1 引言

我個人認為巖爆(Rock Burst)和沖擊地壓這兩個詞基本上可以互換著使用. 因為我是金屬礦床開采出身, 在我的印象中, 我一直稱作巖爆. 不過, 由于有多年沒有接觸這個研究領域, 煤礦是不是習慣稱作沖擊地壓我不太確定. 不管咋樣, 最近的一個研究項目迫使我不得不重返這個研究領域. <礦山沖擊地壓控制(Coal Mine Burst Prevention Controls)>這篇文章簡要介紹了這個研究項目的背景. 在研究項目正式開始之前, 首先需要重新梳理一下巖爆的基本概念和類型. 

2 巖爆的概念

隨著地下開采深度不斷增加, 巖層中聚集的應力會越來越大. 因此不可避免地會引起巖層斷裂. 當巖石內儲存的能量突然釋放, 巖石會發生劇烈破壞, 從而誘發地震和巖爆. 有些人稱這種現象為礦震, 但我總覺得不如使用巖爆或沖擊地壓更顯得專業些. 很多年前, 我接觸的一個礦山是在遼寧省的紅透山銅礦, 當時開采深度已經達到900m, 國內很少礦山能達到這么深的開采深度, 在同一時間段, 世界上開采最深的是南非的一個礦山, 開采深度1.5公里. 當然現在的礦山早已經突破了這個深度. 當時下到紅透山銅礦的最低中段時, 井下有兩個特征仍然記憶猶新, 一個特征是溫度非常高, 工人甚至必須光著膀子干活, 另一個特征是隨時都能聽到巖石斷裂的聲音, 如果一個人呆在井下, 那種聲音真得讓人感到非常恐怖. 紅透山銅礦當時需要處理的其中一個難題就是可能隨時產生的巖爆.    

巖爆后的巷道變形

巖爆可以定義為一種由于地下開挖而在巖體內造成的損傷, 這種損傷以突然地震的方式爆發. 隨著地下開采深度在高應力下的不斷加深, 巖爆成為深部地下開采面臨的最嚴重的問題, 因此也成為一個世界范圍內的問題. 世界上一些主要的采礦國家, 如中國, 印度, 美國, 加拿大, 澳大利亞都曾發生過非常嚴重的巖爆事故. 因此, 弄清楚巖爆的機理以及在采礦過程中能夠做出預測變得越來越重要. 另一方面, 由于不能通過改變目前的采礦條件和技術來消除巖爆災害, 因此作為日常地壓控制決策過程的一部分, 礦山企業必須正確地管理巖爆災害.

3 巖爆的分類

基于巖爆地震后的運動現象, 震級以及推測的震源機理, 巖爆的分類如下表所示. 共分為5類.  

進一步,可以把這5類巖爆形式聚合成三種類型:

(1) 應變引起的巖爆(Strain-Burst)

(2) 礦柱引起的巖爆(Pillar-Burst)

(3) 斷層滑移引起的巖爆(Fault-Slip Burst).

下面分別描述這三種巖爆類型.

3.1 應變引起的巖爆(Strain-Burst)

在許多地下采礦中, 由應變引起的巖爆是最普遍的巖爆形式, 有兩種情形可以產生這樣的巖爆: 一種情況是附近的采礦過程誘發的靜力改變(static stress change), 另一種情況是遠處發生的地震事件產生的動應力. 必須滿足這兩個條件才能發生由應變引起的巖爆. 應變巖爆釋放的能量來自于破壞巖石和圍巖內儲存的彈性應變能. 首先, 必須在開挖表面產生最大主應力(切向應力); 其次, 斷裂巖體的圍巖必須產生一個相對軟的載荷環境以便巖石以一個不穩定的, 劇烈的方式發生局部破壞. 如下圖所示的4種應變巖爆形式. 其中(a) 是原巖爆裂(Burst of intact rock); (b)是工作面爆裂(Face burst); (c)是屈曲爆裂(Buckling burst); (d)是拋擲爆裂(Ejection Burst). 

3.2 礦柱引起的巖爆(Pillar-Burst)

礦柱引起的巖爆是指礦柱核心的突然破壞或者礦柱完全塌落. 礦柱巖爆經常發生在深部礦井中, 當采礦在后期時, 礦石的取出比很高, 破壞的巖石以及受影響的圍巖其體積比應變巖爆的體積大, 因而釋放的地震能量也大很多. 與應變巖爆一樣, 礦柱巖爆也可以劃分為: 

(1) 采礦引起的礦柱巖爆: 礦房跨度增加或附近的空場產生的靜力增加, 在這種情況下, 震源處在礦柱內部的核心, 巖爆損傷和震源位于同一位置.

(2) 動力引起的礦柱巖爆: 來自遠處的地震事件導致動態應力增加. 在這種情況下, 巖爆損傷和震源不在同一位置. 

3.3 斷層滑移引起的巖爆(Fault-Slip Burst)

沿著一個預存在的斷層或者沿著一個新產生的剪切破裂帶引起的動態滑移會誘發巖爆. 有兩種可能發生的情形: (1) 當剪切應力超過剪切強度時, 采礦空場切割斷層, 改變了斷層的自由度, 導致斷層發生滑移;  (2) 斷層的剪切強度失去粘結力或者水滲入到斷層內. 當采礦引起的剪切應力增加超過斷層的強度時就會引發巖爆. 斷層的強度取決于許多因素, 例如法向應力, 斷層表面的摩擦系數, 起伏度或者膨脹特性以及斷裂巖體的強度. 附: 本公眾號與斷層相關的討論: