北截金矿深部岩体岩爆倾向性与岩爆等级分析预测.pdf

第32 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0391-07中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230339北截金矿深部岩体岩爆倾向性与岩爆等级分析预测Vol.32,Suppl 1June2023宋洪宇，刘鹏飞，安志刚，徐桂壮（中矿金业股份有限公司，山东招远2 6 540 0）摘要：深部开采过程中，受高地应力及扰动影响，易发生岩爆等地质灾害。为保障北截矿区深部开采安全生产，开展了深部岩体单轴及三轴压缩试验，进行了现场地应力测量，分析了地应力与埋深的关系，得到了北截矿区埋深与地应力回归曲线，探讨了北截矿区深部岩体岩爆倾向与岩爆等级，提出了岩爆防控的工程建议。关键词：岩爆倾向性；岩石力学；地应力测量；岩爆防治中图分类号：TD326Analysis and prediction of rock burst tendency and rock burst grade in(Shandong Zhongkuang Group Co.，L t d.，Zh a o y u a n 2 6 540 0,C h i n a)Abstract:In the process of deep mining,geological disasters such as rock-burst may occur due to highground stress and disturbance.In order to ensure the safe production of deep mining in Beijie mining area,uniaxial and triaxial compression tests of deep rock mass are carried out,on-site crustal stress measurementsare carried out,the relationship between crustal stress and burial depth is analyzed,the regression curvebetween burial depth and crustal stress in Beijie mining area is obtained,the rock-burst tendency and gradeof deep rock mass in Beijie mining area are discussed,and engineering suggestions for rock-burst preventionand control are put forward.Keywords:rock burst tendency;rock mechanics;crustal stress measurement;rock burst prevention andcontrol0引言随着浅部资源的逐渐枯竭，多数矿山逐渐转移至深部开采，面临高地应力、强扰动等复杂条件易产生岩爆现象1-2 ，严重威胁了矿井安全生产，成为了地下工程的难题之一，如何有效的对岩爆进行预测及防治对矿山安全开采具有重要意义3。针对岩爆倾向性分析预测国内外学者展开了大量研究4-10 。郭建强等4从岩体弹性变形能角度出发建立了岩爆文献标识码：Adeep rock mass of Beijie Gold MineSONG Hongyu,LIU Pengfei,AN Zhigang,XU Guizhuang分级预测模型，明确了洞室不同部位岩爆烈度不同的原因。刘畅等5 现场调查地应力测试并通过模糊数学法对阿舍勒铜矿深部岩体进行了岩爆倾向综合评价分析。李准等6 利用多种岩爆判据结合矿山实际情况对南和沟矿区深部矿体岩爆倾向性进行了分析预测。以上研究提供了矿山岩爆分析预测思路，对保障井下工作人员的安全具有中重要意义。在以上研究的基础上，开展了现场地质调查，进收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 1第一作者简介：宋洪宇（19 7 6 一），男，江苏泗阳人，高级工程师，主要从事矿山企业安全生产管理及机电技术管理等工作，E-mail：49 6 458 2 2 。引用格式：宋洪宇，刘鹏飞，安志刚，等.北截金矿深部岩体岩爆倾向性与岩爆等级分析预测J.中国矿业，2 0 2 3，32（S1）：39 1-39 7。SONG Hongyu,LIU Pengfei,AN Zhigang,et al.Analysis and prediction of rock burst tendency and rock burst grade in deep rock mass of BeijieGold MineJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):391-397.责任编辑：宋菲392行了单轴、三轴岩体力学试验及现场三中段地应力测量，分析了地应力与埋深的关系，得到了北截矿区埋深与地应力回归曲线，通过多种判据探讨了北截矿区深部岩体岩爆倾向与岩爆等级，研究成果对类似地质条件下岩爆预测与防控具有一定借鉴意义。1岩石力学试验综合分析基础资料并进行现场踏勘，在此基础上进行矿体及围岩取样工作，对岩样进行标准试件加工，针对不同岩性的试件开展自然及饱和密度、抗拉强度、单轴抗压强度（天然和饱水）、单轴压缩变中国矿业形、弹性变形能指数、三轴抗压强度试验，得到不同岩性的岩石物理力学参数，为后续岩体质量评价、岩爆分析等提供数据基础。1.1取样及加工该区域上、下盘围岩为中粒含黑云二长花岗岩，矿体为黄铁绢英岩化花岗岩。在北截矿区辛庄北截一7 2 0 m中段选取相应上下盘围岩及矿体进行试验加工形成标准试验试件。加工后试样如图1所示。研究岩石力学试验研究设备岛津AG-X250型岩石试验系统，如图2 所示。第32 卷(a）U BP-0 2 型岩芯切磨机(b)加工后试样图1试样加工Fig.1Sample processing（a）岩石力学试验系统Fig.2Rock mechanics test equipment1.2试验内容及结果本次主要对矿岩开展7 项试验测试：岩石自然状态及饱和状态密度试验；岩石劈裂法抗拉强度试验；岩石单轴抗压强度试验（天然含水）；岩石单轴压缩变形试验（天然含水)；岩石单轴抗压强度试验（饱和含水);三轴抗压强度试验（天然含水）；弹性变形能指数测试试验。试验得到矿岩物理力学基本参数见表1。2现场地应力水平2.1现场地应力测试本次地应力测量工作从现场勘察选点、配件加(b)单轴试验状态图2 岩石力学试验设备工至最终结束共历时2 0 d，最终顺利完成现场测试工作。测试地点分别在一37 6 m中段、一6 7 0 m中段及一7 2 0 m中段，共计完成应力解除测试3次111，具体情况如图3所示。2.2地应力测量结果及分析经过上述计算，3个水平的地应力测量结果见表2。表2 中压应力规定为正值，张应力为负值。从表2 所示的3个水平3测点的地应力计算数据，可以发现地应力场分布存在如下的规律。1）矿区地表平均标高为12 4m，每个测点均有2个主应力接近于水平方向，与水平面夹角小于13；增刊1岩性上盘2538.60矿体2.669.56下盘2514.32测点位置数值-376m中段17.84-670 m中段27.29-720m中段28.79注：方向和倾角的单位为度；倾角为正表示上倾斜，为负表示下倾斜；方向正北为“0”，顺时针旋转为“十”。北截-37 6 中段(a）-37 6 m 中段试验岩芯照片北截一6 7 0 M中段(b）-6 7 0 m 中段试验岩芯照片北载-7 2 0 m中段(c）-7 2 0 m中段试验岩芯图3各试验段岩芯Fig.3Core of each test section另有一个主应力接近于垂直方向，与垂直方向夹角不大于15。2）矿区一37 6 m水平附近的最大主应力值约为17.8 4MPa，最大主应力方向为15.12，最大主应力倾角10.9 8，近水平；一6 7 0 m水平附近的最大主应力值约为2 7.2 9 MPa，最大主应力方向为13.8 6，最大主应力倾角7.8 9，近水平；一7 2 0 m水平附近的最大主应力值约为2 8.7 9 MPa，最大主应力方向宋洪宇，等：北截金矿深部岩体岩爆倾向性与岩爆等级分析预测表1北截矿区矿岩石物理力学性质试验结果Table 1 Test results of physical and mechanical properties of rock in Beijie Mining Area单轴抗压饱和单轴天然密度/饱和密度/抗拉强度/(kg/m)(kg/m3)2.541.162 672.112516.86最大主应力/MPa方位倾角/（）15.1210.9813.867.8913.657.90393弹性模量/GPa三轴压缩强度试验强度抗压强度MPaR/MPa12.4061.9010.3156.0712.14112.03表2 测试点主应力一览表Table 2List of main stress at test points数值12.9321.7822.21泊松比自然饱和Rw/MPa55.7653.7881.68中间主应力/MPa方位倾角/（)230.7276.57251.8775.34241.7178.29为13.6 5，最大主应力倾角7.8 9，近水平。3）山东地区位于华北地块的东部，呈半岛状突出于渤海与黄海之间，受到太平洋板块和菲律宾板块联合推挤作用影响12 。山东地区与华北地块具有相似的地球动力学环境，由于华北地块受到太平洋板块NEE向和菲律宾板块NW向的联合推挤作用影响，其西侧受到青藏地块与西域地块的挤压，表现出了NEE-SWW和NWW-SEE优势方向。4）矿山在主要巷道和采场布置设计过程中，要充分考虑最大主应力方位与巷道所呈的夹角13。尤其对岩体节理较发育的区域，当采场巷道暴露面积过大、暴露时间过长时，在夹角过大、高应力的复杂应力环境影响下岩壁会产生不同程度的垮落，开采过程中巷道及采场尽可能与最大主应力方向一致，针对不同情况可适当采取喷射混凝土、锚喷等相关井下支护措施，以保证矿体回采过程中的采场及巷道安全问题。表3和表4分别为垂直应力6 3与自重应力6 H的关系及最大主应力1与最小主应力3的关系，分析可知：垂直应力6 2 值略大于自重应力，矿区地势较为平坦，本次3个测点的垂直应力略大于自重应力，这也与世界范围内二者比值大于1的占比83%的规律相一致；3个测点的最大主应力1与最小主应力3之比见表4。3个点平均比值为1.63。最大主应力约为自重应力的1.4倍，最小主应力约为自重应力的0.8 倍。使用线性回归分析的方法14，对3个测点的应力值进行回归分析，得出了最大水平主应力、水平主内摩擦角/黏聚力/）MPa55.844.359.947.162.955.50.240.220.21最小主应力/MPa数值方位10.03106.616.14105.5818.94104.8658.757.459.418.7317.5815.83倾角/（)7.62312.2808.600394应力和垂直主应力随深度变化的回归曲线和回归方程见式（1)式（4），变化规律如图5所示。01=0.034 2H+0.216 22=0.026 8H-0.117 83=0.021 6H 0.248 70=0.025H表3垂直应力6 3与自重应力的比值Table 3Ratio of vertical stress 3,to self weight stress n测点水平376 m中段-670 m中段-720 m中段埋深/m500YH/MPa12.50020/YH1.00表4最大主应力6 1与最小主应力6；的比值Table 4Ratio of maximum principal stress,tominimum principal stress 3测点水平-376 m中段-670m中段-720m中段埋深/m50001/631.7601/oh1.4001/oh0.793岩爆倾向性及岩爆等级分析3.1岩爆倾向性分析根据弹性变形能指数对北截矿区岩体岩爆倾向性进行分析15，弹性变形能指数可表达为式(5)。Wa=Ws/W(5)式中：Wa为弹性变形能指数；W为试样加载到单轴中国矿业115E117EN沧州38N辛集南宫：37N36N35N115E第32 卷119E121E烟台夕东营招远德州滨州济南淄博120117E图4山东地区地质构造略图Fig.4 Sketch map of tectonics in Shandong510300(1)400(2)(3)(4)79484421.0721.741.061.037948441.711.521.361.350.790.88123E38N人威海莱州潍坊/平度日照城市省边界断层应力解除最大水平主应力方向水压致裂最大水平主应力方向连云港震源机制解方向119E121E500600700800900tFig.5Regression curve of crustal stress with depth抗压强度的0.7 0.8 倍应力水平后卸载到单轴抗压强度的0.0 5倍应力水平时恢复的弹性应变能，单位J/m;W，为加卸载循环中试验产生塑性变形和微裂隙而消耗的能量，单位J/m。根据加卸载试验结果，对上盘、下盘、矿体这3处岩样的加卸载试验曲线进行分析，分别求取卸载曲线下的面积与加载、卸载曲线之间所围的面积之比，计算3处岩样的弹性变形能指数，计算结果见表5。由表5可以看出，上盘岩体试样的弹性变形能指数平均值为1.540，矿体试样的弹性变形能指数平均值为0.9 51,均小于2，可以认为该两处岩石不具有岩爆倾向性，而下盘岩体的弹性变形能指数平均值为2.0 6 0，判定下盘岩体试件有弱岩爆倾向性。37N36NOJ50100km123E应力值/MPa1520自重应力。线性（最大主应力）线性（中间主应力），线性（最小主应力）最大主应力中间主应力，最小主应力，2图5地应力随深度的回归曲线35N2530增刊1表5上下盘岩体及矿体试件弹性变形能指数测定数据Table 5 Measurement data of elastic deformation energyindex of upper and lower wall rock mass and岩体名称上盘下盘矿体3.2岩爆等级分析具有岩爆倾向性的岩体在特定应力环境中开挖扰动后才能发生岩爆，因此基于多种评价体系16-19 ，对北截矿区下盘和矿体岩爆等级进行预测分析。3.2.1岩石强度应力比法概述岩石强度应力比A定义为岩石饱和单轴抗压强度R，与最大主应力om的比值，其计算公式见式（6）。R,7轻微岩爆40mR,24中等岩爆0mA：1R2强烈岩爆0mR1Lom根据前文单轴抗压强度试验及现场地应力测量结果，得到岩体强度应力比与埋深之间的关系曲线，由图6 可知，在埋深110 0 m左右，岩石强度应力比A接近2，意味着可能开始比较普遍地存在岩爆风险。3.2.2基于Barton判据岩爆等级分析Barton判据B定义为岩石单轴抗压强度。与最大主应力1的比值，其计算公式见式（7）。200低地应力0m10200中等地应力B=5102.55轻微岩爆6m1.2依据应力集中系数判据标准，结合前文力学试(7)验及地应力测量结果，得到判据SCF与埋深之间的关系曲线，如图8 所示，在埋深130 0 m左右，应力集中系数即将达到0.9，意味着可能开始较普遍的存在高岩爆风险。从岩爆等级判据来看，岩石强度应力比法表明下盘埋深/m下盘埋深/m低风险中等风险3011-631.2高风险极高风险(8)3961.61.41.21.000.8S0.60.40.2010图8 SCF判据与埋深之间的关系曲线Fig.8Relationship curve between scf criterion andburial depth在埋深110 0 m以浅矿山即开始比较普遍地存在岩爆风险，判断结果较为保守；综合Barton判据和应力集中系数法，北截矿区在埋深130 0 m左右开始出现比较明显的岩爆风险，与现场实际情况比较相符，开采时需要加以注意加强对矿区开采过程的监测与控制。4结论1）矿区一37 6 m水平附近的最大主应力值约为17.8 4MPa，最大主应力方向为15.12，最大主应力倾角10.9 8，近水平；一6 7 0 m水平附近的最大主应力值约为2 7.2 9 MPa，最大主应力方向为13.8 6，最大主应力倾角7.8 9，近水平；一7 2 0 m水平附近的最大主应力值约为2 8.7 9 MPa，最大主应力方向为13.6 5，最大主应力倾角7.8 9，近水平。2）基于弹性变形能指数法进行分析，上盘岩体试样的弹性变形能指数平均值为1.540，矿体试样的弹性变形能指数平均值为0.9 51,均小于2,可以认为该两处岩石不具有岩爆倾向性，而下盘岩体的弹性变形能指数平均值为2.0 6 0，大于2，判定下盘岩体试件有岩爆倾向性。3）通过岩石强度应力比法、Barton判据、应力集中系数法对北截矿区下盘及矿体的岩爆等级进行分析，得到北截矿区下盘及矿体开始出现较明显的岩爆风险的临界深度分别约为埋深110 0 m、130 0 m、1 300 m。1赵红亮，周又和.深埋地下洞室断裂型岩爆机理的数值模拟J.爆炸与冲击，2 0 15,35（3）：343-349.ZHAO Hongliang,ZHOU Youhe.Numerical simulation offracture type rock burst mechanism in deep undergroundcavernsJJ.Explosion and Impact,2015,35(3):343-349.2 LI X,MA C.Experimental study of dynamic response andfailure behavior of rock under coupled static-dynamic loading中国矿业CJ/Proceedings of the ISRM International Symposium 3rdARMS.Rotterdam:Mill Press,2004.3江飞飞，周辉，刘畅，等.地下金属矿山岩爆研究进展及预测与下盘防治J.岩石力学与工程学报，2 0 19，38（5）：9 56-9 7 2.JIANG Feifei,ZHOU Hui,LIU Chang,et al.Research pro-gress,prediction and prevention of rockburst in undergroundmetal minesJJ.Journal of Rock Mechanics and Engineering,2019,38(5):956-972.4郭建强，赵青，王军保，等.基于弹性应变能岩爆倾向性评价方埋深/m法研究J.岩石力学与工程学报，2 0 15，34（9）：18 8 6-18 9 3.GUO Jianqiang,ZHAO Qing,WANG Junbao,et al.Researchon evaluation method of rock-burst tendency based on elasticstrain energyJ.Journal of Rock Mechanics and Engineer-ing,2015,34(9):1886-1893.5刘畅，覃敏，朱青凌.深井开采岩爆预测与防控措施研究J。福州大学学报（自然科学版），2 0 19，47（1)：113-117.LIU Chang,QIN Min,ZHU Qingling.Research on rock burstprediction and prevention measures in deep well miningJJ.Journal of Fuzhou University（Na t u r a l Sc i e n c e Ed i t i o n),2019,47(1):113-117.6 李准，苗勇刚，夏志远.深部矿山巷道岩爆倾向性预测及防治技术研究J.有色金属（矿山部分），2 0 2 1,7 3（3）：41-47，6 0.LI Zhun,MIAO Yonggang,XIA Zhiyuan.Research on predic-tion and prevention technology of rock burst tendency in deepmine tunnelsJJ.Non ferrous Metals(Mining Part),2021,73(3):41-47,607 李克钢，李明亮，秦庆词.基于改进综合赋权的岩爆倾向性评价方法研究J.岩石力学与工程学报，2 0 2 0，39（S1）：2 7 51-2 7 6 2.LI Kegang,LI Mingliang,QIN Qingci.Research on evaluationmethod of rockburst tendency based on improved comprehen-sive weightingJJ.Journal of Rock Mechanics and Engineer-ing,2020,39(S1):2751-2762.8 刘宁，张春生，单治钢，等.岩爆风险下深埋长大隧洞支护设计与工程实践J.岩石力学与工程学报，2 0 19，38（S1）：2 9 34-2 9 43.LIU Ning,ZHANG Chunsheng,SHAN Zhigang,et al.Engi-neering practice of support for long and deep buried tunnelunder rock burst riskJ.Chinese Journal of Rock Mechanicsand Engineering,2019,38(S1):2934-2943.9 WANG P,JIANGL S,ZHENG P Q,et al.Inducing modeanalysis of rock burst in fault-affected zone with a hard thickstratum occurrenceJJ.Environmental Earth Sciences,2019,78(15):467-479.1o HU L,FENG X T,XIAO Y X,et al.Effects of structuralplanes on rock burst position with respect to tunnel cross-sec-tions:a case study involving a railway tunnel in ChinaJJ.参考文献Bulletin of Engineering Geology and the Environment,2019(1):1-21.11高会春，杨胜利，刘新杰，等.空心包体地应力测试方法与工程应用J.煤炭工程，2 0 15，47（4）8 3-8 5，8 9.GAO Huichun,YANG Shengli,LIU Xinjie,et al.Test methodand engineering application of crustal stress of hollowinclusionJJ.Coal Engineering,2015,47(4):83-85,89.12 李鹏，郭奇峰，刘洪涛，等.山东地区现今地应力场特征与应第32 卷增刊1力积累水平分析J.岩石力学与工程学报，2 0 17，36（9）：2220-2231.LI Peng,GUO Qifeng,LIU Hongtao,et al.Analysis of cur-rent crustal stress field characteristics and stress accumulationlevel in Shandong ProvinceJJ.Journal of rock mechanics andEngineering,2017,36(9):2220-2231.13张强勇，陈旭光，林波，等.深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究J.岩石力学与工程学报，2 0 0 9，2 8（9）：1757-1766.ZHANG Qiangyong,CHEN Xuguang,LIN Bo,et al.Experi-mental study on three-dimensional geomechanical model ofzonal fracture of deep roadway surrounding rockJ.Journalof rock mechanics and Engineering,2009,28(9):1757-1766.14蔡美峰，乔兰，于波，等.金川二矿区深部地应力测量及其分布规律研究.岩石力学与工程学报，19 9 9，18（4）：46-50.CAI Meifeng,Qiao Lan,Yu Bo,et al.Measurement and distri-bution of deep crustal stress in Jinchuan No.2 miningareaJJ.Journal of Rock Mechanics and Engineering,1999,18(4):46-50.15KIDYBINSKI A.Bursting liability indices of coalJJ.Interna-tional Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences&Geo-mechanicsAbstracts,1981,18(4):295-304.16王钱款，邱士利，程瑶，等.基于GIS的深埋超长隧道岩爆等级评估方法J.中南大学学报（自然科学版），2 0 2 1，52（8）：*（上接第38 5页）【7 万仕明，潘泽，王立，等.机械化盘区下向分层进路胶结充填采5周礼.下向水平分层进路充填采矿法在某铜矿的应用J.黄矿法在阿舍勒铜矿的应用J.新疆有色金属，2 0 19，42（6）：金，2 0 19,40(10)：39-43.104-108.ZHOU Li.Application of downward horizontal slicing ap-WAN Shiming,PAN Ze,WANG Li,et al.Application ofproach and backfilling method in a copper mineJJ.GOLD,mechanized pinch downward stratified approach cementation2019,40(10):39-43.filling mining method in Ashel Copper MineJJ.Xinjiang6 门建兵，齐炎，任建平.下向进路胶结充填采矿法在某矿山的Youse Jinshu,2019,42(6):104-108.应用J.有色冶金设计与研究，2 0 19，40（3）：6-9.8马元磊.下向分层进路胶结充填采矿法在马庄铁矿的应用MEN Jianbing,QI Yan,REN Jianping.Application of down-J.山东冶金，2 0 15,37（4)：2 4-2 6.ward drift cementeol filling mining method in a copper mineMA Yuanlei.Application of mechanized panel downward sli-JJ.Nonferrous Metals Engineering&.Research,2019,40cing drift cut-and-fill stoping in Mazhuang iron oreJJ.Shan-(3):6-9.dong Metallurgy,2015,37(4):24-26.宋洪宇，等：北截金矿深部岩体岩爆倾向性与岩爆等级分析预测3972572-2587.WANG Qianqian,QIU Shili,CHENG Yao,et al.Evaluationmethod for rock burst level of deep buried ultra long tunnelsbased on GISJJ.Journal of Central South University(Natu-ral Science Edition),2021,52(8):2572-2587.17胡泉光，陈方明，宁光忠.CW-TOPSIS岩爆评判模型及应用J.山东大学学报（工学版），2 0 17，47（2）：2 0-2 5.HU Quanguang,CHEN Fangming,NING Guangzhong.CW-TOPSIS rock burst evaluation model and its applicationJJ.Journal of Shandong University(Engineering Edition),2017,47(2):20-25.18李利平，贾超，孙子正，等.深部重大工程灾害监测与防控技术研究现状及发展趋势J.中南大学学报（自然科学版），2 0 2 1，52(8):2539-2556.LI Liping,JIA Chao,SUN Zizheng,et al.Research status anddevelopment trends of deep major engineering disaster moni-toring and prevention technologyLJJ.Journal of Central SouthUniversity(Natural Science Edition),2021,52(8):2539-2556.19刘剑，周宗红,刘军，等.基于主成分分析和改进Bayes判别的岩爆等级预测J.采矿与岩层控制工程学报，2 0 2 2,4(5）：16-2 6.LIU Jian,ZHOU Zonghong,LIU Jun,et al.Prediction ofrock-burst grade based on principal component analysis andimproved Bayes discriminationJJ.Journal of Mining andRock control engineering,2022,4(5):16-26.