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第20 卷 第 1 期岩石力学与工程学报201 38～42 2001 年 1 月Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringJ an. , 2001 玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测 蔡美峰 王金安 王双红 北京科技大学资源工程学院 北京 100083 摘要 玲珑金矿是石英脉型金矿床, 目前开采深度已超过 500 m, 未来开采深度将超过 1 000m。对此类矿床赋存条 件的地下矿山, 深部开采时可能遇到的一个突出问题就是岩爆。根据系统的工程地质调查、地应力场现场实测、岩 石力学试验、三维有限元数值模拟的结果, 采用多种岩爆判断准则, 分析了玲珑金矿深部开采时围岩中的能量分布 规律和发生岩爆的可能性, 提出了防治岩爆的建议措施。 关键词 玲珑金矿, 深部开采, 岩爆, 预测 分类号 TD324 文献标识码 A 文章编号 1000-6915200101-0038-05 1 前 言 玲珑金矿 原名招远金矿 是我国最大的黄金矿 山之一, 自 1976 年黄金产量突破 5 万两大关之后, 连续 21 a 产量位于全国之首。该矿位于山东省招远 市玲珑镇, 矿部南距招远市区 16 km, 北距龙口市 55 km, 东距烟台市 137 km, 东南距青岛市 170 km, 均 有公路相联, 交通方便。 自 1962 年投产以来, 该矿已有近 40a 的开采历 史。目前最低开采中段已到- 270 m 水平, 距地表 500 多米。随着开采深度不断增加, 矿体赋存状况、 工程地质条件和围岩稳定性状态显著恶化, 地压显 现加剧。同时, 最近玲珑金矿的深部探矿已在- 800 m 水平发现了具有开采价值的矿体, 因而玲珑金矿 未来的开采深度将超过 1 000 m, 成为我国黄金矿 山, 甚至整个金属矿山开采深度最大的矿山之一 [ 1] 。 玲珑金矿属于石英脉型金矿, 对此类矿床赋存 条件的地下矿山, 深部开采将涉及一系列深部岩石 力学问题, 其中最突出的就是冲击地压和岩爆等动 力学问题。因为在地层深部, 高地应力的存在造成岩 体内储存大量的弹性应变能, 开采过程中, 围岩破坏 后弹性能的突然释放, 将有可能导致岩爆和矿震等 突发的动力学现象, 造成严重的人员伤亡和财产损 失。 本文通过地应力场现场实测、多种形式的岩石力 学实验和三维有限元数值模拟计算, 分析了玲珑金 矿岩石及岩体内能量积聚与分布规律, 并采用国内 外多种岩石动力学准则, 对玲珑金矿深部开采过程 中, 岩爆发生的可能性进行了评价和预测。下面对各 种评价和预测方法及结果分别进行论述。 2 基于岩石力学特性的评价 2. 1 岩石单轴压缩循环加载试验 岩石在压缩过程中, 试件将聚积变形能并产生 弹性和塑性变形。如果在岩石受压达到峰值强度前 对试件进行卸载, 弹性变形可以得到恢复, 而塑性变 形则永久性保存。 因此, 通过岩石循环压缩实验可以 检测岩石内部积聚能量的性质和特征。 如图 1 所示, 岩石加载至 A 峰值前 卸载, c 为卸载前聚集在岩石内部的总应变能, st是由于岩 石产生塑性变形和内部产生微破裂而消耗的能量, sp为卸载后仍然储存在岩石内部的应变能。 将sp与 st之比记为 F sp/ st 。 根据国外的现场试验与研究结果[ 2, 3], F 值越 大, 岩石破坏时产生的冲击越强烈。 F 值与岩爆可能 性的关系如下 F ≥ 5. 0 岩石破坏时产生中等到强烈冲击; 2. 0≤F 5. 0 岩石破坏时产生弱到中等的冲 击; F ≤ 2. 0 岩石破坏时不产生冲击。 玲珑金矿深部围岩主要是各种类型的花岗岩, 在实验室完成的大量力学试验表明, 花岗岩在循环 加卸载过程中, 加卸载曲线基本上重合, 直至达到岩 2000 年 2 月 21日收到初稿, 2000 年 3 月20 日收到修改稿。 作者 蔡美峰 简介 男, 58 岁, 1990 年于澳大利亚新南威尔士大学采矿系岩石力学专业获博士学位, 现任北京科技大学资源工程学院院长、教 授、博导, 主要从事岩石力学、 采矿工程方面的教学与研究工作。 图 1 岩石试件加卸载时的能量计算示意图 Fig. 1 Energy accumulation in rock specimen during loading and unloading 石破坏, 岩石的塑性变形几乎为零 见图2 。 说明st 很小, sp很大, 在极端情况下可能出现 F → ∞。 因 此可以推论, 玲珑金矿深部围岩在发生破坏时, 将 可能产生很大的冲击作用。 2. 2 岩石单轴与三轴刚性试验 为研究岩石从受压直至破坏后全过程中, 其内 部能量积聚与释放的特征, 对玲珑金矿深部花岗岩 进行单轴与三轴刚性试验。实验内容包括测量花岗 岩单轴全应力应变曲线、三轴全应力应变曲线及弹 性模量、泊松比。试验结果分别见图 3 和表 1。 a 斑状黑云母混合花岗岩 b 中粗粒混合花岗岩 图 2 花岗岩试块单轴循环压缩试验应力- 应变曲线 Fig. 2 Stress- strain curves of granite specimen obtained by uniaxial cycling compressive testing a 单轴试验 b 三轴试验 图 3 片麻状花岗岩试块刚性试验全应力- 应变曲线 Fig. 3 Stress-strain curves of granite specimen obtained by uniaxial and triaxial stiff testing 39 第 20 卷 第 1 期蔡美峰等. 玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测 表 1 单轴和三轴刚性试验测定的岩石力学参数 Table1 Mechanical parameters of rock determined by uniaxial and triaxial stiff testing 岩性 取样深度 /m 直径 / cm 高 度 / cm 弹模 / GPa 泊松 比 抗压强度 / MPa 围 压 / MPa 花岗岩2704. 889. 9361. 30. 25214. 0 花岗岩23548. 6 10. 01 58. 60. 10137. 0 花岗岩3174. 8810. 0 104. 33283. 010. 0 花岗岩3604. 889. 58 92. 01414. 020. 0 试验结果表明, 围压越大, 岩石抗压强度越大; 在达到峰值强度之前, 围压越大, 岩石的弹性模量 和内部积聚的弹性能也越大, 岩石破坏时释放的能 量和释放率也越大。 根据国内外研究[ 4], 岩石在破坏前积聚的变形 能 WE与破坏后消耗的塑性变形能 Wp之比 R WE/ Wp , 是衡量岩石在破坏时是否产生冲击以及冲 击程度的重要指标。 在刚性试验所获得的全应力-应 变曲线图上, 以峰值强度为界, 曲线所围左半部分 面积代表WE, 右半部分面积代表 Wp。一般认为 当 R ≥ 1 时, 将产生冲击现象; R 值越大, 冲击能量越 大。根据刚性试验结果计算得出, 玲珑金矿深部花 岗岩的R 1. 04～1. 9, 据此认为, 玲珑金矿深部花 岗岩具有潜在的冲击和岩爆的可能性。 3 能量分析的数值模拟研究 岩爆发生的充分必要条件, 除了岩石本身具备 所贮存大量弹性能的性质外, 还必须具备产生高应 力或造成能量积累的环境。为此, 采用应力解除法 和实现完全温度补偿并考虑岩体非线性的空心包体 应变测量技术, 进行了矿区 5 个水平、12 个测点的 三维地应力现场实测。根据实测结果, 建立矿区地 应力场分布模型如下 h max 0. 72 0. 0559H MPa 1 h min 0. 80 0. 0234H MPa 2 v 0. 32 0. 0280H MPa 3 式中 h max, h min和 v分别为最大水平主应力、 最 小水平主应力和垂直主应力; H 为测点埋深 m 。 测量结果表明, 玲珑金矿存在较高的地应力场。 在 1 000m 深度, 最大主应力可达到 50～60MPa。 根据现场地应力实测数据和工程地质调查、矿 岩物理力学性质试验结果, 采用大型非线性三维有 限元程序对玲珑金矿深部开采过程中围岩的应力位 移状态进行了定量计算。根据有限元计算结果, 可 获得深部开采后, 围岩内弹性应变能的分布特征和 大小。 岩体弹性应变能的计算按下式进行 We 0. 5 11 22 33 4 式中 1, 2, 3, 1, 2, 3分别是岩体单元内的主应 力和主应变。计算结果表明, 在玲珑金矿深部矿房周 围, 岩体内积聚有很高的弹性能, 其中 1 - 270 m 水平 23 线垂直剖面上的 18 脉, 最大弹性能 We max 116 kJ/ m 3; 2 - 270 m 水平 29 线垂直剖面上的 18脉和 47 脉, 最大弹性能 We max 114kJ/ m3; 3 - 270 m 水平 47 线垂直剖面上的 18脉和 47脉, 最大弹性能 Wemax 125kJ/ m3; 4 - 110 m 水平剖面上, 10脉、18脉和 47 脉矿房围岩中, 最大弹性能We max 25kJ/ m 3; 5 - 270 m 水平剖面上, 10 脉、18 脉和 47 脉矿房围岩中, 最大弹性能We max 148 kJ/ m 3; 国内外已有研究和现场监测表明 [ 3], 当岩体内 部弹性能达到或超过 100 kJ/ m 3 时, 将发生岩爆和 冲击地压。 上述五处围岩中, 除- 110 m 水平一处外, 位于 - 270 m 水平的四处的最大弹性应变能均超过了这 一临界数值。因而, 玲珑金矿- 270m 水平以下深部 开采时, 有发生岩爆和岩石弹射的很大可能性。 4 岩爆预测的综合分析与评价 为了更全面、系统和可靠地分析和预测玲珑金 矿深部开采过程中, 岩体发生岩爆的可能性与岩爆 强度, 本项研究还运用多种岩石动力学准则[ 5], 进行 综合分析和评价。 4. 1 线弹性能准则 在单轴压缩条件下, 岩石达到峰值强度以前所 贮存的弹性能计算如下 We 2c 2ES 5 式中 c为单轴抗压强度 MPa ; ES为卸载切线弹 性模量 MPa 。 根据达到强度峰值以前所贮存的弹性能的大小, 将岩爆划分为 4 个等级 1 We 40 kJ/ m3 Ⅰ 级岩爆 弱岩爆 ; 2 40 ≤ We 100 kJ/ m 3 Ⅱ 级岩爆 中等岩 爆 ; 3 100≤ We 40, 无岩爆; 2 B 40～ 26. 7, 弱岩爆; 3 B 26. 7 ～ 14. 5, 中等岩爆; 4 B 400 m , 岩体的 平均RQD 70 ～90。 因此, 预示深部岩体有较 大的岩爆倾向。 5 相关结论与防治岩爆建议 通过岩石的循环加卸载实验、单轴和三轴刚性 实验、以及三维数值模拟计算, 从整体上揭示了玲 珑金矿岩石内聚集较高弹性应变能和深部岩体中分 布较大弹性能的现象, 并且这些弹性能释放具有很 高的冲击特性。结合其它判断岩爆准则, 可做出结 论 玲珑金矿深部开采具有潜在的强岩爆可能性。 建议现场在深部开采过程中, 采取必要的防治 岩爆的技术措施 1 进行合理的开采设计, 确定优化的开采顺 序和开挖步骤, 采用卸压开采技术, 避免围岩局部 应力集中和应变能聚集; 2 对采空区实施及时有效的充填, 尽量减少 空区的空顶面积和体积, 减少岩爆可能发生的空间; 3 对关键部位的硐室和围岩采用喷锚网、可 塑性锚杆等柔性或先柔后刚的支护措施, 允许围岩 的适量位移和应变能的逐步释放; 4 进行合理的爆破设计, 尽量减少爆破振动 的影响, 避免引起岩爆的各种诱发因素的发生; 5 在开采过程中, 加强岩体稳定性监测和岩 爆预测工作; 制订预防岩爆的措施, 建立完善的安 全生产体系。 41 第 20 卷 第 1 期蔡美峰等. 玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测 参考文献 1北京科技大学, 山东省玲珑金矿. 玲珑金矿田深部岩石力学与采 矿方法综合研究[R] . 1999 2Kwasniewski M , Szutkowski I, Wang J A. Study of ability of coal from seam 510 for storing elastic energy in the aspect of assessment of hazard in PORABKA - KLIMONT OW Colliery [R] .Silesian T echnical University, 1994 3王元汉, 李卧东, 李启光等. 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, 1998, 17 5 493～501 4Goodman R E. Introduction to Rock Mechanics[ M] . New York John Wiley and Sons, 1980 5乔春生, 田治友. 冬瓜山铜矿床岩爆发生可能性研究[ J] . 岩石力 学与工程学报, 1998, 17 增 917～921 6彭 祝, 王元汉, 李廷芥.Griffith理论与岩爆的判别准则[J] . 岩石力学与工程学报, 1996, 15 增 491～495 7Kwasniewski M, Wang J A . 3-D numerical modeling and study of mine tremors associated with coal mining in vicinity of major faults[J] .Pupls.Inst.Geophys. , 1999,M-22 310 351～364 ANALYSIS ON ENERGY DISTRIBUTION AND PREDICTION OF ROCK BURST DURING DEEP MINING EXCAVATION IN LINGLONG GOLD MINE Cai Meifeng, Wang Jin′ an, Wang Shuanghong College of Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beij ing 100083 China Abstract The mining depth in Linglong gold mine is more than 500 m and will exceed 1 000 m in the future. Rock bursts will be a serious problem for the mine during deep mining excavation. Based on the results of systematical rock mechanics experiments and numerical modeling analysis, the distribution status of energy in surrounding rock mass and possibility of rock burst during deep mining excavation in Linglong gold mine are analyzed, using various prediction criteria of rock burst. The s for protection of rock burst are also provided. Key words Linglong gold mine, deep mining, rock burst, prediction 岩石力学与工程学报 被评为矿业工程、建筑科学与水利 工程类国家中文核心期刊 据北京大学出版社在 2000 年出版的 中文核心期刊要目总览 第五版 , 岩石力学与工程学报 被评为 矿业工程、建筑科学与水利工程类国家中文核心期刊。 国家中文核心期刊每 4 年评定一次, 由全国数百位学科专家和 100 余位专业人员共同完成。各类核心期 刊的研究人员和鉴定专家名字都列在公开出版的 中文核心期刊要目总览 上。 核心期刊总数量稳中有降, 本版为 1571 种, 比第 2 版的 1596种减少了 325 种。核心期刊数量减少, 核心 期刊重复出现的现象也明显减少。 但 岩石力学与工程学报 由1996 年第 2 版单一的矿业工程类核心期刊, 扩 展为本版矿业工程、建筑科学与水利工程 3 门学科的核心期刊。可见, 岩石力学与工程学报 在岩土工程界 的影响度又有了公认的明显的提高。 蔡承斌供稿 42 岩石力学与工程学报2001 年