當(dāng)量采深估算方法在巖爆危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

成 功，李煒強(qiáng)，李冬偉，馬利科

(中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

在巖爆的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法中，采深被認(rèn)為是最直接的判別指標(biāo)之一，因此，很多礦山在開(kāi)采過(guò)程中都把采深作為巖爆防治措施中巷道支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。然而，近年來(lái)淺部巖爆事故越來(lái)越多，這與通常情況下巖爆發(fā)生在深部的認(rèn)知不符。大量工程實(shí)踐表明，對(duì)于地質(zhì)條件和工程條件復(fù)雜的礦山，采深這一指標(biāo)已不能滿足巖爆危險(xiǎn)性分析的需求。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)已發(fā)生數(shù)起淺部巖爆災(zāi)害，如山東玲瓏金礦西山坑口巖爆埋深不足500 m，屬于典型的礦山淺部巖爆[1]；淺部巖爆(沖擊地壓)現(xiàn)象在一些非金屬礦山出現(xiàn)頻率更高[2-4]。分析淺部巖爆事故發(fā)現(xiàn)存在以下共同特點(diǎn)：采場(chǎng)均形成了大量獨(dú)立礦柱，巖體具有中等以上巖爆傾向性，采場(chǎng)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等。事故分析表明：采場(chǎng)的支護(hù)和安全防護(hù)措施，均采用實(shí)際采深指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，未考慮采掘區(qū)域應(yīng)力的分布特征，導(dǎo)致巖爆事故的發(fā)生。對(duì)于巖爆傾向性較高的采掘工作面，在應(yīng)力異常的區(qū)域，盡管開(kāi)采深度不大，也極易發(fā)生巖爆災(zāi)害。單純采用實(shí)際采深進(jìn)行巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是不合理的，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生。

1 工程概況

山東某礦淺部450中段采場(chǎng)標(biāo)高為-450～-435 m，礦體賦存于黃鐵絹英巖中，主要受F1斷層影響，F(xiàn)1斷層走向NE，傾向SE，傾角∠38°左右，主裂面有一層2～10 cm的黑色泥質(zhì)物，隔水性較好，F(xiàn)2斷層較F1斷層規(guī)模小，斷裂面較平整且無(wú)雜物充填。

450中段采場(chǎng)采用中深孔爆破嗣后充填法開(kāi)采，采場(chǎng)沿礦體走向布置，該中段巷道已開(kāi)挖完畢，形成規(guī)則的礦柱呈矩陣式排列，如圖1所示。 該礦在435中段和420中段回采過(guò)程中均出現(xiàn)了巖爆預(yù)兆現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為片幫冒頂。 采用巖石脆性系數(shù)法、Barton巖爆判據(jù)法和巖石沖擊能指標(biāo)法計(jì)算巖爆等級(jí)[5]，結(jié)果表明該礦巖體具有中等～強(qiáng)巖爆傾向性。

圖1 450中段采場(chǎng)平面圖Fig.1 Plane figure of the 450 level

2 當(dāng)量采深估算方法

2.1 當(dāng)量采深概念

采場(chǎng)巖體某點(diǎn)處實(shí)際應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的采深稱(chēng)為當(dāng)量采深，即巖體某點(diǎn)處實(shí)際應(yīng)力與巖體密度之比。當(dāng)量采深公式見(jiàn)式(1)。

H=σ/ρg

(1)

式中：H為某點(diǎn)處當(dāng)量采深，m；σ為巖體某點(diǎn)處實(shí)際應(yīng)力值，Pa；ρ為上覆巖層平均密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

2.2 模型建立

2.2.1 完整巖體

假設(shè)工作面開(kāi)拓系統(tǒng)已完成，上部無(wú)采空區(qū)，礦柱和巷道斷面為標(biāo)準(zhǔn)的矩形且采場(chǎng)內(nèi)巖性均一，各方向均質(zhì)，不存在大型地質(zhì)構(gòu)造影響。如圖2(a)所示，礦柱平面尺寸為a×b，東西向(垂直采聯(lián)巷道方向)巷道寬為c，南北向(平行采聯(lián)巷道方向)巷道寬為d。

圖2 采場(chǎng)模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of stope model

假設(shè)上覆巖層應(yīng)力均轉(zhuǎn)移至相鄰礦柱上，每部分礦柱垂直方向受力相當(dāng)于圖2(b)中礦柱上部陰影部分覆巖的重量，則當(dāng)量采深計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

H=[ρgh(a+c)(b+d)/(ab)]/ρg=

h(a+c)(b+d)/(ab)

(2)

由式(2)可知，巖體完整條件下，當(dāng)量采深H與實(shí)際采深h、巷道寬度(c、d)和礦柱大小(a、b)有密切關(guān)系。當(dāng)采場(chǎng)尺寸及布置方式確定情況下，即a+c和b+d是固定值，則當(dāng)量采深與實(shí)際采深成正相關(guān)，與礦柱平面面積a×b成負(fù)相關(guān)。

2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造影響

相同埋深巖體的當(dāng)量采深值是相同的，但實(shí)際礦山開(kāi)采過(guò)程中，完全沒(méi)有地質(zhì)構(gòu)造的工作面基本是不存在的，地質(zhì)構(gòu)造往往是影響巖爆發(fā)生最關(guān)鍵的因素，據(jù)此探討地質(zhì)構(gòu)造影響下當(dāng)量采深模型。

根據(jù)礦山構(gòu)造應(yīng)力估算方法和地應(yīng)力測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，參考該礦已有構(gòu)造應(yīng)力實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和構(gòu)造應(yīng)力估算工程經(jīng)驗(yàn)，見(jiàn)表1。由表1可知，有大斷層穿過(guò)的區(qū)域，應(yīng)力峰值增加到該區(qū)域應(yīng)力值的1.5倍左右，構(gòu)造應(yīng)力增量為0.5倍區(qū)域應(yīng)力。如果斷層規(guī)模較小，則應(yīng)力值增加到1.2倍左右，構(gòu)造應(yīng)力增量為0.2倍區(qū)域應(yīng)力。根據(jù)式(1)，當(dāng)量采深隨應(yīng)力的變化而變化，分別增加到區(qū)域應(yīng)力的1.5倍和1.2倍左右。

表1 某礦構(gòu)造應(yīng)力實(shí)測(cè)值Table 1 Measured value of tectonic stress in a mine

采場(chǎng)經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后，形成20個(gè)礦柱單元，構(gòu)造影響區(qū)域?yàn)闃?gòu)造線性經(jīng)過(guò)的礦柱單元，見(jiàn)圖3中灰色陰影區(qū)域。將劃分后的礦柱單元放入平面坐標(biāo)系中，并以(x，y)對(duì)每一個(gè)礦柱單元進(jìn)行定義，如圖4所示。以每個(gè)礦柱中心點(diǎn)為計(jì)算單元，對(duì)于多條斷層重疊影響區(qū)域，采用應(yīng)力疊加方法進(jìn)行累加計(jì)算。已有研究表明[8]，巖體的總應(yīng)力為該水平某點(diǎn)自重應(yīng)力的基礎(chǔ)上，疊加各個(gè)誘發(fā)巖爆(沖擊地壓)因素對(duì)該點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力增量。地殼內(nèi)復(fù)雜受力的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，依據(jù)疊加原理，可以看作是若干簡(jiǎn)單受力的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)增量的疊加，比如有一條主斷層穿過(guò)的區(qū)域，構(gòu)造應(yīng)力增量為0.5倍區(qū)域應(yīng)力，巖體總應(yīng)力水平為1.5倍區(qū)域應(yīng)力，當(dāng)量采深為1.5H;有一條主斷層和一條小斷層穿過(guò)區(qū)域，構(gòu)造應(yīng)力增量為0.7倍區(qū)域應(yīng)力，巖體總應(yīng)力水平為1.7倍區(qū)域應(yīng)力,當(dāng)量采深為1.7H，依次類(lèi)推，直至所有構(gòu)造應(yīng)力疊加完畢。

圖3 構(gòu)造應(yīng)力影響示意圖Fig.3 Schematic diagram of tectonic stress effects

圖4 當(dāng)量采深估算方法坐標(biāo)系構(gòu)建Fig.4 Coordinate system construction of equivalentmining depth estimation method

2.3 當(dāng)量采深估算方法步驟

1) 確定采場(chǎng)內(nèi)礦柱和巷道尺寸a、b、c、d，計(jì)算無(wú)構(gòu)造應(yīng)力條件下當(dāng)量采深H。

2) 網(wǎng)格法劃分礦柱單元，確定斷層影響礦柱單元。

3) 建立直角坐標(biāo)系，計(jì)算每一礦柱單元當(dāng)量采深值，與巖爆深度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，劃分危險(xiǎn)區(qū)。

4) 根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)采取分級(jí)巖爆防治措施。

3 工程應(yīng)用

3.1 巖爆危險(xiǎn)區(qū)劃分

1) 無(wú)構(gòu)造應(yīng)力下當(dāng)量采深H計(jì)算。450中段共劃分為5個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)長(zhǎng)度均為礦體走向，長(zhǎng)約為90 m，采場(chǎng)寬度11 m，采場(chǎng)高度為15 m，埋深h=450 m。根據(jù)450中段采場(chǎng)設(shè)計(jì)，得到采場(chǎng)礦柱和巷道尺寸約為a=8 m，b=10 m，c=3 m，d=2.5 m。將以上參數(shù)帶入式(2)，得到當(dāng)量采深H為773 m。

2) 劃分礦柱單元，確定構(gòu)造應(yīng)力影響范圍。利用網(wǎng)格法將采區(qū)平面劃分形成48個(gè)礦柱單元，如圖5所示，灰色陰影區(qū)域?yàn)閿鄬佑绊懙V柱單元。

3) 計(jì)算當(dāng)量采深值，劃分危險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)礦山工程經(jīng)驗(yàn)和相鄰采區(qū)的數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)沒(méi)有任何干擾因素影響時(shí)，該礦在自然埋深超過(guò)800 m時(shí)，才有可能發(fā)生巖爆災(zāi)害；超過(guò)1 000 m時(shí)，巖爆發(fā)生可能性大大增加；超過(guò)1 300 m時(shí)，巖爆災(zāi)害極有可能發(fā)生，據(jù)此確定當(dāng)量采深對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為：安全區(qū)<800 m；一般危險(xiǎn)區(qū)800～1 000 m；中等危險(xiǎn)區(qū)1 000～1 300 m；高度危險(xiǎn)區(qū)>1 300 m。

逐一對(duì)礦柱單元進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力下當(dāng)量采深值的計(jì)算，得到結(jié)果見(jiàn)表2，反映到坐標(biāo)系中如圖6所示。

圖5 構(gòu)造應(yīng)力影響范圍Fig.5 Influence range of tectonic stress

表2 當(dāng)量采深計(jì)算結(jié)果匯總表Table 2 Calculation result of equivalent mining depth

圖6 采場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)劃分Fig.6 Classification of stope danger zone

3.2 巖爆分級(jí)防治措施

在回采過(guò)程中要嚴(yán)格采取巖爆防治措施，避免巖爆事故發(fā)生。鑒于巖爆防治成本高，需要對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，并針對(duì)不同區(qū)域采取經(jīng)濟(jì)合理的巖爆防治措施。安全區(qū)：不做處理；一般危險(xiǎn)區(qū)：素噴混凝土支護(hù)；中等危險(xiǎn)區(qū)：噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)；高度危險(xiǎn)區(qū)：在地質(zhì)構(gòu)造帶，加大礦柱尺寸，或選擇該區(qū)域礦石不回采，回采區(qū)域采取噴-錨-網(wǎng)-噴和礦柱混凝土澆筑等綜合支護(hù)方式。

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)量采深是一個(gè)新的概念，其直觀方便且易于理解，在整個(gè)礦業(yè)開(kāi)采范圍內(nèi)可以大力推廣，此概念的提出對(duì)礦山開(kāi)采有著很強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。

2) 山東某礦淺部450中段采場(chǎng)劃分形成48個(gè)礦柱單元，其中有1個(gè)高度危險(xiǎn)區(qū)，9個(gè)中等危險(xiǎn)區(qū)，4個(gè)一般危險(xiǎn)區(qū)，34個(gè)安全區(qū)，對(duì)不同區(qū)域采取巖爆分級(jí)防治措施，達(dá)到了良好的巖爆防治目的。

3) 研究表明當(dāng)量采深與實(shí)際采深成正相關(guān)，與礦柱平面面積成負(fù)相關(guān)。 通過(guò)當(dāng)量采深估算方法，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)淺部礦山巖爆危險(xiǎn)性預(yù)評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取巖爆分級(jí)防治措施，從而實(shí)現(xiàn)礦山巖爆災(zāi)害防治精細(xì)化管理，提高礦山回采安全性和經(jīng)濟(jì)性，該方法適用于埋深淺但有大型地質(zhì)構(gòu)造影響的礦山。