地下金属矿山岩爆研究进展及预测与防治

随着开采深度的增加,矿岩条件与开采环境的恶化,岩爆越来越成为地下金属矿山开采过程中难以避免且频繁发生的动力灾害。在对国内外地下金属矿山岩爆发生现状、影响因素、典型特征、类型与等级、孕育发生过程等全面综述的基础上,探讨、分析井巷和采场岩爆的预测与防治技术。结果表明:(1)世界范围内大体上可划分为6个岩爆区,目前我国有20余座地下金属矿山已经发生或正在经历岩爆灾害,且主要自东北至西南近海岸线一侧呈"S"型分布,近30 a来发生岩爆的矿山数量呈递增趋势;(2)地下金属矿山岩爆影响因素可划分为3类:I类(内在决定因素)、II类(外在诱发因素)、III类(加剧因素),各类因素之间既相互独立又相互影响;(3)基于工程类型,可划分为井巷岩爆和采场岩爆两类,其中,井巷岩爆工程防护总体应遵循"主被动支护相结合、刚柔性支护相结合、单一支护向多方法协调支护转变"的基本原则,而采场岩爆的防治尚处于研究探索阶段,分析认为其防治可从采矿方法与工艺、采场布置及开采顺序等方面开展工作,充填采矿法是解决深井开采岩爆等地压灾害问题的主要方向和趋势;(4)地下金属矿山岩爆的防治应贯穿整个开采全过程,建立长效的监测与反馈机制和形成相应的行业技术规范是该领域的迫切需求。最后,探讨、分析了地下金属矿山岩爆相关研究面临的难题和今后的重点研究内容,可为该工程领域岩爆防治体系的建立及采矿工程设计研究提供参考。     

隧道建设中岩爆灾害的形成与防治

全面分析岩爆灾害影响因素,给出各种岩爆影响因素的影响程度权值,对各种因素的重要性进行评价为岩爆灾害评价提供一种新的综合预测和评价方法通过对设计阶段施工阶段防治措施研究,获知选线时应尽量避开岩爆高低应力集中地区,通过一些方法来防治隧道中的岩爆灾害。     

基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究

高地应力诱发的岩爆灾害是目前深部地下工程经常遇到的工程地质问题。现场地应力测量是岩爆预测的重要前提,根据三山岛金矿深部测量和岩体赋存状况的特点,优化应力解除测量技术并在矿区深部进行现场实测。提出采场岩爆发生的2个必要条件,即岩石具备储备高应变能的特性和采场具备高应变能积聚的应力环境。基于地应力实测与岩石力学室内试验结果,采用多准则判据对矿区深部发生岩爆的倾向性做出定性分析与评价。FLAC3D数值模拟分析揭示深部开采引起的采场围岩能量积聚、分布状况及变化规律。首次采用地震学的知识,对三山岛金矿未来深部开采过程中可能诱发岩爆的地点和级别做出预测。研究成果为深部地下工程岩爆的预测、预报提供新的思路和途径。     

深部硬岩矿山岩爆的动静组合加载力学机制与动力判据

深部开采是硬岩矿山未来发展的必由之路。深部开采中经常遭遇的岩爆灾害是硬岩矿山未来发展过程中必须要解决的关键科学问题之一。针对岩爆机制这一世界性科学难题,从深部围岩储能特性、高应力赋存环境和开采受力全路径进行科学分析,发现其本质上属于硬岩介质承受"静应力+动力扰动"的动静组合加载力学问题。根据这一思路,在广泛收集国内外典型岩爆案例的基础上,分析了孕育岩爆的"完整弹脆性岩体+高地应力+动力扰动"等必要条件,进一步阐述了深部硬岩矿山岩爆的动静组合力学机制和最近的研究进展。具体研究中,利用硬岩材料,一方面从"静应力+卸载扰动"和"静应力+加载扰动"这2个方面研究了岩爆的力学机制,另一方面在考虑深部工程开挖空间结构效应的基础上,从"静应力+应力调整"和"静应力+动力扰动"这2个方面考察了深部圆形洞室洞壁围岩发生应变型岩爆的破坏特性,分别阐明了不同类型的动静组合加载力学机制。在此基础上,提出了基于动静能量指数的岩爆动力判据和控制思路,岩爆发生的静力和动力组合作用加载的深入研究,为岩爆机制探索提供了新思路和新方法。     

深井岩爆微震监测预警与防治成套技术研究

为了研究深井回采过程中岩爆危险性实时监测预警的可能性和有效防护技术,以三山岛金矿深部试验采场为工程背景,首先,基于三维微震监测技术,对微震事件的"时、空、强"分布特征进行分析,得到微震活动率、能量释放率、连续性指数与日单事件平均能量"四位一体"的岩爆评价指标,确定岩爆可能发生的时间范围及危害程度;其次,通过微震三维定位技术,对可能发生岩爆灾害的危险区域进行圈定,确定岩爆可能发生的空间范围,成功地预测了两段轻微岩爆发生时期及具体发生位置;最后,通过采用高应力卸荷技术和柔性支护技术相结合的岩爆防治措施,将高应力进行阻隔和转移。事实证明:通过合理的岩爆监测手段,采取有效的岩爆防治措施,可以保证深部采场的安全开采。     

时滞型岩爆破坏特性研究综述

随着地下工程不断地向着深部发展,岩爆地质灾害逐渐增多。国内外的学者就滞后型岩爆发生的机理及灾害预警进行了大量的试验研究,并利用超声波、电阻率等方法来探究滞后型岩爆的发生规律,以达到安全施工的目的。随着数值模拟软件的不断成熟,利用数值软件对深部硬岩开采过程进行模拟并与试验结果进行对比来解释滞后岩爆发生的机制,是当前深部硬岩岩爆问题研究的趋势。总结了近年来国内外有关深部硬岩损伤破坏的滞后效应研究进展和发展趋势,并提出了建议。     

基于粒子群优化的PLS-LCF岩爆灾害预测模型研究

岩爆灾害的预测是一个复杂的系统性问题,有必要全面综合考虑影响岩爆发生的各种因素,但当考虑变量较多时,变量间存在的多重共线性会影响分析的客观性。为了消除这种不利影响,更好地预测岩爆灾害,利用偏最小二乘法对影响岩爆的因素进行分析,提取一个对因变量解释性最强的新综合变量,较好地克服了变量间的多重共线性,并采用逻辑曲线函数表达新成分与岩爆等级之间的非线性关系,通过具有全局寻优性能的粒子群算法对函数参数优化求解,进而建立岩爆灾害预测的粒子群优化PLS-LCF模型。对模型所进行的测试显示其良好的精度,将其应用到实际工程的岩爆预测当中,分析结果与实际情况吻合较好,表明该模型在岩爆灾害预测中具有可行性与有效性。     

深埋硬岩矿床岩爆控制研究

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。     

玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测

 玲珑金矿是石英脉型金矿床, 目前开采深度已超过500m , 未来开采深度将超过1 000m。对此类矿床赋存条件的地下矿山, 深部开采时可能遇到的一个突出问题就是岩爆。根据系统的工程地质调查、地应力场现场实测、岩石力学试验、三维有限元数值模拟的结果, 采用多种岩爆判断准则, 分析了玲珑金矿深部开采时围岩中的能量分布规律和发生岩爆的可能性, 提出了防治岩爆的建议措施。     

地下采矿活动对危岩形成过程的影响研究

采矿活动对危岩体崩塌的影响主要体现在两个方面,一是炮采和岩爆的影响,二是采空区的作用。炮采和岩爆引起的惯性力使得危岩体下滑力增加,采空区则引起岩体内部应力重分布,使得主控结构面进一步加宽加深,结构面抗剪强度降低。随着开采程度的加大以及降雨等作用,最终发生崩塌灾害。     

某煤矿岩巷不同爆破方式振动特性研究

通过对煤矿坚硬岩石巷道爆破振动监测,基于萨道夫斯基公式,回归得到巷道掘进爆破和深孔松动爆破振动速度衰减规律,并采用小波包变换和HHT变换对两种爆破方式的地震波能量分布特征进行了对比分析。研究结果表明:在试验煤矿深部地层中,采用浅孔和分散装药的巷道掘进爆破地震波主振频率高,主要集中在150~250 Hz;集中装药的深孔松动爆破地震波主振频率低,集中在40~80 Hz;硬岩中巷道掘进爆破振动速度衰减规律符合软岩特征,而深孔松动爆破与硬岩一致,深孔爆破试验起爆药量没有超出允许单段最大装药量;低频区爆破地震波能量少,巷道掘进爆破地震波能量主要集中在128~277 Hz,深孔松动爆破地震波能量主要集中在32~64 Hz;深孔松动爆破地震波主振频率峰值能量大,是巷道掘进爆破的320倍。     

深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留巷强制放顶中的应用

 为防止深井坚硬顶板沿空留巷的充填墙体在顶板垮落时被压坏,特采取深孔爆破强制放顶来释放顶板压力以提高沿空留巷的护巷效果。通过数值模拟和理论分析的方法,阐述深孔爆破强制放顶的卸压机制。炸药在坚硬岩体中爆破,爆破孔周边的岩体受爆轰应力波作用产生大量裂隙并发生大幅度位移,使爆破孔周围的应力重新分布,厚层顶板垮落,降低了巷旁充填墙体的附加载荷,从而起到护巷作用。最后,在潘一矿东区1252(1)工作面进行超前深孔爆破强制放顶的现场应用,在经历工作面回采和充填留巷稳定阶段后,墙体整体维护效果良好,对类似条件下沿空留巷强制放顶具有很好的借鉴意义。     

硬岩深孔爆破破坏范围地震波CT测试

硬岩巷道掘进工作效率受岩石硬度影响较大,采用深孔爆破可以对岩层产生不同程度的弱化作用。为了有效评价爆破弱化范围及特征,采用地震波CT测试技术,在不同开挖断面布置CT测试观测系统进行数据采集,利用SIRT反演方法获得断面波速分布结果,进一步划分爆破波速异常范围作为岩石弱化范围。实际应用结果表明,本次测试爆破孔弱化范围在0.4～1.2m,且影响程度沿钻孔自外向内有减小的趋势。该方法测试效果显著,可为爆破技术改进提供有效的技术参数。     

超前深孔顶板爆破防冲数值模拟及应用研究

通过对超前深孔顶板爆破防冲机理及影响因素进行分析,以典型的冲击危险矿井为背景,在对顶板强度及爆破参数现场实测的基础上,模拟分析不同爆破参数(爆孔夹角、装药段长度)下的超前深孔顶板爆破效果,并采用多种监测手段对其现场防冲效果进行检验。研究发现,在爆孔深度一定的前提下,相同的爆孔角度,随着装药量的增加,超前深孔顶板爆破的影响范围也随之增大,巷帮煤体内的高应力区范围及峰值应力梯度下降越明显。在相同装药量前提下,通过调整爆破角度下,可使巷帮的高应力向深部转移甚至消失,对深部煤炭的安全开采具有重要的意义。     

深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测

采用有限元软件,数值模拟分析了相同侧压系数、不同埋深工况下的深埋隧洞围岩应力变化规律,初步判别了岩爆可能性及岩爆发生部位,对隧洞的设计及施工过程中岩爆的防治具有一定的指导作用。     

人工挖孔入岩爆破技术简介

介绍了桥梁超深嵌岩人工挖孔灌注桩施工中采用的爆破及安全施工技术,重点阐述了采用爆破技术在硬质岩石中进行人工挖孔桩的施工技术,通过实践证明采用爆破技术进行人工挖孔,无论从质量、工期及经济效益方面都是可行的.     

考虑爆破瞬态卸荷的深部岩巷损伤范围研究

为了研究深部岩石巷道爆破瞬态卸荷的损伤效应,本文采用弹性动力学方法,利用Laplace变换和留数定理求解了深部岩巷爆破卸荷瞬态应力场的动态解析解,结合拉伸损伤和剪切损伤的阀值条件,给出了损伤破坏区的范围和损伤程度,并探究了损伤区分布的影响因素。算例表明,围岩以拉伸损伤破坏为主,岩石的脆性越强,损伤变量越大。爆炸荷载越大,拉伸和剪切损伤破坏区范围越大;原岩应力越高,拉伸损伤破坏区越小,剪切损伤破坏区越大,原岩应力对拉伸损伤效应有显著的“抑制”作用。当岩石单轴抗拉强度较小、内聚力较大时,围岩只存在拉伸损伤区不存在剪切损伤区;当岩石单轴抗拉强度较大、内聚力较小时,围岩既存在拉伸损伤区又存在剪切损伤区。     

路堑高边坡岩体多边界爆破理论及其应用

在阐述多边界石方爆破理论的基础上,结合路堑高边坡岩体的工程特点,进行深孔控制爆破应用研究。由于路堑高边坡岩体爆破药量计算充分考虑地形、地质条件的影响,炸药爆炸效果得到有效控制。路堑开挖岩体在炸药爆炸能量和介质中潜在位能的共同作用下得到充分破碎;爆破未见飞石,破碎岩体全部坍塌在路基范围以内;同时,临近设计边坡采用缓冲爆破技术,爆后形成了稳定的路堑边坡。     

圆形隧洞爆破荷载与瞬态卸荷作用围岩应变能效应研究

 深部岩体开挖过程中,能量的释放与耗散是导致围岩发生损伤破坏的重要诱因。针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用理论模型研究微差段间爆破荷载与地应力瞬态卸荷重复扰动及耦合作用下围岩应变能的变化规律,并基于弹性应变能判别准则计算围岩损伤范围。研究结果表明：在爆破荷载作用下,围岩应变能经历了先增大再减小最终趋于稳定的动态变化过程;在地应力的瞬态卸荷作用下,围岩应变能经历了先减小再增大最终趋于稳定的过程;二者耦合作用会进一步加剧围岩应变能动态调整过程,并且体现出更加明显的微差段间重复扰动效应,以开挖轮廓附近起爆的两圈崩落孔及周边孔最为明显。爆破荷载主要引起围岩张拉破坏,而地应力瞬态卸荷主要导致围岩压剪破坏,在二者耦合作用下地应力的存在会抑制爆破荷载引起的围岩张拉破坏,从而减小围岩的损伤范围。最后,采用锦屏二级水电站引水隧洞实测围岩损伤范围对理论计算方法的正确性进行了验证。     

高速公路利用石方高边坡槽挖爆破技术

结合工程实例,对预裂爆破技术和挤压爆破技术相结合的综合工艺在公路建设中的应用进行了研究和探讨,根据施工路段内的岩石构造特征、设计要求及施工条件,指出岩石开挖选用预裂爆破与深孔挤压爆破相结合的施工技术.