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                巖爆預測理論與應用⌒研究

                武【漢科技大學碩士學位論文 巖爆預測理論與應用研究 姓名:杜子建 申請學位級◥別:碩士 專業:采礦工程 指導教師:許夢國 20070510 武漢科技大學碩】士學位論文 巖爆是建設大型地下工程經常遇到的地質災害,但由於其生成機理復雜,至今在理論界和▽工程界尚未形成比較成熟●認識,巖爆理論目前的學術進展與具體工程實踐指導還相︼距較 遠,用於◣滿足工程需要的巖爆預測研究與◣預防方案,尚停留在對巖爆災情發生的經驗判斷 水平。因此,有必要進一步對在實際工程中巖爆的機理、預測預報模⊙型進行理論研究、對 巖爆防治對策進行實ω際探討,從而提出可靠的預測方法和防治對策。這些對防□ 止巖爆的發 生、保證生產安全』具有一定的理論意義和較大的實用價值。 本論文的研究●課題是為了解決武鋼程潮鐵礦深部開采巖爆災害難題而提出的。武鋼程 潮鐵礦經過近40年的開采,采礦生產不斷的發展,目前,采ξ礦作業場地的開拓工程已經進 入到礦體深︾部,開拓工程的深度ζ 達到1100m,采礦生產的主要作業點的深度也已經達到420 余m。隨著采礦∞深度的增加,巖體完整性逐漸變好,采礦作業區域◣的地應力也越來越大,巖 體的硬度與脆性也越來越高,已經逐步形成了產生巖爆的條件。因此,為了保◢證程潮鐵礦 礦床安全√開采及生產,保證井下工作人員的人身安全和設備正常運行,巖爆的預測研究已 經十分迫切。 本文從國內外巖爆機理與預測理論研究現狀入∩手,在巖爆機理ζ、預測理論『研究及實驗 預測和工程實例分析三∏個方面對巖爆問題ㄨ展開研究。首先通過研究◤巖爆機理與預測理論為 巖爆試驗以及工程實例預測提供理※論基礎,進而根據試驗結果結合預測理論進行工程實例 巖爆的預測分析,通過以上三個方面對巖爆進行理論和實際的全方位¤研究。 在理論研究方面,本文從巖爆破壞特征、動力學特征與巖爆破壞機審j--個方面論述了 巖爆發生機理,並從能量角度分析了巖▅爆的動力源產生機理,進一步充實◆了巖爆的機理研 究。根據以往工∞程巖爆實錄分析了巖爆發生的影響因素↓,並對常見圍巖形式一圓形峒室巖 爆發生時的巖體巖性與應力狀態進行了分析,得到了發生巖爆的巖性條件與巖爆◥的臨界應 力和臨界深度。預測理論上,提出了地質綜合分析法、損傷模型分析法和模糊▂綜合評判法 三種預∩測方法。 在巖爆▓試驗方面,對所研究礦山◣深部巖體進行現場取樣,進行巖樣的蠟封加工處理後, 依次對各類圓柱形試件進行室內的常規力學實驗,取得該礦山深部巖樣的各項力學指標; 對巷道模擬圓孔試件進行二維雙向加壓實驗,並應用聲發射監測設備探明試件的損傷情況。 工程實例上■,首先對所研究礦山地質『進行綜合分析而判定各類圍巖巖體巖爆初步趨勢; 針對聲發射監測結果,運用聲發射與損傷的一致性和建立的彈脆性巖石的損傷模型,結合 損傷能量指數對圓孔試件進行巖爆模擬預測;最後根據巖▲石室內力學實驗結果和各項準則 及其評判標準,確定武鋼程潮鐵礦深部礦巖的巖爆傾向性順序「,並運用模糊綜合評判方№法 綜合考慮各項◥指標,對不同深度的各類圍巖巖爆的可能性進行綜合預測,並判定該礦山巖 爆的臨界深度。 關鍵詞: 深部開采, 實驗研究,地質分析, 損傷模型, 模糊綜合評判 第1I頁 武漢科技大學碩士№學位論文 Abstract Rock-burstis geologicaldisasterthatoccursin largeundergroundengineering.Many scientistshavebeen paying theirattentiontothis problem.Withthe development thoroughstudying problem,scientistshaveyielded someresults,butup tonOWthereis nounified criteria understandit.Ithasseveralextentsbetweenrock.burst scienceand engineering application.Engineers havetofallon experiences necessarytofurtherdiscussrock-burst’S principle prediction.Inthearticle,theauthorgive somemethodsof prediction greatlyrichtherock-burst practice. This topic putforwardto solving problemsofrock-burstin Cheng-chao Mine.After40 years’miningwith deploitationhasreach llOOm,and stageofminehasreach 420m.Along withtheincreaseofthe depth,integrality ofrockshas gradually became well,stresshasbecame verygreat,rigidity andbrittlenessofrockshasalso became veryhigh,which make up oftheconditionthe rock-burst.So,astoensurethe security peopleandthe equipment,thestudy ofrock-burst prediction hasbeen veryexigent. After analyzing thestatus qua ofrock burst's studyoverseasandinland,authorsettlesthis problem inthree aspects:mechanism projectpractice.Thesethree aspectsreciprocallyreinforce,andcompose organicsystem.Onthe academic research,author analyzed mechanismofrock.burst via breakage characteristicdynamics characteristic destroyingmechanismthese three aspects,then through energySOurce,whichenrichthemechanismresearch.Onthebasisof projectinstances,afterstudying stressstateinrotunditycavityat lastauthorobtainedthe lithologyqualificationcritical stressand depth. Asfbf experiments,aftersampling machiningforthe samples fromthemine.author put up thelabmechanics experiments ofthecolumniform samples,obtained themechanicsindexes. Thencarriedthroughtheacousticemission experimentscontraposinglanewaysimulatingsamples, andobtainedthedamnificationoftherocks. Atthe aspect projectpractice.firstpredictedtherock—burst primarily basedon geological analyzing,thenanalyzed tendencyofrock—burstcombinedwiththe damageenergyindex; basedon systematical rocksmechanics experiments,with thetheoretical methodologysometypes ofrockswhichhave highpossibility andsevere intensity Wasconfirmed.Atlast,combinedwith fuzzycomprehensiveanalysis,synthesizedpredictionuponthosecriteriaWasmadethatthe orientationofrock-burstandcritical depth wereascertainedinamass.whichcanbethebasic theory inthe miningdesignand prediction forrock-burst. Keywords:deepmining,rock-burst,experiments,geologicalanalysis,damagemodel,fuzzy comprehensive evaluation 武漢科技〇大學碩士學位論文 第一章緒論1.1引言 巖爆是指在高地應力地區洞室開挖後,由於洞室圍巖的應力重分布和應力集中,在較 短時間產生的突發的、猛烈的脆性破壞形式▃。破碎巖石從坑洞壁面彈Ψ射或大量巖石崩出, 產生強烈的氣浪或沖擊波,最強可摧毀整個作業面乃至整個洞室。巖爆發生有兩個條件: 高地應力和高強≡度脆性圍巖。從能量的觀點來看,巖爆是由於圍巖內原先儲存的彈性應變 能突發性地急劇釋放,發生高速崩@ 塊甚至彈射拋擲現象的一種動力局部失穩現象。 巖爆的發生有以下基本特征:巖爆事件都具有程度不同的動力▅特征;大都發生在→新鮮、 完整及堅硬的巖體中;一般發生洞室在開挖後數小時內,其烈度隨時間延續逐漸減弱;大 部分巖爆發生距工作面100-200m範圍內。在許多方面,巖爆與地震現象↙極為相似,其大小 可以▼在裏氏2-4級,烈度達7-8度,使地面建築物遭受破壞,因而也有人把它稱為微型地震。 自1738年首次報導英國錫礦發生巖爆以來,在世界範圍內已有21個國家記錄有巖爆〖問 題乜】嘲。在礦山坑道、水電洞室、交通隧道等地下【工程中,巖爆直接威脅到施工人員、設 備的安全,影響工程進度,產生重大的經濟損失和不良的社會後果。我國自1993年在撫順 勝利煤礦報道巖(煤)爆以來,先後在一系列的礦井巷工程和水電地下工程發生過巖爆現 象。北京門頭溝礦曾發生震級3.8級巖爆,不僅給井下◆生產和設施造成嚴重的破壞,而且 涉及地面,震壞房屋達100余間,有感震動半徑達5km“1。巖爆現象在我國水電系統地下工 程中也屢有發㊣ 生,最早在漁子溪1、2級和映秀灣水電站引水隧洞就出現過,以後在白鶴 灘、太平釋、二灘及天牛橋二級水電站隧洞中也相繼發生,並在魯布革、三鬥坪、拉西瓦 等水電站工程中出現鉆孔餅芯”。隨著各類←工程建設的不斷發展,地下洞室“長、大、深、 群”的特點愈加明顯,巖爆問題也愈加突出,同時也促使了對巖爆問題的研究。 到目前為止,世界各國采礦界和巖體工程界的專家、學者對巖爆研究已歷經了260多 年,在巖爆機理、巖爆預測與預報以及√巖爆防治諸多方面均取得了一些成果。但是,由於 巖爆是極為復雜的動力現象,加上巖體本身具有非均勻和各向異性等特征,所以至今尚未 形成統一的理論與技術。正如著名巖石工程學家E.Hoek(1980)所言:“目前對這種漸進破 壞過程還很不清楚,它是巖石力】學、工程地質學等有關專家、學者所面№臨的一個挑戰性難 題”塒。故總的來看,這些研究還◇是停留在假說和經驗階段,因而也不可避免地存在意見 分歧,尤其是對巖爆形成機理的認識以及在巖爆判據的研究上,更是眾說紛紜,同時也很 難作到卐準確預報和合理治理。 巖爆預測』理論與具體指導工程實踐還相距較遠,用於滿足工程需要的巖爆預測與防治 又多偏於從發生過的巖爆災情出發的經驗來考慮。因此很有必要進一步對巖爆在實際工程 實踐中的發生機理、預測理論等進行探討,提出一些預測方法等,這對生產實踐具有較大 的現實指導意義。 武漢科技大學碩士學〗位論文1.2國內外巖爆研究現狀 近一個世紀以來,中外學者在巖爆機理、巖爆預測及防治等方面進行了大量的研究, 但由於巖爆的復雜性,巖爆的理論研究進展緩慢。在我國,巖爆研究工作起步較晚,且多 停留在觀察、描述階段,和國外相比更為滯後。國際上,南非在巖爆的理論研究、預測、 預防等方面積累了豐富的經驗和資料,建立了較為完整的理論體系,是目前ξ世界上巖爆研 究最先進的國家之▼一。自20世紀70年代後期,中外巖爆研究進入一個新的發展階段,多次 專門召開巖爆問題的國際學術會議,交流和積累了許多有價值的研究資料及有關巖爆預 測、控制和防治的實踐成果。歸納起來主要有巖爆發生條件、形成機理、巖爆各種預ぷ測、 監測措①施等。 1.2.1巖爆類型及烈度劃分 巖爆類型劃分主要是依據巖體彈性應變能的儲存與釋放特征或應力作用方式而進行 的,目前學術界尚未達成共識。張倬元教授等按巖爆發生部◥位及所釋放的能♀量大小,將巖 爆分為三大類型,即洞室圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆、礦柱或大範圍圍巖突然∏破壞 引起的巖爆、斷層錯動引起的巖爆;左文智、張齊桂(1995年)從巖爆形成的內在因素出發, 將巖爆類型劃分為水平構造應力型、垂直壓力型和綜合型三大類;武警水電指揮部天生橋 二級水電站巖爆課題組對巖爆分類有二種標準:一是按破裂程度將巖爆分為破裂松弛型和 爆脫型二大類,二是按規模將巖爆劃分為零星巖爆(長0.5~lOm)、成片巖爆(長10~20) 和連續巖爆(長>20re)三大類;郭誌根據巖爆巖體破壞方式,將巖爆劃分為爆裂彈▅射型、片 狀剝落型★和洞壁垮塌型三大類”1。迄今為止,譚以安博士的巖爆類型劃分方案影響最大: 他首先根據巖爆巖體高地應力成因和最大主應力a,方向,將巖爆↘類型劃分為水平應力型垂 直應力型和混合應力型三大類;然後依據具體應力條件和巖爆特點,再將巖爆劃分成六個 巖爆烈度問題迄今為止國內外尚有不同的見解。德國學者G布霍依諾1981年根據巖 爆發生時對工程的危害程度,將巖爆∴烈度劃分為輕微損害、中等損害、嚴重損害三級;挪 威巖爆權威入士拉森斯(B,F.Russeness)的巖爆烈度分級方案在國外很有影響,他在1974 年研究挪威陡山坡隧道時,就根據巖爆發生時的聲響特征、圍巖爆裂破壞特征等將巖爆烈 度劃分為0--3四級。我國譚以安博▃士1988年率先依據巖爆危害程度及其發生時的力學和 聲學特征、破壞方式將巖爆烈度劃分為弱、中等、強烈、極強四級;鐵道部第二勘探設計 院1996年在《二郎山隧道高地應力技術咨詢報告》中,提出按判據a/紀將巖爆烈度劃分 為弱、中等、強烈三級;交通部第一公路設計院1996年則依據巖爆發生的聲響、巖體變 形破裂狀況、口,/筧比值及最大水平主應力口。將巖爆烈度劃分為◣微弱、中等、劇烈三級。 綜上所述,國內外巖爆烈度分級主要是依據與巖爆有關的一個單項或少數∩幾項指標來劃分 的,考慮因素不夠全面;此外,上述巖爆烈度分級方案中普遍對巖爆現場容易判別的宏觀 標誌重視程度不夠,這樣不利於↙工程設計、施工、監理和科研人員在現場及時取得共識。 為了克服上述巖爆烈度分級方案中的缺乏,以王蘭生教授為首的“川藏公路二郎山隧 武※漢科技大學碩士學位論文 道高地應力與圍巖穩定性課題組”在借鑒前人分級方案的基礎上,依據巖爆危害程度及其發生時的聲響特征、運動特征、爆裂巖塊形態特征、斷口特征、巖爆發生部位、巖爆時效 特征、影響深度和0。/紀比值等,將巖爆烈度劃分為輕微、中等、強烈、劇烈四級。1。 1.2.2巖爆機理研究現狀 巖爆機》理研究是巖爆研究的基礎,巖爆主要有三個主控因素:地質構造(決定圍巖的 初始應力場);圍巖體的巖性(包括巖石的強度、脆彈性、貯能性,決定巖爆的烈度);洞 室開挖的情況(決定圍巖體二次應力場的大小與分布以及應力集中情況)。目前,國內外 許多學者應用各種基礎理論,分別從強度、剛度、穩定、能量、斷裂、損傷」以及突變理論 等方面對巖爆機理進行了分析“”,在提出▂各種假設的基礎上,形成了不同的理論判據,並 與一些工程實例取得了一定ㄨ程度的吻合。 E.Hoek等認為“”,巖爆是高地應力區洞室圍巖剪切破壞作用的產物。Zoback教授在 解釋鉆孔崩落現象成因時,也認為類似“巖爆”的孔壁崩落破壞屬剪切破壞。然而 Mastin(1984年)和Haimson(1972—1985年)在通過打有圓孔的砂巖巖板進行的單向壓縮物 理模擬試驗,在實驗室真實地再現了孔壁崩落現象;他們得▅出這一現象是由於孔壁應力集 中部位的局部破壞所引起的,是張』性破裂的產物。 我國楊淑清教授等通過天生橋二級水電站引水隧洞相似材料巖爆機制物理模擬試】驗, 總結出巖爆造成圍巖劈裂破壞和剪切的二種機↙制,並且認為它們是二種應力水平的產物, 即劈裂破壞屬脆性斷裂,而剪切破壞是巖石應力達到峰值強度狀態時的破壞;前者形成的 破裂面與洞口邊界平行,而後者則與洞口邊界斜交,呈對數螺旋形狀。譚以安博士則〇認為, 巖爆█乃漸近破壞過程,其形︻成過程可分為“劈裂成板一剪斷成塊一塊↑片彈射”三個酚段。 以王蘭生教授為首的“川藏公路二郎山隧道高地應力與圍巖穩定性課題組”將巖爆♀作用與 巖石在三向應力條件下的壓縮變形破壞全過程(Lane,Bieniawski等,1970年)加以對照, 認為巖爆力學〖機制可以歸納為壓致拉裂、壓致剪切拉裂、彎曲鼓折三種基本形式,也可以 多種組合方式出現。 有關巖爆機理的研究理論方法還有很多,但也尚不完善。多數巖爆理論和巖爆判據未 對洞室開「挖(圍巖松動和破裂)造成的局部應力集中加⊙以考慮,或者僅對以上主控因素之 一〗有所考慮,因而得出的結果並不系統、全面,其中的一些假設尚缺乏理論和試驗驗證, 盡管如此,這些理論和方法對於巖爆研究的深入和發展仍起到了很大的促進作用。 1.2.3巖爆預測研究現狀 現有的巖爆預測方法總體來說可歸納為兩大類:一類為理論々法,另一類是實鍘法。理 論法是利用已建立的巖爆的各種判據或指標,對地下工程中的巖體進行取樣分析以預測巖 爆的方法。實測︼法是借助一些必要的儀器,對地下工程中的巖體直接進行監測或測試,來 判別是否有巖爆發生的方法。 武漢【科技大學碩士學位論文理論法主要有以下幾種: 1.2.3.1強度理論“” 20世紀20年代,瓊斯︼利用金屬板環形孔在靜水壓力下的應力解析解說明孔周向應力為 施加的靜水壓力♂的兩倍。將這一理論應用於地下巖體工程,首次提出了應力集中這一概念。 到30年代,拱頂理論和懸臂粱理論較流行。前者認為,礦山蠍室形成後,其周圍巖體 破裂而形成破碎巖石的拱項區,拱頂△區內巖石卸載,而使其相鄰區域的巖體產生應力集中; 後者認為,采場上方頂板以懸臂梁形式施加載荷於礦體,懸臂︾梁以礦體為支點彎曲下沈, 造成礦體邊緣應力集中。 早期的強度理論著眼於巖體的破壞原因,認為地下井巷和采場周圍產生應力集中,當 應力集中的程度達到礦巖♀極限強度時,巖層發生突然破壞,形成巖爆。近代的理論主要考 慮“巖體一圍巖”系統復雜受力狀態的極限平衡條件,並註重對實Ψ 測資料的定量分析。近 代強度理論認為:巖體承受的應力0與其強度0。的比值,也就是0/0。1時導致巖爆發 生。近代強度理論的表達式有多種:對各∩向同性巖石材料的破壞準則最有代表性的是Hoek 和Brown於1980年提出的經驗性的強『度準則: 式中:0,一最大主應力,MPa;0。一最小主ㄨ應力,MPa;0。一完整巖石材料的單軸抗壓強度,MPa;m一常數,取決於巖石性質和承受破壞應力前巖石已破壞的程度。 巖體不連續面的抗剪強度表達式為: f-C+%taII妒 式中;T一剪↑切應力,mPa;c一粘結力,MPa;0。一不連續面上的有效正應力,MPa;咖一內摩擦角。 另外還有用斷裂韌度K。。和K。。以及能量釋放率來反映的強度理論以及Von~lises破壞準 就強度理論本身而言,當滿足上述條件時只表明巖石將發生破裂或破壞,但並未指出在什麽條件下會發生猛烈破壞(即巖爆)。應該說,強度理論只給出了巖爆的必要條件, 因此研究巖爆僅僅討論◆巖石破壞條件遠遠不夠,必須↓探討巖石發生巖爆的其他附加條件。 1.2.3.2剛度理論“” 60年代中期,Cook和Hodgei發現,用普通壓力機進行單軸壓縮實驗時猛烈破◥壞的巖石 試件,若改為剛性實驗機實驗,則破壞平穩發生而不猛烈,並且有可能得到應力一應變全 過程曲線。他們經過分析認為,試件產生猛烈破壞的原▓因是試件的剛度大於實驗機(即加 載系統)的剛度。如圖1.1所示: 武漢科技大學碩士學位論文 EI=SmoE=EI+S^陽 圖1.1普通柔性實驗機與剛性實驗機加卸載曲線註:a--普通柔性實驗機加卸載曲線;b一剛性實驗機加卸︽載曲線 假設試件處於峰值強度狀態並且壓縮∞變形繼續增長一個小量u,為了位移積累,試 件◣荷載必須從P^降到PB,以便吸收圖(a)和(b)中由ABED面積給出的】能量EII。然而, 對於“柔性”實驗機,當從A點發生位移Au時,實驗機僅卸載至F,並釋放出AFED面積儲 存的應變▲能已,此時已>Eq,從而在峰值或峰值後短時間內發生突然破壞。對於“剛 性”實驗機,由於E_>L(E_-AGED),必須補充超過實驗機存儲的應變能的部分,試件 才有可能沿曲線ABc發生變形,因此巖石試件不會發生猛烈破壞。 70年代Black將剛度理論用於分析美國愛達荷加納礦區的巖爆問題,認為礦山結構(礦 體)的剛度大於礦山負荷(圍巖)的ㄨ剛度是產生巖爆的必要條件。80年代佩圖霍夫認為, 巖爆發生是因為那裏的巖體破壞時實現了柔性加※載條件。在他的研究中也引入了剛度條 件,並且明確認為礦山結構╱的剛度是峰值後荷載一變形曲線下降段的剛度。剛度㊣理論簡單、 直觀,但要廣泛用於實踐存在著不足之處,它未對礦山結構與礦山負荷進行系統的※劃分及 其剛度給出明確的概念。 1.2.3.3能量理論“4” 60年代中期,庫※克等人在總結南非金礦巖爆研究≡成果的基礎上提出了能量理論。他們 指出:隨著采掘範圍的◤不斷擴大,巖爆是由於巖體一圍巖系統在其力學平衡狀態破壞時, 系統釋放的能量大於巖╲體本身破壞所消耗的能量而引起的。這種理論較好的解釋◥了地震和 巖石拋出等動力現象。同一時期,DunkHousea給出了巖→爆的能量平衡方程式,對釋放和 消耗的能量結構進行了分析。隨後,佩圖霍夫也對庫克等人的理論進行了補⌒充和完善。 Wsfflow提出了無摩擦剩余能量理論。70年代由G.Brauner等提出了能量率理論,即 dt式中:n一圍巖能量釋放有效系數;B一礦體能量釋放有效系數;%一圍巖所儲存的 武漢科技大學碩士學位論文能量,町;we一礦體儲存的能量,MJ;WD一消耗於礦體和圍巖交界處礦體破壞阻力的▼能量←, MJ。 能量理論從能量角度解釋了巖爆的破壞機理,但它並未〗說明平衡狀態的性質和破壞條 1.2.3.4巖爆傾向理論巖爆的發生依賴於巖石本身的性質、地下峒←室和采場形狀、不利地質結構特征等幾個 因素的組合▽條件。巖石本身的力學性質是發生巖爆的內因條件。用一個或一組與ω 巖石本身 性質有關的指標衡量礦巖的巖爆傾向強弱,這類理論就是巖爆№傾向理論。表征巖石巖◣爆傾 向的指標有很多,其中主要有以下幾種: (1)彈性能量指數“郵6m71(Singh稱其為巖爆傾向指數,IiPburst—pronenessindex) 該指數首先I主lPeng於1978年提出。波蘭的Kidbinski於1981年給出劃分巖爆傾向性強 弱的標準。當時他主ξ要是針對煤礦的巖爆提出的。Singh於1986年在對加拿大Sudbury地區 巖爆進行研←究時,提出了與Kidbinski不同的指標。 彈性能量指標通過對巖石試件進行單軸壓縮加載和卸¤載實驗確定。該指標的值這樣確 定:在實驗室對巖樣進行單軸壓縮實驗,取應力為巖石強度的80%-90%時記錄的應力一應 變曲線,用圖形積分求出彈性變形能量儲能與塑性變形耗能之比⌒ ,即為彈性變形能量指數╲ wET。wET計算圖見圖1.2。 wET計算表達式為: 盯(Mpa) 圖1.2彈性能量指數的計算圖r五pMF 式中:E。一彈性變◎形能:B一塑性變形能;e。一彈性應變;e。一塑性∑應變;e。一總應變;f(e)一加載時o~e曲線函數;f(e。)一卸載時0~e曲線函數。 確定應力為何值時等於巖石強度的80%一90%有兩ξ 種方法:一種是先對同組試樣的部分 試件進行抗壓實驗,求出該組巖石的抗壓強度的平均值,從而確定80%-90%巖石強度時的△ 武漢科技大學碩士學位論文 應力;另一種方法就是對巖石試件進行多次加載和卸載實驗,直至試件破壞,每次均進行〖峙計算,取其最大值(一般進行3~5次加卸載實驗)。 Kidybinski針對煤試件實驗結果給出巖爆傾向性分類標準是: f砰05.0 有強∮巖爆傾向 JWEt=2.0---4.99 有弱巖爆傾向 IWEr《2.0 無巖ω 爆傾向 Singh根據加拿大薩德伯裏地區硬巖試件實驗結果,建議巖爆傾向性分類標準是: rWrr'15 有強巖〒爆傾向 {w二-10一15 有中※等巖爆傾向 1w芻t10 有弱巖爆傾向 許多研︼究結果表明,W盯有隨巖石強度提高◤而增大的趨勢。我們知道,煤的單軸抗壓強 度一般為20~40MPa,而硬巖礦石的單軸抗壓強度一般為80~300MPa,遠遠高於煤的強度。 另外,確立%的實驗方法有較大的離散性。總之,對於□ 硬巖礦山而言,作者認為Singh提 出的分類標準更適合於硬巖礦山的巖爆預測。 (2)巖爆有效能量的釋放率“” 用普通※柔性實驗機進行巖樣的壓縮實驗時,以巖樣的猛烈破壞模擬礦山巖爆時巖體在 高應力作用下發々生的動態破壞。巖爆的破壞作用主要受巖體達到峰值強度發生破ξ壞後釋放 出的能量大小的控制。最早提出巖爆有效能量釋放的是波蘭的Motyczka(1973年),他將 巖爆有效能量釋放率定義為巖樣在單軸抗壓試驗破壞時巖石碎片拋出的動能E。與試件儲存 的最大彈性應變能E。之比,即 17' 行==Lxl00%(i-5) 式中:Et一拋ぷ出碎片動能,B一巖石試件破壞前儲存的最大彈性應變能。E—X寺mY;,n為拋出碎ζ片個數,毋和乃分別為第f個碎片的質量和彈射的初速度; B-Z/2E,口。和F分別為巖石試件的☆單軸抗壓強度和彈性模量。Kidybinski(1981年)給出的以該指標按巖爆傾向性將巖石分類標ㄨ準是: 叩《3.2% 町-3.2—3.8% r/-3.8—4.4% 叩,4.4% 有巖爆傾向 有弱巖爆傾向 有中等巖爆傾※向 有強巖爆傾向 加拿大的S.P.Sin咖采用了另一個指標表示與上述有效能量釋放率相同的含』義。他稱該 指標為巖爆能量釋放指卐數(BERI)。Singh采用“柔性”實驗機進行巖石試樣的單軸壓縮 實驗,在實驗機架上安裝地音儀,記錄巖樣破壞時地震波曲線,求出空間三軸☉方向上質點 武漢科技大學碩士∮學位論文峰值震動速度,並計算矢量和∞。用這個√矢量和表示試件破壞時釋放的能量大小。他雖然討 論了該指標與其他巖爆傾向性指標的相互關系,認為指點峰值速度的矢量和與◣其他指標一 樣可以判別巖石的巖爆傾向性,但未給出判別標準。 (3)下降模量指數和沖擊■能量指數““州。應變速率為常數的單軸抗壓試驗有兩個特征 模量:軸向o~e曲線上升段線性部分的斜率E(彈性模量)和峰值後o~e下降段斜率 M(下降剛度模量),稱踟,為下降模♂量指數。Goncarouva將巖石按易何比值分為兩類: E/M<1:有巖爆傾向巖石;E/M>1:無▓巖爆傾向巖石。 考慮到o~e曲線峰值後部分斜率達變化,下降々模量指數只有在低圍壓(實際上一般 為1MPa)時才有意義。使用剛性實驗機對↑巖樣進行單軸壓縮試驗,得到o~£全曲線。峰 值前後o~e曲線與。軸形成的面積之比稱為沖擊能量指數,如圖1.3所示。 圖1.3沖擊能量指數b示意圖 WcF=F./F2 式中:%一沖擊能∴量指數;F。一峰值前o~e曲線與O軸圍成的面積,即峰值∞前儲存的能量,MJ;F2一峰值後o~e曲線與。軸圍成的面積,即破壞過程所需的能量,MJ。 有關文獻o”給出的按%判別巖爆傾向性的標準是: 有強巖爆傾向JWcv-2—3 有弱巖爆傾向 IHot2 無ㄨ巖爆傾向 在假設巖石破壞前↓後均呈現線彈性,則下降模量指數與⊙沖擊指數正好互為倒數。 (4)破壞時間指標 巖石在達到峰值強度後,破壞的猛烈程度可以用從峰值強度起,到完全破壞所經歷的 時間Dt評價。Kidybiaski於1987年首先提出了這一概念,1985年以後中國煤炭科學院進 一步研究並證明了用Dt指標評價巖爆傾向性的可╱行性。吳和張建議的Dt標準是: 一>50ms有強巖爆傾向 有中等巖爆傾向 無巖爆傾向▽ 武漢科技大學碩士學位論文 (5)巖石的脆性系數巖石的脆性破裂是指在幾乎沒有產生永久(或塑性)變形的情況下,某一面上★的強度 突然】喪失的過程。一般認為巖爆是巖石的脆性破壞,因此許多學者用巖石的脆性系數表示 巖爆傾向性。不同學者采用的脆性系數的◥計算公式】也不相同。 S.P.Singh采用兩個指標表示巖石的脆性: Hl式中:u。一永久變形,啪;u。一彈性變形,咖。 為了區別不同巖⌒石之間的脆性差別,采用的公式還有K=o。/o。(式中符號意義同前)。 按該公式劃分的☆巖爆傾向性標準是: fK>18 JK.10.18 kcl0 有強巖爆傾向 有中等巖爆傾向 無巖爆傾向 1.2.3.5分行理論021 國內以謝和平、李玉生為代表的一些學者,用分形幾何學的方法研究巖爆的發生機理 和預測預報手段。這一理論的主要成果是使用分形的數目與半徑的關系考察微震→事件的位 置分布,發現微震時間具有集聚分形結構。巖爆←發生前,微震活動的積〓聚程度明顯增加, 並相應地出現在一個主巖爆臨近發生時。分形理論更多的是從現象學的角度對巖爆發生給 予定性描╲述,在定量說明巖爆發生原因和破壞過程方面尚有大量工作要做。最近南非學↓者 在進行多因素→巖爆預報研究中,引用了分形理論成果,並認為分形維數是巖爆預報非常重 要的參數。 實測㊣ 法主要有以下幾種: 1.2.3.6微重力法 微重力法是采用物探的方法對巖爆進行預測,其理▲論基礎是脆性巖石的“擴容”現 象剴,即巖石在應〗力的作用下,力學參數會發生明顯的變化,當其應變超過其臨界值時, 巖石的體積會突然▼增大,此時巖石的微重力異常變化◇是由正到負,巖々爆發生前,處於臨爆 狀態度巖石出現№負重力異常極值,所以可以用微重力量測值作為巖爆發生的準則。當重力 異常長時間處〖於正常水平上,則巖爆不可能發生。 第10頁 武漢科技大學碩士學位論文 1.2.3.7聲發射(AE)法 根據李強(1994年)和Langstaff(1997年1資料,無論是室內試驗︻還是現場監測成果, 均表▽明聲發射信號急劇增加都超前巖體(石)的變形破壞。根據這一特點,可以將巖體聲№發 射技術推廣應用到巖爆監測預報中去。聲波發射AE法即Acoustic.Emission方法。它是對 巖爆孕育過程直接到監∑測方法,也是最直接〖的預報方法。此方法的基本參數是能率E和大 事件數頻度N,它們在一定程度上反映出巖體內部的破裂程度和∑ 應力增長速度。巖爆的產 生需要積蓄能量,而能◇量的積蓄就意味著有一個暫時的聲發射平靜期,因此,AE活動的暫 時平靜,是∮巖爆發生的前兆。由於此方法可望在現場對巖爆進行直接到定量定位預報,是 一種具有很大發展前景的〖直接預報方法。 1.2.3.8施工地質超前預報法 巖爆的發生不僅取決於地應力條件,而且還與巖性卐及其分布特征、巖體結構、斷裂 和地下水狀況及其它因素有關。工程實踐表明,高地應力區地下工程施工過程中,圍繞巖 爆問題ω 開展全面、系統的施工地質調研工作,查∑明巖爆發生的基本規律,從而利用與巖爆 有關◎的某些特殊地質現象來正確預測巖爆,這對保證安全施工和優化工程措施等均具有重 要意義。例如,日本Kan—Etsu公路隧道施工過程中,超前鉆孔發現的巖芯餅裂區就與巖 爆區完全☆一致,這為正確預報巖爆、保證□ 該隧道安全施工提供了重要依據。我♂們在川藏公 路二郎山隧道巖爆預測中,也通過施※工地質調研,發現該隧道巖爆的發生與最大∮水平主應 力方向近於平●行的Nfr向出水陡傾斷裂和巖性條件關系甚為密切;現場調研發◥現,二郎山 隧道中發育產狀為N40。~60。w/NE麽60。~85。的張扭性次級斷裂,其中多ζ 見有線狀’ 股狀地下水,顯示斷裂處巖∮體因張扭性活動而有所松弛,氡氣口卡儀測試也顯示其氡氣值 明○顯高於兩側巖體;洞壁二次應力↓場測試資料則表明,該組斷裂的存在造成了局部應力降 低帶,其應〓力向兩側圍巖中轉移,從而①導致唧向陡傾斷裂兩側形成局部應力增★高帶;東 段主洞已有巖爆活動大多發生在距該組斷裂10~20m距離以外的ω地段,究其原因就與◣這種 應力局部調整有很大關系◣;因此,掘進過程中如※遇到唧向出水的陡傾斷裂時可作為預測 前進方向可能產生巖爆的一個重要宏觀預測標誌。此外,現場調研還發現,該卐隧道某些洞 段巖爆常發生在泥巖軟質巖層內的泥々灰巖或砂巖、粉砂巖夾層中;綜合分析研究□表明,這 是因為鄰近泥↑巖軟質巖的這些硬脆性巖夾層,由於前者應力調整也出現了局部應力增高現 象,因此當開挖至巖性軟硬變☉化部位時,巖爆則往往發生在硬脆々性夾層側:這一規▅律性的 認識也可作為軟硬相同的高地應力區洞室掘進√過程中對巖爆進行預測的一個重要地質依 1.2.3.9巖體√電磁輻射監測法這一方法是依①據完整煤(巖石)壓縮變形破壞過程中,彈性範圍內不產生電磁輻射, 峰值強度附近時電磁輻〓射最強烈,軟化後無電磁輻射的原理,采用特制的♂儀器,現場監測 煤(巖)體變形破裂過♀程中發出的電磁輻射“脈沖”信號,通過數據處理和分析研究,來預 報煤(巖)爆。這一方法首先由俄羅」斯學者提出,我國王來貴博士後等人也在開展具體應用 研究工作,目前該方法々主要應用在煤爆監測預報領域。 武漢科技大學碩士學位論文 第11頁 1.2.4已有巖爆█研究成果綜合評價 綜◥合分析這些成果,可以得出如下認識: (1)在巖爆機理研究中☉,強度理論、剛度理論、能量理論和沖擊傾向理論仍然占主 導地位。這些理論原來都是某些研究者在他≡們親身經歷或研究的礦山巖爆基礎上,對具體 事例進行分析總結『提出來的。他們都從不同側面反應了巖爆現象的部分實質。近30年來 地∞震學和地球物理學在礦山巖爆研究中日益廣∞泛深入的應用,有力推動▓了人們對礦山巖爆 機理的→研究工作Ψ 。除上述理論♀外,其他理論基本上尚處於假說階段,在實際中應用較少。 (2)在沒有完全弄清巖爆發「生機理的前提下,到目前為止的所有巖爆的預測預報方 法都是根據巖●爆發生前有一個變⊙形加速、聲發射頻率增加和應力升高等逐漸發展變▆化過程 這一假設或前提,用各種連續或斷續的監測方法探測出☆種種先兆,對巖爆發生的危險性發 出警報。預報巖爆的困難在於有些巖爆發△生前幾乎沒有說明先兆╱,或者更準確的說是巖爆↑ 的震源生卐成過程發展太快,還未等發出警報或即使發◇出警報但還未來得及采取▃防範措施, 破壞性巖爆就※發生了;巖爆預報▓的另一個困難在於,雖然通過各種儀器監測並拾取了數據, 分析其結果∞並按照一般巖爆前兆規律或模式預計巖爆可能會發生,但實際上經過這一過程 後巖體又▓逐漸恢復穩定,結果是巖爆沒有發生。或者是預報今天巖爆要發↓生,發出來警報, 但實際上卻是過了幾天▆或較長時間才發生。巖爆預報的目的本來就是試圖降∩低巖爆可能會 造成破壞○的嚴重程度,減少對生產▓的影響。但若是我們發出來巖爆▆警報而實際上巖爆並沒 有發生,這樣就影↙響了礦山的正常生產。就目前的卐研究水平而言,巖爆的預報就有這樣一 個誤區。基於各種統計學方法的巖爆預報●方法都是根據對所研究礦山過去生產歷史上發生〇↑」 巖爆的有關信息和規律的認識。在這種特殊〓條件下,基本上不考慮地質結構構造的變化, 也不考慮采【礦工藝及采場結構參數的變化。然而眾所︼周知,巖爆的發生☆與地殼構造殘余應 力、采礦誘發的二次應力【和巖體的結構和性質等密切相關。基於統計學的巖爆預報大都存 在很∩大的局限性。在某一礦山總結的規律可供新建№礦山借鑒,但不↓能直接照搬。近幾年來, 以A.J.Mendecki為代表的南非學者發展的礦山定量地震研究成〗果,為礦山巖爆的預測預 報提供了比較堅實︽的理論基礎。總之,國內外礦山的巖爆預報實踐表〒明,對某一礦山長期 巖爆趨勢的預測一般△比較容易實現並且比╱較準確,而巖爆的¤短期預報卻要困難的多。 (3)目前已有的研究成果尚無法完全㊣滿足礦山生產的需要。隨著淺●表礦床開采活動 的逐漸消失○,深部礦床々開采逐漸增加和開采規模日益擴大,巖爆災害有增加的趨勢,嚴重 的威脅著地下結◆構、設備和人員⌒ 的安全。特別是對新建有巖爆【傾向深埋礦床的開采,由於 缺乏過去√生產歷史數據和經驗,巖爆的研究ζ工作很少,因此就顯得¤更加迫切。 1.3本文研究的目的和內容 1.3.1目前巖爆研究中存∩在的幾個主要問題 根據上述討論我們可以發◎現,目前巖爆研究至少存在以下幾個方面的不足: (1)由於缺乏堅實的理論基礎特別『是定量研究,現有的大多數巖爆預報方法均利⌒用所 第12頁 武漢科技大學碩士學位論文 研究礦山生產數據進ξ 行統計學分析結果,往往具有很︽大偏差。到目前為止也沒有找到公∏認 的及時準確的進行巖□爆預報的方法。 (2)沒有統一的巖爆的分類方法,不利於有針對性采取預防措施。采用的¤預測方法種 類繁多,但各№有利弊,理應對這些方法進行一定方式◆的綜合分析加以正確預報巖爆。 (3)針對新建深埋礦床有無巖爆危害可能的預測判↘別、以及針對預測預報如何在有◢巖 爆傾向礦山建設初期就采取各◆種可能的有效▽措施、盡可能降低巖爆¤發生頻率(礦山地√震活 動性)和不可避免巖爆的ω 破壞程度等缺乏系統研究。 1.3.2本文♀研究目的和內容 本文主要結合導師在武鋼程潮鐵◣礦“武鋼程潮①鐵礦深部開采巖爆預測與控制研究”課 題而編寫。為完善∩有巖爆傾向深埋硬巖礦床開采技術水︽平,針對目前巖爆研究中存在的主 要問題,主要結合武鋼程潮鐵礦礦床開發的具體工作,進行該礦山深部開采巖爆預測◥的理 論及◇實驗研究,提出系統的巖爆預測方案,為該礦床開∮發前期的開采設計提供決策依據。 硬巖礦床開采的巖♂爆問題研究的每一個方面都是↑相當復雜的,本文無法就有◇關巖爆的 所有問≡題都展開詳細的系統的研究。本文僅就巖爆機理與預測理論ξ和方法有◆關方面進行系 統的闡述與研◥究,希望能提供可以借鑒的↓地方。 根據↘上述研究目的,本文的主要研究內容和方法如下: (1)對已有的巖爆研究成果進行系¤統全面的分析,特別是預測理論方∑ 面進行詳細的綜 合評述,為本文的研究①奠定理論基礎。 (2)在分析國內外硬巖巖爆工程實例的基礎上,總結出硬巖發生巖爆的類型、發生機 理和破壞◥機理等,以及分析各類巖爆發生的影響ω因素及其◣影響程度大小。針對常見圍巖☆形 式一圓▓形峒室巖爆發生時巖體巖性與應力狀態進行分析,得到發生巖爆巖性條件以及ω應力 條件。 (3)通過巖石力學常規試驗確定所╳研究礦山各類巖石的卐基本力學性質,再進行巷道■模 擬圓孔試件的▃聲發射試驗,結合損傷力學理論分析該礦山深部開采巖●爆的傾向性。另外, 將判定巖爆發生的多項判據進行綜合進行巖爆的≡模糊綜合評判,以確定所研究礦山未來深 部開采時巖爆發生的可能性及◤其烈度,並判斷深部開采時發生巖爆的臨界深度。

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