深井开采金属矿山岩爆灾害预测研究.pdf

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深井开采金属矿山岩爆灾害预测研究 1 蔡嗣经 张禄华 周文略 (北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083) 摘 要摘 要岩爆是深井硬岩矿山常见的地质灾害之一。岩爆倾向性指标主要有弹性能量指数、 线弹性能、冲击能量指标、脆性系数、Russenses 判据等。根据国内外矿山和地下工程岩爆 实例的统计分析,Russenses 判据是明显有规律性的岩爆倾向性指标。冬瓜山铜矿是典型的 深井硬岩矿山,依据其地质特点,采用 Russenses 判据预测了该矿发生岩爆的可能性。 关键词关键词深井硬岩矿山;岩爆;预测;冬瓜山铜矿 1.引言.引言 地下开采的深部金属矿山或非煤矿山, 可简称之为深井硬岩矿山。 深井硬岩矿山潜在的 地质灾害主要有冲击地压或岩爆、采矿地震、突水或涌水、采矿场和巷道围岩失稳、高岩温 地热等。 这些地质灾害形成的诱因主要是随着开采深度的增加岩层承压增大, 以及与地质结 构弱面联合作用的结果。例如在南非,井下黄金矿床开采最深已达到 4000 余米,其遭遇的 岩爆、采矿场和巷道破坏、以及高温等都很严重,采用一些监测仪器和设备进行现场测量和 记录,并采用尾砂充填等方法进行控制 [1];在国内,很多学者和研究人员也对深井矿床开采 岩爆问题进行了研究 [2][3][4]。 2.国内外研究现状与岩爆倾向性指标2.国内外研究现状与岩爆倾向性指标 根据国内外有关岩爆的研究资料,主要的岩爆倾向性指标可归纳为如表 1 所示。 表 1 岩爆倾向性指标 指标 名称 弹性能量指数 Wet 线弹性能We 冲击能量 指标Wcf 脆性系数Rb Russenses 判 据 表达式 Wet=Ee/EpWe=σc2/2EsWcf=F1/F2Rb=σc/σtRσ=σθ/σc 参 数 说 明 Ee为弹性变形 能,MJ;Ep为 塑性变形能, MJ。 σc为岩石单轴 抗 压 强 度 , MPa;Es为卸 载切线弹性模 量,MPa。 F1为峰值前应 力应变曲线与 应变轴所围成 的面积;F2为 峰值后所围成 的面积。 σc为岩石单轴 抗 压 强 度 , MPa;σt为岩 石单轴抗拉强 度,MPa。 σθ为开挖空间 周 边 切 向 应 力, MPa; σc为 岩石单轴抗压 强度,MPa。 岩 爆 倾 Wet≥5,强烈 岩爆倾向; Wet=2-5,中 We≥200 kJ/m3, 强烈岩 爆倾向; Wcf3, 强烈岩 爆倾向; Wcf=2-3,中 Rb18, 强烈岩 爆倾向; Rb=10-1,中 Rθ0.55, 强烈 岩爆倾向; Rθ= 0.3-0.55, 1作者简介蔡嗣经,教授、博士。 教育部博士学科点专项科研基金(编号20020008001)和国家自然科学基金(编号50374005)项目资助。 1 向 性 等岩爆倾向; Wet≤2,无岩 爆倾向。 We≤100-200, 中岩爆倾向; We≤40-100, 低岩爆倾向; We40,无岩 爆倾向。 等岩爆倾向; Wcf2, 无岩爆 倾向。 等岩爆倾向; Rb10, 无岩爆 倾向。 中岩爆倾向; Rθ=0.2-0.3,低 岩爆倾向; Rθ0.2,无岩爆 倾向。 在实际岩爆预测中,弹性能量指数Wet、线弹性能We和冲击能量指标Wcf等三个指标之 间有着一定的相关性,不能全部作为独立参量。此外,岩体构造弱面的存在以及采矿作业对 岩体的振动等也是诱发岩爆的可能因素。 同时,一些研究者也采用其他方法来预测深部开采岩爆发生的可能性。例如,谢和平根 据深部岩体声发射事件分布的分维值D的减小来预报岩爆的发生[5];王善勇、唐春安等采用 岩爆过程中声发射的数值模拟方法来预报岩爆发生的可能性[6];潘岳、王志强等使用突变理 论来预测岩体动力破坏(即岩爆)的可能性[7];以及岩爆预测的概率模型[8]、自组织神经网 络分析模型[9]等。 3.国内外矿山和地下工程岩爆实例及3.国内外矿山和地下工程岩爆实例及 Russenses 判据的适用性判据的适用性 3.1 国内外矿山和地下工程岩爆实例 国内外矿山和地下工程岩爆实例 国内外部分矿山和地下工程的岩爆实例统计资料见表 2。 表 2 国内外部分矿山和地下工程岩爆资料数据 序 号 工程名称 岩石 种类 平均 埋深 米 σθ MPa σc MPa σt MPa σθ/σcσc/σtWet 岩 爆 预 测 实 际 情 况 参 考 文 献 1 中国 会泽铅锌矿 白云 岩 920 34.1554.212.10.634.483.17 弱 岩 爆 轻 微 岩 爆 10 2 中国 玲珑金矿 花岗 岩 590 108.4138.47.7 0.78317.9- 强 烈 岩 爆 - 11 3 中国 二郎山隧道 石英 砂岩 800 69.8198.0- 0.353- 4.68 弱 岩 爆 轻 微 岩 爆 12 4 中国 天生桥水电 站引水隧洞 白云 质灰 岩 400 30.088.73.7 0.3024.06.6 中 或 强 岩 中 等 岩 爆 13 2 爆 5 中国二滩电 站 2 号支洞 正长 岩 194 90.0220.07.4 0.4129.77.3 弱 岩 爆 弱 岩 爆 14 6 意大利 Raibl 铅硫 化锌矿 铅锌 矿石 - 108.4140.08.0 0.77417.55.5 强 岩 爆 中 等 岩 爆 14 7 前苏联 Rasvumchorr 矿井 霓霞 石- 磷霞 石 - 57.0180.08.3 0.31721.75.0 中 岩 爆 中 等 岩 爆 14 8 瑞典 Vietas 水电站引水 隧洞 变质 花岗 岩、 石英 岩 250 80.0180.06.7 0.4426.75.5 弱 岩 爆 弱 岩 爆 14 9 日本关越 隧道 石英 闪长 岩 890 89.0236.08.3 0.37722.15.0 中 岩 爆 中 或 强 岩 爆 14 3.2 Russenses 判据的适用性判据的适用性 仔细研究表 2 中的数据,同时参考其他岩爆实例的资料[15],得出的结论是Russenses 比值(σθ/σc)与岩爆的关系比较有规律性,如表 3。因此,可以认为,在表 1 中所列的几种 岩爆倾向性指标中,Russenses比值(σθ/σc)是岩爆预测的主要判据。 表 3 Russenses比值(σθ/σc)与岩爆的关系 例 1 例 2 例 3 例 4例 5例 6例 7例 8例 9 均值 无岩爆 0.096 0.106 0.227 - - - - - - 0.143 弱岩爆 0.353 0.36 0.38 0.410.440.63- - - 0.429 中岩爆 0.27 0.3 0.315 0.3170.360.370.420.530.82 0.411 强岩爆 0.744 0.783 - - - - - - - 0.764 根据表 3 中所分析的数据, 由于弱岩爆与中岩爆的差异性不明显, 故可将这两类岩爆合 并成一类,即弱-中岩爆进行研究。也即只区分无岩爆、弱-中岩爆、强岩爆等 3 种情况。 因此,可将表 1 中的 Russenses 判据修改成 (1) (σθ/σc)≤0.2,无岩爆发生; (2) (σθ/σc)0.2,弱-中岩爆; (3) (σθ/σc)≥0.7,强烈岩爆。 4.冬瓜山铜矿深部采矿岩爆预测.冬瓜山铜矿深部采矿岩爆预测 铜陵有色金属集团公司冬瓜山铜矿,矿体赋存于-680m~-1000m,矿体走向长 810m, 水平投影宽 204m~882m,平均厚度 32m,总储量 10884.5 万t,铜金属量 106.124 万t,且 3 远景储量相当可观。对-730m水平原岩应力实测表明,冬瓜山铜矿构造应力复杂,最大主应 力方向集中在NE~SW方向,而且近似水平,与青山背斜的轴线方向相吻合。深部应力值达 35MPa以上,属高应力区,原岩应力的铅垂方向分量为 9~16MPa,小于上覆岩层自重引起的 应力。冬瓜山铜矿是目前国内深井硬岩开采中具有岩爆倾向、高温等特征的典型矿山,其矿 床典型地质剖面如图 1 所示 [16]。 冬瓜山铜矿的典型矿体以及岩体的力学特性实验室测试数据如表 4 所示 由图 1 和表 4 可见,冬瓜山矿在-800 米以下的矿体、石英闪长岩、矽卡岩等均为抗压 4 强度较高或很高的矿、岩体。据祝方才等人的研究[17],岩爆的发生在很大程度上取决于岩 体高抗压强度。因此,冬瓜山矿深部存在发生岩爆的天然条件。 根据如下参数在冬瓜山矿-730 米水平,最大主应力(水平方向)q35MPa,最小主应 力(垂直方向)p15MPa;巷道断面半径a1.5m;矿体、石英闪长岩、矽卡岩的力学参数如 表 4 所列,采用二维FLAC程序进行粗略的模拟计算(图 2) ,在巷道断面的局部地方 σθ105.0MPa。因此,对矿体、石英闪长岩、矽卡岩等三种矿岩体,Russenses指标(σθ/σc) =0.32-0.53。因此,冬瓜山铜矿在-730 米水平及以下,存在发生弱-中岩爆的可能性。 P-垂直地应力,q-水平地应力,S-岩体,a-巷道半径,θ-夹角, A-单元岩体,σc-岩体抗压强度,σθ-岩体切向应力,τcθ-岩体剪应力 图 2 冬瓜山铜矿圆形巷道Russenses指标计算示意图[18] 实际情况与预测的相当吻合,即有弱-中岩爆发生。如冬瓜山辅助井的盲措施井掘至 -745m标高时发生岩石弹射,岩性为石英闪长岩;掘至-916m标高时又发生过岩石飞弹,崩 出的岩石约 150kg, 占井壁面积约 0.5m2, 此处正在石英闪长岩与石榴子石矽卡岩的过渡带。 -850m中段出矿平巷掘进时发生较为严重的岩爆,先是小块岩石片落后是大块岩石塌落,在 打锚杆支护后还出现拱顶冒落,有些锚杆发生松脱,影响长度约 15m。 5.研究结论.研究结论 1对深井硬岩矿山,可采用 Russenses 判据来预测岩爆发生的可能性,即 (1) (σθ/σc)≤0.2,无岩爆发生; (2) (σθ/σc)0.2,弱-中岩爆; (3) (σθ/σc)≥0.7,强烈岩爆。 2)冬瓜山铜矿是典型的深井硬岩矿山。根据 Russenses 判据预测,在-730 米水平及以下, 存在发生弱-中岩爆的可能性。 5 参考文献 1) 苏林芳、 蔡嗣经, 南非深部黄金开采对安全和效益的技术要求 (译文) [J], 国外金属矿山, 2001,26243 -47。 2)周宏伟、谢和平、左建平,深部高地应力下岩石力学行为研究进展[J],力学进展,Vol.35, No.1, 2005 年 2 月。 3) 李四年、 唐春安、 王述红等, 深部开采岩爆机理数值分析方法与应用[J], 湖北工学院学报, Vol.18, No.1, 2003 年 2 月。 4)李庶林,深井硬岩岩爆倾向性与岩层控制技术研究[D],博士学位论文,沈阳东北大学,2000 年 10 月。 5)谢和平,矿山岩体力学及工程的研究进展与展望[J],中国工程科学,Vol.5, No.3, 2003 年 3 月。 6) 王善勇、 唐春安、 徐涛、 谭志宏, 矿柱岩爆过程声发射的数值模拟[J], 中国有色金属学报, Vol.13, No.3, 2003 年 6 月。 7) 潘岳、 王志强, 岩体动力失稳的动、 能增量-突变理路研究方法[J], 岩石力学与工程学报, Vol.23, No.9, 2004 年 5 月。 8) 梁志勇、 刘汉超、 石豫川、 单治钢, 岩爆预测的概率模型[J], 岩石力学与工程学报, Vol.23, No.18, 2004 年 9 月。 9) 周科平、 古德生, 基于 GIS 的岩爆倾向性模糊自组织神经网络分析模型[J], 岩石力学与工程学报, Vol.23, No.18, 2004 年 9 月。 10) 唐绍辉、 吴壮军、 陈向华, 地下深井矿山岩爆发生规律及形成机理研究[J], 岩石力学与工程学报, 2003, 22(8) 1250-1254。 11)蔡美峰、王金安、王双红,玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测[J],岩石力学与工程学报, 2001,20(1) 38-42。 12)杨涛、沈培良,基于人工神经网络德岩爆烈度预测研究[J],公路交通科技,2004,21(7) 30-32。 13)张津生、陆家佑、贾愚如,天生桥二级水电站引水隧洞岩爆研究[J],水力发电,1991, (10) 34-37。 14)刘小明,脆性岩石破坏机理试验研究及拉西瓦水电站地下洞室岩爆分析[D],武汉武汉水利电力大学, 1995。 15)王元汉、李卧东等,岩爆预测的模糊数学综合评判方法[J],岩石力学与工程学报,Vol.17, No.5, 1998 年 10 月。 16)范平之,冬瓜山矿床深井开拓岩爆预测与防治措施[J],金属矿山,2000, (7) 41-43。 17)祝方才、谢学斌、潘长良、曹平,冬瓜山岩爆倾向性影响因素的灰色关联度分析[J],西部探矿工程, 2000, (6) 4-5。 18)张金明、朱晓源、程鹏,拉森斯(Russenses)岩爆判据研究[J],浙江水利科技,2004 年第一期。 6 Research on Prediction of Rock Burst in Deep Hard-rock Mines Cai Si-jing, Zhang Lu-hua, Zhou Wen-lue (School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083) Abstract Rock burst is one of geo-hazards frequently seen in the deep hard rock mines. Inds of potential rock burst mainly are Elastic energy index, Linear elastic energy, Impacting energy index, Brittleness ratio and Russenses criterion. Based on analysis of some data of actual rock burst happened both in mine and in underground civil engineering all around the world, Russenses criterion is the potential rock burst index with obvious regularity. Taking the Dongguashan copper mine as a case, in which the geological features are followed, the possibility of rock burst is predicted by using the Russenses criterion. Keywords deep hard rock mine; rock burst; prediction; Dongguashan copper mine 7
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