蒙庫(kù)鐵礦深部巷道巖爆預(yù)測(cè)及控制技術(shù)

宋多權(quán) 陳立達(dá) 李學(xué)文 簡(jiǎn)相洋 陳 凱 王揮云 劉海卿

（1.中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100161；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)朔州公司，山西 朔州 036000）

隨著淺部資源逐漸枯竭和地下工程技術(shù)不斷研發(fā)，能源發(fā)展戰(zhàn)略逐步向深部縱橫方向轉(zhuǎn)移，高埋深的地下巷道工程逐漸遍布采礦工程領(lǐng)域[1-3]。隨著地下巷道工程埋深的逐漸增加，巷道圍巖的地應(yīng)力顯著增大，加劇了深部巷道工程巖爆的破壞性和發(fā)生頻率。巖爆災(zāi)害的防治已經(jīng)成為制約深部巷道圍巖安全施工的瓶頸問(wèn)題。

巖爆現(xiàn)象的產(chǎn)生有其內(nèi)外影響因素，其外因是開(kāi)挖深度和開(kāi)挖方式等因素，誘發(fā)巖爆的產(chǎn)生；但產(chǎn)生巖爆的主要原因還是巖石自身的內(nèi)因，在初始高地應(yīng)力情況下，地下工程施工過(guò)程中儲(chǔ)存在巷道巖體的圍巖應(yīng)力突然釋放，導(dǎo)致巷道圍巖局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，使開(kāi)挖后的巷道圍巖塊石壓碎脫落或者以突然、猛烈的方式向已經(jīng)開(kāi)挖的空間進(jìn)行彈射和拋擲的破壞現(xiàn)象[4-11]。由于巖爆等相關(guān)的工程地質(zhì)問(wèn)題的存在，直接對(duì)施工人員、設(shè)備的安全、礦山生產(chǎn)等產(chǎn)生直接威脅，并影響工程進(jìn)度和投入成本。

本項(xiàng)目以蒙庫(kù)鐵礦深部巷道圍巖開(kāi)挖施工發(fā)生巖爆現(xiàn)象為背景，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巷道巖爆現(xiàn)象及主要影響因素進(jìn)行分析。由巖爆特性對(duì)深部巷道巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[10-12]，并對(duì)深部巷道巖爆提出了控制技術(shù)，并運(yùn)用有限元軟件[12-15]對(duì)深部巷道巖爆控制技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果說(shuō)明了錨網(wǎng)噴支護(hù)效果比較顯著，巖爆預(yù)測(cè)及控制技術(shù)已經(jīng)得到顯著的效果，解決了本工程現(xiàn)場(chǎng)巖爆問(wèn)題，保證了井下斜坡道延伸段在開(kāi)挖施工工程的安全性和礦井生產(chǎn)期間的長(zhǎng)久穩(wěn)定性。因此，對(duì)井下巖爆段巷道圍巖安全快速施工具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

富蘊(yùn)蒙庫(kù)鐵礦位于新疆阿勒泰地區(qū)，它處于亞歐大陸腹地，北方有雄偉壯觀(guān)的阿爾泰山，西南方向有薩吾爾山，南方有準(zhǔn)噶爾盆地，西面比較開(kāi)闊，從上方看形狀如喇叭口，海拔在300～1 700 m。地形呈現(xiàn)西高東低的山脈和東高西低的丘陵平原，相應(yīng)高差是500～600 m。巖體走向290°～300°，有些巖層幾乎與深部巷道圍巖垂直或者平行，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，深部巷道圍巖開(kāi)挖比較困難，當(dāng)深部巷道圍巖開(kāi)挖后卸荷集中應(yīng)力大于巖石極限強(qiáng)度后，巷道圍巖極易發(fā)生巖爆現(xiàn)象。

蒙庫(kù)鐵礦深部巷道掌子面圍巖為硬巖、較脆，整體圍巖為中薄層狀結(jié)構(gòu)，巖層傾角近乎直立，層間結(jié)合較差，巖層走向與巷道前進(jìn)方向一致，在深部巷道圍巖開(kāi)挖，極易發(fā)生巖爆現(xiàn)象。通過(guò)巖爆控制技術(shù)對(duì)深部巷道巖體巖性和應(yīng)力條件進(jìn)行改進(jìn)，使巷道圍巖強(qiáng)度和脆性下降，改變深部巷道圍巖開(kāi)挖卸荷后的應(yīng)力條件，可以有效地降低巖爆的發(fā)生。

2 現(xiàn)場(chǎng)巖爆現(xiàn)象與成因分析

2.1 巖爆現(xiàn)象

井下開(kāi)采巖爆段中比較嚴(yán)重的具體位置及發(fā)生的巖爆現(xiàn)象分別是，在井下斜坡道延伸902～884 m段X17～X18+34 m處，輕微巖爆偶有響聲，維持時(shí)間較短，拱頂表層有離散巖體脫落母巖掉落，無(wú)彈射；臺(tái)車(chē)清撬可以清撬大量散巖，肉眼辨識(shí)度差，圍巖結(jié)構(gòu)整體性較差。如圖1所示，深部巷道圍巖開(kāi)挖后，短時(shí)間內(nèi)有巖石破碎的聲音，之后有大塊的巖石向已經(jīng)開(kāi)挖空間內(nèi)脫落或者彈射。

在井下斜坡道延伸902～884 m段X18+34 m～X20處，巖爆特征較為突出，掘進(jìn)爆破后出渣過(guò)程輕微顯現(xiàn)，第二天后表現(xiàn)突出，主要表現(xiàn)在頂板有連續(xù)間斷聲響，過(guò)后伴隨微小巖體輕微彈落，及不間斷的小片巖體剝落脫離母巖。掉落巖體多為片狀，厚度為10～20 cm，面積0.1～1.0 m2不等，如圖2所示。

綜上現(xiàn)場(chǎng)巖爆現(xiàn)象所述，有片狀的巖石向已開(kāi)挖空間脫落或者彈射，可以得到發(fā)生巖爆情況下，巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造和巖爆成因分析，進(jìn)一步判別巖爆發(fā)生的條件，做好地下工程巖爆防控措施，保證地下深部巷道圍巖開(kāi)挖快速安全施工。

2.2 深部巷道巖爆成因分析

產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象的外因主要是開(kāi)挖深度和開(kāi)挖方式，但內(nèi)因主要還是巖石自身巖性和最大地應(yīng)力方向，下面從深部巷道巖爆發(fā)生的內(nèi)因和外因兩方面來(lái)分析巖爆成因。

2.2.1 巖爆內(nèi)因

蒙庫(kù)鐵礦圍巖巖體主要由角閃變粒巖、條帶狀角閃變粒巖和少量大理巖、黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖構(gòu)成，巖體與巷道圍巖界線(xiàn)明顯，巖體中常見(jiàn)圍巖夾層，這些巖石特性是清脆且堅(jiān)硬的，當(dāng)巷道圍巖開(kāi)挖卸荷后突然出現(xiàn)局部集中應(yīng)力，巷道圍巖極易發(fā)生巖爆現(xiàn)象。從能量的角度來(lái)看，巖體在開(kāi)挖之前儲(chǔ)存較多彈性能量，彈性能越大，在開(kāi)挖之后釋放的能量就越多，這些能量就是產(chǎn)生巖爆的強(qiáng)烈動(dòng)力。當(dāng)深部巷道圍巖進(jìn)尺方向與最大主地應(yīng)力方向平行時(shí)極易發(fā)生巖爆。

2.2.2 巖爆外因

隨著地下工程埋深的逐漸增加，地應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)?？v橫方向也呈現(xiàn)隨埋深變化而相應(yīng)變化，依據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)測(cè)定地應(yīng)力的數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)埋深小于1 000 m時(shí)，水平方向的主地應(yīng)力占主導(dǎo)因素，當(dāng)埋深大于1 000 m時(shí)，垂直方向的主地應(yīng)力占主導(dǎo)因素。從現(xiàn)場(chǎng)巖爆現(xiàn)象來(lái)看，發(fā)生巖爆段均在880 m以上的位置，隨著埋深增加發(fā)生巖爆的可能性越大。

開(kāi)挖方式與巖爆有著密切聯(lián)系，在高初始地應(yīng)力的巖體進(jìn)行開(kāi)挖，極易在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致巖爆現(xiàn)象發(fā)生?，F(xiàn)場(chǎng)掌子面爆破施工效果比較好，巷道圍巖開(kāi)挖輪廓圓順，產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象的概率就小。另外，深部巷道圍巖開(kāi)挖進(jìn)尺越大釋放的應(yīng)力就越大，發(fā)生巖爆現(xiàn)象就越顯著，從多年現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)得到深部巷道圍巖開(kāi)挖進(jìn)尺小于2 m時(shí)，產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象的概率顯著變小。

3 巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

3.1 巖體結(jié)構(gòu)分析

深部巷道巖爆成因分析，巖爆現(xiàn)象的預(yù)測(cè)需要圍繞巖性、最大主地應(yīng)力方向、埋深、開(kāi)挖方式等主要成因研究，通過(guò)對(duì)巖爆現(xiàn)象的深部巷道圍巖巖性及巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特性進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以得到產(chǎn)生巖爆的深部巷道圍巖巖性及巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造特性，來(lái)判斷巖爆現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 應(yīng)力解除法

深部巖體的任何一點(diǎn)均受到三向應(yīng)力狀態(tài)，人為去除某一點(diǎn)的應(yīng)力，巖體的某點(diǎn)必受彈性變形，采用應(yīng)變片采集應(yīng)變量，應(yīng)用彈性力學(xué)公式計(jì)算初始地應(yīng)力。運(yùn)用巖體初始地應(yīng)力，來(lái)判斷巖爆的發(fā)生。

關(guān)于應(yīng)力解除法計(jì)算巖體的初始地應(yīng)力，秦雨樵等針對(duì)深部巖體高溫高壓測(cè)試環(huán)境條件下鉆孔，提出了深部巷道巖石的三維初始地應(yīng)力計(jì)算公式，其巷道圍巖上一點(diǎn)的本構(gòu)關(guān)系[16-17]為

式中，E為深部巷道圍巖橫向觀(guān)測(cè)各向同性面的彈性模量；E′為垂直于深部巷道圍巖橫向觀(guān)測(cè)各向同性面的彈性模量；G′為垂直于深部巷道圍巖橫向觀(guān)測(cè)各向同性面的剪切模量；ν為深部巷道圍巖橫向觀(guān)測(cè)各向同性面的泊松比；ν′為垂直于深部巷道圍巖橫向觀(guān)測(cè)各向同性面的剪切模量；βs與βs′分別為深部巷道圍巖上的鉆孔坐標(biāo)系平面和ξ方向上的熱力學(xué)參數(shù)；Tw為深部巷道圍巖溫度。

定義εφ為深部巷道圍巖孔壁上與切向夾角為φ上的正應(yīng)變，其與深部巷道圍巖孔壁上3個(gè)互為45°夾角方向上的應(yīng)變之間的表達(dá)式為

深部巷道圍巖孔壁上的正應(yīng)變與原始地應(yīng)力之間的關(guān)系：

式中，[T]，[p]分別為考慮高溫高壓測(cè)試環(huán)境條件的溫差參量以及深部巷道圍巖孔壁壓力；S為巖體地應(yīng)力；A1～A6為和深部巷道圍巖鉆孔方向、巖石彈性參數(shù)有關(guān)的常數(shù)，計(jì)算公式分別為

最后將εφ位置的θ（水平軸線(xiàn)與鉆孔軸線(xiàn)夾角）和φ值代入，通過(guò)深部巷道圍巖孔壁上3個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變片采集應(yīng)變量，經(jīng)過(guò)公式計(jì)算，得出深部巷道圍巖的三維初始地應(yīng)力張量。

4 深部巷道巖爆控制分析

蒙庫(kù)鐵礦深部巷道在X20迎頭15 m區(qū)域巖爆較為突出，表現(xiàn)為吱、砰響聲，并伴隨微小巖塊彈落，局部小塊巖體沿層間剝離脫落，維持時(shí)間較長(zhǎng)，空頂作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，根據(jù)工程實(shí)際情況采用掛網(wǎng)錨噴支護(hù)。通過(guò)對(duì)掛網(wǎng)錨噴支護(hù)建立數(shù)值模型及分析，驗(yàn)證巖爆控制技術(shù)的合理性，確保了巖爆段安全快速施工。

4.1 巷道圍巖彈—脆—塑性本構(gòu)模型

在深部巷道圍巖的巖爆破壞過(guò)程中，深部巷道圍巖的脆性破壞和塑性破壞都屬于巖石材料應(yīng)變軟化行為的一種特殊表現(xiàn)形式。深部巷道圍巖屈服準(zhǔn)則與塑性勢(shì)能方程不僅由應(yīng)力張量σij表達(dá)，其中還包括軟化參數(shù)η，其表達(dá)式[18-20]為

式中，σθ為最大主應(yīng)力；σr為最小主應(yīng)力。

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則可表示為

式中，σc為深部巷道巖石單軸抗壓強(qiáng)度；其中，

若假設(shè)Mohr-Coulomb常數(shù)中的c、φ隨η值線(xiàn)性衰減，則可得到Mohr-Coulomb應(yīng)變軟化關(guān)系式為

式中，ωp為峰值參數(shù)；ωr為殘余參數(shù)；η*為深部巷道圍巖巖石由應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變到殘余階段的臨界軟化參數(shù)值；ω可以代替Mohr-Coulomb模型中的黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ。即當(dāng)η=0時(shí)，巖體處于彈性變形階段，0＜η＜η*時(shí)為應(yīng)變軟化階段，η＞η*為殘余階段，其中，深部巷道圍巖巖石的軟化過(guò)程則由巖石峰后應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)的斜率決定，即深部巷道圍巖巖石的軟化模量M，如圖3所示。

塑性參數(shù)η*可由內(nèi)在變量的形式表示，即將塑性參數(shù)η*定義為塑性剪切應(yīng)變，通過(guò)最大主塑性應(yīng)變和最小主塑性應(yīng)變的差值獲得，即

式中，γp為塑性剪切應(yīng)變分別為最大、最小塑性應(yīng)變。

本文數(shù)值計(jì)算中，深部巷道圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

?

4.2 模型建立

蒙庫(kù)鐵礦巷道圍巖的斷面尺寸4.8 m×4.3 m，拱頂半徑為3.32 m。巖土的彈性模量200 MPa，泊松比0.2，巖石的容重20 kN/m3。治理巖爆采用錨網(wǎng)噴支護(hù)方式，支護(hù)參數(shù)為：采用2 m管縫錨桿，錨桿間距1 m，網(wǎng)片1.2 m×2 m，噴射22 cm厚的C20鋼纖維混凝土。迎頭超前支護(hù)預(yù)防，沿巷道斷面頂板外輪廓超前鉆進(jìn)并安設(shè)管棚，管棚采用?22 mm螺紋鋼，長(zhǎng)度3 m，間距0.4 m，傾角為12～15°，與下一循環(huán)搭接長(zhǎng)度為1 m，孔內(nèi)填裝錨固劑固定。

4.3 巖爆控制有限元分析

通過(guò)有限元模型模擬了巖爆段深部巷道圍巖開(kāi)挖和錨網(wǎng)噴支護(hù)過(guò)程，如圖4所示。從圖中可以得到施工過(guò)程中深部巷道圍巖正上方各測(cè)點(diǎn)豎向位移的變形圖，隨著開(kāi)挖和支護(hù)工程不斷前進(jìn)，各測(cè)點(diǎn)豎向位移變形逐漸趨向穩(wěn)定，巖爆控制技術(shù)效果比較顯著。從圖5可以得到，拱頂測(cè)點(diǎn)和拱腰測(cè)點(diǎn)在深部巷道圍巖開(kāi)挖時(shí)，由于儲(chǔ)存在巖石中的能量突然釋放，在測(cè)點(diǎn)局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值變化趨勢(shì)出現(xiàn)擾動(dòng)，隨后進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)，使測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值變化逐漸趨向穩(wěn)定，錨網(wǎng)噴支護(hù)效果比較顯著。如圖6所示，可以得到在深部巷道施工過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)豎向位移變化趨勢(shì)，無(wú)論是在拱頂測(cè)點(diǎn)還是拱腰測(cè)點(diǎn)位移均是突然增大然后逐漸趨于穩(wěn)定，從圖中可以看出支護(hù)起到顯著的作用。綜上所述，分析結(jié)論說(shuō)明了巖爆控制技術(shù)已經(jīng)得到顯著的效果，巖爆已經(jīng)得到顯著的控制，深部巖爆段巷道圍巖可以安全快速開(kāi)挖施工。

5 結(jié)論

依托蒙庫(kù)鐵礦工程實(shí)際，進(jìn)行了深部巷道圍巖巖爆現(xiàn)象及成因分析，提出了深部巷道巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，通過(guò)深部巷道巖爆控制相關(guān)研究，得到結(jié)論如下：

（1）通過(guò)深部巷道巖爆現(xiàn)象及成因分析，得到巖爆時(shí)的巖體結(jié)構(gòu)和巖性特征來(lái)預(yù)測(cè)巖爆的發(fā)生。

（2）應(yīng)力解除法可以得到深部巷道巖體的初始地應(yīng)力，應(yīng)用初始地應(yīng)力來(lái)預(yù)測(cè)深部巷道巖爆的發(fā)生。

（3）錨網(wǎng)噴支護(hù)對(duì)深部巷道圍巖巖爆控制效果比較顯著，可實(shí)現(xiàn)安全快速施工。