摘要：为评估程潮矿业深部开采的岩爆风险，本文通过现场地质调研、岩石取样与室内力学试验，结合能量分析方法对矿区典型岩石的岩爆倾向性进行系统研究。基于单轴压缩试验和循环加卸载试验，采用冲击能指数、弹性能指数及剩余弹性能指数等判据，对花岗岩、矽卡岩、闪长岩及磁矿业的岩爆倾向性进行分级，并结合地应力分布规律预测不同开采水平的岩爆风险。研究结果表明：完整花岗岩具有中等至强岩爆倾向性，矽卡岩和闪长岩存在轻微岩爆风险，磁矿业及裂隙发育岩体无显著岩爆倾向；随开采深度增加，-570m 水平以轻微岩爆风险为主，-675m 水平花岗岩存在中等岩爆风险，-780m 水平完整花岗岩面临强岩爆风险。研究成果可为程潮矿业深部开采岩爆防治提供理论依据。

关键词：程潮矿业；深部开采；岩石力学试验；岩爆倾向性；能量判据；风险评估

随着全球矿产资源开发逐步向深部延伸，高地应力引发的岩爆灾害已成为制约深部矿山安全高效开采的核心瓶颈。据统计，当开采深度超过 500m 时，岩爆发生概率显著上升，我国东部矿区已有多个矿井因岩爆导致巷道损毁、设备损坏甚至人员伤亡事故，因此判断和评估岩爆倾向性对矿产安全高效开采有着极为重要的意义[1]。程潮矿业作为我国大型铁矿山基地，其主采区已延伸至 - 500m 以下，近年来在巷道掘进过程中多次出现突发性片帮、顶板弹射等岩爆迹象，不仅增加了支护成本，更对生产连续性构成威胁。

岩爆本质上是高地应力条件下岩石弹性势能突然释放的动力失稳现象，其发生机理与岩石力学特性、地应力场分布及开采扰动密切相关[2]。国内外学者针对岩爆倾向性评价已形成多套理论体系：Russenes（1974）提出冲击能指数 K=（峰值前吸收能 / 峰后耗散能），通过单轴压缩试验将岩爆倾向性划分为无、弱、中、强四级；Hoek（1989）基于弹性能指数 Wet（弹性变形能与极限强度比）建立分级标准，在南非金矿得到广泛应用；宫凤强等引入剩余弹性能指数 Wre[3]，通过分离岩石破坏后的可释放弹性势能，使深埋隧道岩爆预测准确率提升 15% 以上。针对金属矿山的特殊性，陈炳瑞等对冬瓜山铜矿花岗岩进行循环加卸载试验，发现储能系数（弹性应变能 / 总输入能）大于 0.7 时易发生强烈岩爆[4]；高明忠等则通过声发射监测发现，岩爆发生前 1 小时会出现 “平静期” 信号特征，为预警提供了新依据。

然而，现有研究多基于特定矿区岩石开展，而程潮矿业深部赋存的大理岩、闪长岩与矽卡岩具有独特的矿物组成（碳酸盐含量达 35%50%⟩ ）和结构特征（节理密度 2-3 条 /m），其能量积聚与释放规律与常规花岗岩存在显著差异。前期现场调研显示，该矿区部分巷道虽弹性能指数处于 “弱岩爆” 区间，却发生了岩爆，表明直接套用现有分级标准存在局限性。

为此，本文以程潮矿业 - 500m 至 - 780m 水平典型岩石为研究对象，通过单轴 / 三轴压缩试验测定其力学参数与能量特征，结合地应力实测数据，建立适用于该矿区的岩爆倾向性分级模型。研究成果可为深部巷道支护设计与岩爆预警提供理论支撑，同时为类似复杂岩性矿区的岩爆防治提供参考范式。

1 矿区地质特征与地应力分布

1.1 矿区及矿床地质特征

程潮矿区位于下扬子凹陷的西端，介于淮阳地盾与江南古陆之间或隶属淮阳山字型构造前弧西翼。南临以幕阜山为主体的东西向构造带，西依新华夏构造的粱子湖拗陷，北靠南淮阳大断裂。

程潮矿床主要由大小 163 个磁矿业体和大小 136 个硬石膏矿体组成，系一综合性矿床。各矿体绝大多数属盲矿体，分布于鄂城侵入杂岩体南缘中段。规模较大的矿业体有Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ四个矿体。在剖面上，由于矿床严格受程潮北逆断层和程潮南逆断层所派生的低序次张裂带的控制和制约，故各矿体即多呈透镜状迭瓦状排列，赋存于浅色闪长岩及斑状花岗岩与大理岩接触带附近，矿体倾向均为 SSW 或 S、倾角 2^∘～46^∘ ，以缓倾斜矿体为主。

2 矿区地应力分布规律

程潮矿业矿区在成矿前后经历多次强烈的构造运动，形成了复杂的构造行迹，岩体断裂、岩脉穿插，节理裂隙发育，相应的构造应力场（地应力场）特征亦复杂，不同地质时期的应力场特征不同。在淮阳山字形构造体系形成时，最大主压应力方向为 NE 向，形成程潮断裂带等一系列压性断裂。新华厦构造体系形成时，主压应力为 NW 向，形成一系列的 NNE 向压扭性断裂，倾向 SEE。

中南大学在程潮矿业下盘岩体的实际测量结果表明：最大主应力 σ_l 方向为 N85^∘～75^∘W ，与矿体走向基本一致；中间主应力 σ₂ 在深度上的变化规律接近于岩体自重引起的垂直应力；最小主应力 σ₃ 的方向基本上垂直矿体走向。

图 1 程潮矿业主应力分布示意图

从图 1 中可以看出，程潮矿业矿区最大主应力 σ_l 较大，在-270 ρ_m 中段达到了 2.75h，即 19.5MPa ，在-430 m 中段也达到了 1.27h，即 14.4MPa 。另外，中国科学院武汉岩土力学研究所 1987 年在程潮矿业-290m 水平巷道中进行地应力测试，在花岗岩中实测结果：主压应力 σ₁^-18.6 Mpa，方位角 N87^∘W ，即接近东西向； σ_z =9.0 Mpa，接近测点岩体自重应力，水平应力与垂直应力比值为 2.1：1.0。

3 井下现场调研与取样

3.1 井下调研

井下现场调查主要针对-570m 和-675m 水平的开拓、穿脉巷道的岩性、节理裂隙发育情况和岩爆破坏现象展开。

由于-570m 与-675m 水平阶段巷道巷道埋深大，地应力更高，所以发生岩爆的可能性以及岩爆的破坏性更大，后续又多次进入-570m 阶段巷道与-675m 阶段巷道进行地质调查。调研发现，-570m 阶段巷道与-675m阶段巷道部分区域围岩节理裂隙发育，在节理发育区域未见岩爆现象。

图 2 -570m 中段地质平面图与岩爆发生部位在-570m 阶段巷道与-675m 阶段巷道同样发现了岩爆破坏现象。图 2 和图 3 给出-570m、-675m 中段地质平面图与岩爆发生部位，图 4 和图 5 给出了-570m 与-675m 中段巷道围岩及片状剥落现象。由于运输大巷主要布置在矿体下盘，巷道围岩岩性主要以花岗岩为主，部分巷道位于闪长岩和角岩中；穿脉巷道围岩岩性有花岗岩、矿体、闪长岩和矽卡岩。在花岗岩体中，主要发育有 NE 和 NW 向陡倾角节理，节理延伸长，线密度发育。-570 水平发生岩爆的位置位于副井联巷（副井南 90m 左右双轨巷），EL-675 水平当时出现岩爆的部位在 3 川与 4 川之间（双轨巷），岩石类型均为花岗岩，岩爆部位岩石完整性较好。

图 3 -675m 中段地质平面图与岩爆发生部位

图 4 -570m 与-675m 阶段巷道现场图片

图 5 -570m 与-675m 阶段巷道岩爆现象

3.2 现场钻孔岩芯取样

结合矿山-570m 和-675m 水平生产开采，针对程潮矿业-570m～-675m 水平部位的钻孔岩芯，选取岩性为花岗岩、矽卡岩、闪长岩和磁矿业的完整岩芯进行包装、运载，期间采用海绵泡沫防止运载过程中岩芯的破损和开裂破坏。

4 岩石力学试验

4.1 单轴压缩试验

图 6 RMT-301 岩石力学实验系统

单轴压缩实验在 RMT-301 岩石力学实验系统（图 6）上进行，加载方式采用位移控制式，以 0.01mm/s 的位移速率加载至试样破坏，岩石的全应力-应变曲线将保存在数据采集系统中。

花岗岩、矽卡岩、闪长岩和磁矿业的岩石单轴压缩实验的应力-应变曲线如图 7 所示，由岩石应力-应变曲线可知，岩石在单轴压缩实验过程中，大致经历了 4 个阶段：初始压密段、弹性变形段、裂纹扩展段和峰后跌落段。

图 7 岩石单轴压缩应力-应变全过程曲线

表 1 给出了四种类型岩石的峰值强度与破坏时的峰值应变、峰值前储存的应变能、峰后破坏过程损耗的应变能、以及冲击能指数。由表 2.4-1 和图 2.4-3 可以看出：

（1）花岗岩的单轴强度离散程度较大，最大单轴抗压强度可达到 218.6MPa，最小单轴抗压强度仅有22.86MPa。尽管其中有节理面的影响，但同为完整岩样的强度差异同样较大。同时不难看出，三种岩石均具备非线性的孔隙压密阶段，但矽卡岩的孔隙压密阶段要略早于花岗岩及磁矿业结束，这表明矽卡岩的孔隙率要小于花岗岩及磁矿业。

（2）含裂隙的花岗岩冲击能指数远小于完整岩石，表明巷道围岩的岩爆倾向性与岩石的完整性相关，岩 石越完整，岩爆倾向性就越高。

表 1 岩石单轴压缩试验结果

4.2 循环加卸载试验

单轴循环加卸载实验在 RMT-301 岩石力学实验系统（图 6）上进行，整个循环加卸载过程采用轴向应力加卸载的方式完成。通过单轴压缩试验获得花岗岩、矽卡岩、闪长岩和磁矿业的峰值强度，根据同类型岩石试样峰值强度的平均值开展循环加卸载试验。

图 8 给出了岩石循环加卸载应力-应变曲线。因岩样单轴抗压强度离散型较大，个别岩样在第五次加载时就已经完全破坏，各别岩样因单轴压缩强度较大，并未加载至峰值强度的 80% 。根据图 2.4-4 可知，整个循环过程岩样的变形破坏主要呈阶段分布：初始压密阶段、弹性变形阶段、裂纹起裂扩展阶段与整体破坏阶段。

（k）2-11 号样循环加载曲线 （l）2-11 号样循环加载阶段曲线图

（s）2-17 号样循环加载曲线 （t）2-17 号样循环加载阶段曲线图

图 8 岩石循环加卸载应力-应变曲线

图 9 给出了不同岩样经过不同应力水平的循环加卸载试验，弹性能密度值和总输入能密度值的关系曲线。由图 9 可以看出，不同类型岩石的弹性能密度与总输入能密度呈现出显著的线性关系，这也验证了在一定应力水平条件下循环加卸载试验并不会改变弹性能密度与总输入能密度的线性关系。

图 9 不同类型岩样弹性能密度与总输入能密度的关系

表 2 岩石弹性能密度与总输入能密度的线性关系拟合式

由图 9 和表 2 可以看出：

（1）岩石弹性能密度与总输入能密度线性函数斜率和截距的值，一般相差 3 个数量级，可见截距 b 值对函数关系的影响可以忽略，线性函数近似式为 UE = a*U 的形式，可以认为岩石试样的弹性能密度与总输入能密度之间的比例为定值，斜率 a 被称为岩石压缩储能系数。

（2）压缩储能系数反映了岩石弹性应变能的储存能力，储能系数越大，岩石材料的储能能力越强。三种岩石中，完整花岗岩的储能能力最强，储能系数达到 0.81 以上；磁矿业的储能能力最弱，储能系数为 0.56～0.64；矽卡岩居中，储能系数为 0.66～0.74。

（3）含裂隙花岗岩的储能系数为 0.62，表明其储能能力弱，发生岩爆风险较低。

5 岩爆倾向性分析

程潮矿业由于高温热液的交代作用，矿区中岩体的岩性比较复杂，围岩主要有花岗岩、闪长岩、矽卡岩等岩体，同时由于各种地质运动，矿区存在很多断层， 节理也呈现复杂多变的情况。根据矿山地质勘探报告可知，矿山东区、西区的岩性状况有所 同， □休 西 岩质量较好，岩性较完整。岩爆预测研究就是采用程潮矿区典型岩石的室内试验测试，从能量指标分析程潮矿不同类型岩石的岩爆倾向性。

5.1 岩爆倾向性判据与岩爆分级

岩爆发生过程实质上是岩体储存的弹性应变能以动能的形式释放的过程，因此其储存的弹性应变能越高，岩爆倾向越大。目前，主要利用单轴 曲线 石材料的岩爆倾向性，考虑岩石受力全过程中能量输入、储存、破坏耗能、释放动 的角度，来科学表达岩石材料的岩爆倾向性。目前岩石岩爆倾向性能量指标判据主要包括冲击能指数、弹性能指数和剩余弹性能指数。

5.2 矿区岩石的岩爆倾向性

根据程潮矿业-570m～-675m 水平部位的典型岩样，包括花岗岩、矽卡岩、闪长岩和磁矿业的单轴压缩和循环压缩试验结果，表 2 给出了试验岩样的峰值强度与岩爆倾向性预测结果。根据 66 个岩样试验结果，表 3给出了四种类型岩石平均峰值强度、弹性能、冲击能指数与岩爆倾向性预测结果。

根据冲击能指数、弹性能指数、和剩余弹性能指数及其评判标准，程潮矿业深部围岩岩爆强度的倾向性顺序：花岗岩＞矽卡岩＞闪长岩＞磁矿业石＞裂隙发育岩体。

完整花岗岩的储能系数均较大，具有较高的岩爆倾向性，岩爆烈度为中等/强岩爆；矽卡岩和闪长岩有岩爆倾向性，但岩爆烈度可能不如花岗岩，为轻微岩爆风险；磁矿业几乎不会发生岩爆现象。节理较为发育的花岗岩、闪长岩强度较小，不具备岩爆倾向性。

表 2 岩样的峰值强度与岩爆倾向性

表 3 矿区不同类型岩石的岩爆倾向性分级

通过对各个数据点进行拟合，得到花岗岩、矽卡岩、磁矿业的弹性能密度与总输入能密度之间的拟合函

约为 19.5MPa，EL-675m、EL-780m 水平最大主应力的数值可能增大到 23.1MPa 和 26.6MPa，随着开采深度的不断增加，根据表 2.5-7，根据地应力值和应力强度比划分标准，程潮矿 EL-800～EL-1100m 高程范围处于高地应力状态。

在深部岩体采矿工程中，岩爆灾害主要取决于 2 个因素：一个是内因，即岩石本身是否具有岩爆倾向性；另一个就是外因，在地下深部哪个水平被诱发岩爆，就跟岩石赋存部位的地应力水平相关。

以程潮矿业上浅部岩层的地应力分布规律通过类比分析可以近似推断出 EL-570m 中段最大主应力平均值

表 4 程潮矿开采岩爆倾向性评估

5.3 矿区开采岩爆风险评估

参考文献：

5 结论

通过对程潮矿业不同开采水平的地应力状态和岩石的岩爆倾向性，结合两者可以预测程潮矿发生潜在岩爆风险的开采深度、岩石类型和岩爆烈度。

（1）当深部开采达到－570m 深度时将有岩爆发生，岩层处于中地应力状态，在花岗岩、 卡岩、闪长岩中有发生轻微岩爆的可能性，在穿越磁矿业的回采巷道几乎无岩爆风险；

（2）当深部开采达到－675m 深度时，岩层处于中高地应力状态，岩爆发生，在花岗岩中有发生中等岩爆风险，在穿越矽卡岩、闪长岩、磁矿业的巷道中有发生轻微岩爆的可能性

（3）越开采到深部，岩爆风险增加。当深部开采达到－780m 深度时，岩层主要赋存在高地应力状态。在完整花岗岩岩层有发生强岩爆风险，在矽卡岩、闪长岩和穿越磁矿业的回采巷道中，发生轻微岩爆的风险将变得很大。

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[5] 高明忠，张黎明，陈星明.基于声发射平静期的深埋隧道岩爆预测方法[J]矿业研究与开发，2021，41（12）：50-53