玲瓏金礦深部開采巖爆分析

張子健 紀(jì)洪廣 張月征 陳志杰 宋朝陽

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

近幾年以來我國經(jīng)濟高速發(fā)展，對能源與礦產(chǎn)資源的需求不斷增加，礦山開采在深度與廣度上不斷的增加與擴張，由此而來的礦山深部開采帶來了巖爆等一系列地質(zhì)災(zāi)害問題。

在以往對巖爆的研究與分析過程中可以看出，巖體內(nèi)部累積的能量對于巖爆以及巖石破壞的發(fā)生起著根本的作用［1］，能量的積累與耗散是一個動態(tài)平衡的過程，巖石在變形破壞過程中始終不斷地與外界交換著物質(zhì)和能量，是一個能量耗散的損傷演化過程［2］，巖體的變形過程中不斷與外界產(chǎn)生能量的交換，當(dāng)能量在耗散過程中發(fā)生突變時巖石會發(fā)生失穩(wěn)和破壞，從宏觀的能量角度研究巖爆過程中能量的積累及傳遞過程，能夠為防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)［3］。在巖爆的研究過程中往往還會發(fā)現(xiàn)，巖爆的發(fā)生不僅與巖體內(nèi)能量、應(yīng)力的高低相關(guān)，更與巖石本身的力學(xué)性質(zhì)有著密不可分的聯(lián)系，巖爆的發(fā)生還與巖體所處的應(yīng)力環(huán)境以及采場結(jié)構(gòu)形式有著密切的關(guān)系，本研究以深度開采的玲瓏金礦為背景，考慮礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)、能量聚集以及應(yīng)力環(huán)境等狀況，提出基于能量及沖擊危險性的巖爆判別方法，并對巖爆發(fā)生的等級進行綜合預(yù)判;借助數(shù)值分析手段，模擬了現(xiàn)階段開采過程中的巖爆情況，并預(yù)測了玲瓏金礦未來深部開采過程中可能面臨的巖爆危險性，為巖爆預(yù)測的研究提供一條新的途徑。

1 判別準(zhǔn)則

在巖爆的研究中，關(guān)于巖爆的判據(jù)指標(biāo)有強度準(zhǔn)則［4］、深度準(zhǔn)則［5］、剛度準(zhǔn)則［6］以及能量準(zhǔn)則［7］，以上準(zhǔn)則在巖爆預(yù)測中存在著參數(shù)單一、將巖石自身性質(zhì)與巖石應(yīng)力環(huán)境分開討論等問題，為優(yōu)化這一問題，就需要對巖爆的發(fā)生機理做一定的研究，巖爆的發(fā)生通常需要以下2 個條件:巖體內(nèi)部具有較高的能量，在巖體周圍有給巖體提供巖爆所需的能量條件。文獻［8-9］對上述2 個條件的研究表明，巖石巖爆的研究不能將巖體與巖體周圍的力環(huán)境與能量環(huán)境分割討論。因此在研究玲瓏金礦深部開采巖爆危險性的過程中，選取了應(yīng)變能指標(biāo)與沖擊危險性指標(biāo)進行分析。通過應(yīng)變能指標(biāo)判別巖石所含有的能量大小，利用沖擊危險性指標(biāo)判斷巖石周圍應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生巖爆的沖擊危險程度，通過以上2 個指標(biāo)綜合分析巖爆發(fā)生的可能性及其強度。

本研究利用FLAC3D中內(nèi)嵌的fish 進行編程，將能量判據(jù)與沖擊危險應(yīng)力指標(biāo)判據(jù)，作為FLAC3D軟件的額外參量進行計算。

1.1 能量判別

為了確定巖體內(nèi)部儲存的能量大小，引入了能量理論中的經(jīng)典應(yīng)變能計算公式［10］，利用fish 語言將式(1)進行編程計算:

其中，We為應(yīng)變能密度;σ1、σ2、σ3為巖石所處位置的3 個主應(yīng)力值;E 為彈性模量;ν 為泊松比。

由式(1)計算巖體中含有的應(yīng)變能密度，結(jié)合單軸抗壓試驗中線彈性能準(zhǔn)則判據(jù)(如表1)，判斷巖體巖爆等級。

表1 線彈性能判據(jù)等級分類Table 1 The classification of Liner elastic energy criterion

1.2 沖擊危險判別指標(biāo)

通過引入沖擊危險性應(yīng)力指標(biāo)可以反應(yīng)在某一應(yīng)力水平下巖石的沖擊危險性，將巖石的自身物理特性與周邊巖體的應(yīng)力環(huán)境聯(lián)系到一起，完善了巖爆分析中指標(biāo)單一的問題［11］:

式中，Wσ為沖擊危險應(yīng)力指標(biāo);c 為內(nèi)聚力;θ 為內(nèi)摩擦角;ξ 為應(yīng)力峰值系數(shù)。

沖擊危險應(yīng)力指標(biāo)及對應(yīng)危險等級見表2。

表2 沖擊危險性指數(shù)應(yīng)力指標(biāo)Table 2 The stress index of rock-burst risk

2 工程概況

玲瓏金礦是我國最大的黃金礦山之一，其金礦脈屬于石英脈型金礦，對此類礦床賦存條件的地下礦山，深部開采將涉及一系列深部巖石力學(xué)問題，其中最突出的就是沖擊地壓和巖爆等動力學(xué)問題。在地層深部，高地應(yīng)力的存在造成巖體內(nèi)儲存大量的彈性能，開采過程中，圍巖破壞后彈性能的突然釋放，有可能導(dǎo)致巖爆等突發(fā)的動力災(zāi)害。自2007 年以來，在－420 m水平以下中段，發(fā)生多次比較明顯的巖爆事件。目前，玲瓏金礦已在－800 m 以下水平發(fā)現(xiàn)了有開采價值礦體，其未來開采深度將很快超過1 100 m，成為我國黃金礦山，甚至整個金屬礦山領(lǐng)域開采深度最深的礦山之一。目前，其礦區(qū)內(nèi)九曲－大開頭分礦的最深生產(chǎn)中段為－720 m 中段，其深度已超過900 m. －720 m 水平中段以下正在進行采準(zhǔn)和開拓，因此，開展巖爆的預(yù)測、監(jiān)測、預(yù)報和防治研究，成為保證該礦深部安全、高效開采的關(guān)鍵問題。

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 模型建立

通過收集的地質(zhì)剖面圖、各中段采場設(shè)計圖、采場平面圖、剖面圖，建立礦區(qū)模型。在模型的建立過程中，為提高模擬結(jié)果的精度，模型嚴(yán)格按照采場圖紙進行建模，并考慮采場中巷道的安全，做到與實際地質(zhì)情況吻合，限于網(wǎng)格數(shù)量對于計算速度計精度的影響，在建模的過程中主要考慮以下因素:礦區(qū)圍巖的應(yīng)力分布情況及地質(zhì)構(gòu)造的影響范圍;模型的尺寸協(xié)調(diào)關(guān)系對于模型計算結(jié)果的影響;近期的開采計劃。最終確定模型范圍及模型如圖1 ～圖3 所示。

圖1 采場及巷道模型Fig.1 The model of stope and roadway

3.2 計算參數(shù)設(shè)置

玲瓏金礦現(xiàn)用采礦方法為淺孔留礦法，回采結(jié)束后不進行充填。在計算的過程中按照實際的工程條件，模型共分為2 種不同的巖性，模型的試驗參數(shù)按照表3 進行賦值。

圖2 采場數(shù)值網(wǎng)格模型Fig.2 The numerical grid of stope

圖3 采場平面圖及A－A 剖面位置Fig.3 The plane graph of the stope and the position of the A-A profile

表3 材料力學(xué)參數(shù)Table 3 Material mechanics parameters

邊界條件按照玲瓏金礦地應(yīng)力測量的結(jié)果進行施加，玲瓏金礦地應(yīng)力測量采用應(yīng)力解除法和實現(xiàn)完全溫度補償?shù)目招陌w應(yīng)變測量技術(shù)，共在金礦7 個水平布置測點18 個，由測試結(jié)果知，礦區(qū)地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，其大小為自重應(yīng)力場的2.26倍［12］，礦區(qū)最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力值均隨深度呈近似線性增加的關(guān)系，地應(yīng)力值(MPa)隨深度的線性回歸方程為

式中，H 為埋深，m。區(qū)域水平主應(yīng)力換算成x、y 方向的水平應(yīng)力。

3.3 線彈性能指標(biāo)分析

通過對－670、－720 中段的線彈性能云圖4 分布可以看出，不同開采情況下能量場的分布情況，其能量級別主要分布在Ⅰ級Ⅱ級，在此區(qū)域內(nèi)在沒有開采的情況下巖石不會發(fā)生強烈?guī)r爆，這與實際是相符的，但是隨著開采進行，能量場不斷進行著轉(zhuǎn)移、集中，而轉(zhuǎn)移的方式主要符合以下幾點規(guī)律。

圖4 線彈性能云圖Fig.4 The cloud image of Liner elastic energy

(1)在－670中段采場內(nèi)，能量較高的位置集中在云圖所圈定的區(qū)域內(nèi)，－670中段采場開采的過程中，此區(qū)域處于Ⅱ級巖爆，當(dāng)開采到達第35 步時，即開始開采－720 中段采場，此區(qū)域能量加速集聚，能量達到159 kJ，達到了判據(jù)中的Ⅲ級巖爆。

(2)通過剖面云圖可以看出，在開采－670 中段采場時－720 中段巷道能量變化微小，當(dāng)開始開采－720中段采場時，上部能量變化明顯，因此可以看出，下層中段的開采對上層中段的開采影響較大，因此在開采的過程中，除對本中段的圍巖以及巷道進行加固外，應(yīng)當(dāng)考慮到采場上方的巷道的加固，避免出現(xiàn)冒頂?shù)任ｋU的發(fā)生。

(3)隨著開采的進行，當(dāng)采場向所設(shè)定剖面靠近時，剖面上的能量變化明顯，且能量逐漸增大，剖面處礦體開采后，能量達到最大值162 kJ，達到了巖爆Ⅲ級危險，能量的集中區(qū)域為礦體的頂板和底板，礦體兩幫的能量向這兩部分轉(zhuǎn)移，能量逐漸釋放。

(4)對于巷道的支護區(qū)域應(yīng)首先考慮采場下方的巷道，此處在礦體開采之后，能量變化巨大，在90 kJ 以上，絕對能量達到了159 kJ，為巖爆III 級危險。

3.4 沖擊危險性指標(biāo)分析

利用FLAC3D軟件，并結(jié)合沖擊危險性公式，對沖擊危險性應(yīng)力指標(biāo)進行計算，得到開采過程沖擊危險應(yīng)力云圖，見圖5。

圖5 沖擊危險性云圖Fig.5 The cloud image of rock burst hazard

其分析結(jié)果如下:

(1)沖擊危險應(yīng)力指標(biāo)云圖變化規(guī)律與能量云圖變化規(guī)律基本相同，主要體現(xiàn)在沖擊危險的位置、靠近剖面時的云圖變化等方面。

(2)與能量指數(shù)不同之處，－670 中段與－720中段的沖擊危險性屬于穩(wěn)定狀態(tài)，這也符合研究過程中的不同指標(biāo)疊加規(guī)律，通過不同指標(biāo)的綜合疊加來判斷巖爆的危險區(qū)域，而不是僅僅由單一指標(biāo)來判斷。

(3)在剖面云圖中可以清楚地看到，上層開采對下層開采的影響較小，而下層開采對采場上部的影響較大。

(4)在采場礦體開采過后，采場的頂板與底板的沖擊危險性較大，主要集中在剖面圖中的圈識范圍內(nèi)，沖擊危險性指數(shù)達到0.7 左右，介于中高巖爆狀態(tài)與較高巖爆狀態(tài)，這和能量分析過程中一致，因此通過該2 指標(biāo)可以判斷礦區(qū)的巖爆區(qū)域主要集中在采場的頂板和底板易產(chǎn)生應(yīng)力集中的夾角處，由此可見，當(dāng)巷道穿過采場底部時最易發(fā)生巖爆災(zāi)害。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)礦山所提供的地質(zhì)資料等現(xiàn)有條件通過workbench 與FLAC3D相結(jié)合建立了礦山數(shù)值模型，并將巷道考慮在內(nèi)，更接近礦山開采現(xiàn)狀，增加了模型精度。

(2)此次分析引入能量判據(jù)與巖爆沖擊危險性判據(jù)，將巖石的能量儲存、巖石自身的力學(xué)性質(zhì)及巖體周圍的應(yīng)力環(huán)境結(jié)合分析，豐富了巖爆研究分析參數(shù)，提高了巖爆預(yù)測精度。

(3)此次計算對玲瓏金礦不同開采階段的巖爆情況進行模擬，其結(jié)果與現(xiàn)階段金礦深部巖爆情況較吻合，這也為玲瓏金礦下一步開采過程中巖爆的防治提供了依據(jù)。

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