深部金屬礦采動災(zāi)害防控研究現(xiàn)狀與進展

趙興東，周鑫，趙一凡，于文龍

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽，110000)

深部礦產(chǎn)資源潛力很大，深部開采是礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢。對于深部礦產(chǎn)資源的開采和研究工作，南非一直走在世界前列。早在1998—2002年，南非開展深部采礦計劃(deep mine programme)，研究金山礦區(qū)3～5 km 金礦安全高效開采，主要圍繞高巖石應(yīng)力及其開采誘發(fā)的巖爆、高溫度、制冷通風(fēng)技術(shù)、高垂深及長水平距離材料和巖石的運輸?shù)燃夹g(shù)，南非的深井開采研究計劃及超深開采研究成果已經(jīng)成為當(dāng)前深井采礦設(shè)計準則及實踐的基礎(chǔ)[1]。我國于2001年舉辦了“深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究問題”香山科學(xué)會議；2003年，啟動了國家自然科學(xué)基金“深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究”重大項目[2]；2004年，國務(wù)院通過了《全國危機礦山接替資源找礦規(guī)劃綱要(2004—2010)》，開展危機礦山接替資源找礦工作。2009年，中國科學(xué)院發(fā)布了《創(chuàng)新2050：科學(xué)技術(shù)與中國的未來》戰(zhàn)略研究報告，提出了“中國地下4 km透明計劃”[3]。我國“十三五”科技創(chuàng)新的總體布局中已經(jīng)列入了“深地”探測的重要內(nèi)容，形成了挑戰(zhàn)自然極限的“深空”“深地”和“深海”三大戰(zhàn)略科技大布局，體現(xiàn)了建設(shè)創(chuàng)新型國家的決心。2016年，習(xí)近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會指出“向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”，將地質(zhì)科技創(chuàng)新提升到了關(guān)系國家科技發(fā)展大局的戰(zhàn)略高度，展示了我國沖擊世界科技前沿的愿景[4?5]。

進入深部開采后面臨的地質(zhì)情況更加復(fù)雜，在高地應(yīng)力的環(huán)境下首先要面臨巷道變形、巖爆、塌方、冒頂?shù)乳_采動力災(zāi)害問題，嚴重影響采礦作業(yè)的正常進行[6]。鑒于此，本文作者對國內(nèi)外金屬礦山深部開采現(xiàn)狀進行歸納總結(jié)，針對深部高地應(yīng)力開采動力災(zāi)害提出深部金屬礦采動災(zāi)害預(yù)防與控制策略，以期為我國金屬礦深部安全、高效開采提供技術(shù)保障。

1 國內(nèi)外金屬礦山對深部開采的界定與開采現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外金屬礦山對深部開采界定

深部開采學(xué)術(shù)表達為：地應(yīng)力隨開采深度逐步增大，當(dāng)?shù)竭_某深度時，巖爆發(fā)生頻率明顯增加，此時定義為進入深部開采[2,7]。但礦巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如在構(gòu)造應(yīng)力較大的情況下，即使在淺部也可能頻繁發(fā)生巖爆，因此，認為其具有不確定性[7]。深部開采主要與巖石類型、原巖應(yīng)力和巖溫等條件直接相關(guān)，判斷是否進入深部開采，通?？紤]勘探、采礦、支護以及監(jiān)測的巖體力學(xué)性質(zhì)、巖溫條件、開采方法和破巖以及人員、材料和巖石的轉(zhuǎn)運等因素的特殊性，尤其是工程地質(zhì)條件、采掘技術(shù)、地壓控制和礦井通風(fēng)等差異性變化。

不同國家對深部開采有不同的界定。在南非，深井開采指礦山開采深度超過2 300 m，原巖溫度超過38 ℃的礦山；超深井開采指其開采深度超過3 500 m 的礦山。在加拿大，超深井開采指開采深度超過2 500 m以下，既能保證人員和設(shè)備安全又能獲得經(jīng)濟效應(yīng)的礦山。德國將埋深超過800～1 000 m的礦井稱為深井，將埋深超過1 200 m的礦井稱為超深井開采。日本把深井的“臨界深度”界定為600 m，而英國和波蘭則將其界定為750 m[8?12]。我國深部開采指開采深度超過800 m的礦山開采；深豎井指礦井建設(shè)深度在800～1 200 m之間的豎井；超深井指礦井建設(shè)深度超過1 200 m深的豎井。參考國內(nèi)外學(xué)者研究成果，總結(jié)礦山開采深度劃分與其對應(yīng)特征見表1。

表1 礦山開采深度劃分及其特征Table 1 Classification and characteristics of mining depth

1.2 國內(nèi)外金屬礦山開采現(xiàn)狀

隨著地下淺部礦產(chǎn)資源日趨枯竭，深部采礦已經(jīng)成為世界采礦的重要組成部分。據(jù)不完全統(tǒng)計，國外開采深度超1 000 m 的金屬礦山有100 余座，主要集中在南非、加拿大、美國、澳大利亞、俄羅斯等國家，各國典型深部地下金屬礦山見表2[13?16]。其中，世界上開采深度超3 000 m的礦山主要分布在南非和加拿大，南非的Mponeng，South Deep，Tau Tona和Savuka 等礦山開采深度均已經(jīng)達3 500 m，其中最大開采深度達到4 000 m；加拿大的LaRonde和Kidd Creek 等礦開采深度已達3 000 m。

表2 各國典型深部地下金屬礦山Table 2 Typical deep underground metal mines in various countries

我國進行深部開采的時間較晚，但發(fā)展迅速[3]。目前，我國采深超1 000 m礦山有16座(見圖1)。21世紀以來，隨著我國礦山事業(yè)突飛猛進的發(fā)展，深豎井建設(shè)處于加速發(fā)展階段。深度超過1 000 m 的金屬、非金屬礦山在建和擬建礦井達到45條，主要有遼寧撫順紅透山銅礦(1 600 m)、本溪思山嶺鐵礦(1 506 m)、本溪大臺溝鐵礦(1 500 m)、鞍山陳臺溝鐵礦(1 500 m)、新城金礦(1 527 m)、中金山東沙嶺金礦(1 633 m)和萊州招金瑞海礦業(yè)(1 500 m)等[17]。按照目前的發(fā)展速度，在短期內(nèi)，我國進入深部開采的礦山數(shù)量將會達到世界第一，而且會有幾個開采規(guī)模將達到世界最高水平。

圖1 我國采深超1 000 m金屬礦山分布圖Fig.1 Distribution of metal mines with mining depth over 1 000 m in China

2 深部金屬礦采動災(zāi)害類型

由于深部采礦受高井深(1 500～2 000 m，部分豎井達到3 000 m)、高原巖應(yīng)力(垂直應(yīng)力達到60 MPa 以上，高水平構(gòu)造應(yīng)力)、高巖溫(40 ℃以上)，尤其是在深部采礦活動作用下，原有地應(yīng)力場(高自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力)平衡被破壞，誘發(fā)的采動應(yīng)力不斷在采場圍巖內(nèi)集中，當(dāng)采場圍巖內(nèi)累積的采動應(yīng)力超過巖體強度時，采場圍巖產(chǎn)生諸如層裂(spalling)、屈曲(bulking)、巖爆(rockburst)、擠壓大變形(squeezing)等破壞，致使采場(巷道)圍巖出現(xiàn)冒落、垮塌、動力沖擊等破壞，造成礦石損失貧化，并嚴重威脅井下作業(yè)人員和設(shè)備安全[6,18?21]。

2.1 由層裂引起的冒落、垮塌

深部高地應(yīng)力硬巖開采過程中，經(jīng)?？梢杂^測到與開挖面基本平行的層裂或片幫破壞，與淺部工程中常見的剪切破壞不同，這種破壞稱為spalling或者slabbing，中文譯為層裂破壞、板裂破壞或剝落破壞。早在1966年，F(xiàn)airhurst和Cook 就指出，巖石層裂破壞與巖石內(nèi)部的拉伸劈裂裂隙的擴展有關(guān)；根據(jù)Ortlepp 的定義，層裂破壞是在開挖邊界面上由高地應(yīng)力引起的一種破壞形式[22?24]，通常層裂有以下3種破壞類型。

1)彎折內(nèi)鼓[25]。雖然彎折內(nèi)鼓在破壞的表現(xiàn)形態(tài)上也是一種呈層狀或板狀的剝離，但從巖體的完整性角度而言，彎折內(nèi)鼓是層狀特別是薄層狀圍巖的主要破壞模式(如圖2所示)，而層裂破壞是相對完整巖體所體現(xiàn)的脆性破壞形式。

圖2 彎折內(nèi)鼓Fig.2 Bending inner drum

2)片幫剝落、潰屈破壞[25?26]。完整巖體在切向應(yīng)力集中作用下發(fā)生劈裂拉仲，呈薄片狀或板狀，若劈裂成薄片狀，片狀巖體直接剝落，落地后碎裂，稱為片幫剝落；若劈裂成板狀，則板狀巖體繼而發(fā)生彎折斷裂，稱為潰屈破壞。盡管隨著層裂化破壞的穩(wěn)定發(fā)展，洞壁圍巖會表現(xiàn)出與片幫剝落、潰屈破壞相類似的形態(tài)，但圍巖內(nèi)部的層裂化破壞情況，需要借助一定手段，如鉆孔攝像等，山東新城金礦深部巷道層裂探測結(jié)果如圖3所示。

圖3 深部巷道層裂破壞探測Fig.3 Detection of spalling failure in deep roadway

3)V 型破壞[27?29]。層裂與V 型破壞均是高地應(yīng)力下圍巖發(fā)生的脆性破壞，現(xiàn)場觀測和室內(nèi)試驗均表明，V型破壞形成過程中伴有明顯層裂化現(xiàn)象的產(chǎn)生(圖4(a)所示)。然而，V 型破壞分布范圍表現(xiàn)出明顯的主應(yīng)力方向相關(guān)性(沿著最小主應(yīng)力方向或成一小角度，如圖4(b)所示)。而現(xiàn)場案例統(tǒng)計表明，洞室邊墻、拱肩均會有層裂化破壞現(xiàn)象產(chǎn)生，且層裂化破壞形態(tài)受洞室曲率半徑影響較大，少數(shù)情況下表現(xiàn)出宏觀的V型輪廓。

圖4 V型破壞Fig.4 V-type failures

2.2 巖爆

在采礦工程中，巖爆是深部高地應(yīng)力區(qū)易發(fā)的一種特殊的工程誘發(fā)災(zāi)害[30]。隨著開采深度的增加，高應(yīng)力條件下硬脆巖體巖爆災(zāi)害加劇、頻發(fā)，是未來深部礦產(chǎn)資源開發(fā)的瓶頸問題。國內(nèi)外開采深度超1 500 m礦山均發(fā)生不同震級的巖爆，其中，印度的Kolar礦開采深度超3 000 m，最終因巖爆災(zāi)害頻發(fā)而關(guān)閉；我國撫順紅透山銅礦自1976年開始發(fā)生輕微巖爆，并隨著采深增加而增多，在1995?05—2007?12，有記錄的巖爆有30 起，僅巖爆引起的頂板冒落就造成礦石損失了50萬t；自1999年起，冬瓜山銅礦在深部巷道施工過程中多次發(fā)生巖石彈射現(xiàn)象，并發(fā)生巖爆，破壞巷道長達25 m，在巖爆發(fā)生的20 余天內(nèi)，采用錨網(wǎng)支護后再次產(chǎn)生巖爆，拉斷錨桿并擊穿金屬網(wǎng)[31?32]。除此之外，陜西潼關(guān)金礦、湖北雞冠銅金礦、云南會澤鉛鋅礦、山東玲瓏金礦、河南靈寶崟鑫金礦及新疆阿舍勒銅礦均發(fā)生不同程度的巖爆，并隨著采深增加，巖爆現(xiàn)象越發(fā)頻繁且有加劇趨勢[33?35]。深部巖爆災(zāi)害表現(xiàn)如圖5所示[36?37]。

圖5 巖爆災(zāi)害表現(xiàn)形式Fig.5 Rockburst disaster performances

世界上第一次有記錄的巖爆發(fā)生已近300年，國內(nèi)外許多學(xué)者對巖爆的分類、發(fā)生機理和防治等多方面進行了廣泛研究，但由于巖爆本身的復(fù)雜性和不確定性，至今也沒有對巖爆形成統(tǒng)一的認識。許多學(xué)者根據(jù)不同的科研成果給出了巖爆的定義。車用太等[38]提出巖爆是巖體在高應(yīng)力(極限應(yīng)力狀態(tài))地段發(fā)生脆性破壞的一種深部地壓現(xiàn)象；ORTLEPP[39]認為巖爆就是給土木工程和地下巷道(包括釆場工作面、井巷工程和硐室)造成猛烈嚴重破壞的巖體震動事件；鄭永學(xué)[40]認為巖爆是在巖體中積聚的應(yīng)變能突然而猛烈地全部釋放的脆性斷裂；郭然等[41]認為巖爆是處于高應(yīng)力狀態(tài)的巖體，在開挖或開采后，圍巖形成應(yīng)力集中，其內(nèi)部儲存的應(yīng)變能逐漸積累，最終突然釋放，造成開挖空間周圍部分巖體猛烈地突出或彈射出來的一種動力破壞現(xiàn)象。巖爆的發(fā)生常伴隨著巖體震動。

在巖爆分類方面，HOEK 等[32,86]將巖爆劃分成斷裂型和應(yīng)變型2 種巖爆類型，KAISER 等[42]提出將巖爆分為自發(fā)型、遠源觸發(fā)式等類型。郭志[43]在研究巖體破壞方式的基礎(chǔ)上，得到了爆裂彈射型巖爆、片狀剝落型巖爆以及洞壁垮塌型巖爆3種劃分類型。汪澤斌[44]深入研究并總結(jié)了國內(nèi)外30 多個隧道與地下工程巖爆的共同特征，將巖爆劃分為6 個類型，即破裂松脫型巖爆、沖擊地壓型巖爆、爆破彈射型巖爆、斷裂地震型巖爆和遠圍巖地震型巖爆等。

在巖爆機理及判據(jù)，谷明成等[45]深入研究了秦嶺隧道巖爆影響因素及其發(fā)生機理，認為發(fā)生巖爆必須滿足如下條件：一是巖體必須具有有效聚集應(yīng)變能的能力，二是必須具有較高的初始應(yīng)力，從而為巖爆發(fā)生提供能量來源，此外，還需存在一個合適的外部條件，其應(yīng)能引起應(yīng)變能的釋放，基于上述3 個條件，提出了巖爆分析的復(fù)合判據(jù)。張鏡劍等[46]對谷明成等[45]提出的巖爆復(fù)合判據(jù)進行了改進，提出了一種新的巖爆判據(jù)。馮夏庭[47?48]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立地下洞室?guī)r爆預(yù)報的自適應(yīng)模式識別方法，以巖爆孕育過程為主線提出基于微震信息的巖爆區(qū)域和等級的定量預(yù)警方法。宮鳳強等[49]考慮巖石加載全過程中能耗特性，提出一種基于線性儲能規(guī)律和剩余彈性能指數(shù)的巖爆傾向性判據(jù)，該判據(jù)不但可以劃分巖爆傾向性等級，而且可以依據(jù)剩余彈性能指數(shù)對巖爆傾向性進行排序，排序結(jié)果和實驗室?guī)r爆沖擊傾向程度相符。

2.3 擠壓大變形

擠壓大變形是由于地應(yīng)力相對于巖體強度較高而導(dǎo)致的完整隧道的緩慢收斂，擠壓大變形表現(xiàn)形式如圖6所示[50?51]。要控制擠壓大變形非常困難，由于巖體應(yīng)力重新平衡，它對支護的要求非常高，并伴隨著巖體高度收斂。國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)所組成的擠壓性巖體委員會(Commission on Squeezing Rocks)對擠壓的定義為：擠壓現(xiàn)象為一種在隧道(或大型地下洞室)開挖過程中與時間有關(guān)的大變形，與巖石材料的彈黏塑性行為及流變時效特性有相當(dāng)程度的關(guān)聯(lián)性，尤其當(dāng)所承受的剪應(yīng)力超過某極限值時，屬物理反應(yīng)過程[52]。BARLA[53]定義擠壓變形為一種與巖體時效特性有關(guān)的大變形，隧道開挖期間發(fā)生擠壓變形的必要條件是，當(dāng)剪應(yīng)力超過一定極限值時巖體發(fā)生流變而引起擠壓變形。

圖6 擠壓大變形Fig.6 large extrusion deformations

3 深部采動災(zāi)害預(yù)防與控制方法

地下采礦是一個動態(tài)變化過程，與礦床地質(zhì)、巖體力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力條件等密切相關(guān)，特別是在深部采動影響下，受礦體形態(tài)、開采順序、充填情況與地壓控制等交互作用，深部采礦地壓災(zāi)害控制研究變得艱難而復(fù)雜。為有效控制深部采動地壓，需要從礦山整體出發(fā)，構(gòu)建含有構(gòu)造、巖體質(zhì)量分析、巖體力學(xué)參數(shù)信息的三維空間地質(zhì)力學(xué)模型，運用應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理與數(shù)值模擬方法分別分析不同采礦方法和不同開采順序條件下，深部礦體采動誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，并進行評估、分析、分類，針對不同類別的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，采取相關(guān)地壓調(diào)控措施及時對深部采動災(zāi)害進行預(yù)防與控制[54](圖7)。

圖7 深部采動災(zāi)害預(yù)防與控制流程Fig.7 Deep mining disaster prevention and control process

3.1 建立地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估模型

對于深部采動地壓研究，需要從礦體賦存空間形態(tài)的整體出發(fā)，科學(xué)、系統(tǒng)地研究礦山開采潛在地質(zhì)風(fēng)險災(zāi)害，包括地壓災(zāi)害發(fā)生概率及其危害程度，與礦山采動過程應(yīng)力場動態(tài)演化的關(guān)聯(lián)性，并對礦山地質(zhì)災(zāi)害進行系統(tǒng)和定量分析和評估；依據(jù)深部采動地壓災(zāi)害風(fēng)險等級，應(yīng)用采動應(yīng)力分析深部采場和井巷地壓顯現(xiàn)特征，據(jù)此對深部采動地壓進行合理調(diào)控，通過最佳技術(shù)途徑將其控制在最低的可接受的水平。合理布設(shè)井巷空間位置，使其處于低應(yīng)力區(qū)域，采用相應(yīng)的地壓控制技術(shù)，維護采場、井巷的長期穩(wěn)定[55]。

在地下礦山開采(尤其是深部開采)過程中，礦山地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，例如片幫、冒頂、巖爆等，需要對礦山潛在地質(zhì)災(zāi)害進行評估[56?57]。地質(zhì)災(zāi)害評估需遵循的工作流程如圖8所示。災(zāi)害風(fēng)險評估的主要內(nèi)容包括工程地質(zhì)模型、地下開拓系統(tǒng)、采礦設(shè)計、充填、現(xiàn)場施工、圍巖支護以及其他方面。

圖8 礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估流程Fig.8 Risk assessment process of mine geological hazards

據(jù)上述工作流程，對礦山地質(zhì)災(zāi)害進行評估，然后根據(jù)不同的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級，采用不同顏色分區(qū)標(biāo)示于三維礦山模型上(圖9)，以便在生產(chǎn)實踐中及時采取相應(yīng)的地壓控制措施[58]。

圖9 采場(井巷開拓)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估三維模型Fig.9 3D model of geological hazard risk assessment for stope

3.2 深部采動地壓調(diào)控

地壓控制指在充分掌握礦體開采過程中采場(巷道)圍巖體中的應(yīng)力位移分布規(guī)律及其誘致采場結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生變形、破壞，進而采取合理的地壓控制方法[59]，保持礦山開采系統(tǒng)的相對穩(wěn)定，確保礦山生產(chǎn)的安全、有序進行。深部采動地壓調(diào)控手段只要包括采礦回采順序、設(shè)置隔離礦柱、充填及卸壓爆破。

3.2.1 采礦回采順序

采礦回采順序主要研究不同開采順序所形成的采動應(yīng)力場分布，以及采動應(yīng)力場集中能否造成采區(qū)范圍內(nèi)巖體產(chǎn)生損傷累積、破壞(圖10)。不同的采礦順序?qū)虏蓤黾熬锕こ虈鷰r體的穩(wěn)定影響不同。當(dāng)?shù)V山選取安全合理的回采順序時，能有效調(diào)控、遷移和釋放采區(qū)范圍內(nèi)巖體開挖而積聚的能量，有效防止礦山出現(xiàn)大規(guī)模突發(fā)性地壓活動[60?63]。

圖10 不同采礦順序采區(qū)圍巖體損傷累積、破壞Fig.10 Damage accumulation and destruction of surrounding rock in different mining sequence

在礦山回采順序研究方面，工程上比較常用的研究方法主要有工程類比法(即經(jīng)驗法)和數(shù)值分析法等[64?67]。

1)經(jīng)驗法。對于地下工程結(jié)構(gòu)尤其是深部巖體工程結(jié)構(gòu)，由于它的計算模型過于復(fù)雜，地質(zhì)條件探測難度大以及力學(xué)參數(shù)難以評估，導(dǎo)致其在設(shè)計和施工的過程中，通常應(yīng)用經(jīng)驗法研究采礦順序，取決于以往采礦工程中所積累的經(jīng)驗。雖然信息化設(shè)計施工已經(jīng)成為礦體開采工程發(fā)展的新趨勢，但在力學(xué)機制較為復(fù)雜的深部礦體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及回采順序設(shè)計等方面，經(jīng)驗法是常用的研究手段。

2)數(shù)值分析法。傳統(tǒng)的力學(xué)解析方法指根據(jù)所要開采的結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)、巖體介質(zhì)的力學(xué)特性、初始的應(yīng)力狀態(tài)以及邊界條件等，建立相應(yīng)的幾何模型以及力學(xué)模型，利用固體力學(xué)的基本原理來求解巖體內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移等力學(xué)變量，進而評價采場圍巖體穩(wěn)定性。由于巖體介質(zhì)的非線性、各向異性等且其物理力學(xué)性質(zhì)會隨時間和溫度而變化以及邊界條件過于復(fù)雜等，傳統(tǒng)的力學(xué)解析方法難以解決工程實際問題。然而，隨著計算機的快速發(fā)展以及計算技術(shù)的不斷提高，數(shù)值分析法由于能很好地解決傳統(tǒng)力學(xué)解析方法無法克服的缺陷，已經(jīng)成為解決地下工程問題的有效手段，在采礦工程問題中得到了廣泛應(yīng)用。以安大略省薩德伯里的Garson礦1號礦體為例，為優(yōu)化回采順序，采用三維彈塑性有限差分軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型(圖11(a))，提出以強度?應(yīng)力比1.4 作為采場失穩(wěn)的評估標(biāo)準。當(dāng)強度?應(yīng)力比超過1.4 時，則認為采場失穩(wěn)。在不同開采順序下，強度?應(yīng)力比等值線見圖11(b)[58]。

圖11 采礦順序數(shù)值優(yōu)化示意圖Fig.11 Numerical optimization of mining sequence

3.2.2 設(shè)置隔離礦柱

隨著礦山開采深度的不斷增加，采場地壓顯現(xiàn)日益劇烈。在采礦過程中，每隔一段垂直距離留設(shè)一定厚度的水平隔離礦層，支撐上下盤圍巖，確?？諈^(qū)圍巖整體穩(wěn)定，預(yù)防空區(qū)上部發(fā)生大規(guī)模塌落時對下部采礦場產(chǎn)生的動力沖擊及由此產(chǎn)生的氣浪對人員造成傷害，這一水平隔離礦層稱為隔離礦柱[68?70]。

留設(shè)合理的隔離礦柱是指通過進行巖石力學(xué)計算其合理的空間位置及其合理的尺寸，使其在采動應(yīng)力作用下隔離礦柱不會產(chǎn)生變形、屈服和破壞。隔離礦柱可有效調(diào)控深部采動地壓，通過留設(shè)隔離礦柱的方式分隔空區(qū)與礦體，有效控制圍巖變形，維持采空區(qū)圍巖穩(wěn)定，并可以很好地維護上盤巖體的穩(wěn)定，將不會造成地表產(chǎn)生沉降。

隔離礦柱對深部地壓的調(diào)控通常與采礦順序、采場充填共同作用。采場隔離礦柱對深部采場地壓調(diào)控主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)對上覆巖層起支撐作用，使上覆巖層在一定程度上能夠保持完整性。礦體開采前，巖體內(nèi)任意點上的應(yīng)力是平衡的，當(dāng)?shù)V體開采以后，破壞原來采場的應(yīng)力平衡狀態(tài)，采場圍巖應(yīng)力重新分布，直到達到新的應(yīng)力平衡為止。由于采場內(nèi)礦體的開采，其上部覆巖應(yīng)力由采場礦柱支撐，使得隔離礦柱所承受的壓力要比開采之前高，形成高應(yīng)力集中區(qū)。采場頂板巖層存在由斷層、節(jié)理和裂隙等切割成結(jié)構(gòu)體。在高應(yīng)力作用下，采場空區(qū)內(nèi)某些結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生滑移、冒落。隔離礦柱使能夠延緩并阻止拱頂巖體產(chǎn)生移動，從而提高頂板圍巖體的自身承載能力。

2)減小地壓轉(zhuǎn)移速度。隔離礦柱改變深部采礦方法采場的受力狀態(tài)，減小了淺部地壓向深部轉(zhuǎn)移速度，使深部采場的開采處于相對低應(yīng)力環(huán)境(圖12(a))，延遲高應(yīng)力環(huán)境下應(yīng)力集中時間，有效地減輕采空區(qū)冒落、沖擊壓力、巖爆等采動災(zāi)害發(fā)生。

圖12 隔離礦柱對深部地壓調(diào)控Fig.12 Control of deep ground pressure by isolated pillar

3)通過留設(shè)隔離礦柱，并配合充填法進行開采，以隔離礦柱的自身厚度為淺部采場充填提供承載(圖12(b))，使淺部開采與深部開采同時進行，保證礦山開采礦量的穩(wěn)定和通風(fēng)系統(tǒng)正常運行，有效阻隔上部采場的廢石、廢水進入下部采場，為上下部采場創(chuàng)造相對獨立的作業(yè)環(huán)境。

3.2.3 采場充填

采場充填是指利用充填料充填采空區(qū)對地壓進行調(diào)控的方法，充填體與圍巖相互作用分為3個層面[71?73]。

1)改變圍巖受力條件。充填體能有效將采場應(yīng)力狀態(tài)由單軸或雙軸受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，有效地增強采場圍巖的穩(wěn)定性，同時對礦柱有很好的保護作用(圖13)。因此，充填體不僅對圍巖有很好的支撐能力，同時能更有效地提高采場圍巖自身強度。

圖13 膏體充填體與圍巖力學(xué)作用關(guān)系Fig.13 Mechanical interaction relationship between paste backfill and surrounding rock

充填采場圍巖所受的側(cè)向壓力主要為巖層移動產(chǎn)生的側(cè)向壓力和作用在采場圍巖的自重應(yīng)力。借此提高礦柱和采場圍巖承載應(yīng)力，以及部分充填體自重荷載。

2)充填體填充結(jié)構(gòu)面作用。由于巖體中存在許多斷層、節(jié)理裂隙，巖體被切割成結(jié)構(gòu)體，因此，結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性由節(jié)理裂隙組成方式?jīng)Q定。采用充填材料填充采場后，充填材料將滲透至巖體節(jié)理裂隙內(nèi)，膠結(jié)巖體結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)面巖體形成整體。

3)充填體的讓壓作用。與巖體相比，膏體充填體可看作柔性介質(zhì)，具有較強的變形能力。因而，在采場圍巖體的變形過程中，充填體能夠有效控制和減緩采場圍巖地壓釋放，同時能有效控制圍巖積聚能量的釋放速度。圍巖與充填體組合結(jié)構(gòu)形式及其力學(xué)參數(shù)是決定充填作用的關(guān)鍵影響因素。

3.2.4 卸壓爆破

卸壓爆破指在高地壓集中的危險區(qū)域，采用鉆孔爆破方法，使其在高地壓巖體內(nèi)爆破產(chǎn)生裂隙或切割裂縫，減緩高地壓集中程度或轉(zhuǎn)移高地壓作用空間位置，借以消除或減緩高地壓潛在危害，為深部采礦或掘進提供安全空間，該方法在深部采礦中應(yīng)用廣泛[74]。

卸壓爆破作用是通過應(yīng)用爆破技術(shù)使處于高地壓集中區(qū)域的節(jié)理化巖體內(nèi)的節(jié)理裂隙進一步破裂、活化并誘致其產(chǎn)生新裂隙；產(chǎn)生的新巖體裂隙降低了炮孔周圍的巖體強度，降低了巖體節(jié)理之間的摩擦力，在二者共同作用下降低工作面附近的高應(yīng)力集中，有效實現(xiàn)高應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)移和釋放，巖體內(nèi)積聚的彈性能減少，進而破壞了高地壓積聚區(qū)域巖爆發(fā)生強度條件和能量條件(圖14)。

圖14 卸壓爆破原理Fig.14 Principle of pressure relief blasting

3.3 礦山動力支護系統(tǒng)

當(dāng)巖爆災(zāi)害發(fā)生之后，不可避免地產(chǎn)生圍巖破壞，最主要的問題是通過采取有效的支護技術(shù)確保巷道破壞能夠被維護，使其仍然保證其服務(wù)功能。釋能支護是控制深部巖爆等動力沖擊條件下巷道圍巖體穩(wěn)定性重要支護方法，通過采用釋能支護結(jié)構(gòu)使巖體中積蓄的高彈性能以和緩的方式釋放，使高應(yīng)力巖體處于低儲能、緩變形的穩(wěn)定狀態(tài)，有效抵抗巖爆等動力災(zāi)害的往復(fù)沖擊作用，在深部采礦工程、隧道工程等高巖爆風(fēng)險巖體穩(wěn)定性控制中得以廣泛應(yīng)用。

采用礦山動力支護系統(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。在20世紀90年代，南非首先提出能量吸收支護體系[75]。南非首先發(fā)明第一種能量吸收錨桿，即錐體錨桿(Cone錨桿)。新型錐體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)害深井巷道進行支護[76]。釋能錨桿既具有高靜止拉拔力，又能抵抗巖爆等動力往復(fù)沖擊載荷，并在沖擊作用同時錨桿產(chǎn)生一定位移，釋放積聚在巖體內(nèi)的高動力沖擊能量，當(dāng)前常見釋能錨桿類型見圖15，其性能見表3[37,77?80]。

表3 釋能錨桿類型及其參數(shù)Table 3 Types and parameters of energy releasing bolt

圖15 各國錨桿結(jié)構(gòu)Fig.15 Anchor bolt structure in various countries

不同國家的動力支護系統(tǒng)有所差異：在南非，主要是應(yīng)用釋能錨桿支護巖體，釋放巖體內(nèi)的動能[53]。巖體內(nèi)的動能一部分為是釋能錨桿吸收，另一部分動能通過碎裂巖體被巖體表面支護結(jié)構(gòu)釋放。在南非支護系統(tǒng)中，常用鋼絲繩代替鋼帶。在高應(yīng)力巖體中掘進巷道時，通常采用釋能錨桿(錐體錨桿、改進的錐體錨桿、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。在澳大利亞，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解決高應(yīng)力碎裂蠕變巖體穩(wěn)定性控制。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系統(tǒng)控制其穩(wěn)定[81?82]。在加拿大，采用短錨桿和金屬網(wǎng)支護破碎巖體，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)組成動力支護體系，增強巖體的剛度[83]。在北歐，其支護理念與加拿大的相似，采用短錨桿與金屬網(wǎng)支護淺層破碎巖體，使其形成整體[84?86]。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。

我國礦山動力支護系統(tǒng)最常見形式為釋能錨桿與金屬網(wǎng)或噴射混凝土進行聯(lián)合支護[87?91]，由于我國對釋能錨桿的研究起步較晚，可挑選的釋能錨桿種類與國外相比仍有較大差距。為應(yīng)對深部金屬礦山復(fù)雜多變的工程情況，研發(fā)有效控制巖爆危害的礦山動力支護系統(tǒng)，實現(xiàn)“爆而不倒”(圖16)[37]、留有足夠的安全空間確保人員和機械設(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。

圖16 巖爆釋能支護效果Fig.16 Effect of rock burst energy releasing support

4 結(jié)論

1)我國進入深部開采礦山規(guī)模與國外相比還有較大差距，但我國深豎井建設(shè)處于加速發(fā)展階段，預(yù)示著我國進入深部開采的礦山數(shù)量將會有很大提高。

2)在深部采礦活動作用下，高采動應(yīng)力是層裂、巖爆和擠壓大變形的主要誘因；并簡要概述了各種采動災(zāi)害的致災(zāi)機理及表現(xiàn)形式。

3)建立地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估模型是深部采礦至關(guān)重要的一環(huán)，可根據(jù)不同的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級合理布置井巷等開拓工程，減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

4)采礦回采順序、隔離礦柱、充填采場及卸壓爆破是深部采礦地壓調(diào)控的主要手段，充分掌握礦體開采過程中采場(巷道)圍巖體中的應(yīng)力位移分布規(guī)律，采取合理的地壓控制方法可減少采動災(zāi)害的發(fā)生。

5)巖爆是深部金屬礦山在開采過程中最易發(fā)的采動災(zāi)害，釋能錨桿在控制巖爆起到關(guān)鍵性作用，研發(fā)有效控制巖爆危害的礦山動力支護系統(tǒng)可為我國金屬礦深部安全、高效開采提供技術(shù)保障。