wu Zhuangjun 1,Chen Xianghua 2(1Changsha

3、Institute of Mining Research , Changsha 410012 China (2Huize Lead-Zinc Mine , Huize 654212 China Abstract Rockburst is a kind of geological disaster attributed to dynamic instability. Based on the phenomena of both rock core disking and side wall scaling in cross-cut drift ,which were found in the e

4、ngineering geological drilling and the site investigation in Qilinchang Mining Area ,Huize Lead-Zinc Mine ,the basic patterns of rockburst in this mine are summed up ,and the mechanism of rockburst is analyzed according to the results obtained from investigation and experiments. The study results pr

5、ovide an important basis for a reasonable selection of deep mining methods and the rockburst control. Key words underground engineering ,mine ,rock core disking ,rockburst1 引 言巖爆是高地應(yīng)力條件下地下工程開挖過程中,硬脆性圍巖因開挖卸荷導(dǎo)致洞壁應(yīng)力分異,巖體內(nèi)原先儲存的彈性應(yīng)變能突發(fā)性的急劇釋放,因而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害,這種巖體內(nèi)儲存的應(yīng)變能是因久遠的歷史年代內(nèi)由于地殼構(gòu)造運動而積

6、聚生成的。隨著地下礦山開采深度的增加,巖爆對礦業(yè)生產(chǎn)的威脅有日益嚴(yán)重的趨勢。20世紀(jì)80年代開始,國內(nèi)外學(xué)術(shù)界結(jié)合現(xiàn)代巖體力學(xué)新的理論發(fā)展成果,提出了關(guān)于巖爆破壞機理的若干新假說,主要包括失穩(wěn)理論、斷裂理論、損傷理論和突變理論。由于巖 爆是極為復(fù)雜的動力失穩(wěn)現(xiàn)象,迄今為止,人們對其形成機理還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。會澤鉛鋅礦是云南省的重要鉛、鋅生產(chǎn)基地,近年來,又相繼發(fā)現(xiàn)了幾個有開采價值的礦體。在麒麟廠8#,10#礦體工程地質(zhì)鉆探過程中均發(fā)現(xiàn)不同程度的巖芯餅化現(xiàn)象,且在10#礦體現(xiàn)場調(diào)查過程中,在川脈巷道中發(fā)現(xiàn)側(cè)幫巖體有較為典型的片狀剝落現(xiàn)象,本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)巖石力學(xué)實驗結(jié)果,分析了巖爆的發(fā)生規(guī)

7、律及形成機理,為將來礦山開發(fā)過程中巖爆的防治提供了依據(jù)。第22卷第8期唐紹輝等. 地下深井礦山巖爆發(fā)生規(guī)律及形成機理研究 1251 2 礦區(qū)工程地質(zhì)條件會澤鉛鋅礦礦區(qū)位于揚子準(zhǔn)地臺西南緣,滇東北褶皺束東緣之礦山廠金牛廠背斜逆斷層構(gòu)造帶東北端。礦區(qū)發(fā)育NE向褶皺、斷層,沿斷層及其附近是礦床空間分布的有利部位,礦區(qū)構(gòu)造以NE SW向分布,迭瓦狀構(gòu)造為主要特征,NESE向構(gòu)造次之,見圖1。其10#礦體1 571 m中段埋深約920 m。據(jù)地應(yīng)力測試資料,沿巖層走向方向的水平主應(yīng)力為28 MPa。10#礦體賦存于下石炭統(tǒng)擺佐組粗晶白云巖中。礦體走向N1225E,傾向SE,傾角5465,金屬礦物主要由方

8、鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦組成。其上盤圍巖為:馬坪組(C3m為紫色、灰紫色泥質(zhì)膠結(jié)的角礫狀灰?guī)r,夾兩層同色泥質(zhì)頁巖,中部淺灰色厚層狀骨屑灰?guī)r,上部為灰色豆?fàn)罨規(guī)r;威寧組(C2w為灰色中厚層灰?guī)r夾鮞狀灰?guī)r,底部為白云質(zhì)灰?guī)r。下盤圍巖為:擺佐組(C1b為灰白色、米黃色、肉紅色中粗晶白云巖夾淺灰色灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r;上泥盆統(tǒng)宰格組第三段(33zgD為灰色隱晶灰?guī)r、黃白色及肉紅色中晶白云巖;下石炭統(tǒng)大塘組(C1d上部為灰色隱晶灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r,底部為一層05 m 的深灰、褐黑色細至粉砂巖及紫色泥巖。3 會澤鉛鋅礦巖爆發(fā)生的基本規(guī)律3.1巖芯餅化現(xiàn)象所謂巖芯餅化現(xiàn)象,就是指在鉆進過程中巖芯斷裂成“餅”狀的現(xiàn)象。這

9、種現(xiàn)象主要見于火成巖地區(qū),但在堅硬變質(zhì)巖及沉積巖中也能見到。這一現(xiàn)象早在20世紀(jì)60年代就有發(fā)現(xiàn),但直到70年代,人們認(rèn)識到它是高地應(yīng)力區(qū)所特有的巖體力學(xué)現(xiàn)象時,才引起足夠重視。我國二灘電站、魯布革電站、黃河拉西瓦電站、金川礦區(qū)等都有巖芯餅化現(xiàn)象,在會澤鉛鋅礦麒麟廠礦體現(xiàn)場工程地質(zhì)鉆探過程中,在各巖層中均發(fā)現(xiàn)有不同程度的巖芯餅化現(xiàn)象?，F(xiàn)場統(tǒng)計結(jié)果表明,巖芯餅化現(xiàn)象具有如下特征:(1 分布范圍廣,但數(shù)量較少。在所施工的鉆孔中,大部分鉆孔見餅化現(xiàn)象,但餅化數(shù)量并不多,即餅化現(xiàn)象并不嚴(yán)重。(2 巖餅厚度小。平均厚度12 cm,最薄的僅0.20.3 mm,一般厚度為0.8 mm左右。(3 有一類還未斷

10、開成餅狀的巖芯,其上清晰可見由互相迭錯的細小齒狀裂縫構(gòu)成的環(huán)帶,裂縫最大張開度約0.5 mm,這類巖芯可順裂縫將其掰成餅狀,之后還能就其原始位置接起來。(4 巖餅主要有兩種形態(tài):一種表面凹凸不平;另一種表面平整光滑,巖餅表面新鮮,無浸染痕跡。鉆孔餅化巖芯及巖餅形態(tài)見圖2,3。3.2巷道圍巖的片狀剝落現(xiàn)象在10#礦體1 571 m中段的穿脈巷道中,發(fā)現(xiàn)在C3m,C2w,C1b地層和礦體中均有不同程度的巷道圍巖片狀剝落現(xiàn)象,尤以在C2w巖層中出現(xiàn)的片狀剝落現(xiàn)象最多。片狀剝落現(xiàn)象具有如下特征: 圖1 會澤鉛鋅礦礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure of mining a

11、rea in Huize Lead-Zinc Mine 1252 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2003年 圖2 鉆孔中出現(xiàn)的巖餅 Fig.2 Rock disk produced in drilling 圖3 巖芯餅化后的形態(tài) Fig.3 Morphology of disked rock-core(1 片狀剝落主要發(fā)生在上盤巖體中,且主要位于C 2w ,C 3m 巖層交界處附近的C 2w 層中;(2 片狀剝落段巖性主要為灰色泥粉晶灰?guī)r,C 3m 地層中的泥巖夾層距C 2w ,C 3m 巖層交界處距離越近,C 2w 層中的片狀剝落越嚴(yán)重;(3 剝片延伸大致與巷道壁面平行,沿巷道方向延伸最長約22.0

12、m ,破裂面的巖塊厚度為0.510 cm ,剝片為中間厚度大致相等的板狀巖片,向巷道側(cè)幫內(nèi)延深約0.30.8 m 。4 巖爆類型與巖爆烈度分級巖爆類型與巖爆烈度分級是巖爆預(yù)測和防治的基本依據(jù)1,2。為了給10#礦體選擇采礦方法及為今后開采過程中預(yù)防巖爆的發(fā)生提供依據(jù),根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,對10#礦體的巖爆類型與巖爆烈度分級結(jié)果如下:(1 按破裂程度將其分為破裂松弛型; (2 按規(guī)模將巖爆劃分為零星巖爆(長0.510 m和成片巖爆(長1020 m;(3 根據(jù)巖爆巖體破壞方式,將其劃分為片狀剝落型;(4 根據(jù)巖爆巖體高地應(yīng)力成因和最大主應(yīng)力1方向,將其劃分為混合應(yīng)力型。依據(jù)具體應(yīng)力條件和巖爆

13、特點,巖爆主要發(fā)生在綜合應(yīng)力作用下,臨近C 3m 地層中泥巖夾層的C 2w硬脆性巖層中,由巖性軟硬條件所造成的局部應(yīng)力集中區(qū)。在巖層軟硬變化部位,該類巖爆多發(fā)生在硬脆性夾層側(cè),這主要是由于臨近軟巖的這些硬脆性夾層由于前者應(yīng)力調(diào)整而出現(xiàn)局部應(yīng)力增高所致。從多種巖爆烈度劃分方法比較,其巖爆烈度主要為輕微或弱巖爆。5 巖爆的成因和發(fā)生機理5. 1 巖爆的成因條件影響巖爆發(fā)生的因素很多,主要有巖體強度、巖石巖爆傾向性、巖石含水率、地質(zhì)構(gòu)造、原巖應(yīng)力場大小與方向等,影響10#礦體巖爆發(fā)生的關(guān)鍵因素如下所述。5.1.1 原巖應(yīng)力場對巖爆的影響在高應(yīng)力區(qū)的堅硬巖石具有較強的彈性儲蓄能力,容易積聚較高的彈性應(yīng)

14、變能。在高地應(yīng)力區(qū)開挖洞室和巷道,使得洞室和巷道周邊的應(yīng)力重分布,其應(yīng)力值可達初始地應(yīng)力的23倍。計算結(jié)果表明,1 571 m 中段C 2w 巖層中,川脈巷道周邊應(yīng)力集中系數(shù)為2.0左右,最大應(yīng)力達59.71 MPa 。已有的國內(nèi)外巖爆工程實測應(yīng)力資料可分為兩類:一是洞室周邊最大主應(yīng)力,二是現(xiàn)場原巖最大主應(yīng)力。這是兩個不同的物理量,但兩者之間又有一定的聯(lián)系,根據(jù)已有資料36統(tǒng)計分析,洞室周邊最大主應(yīng)力與巖石單軸抗壓強度的比值和巖爆裂度的關(guān)系如表1所示。表1 巖爆烈度與各指標(biāo)的關(guān)系Table 1 Relation of rockburst intensity with main factors類

15、型 /R cR c /R t類型 /R cRc /R t無巖爆40 中等巖爆 0.50.7 26.714.5弱巖爆0.30.54026.7強巖爆0.714.5一般當(dāng)R c /1 = 36時就會發(fā)生巖爆或巖芯餅化,小于3可能發(fā)生嚴(yán)重巖爆。如GB50218-94(BQ 分級中,將Rc /max 4定為極高應(yīng)力區(qū),R c /1= 47為高應(yīng)力區(qū)。Barton 的Q 系統(tǒng)中考慮應(yīng)力折減系數(shù)時,將R c /1=2.55.0,R t /1=0.160.33定為有輕微巖爆可能;R c /12.5,R t /1150 MPa 的火成巖或R c 50 MPa 的沉積巖,容易發(fā)生巖爆,表3為巖石的彈性變形能指數(shù)W

16、 et 及變形脆性系數(shù)K u 與巖爆烈度的統(tǒng)計關(guān)系。從巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線上反映來看,具有型曲線特征的巖石會發(fā)生巖爆,但是,具有型曲線特征的巖石在一定條件下也會產(chǎn)生巖爆。10#礦體上盤C 2w 圍巖為泥質(zhì)網(wǎng)紋狀灰?guī)r夾鮞狀灰?guī)r,巖石全應(yīng)力-應(yīng)變過程曲線具有型曲線特征,單軸抗壓強度為39.9476.87 MPa(平均值為54.24 MPa,彈性變形能指數(shù)W et 為3 .17,脆性變形系數(shù)K u 為4.48,具有弱巖爆傾向。含泥質(zhì)灰?guī)r中發(fā)生巖爆活動,在國內(nèi)外并不多見。據(jù)報道,在川藏公路二郎山公路隧道的砂質(zhì)泥巖中,先后發(fā)生多次輕微中等巖爆,其表現(xiàn)形式也主要是洞周巖石大量剝落掉塊。表3 W et

17、,K u 與巖爆烈度的統(tǒng)計關(guān)系Table 3 Statistic relation of W et and K u with rockburstintensity類型 W et K u 類型W etK u 無巖爆2.05.09.0除了以上巖性條件外,巖體的完整程度對是否發(fā)生巖爆影響也很大?，F(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和鉆探發(fā)現(xiàn),上盤C 2w 中節(jié)理裂隙不太發(fā)育,其巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 值一般大于70%,屬于比較完整的巖體。此外,值得重點強調(diào)的是:上盤C 2w 巖層中片狀剝落比較嚴(yán)重的地段,都是離C 3m 地層中的泥質(zhì)夾層很近的C 2w 巖層。地質(zhì)構(gòu)造對片狀剝落的嚴(yán)重程度起著重要的影響:即該泥質(zhì)夾層的厚度大,

18、達8.0 m 左右;同時,C 3m 巖層中的泥質(zhì)夾層的存在造成了其下盤巖體形成局部應(yīng)力增高現(xiàn)象。因而,當(dāng)巷道開挖至巖性硬軟變化部位時,巖爆往往發(fā)生在硬脆性夾層側(cè)。這一規(guī)律性的認(rèn)識可作為10#礦體區(qū)域巷道掘進施工過程中進行巖爆預(yù)測和預(yù)防的一個重要地質(zhì)依據(jù)。5.1.3 開挖深度對巖爆的影響由于地應(yīng)力大小是影響巖爆發(fā)生與否的因素之一,而開挖深度又與地應(yīng)力有著密切的關(guān)系,故開挖深度也是影響巖爆發(fā)生的一個不可忽視的因素。如在進行會澤鉛鋅礦6#,8#礦體工程地質(zhì)評價時,雖然在工程地質(zhì)鉆孔中也發(fā)現(xiàn)有巖芯餅化現(xiàn)象;但在現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查時,并未發(fā)現(xiàn)有穿脈巷道的片狀剝落現(xiàn)象。8#礦體1 571 m 中段的埋藏深度

19、為650 m 左右,沿巖層走向的原巖應(yīng)力為21 MPa 左右;10#礦體1 571 m 中段的埋藏深度約為920 m 。雖然8#,10#礦體同在麒麟廠逆斷層上盤,具有類似的工程地質(zhì)條件,但10#礦體就有巖爆現(xiàn)象發(fā)生,因此,開挖深度也是影響巖爆發(fā)生的一個重要因素。一般來說,無論是在硬巖開挖條件下的金屬礦山,還是在煤礦,巖爆的發(fā)生都存在一個發(fā)生的臨界深度,有的學(xué)者還提出了巖爆臨界深度預(yù)測的計算公式。表4是幾個主要采礦國家?guī)r爆發(fā)生的臨界深度。表4 主要采礦國家?guī)r爆發(fā)生的臨界深度 Table 4 Critical depth of rockburst occurring in mainmining c

20、ountries國家名稱 美國加拿大前蘇聯(lián) 波蘭 德國 南非印度英國臨界深度/m150180 200 240 300 300480600大量的開采實踐已證明,隨著開采深度的增加,巖爆的數(shù)量、頻度及造成的損失也增大;隨著會澤鉛鋅礦深部資源開發(fā),其開采深度也是漸漸加大,巖爆災(zāi)害所造成的危害可能會更加嚴(yán)重,對于在會澤鉛鋅礦具體工程地質(zhì)條件下的巖爆發(fā)生與深度的關(guān)系還有待進一步的研究。 5.2 巖爆的發(fā)生機理巷道開挖后,在巷道周邊一定范圍內(nèi)形成局部應(yīng)力集中,且主應(yīng)力跡線與洞壁基本平行,洞周部位的切向應(yīng)力遠大于1,而法向應(yīng)力r 很小,甚至等于0。因此,洞周部位的巖體是處于單軸受壓 1254 巖石力學(xué)與工程

21、學(xué)報 2003年或是低圍壓的脆性破壞狀態(tài)。由巖石單軸壓縮實驗結(jié)果可知,處于脆性破壞狀態(tài)的試件破裂有兩種類型7:一種是張性破裂,它的特點是破裂面與1的作用方向平行;另一種是斜向剪切面。這兩種巖石脆性破壞的破壞特征與劈裂松脫型巖爆和張剪彈射型巖爆的破壞特征相對應(yīng)。10#礦體區(qū)域的不同巖石在INSTRON剛性壓力機上所作的單軸壓縮實驗表明,巖石單軸壓縮破壞后,主要呈張性破裂。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明,在10#礦體區(qū)域的原巖應(yīng)力水平下,上盤巖體以張性破裂為主,10#礦體區(qū)域的巖爆破壞特征應(yīng)屬較低應(yīng)力水平下脆性不穩(wěn)定的斷裂失穩(wěn),即屬于劈裂破壞。由于洞周部位主應(yīng)力跡線與洞壁基本平行,由此產(chǎn)生一組與巷道壁面基本上平行的張性破裂面,形成一組近于成板狀的巖片。在切向應(yīng)力的作用下,巖片產(chǎn)生潰屈折斷,或在巖片邊緣形成局部斜向剪斷,形成劈裂松脫型巖爆?，F(xiàn)場實際所發(fā)生巖爆特征與巖石室內(nèi)實驗結(jié)果都表明,上盤圍巖的脆性破壞類型決定了巖爆破壞的特征。6 結(jié)語根據(jù)目前的地質(zhì)勘探結(jié)果,10