深埋硬岩矿床岩爆控制研究

岩石力学与工程学报 22(7)：1067～1071

2003年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2003

*

深埋硬岩矿床岩爆控制研究

唐礼忠 潘长良 谢学斌

(中南大学岩土力学与工程研究所 长沙 410083)

摘要 冬瓜山铜矿是我国开采的首家有岩爆倾向的深埋硬岩金属矿山，对此开展了岩爆控制研究。应用该矿床典型岩石的变形全过程试验及峰值荷载变形条件下的松弛试验等室内试验结果和现场岩爆调查资料，分析了该矿矿岩的岩爆倾向性和井巷岩爆特性，从岩爆控制角度，采用数值分析方法以能量释放率为衡量指标，对采场结构参数、开采步骤等进行了优化。在此基础上，提出该矿床开采采用控制能量释放、减少能量储存、合理支护和进行岩爆监测等岩爆控制的原则和措施。

关键词 采矿工程，深埋金属矿床，坚硬岩石，岩爆控制，特性，优化

分类号 TD 231.1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)07-1067-05

STUDY ON ROCKBURST CONTROL IN DEEP-SEATED

HARD ORE DEPOSIT

Tang Lizhong，Pan Changliang，Xie Xuebin

(Institute of Geomechanics and Engineering，Central South University， Changsha 410083 China)

Abstract Dongguashan Copper Mine is the first rockburst-prone deep-seated metal ore deposit in China where rockburst control study has been performed. The rockburst proneness of typical rocks of the deposit and the properties of rockbursts of the workings at the mine are analyzed with the results of laboratory tests，namely，tension tests，complete stress-strain tests and tests of stress relaxation under the deformation at peak load，and in-situ rockburst information recorded during the drifting of the development workings. The stope structure parameters and mining steps of the deposit are optimized with numerical simulation method based on energy release rates in order to control rockbursts of stope. On the basis of this study，the principles and measures of rockburst control in the course of the mining in the mine，that is，control of energy release，reduction of energy storage，rational support and rockburst monitoring，are provided and discussed.

Key words mining engineering，deep metal ore deposit，hard rock，rockburst control，property，optimization

其主要研究内容之一。该研究主要内容是：首先，对该矿床典型矿岩的岩爆倾向性进行分析，对井巷已发生的岩爆进行调查，结合试验结果，分析井巷

冬瓜山铜矿是铜陵有色金属公司狮子山铜矿的

岩爆特性；然后，采用数值方法对采矿工艺参数进行优化分析，在此基础上，提出岩爆的控制原则和防治措施。研究成果已用于防治该矿井巷岩爆，避免了井巷掘进中岩爆的危害，同时，研究结果为该矿采矿设计提供了理论依据，起到了重要的指导作

1 前 言

深部矿床，也是我国首家有岩爆倾向的深埋硬岩金属矿山，为了该矿的安全开采以及为我国今后深井矿床开采提供理论和经验，国家科委在九五期间立项对该矿山开采进行研究，其中，岩爆控制研究是

2001年10月22日收到初稿，2001年12月29日收到修改稿。 * 国家九五科技攻关课题资助项目(96-116-01-01-02)。

作者 唐礼忠 简介：男，39岁，现为博士研究生、中南大学教授，主要从事岩石力学室内试验和工程监测等方面的研究工作。

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用。

2 矿床地质条件

冬瓜山铜矿床所处大地构造为淮阳山字型构造前弧东翼、扬子准地台东北部下扬子台坳的繁昌—贵池断褶束的东部、不同构造体系的复合交接部位。主要矿体——I号矿体位于青山背斜的轴部，标高为－680～－1 000 m，大部分埋于－730 m以下，矿体走向35°，长1 820 m，水平投影宽度204～882 m，厚30～50 m，矿体中部厚度大，沿两翼及走向向外逐渐变薄并尖灭。该矿体严格受层位控制，以似层状产出，产状与围岩基本一致，与背斜形态相吻合(见图1)。矿体倾向随围岩产状分别向NW和SE倾斜，倾角约20°。矿体主要含铜矽卡岩、铜黄铁矿、铜磁黄铁矿、铜蛇纹石等。矿体底盘围岩为石炭系下统高丽山组的石英闪长岩，以砂岩和粉砂岩为主，其次为闪长岩和矽卡岩。矿体顶板以大理岩为主，其次为矽卡岩，再次为闪长玢岩。矿体的顶、底盘岩体节理裂隙不发育、强度高、无水溶现象。矿区原岩应力主方向近水平，与矿体走向一致，以构造应力为主，且原岩应力很高，如－730 m水平的原岩应力为：σ1=34.33 MPa，σ2=16.47 MPa，σ3= 13.84 MPa，其倾角分别为α1=6.37°，α2=44.30°，

α3=－44.90°，正号表示应力方向向下倾斜，负号

表示应力方向向上倾斜。

1—石炭系石英闪长岩 2—矽卡岩 3—矿体 4—黄龙组大理岩 5—栖霞组大理岩 6—孤峰组硅质灰岩和石榴子石矽卡岩 7—龙潭组粘土页岩和粉砂岩 8—大龙组硅质页岩和泥质硅质灰岩 9—殷坑组角岩夹大理岩和矽卡岩 10—闪长玢岩

图1 冬瓜山铜矿床典型剖面图(58线)

Fig.1 Typical profile of Dongguasan ore deposit(58th

exploration line)

3 矿岩岩爆倾向性评价

3.1 岩爆倾向性

对从岩爆发生断面上所采取的岩块和地质钻探岩芯进行了劈裂拉伸和单轴压缩条件下的荷载-变形全过程试验。试样包括该矿含矿岩石和上下盘围岩中的6种典型矿岩，即大理岩、矽卡岩、石榴子石矽卡岩、闪长玢岩、石英砂岩和粉砂岩，采用能量储耗指数k作为岩爆倾向性指标[1]。

岩石的抗压强度σc、

抗拉强度σt和能量储耗指数k都列于表1。由表1可见，岩石的抗压强度及其与抗拉强度的比值都非常高，说明这些岩石坚硬、脆性大。按k的大小，岩爆倾向性大小排序为：闪长玢岩、石英砂岩、粉砂岩、石榴子石矽卡岩、矽卡岩和大理岩。其中，矽卡岩、石榴子石矽卡岩和粉砂岩具有中等岩爆倾向，大理岩处于无岩爆倾向与中等岩爆倾向的范围，闪长玢岩和石英砂岩具有强岩爆倾向。可见，矿体和底板岩石都具有岩爆倾向性，矿体顶板因闪长玢岩分布很少，对顶板的岩爆倾向性影响很小，其岩爆倾向性不强，处于无岩爆倾向和中等岩爆倾向的范围。

表1 矿岩的抗压强度和抗拉强度及能量储耗系数 Table 1 Uniaxial compressive strength σc，tensile strength

σt，and energy accumulation-dissipation index k of

typical rocks

岩性 σt / MPa σc / MPa k 大理岩 6.8 78.30 20.1 粉砂岩 22.6 171.30 78.0 石榴子石矽卡岩13.0 128.60 68.0 矽卡岩 16.4 132.20 44.0 闪长玢岩 20.9 304.20 210.0 石英砂岩

17.7

237.20

134.0

3.2 岩爆倾向性属性

在荷载达峰值变形状态下进行了岩石的应力松弛试验。试验是在Instron电液伺服试验机上进行的。

根据岩石的变形-荷载曲线，当荷载达到峰值时改变控制模式，使变形保持不变，同时x-y函数记录仪改为时间-荷载坐标。试验结果发现松弛曲线可划分为两种不同的形式，如图2所示。一种情况是几乎不产生松弛过程，岩石试件全部崩裂无存，如图2(a)，说明这种岩石内部所储存的弹性变形能足以引起岩石发生猛烈的破坏，笔者定义这种岩石具有本源性

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岩爆倾向；另一种情况是发生松弛过程，岩石试件多次发生裂纹扩展的破裂声，基本上不发生崩裂，最后荷载趋近于一个定值即残余强度，如图2(b)，说明这种岩石内部所储存的弹性变形能不会导致岩石发生猛烈破坏，需要其他诱导因素才能使岩石发生猛烈破坏，故定义为诱导性岩爆倾向[2]。按此分类，上述冬瓜山矿床的6种岩石中，闪长玢岩具有本源性岩爆倾向，而其他岩石具有诱导性岩爆倾向。

(a) 闪长玢岩 (b) 粉砂岩

图2 峰值后岩石的两种典型松弛曲线

Fig.2 Two typical stress relaxation curves of rocks after peak

strength

4 井巷岩爆特征分析

该矿在开拓期间其井巷围岩发生了多起岩爆。第一次岩爆发生于1996年12月5日，至1999年底，已记录到10多次岩爆。从1997年初开始，笔者对该矿井巷岩爆及其特征展开了现场调查和总结。岩爆抛掷出的岩块呈片状，岩石弹射后在巷道壁面上多形成台阶盆形的凹坑，其上有明显的拉裂和剪断痕迹。有的岩爆发生于距离掌子面2～3 m范围，其发生时间多在放炮后不超过一个班的时间内；也有岩爆发生在围岩已经支护以后的情况；还有的岩爆发生在工程的交叉或交接处附近以及在不同岩层的接触带附近的较坚硬岩体中，如1999年3～5月，－790 m斜坡道与运输巷道交汇处施工期间发生的岩爆，1999年5月6日，－875 m水平水仓施工过程中，在巷道直角拐弯处顶板发生的岩爆，以及1997年1月17日在冬瓜山－730 m中段井下掘进时，北东部井下6 m左右处在灰白色和深灰色两种石英砂岩的接触带中较坚硬的深灰色石英砂岩中发生的岩爆。这些性质与一些高应力隧道岩爆的发生特征类似[3]。发生的原因可能是由于工程交汇处和不同岩石接触带较硬的岩层，应力相对集中，岩石受到高应力的作用而发生岩爆。

从工程施工来看，在放炮后不久就发生岩爆的

巷道凿岩部位，在发生岩爆之前，工人在施工时明显感到打眼和爆破都比其他地方容易，而且爆破块度质量更好。

由于该矿巷道现已发生的岩爆表现为从巷道壁上呈层弹射，为了分析其成因，文[4，5]对岩爆岩石断口进行了电镜扫描分析。试验发现，洞壁表面岩石弹射型岩爆破坏机理多为张拉脆性断裂，属于一种低能量吸收断裂形式。从裂纹扩展到岩石弹离洞壁可分为形成板状结构、岩板屈曲断裂和岩爆岩块的弹射3个阶段，这与文[6]提出的岩爆断裂机理模型是一致的。

5 矿床开采设计优化

南非金矿岩爆事例表明，岩爆发生频度及造成的损失与矿山平均能量释放率之间存在明显的相关关系，平均能量释放率越大，岩爆发生的频度越高，造成的损失也越大[7]。因此，以围岩的平均能量释放率作为评价指标，根据岩爆倾向矿床采场结构参数优化方法[8～12]，对冬瓜山深井开采不同设计开采方案进行了数值模拟研究和比较分析。在回采过程的动态计算中，某一具体开挖步骤围岩释放的能量的有限元数值计算形式为

u12∑n

∞=(fixΔix+fiyΔiy+fizΔiz)

i=1

(i=1，2，3，…，n) (1)

式中：fix，fiy，fiz为开挖表面上节点释放荷载等效节点力；Δix，Δiy，Δiz为开挖表面上节点的诱发位移增量；n为开挖表面节点总数。 5.1 采场结构参数优化

冬瓜山铜矿深部开采拟采用阶段空场嗣后充填法，采场分矿房、矿柱两步骤回采。设计采场沿矿体走向布置，采场高度即为矿体厚度。这样可改变的采场结构参数为矿房长度、矿房宽度和矿柱宽度。根据矿体赋存条件、设计生产能力和拟采用的采掘生产设备的约束，在确定试验方案时，选取的矿房长为45，60和75 m，矿房、矿柱的宽度均为10，

15和20 m。数值模拟试验的目的是考查由于矿房长、宽和矿柱宽3个因素不同组合条件下围岩能量释放情况，并由此确定最优的采场结构参数。为此，采用了正交设计原理来安排模拟试验，基本数值模型包括2个矿房、1个矿柱共3个空间采场，采场高度取矿体平均厚度40 m。试验方案中回采步骤和充填料相同。

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试验结果表明，采场结构参数组合不同，围岩能量释放情况明显各异，从而岩爆发生的几率也不一样。矿房的长度对试验指标影响最为显著，矿柱宽度影响次之，矿房宽度影响最小。在拟定的方案组合中，最佳的采场结构参数组合为矿房长75 m，宽10 m，矿柱宽度10 m。 5.2 开挖步骤对岩爆的影响

数值模型研究对象选定为冬瓜山矿床－730 m水平52勘探线试采区附近的矿体。试验目的是考察不同开挖回采次数对围岩能量释放与岩爆控制的影响，试验方案考虑了单采场的开挖情况。共设计了

4个试验方案：(1) 整个采场1次形成(这在实际工作中不可能实现，仅作方案比较用)；(2) 在采场高度方向上分2步回采，第1步回采16 m，第2步回采24 m；(3) 在采场垂直方向上分3步回采，第1步回采8 m，第2步和第3步均回采16 m；(4) 在采场高度方向上分5次回采，每次崩矿高度为8 m。

4个试验方案平均能量释放率见表2。

表2 不同开挖步骤方案平均能量释放率

Table 2 Average energy release rates for various mining

steps

方案号

平均能量释放率/kJ·m－

3

1 16.09 2 14.09

3 13.25

4 11.92

由表2试验结果可知：开挖次数不同，释放的总能量和平均能量释放率都不同。开挖的步骤越多，围岩平均能量释放率越低。若设1次形成采场方案的平均能量释放率为1，则分2，3，5步开挖形成采场方案的平均能量释放率与之相比分别为0.875，

0.82和0.74，相应减少12.5%，18%和26%。

6 岩爆控制措施

提出以减少能量储存、控制能量释放、采用合理的支护和矿床岩爆监测4个方面来控制岩爆。为了减少能量储存，根据该矿床的岩体构造和原岩应力特征，开采顺序为，在垂直矿体走向方向上，由背斜轴部向两翼进行回采；在沿矿体走向方向上，由厚度大的部位向两端进行回采。采场长轴和坑道走向与矿体走向一致，减少坑道交汇，让采场和坑道处于较好的受力状态，尽可能不留矿柱。

控制能量释放实际上是降低能量释放率，是岩爆控制的有效途径。对采场结构参数和开挖方式，可采用如下措施：

(1) 采用合理的采场结构参数组合。由于矿房的长度对能量释放率的影响最为显著，因此，应特别注意选取适当的矿房长度。在拟定的方案组合中，最佳的采场结构参数组合为矿房长45 m，宽10 m，矿柱宽度10 m。

(2) 小断面开挖、分断面或分步开挖方式回采，控制开挖进度，可使应变能得到逐步释放，减少一次开挖释放的能量。

(3) 控制闪长玢岩中巷道一次开挖量，以降低能量储存和释放。

支护方式应遵循控制能量释放的原则。对因巷道本身掘进引起的发生在作业面附近的岩爆，只有采用超前支护或松动爆破技术才能起到防治岩爆的作用。对因附近巷道或采场作业的扰动引发的岩爆，可在巷道开挖后采用适当的支护方式来加以控制。根据围岩与支护的相互作用原理[13]，采用刚度较小的柔性支护。由于该矿岩体坚硬，其破坏的总变形量不大，要使较大范围的围岩中的能量得到释放，需要允许部分围岩发生破坏，支护结构既要能使围岩在控制的条件下逐步破坏，又要能够支撑破坏的岩块。采用摩擦式锚杆(如管缝式锚杆)或锥形锚杆

加钢筋网(钢纤维)的喷锚支护可以满足这种支护要求[14，15]。 鉴于该矿目前尚处于基建期间，只进行了前期工作。在该矿井巷岩爆现场调查期间，建立了一套安全生产管理规程，进行了岩爆知识的教育和防灾管理。自1997年开始采取这些措施以来，虽发生了

10多次岩爆，但未造成任何人员伤亡事故。对于今后大规模回采，提出采用以微震监测系统为主，短周期地震监测系统和便携式声发射仪为辅，作为岩爆监测系统。该监测系统需满足能够监控整个矿山开采活动引起的岩体应力活动，进行长期连续监测，确定区域性岩爆危险区以及对较小区域和局部位置实现短期预报等总体要求。根据该矿现场岩爆调查的经验，必须加强对井下职工的岩爆知识教育，有效利用井下职工对岩爆现象和特征的日常描述，并以此作为岩爆预测的重要信息。

7 结 语

笔者对冬瓜山铜矿床岩爆进行了室内试验、数

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值分析以及现场岩爆研究，部分研究结果已用在该矿的采矿设计之中。由于该矿还未进行回采工作，因此，这里提出的岩爆控制原则和措施尚有待在实际的开采实践中进一步检验和改进。

9 8

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Heunis R. The development of rock-burst control strategies for South

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