江西钨矿具有悠久的开采历史。尤其是建国后的三十多年来, 由于生产规模不断扩大, 产量日渐增加, 采掘水平一般都已下降到深部的位置。这种生产标高的变化给有的矿山带来了新的或者说浅部罕见的地压威胁, 如岩突声响, 应力所致的微裂隙增多, 地应力变大等。这些因素的质变升级可能导致岩爆, 产生“应力型”的地压新灾害, 我们必须高度重视, 加强研究, 防止后患。

在矿山建设中, 国内外矿山都结合岩石力学问题, 把岩爆技术研究看作是深部矿井安全回收资源的有效途径, 并应用岩体声、音以及微震等监测技术指导生产、控制岩爆均取得了令人满意的效果。

一 岩爆研究的沿革及其现状

岩爆是指在矿井频繁发生, 且为坑道的毁坏而引起的高应力所致的猛烈破坏现象。它不仅发生在金属矿山, 非金属矿山也不少见, 多见于金属矿山的深部生产水平。

岩爆研究始于上世纪末或本世纪初。位于印度苔宾里夫矿采场中记录到的和捷克Brezove Hoty地区矿山的岩爆都属早期的实证之一。类似的破坏在加拿大的Sudbury镍矿, 印度的kolar金矿, 美国的锌矿和苏联的铝土矿也有记载。我国最大岩爆要算刀柱法采煤所产生的了。

1908~1910年在南非的约翰内斯堡, 首先用记录、分析地震活动的方法, 对与采矿影响相关的岩石破坏进行研究。结果认为, 岩爆与地震有多方面的类似性, 地震研究中所得到的结论可直接用于岩爆控制研究。

1946年, 由Cane等人建立在金矿等矿山中的观测系统得到了与地震之间的直接关票, 提出了爆破是引起震动的重要原因的看法。然后又从大量数据的分析研究中得出震源靠近采矿活动处的结论。50年代以来, 有地表和井下控制线所组成的综合观测网开始在现场设立, 并对岩爆实行监测。

从本世纪60年代起, Cok等人在地下利用三维地震仪观测的办法, 研究了2500米深处采矿工作面的地震活动情况。南非一些深部矿山建起了能监测岩爆发生全过程的监测系统。

70年代中, 研究内容已从单一问题的探讨上深化到揭示采矿、地质、地震以及生产安全之间的复杂的相互制约的关系上来。研究中主要应用了岩体应力测量和岩体声、音、微震监听等新技术。

今天, 无论是岩爆机理研究还是监控技术都有了大的发展。对4000米深的岩爆不仅可以预测, 而且可以用高分辩率的拾震仪记录来分析和研究地层的震动情况, 使震源方位的计算精确到几米的范围。

从发展趋势来看, 监测技术在向遥控化迈进, 理论与实践相结合的研究队伍将有多科学人员组成, 也就是说需要地震、岩石力学、地质、采矿和计算机等专门人才的通力协作。室内试验中则要广泛开展对岩石(体)特性及其应力、应变特征等内容的研究, 最后在综合分析基础上深化对实际问题的认识。

二 岩爆原因及其分析

在岩爆研究的初期阶段, 从岩体震度分析的角度上, 认识到爆破是诱发岩爆的主要原因, 提出了生产强度大小直接影响到岩层震动强弱的看法, 得出了震源靠近采矿作业频繁带的结论。

在研究工作深入后, 对测震分析可达到定量描述的程度。COK等人指出, 采矿可引起地震幅射的能量为10^-5焦耳到10⁹焦耳, 频率为1~1000赫芝, 其量级与距震源距离成反比。

人们从研究统计资料后发现, 岩爆总是发生在地质条件和矿山生产伎术按一定方式相结合的情况下。因此, 可把岩爆产生归纳为自然和人为两大原因。

自然原因中, 主要指岩体地质因素。包括:有用矿物的强度和弹性指标, 矿体接触顶、底板的岩层性态; 各种构造产状及影响程度; 岩体靠正断层和褶曲轴部的应力及状态改变情况, 岩体稳定性等等。在岩脉和软弱结构、断层处, 尤其是交汇部位应力梯度明显增高, 强烈的地震波沿岩脉和断层带发生。在围岩强度比矿脉强度低许多, 而且巨大的残留构造应力存在, 水平应力分量远高于垂直应力分量的情况下, 猛烈岩爆将可产生。不少矿山的岩爆往往发生在断层或坚硬岩脉之中, 如印度的科拉金矿岩爆就是在上述地质背景下发生的。

在人为技术原因中, 主要指采矿技术因素的影响。例如由于开采有用矿物留下的矿柱和形成的各种空场; 相邻矿脉矿柱下的开采作业, 矿房式、同向追随式工作面开采, 回收高应力矿柱以及地下工程的爆破震动等。

位于采区周围的岩体由于应力不断聚集, 起到了贮能库的作用。当支点带、残矿柱等支护结构系的载荷和应力状态变化失调, 超过强度而破坏所释放的能量小于岩体所贮存的能量时, 就可能出现岩爆, 如南非CARLETONVRLLE矿的岩爆, 90%是发生在距采矿工作面百米远的地段。

采深越大, 岩体可积累的变形能相应增加, 岩体应力值也增大。江西钨矿中有的矿山下部中段水平应力值高达29.3MPa, 是浅部的3~5倍。国外矿山中深部矿井岩爆几乎占总数的一半。

三 岩爆的监测与预报

早期的岩爆监测系统是分散的单一式的, 是采用以单波道测震分析为主的方法来判断岩体震动中震源和震级大小。中期研究中开始从局部性向区域性扩展, 并以综合性测试网络来研究矿井全过程的起震情况。60年代可借助各种波道的微震仪器来进行测震分析。随着电子和信息处理技术的发展, 计算机在岩爆研究中得到广泛应用。当今能够利用多达24个波道的微震装置和地音监测处理技术相结合, 构成自动监测网, 对岩体性态变化、岩爆等进行连续监测与预报。门头沟煤矿采用波兰进口的SAK地音监测系统和SYLOK微震定位技术对工作面危险状态进行预测预报, 为矿山安全生产做出了较大贡献。铜官山铜矿正引进设备, 以建立岩层控制条件下的监测系统, 为矿井生产服务。

根据国内外情况归纳, 岩爆监测系统一般能对如下内容进行监测。

1.收敛率监测。主要用于测定采场两壁或沿脉巷道两壁的收敛量, 以研究收敛量与岩爆的相关性, 认识岩体变形性态改变规律。一般认为在岩爆前数天内, 收敛率往往明显上升, 其收敛速度比正常值高2~16倍。

2.地震活动性监测。为了研究一个相对小的区域的小型活动, 并较精确地确定震源位置, 可用多个地音仪探头组成测定网对地面井下实行监测, 其覆盖面积可达18平方公里。地音仪所拾取的信号通过架空电缆直抢送到记录仪器上, 远程信号则经脉相调制后输送到记录站。这种监测系统, 能够吸收和鉴别来自危险区传出的低能量的震动信号, 并在岩爆前向人们预报。从印度kola金矿所测的3500次和南非西部金矿1200次信号统计得出, 其中15‰为破坏性岩爆信号。对破坏性信号产生点的确定, 精度很高, 与实际清况相比误差只有20~25米。

3.微震活动性监测。在局部性的微震监测中, 如对矿脉、断层等部位的微震活动性监测, 其目的也在于早期预报岩爆。

高精度的微震监测网能捕捉到万分之一伏特的微弱信号。一个由电子计算机控制的监测系统, 能快速而准确地评价矿山工作安全程度。许多实例丧明, 微震频率以3000~4000次/小时的速度上升时, 可能有较大的岩爆发生。

4.岩体应力测量。岩体应力测量是当前一种唯一能够定量确定被测地点的岩体应力状态的方法。它可以查明岩体不同部位的应力特征及其变化情况; 圈定出因采矿或构造引起的应力集中程度或水平应力明显增高的部位。这样, 我们就能在岩体应力未达到极限状态和积累的弹性应变能未达到矿岩脆性破坏而猛烈释放的量级前, 采取措施来减少岩爆的发生。

赣州有色冶金研究所在江西钨矿深部的岩体应力测量中, 多次获得“园饼”状或“短柱”状岩芯及其产出点的偏高应力值。这对于我们进一步认识钨矿山深部应力的分布规律及特征具有重要意义。

我们通过对“园饼”状岩芯测点所得结果的计算分祈, 为“应力型”地压灾害的预防措施的制定提供了实测依据, 使岩体应力测量技术与矿山生产紧密地结合起来。“园饼”状岩芯如附图所示。

实践证明, 凭借对现场情况的宏观了解和丰富的实际经验, 利用岩体微小破碎加剧, 岩裂声响猛增以及小碎岩块弹射等各种征兆来判断深部地压显现, 预测岩爆的可能性也具有重要意义。

四 岩爆灾害及其控制方法

岩爆是矿山深井开采水平的可怕灾害。一次大的岩爆相当于里氏地震5.2级的破坏威力, 除影响井下生产安全外还可波及地表, 使2~3公里外的房屋受损。南非金矿因深井水平岩爆而减产20%, 同时还有人员伤亡和设备的毁坏。

岩爆控制的基本原则应该是控制岩体应力状态的极端恶化。就是说要释放母岩中的危险应力, 改变其力学性质。由于岩爆多见于高应力作用下的脆性岩体中, 所以提高岩体的塑性变形能力十分有效。

为达到控制岩爆的目的, 我们可从以下几方面内容入手:

1.矿井工程的合理设计与施工。依据岩体应力的分布状态, 使井下主要开拓、采准巷道的定位长轴线与第一主应力方向一致, 当母岩中存在着远远超过重应力的大构造应力时, 主巷要与构造力同向, 以使周边的正应力分量沿巷道周边均匀分布; 碰到不利情况时, 可采用园形、帐蓬形或可以稳定动压力的多边形巷道来达到使岩休稳定的目的。

对同向工作面的超前或滞后的尺度要求, 应以不产生严重应力迭加为宜。在有危险地段掘进时, 最好采用快速升压的浓压装置来适用强化掘进工作面围岩应力迅速增长的需要。矿山的井筒延深最好在下盘巾掘进, 同时采用保安措施。脉外巷道的掘进, 应滞后于采矿掌子面并在其后的应力降低区内进行。

2.确定合理的回采方法和顺序。从控制岩爆的角度上说, 好的开采系统要求不在工作面前方的矿脉中掘进巷道。所以, 一般认为, 前进式开采系统较为理想。

根据不同的矿床和围岩性质, 选取合理的回采方法很重要。对缓倾斜矿床来说, 超前开采保护层, 使有岩爆危险的矿层处在应力降低带内被安全回采。在柱式采矿中, 如何科学地确定矿柱尺寸将是能否有效控制岩爆的关键。南非某金矿深部开采时, 改空场法为长壁法收到控制岩爆的显著效果, 就是这个道理。

3.调整围岩应力, 改变岩休力学性态。采用卸载技术, 使岩体中的高应力得到释放, 可对岩爆起到控制。要实现回采工作区卸载, 可利用能压溃的矿柱(柔性矿柱), 以降低附近岩体中的应力。民主德国利用爆破、松动卸压在钾盐矿床的开采中获得显著效果。我国煤矿高压注水软化岩层对控制冲击地压起到了重要作用。

松动爆破之所以能控制岩爆, 是由于当母岩产生松动和裂隙时, 应力集中程度降低而岩体应力得到调整。支承压力带将转到处于有利的三向应力状态的深部岩体。

4.合理进行残柱回收。矿柱回收应从低应力向高应力地段进行。绝不允许在回采工作面的影响带内回采残柱。对长而窄的残柱先回采短边, 以形成较安全的工程体形状, 成组矿柱应从顶部向下顺序回采。

此外, 加强生产借理、及时处理空区或改善支护形式同样对撞制岩爆有重要作用。

五 结语

事实告诉人们, 岩爆虽是令人生畏的矿井灾害, 但只要重视和加强对岩爆的监测、预报和控制, 就可使灾害降低到最小的程度。许多矿山由于利用监控技术对岩爆进行预报和控制, 结果深部岩爆显著减少。

我们要开采地下宝藏, 特别是要最大限度地回收地下深处的矿产资源, 不仅要发展采矿技术而且要加强与岩石力学等各学科的紧密结合。岩爆研究及其监控技术有利于对矿山岩爆的分析与控制, 无疑也是矿山进行安全的大规模的超深度开采的保证。

对于深井生产水平不断增多的矿山, 在加强岩石力学与采矿技术之间紧密结合的同时, 还要特别重视通过对新地压现象的监测与研究来预报和控制岩爆, 吸取在300~600米采深受到岩爆威胁的教训。

在岩爆的研究中, 要确定岩爆与开采参数(开采深度、爆破序列、工作面推进速度、工作面与采场布置、采场宽度与支撑方法)之问的关系; 确定岩爆与岩脉、断层节理以及总的矿山地层学之间的关票。还要结合有关的室内理论研究, 以最终寻求针对措施来控制岩爆, 减少“应力型”地压所造成的灾害。