深部矿山巷道岩爆倾向性预测及防治技术研究

中图分类号:TD32 文献标志码：A 文章编号：1671-4172(2021)03-0041-08Study on rockburst tendency prediction and prevention technology of

deep mine roadwayLI Zhun1, MIAO Yonggang2, XIA Zhiyuan1(1. School of Civil & Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China；

2. BGRIMM Technology Group,Beijing 100160,China)Abstract: During the mining of deep mines, rock bursts occur from time to time due to high ground stress and

complex geological conditions. Using a variety of rockburst criteria ? combined with AHP-FUZZY comprehensive evaluation of the rockburst tendency of deep rock masses, and combined with the actual situation of the mine, rock

burst prevention measures were proposed, and two types of feasible support plan were designed based on the rock burst support design principles. The stress concentration position, size and other parameters and failure

characteristics were analyzed?the original plan of the mine was used to compare> and the support was optimized・ It

provides practical reference value for the prevention and control o£ rock burst in mining.Key words: rockburst tendency; hierarchical analysis ； rockburst prevention ； support optimization岩爆是一种常见的典型工程地质灾害现象，在 矿山开采、隧道开挖、水利工程等高地应力和复杂地

的问题，所以岩爆倾向性预测及防治措施需要结合 实际工程,根据实际情况进一步研究探讨,避免岩爆

质条件的工程时有发生。岩爆往往极具破坏性，对 生命财产安全构成极大的威胁，也严重影响了工程

造成重大灾害。的稳定性。因此，国内外学者对岩爆的研究一直没

1 工程概况南和沟矿区是胡家峪矿业有限公司的主产矿

有停止过，目前也取得了很多有巨大价值的成果，但

由于地质条件的复杂性、岩爆显现的突发性等诸多 因素，在岩爆机理及岩爆判别标准方面还有很多不 足，没有统一的标准，不能进行准确有效的预测

区，目前已经开拓到一75 m中段，埋深达千米，进入 深部开采阶段。矿区在基建和开采过程中，在一75、

+ 190和+ 240 m中段发现不同程度的地压显现，

主要表现为巷道拱顶下沉甚至塌方、墙体片帮与开

其中，最突出的问题是岩爆倾向性预测理论很多局 限于理论阶段，不能很好地指导在矿山实际中遇到

作者简介:李准(1993-),男，硕士，矿业工程专业，主要研究方向为

裂、支护后的钢拱架变形严重、岩爆现象偶发。在实 际生产过程中发现新掘进的巷道有透镜状岩片剥

地压控制理论与技术。落,两帮上部发现有小型三角状破裂面，这是典型的42韦色金属（矿山部分）第73卷岩爆特征，而且经工作人员描述有弹射的枪炮声，根 据现场调研及以往资料表明，南和沟矿区存在岩爆

2 岩爆倾向性分析2.1基于应力-强度判据的岩爆倾向性预测DRussenes 判据现象。南和沟矿区后续将继续开采+ 190,+ 140,

+ 90、+ 40,-10 m五个中段，随着开采深度的增

大，地压将显著增大，经过计算测量，在+ 190 m中

Russenes岩爆判据的判别标准如下凶:段最大主应力达30. 2 MPa,处于高地应力范围，面 临极大的岩爆风险。'ae/Rc < 0. 20 (无岩爆)(弱岩爆)(中岩爆)(强岩爆)岩

(1)0. 20 < os/Rc < 0. 30 0. 30 < ae/Rc < 0. 55 ,as/Rc 5? 0. 55

石单轴抗压强度，MPa。下同。围岩以矽化大理岩为主，黑色片岩次之,另外还 有钙质云母石英片岩和厚层大理岩。抗压强度测定 标本按不同岩性矿体围岩顶底板进行采集，得到矽 化大理岩平均单轴抗压强度82.05 MPa,厚层大理

式中：可一巷道最大切向应力，MPa；

岩平均单轴抗压强度57. 13 MPa,黑色片岩平均单

依据Russenes岩爆判据标准，四种岩石的岩爆

轴抗压强度69. 66 MPa,钙质云母石英片岩平均单 轴抗压强度66. 24 MPa。判别结果见表lo Russenes岩爆判据平均值为0. 535,初步判断胡家峪南和沟矿有中等岩爆倾向。表1 Russenses判据分析结果Table 1 Russenses criterion analysis results岩性列 /MPa36. 136. 136. 136. 1Rc /MPa82. 0557. 1369. 6666. 24Russenses 判据0. 440. 630. 520. 55岩爆倾向性中岩爆强岩爆矽化大理岩厚层大理岩黑色片岩中岩爆强岩爆钙质云母石英片岩2) Hoek判据Hoek岩爆判据的判别标准如下⑷:3）谷-陶判据谷-陶岩爆判据标准如下\"勺:(71 V 0. r0. 34oq/Rc = V（少量片帮）（严重片帮）（需重型支护）15RC（无岩爆发生）0. 420. 56〔0. 70(2)Y6 < (0.15 〜0. 2)R（低岩爆活动）

（中等岩爆活动）<71 V (0. 2 〜0. 4)&,ffi > 0. 4RC（高岩爆活动）,、(3)（严重岩爆）依据Hoek岩爆判据标准，四种岩石的岩爆式中：6 —巷道最大主应力，MPa。依据谷-陶岩爆判据标准，四种岩石的岩爆判别判别结果见表2。Hoek岩爆判据平均值为0. 535,初步判断胡家峪南和沟矿有严重片帮倾向。结果见表3。谷-陶岩爆判据平均值为0.448,初步判断胡家峪南和沟矿有高岩爆倾向O表2 Hoek判据分析结果Table 2 Hoek criterion analysis results岩性eg /MPa36. 1Rc /MPaHoek判据0. 440. 630. 520. 55岩爆倾向性矽化大理岩厚层大理岩82.05严重片帮36.136. 136. 157.1369. 6666. 24需重型支护严重片帮严重片帮黑色片岩钙质云母石英片岩表3谷■陶判据分析结果Table 3岩性Ji /MPa30. 230. 230. 230. 2Gu-Tao criterion analysis resultsRc /MPa82. 05谷-陶判据0. 370. 530. 430. 46岩爆倾向性矽化大理岩厚层大理岩中等岩爆高岩爆高岩爆高岩爆57.1369. 6666. 24黑色片岩钙质云母石英片岩第3期李 准等:深部矿山巷道岩爆倾向性预测及防治技术研究432.2基于能量判据的岩爆倾向性预测1）冲击能量指数判据岩爆冲击能量指数计算公式及判别标准如

式（4）和（5）所示，图1为冲击能量指数计算示 意图叭% = E]/E2

过程损耗的变性能。（4）式中：Ei —峰值前储存的变性能；E2 —破坏

'Wcf < 2 （无岩爆倾向）（弱的岩爆倾向） （强烈的岩爆倾向）（5）2 < Wc/ < 3 .3 < Wcf

四种岩石试样全应力-应变曲线如图2所示。岩爆判别结果见表4。冲击能量指数平均值为图1冲击能量指数计算图Fig. 1 Calculation diagram of impact energy index60厂2. 825 ,初步判断胡家峪南和沟矿有弱岩爆倾向。9080（a）矽化大理岩（b）厚层趣岩\\心曲线706o 5o 4o 3o

40302020101000.0020.0040.0060.00800.0020.0040.0060.008轴向应变&80厂轴向应变£80厂(c)黑色片岩70 -（d）钙质云母石英片岩O£曲线70 -曲线60 -50403060 -50403020102010

00.0020.0040.0060.00800.0020.004 0.0060.008 0.010轴向应变£轴向应变£图2四种岩石试块全应力■应变试验曲线Fig. 2 Full stress-strain test curves of four kinds of rock test blocks表4冲击能量指数Wb分析结果Table 4 Impact energy index Wcf analysis results岩性Ei0. 360. 24Ez0. 150. 120. 110. 14冲击能量指数wc/2. 402. 003. 80岩爆倾向性矽化大理岩厚层大理岩弱岩爆弱岩爆黑色片岩0. 420. 43强烈岩爆钙质云母石英片岩3. 10强烈岩爆44韦色金属（矿山部分）第73卷2）弹性应变能指数W“判据弹性应变能指数W“计算公式及判别标准如式

6和式7所示，图3为弹性应变能指数W“计算示意

图冋。W“ = Er/Ed （6）式中：Er —试块卸载时恢复的弹性应变能;Ed —试块加卸载循环中耗散的能量。'Wa < 2. 0

（无岩爆倾向）<

2. 0 < 3. 5 <

< 3. 5 （弱的岩爆倾向） < 5. 0 （中等的岩爆倾向）（强烈的岩爆倾向），、（7）.5. 0 <

四种岩石试样加卸载试验曲线如图4所

示。岩爆判别结果见表5。弹性应变能指数平 均值为2. 591,初步判断胡家峪南和沟矿有弱岩

图3弹性应变能指数计算图Fig. 3 Calculation diagram of elastic strain energy index爆倾向。（a）矽化大理岩55 -50 -45403530252015105

(b)厚层畑岩kg曲线40 -35 -30

25 20 15

105

o

0.002 0.0040.006 00.001 0.0020.003轴向应变£555045轴向应变&（c）黑色片岩50 -/I 曲线@）钙质云母石英片岩£曲线45 _403530252015105

3530252015105

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0 0.002 0.004 0.006 0.008轴向应变£ 轴向应变£图4四种岩石试块加卸载试验曲线Fig. 4 Test curves of four rock test blocks under loading and unloading第3期李准等:深部矿山巷道岩爆倾向性预测及防治技术研究表5弹性应变能指数可或分析结果Table 5岩性45Elastic strain energy index Wa analysis resultsed0. 0410. 0120. 0200. 032Er0. 0690. 0330. 078弹性应变能指数1. 6832. 7503. 900岩爆倾向性无岩爆弱岩爆矽化大理岩厚层大理岩黑色片岩钙质云母石英片岩中岩爆弱岩爆0. 0652. 0312.3层次分析模糊综合评判应用层次分析法(AHP)分析影响岩爆的各种因素

并赋予权重大小,进行一致性检验后将其结果代入模

b2表8判断矩阵Table 8 B2 -C judgment matrix糊综合评判公式，即AHP-FUZZY综合评判法B讷。1)岩爆判据层次结构分析前述岩爆判据可归纳为应力-强度判据和能量判据

Qc5c411/3c531层次单排序结果见表9,经一致性检验,G值均

两个方面,可以建立岩爆层次结构模型，如图5所示。小于0.10,说明建立的判断矩阵合理可靠。层次总 排序结果见表10,层次总排序结果经一致性检验,

Cr值均小于0.10,证明分析结果令人满意。表9层次单排序结果Table 9 Hierarchical single sort results排序层ArBkAmaxCiCR(0.75,0. 25)23. 0200.0100. 019图5岩爆发生及强度梯阶层次结构模型Fig. 5 Rockburst occurrence and intensity cascade structure modelBi-C(0.24,0. 21,0.55)(0. 75,0. 25)b2-c200利用倒数标度法，构造各层次中各因素指标的

表10层次总排序结果Table 10 Hierarchical total sort results排序Cl权值判断矩阵，建立好的层次结构模型中设定的总

Bi 0.75B2 0. 250. 000. 000. 000. 750. 25层次总排序权值0.18目标为岩爆发生及强度(A),将其与判据准则(B)构

0. 240. 210. 550. 000. 00造的判断矩阵见表6,各判据准则中组成因素之间 的相对重要性判断矩阵见表7、表8。表6 4B判断矩阵Table 6 A-B judgment matrixCzc3c4c50.160.410. 190. 06ABib2Bi11/3b231根据层次总排序结果，五种岩爆判据对岩爆的

发生影响程度是不同的,其中谷-陶判据能较好地反

映岩爆倾向性，其次还有冲击能量指数，Russenes

岩爆判据。因此，在进行岩爆综合评价时要重点考

表7 Bi-C判断矩阵Table 7 Bi -C judgment matrixBiCi1虑这三个判据。C21Cic2c3c31/22)岩爆级别评价本文将应用的几个岩爆判据进行重新分级，以

12131/3便于应用于模糊综合评判的指标分析中，新划分的 岩爆判据有4个等级，其界限值见表11。1表11岩爆级别评价Table 11 Rockburst grade evaluation岩爆判据

Russenes 判据-岩爆等级无岩爆<0.20弱岩爆0. 20〜0. 300. 34〜0. 56中等岩爆0. 30〜0・ 550. 56〜0. 700. 20〜0.402. 50〜3. 003. 50〜5. 00强烈岩爆>0. 55>0. 70Hoek判据<0. 34<0.15<2.00<2.00谷-陶判据冲击能量指数判据0.15〜0. 202. 00〜2. 502. 00〜3. 50>0. 40>3.00弹性应变能指数判据>5.0046枣色会属（矿山部分）第73卷3）层次分析-模糊综合评价统计并分析评价指标值的分布特点，确定标准

方程为貶次抛物线型模糊分布的隶属函数，方程 如下3 :jXi W ai(bi~ Xi\\k U1 (①)=xbi — qJ(8)益> bi'(h — at\\k\\b{ — Xi /心＜ a；Uz (占)=1(9)/bi—a{ \\k qJXi > bi、\\Xi 一\\bi — aJ< biU3 (1 )=1bi

Ci(10)(Ci—bi \\k

、\\^i — bi )g > Ci0Xi < bi\"4 (1 )=\\c； ~ bi )< ^ < Ci(IDJ七> Ci式中：％1（签）、“2 （如）、“3 （工：）、“4（Z）为判据 X，i

对四个岩爆级别可能性的隶属度;益为第分个判据 的指标值皿、bz为第£个判据指标分界值。将上述五个岩爆判据的判据结果值分别代入上

面4个式子中，可求得五个岩爆判据的模糊关系

矩阵：一 00. 29910. 940-0. 11410.6360u =00.1680. 806100. 60610. 6500. 606110 _通过层次分析法得出的权矩阵向量W =

（0. 18 0. 16 0.41 0. 19 0. 06）,将权矩阵向量W和模糊关系矩阵U进行加权平均计算，最终得到 各判据的模糊综合评判集B = WU = （0.055 0. 458 0. 862 0. 703）按最大隶属度原则，可以综合判定胡家峪南和 沟矿区有中等岩爆倾向。3 岩爆防治措施3.1改变围岩力学性质1） 预先打超前卸压孔或爆破卸压在+ 240、+ 190、一75 m中段巷道掘进时，可预 先超前打卸压孔，卸压孔深一般为2〜3 m,可沿巷

道轴向或径向在巷道边帮布置卸压孔，仰角一般不 大于30°,可有效降低应力集中，预防岩爆的发生。

也可利用局部爆破的方式爆破卸压，对围岩进行破

碎松动，降低应力集中，耗散围岩中储存的能量。2） 喷洒水或注水软化围岩在巷道掘进过程中，当岩石软化系数比较小时， 通过向围岩喷洒水，水可渗入岩石孔隙，使岩石软 化，降低强度，有效降低岩爆的可能性；当岩石软化

系数比较大时，向巷道帮壁喷洒水效果并不理想,可

通过打注水孔，将水压入岩体.利用水的劈裂作用

将岩石节理裂隙扩张，降低围岩表面张力，降低岩爆 的倾向性。3.2加固围岩措施胡家皓南和沟矿区的原支护方式为锚网喷支护,

采用管缝式锚杆，锚杆长度L 6 m,间排距1 000 mmX

1 000 mm,喷射混擬土厚度100 mmo根据现场调査

的结果以及矿山记录资料,地压显现严重，且有岩爆 现象的发生，说明现有的支护方式不能满足安全生产

的要求。结合胡家傭南和沟实际支护形式，根据围岩

的完整性程度提出两套方案，方案一（图6）为锚网喷

支护+浇筑混凝土支护,方案二（图7）为注浆加固联 合锚网喷支护，两套方案均采用全长树脂锚杆进行加

强支护，锚杆规格20 mmX 2 000 mm,锚杆间排距

0. 8 mX0.8 m,呈梅花型布置。图6支护方案一(单位：mm)Fig, 6 Sapport plan one( Unit：mm)第3期李准等:深部矿山巷道岩爆倾向性预测及防治技术研究47以上两套方案依托FLAC3D软件，并选取

Russenes判据作为判断标准。以一75 m中段硬岩

断层接触带作为研究区域进行对比，得到的切向应 力值变化如图8,9所示。FLAC3D 5. 00Contour of XZ-stressPlane: an

Calculated by: vohimetric averagingI1 1.7881.750 3E+070E+07 ■ 1.500 0E+071.250 0E+07 1.000 0E+077.500 0E+06 5.000 0E+06■ G 212.500 0E+06 0.000 OE+00 -2.500 0E+06 -5.000 0E+06 -7.500 0E+06.-1.0001 -1.250 0E+070E+07 1 -1.500 0E+07 | -1.724 8E+07图8方案一切向应力值Fig. 8 Tangential stress value of plan oneFLAC3D 5. 00@2012IUacaconul现group,Inc.Contour ofXZ-stressHane onCalculated by: volumetric aver^iiigI1.5126E+071.500 0E+071.250 0E+071.000 0E+077.500 0E+065.000 0E+062.500 0E+060.000 0E+00F -2.500-5.000 0E+060E+06-7.500 0E+06 I-1.0000E+07-1.250 0E+07-1.500 0E+07-1.533 8E+07图9方案二切向应力值Fig. 9 Tangential stress value of plan two支护方案一的最大切向应力值为17. 88 MPa,较 原始值22. 94 MPa减小5. 09 MPa,减少幅度22%。

支护方案二的最大切向应力值为15.12 MPa,较原始

值22. 94 MPa减小7. 6 MPa,减少幅度33%。根据

Russenes判据标准，采用两套支护方案后由中等级岩

爆降低为弱等级岩爆和无岩爆,所以改进后的支护方 案对控制岩爆有很好的效果。4 结论1) 从应力-强度判据角度以及能量判据角度分

析岩爆倾向性，主要用Russenes岩爆判据、Hoek岩

爆判据、谷-陶岩爆判据、冲击能量指数判据、弹性应

变能指数判据对矽化大理岩、厚层大理岩、黑色片

岩、钙质云母石英片岩四种岩性进行岩爆倾向性预 测。最后结合层次分析-模糊综合评判法综合五个 判据指标分析得出胡家峪南和沟矿有中等程度岩爆

倾向，使得评判结果更合理。2) 结合矿山实际情况，提出了两种岩爆防治措

施，一是改变围岩的物理力学性质，二是加固围岩，

并设计了两套支护方案，依托FLAC3D数值模拟软

件，分析两种支护方案对岩爆的控制效果，在岩爆发 生风险高的区域可优选两种支护方案。参考文献[1]钱七虎.岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模

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