硬巖金屬礦山深部開采中的動力學(xué)問題

李夕兵，姚金蕊，宮鳳強

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083；2. 深部金屬礦產(chǎn)開發(fā)與災(zāi)害控制湖南省重點實驗室，長沙 410083)

硬巖金屬礦山深部開采中的動力學(xué)問題

李夕兵1,2，姚金蕊1，宮鳳強1,2

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083；2. 深部金屬礦產(chǎn)開發(fā)與災(zāi)害控制湖南省重點實驗室，長沙 410083)

從深部開采環(huán)境闡述了金屬礦硬巖在高地應(yīng)力作用下的儲能特征，并從深部開采工藝方面分析了隨著金屬礦山開采深度的不斷增加，連續(xù)采礦方法已經(jīng)成為未來深部開采的必然趨勢。通過分析，認(rèn)為處于高應(yīng)力下的硬巖礦體在承受連續(xù)采礦法帶來的動力擾動時，可以認(rèn)為是巖石動靜組合的受力問題。在此基礎(chǔ)上，利用巖石動靜組合加載理論分析了硬巖礦山在深部開采中的幾個關(guān)鍵動力學(xué)問題，主要包括：硬巖礦山深部開采中的系統(tǒng)擾動和巖爆、深部開采中爆破引發(fā)的礦震及巷道失穩(wěn)現(xiàn)象、深部硬巖開采中的能量釋放與有序調(diào)控。理論分析和工程實踐證明，硬巖金屬礦山深部開采中存在的很多動力學(xué)問題可以利用巖石動靜組合加載理論進(jìn)行科學(xué)論證和分析，這對深部采礦的工程實踐有較好的指導(dǎo)意義。

硬巖；金屬礦山；深部開采；動力學(xué)問題；巖爆；誘導(dǎo)崩落；非爆開采

隨著對礦產(chǎn)資源需求量的增加和淺部資源的不斷消耗，國內(nèi)外越來越多的金屬礦山進(jìn)入深部或更深的開采狀態(tài)。據(jù)不完全統(tǒng)計[1]，國外開采深度超千米的金屬礦山已經(jīng)有80多座。南非Witwatersrand地區(qū)的TauTona金礦在2008年開采至地下3 900 m，超過了南非3 585 m的East Rand金礦[2]。TauTona金礦在2009年開采深度達(dá)到3 910 m，成為目前世界上開采深度最深的礦山[3]，而且計劃對在同一地區(qū)的Mponeng金礦在未來拓展到4 500 m[4]。北美最深的硬巖礦山是加拿大魁北克省 Rouyn-Noranda東部的Agnico-Eagle's LaRonde，其中3號礦井已經(jīng)達(dá)到3 000 m以下，目前也是西半球最深的礦井[3]；澳大利亞昆士蘭州Mount Isa的硬巖礦山最深達(dá)到1 800 m[3]；最深的鉑鈀礦位于南非的Merensky Reef地區(qū)，深度達(dá)到2 200 m[3]。印度Kolar金礦開采至地下3 200 m[5]；瑞典Kristineberg礦開采深度已達(dá)1 100 m[6]。雖然和國外的眾多深部金屬礦山相比，中國的金屬礦開采深度較淺，但是一大批金屬礦山也已進(jìn)入深部開采行列。例如遼寧省撫順的紅透山銅礦開拓深度已經(jīng)達(dá)到 1 357 m，開采深度達(dá)到1 197 m[7?8]。安徽安慶冬瓜山銅礦主井井深1 120 m，副井井深1 023 m，輔助井深1 101.5 m[9]。在黃金礦山中，吉林夾皮溝金礦一段盲豎井240～690 m，二段盲豎井690～1 320 m，該礦的二段盲豎井將來還要延深至1 635 m[10]。河南靈寶崟鑫金礦豎井掘進(jìn)深度已達(dá)1 500 m[11?12]。此外，山東招遠(yuǎn)玲瓏金礦、云南會澤鉛鋅礦、廣東韶關(guān)凡口鉛鋅礦、湖北鄂州程潮鐵礦等都基本已進(jìn)入深部開采[8,13?14]。

從20世紀(jì)90年代中期至今，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者就開始關(guān)注金屬礦山深部開采未來的發(fā)展趨勢，作了很多前瞻性的展望和研究，提出了許多很好的建議[15?30]。例如韓志型和王維德[15]主要結(jié)合加拿大硬巖礦山深部開采情形分別從深部開采方法、采礦誘發(fā)地震、采礦的遙控和自動化、巖石力學(xué)與信息自動化技術(shù)的相互作用等方面進(jìn)行了論述；孫宏華[17]闡述了對我國金屬礦床深部開采進(jìn)行研究的必要性和迫切性，并介紹了對金屬礦床深部開采需要研究的主要內(nèi)容，而且認(rèn)為深部礦體開采技術(shù)是一項綜合技術(shù)，是一項系統(tǒng)工程項目，需由國家組織攻關(guān)；李夕兵等[18]首先闡述了中國有色金屬工業(yè)的現(xiàn)狀，而后分析了金屬礦開采所面臨的困難和問題，提出為了保持我國有色金屬采礦業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展，必須對以深部礦床為對象的深部開采技術(shù)等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上基于礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略觀，提出了地下金屬礦山階段開采的新模式——上行階段開采模式[21]。這些研究論文主要從宏觀方面，包括采礦現(xiàn)狀、采礦環(huán)境、采礦方法和工藝、采礦裝備及技術(shù)等方面綜述了金屬礦山深部開采所面臨的問題，專門從力學(xué)的角度討論金屬礦山深部開采的論文還不多見。

進(jìn)入深部開采環(huán)境的礦山，將面臨高應(yīng)力、高溫度、高井深的問題，目前所采用的采礦方法是否適用以后的深部開采，特別是隨著這些礦山后期的大規(guī)模動力開采，如果不采取與高應(yīng)力環(huán)境相適應(yīng)的采礦技術(shù)與工藝，勢必發(fā)生較大的地壓災(zāi)害，也會嚴(yán)重地阻礙礦山的規(guī)?；a(chǎn)。據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有資料顯示，很多金屬礦山在深部開采中都遇到了巖爆、巖體冒落以及硐室失穩(wěn)現(xiàn)象等動力災(zāi)害問題，有的災(zāi)害還造成了很大的人員傷亡和損失。因此，必須積極地探索和研究深部高應(yīng)力區(qū)的采礦技術(shù)與災(zāi)害預(yù)測、控制理論。

但是另外一方面，如參考文獻(xiàn)[22]中所闡述的：在深井開采的科學(xué)研究中，人們的注意力多集中在高應(yīng)力礦巖的巖爆機理與預(yù)測預(yù)報方面，立足于高應(yīng)力所誘發(fā)工程災(zāi)害的防治。然而，事物都有兩面性，深井高應(yīng)力既有誘發(fā)災(zāi)害的不利方面，又有可利用的方面。在礦床開采過程中，落礦作為主要采礦工藝也可以利用高應(yīng)力所具有的碎裂誘變特性，來能動地控制礦石塊度、改善破碎質(zhì)量。這是因為在深井開采中，堅硬礦巖出現(xiàn)的“好鑿好爆”現(xiàn)象給人們重要啟示，這種現(xiàn)象就是高應(yīng)力所致。人們有理由對這一新的思路給予重視，并開展高應(yīng)力條件下堅硬礦巖的碎裂誘變機理研究，通過工程布置優(yōu)化，達(dá)到合理利用巖體儲能的目的，以更好地實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)回收深部礦產(chǎn)資源。要針對金屬礦硬巖深部開采引起的動力災(zāi)害或動力學(xué)問題進(jìn)行研究，必須從硬巖深部開采的環(huán)境和工藝兩個主要方面入手進(jìn)行分析，了解這些動力學(xué)問題發(fā)生的主要影響因素。

1 硬巖深部開采環(huán)境和工藝引起的動力學(xué)問題

開采環(huán)境主要指深部開采的天然因素，也可稱之為內(nèi)在因素；開采工藝是指深部開采的人工因素，也可稱之為外在因素。綜合來講，首先要了解硬巖深部的巖性特征和受力特征與淺部的區(qū)別，進(jìn)而明確適用于硬巖深部開采的采礦技術(shù)和方法，并在兩者基礎(chǔ)上對深部硬巖開采引起的動力學(xué)問題進(jìn)行科學(xué)的歸納和定義，并通過理論基礎(chǔ)研究，最后為硬巖深部開采的工程實踐提供工程指導(dǎo)和技術(shù)保障。

1.1 深部金屬礦巖的高地應(yīng)力賦存條件

深部采礦工程必須查明地殼中的地應(yīng)力方向和大小，這是開采設(shè)計的基礎(chǔ)。根據(jù)現(xiàn)有的地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)，垂直的應(yīng)力一般隨著深度的增加而線性增大，而水平應(yīng)力的變化規(guī)律比較復(fù)雜。圖1所示為Brady和Brown給出的各國垂直和水平地應(yīng)力隨深度增加的變化規(guī)律[31]。從圖1可以看出，隨著埋深的增加，垂直應(yīng)力的變化為每1 km大約增加26 MPa。

圖1 各國地應(yīng)力測量結(jié)果[31]Fig.1 Stress measurement results from many countries[31]:(a) Curves of depth vs vertical stress; (b) Curves of depth vs horizontal stress

目前，國內(nèi)外深部金屬礦山基本都處于地表以下500 m甚至幾千米，在此深度下，礦體受到高應(yīng)力的作用。圖2所示為安徽銅陵冬瓜山銅礦礦體賦存位置示意圖[32]。整個礦體大約在地表下?600到?1 000 m。圖3所示為冬瓜山銅礦的應(yīng)力實測數(shù)據(jù)圖[33]。由圖3可以看出，最大主應(yīng)力隨著深度的增加而線性增加，在?730 m處大約為35～40 MPa。高應(yīng)力的存在是造成深部采礦和淺部采礦最大區(qū)別之一。

1.2 深部金屬礦山的硬巖巖性和儲能特征

圖2 安徽冬瓜山銅礦礦體賦存位置[32]Fig.2 Ore location of Dongguashan Copper Mine[32]

圖3 冬瓜山銅礦地應(yīng)力隨深度變化圖[33]Fig.3 Stress change with depth in Dongguashan Copper Mine[32]

從巖石特性來講，金屬礦山和煤礦以及其他部分非煤礦山相比，最顯著的區(qū)別之一是金屬礦山的礦巖基本都屬于硬巖巖性。金屬礦床屬于硬巖是由金屬礦生成的天然條件決定的。當(dāng)深部探礦進(jìn)入第二深度空間(地下500～2 000 m)范圍內(nèi)，金屬礦床，特別是大型、超大型礦床和礦集區(qū)的形成均必然源于殼、慢深處，即在熱動力作用下，巖漿活動、上涌， 并強烈分異并調(diào)整。在這樣的物質(zhì)與能量強烈交換下，在運移過程中促使含礦元素不斷聚集，進(jìn)而形成大型、超大型礦床和多金屬共生的礦集區(qū)[34]。即對于大部分金屬礦床而言，大型巖漿巖巖基體是組構(gòu)大型、超大型金屬礦床的源地，是物源也是母巖體[34]。此外，變質(zhì)巖巖基體也是形成金屬礦床的源地之一。巖漿巖和變質(zhì)巖的巖基體主要包括花崗巖、石英巖、大理巖等，這類巖石的硬度基本都很高。例如，加拿大Sudbury銅、鎳礦區(qū)巖體圍巖為元古代的砂巖、石英巖、角閃巖和凝灰?guī)r，巖盆中巖相由邊緣向中心為蘇長巖、輝長巖和花崗斑[35]；我國銅陵冬瓜山銅礦礦體主要由含銅矽卡巖、含銅黃鐵礦、含銅磁黃鐵礦和含銅蛇紋巖等構(gòu)成。礦體底盤直接圍巖為石炭系下統(tǒng)高麗山組巖石和石英閃長巖，以角巖化粉砂巖為主。礦體直接頂盤巖石為黃龍組大理巖，上部為棲霞組大理巖等巖石。1992年，北京有色冶金設(shè)計研究總院對冬瓜山礦石和頂?shù)装?6種巖石進(jìn)行了物理力學(xué)實驗工作，得到各類巖石單軸抗壓強度參數(shù)，如表1所列[32]。從表1可以看出，單軸抗壓強度最低的黃龍組大理巖的強度也達(dá)到了50.38 MPa，按照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》單軸抗壓強度小于30 MPa的巖石為軟巖，黃龍組大理巖也屬于較硬巖石，其他6種巖石明顯屬于硬巖。

表1 冬瓜山銅礦各類巖石抗壓強度數(shù)據(jù)[32]Table 1 Uniaxial compressive strength of several rocks in Dongguashan copper mine[32]

對于硬巖，雖然在深部巖性會發(fā)生脆?巖轉(zhuǎn)變，但這是一種出于高圍壓條件下表現(xiàn)出來的特殊變形性質(zhì)。當(dāng)采掘進(jìn)行到深部時，各種巷道、采空區(qū)對處于高圍壓下巖石形成臨空面，此時硬巖仍然表現(xiàn)出很明顯的彈脆性。具有彈脆性的巖石在承受載荷時，如果施加的荷載大小處于巖石的彈性階段內(nèi)，那么，所施加的應(yīng)變能基本都儲存在巖石內(nèi)，即硬巖具有高儲能的特性。

圖4所示是某種單軸抗壓強度90 MPa以上的砂巖在預(yù)靜載(1 kN)和循環(huán)壓縮下(加載速率 4 kN/s)的試驗曲線[36]。

另一方面，進(jìn)入深部開采后，重力引起的垂直原巖應(yīng)力通常超過工程巖體的抗壓強度(＞20 MPa)，而由于工程開挖所引起的應(yīng)力集中水平則更是遠(yuǎn)大于工程巖體的強度(＞40 MPa)，同時，巖石在構(gòu)造運動過程中仍存有部分構(gòu)造應(yīng)力，二者疊加共同累積為高應(yīng)力[24]。深部巖體在高地應(yīng)力的作用下相當(dāng)于在巖石內(nèi)部施加了部分預(yù)應(yīng)力，使深部硬巖成為儲能體。可以說深部巖體具有能量源和能量匯的特性，在一定條件下，巖體內(nèi)積蓄的變形能會釋放出來，轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽躘37]。

圖4 預(yù)靜載和動載循環(huán)加載下砂巖的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線[36]Fig.4 Stress—strain curve of sandstone under pre-static loads and cycle dynamic loads[36]

1.3 硬巖深部開采工藝的發(fā)展趨勢

在金屬礦床開采中，傳統(tǒng)的房式采礦法把階段分為礦房和礦柱，先回采礦房，后再回收礦柱。對于淺部礦山，這種方法留下大量礦柱可以支撐圍巖，控制地壓活動。但是把該方法用于深部采礦時，礦柱承受很大的靜壓力，開采過程中，礦柱還會承受來自其它采場的動應(yīng)力和由于復(fù)雜開采應(yīng)力調(diào)整產(chǎn)生的應(yīng)力擾動。礦柱在承受靜壓下的動力擾動變化，有可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的巖爆問題[32]。另外，礦柱回采過程還會帶來回收率低、作業(yè)成本高、影響經(jīng)濟(jì)效益等方面的弊端。為了變革傳統(tǒng)開采方法，中南大學(xué)在“七五”、“八五”、“九五”期間，先后在冬瓜山銅礦和鳳凰山銅礦承擔(dān)了國家科技攻關(guān)項目“地下金屬礦采礦連續(xù)工藝技術(shù)與裝備的研究”、“地下金屬礦無間柱連續(xù)采礦工藝技術(shù)研究”和“深井硬巖連續(xù)開采技術(shù)”。實踐證明，連續(xù)采礦方法適用于深部礦山的開采，是金屬礦地下開采技術(shù)的一個重大變革，也金屬礦深部開采發(fā)展的一大趨勢。

目前，地下金屬礦山的連續(xù)采礦模式可分為如下兩類：

1) 采裝運機組的連續(xù)采礦。這是基于爆破破巖廣義的連續(xù)采礦理念。該方法主要適用于厚大礦體，它是一步驟回采的采礦方法和高效率的采、裝、運設(shè)備組成的采礦系統(tǒng)。即大礦段回采過程中，采、裝、運工藝在不同空間平行連續(xù)進(jìn)行，采用階段連續(xù)推進(jìn)(不留間柱)的回采順序。圖5所示為一高階段連續(xù)采礦的概念圖[22]。該方案的基本含義是以大礦段為回采單元，采用一步驟回采、連續(xù)推進(jìn)的階段礦房法，在回采過程中，爆破崩礦、振動出礦、運礦和充填(廢石)4個工序在不同的空間平行進(jìn)行。

圖5一步驟回采的連續(xù)采礦概念方案圖[22]Fig.5 Continuous mining concept map of one-step actual mining[22]: 1—Waste rock filled; 2—Caving of ore; 3—Blast hole; 4—Drilling horizontal layer; 5—Pulling bottom horizontal layer; 6—Mine level by level; 7—Mine transportation Lane

2) 單一采礦機的連續(xù)采礦。 這是基于無爆破(非爆破)破巖的狹義的連續(xù)采礦理念，是指在礦房回采過程中，不是用鑿巖、裝藥、爆破的方法崩落礦石，而是用其它手段如切割、沖切、漲裂等方法來崩落礦石的一種新型方法。與傳統(tǒng)的采礦方法相比，由于無爆破采礦法取消了鑿巖—裝藥—爆破的循環(huán)作業(yè)方式，可實現(xiàn)機械化連續(xù)開采，所以勞動強度低，勞動生產(chǎn)率高。同時還因為無爆破震動，減輕了回采對礦體及圍巖的破壞，這對加強采場地壓管理及降低損失貧化都具有顯著的作用。從該技術(shù)在歷史上應(yīng)用情況來看，對地下硬巖無爆破采礦技術(shù)的研究主要著眼于薄至極薄礦脈的開采[38]。南非、澳大利亞、美國及歐洲許多國家先后利用非爆采礦對薄礦脈礦床進(jìn)行了開采試驗和應(yīng)用。中國也對該類方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。例如，1969年，南非采礦研究院利用刮刀鉆頭對地下深2 500 m的金礦進(jìn)行了采礦試驗，該方法顯著改善了上盤圍巖的條件；1983年，美國礦務(wù)局也進(jìn)行過類似試驗研究，試驗表明該方法可用于地下薄礦脈的回采，估算生產(chǎn)率為27.5 t/h左右[39]。1989～1991年期間，北京礦冶研究總院利用劈裂機劈巖法在山東招遠(yuǎn)金礦進(jìn)行了薄礦脈無爆采礦法的探索試驗。結(jié)果表明：對薄與極薄礦脈，劈裂法可以有效地進(jìn)行礦巖粉采與選別回采，礦石貧化率極小，經(jīng)濟(jì)效益明顯[38]。

對于無爆破采礦技術(shù)，在此介紹兩種典型的破巖方法[38?39]：

1) 第一種是鑿巖劈裂采礦法。該方法由美國礦業(yè)局研究發(fā)明。該方法可用于開采厚度為0.6～1.2 m的急傾斜薄礦脈。利用鑿巖劈裂機首先在礦石內(nèi)鉆鑿0.3 m深的淺孔，然后再在鉆孔深處施加徑向和切向力，以剪切和拉伸的破壞形式使礦石呈錐型破裂，如圖6所示。

2) 第二種是沖擊破裂采礦方法。由于很多深水平采場工作面巖石承受了很大應(yīng)力，往往產(chǎn)生裂縫，因此，利用高能量液壓沖擊錘通過沖擊和撬的作用完全可以破碎巖石[39]。該方法采用沖擊碎裂采礦機進(jìn)行回采，這種采礦機由一個高度靈活的高能量沖擊錘、托架、導(dǎo)向牽引裝置(可使機器沿著工作面來回移動)以及往復(fù)式刮板運輸機構(gòu)成。

圖6 鑿巖劈裂器破巖示意圖[38]Fig.6 Schematic splitting rock-drilling device[22]

1.4 硬巖深部開采的動靜組合受力特征及其力學(xué)解釋

如上述所述，深部硬巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，無論是已有的傳統(tǒng)開采方案，還是深井開采的新方案，都無可避免地受到其開采中較為頻繁的爆破崩礦、高階段落礦、機械鑿巖等引發(fā)的動力擾動。動力擾動從性質(zhì)上可分為兩大類：1) 開采系統(tǒng)帶來的擾動。多階段多礦房開采導(dǎo)致應(yīng)力調(diào)整而產(chǎn)生的巖體內(nèi)的應(yīng)力變化，即?σ隨時間變化。2) 動力擾動是由外界動載荷作用帶來的動力擾動。因此，深部硬巖實際上處于“高應(yīng)力+動力擾動”的受力狀態(tài)。圖7所示為深部采礦示意圖。如圖所示，深部礦體和圍巖在遭受炸藥爆破、開挖與崩礦擾動、機械鉆掘等動載荷作用前，已經(jīng)承受了來自地應(yīng)力、自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力等高靜應(yīng)力作用，處于一維或三維受力狀態(tài)，是典型的巖石動靜組合加載作用問題[1]。顯然，研究預(yù)靜應(yīng)力條件下巖石動靜組合強度和變形性質(zhì)，比單純研究靜載荷或者動載荷對巖石的影響要更加合理，對科學(xué)認(rèn)識深部巖石的力學(xué)特性并保證工程結(jié)構(gòu)的安全也有一定的工程意義。進(jìn)行具體的科學(xué)研究時，對巖石受高地應(yīng)力和動載荷作用下的受力狀況進(jìn)行提升和簡化，圖7(a)中A、B兩點的受力狀態(tài)可簡化為如圖7(b)和(c)所示。圖7(b)可以認(rèn)為是一維動靜組合受力狀態(tài)，圖7(c)則可以認(rèn)為是三維動靜組合受力狀態(tài)。

圖7 深部巖石受力模式示意圖[1]Fig.7 Stress modes of rock in projects at deep level[1] (ps—Static loads; pd—Dynamic load): (a) One-dimensional coupled static and dynamic load; (b) Three-dimensional coupled static and dynamic load

巖石動靜組合加載問題作為一個嶄新的研究課題，自香山175次科學(xué)會議首次被提出的[40]。目前已經(jīng)利用動靜耦合鑿巖機、基于 INSTRON試驗機和SHPB裝置的動靜組合加載設(shè)備，開展了一系列探索性的研究[41?47]。通過研究發(fā)現(xiàn)，深部巖石開采過程中承受動靜組合加載的科學(xué)認(rèn)識對于更好的觀測、理解和控制深部巖石的動力學(xué)問題有非常大的指導(dǎo)意義。

2 硬巖深部開采中的動力學(xué)問題及其分析

2.1 硬巖深部開采中的巖爆與開采系統(tǒng)擾動

深部礦體開采過程中，巖爆加劇并頻發(fā)是廣大巖石力學(xué)與工程專家和學(xué)者共同認(rèn)可的一個重大工程災(zāi)害問題。關(guān)于巖爆與采深的關(guān)系，盡管在極淺的巖層中(深度小于100 m)也有巖爆的記錄，但目前的統(tǒng)計資料顯示隨著開采深度的增加，巖爆發(fā)生的次數(shù)及強度也會隨著上升。圖8所示為南非金礦巖爆次數(shù)與采深之間的統(tǒng)計關(guān)系圖，圖中顯示巖爆發(fā)生次數(shù)與采深之間存在明顯的線性關(guān)系[48]。

圖8 巖爆與采深的對應(yīng)關(guān)系[48]Fig.8 Relation between rockburst number and mining depth[48]

關(guān)于巖爆發(fā)生的機理，陶振宇教授認(rèn)為，巖石內(nèi)部積聚了很大的彈性應(yīng)變能，一旦遇到機械沖擊作用或爆破動力擾動就會突然的釋放出來，形成巖爆[49]。王賢能等[49]認(rèn)為巖體內(nèi)彈性應(yīng)變能的積聚是產(chǎn)生巖爆的內(nèi)因，但巖爆的發(fā)生往往具有外界因素的擾動；同時，許多大型地下隧道工程的巖爆實錄表明，巖爆與爆破具有密切關(guān)系[50?51]，徐則民等[52]認(rèn)為，單純利用靜載荷理論分析巖爆有一定的局限性；有關(guān)統(tǒng)計資料也顯示，礦山巖爆的2/3發(fā)生在生產(chǎn)爆破之后[53]。

根據(jù)冬瓜山銅礦的巖爆實錄資料[32]，發(fā)現(xiàn)從時間和地點上來看，有的巖爆發(fā)生在剛放炮后的撐子面附近，發(fā)生時間多在放炮后不超過一個班的時間內(nèi)，地點距離掌子面約2～3 m。這可能是由于巖體開挖，巖體中應(yīng)力發(fā)生突然變化，進(jìn)行重新分布，并很快積聚能量，這些能量達(dá)到一定限度時得以突然釋放，形成巖爆。有的巖爆發(fā)生于原有未支護(hù)和已支護(hù)的巷道圍巖，而此時在其他地方通常有開采活動和巷道爆破作業(yè)，這可能是因開采活動導(dǎo)致應(yīng)力增加或爆破形成的應(yīng)力波促使或引導(dǎo)附近巷道圍巖能量增加而導(dǎo)致巖石破裂與能量突然釋放，為巖爆創(chuàng)造了條件。

值得注意的是，金屬礦開采中，為了保證開采產(chǎn)量，通常有很多的礦房在回采作業(yè)，一些礦房在采準(zhǔn)作業(yè)，地下礦房層層疊疊，各類出礦、采掘、爆破作業(yè)連續(xù)不斷。這一過程也是地下空間的應(yīng)力不斷調(diào)整擾動的過程，這一調(diào)整可能會使得有些礦房和礦柱巖體的大量貯能在小擾動下猛烈釋放。

綜上所述可知，深部巖石的巖爆現(xiàn)象可以利用動靜組合加載理論進(jìn)行解釋：即深部硬巖由于彈性范圍大，處于一定的高地應(yīng)力作用下，巖體中儲存大量彈性變形能。當(dāng)開采擾動迫使某一臨空面的巖體應(yīng)力超過其對應(yīng)條件下的強度時，巖體破裂消耗的能量遠(yuǎn)小于儲存的能量與外界施加的能量之和，因而釋放出大量儲存的能量，導(dǎo)致巖石以動能形式飛出，形成巖爆。根據(jù)這種思想，LI等基于SHPB裝置的一維動靜組合加載設(shè)備，進(jìn)行了相關(guān)的驗證試驗。圖9所示為自行研制的基于SHPB裝置的一維動靜組合加載試驗系統(tǒng)示意圖[42?43]。宮鳳強等[46]選取單軸抗壓強度為 115 MPa的硬質(zhì)砂巖，在軸向預(yù)先施加60 MPa、80 MPa(軸壓比分別為 0.52和 0.70)的軸壓，再進(jìn)行沖擊，實驗結(jié)果如圖10所示。

實驗過程中，軸壓施加到60 MPa(52%σc)時，計算所得巖石單位體積吸收能為負(fù)值，出現(xiàn)了“負(fù)能量”，意味著破壞巖石本身不吸收擾動能量而是釋放出彈性能，發(fā)生“巖爆”，而且釋放的彈性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過動態(tài)擾動帶給試樣的動能。發(fā)生“巖爆”時，剝落的巖塊彈射出去，但整體不失穩(wěn)，這一點與很多深部礦山或隧道現(xiàn)場觀測到的巖爆現(xiàn)象類似。

當(dāng)軸壓加大時80 MPa(70%σc)，如果入射能較低，巖石破壞仍然釋放出能量，發(fā)生“巖爆”。入射能較大時，巖石整體發(fā)生失穩(wěn)，入射能轉(zhuǎn)化為巖石破壞能和破碎后碎塊飛出去的動能。此時，整個巖石系統(tǒng)又轉(zhuǎn)化為吸能狀態(tài)。

2.2 深部開采中爆破引發(fā)的礦震及巷道失穩(wěn)現(xiàn)象

深部開采中，由于爆破采動引發(fā)的礦震現(xiàn)象也是一個很明顯的動力學(xué)問題。很多礦山為了監(jiān)測巖爆和大的礦山地震現(xiàn)象，分別布置了微震監(jiān)測系統(tǒng)，獲得了很多寶貴的現(xiàn)場資料。根據(jù)冬瓜山銅礦某區(qū)域相同時段內(nèi)的爆破次數(shù)和每天地震事件的統(tǒng)計資料[32]，地震事件的峰值所在的時間段與爆破是對應(yīng)的，說明爆破與礦山地震之間存在著直接聯(lián)系，并且爆破是礦山地震的主要誘導(dǎo)因素之一。

從采場爆破即較大的爆破與地震事件之間關(guān)系還得到[32]，采場爆破引起的較大的地震事件都在一天之內(nèi)產(chǎn)生，而之后的震級較小的地震事件數(shù)雖然減少，但仍保持較高水平，即產(chǎn)生持續(xù)較長時間的余震。這可以理解為，由于采場爆破突然產(chǎn)生較大的自由空間，首先使巖體內(nèi)的部分彈性變形能得到很快釋放并產(chǎn)生較大的地震事件，之后，由于應(yīng)力重新分布、彈性能的重新積聚和巖體結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，在新的應(yīng)力和變形狀態(tài)下，巖體又開始新的變形過程，從而又開始產(chǎn)生地震活動。

圖9 基于SHPB裝置的一維動靜組合加載試驗系統(tǒng)示意圖[44]Fig.9 Device with combined static load and disturbance based on SHPB system[44]

圖10 一維動靜組合加載下砂巖的試驗結(jié)果[46]Fig.10 Relation between incident energy and absorbed energy per unit volume[46]: (a) Axial static pre-stress of 60 MPa; (b) Axial static pre-stress of 80 MPa

關(guān)于爆破引發(fā)的深部采空區(qū)頂板大面積冒落和礦柱失穩(wěn)現(xiàn)象，多集中在深部煤礦中[54?56]。但是這種動力學(xué)現(xiàn)象也存在于深部硬巖金屬礦中。遼寧紅透山銅礦的地壓監(jiān)測系統(tǒng)顯示，深部礦巖處于高應(yīng)力下環(huán)境中，以應(yīng)力為控制的地壓顯現(xiàn)日見明顯。地壓資料顯示，?527 m以上各中段地壓顯現(xiàn)形式主要是采場頂板冒落；?647 m以下各中段主要是巷道剝落、礦柱爆裂并有響聲和巖屑射出等巖爆現(xiàn)象[57]。工程實踐也表明[41,58?59]，在高地應(yīng)力下的礦產(chǎn)開采過程中，不同階段的爆破作業(yè)對上一階段或下一階段采場中礦柱的承載強度及巷道頂板圍巖的穩(wěn)定性會有較大影響，自然地震或崩礦過程中產(chǎn)生的人工地震也會使巷道和礦柱突然失穩(wěn)。李夕兵等[60]對深部礦柱在承受高靜載應(yīng)力時的動力擾動力學(xué)模型進(jìn)行應(yīng)力波傳播力學(xué)響應(yīng)分析，分析結(jié)果表明：承受高應(yīng)力的巖體，隨著所受初始靜載應(yīng)力的增大，外界的動力擾動對其影響就越明顯；承受高靜載應(yīng)力的礦柱，較小的動力擾動可能會使其發(fā)生塑性破壞而導(dǎo)致深部開采時的“多米諾骨牌”效應(yīng)[60]。左宇軍等[61]結(jié)合某巷道工程實例，利用新開發(fā)的動態(tài)版巖石破裂過程分析系統(tǒng)RFPA2D分析了動力擾動對深部巖巷破壞過程的影響，從細(xì)觀角度分析了不同深度或受不同靜壓力的巖石巷道在動力擾動下的破壞規(guī)律。研究結(jié)果表明，當(dāng)巷道埋深較大時，越來越接近臨界穩(wěn)定狀態(tài)，較小的擾動便可以導(dǎo)致裂紋的大規(guī)模瞬時動力擴(kuò)展，誘發(fā)巷道的失穩(wěn)破壞，并伴隨著應(yīng)變能的高速釋放。深部巷道所受靜壓較大，在動力擾動下比淺部巷道更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.3 高應(yīng)力硬巖開挖中的能量釋放與有序調(diào)控

巖石作為地質(zhì)運動的產(chǎn)物，內(nèi)部存在大量的晶界、位錯、孔洞和微裂隙等裂紋源。當(dāng)高應(yīng)力作用于巖石上，將會產(chǎn)生兩種效應(yīng)，一是提高了擾動能量利用率；二是材料剛度的劣化[62?64]。因此，巖體開挖時會引起原巖應(yīng)力狀態(tài)變化、轉(zhuǎn)移和重新分布過程，實質(zhì)上即原巖體中已聚集能量的變化、轉(zhuǎn)移和重新分布過程。這種原巖體貯存能量的變化，將導(dǎo)致巖體能量經(jīng)歷釋放、吸收和重新貯存轉(zhuǎn)移等過程[65]。地下工程的開挖，使圍巖的最小主應(yīng)力降低，圍巖允許儲存的能量也隨之降低。因此，能量集聚是有條件的，集聚的能量不能超過新應(yīng)力狀態(tài)下的極限儲存能。地下工程圍巖各點的應(yīng)力狀態(tài)各不相同，圍巖各點的允許儲存能也互不相同。愈是接近地下工程邊緣，圍巖的最小主應(yīng)力降低得愈多，允許儲存的能量(即極限儲存能)也愈少。如果集聚的能量大于該點的極限儲存能，多余的能量將釋放。因此，原先高于圍巖極限儲存能部分，一部分釋放，另一部分向深部轉(zhuǎn)移。在遠(yuǎn)離地下工程邊緣時，圍巖儲存能又恢復(fù)到原巖儲存能。釋放的能量和轉(zhuǎn)移的能量將造成圍巖塑性變形或破裂。如果這些能量超過圍巖塑性變形或破裂時消耗的能量，還可能將破碎巖石推移或拋出。

近年來，深部硬巖開采中出現(xiàn)了一些現(xiàn)有理論無法很好解釋、嚴(yán)重影響工程施工和資源高效回收的災(zāi)害現(xiàn)象：1) 在深部巷道和采場等工程開挖后，掌子面附近圍巖中出現(xiàn)了大范圍巖體分區(qū)破裂化，致使工作面推進(jìn)中巖體出現(xiàn)大規(guī)模冒落[66?68]；2) 巖爆事故隨著開挖深度的增加呈指數(shù)關(guān)系增加，造成大量人員和設(shè)備損失[69?71]。近年來的研究初步認(rèn)為：這些災(zāi)害與深部高應(yīng)力硬巖在開挖和卸荷擾動下巖體中的能量轉(zhuǎn)移和釋放密切相關(guān)。由于目前對其中內(nèi)部機理缺乏透徹認(rèn)識，無法對這些能量進(jìn)行利用和控制，致使它們以災(zāi)害的形式表現(xiàn)出來。事實上，已有實驗研究表明：在受壓狀態(tài)下的脆性巖石，加入特定幅值和持續(xù)時間的應(yīng)力脈沖，能夠有效地促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。適當(dāng)?shù)臎_擊和壓入組合載荷條件能夠明顯提高巖石的破裂效果[72?73]。特別地，在深部開采實踐中發(fā)現(xiàn)：與淺部具有相同施工參數(shù)(巷道斷面、炮孔布置、裝藥參數(shù))的巷道掘進(jìn)中，深部巷道表現(xiàn)出更好的進(jìn)尺和巖石破碎效果[74]。這使我們堅信：深部高應(yīng)力硬巖存在著更利于巖石破碎的傾向，只要找到適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)破裂方法和途徑，其內(nèi)部儲能就會變成有效破巖的有用動力源，在不用炸藥或少用炸藥的情況下實現(xiàn)深部礦床的高效連續(xù)開采。

眾所周知，在礦床連續(xù)開采過程中，隨著回采礦段的不斷推進(jìn)，采場頂板中積聚的能量越來越大，應(yīng)力集中現(xiàn)象也越來越明顯，處于臨界平衡或臨界滑動狀態(tài)的頂板，在外界的微擾作用下會誘發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，為了防止這些系統(tǒng)失穩(wěn)給礦山安全生產(chǎn)帶來的不利影響，通過人為干預(yù)、干擾、控制等活動，來誘導(dǎo)頂板產(chǎn)生一個不可逆的力學(xué)失穩(wěn)發(fā)生、發(fā)展的過程，從而達(dá)到處理采空區(qū)的目的。將這種人為超前擾動誘發(fā)頂板失穩(wěn)的空區(qū)處理技術(shù)稱為誘導(dǎo)崩落技術(shù)?；谶B續(xù)采礦的頂板誘導(dǎo)崩落技術(shù)既可避免造成重大災(zāi)害，又可保證連續(xù)采礦工藝的順利進(jìn)行，同時，為礦山地壓災(zāi)害的防治提供了一條新的途徑。連續(xù)采礦頂板誘導(dǎo)崩落技術(shù)示意圖如圖11所示[75]。

圖11 連續(xù)采礦頂板誘導(dǎo)崩落技術(shù)示意圖[75]Fig.11 Diagram of roof induced caving technology in continuous mining[75]

在國外，如澳大利亞諾斯帕克斯礦 Endeavour26號礦體的圍巖系中等節(jié)理到節(jié)理發(fā)育的巖體，其特征是夾有石膏頁脈，巖體強度隨深度而減弱[76]。該礦體上段480 m目前正采用礦塊崩落法開采，拉底范圍長為196 m、寬180 m。拉底工作完成后，從未達(dá)到過連續(xù)崩落。因此，需要采取誘導(dǎo)崩落的措施，來保持安全的崩落，以維持礦山生產(chǎn)。為此該礦利用原先鉆在所采礦塊中部的勘探孔進(jìn)行水力碎裂以誘發(fā)崩落，試驗取得了成功，產(chǎn)出的礦石超過了700萬t，而且費用大大低于常用的各種崩落方法。

除上述誘導(dǎo)崩落技術(shù)外，還可以根據(jù)高應(yīng)力硬巖開挖過程中出現(xiàn)的好鑿好爆、開挖卸荷后的圍巖碎裂化及小擾動后巖石易于自裂的特點，從高應(yīng)力硬巖的受力特征入手，在深入揭示高應(yīng)力硬巖在動態(tài)擾動作用下的巖體結(jié)構(gòu)與本構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，利用機械或相關(guān)擾動技術(shù)實現(xiàn)高應(yīng)力硬巖原始儲能的激發(fā)釋放和可控利用，探索高應(yīng)力硬巖礦床合理的破巖方式、采礦技術(shù)與系統(tǒng)模式，繼而形成高應(yīng)力硬巖礦床的非爆連續(xù)開采理論與技術(shù)體系。

3 結(jié)論

深部開采將會是金屬礦山實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的未來趨勢。本文作者分析了深部開采中礦巖的賦存條件、巖性特征和開采工藝。在此基礎(chǔ)上明確提出金屬礦硬巖深部開采的力學(xué)特征屬于動靜組合作用模式。并根據(jù)動靜組合作用的力學(xué)模式，通過室內(nèi)動靜組合加載試驗驗證了深部硬巖的巖爆發(fā)生機制，并對深部開采中爆破引發(fā)的礦震及巷道失穩(wěn)現(xiàn)象、高應(yīng)力硬巖開挖能量釋放與有序調(diào)控進(jìn)行了詳細(xì)分析。理論分析、實驗驗證以及工程實踐證明，硬巖金屬礦山深部開采中存在的很多動力學(xué)問題可以利用巖石動靜組合加載理論進(jìn)行科學(xué)論證和分析，這對深部采礦的工程實踐有較好的指導(dǎo)意義。

致謝：

感謝中南大學(xué)董隴軍、周健等研究生在資料收集方面提供的幫助！

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Dynamic problems in deep exploitation of hard rock metal mines

LI Xi-bing1,2, YAO Jin-rui1, GONG Feng-qiang1,2
(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Hunan Key Lab of Resources Exploitation and Hazard Control for Deep Metal Mines, Changsha 410083, China)

The energy storage characteristics of hard rock in metal mines under high stress was described from the deep mining environment. And the inevitable trend of continuous mining methods in the future with the increase of exploitation depth of metal mines was also analyzed. For hard rock in metal mines under high stress, the dynamic disturbance caused by continuous mining was conducted on it, which can be considered as a mechanical problem coupled static and dynamic loads. On this basis, three key dynamics problems were analyzed by using the theory of coupled loads as follows: the system disturbance and rock burst in deep metal mines exploitation, mine earthquake and drift instability caused by blasting in deep mines, energy release and orderly regulation in deep metal mines exploitation. Theoretical analysis and engineering practice proved that several dynamics problems in deep metal mines can be explained by using the theory of coupled static and dynamic loads, which will provide some engineering practice guidance for deep exploitation.

hard rock; metal mines; deep exploitation; dynamics problems; rock burst; induced caving; non-blasting exploitation

TD87

A

1004-0609(2011)10-2551-13

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2010CB732004)；國家自然科學(xué)基金資助項目(50934006，41102170)；中南大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2011QNZT090)；中南大學(xué)前沿研究計劃資助項目(2010QZZD001)

2011-07-30；

2011-09-20

李夕兵，教授，博士；電話：0731-88879612；E-mail: xbli@mail.csu.edu.cn

(編輯 龍懷中)

李夕兵教授簡介

李夕兵，1962年出生，湖南寧鄉(xiāng)人。中南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，教育部“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授，湖南省首批科技領(lǐng)軍人才，兼任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會常務(wù)理事、巖石破碎工程專業(yè)委員會主任，中國工程爆破協(xié)會常務(wù)理事，教育部高等學(xué)校地礦學(xué)科教指委礦物資源分委會副主任，中國有色金屬學(xué)會采礦學(xué)術(shù)委員會副主任，湖南省巖石力學(xué)與工程學(xué)會理事長。多年來一直從事非煤礦山開采與破碎方面的教學(xué)與科研工作，曾在美國密蘇里大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)從事訪問合作研究。承擔(dān)了國家“973”課題、國家自然科學(xué)基金重點項目、“863”課題等研究，提出了高應(yīng)力誘導(dǎo)致裂、動靜組合加載等原創(chuàng)性學(xué)術(shù)思想。獲得國家杰出青年科學(xué)基金(1996)、中國青年科技獎(1997)、中國圖書獎(1995)和湖南省優(yōu)秀專家(2005)等稱號。主持完成30多項國家及省部級科研項目，并以第1排名獲得3項國家科技進(jìn)步二等獎和中國高校自然科學(xué)一等獎、湖南省科技進(jìn)步(自然科學(xué))一等獎在內(nèi)的20余項獎勵。出版學(xué)術(shù)著作8部，發(fā)表論文460多篇，其中被SCI收錄60多篇、EI收錄230多篇。已培養(yǎng)畢業(yè)博士32名，碩士40多名。