D0I:10.13374/i.issnl00It03.2009.12.002 第31卷第12期 北京科技大学学报 Vol.31 No.12 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 程潮铁矿岩爆倾向性分析及其能量预测 姚高辉)吴爱祥)王洪江)许梦国) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉430081 摘要根据系统的工程地质调查，在对井下一430~一568m范围内岩样进行力学实验研究的基础上，采用RMR岩体分类 方法和高地应力条件下适应性较好的Q系统，对深部围岩进行了工程分类，并分析了RMR,RQD与岩爆的关系·认为程潮铁 矿深部（一500m以下）岩体发生岩爆的可能性较大.通过对矿区地应力分布规律的研究，探讨了矿区高应力环境对岩爆孕育 的影响，最后，通过对矿区采场三维有限元数值模拟，分析了深部开采矿岩能量分布规律，据此推断该矿岩爆临界深度在 一500m水平.从模拟结果可以看出：地应力环境受上部开采活动的影响，一500m水平应力明显增加，高于一533m水平； 一533m水平以下，随着垂直深度增加，矿岩能量最大值逐渐增大. 关键词岩爆：岩体分类；三维数值模拟：弹性应变能 分类号TD322+.4 Rockburst tendency analysis and its energy prediction in Chengchao Iron Mine YAO Gao-hui),WU Ai-xiang.WANG Hong'jiang,XU Meng"guo2) 1)School of Civil and Environmental Engineering University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)College of Resources and Environmental Engineering.Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081.China ABSTRACI According to the results of systematical engineering geological surveys.based on the rock mechanical experiment of specimens from-430m level to-568m level,the 0 system which is well applicable to high geostress conditions and the RMR method were applied to rock engineering classification.The relation of rockbursts to the values of RMR and RQD was analyzed.It is known that there is the probability of rockbursts below-500m level in Chengchao Iron Mine.The influence of high geostress envi- ronment on rockburst preparation was discussed by studying geostress distribution laws.Finally.the distribution state of energy in surrounding rockmass during deep mining excavation was studied by 3D FEM numerical analysis,and it is inferred that the critical depth of rockbursts is-500m.On the base of simulation results,the in"situ stress strengthens significantly at-500m level due to the impact of upper mining activities,higher than at-533m level.Below-533m level,the maximum value of rockmass energy al- so progressively increase with the incremental vertical depth. KEY WORDS rockbursts:rock classification:3D numerical simulation:elastic strain energy 程潮铁矿经过近40年的开采，采矿生产的主要 解决程潮铁矿深井开采岩爆问题是不可行的，因 作业地点深度已超过500m,开拓工程的深度达到 此，有必要结合程潮铁矿的矿床地质条件、岩体力学 1100m,深部开拓和开采将面临岩爆灾害的影响. 性质和地应力分布规律，对其岩爆倾向性进行研究， 为了保证矿床安全生产、井下工作人员的人身安全 这对矿床安全开采具有重大的现实指导意义， 及设备正常运行，本文开展了程潮铁矿深部开采岩 1矿体及围岩特征 爆灾害预测研究，目前，满足工程需要的岩爆预测 方法技术多偏于从发生过的岩爆灾情出发，不具预 矿区位于湖北省鄂州市东南的泽林镇，东起细 知性和普遍性，显然，直接套用现有的理论成果来 王冲，西至塔桥庙一带，矿体东西长2300m,南北宽 收稿日期：2009-02-25 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(No.2006BAB02A01) 作者简介：姚高辉(1983一)，男，博士研究生：吴爱祥(1963一)，男，教授，博士生导师，Emai1l:wuaixiang@126.com
程潮铁矿岩爆倾向性分析及其能量预测 姚高辉1） 吴爱祥1） 王洪江1） 许梦国2） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 武汉科技大学资源与环境工程学院武汉430081 摘 要 根据系统的工程地质调查在对井下－430～－568m 范围内岩样进行力学实验研究的基础上采用 RMR 岩体分类 方法和高地应力条件下适应性较好的 Q 系统对深部围岩进行了工程分类并分析了 RMR、RQD 与岩爆的关系．认为程潮铁 矿深部（－500m 以下）岩体发生岩爆的可能性较大．通过对矿区地应力分布规律的研究探讨了矿区高应力环境对岩爆孕育 的影响．最后通过对矿区采场三维有限元数值模拟分析了深部开采矿岩能量分布规律据此推断该矿岩爆临界深度在 －500m水平．从模拟结果可以看出：地应力环境受上部开采活动的影响－500m 水平应力明显增加高于－533m 水平； －533m水平以下随着垂直深度增加矿岩能量最大值逐渐增大． 关键词 岩爆；岩体分类；三维数值模拟；弹性应变能 分类号 TD322＋∙4 Rockburst tendency analysis and its energy prediction in Chengchao Iron Mine Y A O Gao-hui 1）W U A-i xiang 1）W A NG Hong-jiang 1）XU Meng-guo 2） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） College of Resources and Environmental EngineeringWuhan University of Science and TechnologyWuhan430081China ABSTRACT According to the results of systematical engineering geological surveysbased on the rock mechanical experiment of specimens from －430m level to －568m levelthe Q system which is well applicable to high geostress conditions and the RMR method were applied to rock engineering classification．T he relation of rockbursts to the values of RMR and RQD was analyzed．It is known that there is the probability of rockbursts below －500m level in Chengchao Iron Mine．T he influence of high geostress environment on rockburst preparation was discussed by studying geostress distribution laws．Finallythe distribution state of energy in surrounding rockmass during deep mining excavation was studied by 3D FEM numerical analysisand it is inferred that the critical depth of rockbursts is －500m．On the base of simulation resultsthe in-situ stress strengthens significantly at －500m level due to the impact of upper mining activitieshigher than at －533m level．Below －533m levelthe maximum value of rockmass energy also progressively increase with the incremental vertical depth． KEY WORDS rockbursts；rock classification；3D numerical simulation；elastic strain energy 收稿日期：2009-02-25 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目（No．2006BAB02A01） 作者简介：姚高辉（1983－）男博士研究生；吴爱祥（1963－）男教授博士生导师E-mail：wuaixiang＠126．com 程潮铁矿经过近40年的开采采矿生产的主要 作业地点深度已超过500m开拓工程的深度达到 1100m深部开拓和开采将面临岩爆灾害的影响． 为了保证矿床安全生产、井下工作人员的人身安全 及设备正常运行本文开展了程潮铁矿深部开采岩 爆灾害预测研究．目前满足工程需要的岩爆预测 方法技术多偏于从发生过的岩爆灾情出发不具预 知性和普遍性．显然直接套用现有的理论成果来 解决程潮铁矿深井开采岩爆问题是不可行的．因 此有必要结合程潮铁矿的矿床地质条件、岩体力学 性质和地应力分布规律对其岩爆倾向性进行研究 这对矿床安全开采具有重大的现实指导意义． 1 矿体及围岩特征 矿区位于湖北省鄂州市东南的泽林镇东起细 王冲西至塔桥庙一带矿体东西长2300m南北宽 第31卷 第12期 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．12 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．12．002
第12期 姚高辉等：程潮铁矿岩爆倾向性分析及其能量预测 ,1493 800m,平均厚度53m,倾角46°.矿体多呈透镜状、 长玢岩、大理岩、矽卡岩、花岗岩、花岗斑岩和石英闪 扁豆状或脉状，常呈叠瓦状排列，Ⅲ#、Ⅵ*和Ⅲ*矿 长斑岩等，通过对一430一568m水平进行工程地 体深部延伸部分及其他小的零散分布矿体是未来主 质调查和采集岩样的室内实验，得到各矿岩体的工 要的开采对象，矿体顶底板围岩主要有闪长岩、闪 程地质特征，如表1所示， 表1矿区矿岩工程地质特征 Table 1 Rock engineering geological characteristics 单轴抗压 裂隙间距/ ROD/ RMR岩体分级 Q系统岩体分类 岩体 强度/MPa cm % RMR值 等级 Q值 评级 闪长岩 140.4~152.2 522 23.9-53.0 44-60 Ⅲ 1.4943.313 差 闪长玢岩 143.3376.8 6-20 50.3-64.5 58-62 Ⅲ~Ⅱ 5.030-6.450 一般 大理岩 44.0-157.8 715 34.8-47.4 43~57 Ⅲ 0.574~0.782 很差 矽卡岩 120.4280.9 12-25 44.6-57.1 48-60 Ⅲ 2.9733.807 差 花岗岩 126.8237.2 525 43.7-64.2 48-65 Ⅲ-Ⅱ 3.991-5.417 差~一般 花岗斑岩 172.1-248.7 4-20 24.0-58.6 53-60 2.900-4.343 差一一般 石英长石斑岩 59.2-206.4 635 48.8-63.2 4963 Ⅲ~Ⅱ 5.4907.110 一般 磁铁矿 128.5-130.4 4-21 36.4-48.7 39-54 1.040-1.391 差 从表1可知，对于同一类别的围岩，采用Q系 的岩体结构效应，Russoe和Grasso对RMR与岩爆 统的分类等级比RMR分类等级要低，这主要是Q 的关系做了进一步研究].假定采空区临空面附近 系统考虑了地应力对围岩的影响，矿区高地应力环 最大切向应力为0，岩石单轴抗压强度为。，如图1 境在一定程度上使围岩的稳定性下降.1993年，在 所示[3，以RMR分类为横轴，以最大切向应力和 对地应力影响系数SRF修正后，Barton山提出了新 岩石抗压强度的比值(/o)为纵轴，坐标系的第 的RMR与Q值的关系： 一 象限被化分成一个稳定区和几个可能的破坏区 RMR=151g Q+50 (1) 域：矿震或岩爆、楔块滑落、挤压破坏和冒落，从图 据此，与RMR分类相对应，把岩体质量分为五 中可知，对于m/c。值大于1的I、Ⅱ类围岩具有岩 类，见表2. 爆倾向 表2修正后Q值与RMR岩体类别对应关系 Table 2 Correspondence between O value and RMR classification af- ter amended 挤压被坏 Q值 Q系统对岩体质量的描述RMR岩体质量类别 岩爆 楔块玻坏 >100 特好一极好 I 6 100-4 冒落 很好好一一般 I 不确定 4~0.1 差~很差 M 稳定 不确定 0.1-0.01 极差 N 0.01-0.001 特差 RMR岩体质量等级 将程潮铁矿矿岩Q分级值按式(1)换算，所得 图1RMR/g岩体破坏类型 Fig.1 Destruction types of rockmass in an RMR-ca/o plot 结果与RMR分级值相近，参照表2的对应关系，两 者分级结果也具备较好一致性，说明RMR和Q系 根据一430m水平应力测试数据可知，西区位 统具有较好的相关性， 于W29线附近受F8断层控制的中段运输平巷局部 2RMR分类、RQD值与岩爆预测 岔口切向应力大于110MPa,已经高于此处岩体的 平均单轴抗压强度100MPa,显然/o。值大于1. 按Bieniawski标准进行围岩分类时，只有工程 采用RMR分类方法对矿岩进行分类，花岗岩、磁铁 岩体属【、Ⅱ类和部分Ⅲ类围岩才具岩爆倾向，节理 矿和闪长玢岩都达到Ⅱ类岩体标准，在进行井巷开 裂隙很发育的N、V类围岩不会发生岩爆，具有明显 拓和采准切割工作时，受大规模爆破震动影响，贯穿
800m平均厚度53m倾角46°．矿体多呈透镜状、 扁豆状或脉状常呈叠瓦状排列．Ⅲ＃、Ⅵ＃和Ⅶ＃矿 体深部延伸部分及其他小的零散分布矿体是未来主 要的开采对象．矿体顶底板围岩主要有闪长岩、闪 长玢岩、大理岩、矽卡岩、花岗岩、花岗斑岩和石英闪 长斑岩等．通过对－430～－568m 水平进行工程地 质调查和采集岩样的室内实验得到各矿岩体的工 程地质特征如表1所示． 表1 矿区矿岩工程地质特征 Table1 Rock engineering geological characteristics 岩体 单轴抗压 强度／MPa 裂隙间距／ cm RQD／ ％ RMR 岩体分级 Q 系统岩体分类 RMR 值 等级 Q 值 评级 闪长岩 140∙4～152∙2 5～22 23∙9～53∙0 44～60 Ⅲ 1∙494～3∙313 差 闪长玢岩 143∙3～376∙8 6～20 50∙3～64∙5 58～62 Ⅲ～Ⅱ 5∙030～6∙450 一般 大理岩 44∙0～157∙8 7～15 34∙8～47∙4 43～57 Ⅲ 0∙574～0∙782 很差 矽卡岩 120∙4～280∙9 12～25 44∙6～57∙1 48～60 Ⅲ 2∙973～3∙807 差 花岗岩 126∙8～237∙2 5～25 43∙7～64∙2 48～65 Ⅲ～Ⅱ 3∙991～5∙417 差～一般 花岗斑岩 172∙1～248∙7 4～20 24∙0～58∙6 53～60 Ⅲ 2∙900～4∙343 差～一般 石英长石斑岩 59∙2～206∙4 6～35 48∙8～63∙2 49～63 Ⅲ～Ⅱ 5∙490～7∙110 一般 磁铁矿 128∙5～130∙4 4～21 36∙4～48∙7 39～54 Ⅲ 1∙040～1∙391 差 从表1可知对于同一类别的围岩采用 Q 系 统的分类等级比 RMR 分类等级要低．这主要是 Q 系统考虑了地应力对围岩的影响矿区高地应力环 境在一定程度上使围岩的稳定性下降．1993年在 对地应力影响系数 SRF 修正后Barton ［1］提出了新 的 RMR 与 Q 值的关系： RMR＝15lg Q＋50 （1） 据此与 RMR 分类相对应把岩体质量分为五 类见表2． 表2 修正后 Q 值与 RMR 岩体类别对应关系 Table2 Correspondence between Q value and RMR classification after amended Q 值 Q 系统对岩体质量的描述 RMR 岩体质量类别 ＞100 特好～极好 Ⅰ 100～4 很好～好～一般 Ⅱ 4～0∙1 差～很差 Ⅲ 0∙1～0∙01 极差 Ⅳ 0∙01～0∙001 特差 Ⅴ 将程潮铁矿矿岩 Q 分级值按式（1）换算所得 结果与 RMR 分级值相近参照表2的对应关系两 者分级结果也具备较好一致性说明 RMR 和 Q 系 统具有较好的相关性． 2 RMR 分类、RQD 值与岩爆预测 按Bieniawski 标准进行围岩分类时只有工程 岩体属Ⅰ、Ⅱ类和部分Ⅲ类围岩才具岩爆倾向节理 裂隙很发育的Ⅳ、Ⅴ类围岩不会发生岩爆具有明显 的岩体结构效应．Russoe 和 Grasso 对 RMR 与岩爆 的关系做了进一步研究［2］．假定采空区临空面附近 最大切向应力为σθ岩石单轴抗压强度为σc如图1 所示［3－4］以 RMR 分类为横轴以最大切向应力和 岩石抗压强度的比值（σθ／σc）为纵轴．坐标系的第 一象限被化分成一个稳定区和几个可能的破坏区 域：矿震或岩爆、楔块滑落、挤压破坏和冒落．从图 中可知对于 σθ／σc 值大于1的Ⅰ、Ⅱ类围岩具有岩 爆倾向． 图1 RMR－σθ／σc 岩体破坏类型 Fig．1 Destruction types of rockmass in an RMR-σθ／σc plot 根据－430m 水平应力测试数据可知西区位 于 W29线附近受 F8 断层控制的中段运输平巷局部 岔口切向应力大于110MPa已经高于此处岩体的 平均单轴抗压强度100MPa显然 σθ／σc 值大于1． 采用 RMR 分类方法对矿岩进行分类花岗岩、磁铁 矿和闪长玢岩都达到Ⅱ类岩体标准在进行井巷开 拓和采准切割工作时受大规模爆破震动影响贯穿 第12期 姚高辉等： 程潮铁矿岩爆倾向性分析及其能量预测 ·1493·
.1494 北京科技大学学报 第31卷 于这些围岩中的井巷或硐室在应力集中区有发生岩 程度、范围，选取计算区宽度为1.5km(北至西区风 爆可能.类似地，受F8断层影响的深部矿岩在进行 井，南至石粒山一带)，深度的选取考虑到了两方 开拓、采准和回采时也可能有岩爆倾向，从RQD指 面：一方面是在不影响计算结果的基础上考虑模型 标来看，只有在RQD值不小于60%的情况下岩体 的尺寸协调关系，故取深度到海拔一1000m处；另 才具岩爆倾向可.据表1可知，程潮铁矿深部矿岩 一方面是在分析计算结果时，只考虑模型中一430~ 的RQD值为40%~65%，如果深部(-500m以下) 一800m部分的计算结果.在建立模型过程中，主要 矿岩的RQD值保持不变，表明有发生较大岩爆的 考虑了整个矿区的岩性主要为闪长岩、矽卡岩和花 可能 岗岩，同时也考虑到矿区的主要活动构造即F8断 3矿区构造应力环境分析 层和程潮南断层，属于压扭性逆断层，断层上盘主要 为闪长岩，断层下盘主要为矽卡岩.由于程潮铁矿 矿区具体地应力分布规律如下， 采用无底柱分段崩落法采矿，建模时也考虑了上覆 (1)由原岩应力中的次主应力2非常接近于 岩层塌陷带的影响，近似地考虑一150~一430m为 由自重引起的垂直应力分量6z:一360m中段，o2= 塌陷带，一430m上盘错动角为55°，下盘错动角为 11.2MPa;-430m中段，o2=12.7MPa. 65°.根据以上地形图、工程地质图和相关资料，用 (2)最大主应力为水平方向，与次主应力2 关键点建立几何模型，如图2所示， 的比值，具有随深度增加而测压系数逐渐减小的统 计规律：一270m中段，o1=2.75Yh;一360m中段， o1=1.94Yh;-430m中段，o1=1.27h. 塌陷带 (3)最小主应力3，其作用方向基本上垂直矿矿 体走向，3与次主应力比值，在程潮铁矿东西矿区 不同深度测得结果表现为比值相近略有波动趋势： -270m中段，3=0.46Yh;-360m中段，3= 0.366h:-430m中段，3=0.44h. 图2有限元几何模型 Fig.2 Finite element geometric model 由以上浅部岩层的地应力分布规律及北京科技 大学等单位所测地应力数据，通过类比分析可以近 4.2有限元模型网格的划分 似推断出一430m中段最大主应力平均值约为 在遵循上述有限元网格划分的基础上，利用有 19MPa,随着开采深度的不断增加，一500m水平最 限元通用软件ANSYS,采用四面体(solid92)10节 大主应力的数值可能增大到21MPa,而一500~ 点单元类型，分别对各体元自动划分有限元网格，整 一800m水平矿岩单轴抗压强度大多位于110~ 个网格划分出单元208001个，节点285005个，如 180MPa,因此o/o1值也很可能小于7，根据我国 图3所示. 《GB50218一94工程岩体分级标准》，利用岩石单轴 抗压强度和最大主应力的比值（岩石强度应力比）来 划分地应力的级别，该地区属于高地应力区，受采矿 活动影响，该区段地压活动势必会增强，岩爆发生可 能性也增加 4三维有限元分析 4.1三维有限元几何模型的建立 图3有限元网格划分 矿区地质资料主要是以所收集的1：5000勘探 Fig-3 Finite element mesh generation 线地质剖面图，1：5000程潮铁矿区环境现状图和 1:1000可区一430~一640m水平地质断面图为主， 4.3岩体物理力学参数的选取 有限元模型尽可能做到与实际地质情况吻合，由于 在有限元计算过程中，物理模型的建立主要依 计算速度和计算精度的关系，在选取计算模型时只 赖于岩体的结构特征与岩体的物理力学参数，矿区 选取了东至矿房产科，西到细王冲，共3km的范围. 地应力场计算物理模型主要考虑了大理岩、塌陷带、 另外考虑矿区围岩应力分布情况及地质构造的影响 闪长岩、矽卡岩、花岗岩和磁铁矿，计算中所用的力
于这些围岩中的井巷或硐室在应力集中区有发生岩 爆可能．类似地受 F8 断层影响的深部矿岩在进行 开拓、采准和回采时也可能有岩爆倾向．从 RQD 指 标来看只有在 RQD 值不小于60％的情况下岩体 才具岩爆倾向［5］．据表1可知程潮铁矿深部矿岩 的 RQD 值为40％～65％如果深部（－500m 以下） 矿岩的 RQD 值保持不变表明有发生较大岩爆的 可能． 3 矿区构造应力环境分析 矿区具体地应力分布规律如下． （1） 由原岩应力中的次主应力 σ2 非常接近于 由自重引起的垂直应力分量 σZ：－360m 中段σ2＝ 11∙2MPa；－430m 中段σ2＝12∙7MPa． （2） 最大主应力 σ1 为水平方向与次主应力 σ2 的比值具有随深度增加而测压系数逐渐减小的统 计规律：－270m 中段σ1＝2∙75γh；－360m 中段 σ1＝1∙94γh；－430m 中段σ1＝1∙27γh． （3） 最小主应力 σ3其作用方向基本上垂直矿 体走向．σ3 与次主应力比值在程潮铁矿东西矿区 不同深度测得结果表现为比值相近略有波动趋势： －270m 中段σ3＝0∙46γh；－360m 中段σ3＝ 0∙366γh；－430m 中段σ3＝0∙44γh． 由以上浅部岩层的地应力分布规律及北京科技 大学等单位所测地应力数据通过类比分析可以近 似推断出 －430m 中段最大主应力平均值约为 19MPa随着开采深度的不断增加－500m 水平最 大主应力的数值可能增大到21MPa而－500～ －800m水平矿岩单轴抗压强度大多位于110～ 180MPa因此 σc／σ1 值也很可能小于7．根据我国 《GB50218－94工程岩体分级标准》利用岩石单轴 抗压强度和最大主应力的比值（岩石强度应力比）来 划分地应力的级别该地区属于高地应力区受采矿 活动影响该区段地压活动势必会增强岩爆发生可 能性也增加． 4 三维有限元分析 4∙1 三维有限元几何模型的建立 矿区地质资料主要是以所收集的1∶5000勘探 线地质剖面图1∶5000程潮铁矿区环境现状图和 1∶1000矿区－430～－640m 水平地质断面图为主． 有限元模型尽可能做到与实际地质情况吻合．由于 计算速度和计算精度的关系在选取计算模型时只 选取了东至矿房产科西到细王冲共3km 的范围． 另外考虑矿区围岩应力分布情况及地质构造的影响 程度、范围选取计算区宽度为1∙5km（北至西区风 井南至石粒山一带）．深度的选取考虑到了两方 面：一方面是在不影响计算结果的基础上考虑模型 的尺寸协调关系故取深度到海拔－1000m 处；另 一方面是在分析计算结果时只考虑模型中－430～ －800m 部分的计算结果．在建立模型过程中主要 考虑了整个矿区的岩性主要为闪长岩、矽卡岩和花 岗岩同时也考虑到矿区的主要活动构造即 F8断 层和程潮南断层属于压扭性逆断层断层上盘主要 为闪长岩断层下盘主要为矽卡岩．由于程潮铁矿 采用无底柱分段崩落法采矿建模时也考虑了上覆 岩层塌陷带的影响近似地考虑－150～－430m 为 塌陷带－430m 上盘错动角为55°下盘错动角为 65°．根据以上地形图、工程地质图和相关资料用 关键点建立几何模型如图2所示． 图2 有限元几何模型 Fig．2 Finite element geometric model 4∙2 有限元模型网格的划分 在遵循上述有限元网格划分的基础上利用有 限元通用软件 ANSYS采用四面体（solid92）10节 点单元类型分别对各体元自动划分有限元网格整 个网格划分出单元208001个节点285005个．如 图3所示． 图3 有限元网格划分 Fig．3 Finite element mesh generation 4∙3 岩体物理力学参数的选取 在有限元计算过程中物理模型的建立主要依 赖于岩体的结构特征与岩体的物理力学参数．矿区 地应力场计算物理模型主要考虑了大理岩、塌陷带、 闪长岩、矽卡岩、花岗岩和磁铁矿．计算中所用的力 ·1494· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 姚高辉等：程潮铁矿岩爆倾向性分析及其能量预测 ,1495 学参数是通过对井下采集的岩样经过岩石力学实验 与勘探线方向近似垂直，因此在计算域边界上施加 来确定的，塌陷带和断层力学参数参照文献[6一7]， 东西向应力，即在模型边界上施加边界法向水平构 采用工程类比法近似得到，如表3所示，计算时采 造应力 用DruckerPrager屈服准则s]. 5计算结果分析 表3计算模型的岩体力学参数 Table 3 Rock mechanical parameters with the numerical model 模型分析以一800m水平标高以上为主要研究 弹性模 容重/ 泊松比，黏聚力/ 内摩擦 对象 岩性 量/GPa(kNm-3) MPa 角/（°） (1)从图4(a)可以看出，一430m水平最大拉 大理岩 32.1 26.6 0.28 6.48 31.3 应力值为17.6MPa.矿体上下盘拉应力值较大，而 塌陷带 0.3 21.0 0.32 0.06 20.0 且主要出现在闪长岩和花岗岩中，其中位于W25~ 闪长岩 49.9 26.3 0.23 10.51 34.3 W43线和W11E6线矿岩接触带拉应力值显著增 矽卡岩 35.8 30.2 0.29 6.50 38.4 大，说明一430m水平开采完毕后，受断层带分布密 花岗岩 60.5 27.8 0.23 6.15 36.2 集和采空区增大的影响，采场发生拉应力集中现象， 磁铁矿 39.4 41.2 0.30 8.32 33.6 当局部矿岩体拉应力值超过其最大抗拉强度，采场 断层 3.2 21.0 0.40 0.60 25.0 内部分巷道或硐室可能会发生张裂破坏.从图4(b) 可知，压应力较大值主要出现在矿体下盘矿岩接触 4.4 边界条件的确定和外加载的考虑 带中，其中西区尤为明显，这主要是由于上部采矿 矿区区域地应力场最大主应力方向为S82°E, 活动结束后，采空区下盘主要承受压应力所引起的， 了体边界线 了体边界线 比例尺100中段运大 -0.194×100.112×10-0.296×100527×100.135×10 -0.807×10-0525×100.444×10-0262×10-0808×10 -0.153×10-0.707×10°0.116×10°0.938×100.176×10 -0.716×10-0.535×10-0353×10心-0.172×10Y0.100×10 图4一430m水平矿岩主应力分布云图，(a)1分布图：(b)3分布图 Fig.4 Principal stress distribution of ore and rock at -430m level:(a)distribution of :(b)distribution of (2)从计算结果可以看出，一-430m水平以上开 增加 采完毕后，一500m水平矿体中存在较大拉应力，拉 (4)从图5(a)可以看出，-500m水平最大拉 应力最大值为14.5MPa,这主要是受上部开采和开 应力值约为22.4MPa.矿体上下盘拉应力值较大， 拓工程的影响，产生较大采空区或松散覆盖层，导致 而且主要出现在花岗岩中，其中位于W23~W55线 地应力集中，但随着深度增加，拉应力逐渐转变成压 矿岩接触带拉应力值显著增大，说明一430m水平 应力，而且压应力值越来越大，模拟结果表明程潮 开采完毕后，受采空区增大和矿山开拓的影响，采场 铁矿区存在较高的地应力场，在1000m深度，最大 发生拉应力集中现象，从图5(b)可知，压应力较大 主应力可达到44MPa. 值主要出现在矿体下盘矿岩接触带中，其中西区 (3)由于上部开采引起应力重新分布，一430m W25~W55尤为明显.这主要是由于该水平矿体主 水平压应力值明显高于一500m水平，局部地区压 要分布在此处，矿体下盘矿岩接触带主要承受压应 应力值最大为80.7MPa:而一500m水平以下矿体， 力所引起的， 由于未受开挖扰动影响，压应力随着深度增加而
学参数是通过对井下采集的岩样经过岩石力学实验 来确定的塌陷带和断层力学参数参照文献［6－7］ 采用工程类比法近似得到如表3所示．计算时采 用 Drucker－Prager 屈服准则［8］． 表3 计算模型的岩体力学参数 Table3 Rock mechanical parameters with the numerical model 岩性 弹性模 量／GPa 容重／ （kN·m －3） 泊松比 μ 黏聚力／ MPa 内摩擦 角／（°） 大理岩 32∙1 26∙6 0∙28 6∙48 31∙3 塌陷带 0∙3 21∙0 0∙32 0∙06 20∙0 闪长岩 49∙9 26∙3 0∙23 10∙51 34∙3 矽卡岩 35∙8 30∙2 0∙29 6∙50 38∙4 花岗岩 60∙5 27∙8 0∙23 6∙15 36∙2 磁铁矿 39∙4 41∙2 0∙30 8∙32 33∙6 断层 3∙2 21∙0 0∙40 0∙60 25∙0 4∙4 边界条件的确定和外加载的考虑 矿区区域地应力场最大主应力方向为 S 82°E 与勘探线方向近似垂直因此在计算域边界上施加 东西向应力即在模型边界上施加边界法向水平构 造应力． 5 计算结果分析 模型分析以－800m 水平标高以上为主要研究 对象． （1） 从图4（a）可以看出－430m 水平最大拉 应力值为17∙6MPa．矿体上下盘拉应力值较大而 且主要出现在闪长岩和花岗岩中其中位于 W25～ W43线和 W11～E6线矿岩接触带拉应力值显著增 大说明－430m 水平开采完毕后受断层带分布密 集和采空区增大的影响采场发生拉应力集中现象． 当局部矿岩体拉应力值超过其最大抗拉强度采场 内部分巷道或硐室可能会发生张裂破坏．从图4（b） 可知压应力较大值主要出现在矿体下盘矿岩接触 带中其中西区尤为明显．这主要是由于上部采矿 活动结束后采空区下盘主要承受压应力所引起的． 图4 －430m 水平矿岩主应力分布云图．（a） σ1 分布图；（b） σ3 分布图 Fig．4 Principal stress distribution of ore and rock at －430m level：（a） distribution of σ1；（b） distribution of σ3 （2） 从计算结果可以看出－430m 水平以上开 采完毕后－500m 水平矿体中存在较大拉应力拉 应力最大值为14∙5MPa这主要是受上部开采和开 拓工程的影响产生较大采空区或松散覆盖层导致 地应力集中但随着深度增加拉应力逐渐转变成压 应力而且压应力值越来越大．模拟结果表明程潮 铁矿区存在较高的地应力场在1000m 深度最大 主应力可达到44MPa． （3） 由于上部开采引起应力重新分布－430m 水平压应力值明显高于－500m 水平局部地区压 应力值最大为80∙7MPa；而－500m 水平以下矿体 由于未受开挖扰动影响压应力随着深度增加而 增加． （4） 从图5（a）可以看出－500m 水平最大拉 应力值约为22∙4MPa．矿体上下盘拉应力值较大 而且主要出现在花岗岩中其中位于 W23～W55线 矿岩接触带拉应力值显著增大说明－430m 水平 开采完毕后受采空区增大和矿山开拓的影响采场 发生拉应力集中现象．从图5（b）可知压应力较大 值主要出现在矿体下盘矿岩接触带中其中西区 W25～W55尤为明显．这主要是由于该水平矿体主 要分布在此处矿体下盘矿岩接触带主要承受压应 力所引起的． 第12期 姚高辉等： 程潮铁矿岩爆倾向性分析及其能量预测 ·1495·
,1496. 北京科技大学学报 第31卷 (h 比例尺200 尺2000 028x1伊-0191伊0490000100网10 0567xo-04w.1D-010*0-02x1005w.D 0213￥10P -0i04x10f0s00.10 0115x10 0224x100 -0503x10㎡ -037510m -024610y-01110 010210 图5一500m水平矿岩主应力分布云图·(a)o分布图：(b)3分布图 Fig-5 Principal stress distribution of ore and rock at-500m level:(a)distribution of :(b)distribution of 开采活动的影响越来越小，深部岩层地应力场基本 6矿区岩体能量分析与岩爆预测 近似于原岩地应力场，能量值只与岩层深度有关， 岩爆发生的充分必要条件，除了岩石本身具备 运用绘图软件对有限元分析结果进行处理，再 贮存大量弹性能的性质外，还必须具备产生高应力 结合程潮铁矿一500m中断运输大巷图，得到 或造成能量积累的环境.根据有限元计算结果，可 一500m水平岩爆倾向区的弹性能分布，如图6所 获得深部开采后，围岩内弹性应变能的分布特征和 示，从图可知，该水平岩爆可能发生地点比较集中， 大小 一般矿岩接触带附近发生岩爆可能性比较大，西区 岩体弹性应变能的计算公式[0按下式进行： 位于W25~W43线，东区主要位于W0~W7线. We=(1e1+22十33)/2 (1) 57100 比例尺1200 式中，1、1、2、2、3和3分别为岩体单元内 o矿体 的主应力和主应变，国内外已有研究和现场监测表 56700 明，当岩体内部弹性能达到或超过1.00×10Jm-3 时，将发生岩爆和冲击地压山】.通过数值模拟，可 56300 以得到一430m水平开采后矿区主要水平（中段高 70m)最大弹性应变能值，见表4. 55900 表4各水平最大弹性应变能 Table 4 Maximum elastic strain energy at each level 558308670871075008790030w70 各水平标高/m一430 -500-533 -568 -640 能量值/(km-3)94.5119.1106.1112.4117.4 图6一500m水平岩燥倾向区的弹性能分布(105Jm-3) Fig-6 Energy distribution in rockburst area at-500m level (10 计算结果还表明，程潮铁矿一500m水平高应 Jm-3) 力区矿岩体内积聚弹性能值主要位于(0.94~ 1.20)×10Jm3,一500m水平以下局部矿岩的最 7结论 大弹性应变能均超过了1.00×10Jm-3这一临界 (1)将RMR与Q系统分类方法综合考虑，对 值.因而，程潮铁矿一500m水平以下深部开采时， 深部矿岩稳定性进行评价，优劣互补，更加真实地对 有发生岩爆和岩石弹射的很大可能性， 程潮铁矿深部围岩质量进行描述，有利于深井开拓 一500m岩爆区弹性应变能值明显比其他水平 和深部开采工作的顺利进行， 高，说明该水平受上部采动影响强烈，压应力高度集 (2)通过开展工程地质调查与矿岩体质量稳定 中.尽管一430m水平也受到上部采空区或松散覆 性的评估以及三维有限元的模拟分析可知，由于矿 盖层影响，但其岩层深度较浅，岩体强度低，所以矿 区深部水平构造应力强烈，矿体顶、底板主要围 岩能量较小.一533m水平由于受到上部影响小，因 岩一花岗岩和闪长玢岩质量等级较高（达到Ⅱ类 而其能量也会减小，但是高于一430m水平能量值. 岩体标准)，岩石完整性较好(RQD值大于60%)， 一533m水平以下矿岩能量最大值逐渐递增，这主 而且受采动扰动影响深部矿岩孕育较大弹性应变能 要是随着垂直深度增加，矿岩的地应力环境受上部 量（大于岩爆临界值1.0×10Jm3),所以程潮铁
图5 －500m 水平矿岩主应力分布云图．（a） σ1 分布图；（b） σ3 分布图 Fig．5 Principal stress distribution of ore and rock at －500m level：（a） distribution of σ1；（b） distribution of σ3 6 矿区岩体能量分析与岩爆预测 岩爆发生的充分必要条件除了岩石本身具备 贮存大量弹性能的性质外还必须具备产生高应力 或造成能量积累的环境．根据有限元计算结果可 获得深部开采后围岩内弹性应变能的分布特征和 大小． 岩体弹性应变能的计算公式［9－10］按下式进行： We＝（σ1ε1＋σ2ε2＋σ3ε3）／2 （1） 式中σ1、ε1、σ2、ε2、σ3 和ε3 分别为岩体单元内 的主应力和主应变．国内外已有研究和现场监测表 明当岩体内部弹性能达到或超过1∙00×105J·m －3 时将发生岩爆和冲击地压［11］．通过数值模拟可 以得到－430m 水平开采后矿区主要水平（中段高 70m）最大弹性应变能值见表4． 表4 各水平最大弹性应变能 Table4 Maximum elastic strain energy at each level 各水平标高／m －430 －500 －533 －568 －640 能量值／（kJ·m －3） 94∙5 119∙1 106∙1 112∙4 117∙4 计算结果还表明程潮铁矿－500m 水平高应 力区矿 岩 体 内 积 聚 弹 性 能 值 主 要 位 于 （0∙94～ 1∙20）×105 J·m －3－500m 水平以下局部矿岩的最 大弹性应变能均超过了1∙00×105 J·m －3这一临界 值．因而程潮铁矿－500m 水平以下深部开采时 有发生岩爆和岩石弹射的很大可能性． －500m 岩爆区弹性应变能值明显比其他水平 高说明该水平受上部采动影响强烈压应力高度集 中．尽管－430m 水平也受到上部采空区或松散覆 盖层影响但其岩层深度较浅岩体强度低所以矿 岩能量较小．－533m 水平由于受到上部影响小因 而其能量也会减小但是高于－430m 水平能量值． －533m 水平以下矿岩能量最大值逐渐递增这主 要是随着垂直深度增加矿岩的地应力环境受上部 开采活动的影响越来越小深部岩层地应力场基本 近似于原岩地应力场能量值只与岩层深度有关． 运用绘图软件对有限元分析结果进行处理再 结合程潮 铁 矿 －500m 中 断 运 输 大 巷 图得 到 －500m水平岩爆倾向区的弹性能分布如图6所 示．从图可知该水平岩爆可能发生地点比较集中 一般矿岩接触带附近发生岩爆可能性比较大西区 位于 W25～W43线东区主要位于 W0～W7线． 图6 －500m 水平岩爆倾向区的弹性能分布（105J·m －3） Fig．6 Energy distribution in rockburst area at －500m level （105 J·m －3） 7 结论 （1） 将 RMR 与 Q 系统分类方法综合考虑对 深部矿岩稳定性进行评价优劣互补更加真实地对 程潮铁矿深部围岩质量进行描述有利于深井开拓 和深部开采工作的顺利进行． （2） 通过开展工程地质调查与矿岩体质量稳定 性的评估以及三维有限元的模拟分析可知由于矿 区深部水平构造应力强烈矿体顶、底板主要围 岩———花岗岩和闪长玢岩质量等级较高（达到Ⅱ类 岩体标准）岩石完整性较好（RQD 值大于60％） 而且受采动扰动影响深部矿岩孕育较大弹性应变能 量（大于岩爆临界值1∙0×105 J·m －3）所以程潮铁 ·1496· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 姚高辉等：程潮铁矿岩爆倾向性分析及其能量预测 ,1497 矿深部矿岩具备了可能发生岩爆的条件 2007,24(4):42 (③)在充分考虑矿区岩体塌陷带、断层带和构 (刘章军，李建林.岩燥综合预测的模糊概率方法.长江科学院 院报，2007,24(4)：42) 造应力影响的基础上，建立了与矿区空间形态相似 [6]Li JS.Prediction of Rockburst Haard and its Effect on the En- 的三维有限元模型，通过对矿岩工程地质特性、矿 gineering Project along the Tunnel from Maerqu River to Acehe 区地应力规律和矿区三维有限元数值模拟结果的分 River [Dissertation].Beijing:Chinese Academy of Geological 析，得出该矿岩爆临界深度在一500m水平 Sciences.2006:64 (4)通过对一430m水平开采后矿岩体能量规 (李金锁南水北调西线麻尔曲一阿柯河特长深埋隧道岩燥灾 害预测及其对工程的影响[学位论文]北京：中国地质科学院 律的分析可以得出：由于地应力环境受上部开采活 2006.64) 动的影响，一500m水平应力明显增加，高于 [7]Song W D.Guo L W.Stability in reinforcement on No.2 main 一533m水平：由于-533m水平受上部采动影响较 ore pass of Chengchao iron mine by numerical simulation.JUniv 小，岩爆倾向性出现减弱，但一533m水平以下矿岩 Sci Technol Beijing.2001.23(3):193 能量最大值却逐渐增大， (宋卫东，郭廖武。程潮铁矿2：主溜井加固工程稳定性数值分 析.北京科技大学学报，2001,23(3)：193) 参考文献 [8]Li JS,Peng H.Ma X M.et al.Three-dimensional finite element [1]Barton N.Some new Ovalue correlations to assist in site charac- numerical simulation of geo"stress in Da-Li railw ay tunnel of Yun- terisation and tunnel design.Int J Rock Mech Min Sci,2002.39 nan-Chin J Geotech Eng.2006,28(6):800 (2):185 (李金锁，彭华，马秀敏，等·大丽线铁路隧道工程地应力三维有 [2]Russoe G.Grasso P.On the classification of rockmass excavation 限元数值模拟分析.岩土工程学报，2006,28(6)：800) behavior in tunneling//The 1lth Congress of International Soci- [9]Cai S J.Zhang L H.Zhou W L.Research on prediction of rock ety for Rock Mechanics.Lisbon:Portuguese Geotechnical Soci- burst in deep hard-rock mines.J Saf Sci Technol.2005,1(5): ty,2007:9 [3]Ou Yang Z H.Yao G H.Xu M G.et al.Investigation of mining (蔡嗣经，张禄华，周文略。深井硬岩矿山岩爆灾害预测研究 tremor mechanism in Puqing mine.J Wuhan Univ Sci Technol, 中国安全生产科学技术，2005,1(5)：17) 2008,31(2):155 [10]Li C H.Cai M F.The relation of complete stress"strain curve to (欧阳治华，姚高辉，许梦国，等.普庆铁矿矿震发生机理研究 rockburst.JUniv Sci Technol Beijing.1999.21(6):513 武汉科技大学学报，2008,31(2)：155) (李长洪，蔡美峰·岩石全应应变曲线及其与岩爆的关系， [4]Xu M G,Yao G H,Ou Yang Z H,et al.Investigation of com- 北京科技大学学报，1999,21(6)：513) prehensive rockburst prediction during deepmining/Internation- [11]Cai M F.Wang JA.Wang S H.Analysis on energy distribution al Young Scholar Symposium on Rock Mechanies 2008.Rotter- and prediction of rock burst during deepmining excavation in dam:A A Balkema Press.2008:851 Linglong goldmine.Chin J Rock Mech Eng.2001.20(1):38 [5]Liu Z J.Li JL.Comprehensive prediction method for rock burst (蔡美峰，王金安，王双红玲珑金矿深部开采岩体能量分析与 based on fuzzy probability theory.J Yangtze River Sci Res Inst. 岩燥综合预测.岩石力学与工程学报，2001,20(1)：38)
矿深部矿岩具备了可能发生岩爆的条件． （3） 在充分考虑矿区岩体塌陷带、断层带和构 造应力影响的基础上建立了与矿区空间形态相似 的三维有限元模型．通过对矿岩工程地质特性、矿 区地应力规律和矿区三维有限元数值模拟结果的分 析得出该矿岩爆临界深度在－500m 水平． （4） 通过对－430m 水平开采后矿岩体能量规 律的分析可以得出：由于地应力环境受上部开采活 动的 影 响－500m 水 平 应 力 明 显 增 加高 于 －533m水平；由于－533m 水平受上部采动影响较 小岩爆倾向性出现减弱但－533m 水平以下矿岩 能量最大值却逐渐增大． 参 考 文 献 ［1］ Barton N．Some new Q-value correlations to assist in site characterisation and tunnel design．Int J Rock Mech Min Sci200239 （2）：185 ［2］ Russoe GGrasso P．On the classification of rockmass excavation behavior in tunneling∥ The11th Congress of International Society for Rock Mechanics．Lisbon：Portuguese Geotechnical Society2007：9 ［3］ Ou Yang Z HYao G HXu M Get al．Investigation of mining tremor mechanism in Puqing mine．J W uhan Univ Sci Technol 200831（2）：155 （欧阳治华姚高辉许梦国等．普庆铁矿矿震发生机理研究． 武汉科技大学学报200831（2）：155） ［4］ Xu M G Yao G H Ou Yang Z Het al．Investigation of comprehensive rockburst prediction during deepmining∥ International Young Scholar Symposium on Rock Mechanics 2008．Rotterdam：A A Balkema Press2008：851 ［5］ Liu Z JLi J L．Comprehensive prediction method for rock burst based on fuzzy probability theory．J Y angtze River Sci Res Inst 200724（4）：42 （刘章军李建林．岩爆综合预测的模糊概率方法．长江科学院 院报200724（4）：42） ［6］ Li J S．Prediction of Rockburst Haz ard and its Ef fect on the Engineering Project along the T unnel f rom Maerqu River to Acehe River ［ Dissertation ］．Beijing：Chinese Academy of Geological Sciences2006：64 （李金锁．南水北调西线麻尔曲─阿柯河特长深埋隧道岩爆灾 害预测及其对工程的影响［学位论文］．北京：中国地质科学院 2006：64） ［7］ Song W DGuo L W．Stability in reinforcement on No．2main ore-pass of Chengchao iron mine by numerical simulation．J Univ Sci Technol Beijing200123（3）：193 （宋卫东郭廖武．程潮铁矿2＃主溜井加固工程稳定性数值分 析．北京科技大学学报200123（3）：193） ［8］ Li J SPeng HMa X Met al．Three-dimensional finite element numerical simulation of geo-stress in Da-Li railway tunnel of Yunnan．Chin J Geotech Eng200628（6）：800 （李金锁彭华马秀敏等．大丽线铁路隧道工程地应力三维有 限元数值模拟分析．岩土工程学报200628（6）：800） ［9］ Cai S JZhang L HZhou W L．Research on prediction of rock burst in deep hard-rock mines．J Saf Sci Technol20051（5）： 17 （蔡嗣经张禄华周文略．深井硬岩矿山岩爆灾害预测研究． 中国安全生产科学技术20051（5）：17） ［10］ Li C HCai M F．The relation of complete stress-strain curve to rockburst．J Univ Sci Technol Beijing199921（6）：513 （李长洪蔡美峰．岩石全应力－应变曲线及其与岩爆的关系． 北京科技大学学报199921（6）：513） ［11］ Cai M FWang J AWang S H．Analysis on energy distribution and prediction of rock burst during deepmining excavation in Linglong goldmine．Chin J Rock Mech Eng200120（1）：38 （蔡美峰王金安王双红．玲珑金矿深部开采岩体能量分析与 岩爆综合预测．岩石力学与工程学报200120（1）：38） 第12期 姚高辉等： 程潮铁矿岩爆倾向性分析及其能量预测 ·1497·