程潮铁矿深部开采岩爆预测

程潮铁矿经过近40a的开采,已初步进入深度开采阶段。为预测岩爆发生可能性及其烈度,对程潮铁矿深度-430～-700m的部位多种岩样进行岩石力学试验,提出岩爆倾向性的多种判据。通过理论预测法分别对各种岩样的倾向性及烈度进行预测,得到程潮铁矿围岩的岩爆倾向性顺序,总结出可能强度较高的几种岩石类型及其所在深度;最后结合模糊数学综合预测法,针对已有多种指标进行岩爆倾向的综合评价,得到矿区总体岩爆倾向性及岩爆临界深度,为矿区开采设计和岩爆监测预报提供了依据。

岩爆及其判据和防治

岩爆研究可以追溯到18世纪上半叶。迄今为止,虽然诸多科研成果已经问世,但岩爆仍然是一个世界性难题。作为一般性的论述,首先提供一些背景材料,涉及到国内外一些工程实例、研究方法等。然后,叙述国际范围内常用的一些岩爆判据和岩爆分级方法;论述岩爆的预测和预报;对岩爆防治,包括应力解除钻孔、注水湿化和锚固等方法进行综述。最后,对锦屏二级水电站辅助洞发生的岩爆实例进行重点介绍,并在综合已有资料的基础上对岩爆判据、分级及防治等提出意见和建议。

中国深井岩爆研究现状评述

中国深井岩爆课题研究已经有近30年的历史,但一般都停留在理论性研究方面,解决岩爆防治的实用性研究工作却没有太多成果。针对岩爆类型划分、形成机理、发生判据、岩爆预测与防治的研究现状,进行了归纳分析和评述。

预测预防岩爆的探讨

在大量的理论与实践基础上 ,通过建立一种更有效、更实用的方法对地下工程进行岩爆预测 ,提出了用岩层注水法预防岩爆的发生 。

恒阻吸能锚固岩体动力特性及控制机制

深部围岩动力灾害发生的本质在于围岩积聚能量的突然释放,通过锚固支护实现能量的有效吸收是围岩控制的常用手段,也是围岩动力灾害控制的关键。锚固岩体动力特性及控制机制研究是锚固支护合理设计的前提。基于此,研发了新型高强、高延伸率、高吸能特性恒阻吸能支护材料,开展了恒阻吸能锚固岩体动力试验,分析了锚固岩体的动力学响应特征与能量演化规律。结果表明,与无锚岩体相比,恒阻吸能锚固岩体表面损伤率和体积损伤率分别降低了62.1%和93.1%,中粒、细粒和微粒岩爆碎屑质量减少均在90%以上,总能量、平均能量和最大能量分别降低了87.6%、82.9%、80.3%,岩爆峰值应力增加了54.2%,岩爆时间延后了140.2%。同时对恒阻吸能支护构件的强度、吸能能力、剪切偏移等特征进行了分析,恒阻吸能材料的强度、形变和吸能安全储备率分别为38.8%、94.0%、97.9%,安全性好。试件上端和下端支护构件的上下总偏移量分别为0.886、0.403 mm,岩爆锚固控制应考虑围岩的剪切作用。基于岩爆能量计算模型,研究了岩爆峰值应力与能量释放的规律,明确了预应力锚固支护对岩爆的控制机制。恒阻吸能锚固使岩体岩爆的峰值应力从单轴抗压强度的1.6倍增加到2.5倍,加锚岩体岩爆所需能量是无锚岩体的2.3倍,预应力锚固支护有效降低了岩爆发生的风险。在上述研究基础上,从监测预警、控制方法、支护设计、效果评价等方面提出了岩爆防控的工程建议。

基于多重判据的高楼山隧道岩爆倾向性判别

为探究不同层理倾角对岩体岩爆倾向性的影响,以武九高速土建工程高楼山隧道的层理灰岩为研究对象,通过室内单轴加载与加卸载试验,结合弹性应变能岩爆指标、临界埋深岩爆指标、陶振宇岩爆指标和Russense岩爆指标对不同层理角度的岩样进行了岩爆倾向性综合分析。结果表明:不同岩爆指标的判别结果之间存在一定差异;层理角度对岩爆倾向性有显著性影响,当层理角度为60°时岩爆倾向性最高,层理角度为45°时岩爆临界埋深最浅;基于多重判据的岩爆倾向性判别法为在具有层理结构岩体的地下工程中进行岩爆灾害的预测预报提供了有益参考。

苍岭特长公路隧道岩爆预测和工程对策

从苍岭隧道的工程地质状况入手,结合现场实测的地应力值,通过反演得出隧道区内的初始应力场,在此基础上通过有限元分析获取了隧道开挖后的洞周应力值,以此为依据,结合室内岩石试验和不同岩爆判据,得出了勘察设计阶段本区将产生低–中等岩爆的结论,并在设计中提出了相应的对策。在施工阶段为更加准确预测岩爆,结合施工中实际状况对隧道区内的总体岩爆状况进行重新预测,结果显示低–中等岩爆区间都相应减少;同时利用现场实测应力值对前方300～500 m段进行了分阶段预测,并得出卢森判据适用于该隧道的结论。

基于经验方法的铁矿深井围岩岩爆倾向性预测

岩爆是深埋工程建设面临的关键技术难题,岩爆风险的准确预测与评估至关重要。深埋矿山岩爆风险主要取决于围岩应力水平和围岩强度之间的矛盾,岩体条件(岩性、岩石强度、岩体完整程度)是岩爆发生的物质基础,是否产生岩爆和岩爆风险程度则主要取决于围岩应力水平和状态。某铁矿深井巷道群规模大、布置方案复杂,最大埋深达到接近2300 m,文中采用FLAC^3D软件平台编制了基于经验方法的通用性岩爆倾向性预测分析程序,评估了不同深度铁矿深井巷道群围岩的应力型破坏风险,并给出支护措施建议。研究所采用的分析技术和成果在国内具有一定首创性,特别适用于满足工程前期对地下洞室群围岩岩爆风险实现快速评估的现实需求。

深埋特长公路隧道岩爆预测综合分析

岩爆预测研究对于地下工程的建设发展具有重要意义。以浙江省某深埋特长公路隧道为例,在隧址区地质调查的基础上,结合现场地应力实测数据及室内试验,通过数值模拟对典型标段隧道开挖后的二次应力场进行分析,同时根据岩石强度理论判据法及微震监测方法,对该标段可能发生的岩爆灾害进行综合预测分析,分析结果可为隧道的设计优化及顺利建设提供依据。同时,由于岩爆灾害的发生受多种因素影响,单纯通过理论判据进行预测仍具有不确定性,因此仍需在施工过程中针对存在岩爆灾害风险的标段加强现场监测。

深部板状矿体走向稳定矿柱和保护矿柱设计指南

本文概述了黄金矿山深部开采采用走向稳定矿柱和保护矿柱作为区域支护方法的研究工作。关于矿柱设计最重要的事实是，第一，在很岁情况下，迄今采用的矿柱设计准则通常不会获得满意的结果；第二，每个矿柱自身的环境独特，因此不适合于普遍的设计准则。本文提出的走向稳定矿柱和保护矿柱设计方法考虑了这些情况。

基于弹性应变能岩爆倾向性评价方法研究

岩爆是深部矿产资源开采与地下工程建设中必须解决的关键科学问题之一。以岩石强度与整体破坏准则为基础,从弹性应变能是岩爆发生的内在动力出发,建立岩爆烈度分级预测模型。研究表明:该模型考虑了原岩应力(地应力)、岩体完整性、岩石抗拉强度及泊松比对岩爆影响,反映了岩爆发生的力学要求、脆性要求、完整性要求及储能要求;揭示了岩爆既可沿洞室中心呈轴对称分布,且洞室不同部位的岩爆烈度会出现明显不同。针对无、弱、中等及高岩爆活动4个级别,提出3个分级界限值(3,10和110)。利用已有的岩爆经典模型与本文模型,对国内一些重大深部岩石工程岩爆情况进行预测,结果表明,基于弹性应变能岩爆分析模型与实际情况吻合得较好。因而,弹性应变能的岩爆分析模型,对岩爆预测具有重要的意义。

强度准则与岩爆判据统一的研究

可释放应变能释放是材料屈服破坏及岩爆发生的内在机制,基于此,研究强度准则与岩爆判据采用统一表达式的可能性。首先,将可释放应变能(U^r)看作由弹性应变能(U^(re))与未知可释放应变能(U^(rx))两部分构成,提出U^(re)由与J_2有关的偏量弹性应变能(U^(reJ_2))及与I_2有关的张量弹性应变能(U^(reI_2))两部分组成,并分析了U^(rx),U^(reJ_2),U^(reI_2)对屈服破坏及岩爆的影响;其次,探讨了U^(re)与J_2,I_2及泊松比u的内在关系,提出一个能表示U^(re)的新应力不变量;最后,从能量转化的角度,分析了现有强度准则与岩爆判据存在的不足之处,并以现有强度准则为基础,建立了将强度准则与岩爆判据统一表示的广义强度准则。对真三轴试验数据及岩爆实例的计算,表明广义强度准则计算结果与实际情况吻合得较好,并分析了产生上述结果的内在机制。