深竖井开挖岩爆倾向性多指标预测

金 属矿山

December 2019

METAL MINE

总第522期2019 年第 12 期

深豐并开挖岩爆攸向#多指栎颚测

刘焕新王玺1

程力1

(1.山东黄金集团有限公司深井开采实验室，山东莱州261400;2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083)

摘要工程地质勘查孔及其信息是深部岩石工程前期重要的研究对象和决策依据。综合考虑诱发岩爆的 内因和外因，从岩石性质条件、围岩应力条件、围岩地质条件三个方面选取8个评价指标，基于钻孔岩芯开展了地 应力测试、岩石力学指标测试、声波测试，分析了新城金矿新主井-930 m以下井筒开挖岩爆倾向性。结果表明：① 岩爆倾向性并非随深度线性增长，各深度水平岩爆危险性真实值应为多种因素综合作用的结果；②新城金矿新主 井-930 m以下深度井筒开挖的岩爆倾向较大，可采用作业面钻孔卸压、垂直井壁钻孔卸压、超前爆破卸压、柔性让 压支护等手段进行岩爆防治;③不同指标分级方法所得结果存在一定的差异性，说明单指标岩爆倾向性评价方法 存在一定的局限性，应建立更为科学的综合评价方法。

关键词

深竖井钻孔岩芯岩爆多指标预测

中图分类号

TD321

文献标志码

A

文章编号1001-1250(2019)-12-050-06

DOI 10.19614/j .cnki.jsks.201912008

Multi-index Prediction of Rock Burst Tendency in Deep Shaft Excavation

Liu Huanxin1 2 Wang Xi1 Cheng Li1

(1. Deep Mining Laboratory of Shandong Gold Group Co., Ltd., Laizhou 261400, China; 2. School of Civil and Resource

Engineering ^ University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract Engineering geological exploration holes and their information are important research objects and decision­

making basis in the early stage of deep rock engineering. Considering the internal and external causes of inducing rock burst, eight evaluation indexes are selected from three aspects of rock property condition, surrounding rock stress condition and sur­rounding rock geological condition. Based on the borehole core, series of tests as the in-situ stress test, rock mechanics index test and acoustic wave test are carried out to analyze the rock burst tendency of the new main well under -930 m in Xincheng Gold Mine. The results show that: (Dthe rock burst tendency does not increase linearly with the depth, and the real value of horizontal rock burst risk at each depth should be the result of a variety of factors; © the rock burst tendency of the new main shaft of Xincheng Gold Mine under -930 m is relatively high, and it can be prevented and controlled by means of drilling pres­sure relief at ihe working face, drilling pressure relief at the vertical shaft wall, blasting pressure relief in advance, ami flexi­ble pressure yield support, etc.. (3)there are some differences in the results of different index classification methods, which in- dicates that there are some limitations in the single index evaluation method for rockburst tendency, so a more scientific com­prehensive evaluation method should be established.

Keywords Deep shaft,Borehole core,Rock burst,Multi-index prediction

深部地下工程岩体开挖引起的岩爆直接影响施 工人员人身安全和设备安全，更严重影响施工进 度[|_3]。在金属矿开采行业，目前全球范围内的金属 矿开采已进入-1 000 ~-2 000 m第二深度空间[4-5]。 岩爆的预测预报及防治是世界性难题，我国对岩爆 的预测预报主要分2个阶段进行，在设计阶段结合现

场实测地应力值,通过反演初始应力场，再通过数值 模拟获得围岩应力分布，并结合室内岩石力学试验 进行岩爆倾向性分析，预测可能发生的岩爆的等级， 提出相应的对策。在施工阶段通过现场声发射、微 震监测及各种常规应力、位移监测手段对岩爆进行 预警预报，并采取减少能量集中、能量转移、吸能支

收稿日期 2019-09-22

基金项目国家重点研发项目（编号:2016YFC0600800)。

作者简介刘焕新(1988—),男，工程师，博士研究生。通讯作者王里(剛9一),男，工程师,硕士。

• 50 •

刘煥新等：深竖井开挖岩爆倾向性多指标预测2019年第12期

护等方法进行岩爆的防治[M]。岩爆的发生与岩石工 程的地质条件和工程技术条件都有关系，岩石本身 的物理力学性质等地质条件，称为诱发岩爆的内因； 工程技术条件称为岩爆的外因，包括围岩应力条件 和围岩地质条件等，如地下采矿过程中工程布置、开 挖工艺和支护工艺所引发的应力集中问题等。岩爆 倾向性的判定预测是有效防治岩爆的基础:8-n ]，而在 金属矿前期阶段往往未有任何工程揭露，开展岩爆 现场监测手段受限。但矿山前期勘察阶段往往施工 了大量的地质钻孔，大量的地质钻孔岩芯通常只基 于探矿目的进行地质编录，岩芯未得到充分利用，本 研究从岩爆发生的内因和外因出发，考虑诱发岩爆 的岩石性质条件、围岩应力条件、围岩地质条件，选 取岩爆倾向性评价指标，利用地质钻孔岩芯开展地 应力测试、岩石力学性质指标测试、声波测试，建立 岩爆倾向性分析方法体系，为深部岩体开挖岩爆防 治提供理论依据。

1岩爆取样及试样制备

山东新城金矿新建新主井，井口标高+32.9 m， 井底标高-1 494.10 m,井筒全深1 527 m,净直径6.7

m。为了解竖井深部岩体岩爆倾向性，进而指导新 城金矿深井掘进及支护设计，矿山计划在井下-930

m掘进1条巷道至竖井位置（图1(a)),在竖井中心 附近打平行钻孔，钻孔全长0 m。选取有代表性 的岩爆倾向性测试岩芯样本，根据新主井地质勘探 报告，分别在-950 m、-l 050 m、-l 150 m、-l 250

m、-l 350m、-l 450m、-l 550 m等7个水平各选取岩 样1组。对于钻孔岩芯取样位置，依据具体情况与现 场实际确定，尽量选择岩爆倾向性较大的岩体进行 试验，每组16 ~ 20个样品，单个岩芯样品长度不小于 100 mm(图1(h))。对用于实验的全部岩芯进行编 号，标明每段岩芯的起止标高、岩性等信息后，采用 腊封或保鲜膜包裹好，运至中试实验室，按相关标准 进行试件加工。

图1取芯钻孔位置与岩爆倾向性测试试样

Fig. 1 Borehole location and rock burst tendency test samples

2岩爆倾向性指标实验测试

为研究与岩性有关的岩爆倾向性指标，开展钻

2.1与岩性有关的岩爆倾向性指标

孔岩爆试验，通过岩石试件的劈裂拉伸试验、单轴压 缩全过程试验及加卸载试验获得与矿岩岩爆倾向性 有关的抗压强度、抗拉强度、弹性参数、加卸载特性、 储能及能量耗散等参数指标。

岩石单轴抗压强度是在刚性压力机上于静荷载 作用下测得的结果，岩石全应力应变曲线是静态荷 载条件下测得的岩石在受力变形直至破坏的全过程 曲线。试验过程中，先采用载荷控制方式，加载速度 为0.5 M Pa/S，在试件快要破坏时控制方式转为轴向 应变控制加载，加载控制速率（1 ~5) x 10_6,不同孔 深的岩芯单轴压缩全应力一应变曲线见图2所示。

冲击能指数是指岩石试样在峰值载荷前存储的 弹性变形能与峰值载荷后直到完全破坏这一过程所 要消耗的能量之比，其为

(1)

式中，为峰值前贮存的变形能；乓为破坏过程损耗 的变形能。反映岩石破坏过程中剩余能量的大 小，当lFtf.<2,无岩爆；心<3，弱岩爆；1.<5, 中等岩爆；

强烈岩爆;8]。

岩石的加卸载试验过程与静态单轴压缩试验基 本相同，也是在静态荷载作用下，测定岩石在峰值强 度时一次性应力卸载至零的过程曲线，如图3所示。 试验过程中，加载是采用纵向应变控制的，加载控制 速率为（1~5) x 10'新城金矿新竖井工勘孔不同孔 深岩石的全应力一应变曲线如图4所示。

通过加卸载求得岩石峰值荷载u和永久变形时 荷载《，来评价岩爆倾向性，其表达式如下：

Ka =

W„=EJE2,

, (2)

式中，心为岩石的脆性指数,尺„越大，说明岩石的脆 性越大，则岩爆发生的倾向性亦越大。& <2.0,无岩 爆；2.0$心

<6.0,弱岩爆；6.0级„<9.0,中等岩爆；

总第522期

金属

矿

山2019年第12期

1610

14002012008000080060400

i

200

/

§

2〇

y \\

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

〇 0

—

0.002 ~0.004 >----0.006 -----0.008 ■---0.010

^

应变

应变

(a ) -950 m试样

(b ) -1 150 ni试样

200

0

105

15

0

)0

0 0.001 0.002 0.003 0.0(M 0.005 0.006 0.007 0 0.002 0.004 0.006 0.008

应变 应变

(c ) -1 350 m 试样

（cl) -1 550 m 试样

图2不同孔深岩芯单轴压缩应力一应变全过程曲线

Fig. 2 Total uniaxial compression stress-strain curve of borehole core at different depth

根据加卸载应力一应变曲线下包围的面积，采 用弹性应变能储存指数判定岩爆发生的可能性。

K/也,， (3)

式中，％,为应变能储存指数(弹性能量指数）;<^p为滞 留的弹性应变能，kj;也为耗损的应变能，kj。其中,

图3岩石的加卸载试验

%<2.0,无岩爆；2.0<1<3.5,弱岩爆；3.5Fig. 3 Rock loading and unloading test

等岩爆；丨匕>5.0强烈岩爆[KMI]。

9.0,强烈岩爆[|°]。

100

100

8 o

o08

6o

6

4K1)2

o0

4110

2

0.0010.002 0.003 0.004 0 0.001 0.0020.004

应变 应变

(c ) -1 350 m试样 （d ) -1 550 m试样

图4不同孔深岩芯加卸载全应力一应变过程曲线

Fig. 4 Total stress-strain curve of loading and unloading of borehole cores at different dept

• 52 •

刘煥新等：深竖井开挖岩爆倾向性多指标预测

2019年第12期

采用单轴压缩条件下，岩石达到峰值强度以前 所储存的弹性能来判别岩爆的倾向性。其表达式如 下：

岩爆;0.55认,<0.65,弱岩爆;0.65來<0.75，中等岩爆;

Kv>0.75,强烈岩爆。

(2)钻孔岩心RQD值的确定。新城金矿新主井 附近】CK-1钻孔有些地层岩石非常破碎，完整性和 稳定性很差，即使具有再高的地应力和其他外部条 件也基本不具备发生岩爆的可能。根据RQD值岩爆 等级判别标准，当50% 70%，强烈岩爆。因此，在新城金矿新主井施工过程 中应重点关注RQD值大于50%的区域。本项目取钻 孔岩芯各测点深度附近的RQD值，见表1。2.3与应力条件有关参数的计算

岩爆作为一种复杂的动力失稳现象，是在高应 力条件下，引起硬脆性岩体在短时间内产生的储备 弹性应变能突然、快速释放，并发生岩块剥落、弹射 甚至抛掷、突发性的破裂。岩爆是由围岩的岩体强 度、围岩应力状态、岩体构造环境、工程布置和施工 工艺等多种因素综合作用的结果。其中地应力在岩 爆预测中，占有最重要的位置。因此，进行围岩岩性 调查和岩体试验，并进行现场地应力测量是研究围 岩变形破坏机理和制定相应加固处理方案的基本依 据。

钻孔围岩中切向应力和径向应力可用下式计 算：

，去(P + 9) (1 _ 7)1

~

式中，[为线弹性指数;〇■丨为单轴抗压强度，MPa; £s 为卸载切线弹性模量，MPa。其中，[<40,无岩爆;40 «%<80,弱岩爆;8fKl<200，中等岩爆;[>200，强烈岩爆[1。]。

2.2与围岩地质条件有关的岩爆倾向性指标

(1)岩体完整性系数测试。由岩石的完整性系数计算公式可知，若想获得岩体完整性系数&，就需 要知道岩体弹性纵波速Cpni和岩石弹性纵波速CF。 从目前国内外测试水平看，尚无法实现大深度钻孔 内岩体波速的现场测量，因此，采用在实验室内对取 自钻孔代表性地段的大尺度岩心（长度至少500 mm 以上）的波速来代替岩体波速的方法，如图5所示。 图5中，采用收发一体探头,/1表示振幅,/表示频率， 即时间周期P的倒数，/表示岩样的长度，C表示波速。 测得钻孔不同深度平均岩体完整性系数&见表1所/J、〇

P) I 1 - —

/ 4a2

+ -^r|cos20,

3a4 \\

(6)

°~e = ^(p + q) ^

图5波速试验原理图与波速试验

Fig. 5 Wave velocity test and its principle diagram 表1 -930 m工程地质钻孔不同孔深平均岩体完整性系数

及钻孔岩芯RQD值

Table 1 Average integrity coefficient of engineering geological borehole at different depths of below -930 m

and RQD values of borehole core

+ -jjJ

(7)

1

(Q ~ P) I 1 + -^j-|cos20,

/ 3a4\\

式中，p为铅直向应力；7为水平向应力；a为钻孔半

径;crf为径向应力；为切向应力；/•为应力计算点距 钻孔中心距离。

式(7)中，当r=a，0=90°时，可以得到钻孔最大环 向应力〇^„为

O'ftnax = 3<7 ~

(8)

采用围岩切向应力A与岩石单轴抗压强度(7,.之 比表示岩爆倾向性切向应力指数，最大主应力(T,与 岩石单轴抗压强度之比^.表示岩爆倾向性地应力指 数，计算结果见表2。其中，地应力指数S< 0.15,无

(5)

岩爆;〇.150< 0.2,弱岩爆;0.20.25,强烈岩爆。切向应力指数r<0.3，无岩爆；0.3«

深度/m

-950-1 050-1 150-1 250-1 350-1450-1 550

Cpm/(m/s)2 744.532 983.772 715.272 265.002 669.452 519.572 707.55

Cpi/(m/s)2 850.03 882.63 018.02 559.02 743.02 786.02 784.0

K、0.960.760.900.880.970.900.97

RQD/%806086831009677

K'= [Cpm/CPr] »

式中为岩体完整性系数；Cp„为岩体弹性纵波速，

r<0.5,弱岩爆；0.50.7,强烈岩 爆[9]。

■ 53 •

m/S; Cp,为岩石弹性纵波速，m/S。当& < 0.55时，无

总第522期金属矿 山2019年第12期

表2地应力指数和切向应力指数计算Table 2 Calculation of in-situ stress index and

tangential stress index

垂直

深度

主应力

水平最大 水平最小 切向主应力

主应力

应力

地应力指数

切向应力指数

应为受多种因素综合作用的结果。

(2)

井筒开挖的岩爆倾向比较大。考虑到岩石样比岩体 的体积小,节理裂隙较少，室内试验岩样测得的强度 应该大于岩体的强度，从岩性条件分析得到的倾向 性分级结果比实际要大，但从围岩应力条件和围岩 的完整性条件综合分析，井筒深部开挖需加强岩爆 的防治，可采用作业面钻孔卸压、垂直井壁钻孔卸 压、超强爆破卸压、柔性让压支护等手段进行岩爆防 治。

(3)

方法所得结果存在一定的差异性，说明单指标岩爆 倾向性评价方法存在一定的局限性，应建立更为科

总体上看，新城金矿新主井-930 m以下深度

/m-950-1 050-1 150-1 250-1 350-1450-1 550

/MPa26.4129.2233.3334.2535.9840.0140.95

/MPa32.7841.8335.3738.9541.2340.6345.84

/MPa14.5217.1816.16.8516.4414.0217.56

/MPa71.9396.2783.3582.687.7181.86.57

S0.240.430.420.470.470.490.42

T0.520.0.540.600.480.580.55

从岩爆倾向性评价结果来看，不同指标分级

3岩爆倾向性评价结果

根据前述测试结果及岩爆倾向性指标计算方

法，我们将新城金矿新主井附近jCK-l钻孔岩层发 生岩爆倾向性计算结果列出，见表3。

表3岩爆倾向性各指标计算结果

Table 3 Rock burst tendency calculation results

of each index

深度/ m

学的综合评价方法。

(4) 工程地质钻孔是工程预研的的重要手段，应 充分利用钻孔及岩芯开展地应力测试和岩爆倾向性 预测，为岩爆的防治奠定基础。

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型

^CFKuwexweTSRQD/% K,80608683

0.960.760.900.88

-9504.673 98.148 75.556 0241.846 40.520.243.983 2344.75825.274 8256.99

0.540.420.600.47

-1 0502.982 59.772 66.884 1349.8 80.0.43-1 1503.948 44.5 6-1 2504.396 65.011 6-1 350-1 450-1 550

3.41732.76832.30

[J].岩土力学,2014,35(1): 1-6.

Qian Qihu. Definition, mechanism, classification and quantitative forecast model for rockburst and pressure bump [j].Rock and Soil Mechanics, 2014,35 (1) ： 1 -6.[2]

江飞飞，周辉，刘畅，等.地下金属矿山岩爆研究进展及预

4.662 95.484 2 432.201 60.480.475.402 4

8.498 8258.218 00.580.49

1000.979677

0.900.97

7.273 67.685 4 391.803 70.550.42

测与防治[J].岩石力学与工程学报，2019,38(5): 956-972.

依据岩爆倾向性各指标分级标准，对应的岩爆 等级见表4所示。

表4岩爆倾向性评价结果

Table 4 Evaluation results of rock burst tendency

深度/m

Jiang Feifei, Zhou Hui, Liu Chang, et al. Progress prediction and prevention of rock hurst in underground metal mines | j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2019, 38 (5): 956- 972.[3]

李夕兵，宫凤强，王少锋，等.深部硬岩矿山岩爆的动静组合加

Wcf

中等弱中等中等中等弱弱

Ka

中等强弱弱弱弱中等

fVKt

强强中等强强强强

we

强强强强强强强

T

中等中等中等中等弱中等中等

S

中等强强强强强强

RQD

强中等强强强强强

K、强强强强强强强

载力学机制与动力判据[J]岩石力学与工程学报，2019,38(4):

-950-1 050-1 150-1 250-1 350-1450-1 550

708-722.

Li Xibing, Gong Fengqiang, Wang Shaofeng,et al.Coupled static- dynamic loading mechanical mechanism and dynamic criterion of rockburst in deep hard rock mines [j ].Chinese Journal of Rock Me­chanics and Engineering ,2019,38(4)： 708-722.[4]

李夕兵，周健，王少锋，等.深部固体资源开采评述与探索[J].

中国有色金属学报，2017,27(6): 1237-1262.

4结论

以工程地质钻孔岩芯为研究对象，综合考虑诱

Li Xibing, Zhou Jian, Wang Shaofeng, et al. Review and practice of deep mining for solid mineral resources [j]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2017,27(6) ： 1237-1262.[5]

谢和平深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果展望

发岩爆的内因和外因，从岩石力学性质条件、围岩地 质条件、围岩应力条件3个角度选取8个评价指标， 对新城金矿新竖井-930 m以下深部井筒开挖岩爆倾 向性进行评价，主要结论如下：

(1)从单指标评价结果来看，岩爆倾向性并非随 深度线性增长。各深度水平开挖岩爆危险性真实值

• 54 •

[J1.工程科学技术,2017,49(2): 1-16.

Xie Heping. Research frame work and anticipated results of deep rock mechanics and mining theory [j]. Advanced Engineering Sci­ence, 2017,49(2) ：1-16.[6]

973计划（2010CB732000)项目办公室.深部重大工程灾害的

孕育演化与动态理论研究进展[J].中国基础科学，2014

刘煥新等：深竖井开挖岩爆倾向性多指标预测

(4)：11-21,

Project Office of Plan 973 (2010CB732000). Researches on theo­ries of evolution mechanism and dynamical control of great disas­ters in deep engineering[J j. China Basic Science, 2014(4) ： 11-21.[7] 冯夏庭，肖亚勋，丰光亮，等.岩爆孕育过程研究[J].岩石力学与

工程学报，2019,38(4) :9-673.

2019年第12期

爆综合预测[J].岩石力学与工程学报，2001,20(1 ):3842.

Cai Meifeng, Wang Jin^n, Wang Shuanghong. Analysis on energy distribution and prediction of rock burst during deep mining exca­vation in Linglong Gold Mine[j]. Chinese Journal of Rock Mechan­ics and Engineering, 2001 ,20( 1 ):38-42.

[10] 刘树新，鲁思佐，陈阳.基于多重判据的某深部矿区岩爆倾向

性研究[J].矿业研究与开发，2017,37(2):9-12.

Feng Xiating,Xiao Yaxun,Feng Guangliang,et al. Study on the de­velopment process of rockbursts [j].Chinese Journal of Rock Me­chanics and Engieering, 2019,38(4) ：9-673.[8]

张镜剑，傅冰骏.岩爆及其判据和防治[J].岩石力学与工程学

Liu Shuxin,Lu Sizuo,Chen Yang.Study on rockburst proneness of a deep mine based on multiple criterions[j J.Mining R&D, 2017,37 (2):9-12.

[11] 张传庆,卢景景，陈裙，等.岩爆倾向性指标及其相互关系探

讨[J]•岩土力学，2017,38(5): 1397-1403.

U, 2008,27(10)： 2034-2035.

Zhang Jingjian, Fu Bingjun. Rock burst and its criteria and control [j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(10)： 2034-2035.[9]

蔡美峰，王金安，王双红.玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩

Zhang Chuanqing, Liu Jingjing, Chen Jun, et al. Discussion on rock burst proneness indexes and their relation [j]. Rock and Soil Mechanics, 2017,38(5)： 1397-1403.

(责任编辑石海林）

• 55 •