成功运用卸压爆破的若干挑战

成功运用卸压爆破的若干挑战摘要：卸压爆破作为一种改善采矿安全问题的技术对控制岩爆危害有重要意义。1引言开挖引起的围岩应力是采矿过程中不可避免的一部分，进而产生各种形式的破环。尽管采矿技术和设备都有所进步，但由于岩爆发生的时间地点很难预测，其引起的剧烈的围岩破坏至今仍严重危害采矿工人的生命安全。近百年来发展起了多种控制岩爆危害的方法（图1）。这些方法起源于更少保留矿柱的采矿方法，因为柱状结构是引发岩爆的主要原因之一。但在开采过程中又必须保留一部分矿柱，所以需要采用围岩加固措施来增大岩体的轴向抗压能力。随着岩体的抗压能力增大，其内部储存的应变能也随之积聚，反而加剧了岩爆的破坏效果。实践证明，选取合适的时间地点进行卸压爆破是一种切实有效的减小岩爆危害的措施。将卸压爆破作为工作循环中必要的一部分并恰当运用，从而在开挖范围和高压应力区之间创造一个安全界限，可以很大程度上控制岩爆。图1控制岩爆危害的措施卸压爆破要求对应力和爆破有全面的理解。尤其要了解开挖造成的临近区域的应力重新分布规律及采取合适方法转移围岩中的主应力。在卸压爆破之前要详细调查地质特征及其应力作用原理并界定出最最有可能发生岩爆的断裂面。卸压爆破通常是在掘进爆破时产生的裂隙区进行的，因此需重点了解爆破震动产生裂隙的机理。实践验证通过充分利用炸药能量使裂隙进一步发育从而提高爆破效率是可行的。为了能更好的理解卸压爆破，本文简介了其发展历史并列举了不同的设想机理。2卸压爆破的发展和机理岩爆是深井开采中的一种自然现象，早在1738年英国某锡矿自记录到世界上第一次岩爆以来，岩爆现象就一直困忧着矿山开采。卸压爆破的概念是在上世纪20年代报道一起发生在加拿大新斯科舍省春山煤矿安全事故中提出的。据报道，在1930年加拿大安大略省的科克兰德湖的矿山第一次使用减压爆破试验。南非第一次系统的设计卸压爆破试验，依据莫里森提出的圆顶理论，通过卸压爆破在开挖巷道周围创造一个破碎岩体区（图2），使围岩无法储存大量能量，从而避免岩爆的发生。南非进一步研究表明卸压爆破的作用是使已存在的裂隙网络活化并创造少量新裂隙。布劳纳指出卸压爆破原理可归结为裂隙和震动两个因子单独或联合作用的结果，裂隙降低了炮孔周围的岩体强度，震动降低了节理面之间的摩擦力，二者共同降低了工作面附近的应力。布莱克在他的研究中指出卸压爆破可以减少岩体模数。迈特里在他的研究中提出卸压爆破对岩体的应力和模数均有减小作用。布莱克从卸压爆破提出以下公式估算松弛应力。爆后爆前－β）σ＝（σ1β：应力损耗因子图2卸压爆破的地应力作用效果但上述机理有许多缺陷，许多试验测得数据与要求不符也无法从该理论得到解释。为此迈特里指出微裂隙贯通形成的结构面是转移活跃面应力的关键并进行室内和现场试验确定了合适的破碎面来诱导有效应力释放，进而提出以下公式量化卸压爆破的应力大小。此理论可以更好的解释由卸压爆破应力引起的岩石破碎。爆前爆后爆前）／σ－σ（σ＝βijijijij100βij：测点处j平面内主应力σi的松弛应力σij：测点处j平面内i方向的主应力i：主应力标识符（i=1，2，3）j：笛卡尔平面标识符（j=x，y，z）3卸压爆破的应用据报道，卸压爆破已运用于煤矿和非煤矿山来控制岩爆危害，片帮和底板隆起等。图3展示了布罗德应用卸压爆破控制应力集中的方案。卸压爆破可划分为两类：主动卸压爆破和预处理卸压爆破。主动卸压爆破与掘进爆破同时施工作业，使巷道周边附近的围岩与深部岩体脱离，原来处于高应力状态的岩层卸载，将应力转移到围岩深部从而在工作面前方创造一个柱形安全区域。卸压爆破不仅能够释放岩体中所积聚的弹性变形能，而且在卸压爆破的作用下，松动圈本身受压致密，在一定的时间内，可使周围岩体变形直接被卸压爆破产生的松动圈吸收，从而减小巷道围岩变形量。若先前已开采的区域附近有高应力区且需进行开采，则可使用预处理卸压爆破，使高应力区应力得到释放。根据卸压位置不同，卸压爆破可以分为矿体内的卸压爆破和围岩内的卸压爆破。此分类主要运用于煤矿开采中，因为煤矿对爆破形似和规模有严格限制。许多国家规定煤矿爆破的单孔装药量不得高于1kg。图4展示了卸压爆破应用的不同例子。图4(a)对比展示了主动卸压爆破在煤矿和非煤矿山的两种应用情况。二维图表明裂隙的发育将应力转移到围岩深部而三维图像可以形象揭示生成的裂隙带沿着最大主应力方向贯通。南非的金矿已经通过炮孔内镜测量了此裂隙样本。但是此裂隙样本并未经过卸载应力检测，因从只能推测卸压爆破只是打破了高应力区的应力平衡却很难确切预测岩爆。布劳纳指出煤层由于其自身构造不稳定容易受到震动影响而降低其硬度。与此相反，在易于产生应力集中的非煤矿山（岩体通常为连续均质各向同性线弹性材料）采用少数孤立炮孔的卸压爆破，其效果尚不明确。图4(b)对比展示了预处理卸压爆破在煤矿和非煤矿山的两种应用情况。这两种情况都试图找到接近理论的装药量，在瞬发爆破下使岩体的弹性应变能得到释放，在预期的采矿计划中能够阻止应力达到产生岩爆的临界水平。图3控制应力集中的卸压爆破的应用4卸压爆破的应力和卸载应力地应力活跃区处于双轴应力作用下，采用主动卸压爆破将达到岩爆临界水平的双轴应力转移到岩体深处，从而在工作面前方创造一个安全屏障来降低应力强度。而在多轴应力作用下的围岩需采用预处理卸压爆破来创造一个破碎带。在一定的时间范围内，破碎区承载上部岩体变形产生的应变能从而延长巷道使用周期。最大主应力的方向对裂隙的发育有很大影响，但图5显示裂隙的发育并不服从于卸载应力的方向。室内试验已经确认此破碎模型无法产生预期的卸载应力，只有易发生剪切破碎和剪切滑移的岩体其产生的裂隙方能得到预期的卸载应力（图6）。由于在最大主应力方向产生预期的破碎效果有很大困难导致在美国、芬兰、意大利等一些其他地区进行的试验被迫放弃。现场观测到卸压爆破之后压力反而增大，所以需要在现有技术水平下进行更多数值模拟分析卸压爆破后应力与卸载应力的变化。5爆破参数对卸压爆破的影响卸压爆破实质是爆破应力波对岩体产生破坏作用。炮孔内的炸药爆炸产生一个四倍于孔径的压碎区和十五倍孔径的破裂区。图4卸压爆破在煤矿与非煤矿山的应用实例图5张性断裂型采场图6双轴数值模拟试验中轴向应力与应变的关系