深部开采岩爆机理与控制.ppt

深部开采岩爆机理与控制 1岩爆发生条件和分类 A岩爆发生条件岩爆的发生有其内因和外因 内因是指岩体本身固有的岩爆力学性质 实验室进行岩石强度试验时 岩石发生破坏前储存的弹性变形能多 峰值后岩石的变形曲线下降速度快 到达完全破坏所需时间短 外因条件是 巷道或采场开挖后 采矿的二次应力与残余构造应力叠加后的应力场 达到某种组合条件 使应力达到或超过岩体破坏的临界值 B岩爆分类 1 应变型岩爆在高应力地区 巷道掘进造成垂直于原岩最大主应力方向上巷道壁处岩体的最大切向主应力超过岩体强度 发生猛烈破坏并释放出储存的应变能 应变型岩爆破坏性小 厚度一般不超过0 5m 局部膨胀或小块岩石弹射为主 震动很小 2 弯曲破坏岩爆垂直于层状岩体掘进时 由于平行于岩层层理方向的原岩应力很高 当岩层暴露面积过大时 岩层会突然弯曲折断 此岩爆破坏深度可达1m左右 产生的震动较大 3 矿柱型岩爆房柱采矿法的矿柱 留点柱分层充填法的点柱 井筒的保安矿柱和长壁法采场工作面等的突然破坏诱发矿柱周围岩体瞬间垮落 此岩爆比前两者破坏性都大 易引发连锁式反应导致大范围塌落 4 剪切型岩爆岩体大面积开挖导致周围未采岩层内应力急剧升高 当应力满足完整岩体破坏条件时 沿某一方位的完整岩体发生剪切破裂 从而上下盘岩体发生错动 错动产生的岩体位移传播到采场或临空面时 造成自由面附近岩石突出和破坏 5 断层滑移型岩爆采矿解除了长期施加因构造弱面法线方向的夹持力 导致断层活跃起来 产生沿原来弱面的重新滑动 当岩体位移传播到采场或临空面时 导致岩体大量破坏 2岩爆危险性判据 a 最大应力强度理论实际已证明岩爆发生在巷道开挖后最大主应力处 岩爆的应力判据 1围 c 0 2几乎不发生岩爆0 2 1围 c 0 388可能发生岩爆0 388 1围 c 0 55非常可能发生岩爆 1围 c 0 55几乎肯定发生岩爆b 能量释放率 ERR 理论开挖面上爆破后的应力突降为零 开挖面外部围岩对面内逐渐降低的支护力所作的功表现为开挖面上的多余能量 称为释放能Wr dWr dv即为体积能量释放率ERR 南非金矿标准是ERR 30MJ m3 c 超剪切应力 ESS 理论超量剪切应力ESS是指剪切或滑动破坏发生前后滑移面上的剪切应力差 ESS 20MPa极可能发生破坏性岩爆ESS 15MPa可能发生破坏性岩爆5MPa ESS 15MPa可能发生破坏性较小岩爆ESS 5MPa发生岩爆的可能性较小ESS 0MPa不会发生岩爆d 刚度理论矿柱承受的载荷超过其峰值后 变形曲线下降段的刚度为 用其与围岩加载系统的刚度k的比例关系判定矿柱和围岩破坏系统的稳定性 即岩爆判别的刚度理论 刚度矩阵K 的对角线均为正值时系统不会发生失稳破坏 否则就会出现岩爆 e 弹性能量指标又称岩爆倾向指数WET 弹线变形能 塑性变形能WET 15有强岩爆倾向WET 10 15有中等岩爆倾向WET4 4 有强岩爆倾向g 弹性变形能系数岩石加载到0 7 c后再卸载到0 05时 卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比w w 70 时会产生岩爆 w越大发生岩爆的可能性越大 h 岩石冲击能指标Wcf F1 F2F1 F2分别为岩石的载荷 变形全图中经峰值荷载为界的左右部分曲线与变形坐标轴围成的面积 Wcf 3有强岩爆倾向Wcf 2 3有弱岩爆倾向Wcf 2无岩爆倾向i 岩石脆性系数岩石的脆性指标越高 发生岩爆的可能性越大 3影响岩爆发生的因素 a 地质构造岩爆大都发生在褶皱构造中 岩爆与断层 节理构造密切相关 当掌子面与断裂或节理走向平行时容易触发岩爆 b 硐室埋深随着硐室深度增加 岩爆次数增多 强度也增大 发生岩爆的临界深度H可用下式估算 式中 为岩石的容重 为岩石单轴抗压强度 为岩石的泊松比 为考虑岩石双向受力状态的系数 1 4岩爆防治技术 A区域防治a 合理的采矿工艺和开采顺序b 合理的支护形式B局部防治 1 注液弱化 向围岩内打注液钻孔 注入水或化学试剂 使岩石的强度及力学指标降低 2 钻孔弱化 通过向围岩个钻大孔达到弱化围岩 实现应力向深部转移的目的 3 切逢弱化 切缝一般与引起应力集中的主要方向相垂直 弱化围岩 4 松动爆破卸压法 有超前和侧帮应力解除法两种 前者是在工作面前方围岩中打超前爆破孔和爆破补偿孔 后者是在工作面之后的巷道侧帮围岩内钻凿卸压爆破孔 用炸药爆破方法人工形成一破碎带 以合高应力向深部岩层中转移 上述4种都是围岩弱化法 通过减少围岩的应力集中区域内的岩体强度来重新分配荷载分布 5 加固围岩 通过提高围岩的强度 或自承能力 为出发点 6 开挖