阿舍勒銅礦深部巖石巖爆傾向性評(píng)價(jià)及防治措施研究

栗盼平

（新疆阿舍勒銅業(yè)股份有限公司，新疆阿勒泰 836700）

1 概況

阿舍勒銅礦深部開采達(dá)到1000m，埋藏深度較大。通過分析研究我國(guó)各地礦山情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開采深度達(dá)到800m 時(shí)，巖爆頻率明顯增多。在深部開采過程中，自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及采礦次生應(yīng)力的疊加可能會(huì)超出脆性巖石強(qiáng)度，從而導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。因此，阿舍勒銅礦深部開采時(shí)有發(fā)生巖爆的可能。

巖爆的烈度等級(jí)需要根據(jù)巖爆傾向性判據(jù)進(jìn)行分析，才能確定出深部不同巖石的巖爆烈度。本文通過不同的巖爆傾向性評(píng)價(jià)方法確定阿舍勒銅礦深部不同巖石的巖爆烈度等級(jí)，并根據(jù)巖爆烈度等級(jí)提出相應(yīng)的危害防治措施。

2 巖爆傾向性評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)巖爆傾向性的方法有很多，本文選用三種具有代表性的巖爆傾向性評(píng)價(jià)方法對(duì)其深部具有代表性的三種巖石進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 評(píng)價(jià)方法

（1）巖石強(qiáng)度脆性系數(shù)評(píng)價(jià)法

巖石的脆性破裂指的是，當(dāng)其沒有出現(xiàn)永久變形時(shí)，某一面上的強(qiáng)度突然減弱至零的情況。K值是衡量巖爆傾向性的重要指標(biāo)，它可以用巖石的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比來(lái)表示。一般認(rèn)為，脆性系數(shù)越大，巖爆越強(qiáng)烈。巖石脆性系數(shù)判據(jù)如表2-1所示。

表2-1 巖石強(qiáng)度脆性系數(shù)判據(jù)

K計(jì)算表達(dá)式：

式中：σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，單位為MPa；σt為巖石單軸抗拉強(qiáng)度，單位為MPa。

（2）彈性能量指數(shù)評(píng)價(jià)法

通過單軸壓縮試驗(yàn)可以確定巖石試塊的彈性能量指數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)阿舍勒銅礦深部巖石試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，以其強(qiáng)度的70%～90%的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為依據(jù)，采用圖形積分法計(jì)算出彈性變形能量?jī)?chǔ)能與塑性變形耗能的比值，即WET。

WET計(jì)算表達(dá)式：

式中：φsp是由于巖石產(chǎn)生塑性變形和內(nèi)部產(chǎn)生微破壞而消耗的能量，單位為MJ；φst是卸載后仍然儲(chǔ)存在巖石內(nèi)部的應(yīng)變能，單位為MJ。

表2-2 彈性能量指數(shù)判據(jù)

（3）能量沖擊性指標(biāo)判據(jù)法

在評(píng)估巖爆傾向性時(shí)，這種方法是最常用的。礦巖具有聚集彈性應(yīng)變能并在超出其強(qiáng)度后突然釋放的物理力學(xué)特性，這就是其沖擊傾向性。這一概念闡明了巖爆產(chǎn)生的原因和必要條件。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用單軸壓縮試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線，計(jì)算出巖爆能量沖擊性指標(biāo)Wcf。

Wcf計(jì)算表達(dá)式：

式中：A1為單軸壓縮試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值強(qiáng)度前與坐標(biāo)軸橫軸所圍成的區(qū)域的面積；A2為單軸壓縮試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值強(qiáng)度后與坐標(biāo)軸橫軸所圍成的區(qū)域的面積。

表2-3 彈性能量指數(shù)判據(jù)

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

（1）巖石強(qiáng)度脆性系數(shù)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)阿舍勒銅礦深部巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)及巴西劈裂試驗(yàn)，并按照式（2-1）進(jìn)行計(jì)算，求得巖石強(qiáng)度脆性系數(shù)K。所得試驗(yàn)結(jié)果如表2-4所示。

表2-4 巖石強(qiáng)度脆性系數(shù)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

（2）彈性能量指數(shù)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)阿舍勒銅礦深部巖石進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，并按照式（2-2）進(jìn)行計(jì)算，所得試驗(yàn)結(jié)果如表2-5所示。

表2-5 彈性能量指數(shù)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

（3）能量沖擊性指標(biāo)判據(jù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)阿舍勒銅礦深部巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，求取巖爆能量沖擊性指標(biāo)Wcf。所得試驗(yàn)結(jié)果如表2-6所示。

表2-6 能量沖擊性指標(biāo)判據(jù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合對(duì)比三種評(píng)價(jià)方法結(jié)果可知，阿舍勒銅礦深部具有代表性的凝灰?guī)r、銅硫礦以及黃鐵礦均存在巖爆傾向。

3 巖爆危害防治措施研究

經(jīng)巖爆傾向性評(píng)價(jià)結(jié)果分析可知，阿舍勒銅礦在進(jìn)行深部開采時(shí)會(huì)發(fā)生巖爆。弱巖爆發(fā)生破壞巖體厚度為不大于0.25m，而中等巖爆發(fā)生破壞巖體厚度一般為0.25～0.75m。因此，中等巖爆的發(fā)生會(huì)對(duì)礦山生產(chǎn)造成的一定的危害，有必要采取相應(yīng)的防治措施。

采取防治措施如下：

（1）優(yōu)化巷道斷面設(shè)計(jì)、巷道走向和采場(chǎng)布置。為減少巷道圍巖應(yīng)力集中，建議阿舍勒銅礦深部巷道長(zhǎng)短軸之比取1.4～1.6。將深部巷道采場(chǎng)和巷道走向與最大主應(yīng)力方向（接近東西向）平行或接近平行布置，以減少高水平應(yīng)力對(duì)采場(chǎng)和巷道穩(wěn)定性的不利影響。

（2）及時(shí)充填采空區(qū)。隨著開采深度不斷增加，阿舍勒銅礦地應(yīng)力將不斷增大。處于高應(yīng)力區(qū)的采場(chǎng)圍巖，特別是孤島礦柱，積聚了較高的彈性能，是巖爆高發(fā)區(qū)域。建議在礦體開采后，及時(shí)充填采空區(qū)，盡量縮短空區(qū)圍巖暴露時(shí)間，改善圍巖受力狀況，防止圍巖應(yīng)力過于集中導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。

（3）優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序。通過相關(guān)試驗(yàn)確定阿舍勒銅礦深部合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及正確的回采工藝，有效減少或避免應(yīng)力高度集中，防止能量大量積聚發(fā)生巖爆。

（4）對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，及時(shí)實(shí)施圍巖支護(hù)。在開挖前或開挖完成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。通過支護(hù)使圍巖重新處于新的平衡狀態(tài)，由此來(lái)減輕巖爆的危害，降低一線采礦人員的施工風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

通過對(duì)阿舍勒銅礦深部具有代表性的巖石進(jìn)行巖爆傾向性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)其均存在巖爆傾向。結(jié)果表明阿舍勒銅礦在深部進(jìn)行開采時(shí)可能會(huì)發(fā)生巖爆。通過采取優(yōu)化巷道斷面設(shè)計(jì)、巷道走向和采場(chǎng)布置、及時(shí)充填采空區(qū)、優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，及時(shí)進(jìn)行圍巖支護(hù)等措施來(lái)防止巖爆現(xiàn)象的發(fā)生，從而降低一線采礦人員的施工風(fēng)險(xiǎn)。