深井开采冲击地压与防治

深井开采冲击地压与防治

王志方 郑永学

(红透山铜矿 辽宁　113321) (东北大学 沈阳　110006)

摘要　用矿岩能量指标和岩爆倾向度等多因素评价作为岩爆发生条件的判据,对红透山铜矿的岩爆现象作了定性研究与监测,并介绍了防止岩爆发生的几项措施。

关键词　岩爆　岩爆判据　深部地压　采空区处理　两步开采

由冲击地压引起的岩爆是最危险的地压活动。它不同于其它静力形式地压活动,其特点是以瞬间突变的急剧释放能量的爆炸形式发生动力破坏,发生时有不同量级的能量逸出,常带有岩块或碎屑高速射出。活动本身虽然发生在高应力区,但引发的破坏范围很大,且发生的时间、地点、规模也难以预测,因而高量级冲击地压的后果非常严重。近年来,在红透山铜矿随着开采深度增加,冲击地压现象日臻加剧,其防治与研究工作亦相应有了很大进展。

1　深部开采的冲击地压现象

红透山铜矿属前寒武纪块状硫化物矿床,矿石中硬,围岩为片麻岩,中硬以上。目前开采深度达1377m,近十余年岩爆活动有明显发展。

最初的岩爆显现始于+13m中段(地下深度437m)的弱岩爆现象,表现为电耙道突然迸裂,发出劈啪劈啪爆豆般响声,岩石碎块射出2～3m远。进入-587～-767m中段后(深度范围1037～1217m)便发展为中等岩爆,在回采过程中,岩(矿)柱突然劈裂或坍塌,岩块射出、响声频度增加。该深度范围十余个采场发生岩爆引发了200～400m2的顶柱或上盘突然垮落,造成人员伤亡,个别采场报废,影响了生产的正常进行。进入-767～887m中段(1217～1397m的深度),岩爆情况有了新的发展。1200m深度以上主要在开挖空间较大地段如采场、硐室有显现,而在1200m深度以下,在掘进石门时即发生岩爆。据1995年9月调查,上述中段二副井前巷、后巷顶板和帮壁均有大面积近似层状剥落,厚度0.3～0.5m,撬掉后再行剥落。个别处发生响声后有数立米滑块射落。上述井巷工程附近的岩爆活动,引起了矿山的高度重视。为防止更严重的岩爆,我矿与东北大学于1988年开始联合进行了十年的红透山矿冲击地压活动研究。

2　岩爆判据的提出

目前所见岩爆发生判据有能量、刚度、岩爆倾向度等多种理论及表达式,似有单一性。东北大学郑永学教授提出的采用矿岩能量指标和岩爆倾向度等多因素综合评价作为岩爆发生条件的判据是比较全面的评价标准,并作为红透山矿发生岩爆的评价标准。该综合理论主要思想是:岩爆发生要有两个条件,一是必要条件,即能量条件或应力条件;二是充分条件(岩性条件),只有同时具备这两个条件岩爆才会发生,其表达式是:

K i>K i3(1)

U>U3(2)

(1)式表达了岩性条件,反映了岩石能否发生岩爆的倾向性大小的物理力学性质,系充分条件。K i是实验室测定的岩样冲击倾向性指标,K i3为发生岩爆的限定指标。

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(2)式为发生岩爆的必要条件,反映工程岩体中弹性应变能的蓄积能量与能耗量的关系。式中U为蓄积的弹性应变能量,U3为岩爆发生时的临界能耗量。

(1)式的充分条件—岩样冲击倾向性指标,用弹性能量指数We、冲击能量指数Wb、动态破坏时间D T表示,发生岩爆的限定指标参照表1。

表1　发生岩爆岩石冲击倾向性指标

岩爆等级We Wb D T(ms)

强烈岩爆危险中等岩爆危险无岩爆危险

≥15

2.0～4.9

<2.0

>3.0

1.5～3.0

<1.5

<50

50～100

>500

(2)式的必要条件—能量条件即应力条件,指岩体中某处蓄积的能量大于其破坏能量。

3　红透山深部地压的定性

为解决我矿的地压显现是否属于或属于哪一量级的冲击地压,其发展趋势与后果如何,对井巷工程稳定性与矿床开采活动有何影响;以及怎样有效地防治等问题,我们与东北大学联合做了一系列的研究工作。

3.1　矿岩物理力学性质及其岩爆倾向度测定

取-527m中段(977m深度)矿岩标本,在东大加工成试样,并做试验,We、Wb、D T的测定结果见表2。

根据测试结果可以认为:深部矿岩坚硬,强度大,弹性模量大,跌落模量亦大,具备了发生岩爆的岩性条件即满足了充分条件。根据测定数据对深部矿岩做出岩爆强烈程度的概略分级结果:深部角闪片麻岩、矽线石片麻岩、辉绿岩具有发生强烈岩爆倾向;黑云母斜长片麻岩、铜矿石具有发生中等岩爆倾向。

表2　岩爆倾向度测定结果

矿 岩We Wb D T(ms)角闪片麻岩

黑云母片麻岩

铜矿石

矽线石片麻岩

辉绿岩

15.6

5.3

7.3

7.1

14.5

4.8

3.1

5.0

5.3

5.7

50

70

23

18

13

3.2　发生岩爆的能量条件研究

上述研究结果肯定了深部有发生中等至强烈岩爆的可能性,但究竟在什么样的外部条件下发生,还需要由能量条件或应力条件来确定。

对-527m水平采场用有限元法进行了模拟计算。首先计算出不同回采时期关键点应力值,再根据采场周围岩体中应力值,计算相应部位的弹性应变能值,以及单向压缩试验破坏时的耗散能量值,结果见表3。

表3　不同回采部位围岩应变能值

关键点位置

极限强度

MPa 破坏时耗散能量

1×104J

计算部位弹性蓄能1×104J

距顶柱10m99.270.89.25 5.07 2.040.78 3.08近顶柱99.270.89.25 5.07 3.24 1.10 5.54

从表3中可看出:采至距顶柱10m时,单位体积岩体蓄积的弹性应变能量小于单向压缩试验破坏时所需的能耗量,断定此部位肯定不会发生岩爆。但当上采进行到接近顶柱时,弹性应变能值大于岩石破坏时所需要的能量即5.54×104J>5.07×104J,满足了发生岩爆的能量条件,再联系前述认定的岩性条件,可以肯定此部位必然要发生岩爆。事实上,该部位后来钻孔时出现了岩屑喷出量高出正常排粉量数倍的岩爆现象。

根据上述研究得出结论:红透山铜矿在深部开采发生的地压现象已属于弱岩爆至中等岩爆的范畴,并具备了发生强烈岩爆的可能性,故应加强深部开采的冲击地压防治工作。附岩爆等级按释放能量划分标准,见表4。

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