一種新的巖爆等級(jí)評(píng)估指標(biāo)及其在某超埋深礦井中的應(yīng)用

李鵬翔 彭劍平 張博超 陳 立

(1.菏澤學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,山東 菏澤 274015;2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北 武漢 430071;3.巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071;4.招金礦業(yè)股份有限公司,山東 萊州 261442;5.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330013)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的礦山、水利水電、交通、核廢料處置及國(guó)防等領(lǐng)域的相關(guān)地下工程逐步向深部轉(zhuǎn)移,開(kāi)挖(開(kāi)采)誘發(fā)的巖爆災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1]。 巖爆是一種極其復(fù)雜的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害,它是集聚在巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放的結(jié)果,可造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,是深埋工程的主要災(zāi)害之一[2]。

為了正確認(rèn)識(shí)這一地質(zhì)災(zāi)害,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索和研究,在巖爆的發(fā)生機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)防控等方面取得了較為豐碩的成果[2]。 但巖爆是一種極為復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象,目前對(duì)巖爆的發(fā)生機(jī)理還尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),對(duì)巖爆進(jìn)行科學(xué)有效的預(yù)警及防控更是任重道遠(yuǎn)。 正如英國(guó)巖石力學(xué)專(zhuān)家布朗(E.T.Brown)教授所說(shuō)“巖爆在定義上都很難達(dá)到意見(jiàn)的統(tǒng)一,它的進(jìn)展將代表著巖石力學(xué)這門(mén)學(xué)科的發(fā)展和重大突破”[1-4]。 現(xiàn)有的巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警方法大致可分為指標(biāo)判據(jù)法、數(shù)值指標(biāo)法、應(yīng)用數(shù)學(xué)方法以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法等[2]。 這些方法針對(duì)不同的工程和工程所處的不同階段取得了不同的應(yīng)用效果,或指導(dǎo)了開(kāi)挖、開(kāi)采方法選擇或指導(dǎo)了隧道選址選線(xiàn)、礦井開(kāi)拓布置方案確定。 指標(biāo)判據(jù)法具有成本低廉、快速、判別結(jié)果直觀(guān)的優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于深埋工程巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判,為制定巖爆風(fēng)險(xiǎn)防控策略提供了重要參考[2]。

本研究首先分析了現(xiàn)有巖爆指標(biāo)判據(jù)存在的優(yōu)缺點(diǎn),指出多數(shù)巖爆指標(biāo)判據(jù)僅考慮巖爆發(fā)生的外界條件(應(yīng)力條件)或僅考慮巖爆發(fā)生的內(nèi)部條件(巖石自身巖爆傾向),并未充分顧及巖爆發(fā)生的充分必要條件,即巖爆發(fā)生的外在驅(qū)動(dòng)力(即應(yīng)力條件)和巖爆發(fā)生的內(nèi)在條件(即巖石固有的儲(chǔ)能、耗能特性)。 針對(duì)以上不足,本研究提出了一種考慮內(nèi)外因素的巖爆預(yù)測(cè)指標(biāo),所提巖爆指標(biāo)具有參數(shù)簡(jiǎn)便易得、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用該指標(biāo)判據(jù)分析了山東某超埋深金礦-1 480 m 水平的巖爆風(fēng)險(xiǎn),預(yù)測(cè)結(jié)果較理想,研究成果可為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 現(xiàn)有巖爆指標(biāo)存在的問(wèn)題

大量研究表明,巖爆發(fā)生在應(yīng)力較高且具有巖爆傾向性的巖石中。 地應(yīng)力是驅(qū)動(dòng)巖石破壞發(fā)展的根源,巖體開(kāi)挖或者礦體開(kāi)挖后打破原有應(yīng)力平衡,地應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整,一般地應(yīng)力越高,應(yīng)力調(diào)整越劇烈,巖爆風(fēng)險(xiǎn)越高[2]。 巖石具有巖爆傾向性是巖石發(fā)生巖爆的基礎(chǔ),只有具有巖爆傾向性的巖石在較高地應(yīng)力條件下才會(huì)發(fā)生巖爆。 因此只有巖石達(dá)到了相應(yīng)的應(yīng)力條件和巖石具有巖爆傾向性時(shí),巖爆才會(huì)發(fā)生;反之,亦然。 由此可見(jiàn),高地應(yīng)力和巖石具有巖爆傾向性是巖石發(fā)生巖爆的充分必要條件。

目前已有較多的巖爆判據(jù)被應(yīng)用到具體的地下工程中,并取得了不同程度的成功,比較典型的指標(biāo)判據(jù)如表1 所示。 這些判據(jù)多是單一因素判據(jù),考慮較為片面,并未考慮巖爆發(fā)生的充分必要條件即巖爆發(fā)生的外在驅(qū)動(dòng)力(應(yīng)力條件)和巖爆發(fā)生的內(nèi)在條件(巖石固有的儲(chǔ)能、耗能特性)。 例如:Russense 判據(jù)、Barton 判據(jù)、Hoek 判據(jù)、陶振宇判據(jù)等可歸結(jié)為只考慮應(yīng)力條件即巖爆外部條件來(lái)判斷巖爆風(fēng)險(xiǎn),巖石自身是否具有巖爆傾向性質(zhì)未做考慮;能量沖擊性指數(shù)KE、彈性能量指數(shù)Wet、能量?jī)?chǔ)耗指數(shù)k、巖石脆性指標(biāo)B、剩余彈性能指數(shù)Aef[2,5]等判據(jù)可歸結(jié)為只考慮巖石自身是否具有巖爆傾向性,未考慮是否達(dá)到了巖爆發(fā)生的外在驅(qū)動(dòng)因素即應(yīng)力條件。 以上兩類(lèi)指標(biāo)均可能對(duì)巖爆發(fā)生等級(jí)產(chǎn)生誤判,例如第一類(lèi)情況,可能外在驅(qū)動(dòng)力(應(yīng)力)達(dá)到了巖爆發(fā)生條件,但若巖石不具有巖爆傾向性(如軟巖),此時(shí)巖爆不會(huì)發(fā)生;又如第二類(lèi)情況,雖然巖石自身具有巖爆發(fā)生的傾向性,但外在驅(qū)動(dòng)力達(dá)不到巖爆應(yīng)力閾值,此時(shí)巖爆也不會(huì)發(fā)生。 究其原因以上應(yīng)力因素(外部條件)和巖石自身具有巖爆傾向性(內(nèi)部條件)均是巖爆發(fā)生的必要條件而非充分條件,必須同時(shí)滿(mǎn)足以上2 個(gè)條件,巖爆才會(huì)發(fā)生。 因此,在對(duì)巖爆等級(jí)評(píng)估時(shí)應(yīng)綜合考慮以上2 個(gè)因素才能較為可靠地預(yù)測(cè)巖爆,進(jìn)而采取恰當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施,降低巖爆對(duì)人員和設(shè)備造成的損害。

表1 典型巖爆指標(biāo)判據(jù)Table 1 Typical rockburst index criterion

2 新巖爆指標(biāo)提出

2.1 巖爆影響外部因素——應(yīng)力的表征

定義巖爆風(fēng)險(xiǎn)待評(píng)估區(qū)最大主應(yīng)力σ1與單軸抗壓強(qiáng)度σc的比值為巖爆影響外部因子k1,即k1=σ1/σc。 該參數(shù)無(wú)需通過(guò)復(fù)雜計(jì)算、獲取簡(jiǎn)便,σ1可通過(guò)地應(yīng)力測(cè)試或通過(guò)查閱既往含有地應(yīng)力信息的相關(guān)資料獲取,σc只需通過(guò)簡(jiǎn)單的單軸加載試驗(yàn)獲得。k1值表征了地應(yīng)力相對(duì)于巖石強(qiáng)度的大小,在一定程度上表達(dá)了外界地應(yīng)力做功的能力,該值越大表示地應(yīng)力相對(duì)于巖石強(qiáng)度越高,巖石儲(chǔ)能外界條件越好,巖石可存儲(chǔ)的應(yīng)變能就越高,巖石越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞,如果巖石具有巖爆傾向性,巖爆越容易發(fā)生。 因此該參數(shù)可表達(dá)巖爆發(fā)生的應(yīng)力因素(即外部因素),同時(shí)可以看出k1為一無(wú)量綱數(shù)值。

2.2 巖爆影響內(nèi)部因素—巖爆傾向性表征

內(nèi)部因素為巖石自身固有性質(zhì),是巖爆發(fā)生的必要條件。 根據(jù)巖爆能量理論,只有當(dāng)巖石受載發(fā)生破壞時(shí)巖石存儲(chǔ)的能量大于破壞所消耗的能量時(shí)(即有剩余能量)才會(huì)發(fā)生巖爆。

定義峰值前應(yīng)變?chǔ)舃與峰值后應(yīng)變?chǔ)臿比值為巖爆影響內(nèi)部因子k2,即k2=εb/εa。 根據(jù)巖爆能量相關(guān)理論[6],巖石具有巖爆傾向的條件為巖石受載存儲(chǔ)的應(yīng)變能A1(峰值前應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)下面積)大于峰后巖石破壞過(guò)程中所需耗散的能量A2(峰值后應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)下面積),剩余的能量以彈射動(dòng)能形式表現(xiàn)出來(lái),此時(shí)A1與A2的比值大于1,顯然該值越大就有越多的彈性能剩余,巖石發(fā)生非穩(wěn)定性破壞的概率也就越高即巖爆傾向性越高,其比值稱(chēng)為能量沖擊性指數(shù)KE,該指標(biāo)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于判斷巖石自身巖爆傾向性質(zhì)。 由全應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)形態(tài)(圖1)不難看出:峰值前應(yīng)變量εb與峰值后應(yīng)變量εa之比可近似表征巖石峰值前存儲(chǔ)的應(yīng)變能A1與峰值后巖石破壞所需能量A2之間的相對(duì)大小關(guān)系,因此可用峰值前應(yīng)變?chǔ)舃和峰值后應(yīng)變?chǔ)臿之比來(lái)描述巖石的巖爆傾向性。 同時(shí)峰值前應(yīng)變量εb與峰值后應(yīng)變量εa可較容易地從全應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)中讀取出來(lái),可避免在計(jì)算巖石受載存儲(chǔ)的應(yīng)變能A1和峰后巖石破壞過(guò)程中所需耗散的能量A2時(shí)根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)求積分的誤差,可在很大程度上簡(jiǎn)化計(jì)算。 同時(shí)可以看出k2為一無(wú)量綱數(shù)值。

圖1 巖石單軸加載全應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.1 Full stress-strain curve of rock under uniaxial loading

2.3 新巖爆判據(jù)指標(biāo)

2.3.1 新判據(jù)指標(biāo)提出

綜上所述,本研究認(rèn)為巖爆判據(jù)指標(biāo)應(yīng)考慮巖爆發(fā)生的充分必要條件,既要考慮巖爆發(fā)生的外部條件即應(yīng)力條件,又要考慮巖石固有的巖爆傾向性條件。因此采用外部因子和內(nèi)部因子相乘,作為判斷具體工程的巖爆風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)(R),其表達(dá)式為

式中,σ1為待評(píng)估區(qū)最大主應(yīng)力,MPa;σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;εb為巖石峰值前應(yīng)變;εa為巖石峰值后應(yīng)變。 顯然R值越大,巖爆風(fēng)險(xiǎn)性越高。

該指標(biāo)判據(jù)采用外部因素(應(yīng)力因素)和內(nèi)部因素(巖石自身巖爆傾向性因素)無(wú)量綱乘積形式,綜合考慮了巖爆發(fā)生的應(yīng)力和巖石自身巖爆傾向性即巖爆發(fā)生的充分必要條件,提高了預(yù)警準(zhǔn)確性,降低了誤判可能。 只有兩者同時(shí)取較高(低)值時(shí)R值才較高(低),有助于避免單一因素產(chǎn)生誤判。 例如當(dāng)σ1/σc值較大時(shí),顯示巖石處于高應(yīng)力狀態(tài),具備產(chǎn)生巖爆的外部應(yīng)力條件(單一因素判據(jù)可能判斷具有高巖爆風(fēng)險(xiǎn)),但εb/εa值較小時(shí),意味著巖石巖爆傾向性較低,此時(shí)R取值不會(huì)太大,巖爆風(fēng)險(xiǎn)判別不會(huì)太高。 同樣的,當(dāng)εb/εa值較大,意味著巖石巖爆傾向性較高(單一因素判據(jù)可能判斷具有高巖爆風(fēng)險(xiǎn)),但σ1/σc值較小時(shí),即顯示巖石處于較低應(yīng)力狀態(tài),意味著巖石巖爆傾向性較低,R取值不會(huì)太大,巖爆判別風(fēng)險(xiǎn)不會(huì)太高。

從以上分析可以看出該指標(biāo)提高了判別結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。 該指標(biāo)所用參數(shù)除了巖爆風(fēng)險(xiǎn)待評(píng)估區(qū)最大主應(yīng)力σ1外,其他參數(shù)均可直接在巖石全應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)上獲得,無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算,易于操作。

2.3.2 巖爆等級(jí)判別區(qū)間確定

本研究巖爆指標(biāo)判據(jù)中不同等級(jí)巖爆判別區(qū)間確定依據(jù)為室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果或現(xiàn)場(chǎng)具體巖爆案例總結(jié)[2]。 本研究選用錦屏二級(jí)地下深埋實(shí)驗(yàn)室[7-8]、冬瓜山銅礦[9-10]、金川二礦[11]和巴基斯坦Neelum-Jhelum(N-J)水電站引水隧道[12-13]等重大深部工程的巖石力學(xué)參數(shù)及巖爆實(shí)際發(fā)生情況(表2),對(duì)巖爆判據(jù)指標(biāo)R不同等級(jí)的巖爆判定區(qū)間進(jìn)行初步確定。 當(dāng)R＞4 時(shí)為強(qiáng)巖爆,當(dāng)2＜R≤4 時(shí)為中等巖爆,當(dāng)1＜R≤2 時(shí)為弱巖爆,當(dāng)R≤1 時(shí)為無(wú)巖爆。 后期隨著研究的深入和更多典型巖爆工程案例的出現(xiàn),不同等級(jí)的巖爆判別區(qū)間劃分會(huì)更加精確。

表2 典型重大深埋工程及相關(guān)參數(shù)Table 2 Typical major deep buried engineering and relevant parameters

3 某金礦巖爆傾向性評(píng)估

某金礦礦床完全位于海底巖體中,為海下開(kāi)采礦山。 設(shè)計(jì)采選能力396 萬(wàn)t/a,首采區(qū)位于-1 480 m水平,后期深度可達(dá)1 800 m 以上,為特大型超埋深礦井,超埋深開(kāi)采可能面臨高地應(yīng)力誘導(dǎo)的巖爆災(zāi)害,因此有必要對(duì)該礦巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

該礦巖性比較單一,以花崗巖為主,在首采區(qū)(-1 480 m)取大塊巖石,在室內(nèi)將試塊加工成3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)巖樣。 加工后的巖石試樣在剛性試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定所需的巖石全應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn),花崗巖單軸破壞典型形式及其應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2 所示。

圖2 花崗巖單軸破壞典型形式及其應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Typical forms of uniaxial failure of granite and its stress-strain curve

在應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)上分別獲取3 個(gè)試樣的峰值強(qiáng)度、峰前應(yīng)變和峰后應(yīng)變,如表3 所示。

表3 花崗巖巖石力學(xué)參數(shù)Table 3 Typical major deep buried engineering and relevant parameters

根據(jù)該礦2#鉆孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果,勘探區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主導(dǎo),最大水平主應(yīng)力SH與鉛直主應(yīng)力Sv的比值為1.06～1.41,平均為1.24。 2 個(gè)水平主應(yīng)力比值為1.19～1.54,平均為1.37,最大水平主應(yīng)力為12. 61 ～39. 74 MPa,最小水平主應(yīng)力為10.64～28.89 MPa。

從圖3 可以看出,2 個(gè)水平方向主應(yīng)力和鉛直主應(yīng)力隨著上覆巖層厚度(即埋深)的增加而增加,并基本呈線(xiàn)性關(guān)系。 該礦2#鉆孔各測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力(SH)、最小水平主應(yīng)力(Sh)和鉛直主應(yīng)力(Sv)與鉆孔深度的關(guān)系可分別表示為

圖3 2鉆孔主應(yīng)力值隨深度變化特征Fig.3 Variation characteristics of the principal stress value of 2#borehole with depth

式中,D為鉆孔深度(向下為正),m。

將表3 巖石力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)及最大主應(yīng)力代入新的巖爆指標(biāo)判據(jù),可得花崗巖3 個(gè)試樣的R值分別為2.65、2.92、2.70,均值約為2.76。 根據(jù)該巖爆判據(jù),巖爆風(fēng)險(xiǎn)待預(yù)警區(qū)域有潛在中等巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

目前,該礦還處于基建階段,預(yù)測(cè)結(jié)果暫時(shí)無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。 但其緊鄰礦井三山島金礦在-780.4～-764.3 m采場(chǎng)發(fā)生了輕微巖爆,-780 m采場(chǎng)最大主應(yīng)力實(shí)測(cè)值為33 MPa[14],根據(jù)本研究所提巖爆指標(biāo)判據(jù)方法計(jì)算的R值分別為1.76、1.94、1.79。 根據(jù)新的巖爆判據(jù),該采場(chǎng)存在輕微巖爆風(fēng)險(xiǎn),巖爆預(yù)測(cè)等級(jí)與實(shí)際發(fā)生等級(jí)一致,佐證了所提指標(biāo)的可靠性。 某金礦首采區(qū)位于-1 480 m 水平,其地應(yīng)力高達(dá)49.6 MPa,隨著采深增加,巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)勢(shì)必高于-780 m 水平(該金礦在與三山島金礦同水平即-780 m 水平發(fā)生輕微巖爆的可能性極高),根據(jù)新的巖爆判據(jù),巖爆風(fēng)險(xiǎn)將增至中等巖爆。 在-1 480 m 水平巖爆風(fēng)險(xiǎn)區(qū)可采取優(yōu)化開(kāi)拓巷道布置和優(yōu)化回采順序、選擇合理的采礦方法和工藝,在巷道掘進(jìn)和回采過(guò)程中建議采用巖爆微震監(jiān)測(cè)技術(shù)[15-18],嚴(yán)密監(jiān)視巖爆風(fēng)險(xiǎn),必要時(shí)可采取巖層注水、爆破卸壓、鉆孔卸壓等主動(dòng)巖爆防控措施,軟化圍巖降低其巖爆傾向性,降低應(yīng)力集中程度弱化巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件。 當(dāng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí),可對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行吸能優(yōu)化設(shè)計(jì)同時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)支護(hù),采用“主動(dòng)防御”與“被動(dòng)防護(hù)”相結(jié)合的巖爆綜合防控策略。

4 結(jié) 論

(1)分析了現(xiàn)有巖爆傾向性判據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn),指出了現(xiàn)有多數(shù)巖爆指標(biāo)僅考慮巖爆發(fā)生的外界條件或僅考慮巖爆發(fā)生的內(nèi)部條件(巖石自身巖爆傾向)的不足。

(2)提出了一種考慮內(nèi)外因素的巖爆等級(jí)評(píng)估方法,該方法充分考慮了巖爆發(fā)生的充分必要條件即巖爆發(fā)生的外在驅(qū)動(dòng)力(應(yīng)力條件)和巖爆發(fā)生的內(nèi)在條件(巖石固有的儲(chǔ)能、耗能特性)。 該方法所用參數(shù)易于獲得,無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算,易于操作。

(3)結(jié)合多個(gè)重大工程案例初步給出了新巖爆指標(biāo)判據(jù)中不同等級(jí)巖爆風(fēng)險(xiǎn)的判別區(qū)間。 應(yīng)用該判據(jù)判別了山東某超埋深金礦-1 480 m 水平巖爆傾向性,判別結(jié)果為中等巖爆風(fēng)險(xiǎn),判別結(jié)果經(jīng)分析認(rèn)為可靠性較高,證明了所提巖爆指標(biāo)的準(zhǔn)確性。 應(yīng)當(dāng)指出的是:本研究所提巖爆指標(biāo)判據(jù)僅適用于巖性相對(duì)單一、地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的深部地下工程。