渣滓溪矿山井下围岩力学特性与岩爆预测研究.pdf

中图分类号坐 鱼 U D C 乒圣I 硕士学位论文 学校代码 Q 3 三 密级公五 渣滓溪矿山井下围岩力学特性与岩爆预测研究 T h e s t u d yo n r o c km e c h a n i c sa n dp r e d i c t i o no fr o c k b u r s to f Z h a z i x im i n e 作者姓 学科专 研究方 学院 系、 指导教 名谢小明 业工程力学 向岩石力学 所资源与安全工程学院 师胡毅夫教授 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 4 年5 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名垂幽 日期j 衅』』 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 导师签名麴趁名一 万方数据 硕士学位论文 摘要 渣滓溪矿山井下围岩力学特性与岩爆预测研究 摘要岩爆是高地应力条件下主要地质灾害之一，对工程工作人员、机械 设备造成重大伤害、损失。本文以渣滓溪锑矿山为研究背景，用室内试验、 统计分析、数值模拟等研究方法对井下围岩岩爆预测问题进行分析，对指 导矿山开采防治岩爆有应用价值、丰富岩爆理论具有学术价值。论文主要 研究内容有 1 通过岩石力学试验研究了渣滓溪锑矿井下主要围岩 石英砂岩、 凝灰质砂岩、凝灰质板岩 、锑矿及含矿岩石力学特性，主要包括矿石密 度、单轴抗拉强度、抗压强度、泊松比、弹性模量及内摩擦角。 2 利用脆性系数、冲击能指标、弹性变形能指数、剩余能量系数 理论分析了渣滓溪锑矿井下石英砂岩、凝灰质砂岩、凝灰质板岩、锑块矿 岩石岩爆倾向性，得出渣滓溪锑矿山深部石英砂岩、凝灰质砂岩、凝灰质 板岩、锑块矿均有岩爆倾向性。 3 通过分析岩石单轴压缩条件下破坏形式，岩石宏观破坏应力状 态；运用岩石起裂应力理论分析了岩石微观破坏临界应力值；提出了利用 修正后的宏观破坏临界应力值及微观破坏临界应力值作为岩体岩爆预测 临界应力值。 4 通过建立渣矿数值模型，实测矿井地应力，赋予现场应力状态， 分析了渣矿井下应力分布，得出井下危险区域。 5 根据矿山开采实际情况，对正在开采的．1 1 5 中段、．1 6 0 中段， 即将开采的一2 0 5 中段、一2 5 0 中段进行危险区划分；运用渣矿岩体岩爆临 界应力值对危险区进行了岩爆预测。 图3 7 幅，表3 1 个，参考文献9 3 篇。 关键词岩石力学试验；岩爆倾向性；岩爆预测；应力临界值；危险区 分类号U 4 1 6 ；P 6 4 2 万方数据 硕士学位论文 A b s t r a c t T t s t u d yo nr o c k h a n i c sa n dp r e d i c t i o no fr o c k b u r s toflhes t u d yO nr o c km e c h a n i c sa n do r e d i c t i o no fr o c k b u r s to f Z h a z i x im i n e A b s t r a c t R o c kb u r s ti so n eo ft h em a j o r g e o l o g i c a ld i s a s t e r su n d e rh i g hs t r e s s c o n d i t i o n s ，w h i c hb r i n g sc a s u a l t i e so fw o r k e r sa n di n j u r ya n dl o s so fm a c h i n e ． T h i sp a p e ra n a l y z e sa n dp r e d i c t sr o c kb u r s tb a s eo nb a c k g r o u n do fZ h a z i x i a n t i m o n ym i n et h r o u g hi n d o o re x p e r i m e n t s ，s t a t i s t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d s ，w h i c hh a si m p o r t a n tm e a n i n gf o rt h es a f e t yo fm i n i n g a n dt h e o r e t i c a ls t u d yo nr o c kb u r s t ．T h em a i nc o n t e n ta sf o l l o w s 1 R e s e a r c h i n go nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es u r r o u n d i n gr o c k s q u a r t z s a n d s t o n e ，t u f f a c e o u ss a n d s t o n e s ，t u f f a c e o u ss l a t e ，a n t i m o n yO r ea n d o r e - b e a r i n gr o c k s ，s u c h a sm i n e r a l d e n s i t y , u n i a x i a l t e n s i l e s t r e n g t h ， c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，p o i s s o n ’Sr a t i o ，e l a s t i cm o d u l u sa n di n t e m a lf r i c t i o n a n g l e ． 2 A n a l y z i n gr o c kb u r s tt e n d e n c yo ft h eu n d e r g r o u n dr o c k sb yr o c k m e c h a n i c st e s td a t au s i n gb r i t t l e n e s s f a c t o r , i m p a c te n e r g yi n d i c a t o r s ，t h e e l a s t i cd e f o r m a t i o ne n e r g yi n d e xa n dt h er e s i d u a le n e r g yf a c t o rt h e o r y , w h i c h i n d i c a t eq u a r t zs a n d s t o n e ，t u f f a c e o u ss a n d s t o n e s ，t u f f a c e o u ss l a t e ，a n t i m o n y o r e a r er o c kb u r s tt e n d e n c y ． 3 A n a l y z i n gt h ef a i l u r ef o r mo fv a r i o u sr o c k su n d e rc o m p r e s s i o na n d r o c ks t r e s sv a l u e su n d e rm a c r o s c o p i c ，t h e n g e t t i n gt h es t r e s sv a l u e sw h e n r o c k m i c r o s c o p i cd a m a g et h r o u g hc r a c ki n i t i a t i o ns t r e s st h e o r y ．P r o p o s i n gr o c k s t r e s sv a i u eu n d e r m a c r o s c o p i cd a m a g e a n d m i c r o s c o p i cd a m a g e a s u n d e r g r o u n dr o c kb u r s tp r e d i c t i o nc r i t e r i o ni d e a s ． 4 M e a s u r i n ga n da n a l y z i n gt h eu n d e r g r o u n ds i t us t r e s s ．E s t a b l i s h i n ga m i n i n gm o d e lb yr o c km e c h a n i c st e s td a t aa n ds i t us t r e s sc o n d i t i o n s ，t h e n a n a l y z i n gt h ea c c u r a c yo fr o c kb u r s tc r i t e r i o na n df i x i n gar o c kb u r s t p r e d i c t i o nc r i t e r i o nw i t hF L A Cs o f t w a r es i m u l a t i o nr e s u l t sa n ds i t er o c kb u r s t s i t u a t i o nc o m p a r i s o n ，w h i c hi m p r o v i n gt h er o c k b u r s tp r e d i c t i o na c c u r a c y ． 5 M a k i n gt h el o w e s tv a l u e q u a r t zs a n d s t o n e4 5 M p a o ft h er o c kb u r s t p r e d i c t i o nc r i t e r i o na sc l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r d so fd a n g e rz o n e ．A c c o r d i n gt o t h em i n i n ga c t u a ls i t u a t i o n ，d i v i d i n gt h ed a n g e rz o n et o - 115ml e v e la n d - 1 6 0 ml e v e lb e i n gm i n e d ，一2 0 5 ml e v e la n d - 2 5 0 ml e v e lu p c o m i n gm i n i n g ，a n d m a k i n gd e t a i l e dr o c kb u r s tf o r e c a s tt h r o u g hc o r r e c t e dp r e d i c t i o nc r i t e r i o nt o t h ed a n g e rz o n e ． 1 1 1 万方数据 堡主堂竺堡壅 垒 竺 K e y w o r d s r o c km e c h a n i c st e s t ；r o c k b u r s tt e n d e n c y ；r o c k b u r S tp r e d i c t i o n ； r r e d i c t i v ec r i t e r i o n ；d a n g e rz o n e C l a s s i f i c a t i o n I V 万方数据 硕士学位论文目录 目录 l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题背景和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 岩爆围岩力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，2 1 ．2 ．2 岩爆研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 裂纹扩张规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．1 矿山工程地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．2 矿井开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 3 岩爆点工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，，l O 1 ．4 ．】研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．4 ．2 技术路线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 2 岩爆预测理论及岩石起裂应力研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 岩爆预测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ，1 ．1 经验判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．2 现场监测法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 ．3 岩爆预测的数学方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 岩爆倾向性理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．1 脆性指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．2 冲击能指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．3 弹性变形能指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l7 2 ．2 ．4 剩余能量指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 岩石起裂应力研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯一2 1 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 3 井下岩石力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 试验环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 试验内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．3 试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 岩石破坏形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．5 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 V 万方数据 硕士学位论文 目录 3 ．5 ．1 岩石岩爆倾向性大小⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．5 ．2 力学试验现象分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．5 ．3 岩石起裂应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 矿井应力场与岩爆应力临界值研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 矿井地应力测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．1 ．1 地应力测量概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 ．2 空心包体应变计地应力测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．1 ．3 应力测量结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．2 岩爆应力临界值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l 4 ．2 ．1 矿井数值模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 4 ．2 ．2 岩爆点应力场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．2 ．3 岩爆预测应力临界值验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 井下岩爆分级划区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．1 危险区划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．2 危险区岩爆预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 3 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 V I 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 选题背景和研究意义 随着地下工程逐步往深处延伸，工程地质条件越来越复杂，岩石在高应力条件下 力学表现形式越来越突出，由此引发的地质灾害也频繁发生。岩石作为采矿和岩土工 程母体，直接承受并传递荷载，现代工程建设及其引发的工程事故与岩石力学密切相 关，岩石力学作为一门新兴的工程力学学科，研究意义重大。岩爆作为高地应力条件 下主要地质灾害之一，对工程工作人员、机械设备造成重大损害，致使工程成本增加 和工期延误。世界上最早出现岩爆事故是在1 7 3 8 年英国的锡矿巷道，后来美国、南 非、俄罗斯等国地下工程中也出现了岩爆事故现象【。在我国地下工程中，抚顺胜利 煤矿于1 9 3 3 年记录的岩爆事故是最早的，后来在水电站建设，矿山开采、隧道掘进 中都有过岩爆事故发生[ 2 1 。 例如1 9 9 6 年底至1 9 9 9 年5 月，冬瓜山铜矿在．7 3 0 、．7 9 0 、一8 3 0 、- 8 5 0 、一8 7 5 中段都出现过岩爆现象，发生岩爆点围岩基本为闪长玢岩石矽卡岩、粉砂岩、大理岩 等硬脆岩石，岩爆发生造成了工人受伤事故、锚网支护部分钢筋被整体抛出现象【3 J 。 1 9 9 5 年5 月至1 9 9 6 年2 月，红透山铜矿9 群、1 0 采场常发生岩块弹射现象，并 伴有响声。1 9 9 9 年5 月9 拌采场平巷和下部斜坡道出现大量岩石崩出，近4 0 m 巷道被 严重破坏，致使采场临时停产【4 1 。 2 0 0 2 年4 月1 8 日，辽宁阜新矿务局五龙矿在开采时出现8 人死亡的岩爆事故， 同年6 月，抚顺市露天区抚顺矿业集团老虎台煤矿，．6 3 0 水平瓦斯抽放工程施工时， 突然发生岩爆，2 人被压埋致死。 2 0 0 4 年6 月2 7 日，北京京煤集团木城涧煤矿工作面发生岩爆，导致1 人死亡、3 人重伤、5 人轻伤。 2 0 1 0 年7 月3 0 日，徐州矿务集团控股的张双楼煤矿在开采时发生岩爆事故，造 成6 人死亡I 川。 2 0 1 1 年1 1 月3 日，河南义马煤业千秋煤矿发生强烈岩爆，能量相当于2 0 0 吨T N T 炸药、四级地震，致使6 1 人被困地下，其中4 人遇难。 近年来，锦屏I I 级水电站在施工过程中也频繁出现岩爆现象，造成重大经济损失， 其辅助硐室地应力高、埋深大，这也是岩爆发生的主要原因【6 J 。 高地应力条件下，完整坚硬岩石以脆性破坏为主，围岩在开挖过程中常出现开裂、 剥落等现象。由于围岩及地质条件的复杂性，地下工程岩爆破坏机理在很多方面还没 有达成共识，但其危害性很大【2 J 。 万方数据 硕士学位论文1 绪论 渣滓溪锑矿是国家锑品重要生产基地，矿山井下围岩以石英砂岩、凝灰质砂岩、 凝灰质板岩为主，深部围岩结构比较完整。随着矿山开采逐步向深部扩展，已开采至 埋深6 0 0 m ，深井岩体在高应力作用下产生动态失稳破坏，发生岩爆灾害，危及员工 与设备安全。该矿山至今已发生1 0 余次岩爆事故，为保障员工与设备安全，开展岩 爆研究意义重大。本文主要分析了渣矿岩爆发生的岩性、工况条件，并采用临界应力 值理论研究了渣矿岩爆预报的分区分级，对工程预防岩爆具有指导意义，对丰富和发 展岩爆相关理论具有重要的学术价值。 1 ．2 国内外研究现状 岩爆是地下工程高应力条件下常见灾害，由于国外地下工程开始较早，所以国外 对岩爆的研究也比较早。早在1 9 0 8 年，南非就对岩爆问题进行了独立研究，成立了 地下工程岩爆灾害研究委员会。美国也于1 9 3 9 年发表了L a k eS u p e r i o r 铜矿岩爆灾害 的报告I _ 7 1 。加拿大于1 9 4 2 年完成了一份极具影响力的岩爆灾害研究报告。1 9 7 7 年， 受各国岩爆事故不断发生影响，国际岩石力学学会决定成立岩爆研究专题组，研究专 题组通过各国岩爆事故记录及数据，编写了“1 9 0 0 ．1 9 7 7 年岩爆注释资料”。其后曾在 南非、美国、加拿大、波兰召开了岩爆研讨会，并根据会议内容出版了岩爆相关的论 文专集⋯3 1 。 岩爆由于其发生环境复杂性及岩石力学随机性，目前，还没有统一的岩爆定义。 一般认为岩爆是在地下工程进行时，周围岩石处于高应力或极高地应力工矿条件下， 工程作业致使岩体内部储存的弹性应变能受外界扰动释放出来，释放的弹性能大于岩 体破坏消耗的能量，致使岩块脱离母体发生破裂现象的一种动力失稳的地质灾害【1 4 1 。 1 ．2 ．1 岩爆围岩力学特性研究 表卜1 岩爆实例围岩岩性及工况条件 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 岩爆多发生在坚硬、脆性、干燥的岩体中，常见围岩有石英岩、花岗岩、正长岩、 闪长岩、大理岩等，这些岩体力学特性表现为脆性，即强度达到峰值后，岩石剧烈断 裂。表1 ．1 记录了一些岩爆实例的围岩岩性、大体工况条件【l 5 ’1 8 】。 由表统计结果可知岩爆的地压特征主要表现为岩体最大主应力仃t 达到岩石单轴抗压 强度仃。的1 5 ％以上；若项底板容易发生岩爆灾害，则该区域应力以水平构造地应力为 主；若硐室两帮易发生岩爆，则区域应力以垂直应力为主。 1 ．2 ．2 岩爆研究进展 岩爆是高应力条件下围岩受外界扰动发生岩块抛射现象的一种地质灾害。岩爆研 究是从上世纪二三十年代开始的，近几年关于岩爆机理研究成果主要有 2 0 0 0 年李延芥、王耀辉等人分析了岩石裂纹分形特征，研究不同岩石的裂纹在各 种应力条件下扩展维数对分析岩体稳定性、岩石破坏能量耗散及判断岩爆发生可能性 很有帮助【1 9 】冯涛、潘长良应用断裂力学理论提出岩爆发生机理的层裂屈曲模型【2 0 l 。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 2 0 0 2 年许迎年、徐文胜、王元汉利用相似材料模拟试验再现岩爆发生过程，指出岩爆 首先是在孔口出现裂纹或片状剥落，破坏过程中伴有明显的声发射特征1 2 I J ；腾伟福、 胡新丽、唐辉明分析岩石全应力．应变曲线发现岩石强度在达到峰值后，强度减小， 试验压力降低的速度小于岩石强度降低速度，此时即将发生岩爆瞄J 。2 0 0 5 年杨健、王 连俊用岩石声发射测试技术对岩石岩爆机理进行了研究[ 2 3 1 。2 0 0 7 年，朱江鹏通过室内 常规三轴卸荷试验发现卸荷过程更符合岩爆发生应力状态，利用电镜扫描分析破坏微 观特征，在卸荷时，围压增加，大理岩破坏由张性破坏过渡到张剪复合型破坏，再到 剪切破坏四】。在高应力区卸荷时，张裂隙连通，岩体分割成板状，板状岩体逐渐发展 成张拉剪切破坏和压拉致剪破坏，从而发生岩爆。2 0 1 1 年，王巍通过对地应力、岩性、 岩体结构、地质构造等分析了终南山公路隧道岩爆灾害，用三轴加卸压试验分析了岩 爆发生机理以劈裂破坏为主的张剪破坏【2 5 】；黄志平、赵文、唐春安等人利用R F P A 软件研究了层状岩体在开挖中诱发岩爆的机理，在隧洞开挖卸载时，水平层状岩体破 坏最严重，并且岩体在加载过程中聚集了大量应变能，具有明显的脆性特征，岩体破 坏时沿卸荷方向扩容口6 1 。 岩爆预测是岩爆研究一个重要分支。不同学者和专家从不同角度对岩爆预测进行 分析研究，取得了很多成果，但由于岩爆预测是深部岩体工程很棘手的问题，岩爆问 题及其复杂，当前国内外尚未成熟预测理论，专家学者在岩爆预测方面通过不断努力 取得了许多成绩。人们根据现场经验和理论研究提出了许多假设和判据，早期 R u s e s e n e s 、T u r c h a n i n o v 等人提出根据硐室切向应力和最大主应力与岩石抗压强度比 值预测岩爆的方法，后来陶振宇、贾愚如、王元汉1 2 7 1 等人基于前人判据结合自己工程 实践提出适用于自身矿山或隧道的岩爆判别准则，徐林生1 1 4 1 等人也采用旖工地质超前 预报法和判据预测法预测岩爆，候发亮采用临界深度预测法对岩爆预测。此外，还通 过现场监测手段预报岩爆发生，有微震监测法、声发射及电磁辐射等方法憎】。 近年来，人工智能、非线性学科、数值方法等引入岩爆预测中，取得了很多成绩。 1 9 9 8 年冯夏庭等人把人工神经网络技术运用到岩爆预测中，开启算了数学方法在岩爆 预测中的先河，后来王元汉、陈海军、孙海涛、梁志勇等人都用类似的不同数学方法 对岩爆进行预测，预测时一般综合考虑岩石脆性系数、岩石切向应力与抗压强度比值、 弹性能指标能等因素1 2 引。 2 0 0 8 年唐礼忠等人把微震技术用于岩爆研究当中，通过微震技术根据地震事件聚 集位置、能量发射形式、岩体破坏性质可断定岩爆发生情况1 3 ] 。2 0 0 9 年董陇军、邓建 等人将F i s h e r 判别法运用到岩爆预测中；谢学斌、汪令辉等人用模糊关联模式识别方 法对岩爆进行预测【2 9 】；徐士良、朱合华等人用室内试验分析秦岭隧道围岩性质，评价 了围岩岩爆倾向性，并利用前人提出的经验判据结合隧道应力场情况对隧道进行了岩 爆预测f 捌。2 0 1 1 年李夕兵、王斌等人对开阳磷矿围岩岩性、巷道、倾斜层理对切向应 力影响做了分析，提出了测点岩性应力场区域应用观点和巷道轴向三维地应力空间分 4 万方数据 硕士学位论文 I 绪论 解方法，通过数值模拟发现倾斜层理岩爆位置主要在右帮底部1 3 1 1 ；同年陈炳瑞、冯夏 庭等利用滤波技术改进微震监测系统，分析了施工和掘进时对岩爆的影响，在进行工 程时，微震活动增加，岩爆现象加重，并用改进的微震技术预测隧洞掘进时岩爆情况 【3 2 J 。 1 ．2 ．3 裂纹扩张规律研究 岩石在加卸载作用时，预先存在的节理裂隙会导致内部应力集中，在集中应力作 用下裂隙又不断扩张最终贯通使岩石发生破坏鲫。 早在上世纪1 0 年代，I n g l i s 就研究了椭圆通孔的拉应力分布，验证了应力集中现 象。之后不久G f i f t i t h 于1 9 2 0 年提出了裂隙扩张导致了材料破坏，从能量角度分析了 强度与裂隙长度间的关系。I r w i n 于1 9 5 7 年提出了应力强度因子使岩石脆性断裂的理 论，之后E r d o g a n 等对平面应力下裂纹扩张做了研究，M u r r e l l 在G r i f f i t h 基础上提出 了裂隙扩展理论。7 0 年代后，由于设备完善和技术进步，二维条件下岩石裂隙扩展研 究兴起，发现裂隙的扩展具有非对称性，之后许多学者利用显微镜、电镜扫描技术、 声发射等对岩石内部裂纹规律展开研究，如N o r d l u n d 通过单轴压缩条件下裂纹扩展和 利用声发射频数来断定岩石的K a i s e r 效应，研究脆性岩石单轴条件下裂纹扩张的规律 鲫。 在国内，也有许多学者对压缩条件下裂纹扩展规律进行了研究，如张平D 习从细观 上分析了动静荷载下岩体破坏与变形；梁正召[ 3 4 1 利用R F P A 软件研究了裂纹萌生、扩 展、贯通原理；李术才嗍等用C T 扫描技术分析了裂纹发展规律；周子龙1 3 6 1 、洪亮1 3 7 】 等研究了动荷载下裂纹扩展规律，对岩石在动荷载下破坏特征、尺寸效应、破坏模式 进行了分析。 目前大部分研究都是二维裂隙的扩展与贯通，其破坏机理的研究并未取得突破性 成果，三维条件下裂纹扩展研究较少。 1 ．3 矿山开采现状 1 ．3 ．1 矿山工程地质 渣滓溪矿区位于安化县城2 4 8 0 方向直距3 6 k m 处，属奎溪镇管理。地理坐标东 经l1 0 0 4 7 4 5 ”～l l 0 0 5 1 ’3 0 ”、北纬2 8 0 1 5 ’1 5 ”～2 8 0 1 6 ’3 0 ”，面积1 2 ．4 6 k m 2 。该区位于雪 峰弧形构造带中段，是湖南省内重要的金锑钨成矿构造带，地表地层主要是板溪群， 次为震旦系和寒武系。区域构造总体呈北东向展开，锑、钨矿床处于区域性北东向马 家溪和岳溪两断裂所挟持的上升地块。锑块主要赋存于五强溪组第二段的第一、二、 三层，次为五强溪组第一段、震旦系上统灯影组和寒武系下统小烟溪组。 矿区位于黔阳一溆浦新华夏系与冷家溪东西向构造斜接复合部位之南缘，地处新 华夏系北段向东偏斜之构造带中。 万方数据 硕士学位论文 i 绪论 矿区地层由连续沉积的层纹状板岩、凝灰质板岩和层凝灰岩夹石英岩状砂岩、 长石石英砂岩、凝灰质砂岩和凝灰岩这样一套沉积一变质碎屑岩类和火山变质碎屑岩 类的复杂岩石所组成，隶属于板溪群五强溪组第一和第二段层位。地层走向4 0 0 “ - 8 0 。， 一般为6 0 0 ～7 5 0 ，倾向南东，倾角一般为5 0 。～6 5 。；局部岩层倒转，倾向北西。根据 沉积韵律，岩性及岩石组合，矿区地层共划分为两段九层，总厚度为1 0 8 5 “ - 1 5 3 3 米。 区内岩浆岩极不发育；围岩蚀变微弱，只限于矿体两侧数毫米至数十公分，主 要蚀变为硅化，次为褪色化及碳酸盐化。 矿区构造以断裂构造为主，属于新华夏系的岳溪主干断裂与冷家溪主干断裂分 布在矿区的北面和南面，控制着矿区的主要构造形迹。主要控矿构造F 3 断裂出露于 矿区南部，对矿区起着导矿和配矿的双重作用，其上盘由近及远分布着I 、l I 、m 组 含矿断裂。这些断裂共5 0 余条，走向北西一南东，倾向北东，倾角较陡规模除F 3 较大外，余皆较小，控制辉锑矿体与矿床的形成和分布。矿区褶皱构造不明显，总体 表现为一单斜构造，仅局部略有起伏，形成小的背、向斜。 矿区节理裂隙往往发育在含矿断裂的旁侧，为受其影响而与之伴生的次级构造。 它控制了白钨矿的分布，并常使辉锑矿体厚度变大。矿区基本上为成矿前或成矿期构 造，成矿后的构造表现不明显，且主要为改造继承性质，对矿体的破坏极小。 工作区包括渣滓溪锑矿区及外围横冲、龚家矿区，以深部为重点。矿床成因为中 低温热液充填型锑钨矿床，矿床构造复杂。矿区以北西向断裂F 3 为控矿断裂，次 级北西向断裂为容矿断裂，分布于F 3 上盘。矿区锑矿脉有7 0 多条，按与F 3 断裂距 离为I 、I I 、Ⅲ脉组，矿床规模较大的主要有I 脉组的1 、9 、1 3 、1 9 、2 0 、I I 脉组的 4 0 、4 3 号锑矿脉，矿脉走向长4 4 ～8 0 4 m ，矿体走向长1 0 ～5 4 5 m ，其主要矿体走向长 一般1 0 0 ～5 0 0 m ，倾向延伸1 5 ～1 0 3 5 m ，其主要矿体倾向延伸一般2 0 01 0 0 0 m ，矿 体厚0 ．0 21 0 ．2 9 m ，平均0 ．7 4 m ，锑品位0 ．1 2 ～6 5 ．0 0 1 0 2 ，平均9 ．4 6 1 0 2 。矿体形 态多为脉状、薄板状，次为透镜状及串珠状、囊状，分支复合特征明显。矿脉愈靠近 F 3 ，矿化愈强，从I I I Ⅲ脉组矿化由强一中等弱。矿脉沿倾向往深部向F 3 靠 拢，矿体具变厚的趋势。矿体呈透镜状、扁豆状、团块状、囊状及不规则状等。辉锑 矿与自钨矿属一矿床成因类型，而只是不同矿化阶段形成的产物。矿化早期阶段生成 白钨矿，矿化晚期阶段生成辉锑矿，为两者共生的钨锑矿床。 外围横冲矿区有锑矿脉1 2 条，以3 号脉规模较大，浅部矿体呈薄脉状、透镜状， 连续性差，中深部经钻探验证，未见矿。外围龚家矿区，锑矿脉有1 4 条，分布于F 4 上盘，分北西向、北东向两组，以北西向组为主，浅部矿体呈薄脉状、透镜状，连续 性差，中深部经钻探验证，仅具矿化。 矿区地质简图如图1 ．1 所示。 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 - 口目。‘_ 4 一 ／“／／＼‘ 5 弛 一‘甄萨烈 ≤ 、 惫 于 } Ⅵ灌 ht 7 2 嘲一年 P 幽ⅢI＼／ L 一／；一一 ／ “ E ／／ ‘ ／ 锄r 、～7 ，／ ／图罾冒圈园“回n厶 ／。倒圈囡囡 园u 固u／1 I 口l ㈨l a。／。／ 。l 图1 ．1 矿区地质简图 1 ．寒武系下小烟溪组2 ．震旦系上统灯影组3 ．震旦系上统陡山沱组4 ．震旦系下统南沱冰啧层5 ．板 溪群五强溪组第二段6 ．板溪群五强溪组第一段7 ．实测、推测地质界线8 ．张性断层编号及产状9 ． 压性断层编号及产状1 0 ．压扭性断层编号及产状1 1 ．性质不明断层编号及产状1 2 ．锑矿脉及产状 1 3 ．钨矿化 层 及产状1 4 ．锑钨矿脉及产状1 5 ．锑剖面线及编号 Ⅲ．脉组号 1 6 ．探矿权范围及 拐点编号1 7 ．采矿权范围及拐点编号1 8 ．普查区范围1 9 ．预查区范围2 0 ．范围拐点及编号 矿区位于资、沅两水系之分水岭地带，区内Ⅲ级羽状水系较发育，季节性明显。 深部岩石据坑、钻探揭露情况，岩石较完整、稳定，钻进过程中一般不漏水。坑道大 多呈干燥状，尤其深部矿段6 5 中段及以上，坑道几乎干燥状，6 5 中段至．1 6 0 中段， 少量坑道呈潮湿状态，局部滴水 T ．C M 4 ，富水性贫乏。深部矿体围岩较完整，抗 压、抗剪和抗拉强度大。 1 ．3 ．2 矿井开采现状 渣滓溪锑矿1 9 0 6 年发现即被开采，新中国成立前，先后有恒昌、华昌、佐兴、 阜新、顺让等公司进行采矿活动。现渣滓溪锑矿成立于1 9 5 0 年8 月，1 9 8 4 年以前在 采锑的同时，亦开采白钨矿，从1 9 8 5 年起改为专门开采锑矿。矿山经不断地改扩建， 现已形成年产精锑2 5 0 0 t 的采、选、冶一条龙的综合生产能力【3 8 】。矿山目前为地下开 采，采用斜井与平硐联合开拓 图 ，浅眼溜矿法和削壁充填法采矿，最大采深5 4 0