高地应力条件下深部采矿岩爆机理与防治技术

高地应力条件下深部采矿岩爆机理与防治技术

杨永庆

山东省招远市北截金矿有限公司，265400

摘要：高地应力条件下的深部采矿面临着严重的岩爆问题，这不仅威胁着矿井的安全生产，也极大地影响了采矿效率和矿产资源的开发利用。岩爆机理的深入研究是预防和控制岩爆的关键，它涉及到岩石力学、地质力学、材料科学等多个学科的交叉研究。本文主要探讨了高地应力条件下深部采矿岩爆机理与防治技术。

关键词：深部采矿；高地应力；岩爆；机理；防治技术

1前言

近年来，深部矿体开采成为必然，但复杂地质条件给开采带来挑战。其中，高地应力下的岩爆问题尤为突出，成为制约深部采矿的关键难题。岩爆是高应力下围岩突然破坏并伴随弹射的现象，可引发巷道变形、设备损毁、人员伤亡等严重后果。因此，研究岩爆机理和防治技术对保障安全生产和高效资源开发至关重要。本文将分析岩爆机理，总结防治技术，并展望未来研究方向，为防治提供理论和技术支持。

2岩爆机理分析

2.1 深部岩体环境特征

2.1.1 高地应力环境

深部岩体普遍处于高地应力状态。随着开采深度的增加，垂直应力和水平应力均呈现出明显的增大趋势。高地应力环境使得岩体内部应力水平远高于浅部，应力状态更加复杂。当局部应力超过岩石强度时，岩体发生破坏，为岩爆的发生创造了先决条件。

2.1.2 高温环境

深部岩体面临显著的高温环境。地温梯度决定了岩体温度随深度增加而升高。高温改变了岩体的力学性质和变形特性，使其更易发生脆性破坏。同时，高温诱发的热应力效应也加剧了岩体的应力状态，促使岩爆的发生。

2.1.3 高渗透压环境

深部岩体常处于高渗透压环境下。地下水压力随深度增加而升高，高渗透压使得岩体内部存在显著的流体压力。高渗透压削弱了岩体强度，加剧了岩体变形，为岩爆的发生提供了有利条件。

2.1.4 复杂地质构造环境

深部岩体的地质构造条件通常更加复杂。断层、褶皱等构造使得岩体结构不连续，应力分布更加不均匀。构造薄弱带常成为应力集中区和岩爆的多发区。复杂的地质构造环境增加了深部岩爆预测和控制的难度。

2.2 深部岩体力学特性

2.2.1 岩体结构特征

与浅部相比，深部岩体的结构面发育程度更高，岩体完整性相对较差。裂隙、节理等结构面切割岩体，形成复杂的非连续介质。这种结构特征使得岩体力学行为呈现明显的非均质性和各向异性。

2.2.2 岩体强度特性

在高地应力、高温环境下，岩石的强度特性发生演变。三轴压缩试验表明，随围压增大，岩石峰值强度先增大后降低。高温条件下，岩石的弹性模量、内聚力和抗剪强度均有不同程度的降低。岩体强度的演化特征直接影响岩爆的发生。

2.2.3 岩体变形特性

深部岩体的变形特性表现出明显的非线性和时间依赖性。在高应力状态下，岩体发生显著的塑性变形和蠕变变形。这种变形特性使得岩体长期承载能力降低，失稳破坏风险增大，为岩爆的发生埋下隐患。

2.2.4 岩体蠕变特性

在高地应力、高温环境下，岩体发生明显的蠕变变形。蠕变使岩体发生应力松弛，但同时也导致岩体强度降低。长期蠕变作用下，岩体发生蠕变损伤，微裂纹萌生、扩展，最终引起岩体蠕变失稳，诱发岩爆。

2.2.5 岩体热力学特性

深部岩体的热力学特性对岩爆发生具有重要影响。受高温影响，岩体热物理性质发生显著变化，热膨胀系数、热传导系数等参数呈现复杂的温度效应。热应力的产生和热损伤的发展，加剧了岩体变形和破坏，为岩爆的发生创造了条件。

2.3 采矿扰动效应

2.3.1 采矿卸荷效应

采矿活动打破了原始地应力平衡，引起围岩应力发生重新分布。采场附近岩体发生应力卸荷，而远离采场的岩体承受额外应力。采矿卸荷诱发围岩变形、损伤和破坏，是诱发岩爆的重要因素之一。

2.3.2 采动应力再分布

采矿引起的应力再分布呈现动态演化特征。随着采矿活动的进行，围岩应力发生连续调整，不同区域应力水平发生动态变化。采动应力再分布加大了局部岩体的应力集中程度，增加了岩爆发生的风险。

2.3.3 采矿热扰动效应

采矿工程的实施改变了原始岩体的温度场。开采区周围岩体温度发生扰动，产生热应力效应。采矿热扰动与高地温环境耦合，加剧了围岩的热力学行为演化，为岩爆的发生提供了诱因。

2.4 岩爆发生机制

2.4.1 应力集中诱发机制

高地应力环境和采矿扰动共同作用，导致局部岩体发生显著的应力集中。当局部应力水平超过岩体强度时，岩体发生脆性破坏，释放出大量的应变能，引起围岩的弹射和崩落，形成岩爆。应力集中诱发是引起岩爆的直接机制。

2.4.2 应力突变驱动机制

岩爆发生时，破坏区岩体的应力瞬时释放，产生应力突变效应。应力骤降产生的冲击波对周围岩体施加强大的动载荷，引起新的岩体破坏。应力突变产生的动力效应是驱动岩爆发展的重要机制。

2.4.3 应力转移扩展机制

岩爆破坏导致局部应力快速转移，引起周围岩体发生应力调整。应力转移区的应力水平迅速升高，可能引发次生岩爆的发生，扩大岩爆破坏范围。应力转移扩展机制反映了岩爆的连锁反应特征，是岩爆灾害演化的重要机制。

2.4.4 多因素耦合作用机制

高地应力、高温、采矿扰动等因素的耦合作用，使得深部岩爆发生机制更加复杂。多因素相互影响，相互制约，共同驱动岩爆的发生发展。岩爆机理研究需要综合考虑多场耦合效应，揭示复杂条件下的岩爆发生规律。

深部岩体处于高地应力、高温、高渗透压等复杂环境条件下，岩体力学性质发生显著变化，表现出强度退化、变形加剧、损伤发展等特征。采矿扰动打破原始应力平衡，引起应力发生动态调整，诱发局部岩体破坏。应力集中、应力突变和应力转移是驱动岩爆发生发展的内在机制。复杂因素的耦合作用，使得深部岩爆发生机理更加复杂多变。

3岩爆防治技术

3.1区域治理措施

区域治理是从宏观层面采取的减小岩爆发生风险的措施，主要包括合理规划采矿布局、优化采矿顺序、降低采矿强度等。

（1）合理规划采矿布局：根据岩爆危险性评估结果，将采场布置在岩爆危险性较低的区域，避开高应力、强破坏区。优化采场形状和尺寸，减小采场跨度，控制采场周围应力集中程度。

（2）优化采矿顺序：科学安排采矿顺序，优先开采应力集中程度低的区域，待该区域形成应力缓冲带后再开采高应力区，避免应力叠加效应加剧岩爆危险性。必要时可设置保安煤(岩)柱等隔离措施，阻断采动应力扩展。

（3）降低采矿强度：控制采矿进度和采出量，减缓岩体的应力调整速率，为岩体应力缓慢释放创造条件。可通过优化工艺参数、减少爆破作业等措施降低采矿扰动强度。

3.2局部加强措施

局部加强是在采矿工程影响范围内，针对性地采取的预防和控制岩爆危害的措施，主要包括超前支护、压力释放、破碎圈护岩等。

（1）超前支护：通过超前锚杆、锚索或管棚等支护形式，加强岩爆危险区围岩的整体稳定性，限制岩体变形，阻止裂纹扩展，防止岩爆发生。超前支护可有效提高围岩抗岩爆能力。

（2）压力释放：通过大直径压力释放钻孔等措施，主动释放岩体中的高应力，诱导围岩应力缓慢均匀地释放，降低岩爆发生风险。钻孔参数的优化设计和钻孔封孔技术是压力释放的关键。

（3）破碎圈护岩：通过爆破预裂或水力压裂等方法，在开采区域周围形成破碎圈，用以隔离采动应力，阻断岩爆扩展。破碎圈可缓冲动载荷，耗散冲击能量，降低岩爆破坏程度。

4结束语

总而言之，高地应力条件下，深部采矿岩爆机理复杂，防治难度大。应力集中诱发、应力突变驱动和应力转移扩展是深部岩爆发生的基本机制。针对性地采取区域治理和局部加强相结合的综合防治措施，能有效降低岩爆灾害风险，确保深部采矿安全。

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