巖爆動力沖擊作用下釋能支護(hù)技術(shù)及其發(fā)展動態(tài)?

趙興東,楊曉明,牛佳安,李懷賓

(東北大學(xué) 采礦地壓與控制研究中心, 遼寧 沈陽 110819)

0 概 述

隨著金屬礦床資源的不斷開發(fā),地表及淺部金屬礦產(chǎn)資源已逐漸枯竭,迫使世界上許多國家的金屬礦山轉(zhuǎn)入深部開采[1].據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國外金屬礦山開采深度超過2000 m的礦山已達(dá)100余座,主要集中在南非、加拿大、美國和印度等國家[2G4].世界上金屬礦床開采最深的國家是南非,截至2012年,南非有約30%的金礦其開采深度超過3000 m;加拿大的Kidd Creek銅金礦[5]、Creighton礦[6G7]、La Ronde金礦[8]以及美國的Hecla Lucky Friday礦其開采深度均超過3000 m.俄羅斯Skalistaja(BC10)礦開采深度為2100 m.澳大利亞昆士蘭的Mount Isa礦開采深度為1800 m.此外,巴西、智利、瑞典等國家亦有開采深度超過1500 m的礦山.在我國,開采最深的金屬礦山是夾皮溝金礦(開拓深度在1600 m左右),撫順紅透山銅礦開拓深度在1360 m,原乳山金礦開拓深度1263 m,思山嶺鐵礦已竣工凈直徑10 m、井深1355 m的豎井,會澤鉛鋅礦已建成1526 m深豎井.目前,我國在建和已建豎井深度超過1000 m的礦山已達(dá)30余座,可見,國內(nèi)許多地下金屬礦山已經(jīng)步入超深(1000~2000 m)開采階段[9].從南非、加拿大等國家深井開采礦山現(xiàn)場調(diào)研來看,巖爆等動力災(zāi)害是深部采礦地壓控制的核心問題.

深部礦體處于高應(yīng)力、高巖溫及開采擾動應(yīng)力作用下,硬巖巷道圍巖由淺部低應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)面控制型破壞,逐步轉(zhuǎn)化為片落、輕微彈射、層裂、應(yīng)力膨脹、巖爆、災(zāi)變以及脆延性破壞(見圖1).在巖爆等動力災(zāi)害作用下,造成(未)支護(hù)硬巖巷道產(chǎn)生潛在的大范圍損傷破壞或完全垮塌.因此,在深部采礦誘發(fā)地壓作用下,如何有效控制深部巷道圍巖的穩(wěn)定是十分有意義的研究.

1 深部開采誘發(fā)巖爆災(zāi)害及其調(diào)控

巖爆災(zāi)害主要指礦井在開采過程中,井巷或者采場周圍巖體在力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時,由于彈性變形能突然釋放而產(chǎn)生急劇猛烈的動力現(xiàn)象,具有突然爆發(fā)、聲響巨大、沖擊性強(qiáng)、彈性震動等特點(diǎn),其過程往往是突發(fā)的、無前兆的突變過程,具有強(qiáng)烈的沖擊破壞特性,宏觀表現(xiàn)為巷道頂板或周邊圍巖大范圍的突然失穩(wěn)、坍塌[10G12].巖爆發(fā)生是受多因素制約的,但巖爆發(fā)生主要與圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)同開挖后應(yīng)力場的調(diào)整密切相關(guān),因?yàn)閹r爆是動態(tài)開挖過程中誘發(fā)的一種人為的地質(zhì)災(zāi)害過程,它不是單純的自然災(zāi)害現(xiàn)象.即使在相同的地應(yīng)力條件下,由于開挖方式不同,圍巖可能表現(xiàn)出完全不同的響應(yīng),所以對巖爆的研究不僅要注重巖體結(jié)構(gòu)、性能、地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件等地質(zhì)情況,同時也應(yīng)關(guān)注開挖過程中的各個環(huán)節(jié).

多年來,在礦山巖爆災(zāi)害研究方面取得了一定的進(jìn)展,然而大多數(shù)研究都局限在行業(yè)技術(shù)進(jìn)步問題上,往往只是對某單一問題或某幾個問題進(jìn)行研究,而非系統(tǒng)研究[13].研究巖爆的最終目的是防止或控制巖爆的發(fā)生,巖爆預(yù)測研究的目的是試圖降低巖爆可能會造成破壞的嚴(yán)重程度,消除或降低對井下工作人員以及設(shè)備等造成的危害.從誘發(fā)巖爆發(fā)生的原因來看,主要是應(yīng)變型巖爆、斷層滑移或者二者的組合.因此,對礦山而言要控制巖爆災(zāi)害的發(fā)生通常采取3種控制技術(shù),即:動態(tài)調(diào)整圍巖應(yīng)力分布[14]、應(yīng)力調(diào)控技術(shù)[15G16]以及圍巖加固技術(shù)[17G19].

對于深部開采礦區(qū)的區(qū)域性巖爆防控主要措施有:合理布置礦山開拓系統(tǒng),優(yōu)化采場、硐室和巷道的結(jié)構(gòu)參數(shù)與方位,確定最佳回采順序,防止大范圍應(yīng)力長期超過巖體強(qiáng)度;巖層預(yù)注水,降低巖體強(qiáng)度,增加巖體塑性變形比例,使巖體內(nèi)積聚的應(yīng)變能多次小規(guī)模釋放,防止應(yīng)變能集中釋放;開采巖體保護(hù)層,先將大規(guī)模開采礦體上方或下方的巖層采掉,使礦體大部分落入卸壓帶內(nèi),降低礦體大面積回采時的區(qū)域應(yīng)力(采場應(yīng)力);充填采空區(qū),降低采場彈性變形和平均能量釋放率,達(dá)到減少巖爆發(fā)生次數(shù)(特別是破壞性巖爆)和降低巖爆強(qiáng)度的目的.

2 巖爆等動力作用下巖體動力響應(yīng)

在深井開采高應(yīng)力條件下進(jìn)行采礦,巖爆控制是非常具有挑戰(zhàn)性的工作.南非Durr hei m[20]提出,對于巖爆控制從3個方面進(jìn)行著手:在設(shè)計(jì)或者開采之前,應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)方法識別孕震結(jié)構(gòu)(巖脈、斷層等);應(yīng)用適合的支護(hù)系統(tǒng)創(chuàng)造抗巖爆災(zāi)害;連續(xù)監(jiān)測巖爆災(zāi)害.超前識別孕震結(jié)構(gòu)便于及時調(diào)整采礦設(shè)計(jì)、采場和巷道支護(hù)設(shè)計(jì)等.

巖石遭受加速加載之后,導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)破壞、塊體彈射、采場封閉[16G17](見圖2).動力特征現(xiàn)象表現(xiàn)為深部礦井中的巖塊彈射、冒落等巖爆現(xiàn)象[21].Zubelewicz[22],Mueler[23]認(rèn)為,巖爆是在巖體的靜力穩(wěn)定條件被打破時發(fā)生的動力失穩(wěn)過程.巖爆誘發(fā)巷道圍巖表面動力響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為:破壞時有響聲,表現(xiàn)為片幫、巖塊彈射、爆裂剝落、巖體拋擲性破壞等[24G25];其最顯著的動力破壞特征是巖塊從巷道(采場)圍巖表面高速彈出,其表面1 m厚的巖體能以5~10 m/s的速度向巷道內(nèi)拋出[26G27],其拋擲距離可達(dá)10~20 m之遠(yuǎn),其彈射能一般為5~20 kJ/m2,最大可達(dá)50 kJ/m2[19].巖爆等級不同,其誘發(fā)的巖體動力響應(yīng)也不同,輕微巖爆的巖石呈片狀剝落,而強(qiáng)烈?guī)r爆可將巨石猛烈拋出,甚至一次巖爆就能拋出數(shù)以噸計(jì)的巖塊和巖片,嚴(yán)重威脅著井下施工人員和設(shè)備的安全.Ortlepp[26]認(rèn)為如果圍巖表面特別是大巖爆附近破壞巖塊的彈射速度和加速度能夠被精確測量,將有利于各類支護(hù)組件(錨桿、注漿錨索以及采場的液壓支柱等)的設(shè)計(jì)與材料選擇.

3 釋能支護(hù)原理

在巖爆動力沖擊作用下,在巖體圍巖表面積聚的高應(yīng)變能快速釋放,將巖塊從圍巖表面拋出;從能量耗散角度而言,如果巷道圍巖破壞深度達(dá)到1.5 m以上,為災(zāi)害性巖爆發(fā)生提供了條件.發(fā)生條件取決于應(yīng)力水平、系統(tǒng)剛度、破壞巖體的體積(取決于破壞深度).巷道斷面積越大其單位面積釋放能量越大,彈射速度越低,因此,巷道斷面越大其支護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)的能量釋放能力越大.就能量釋放而言,破壞程度可以單位巖石彈射速度或者能含量來表達(dá).由于該動能必須由動力支護(hù)系統(tǒng)來釋放,考慮單位面積巖體的能含量更具有意義.動力支護(hù)系統(tǒng)其抵抗的能量耗散能力在5~20 kJ/m2,實(shí)際上其最大可以達(dá)到50 kJ/m2[19].

釋能支護(hù)原理是動力或釋能支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),釋能支護(hù)的基本要求(見圖3):

(1)在高動力沖擊作用下,釋能支護(hù)區(qū)域內(nèi)巖體以相同的加速度移動;

(2)動力沖擊作用后,釋能支護(hù)系統(tǒng)控制巖體移動速度減小到0;

(3)釋能支護(hù)系統(tǒng)提供高支護(hù)阻力強(qiáng)度,同時能夠產(chǎn)生大的恒定位移;

(4)釋能支護(hù)系統(tǒng)最薄弱位置等同于或高于沖擊能量;不考慮相鄰釋能支護(hù)單元影響區(qū)域及穩(wěn)定跨度影響程度,釋能支護(hù)原理要同時滿足上述條件.釋能支護(hù)原理需要在現(xiàn)場實(shí)際觀察與監(jiān)測巖爆動力沖擊作用下巖體動力響應(yīng)破壞與支護(hù)系統(tǒng)表現(xiàn),進(jìn)行進(jìn)一步修正與補(bǔ)充.該支護(hù)原理未充分考慮動荷載循環(huán)、震蕩以及滯后特點(diǎn)[28G29].目前,釋能支護(hù)設(shè)計(jì)考慮巖石質(zhì)點(diǎn)峰值速度替代巖塊彈射速度,設(shè)計(jì)釋能支護(hù)系統(tǒng)考慮質(zhì)點(diǎn)振動速度為3~10 m/s,以此確定釋能支護(hù)系統(tǒng)的錨桿(索)能夠承擔(dān)指定位移能力.

圖3 釋能支護(hù)原理

4 釋能錨桿研究

錨桿是加固開挖體圍巖最常用的方式,錨桿的種類繁多,而且各有優(yōu)缺點(diǎn).由于普通錨桿的作用機(jī)理是基于靜態(tài)載荷的加固圍巖方式,在受到巖爆等動力破壞時,往往導(dǎo)致錨桿變形太大而失去錨固力.當(dāng)巖爆災(zāi)害發(fā)生之后,不可避免產(chǎn)生圍巖破壞,最主要的問題是通過采取有效的支護(hù)技術(shù)確保巷道破壞能夠被維護(hù),使其仍然保證其服務(wù)功能.即:在巖爆災(zāi)害發(fā)生之后,巷道支護(hù)系統(tǒng)仍能保持其承載能力.在高應(yīng)力、高巖爆傾向以及大變形環(huán)境下,動力響應(yīng)特征成為支護(hù)系統(tǒng)選擇及設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)[30].實(shí)際上,在選擇支護(hù)系統(tǒng)時,需要考慮鉆孔直徑、環(huán)境因素(潮濕程度)、腐蝕、膠結(jié)材料(水泥或者樹脂)等影響,并且要知道這些影響因素對不同靜力環(huán)境的影響[31].作為新型的動力(屈服)支護(hù)錨桿[32](諸如:新型錐體錨桿、屈服錨索、屈服錨桿等),需要根據(jù)具體條件不斷改進(jìn)以滿足各種不同需求(設(shè)備要求、提高承載能力、較高剛度特性等)[33].釋能錨桿在防治巖爆動力沖擊圍巖破壞中優(yōu)于普通錨桿,廣泛應(yīng)用于巖爆支護(hù).

早在20世紀(jì)90年代,南非首先提出釋能支護(hù)體系[34],并發(fā)明第一種釋能錨桿,即錐體錨桿(Cone錨桿)(見圖4).錐體錨桿主要在圓鋼一端鍛造成扁平的圓錐形體,在圓鋼表面噴涂一薄層潤滑材料,致使錨桿在荷載作用下易于分離.該種錨桿通常采用水泥漿或者樹脂進(jìn)行全長錨固,當(dāng)錨固在錨桿托盤與圓錐體之間的巖石膨脹時,將在錨桿桿體產(chǎn)生拉力.當(dāng)拉拔力超過預(yù)設(shè)值時,錨固端的圓錐體將費(fèi)力地從錨固體中滑移.因此,該錨桿發(fā)揮其作用并吸收巖爆產(chǎn)生的動能.最初,該錨桿設(shè)計(jì)是采用水泥漿錨固,之后調(diào)整為采用樹脂進(jìn)行錨固.新型錐體(Cone)錨桿在其端頭增加樹脂攪拌功能,被廣泛應(yīng)用于加拿大易于誘發(fā)巖爆災(zāi)害的深井巷道支護(hù)中[35].

圖4 南非錐形(Cone)錨桿結(jié)構(gòu)

在南非[36],主要是應(yīng)用釋能錨桿支護(hù)巖體,釋放巖體內(nèi)的動能.另一部分動能通過碎裂巖體被巖體表面支護(hù)結(jié)構(gòu)釋放.在南非支護(hù)系統(tǒng)中,使用鋼絲繩代替鋼帶.在高應(yīng)力巖體中掘進(jìn)巷道時,采用釋能錨桿(錐體錨桿(Cone Bolt)、改進(jìn)的錐體錨桿、管縫錨桿以及錨索)與金屬網(wǎng)或者纖維噴射混凝土組合支護(hù).在澳大利亞[37G38],主要通過管縫錨桿、長錨索并輔以金屬網(wǎng)、鋼帶或者噴射混凝土組合支護(hù)解決高應(yīng)力碎裂蠕變巖體穩(wěn)定性控制問題.對具有巖爆傾向的巖體,主要采用長錐體錨桿與金屬網(wǎng)或者纖維噴射混凝土組成動力支護(hù)系統(tǒng)控制其穩(wěn)定.在加拿大[19,39],采用短錨桿和金屬網(wǎng)支護(hù)破碎巖體,偶爾采用纖維噴射混凝土和金屬網(wǎng).通常錨桿主要為管縫錨桿、螺紋鋼錨桿和錐體錨桿.在經(jīng)常發(fā)生巖爆的巷道,主要采用螺紋鋼錨桿和錐體錨桿與金屬網(wǎng)組成動力支護(hù)體系,增強(qiáng)巖體的剛度.在北歐[40G42],其支護(hù)理念與加拿大相似,采用短錨桿與金屬網(wǎng)支護(hù)淺層破碎巖體,使其形成整體.但在北歐不使用管縫錨桿,鋼纖維噴射混凝土應(yīng)用比較廣泛.

目前,在國際上主要有如下動力支護(hù)系統(tǒng):

(1)Durabar錨桿[40]:是在錐體錨桿基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種錨桿,在光滑桿體設(shè)計(jì)幾個褶皺,在錨桿的尾部設(shè)計(jì)成一個光滑的圓環(huán).當(dāng)進(jìn)行拉拔力測試時,托板承受荷載錨桿沿著波形面滑移.其最大滑動位移等同于錨桿尾部長度(約為0.6 m),屬于兩點(diǎn)錨固錨桿,但此種錨桿未進(jìn)行動力測試.

(2)膨脹(Swellex)錨桿[40]:圖5是一種典型的膨脹錨桿,該錨桿主要通過錨桿桿體與錨桿孔管壁之間的摩擦力錨固巖體.最新研制的Mn24型Swellex錨桿具有較好的釋能能力,其釋能范圍為18~29 kJ.

圖5 Swellex水力膨脹錨桿

(3)Garf ord剛性錨桿[41](見圖6):主要由圓鋼、錨頭及粗牙螺紋鋼套組成,采用樹脂錨固.粗牙螺紋鋼套主要用于攪拌樹脂.該錨桿的工程錨頭能產(chǎn)生較大的位移量.該錨固頭采用厚壁圓鋼制作,壓入鋼管套中350 mm.圓鋼直徑壓縮至原始尺寸插入粗牙螺紋鋼套中.當(dāng)錨固端與托板間壓縮巖石膨脹時,圓鋼被從錨固端拔出.當(dāng)被拔出之后,其錨固力仍然保持不變,該錨桿能夠產(chǎn)生390 mm位移.

圖6 Garfor d剛性錨桿

(4)Roofex錨桿[42]:是一種動力韌性錨桿,由錨固端和圓鋼組成,采用樹脂進(jìn)行錨固.圓鋼從錨固端中滑動,產(chǎn)生80 k N的恒定支護(hù)阻力,錨桿的錨固力低于圓鋼抗拉強(qiáng)度.Roofex錨桿動力荷載約為60 k N,其動力測試能量為12~27 kJ.

(5)D錨桿[40G42]:由圓鋼帶一定數(shù)量的具有一定間隔的錨固點(diǎn)組成(見圖7),錨桿安裝后,由于錨固點(diǎn)較圓鋼直徑大,能自動固定在錨桿孔中.錨桿使用樹脂或者水泥漿液全長錨固在錨桿孔中,在兩錨固點(diǎn)之間的圓鋼與錨固體的粘結(jié)較弱,當(dāng)巖體膨脹時,在兩錨固點(diǎn)之間的拉力將控制巖體膨脹,這部分彈性延伸幾毫米屈服,整體可產(chǎn)生200 mm的拉伸長度.當(dāng)荷載為200 k N,錨桿的拉伸位移為100~120 mm,承受沖擊荷載的能量為36~39 kJ.

圖7 挪威D錨桿結(jié)構(gòu)形式

5 M(ace)釋能錨桿研發(fā)

深井巖爆發(fā)生時,錨固在巖體內(nèi)的釋能錨桿在保持高拉拔力的同時要具有動力釋能讓壓.依據(jù)巖石動力學(xué)、能量積累和耗散原理、錨桿支護(hù)原理等作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),研發(fā)了一種滿足上述要求的新型M(ace)釋能錨桿(見圖8).該錨桿由M(ace)模塊和攪拌模塊組成.在安裝過程中,M(ace)釋能錨桿通過使用攪拌模塊攪拌安放在錨桿孔中的樹脂藥卷或水泥藥卷,使M(ace)模塊與錨桿孔粘結(jié)牢固;新型M(ace)釋能錨桿的最大特點(diǎn)是既具有南非cone錨桿的整體滑移能力,又具有D錨桿的多點(diǎn)錨固作用,同時兩點(diǎn)錨固間產(chǎn)生滑移作用,使得錨桿既可以與圍巖共同移動消耗積聚在圍巖內(nèi)部的動能,又可以保持較高的錨固力,保持圍巖與支護(hù)體的穩(wěn)定,使其在高應(yīng)力、巖爆(沖擊地壓)以及脆－延性大變形作用下,保持巷道圍巖穩(wěn)定.

圖8 新型M(ace)釋能錨桿結(jié)構(gòu)

巖爆等動力災(zāi)害研發(fā)的動力支護(hù)系統(tǒng)(見圖9)應(yīng)具有以下特征:

(1)該系統(tǒng)應(yīng)能承受剪切和拉伸荷載;

(2)該支護(hù)系統(tǒng)既允許開挖巖體表面產(chǎn)生一定大的變形,又能控制其變形位移量,從而保證開挖結(jié)構(gòu)的有效工作空間;

(3)該系統(tǒng)不僅能吸收巖爆釋放能量,又能抵制動力轉(zhuǎn)換或者降低巖體沖擊荷載的作用;

(4)該系統(tǒng)能抵抗多次巖爆災(zāi)害發(fā)生.

圖9 巖爆動力沖擊作用下的釋能支護(hù)效果

采用礦山動力支護(hù)系統(tǒng)會吸收巖爆發(fā)生時釋放的能量,并使其產(chǎn)生的動能在巖體表面產(chǎn)生大幅下降.為此,研發(fā)有效控制巖爆危害的礦山動力支護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“爆而不倒”、留有足夠的安全空間確保人員和機(jī)械設(shè)備的安全,為我國深井開采及高應(yīng)力礦體安全、高效開采提供技術(shù)保障.

6 結(jié) 論

在深部高應(yīng)力及采礦地壓作用下,巖爆等動力災(zāi)害是深部采礦地壓控制的核心問題.研究開采誘發(fā)巖爆的最終目的是防止或控制巖爆的發(fā)生,巖爆預(yù)測研究的目的是試圖降低巖爆可能會造成破壞的嚴(yán)重程度,消除或降低巖爆對井下工作人員以及設(shè)備等造成的危害.

本文在系統(tǒng)分析巖爆誘發(fā)巷道圍巖動力響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上,提出釋能支護(hù)機(jī)理,即釋能支護(hù)要滿足下列條件:

(1)在高動力沖擊作用下,釋能支護(hù)區(qū)域內(nèi)巖體以相同的加速度移動;

(2)動力沖擊作用后,釋能支護(hù)系統(tǒng)控制巖體移動速度減小到0;

(3)釋能支護(hù)系統(tǒng)提供高支護(hù)阻力的同時,能夠產(chǎn)生大的恒定位移;

(4)釋能支護(hù)系統(tǒng)最薄弱位置等同于或高于沖擊能量.

對于釋能支護(hù)系統(tǒng)中釋能錨桿的選擇,應(yīng)考慮巖石質(zhì)點(diǎn)峰值速度替代巖塊彈射速度(3~10 m/s)與位移能力.綜合分析釋能錨桿研究現(xiàn)狀,提出新型Mace釋能錨桿及其作用機(jī)理,為深部巖爆等動力沖擊作用下巖體的穩(wěn)定性控制提供了技術(shù)支撐.

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