0 引言

随国民经济发展, 对金属材料需用量日益增加, 从而迫使冶金矿山生产规模及开采深度增大。当前我国冶金矿山开采深度大多为300~400m, 但已有些矿山开采深度远大于此, 如辽宁省抚顺红透山铜矿开采深度现已达1100m以上。江西一些钨矿的开采深度也较大。预计在本世纪内我国冶金矿山将有一批进入深部开采, 其深度在600~700m以上。

根据我国已闭坑的吉林省石咀子铜矿和南非、印度、加拿大、美国、俄罗斯等国一些开采深度超过600~700m矿山的生产经验, 在地层控制方面我们将面临比以往更大的困难。国内外大量地应力测量资料表明, 地应力状态是极不均匀的。在一般条件下, 原岩应力的垂直应力分量与深度成比例。但无论在大的区域或矿区, 从一个测点到另一个测点都可以发现主应力大小和方向有很大的变化。如加拿大对几个深矿井测定的垂直应力分量增加梯度为σ_v=0.0603MPa/m, 相关系数为0.98, 水平应力分量与垂直应力分量比σ_H/σ_v=251.68/H+1.14MPa, 水平应力分量增加梯度为σ_H=12.36MPa+0.0586MPa/m。从加拿大深矿井原岩应力量测资料看出, 随开采深度增大, 水平应力分量值增大。另外, 从某些深部开采矿山的岩石力学性质试验结果证明, 岩石强度指标随开采深度增大, 有下降趋势。在应力、强度两个因素的单独或综合作用下, 随开采深度增大, 各类巷道破坏显现频度及程度加剧(表 1)。

巷道破坏、矿柱倒塌、岩爆发生频度增加是深部开采地压活动的最明显特征。对矿山安全生产和开采经济效益有极其不利影响。

1 深部地压特征

深部地压与中、浅部地压活动不同, 表现为巷道或采场周围岩体在高应力作用下, 呈现瞬间脆性破坏, 骤然释放出在采动影响下蓄积于其中的弹性应变能, 犹如爆破引起的动力失稳破坏, 故称其为岩爆。由于有大量能量释放出来, 故而会有岩石、岩粉抛出, 发出犹如沉闷炮声的响声、劈裂声, 释放能量大时还会有气浪、震动, 并有呈透镜状(边缘薄中间厚)的岩片从巷道顶板或两帮以高速射下——弹射。

破坏的围岩表面可呈平整的爆裂面, 犹如受水平节理控制。发生岩爆地点的巷道帮或顶板可见有呈锅底状的凹坑, 其深度不大, 约5~25cm, 直径小于1m, 在采场可看见大的岩爆坑, 坑边缘呈阶梯状。

释放能量过大的灾害性岩爆可能造成大面积(阶段范围)巷道倒塌破坏, 并引起许多矿柱发生连锁式反应破坏, 导至矿井报废, 如1958年德国维尔钾盐矿区台尔曼矿, 就是因为发生岩爆而报废。

2 各国发生岩爆矿山简介

为便于了解金属矿山发生岩爆的条件与开采深度, 下面列举一些岩爆多发矿山, 以供分析。

南非威特沃特斯兰德金矿, 矿石为石英含金石英脉, 围岩为石英岩, 现开采深度为4000m, 是当前世界上最深矿井, 采用壁式采矿法, 首次发生岩爆的开采深度为600m。

印度科拉尔金矿, 矿石为含金石英脉, 围岩为角闪岩, 强度大为2.97×10²MPa, 弹性模量亦大为4.4×10⁴MPa, 首次发生岩爆的开采深度为320m。

加拿大安大略州萨德伯里巴辛镍铜矿, 上部采用分段崩落法, 下部采用充填采矿法。矿石强度高、弹性模量大, 弹性模量为8.7×10⁴MPa, 围岩为苏长岩、碧玉岩, 其弹性模量分别为9.3×10⁴和10.9×10⁴MPa。岩爆多发生于1200m深处。

美国密执安州莱克·苏必利尔铜矿, 首次发生岩爆开采深度为180m。开采深度达1200m时岩爆发生频繁。

美国爱德华州加利纳银铅矿, 采用充填采矿法。矿石为硫化矿, 围岩为石英岩, 强度高。首次发生岩爆开采深度为650m, 岩爆主要发生在采场上采到预留顶柱部位。

俄罗斯乌拉尔塔斯塔尔铁矿, 矿石为磁铁矿, 坚硬、弹性模量大, 为9.1×10⁴MPa, 围岩为石正长岩、石英斑岩, 强度高弹性模量为8×10⁴MPa, 采用强制崩落采矿法, 首次出现岩爆开采深度为300m。目前开采深度已达750m, 从1959年开始矿山已记录到530次不同强度岩爆。随开采深度增加岩爆发生频度及强度亦随之增加。由当地地震台记录到的个别震动和岩爆的能量达10⁸~10⁹J, 从1978年起岩爆不仅发生在巷道顶板和两帮, 而且也出现在巷道底板, 使底板岩石呈突然隆起状破坏。在40m长地段内轨道隆起幅度达0.7~0.8m。

塔斯塔戈尔铁矿生产实践证明, 爆破可能激发岩爆。另外还证明, 岩石移动带内围岩发生瞬间连锁式脆性破坏时, 会发生强烈岩爆。

从上面所列的资料看出, 发生岩爆的深度不一, 但大多数发生在60Om以上, 仅个别矿山受构造应力大的作用在浅部或中深部发生岩爆。发生岩爆矿山的共同特点是, 矿石与围岩都具有高的强度与弹性模量。

3 岩爆发生原因

矿床开采过程中, 在采动影响下导致发生岩爆因素很多, 因而说明其发生机制的观点也很多。总的讲, 自有资料记载的1738年英国锡矿第一次岩爆以来, 到目前人们对岩爆发生原因的研究可以说仍处于探索之中。分析岩爆发生机制时多采用强度理论, 冲击倾向理论, 能量理论, 刚度理论, 突变理论, 失稳理论等。这些理论都是从某个侧面说明岩爆发生条件, 尤其是近几年有人运用新发展起来的突变理论解释岩爆发生机制的尝试, 这表明岩爆发生机制问题日益引起更多人的关注。

强度理论没有明确的机理做依据, 只是根据现场或实验室所看到的一些现象, 认为岩爆是与岩石试样突然破坏有关的自然现象。可是地下围岩是处于一个复杂的地应力体系中, 它们的破坏方式不象实验室试件单向受力那样简单。在生产实践中我们会看到, 许多地下工程岩体的某些部位是处于强度极限后的变形状态, 但并未出现异常现象。这说明, 用强度理论做为判据有不足之处。

60年代中期, 库克等人在总结南非10多年研究岩爆与防治经验得出, 岩爆发生时有多余能量释放出来。这说明岩爆与开采过程中于工程岩体中蓄积的弹性应变能之间存在一定的关系。于是提出能量理论。但能量理论只说明发生岩爆时的必要条件, 还缺少说明发生岩爆的充分条件。

冲洲顷向理论以发生岩爆岩石的物理力学性质为基础, 根据于实验室测定的岩石某几个指标:弹性能量指数, 冲击能量指数, 冲击破坏时间等做为判别有否发生岩爆的依据(由于篇幅所限, 有关冲击倾向性指标内涵在此不做介绍)。事实上, 有冲击倾向性的岩石不是在任何条件下都会发生岩爆。所以该理论也只是说明了发生岩爆的另一个侧面, 只是说明发生岩爆的岩石自身条件, 即充分条件。

根据大量资料和现场观测知, 在同样开采的矿山地质条件下, 有的岩石会发生岩爆, 而有的岩石却无异常现象发生, 这说明岩爆发生与否与岩石性质有关。这从前面所列举的国外矿山实例可看出, 通常情况下, 发生岩爆的岩石都是新鲜完整, 质地坚硬, 性脆, 线弹性特征明显, 没有或很少有裂隙。具有这样特征的岩石属第二类岩石, 它们的应力应变全图如图 1所示。而那些属于第一类的松软裂隙发育的岩石(图 2)是不会发生岩爆的。这一观点已为诸多事例所证实。这就是发生岩爆的岩石自身的冲洲顷向性, 即充分条件。同时事实还告诉我们, 发生岩爆的部位往往是二次应力场中应力集中程度高的部位, 而且应力集中程度越高, 发生岩爆的强烈程度越大。这说明岩爆与应力大小有关, 换言之, 与开挖过程中于工程岩体中蓄积的弹性应变能的大小有关。为此, 我们认为导致岩爆发生的必要条件是能量条件或者说是应力条件。只有同时具备发生岩爆的充分条件(岩性)和必要条件(应力或能量), 岩爆才会发生。我们认为这一理论是对以往理论的概括、总结, 我们称之为综合理论, 可用下列关系式表达:

（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, 为充分条件, K_i为在实验室由岩样实验所得的冲击倾向性指标, K_i^*为发生岩爆的限定指标; (2)式为必要条件, 反映工程岩体中弹性应变能的蓄积量与能耗量关系, 式中U为某处蓄积的弹性应变能量, U^*为岩爆发生时临界能耗量。

在研究辽宁省抚顺红透山铜矿深部地压活功特征及规律时，应用这一理论对其深部矿岩有否发生岩爆可能性做了判别。在应用过程中, 我们认为采用我们提出的综合理沦分析判别有否发生岩爆, 较以前我们熟知的理论方便, 各项指标易于获得, 而且可以判别岩爆发生的具体位置。便于采取有效措施使岩爆危害降至最小程度。

4 红透山铜矿地压活动

红透山铜矿是我国当前开采深度最大的冶金矿山, 开采深度已达1100m。该矿属黄铁矿型脉状洞锌矿床, 产于古老变质片麻岩系中, 矿区所出露的岩石均属太古界鞍山群, 由花岗片麻岩、黑云母斜长片麻岩、角闪片麻岩等组成。矿区地质构造简单, 矿岩均比较坚硬, 其坚固性系数矿石为8~10, 围岩为10~14。岩体完整性系数RQD值大于78%。近矿围岩主要为黑云母斜长片麻岩、矽线石片麻岩。

由目前掌握的监测资料看到，从1978~1903年15年间几乎每年都有大的地压活动事件发生, 并且随开采深度增加，地压活动频度增大。深部残采采场同采接近顶柱时, 回采困难增大, 有岩石从采场顶板快速射落——弹射, 每班多达2~3次。由数值计算得知, 充填采矿法回采空间上、下盘二次应力场分布特点如图 3所示。从图 3可知, 当上采接近顶柱时, 作用于相应部位围岩中应力很大为3.5σ_v, 此时顶柱在上、下盘两侧较大的水平应力作用下, 顶板向临空方向发生拉伸应变, 当拉伸应变值满足-M/E(σ_H1+σ_H2)≥ε_l(ε_l为拉伸应变极限值)时，或满足-μ(σ_H1+σ_H2)≥ε_lE≥Sτ(Sτ岩石抗拉强度)时, 呈现受压环境的拉伸破坏。或出现在σ_H1和σ_H2共同作用下的剪切破坏, 发生冒顶。

此外, 1989年8月—707m水平开凿破碎机酮室时, 无任何前兆顶板突然冒落。

-527m水平以下各阶段掘进巷道时, 出现受应力控制破坏的动力失稳类型地压活动——岩爆。如1992年1月27日, -647m水平掘15线穿脉巷道时, 在与沿脉巷道交叉部位(图 4)发生岩爆。

-407m水平一采, 1992年9月, 也是无任何前兆顶板突然冒落, 冒落面积约100~200m², 厚30~40cm。

所列举的仅是近几年发生的地压活动的一小部分事例。从这几个事例我们可看出一些端倪, 异于我们在中、浅部掌握的地压活动规律, 地压发生前无任何前兆, 出现弹射, 冒落后采场顶板呈平裂面, 看不出受构造控制破坏的迹象。

5 红透山铜矿存在岩爆危险

为探讨红透山铜矿深部有否发生岩爆的可能, 我们与红透山铜矿合作进行了红透山铜矿深部矿岩发生岩爆倾向性的研究。从该矿-527m水平以岩芯钻采取岩样, 岩样岩种有:角闪斜长片麻岩、黑云母斜长片麻岩、矽线石片麻岩和辉绿岩、铜矿石, 于东北大学岩石力学试验室分别对各种岩样做了冲击倾向性试验, 所得结果列于表 2.

由于目前国内冶金矿山研究资料尚无, 为比较计, 将国内外煤炭系统所确定发生岩爆的岩石冲击倾向性指标列于表 3。

将所得结果(表 2)与表 3所列指标对比可见, 红透山铜矿深部矿岩岩性具有发生中等强度以上岩爆的倾向胜, 即该矿深部矿岩具有发生岩爆的充分条件, 有发生岩爆可能。但究竟在什么样的外部条件下发生还需要由应力条件或能量条件确定。

1984年，北京有色冶金设计研究总院在该矿做了原岩应力测定, 所得结果如图 5所示。从图看出-647m水平垂直应力相应为36.8MPa，水平应力σ_H为12.7MPa, 根据数值计算得出巷道周边最大切向应力为99.36MPa, 按目前在文献中能看到的只按应力条件判别有否发生岩爆的判别条件为:

式中σ_c为岩石极限强度。由数值计算得到的σ_l, 值均大于上述条件, 证明-647m水平掘进穿脉巷道时发生的地压活动属中等强度岩爆。

为进一步确定残采采场回采接近顶柱时, 所发生的顶板冒落也是岩爆, 我们采用有限元法对-527m水平采场做了数值计算。计算是在SIEMENS7570-C机上进行的, 并将结果在CALIOMP绘图仪上输出应力分布图形, 将其中对说明当前采场地压活动有重要意义的3/4h和h(h为采场高)的主应力分布图示于表 4及图 6。

根据数值计算结果所得采场周围岩体中应力值计算相应部位的弹性应变能值, 并将单向压缩试验破坏时的耗散能量值一并列于表 5。

计算结果表明, 当采场上采距顶柱10m时, 顶柱或顶柱与下盘围岩交接处, 单位体积岩体所蓄积的弹性应变能量小于单向压缩试验时破坏所需要的能量值5.07×10⁴J。因此, 可断定不会发生岩爆。但当上采推进到接近顶柱时, 从表 5得知, 此时采场下盘上角处弹性蓄能值大于岩石破坏时所需要的能量, 即5.54×10⁴J > 5.07×10⁴J。满足了发生岩爆所需要的能量条件。这样联系前面对岩性冲击倾向性的研究可知, 此时采场所处条件具备了发生岩爆的充分条件。事实上该采场于1992年1月钻孔时, 钻孔发生了喷出现象。结合前面论述及国外事例看出, 拥顶红透山铜矿当前已有岩爆发生, 只是这一事实还没有引起某些同志及领导的重视。这可能是把从中深部转向深部时, 出现的静动压并存现象, 误把当前出现的释放能量不大的中等岩爆及弱岩爆认为是平常的地压活动(静力引起地压活动)。