Rockburst proneness evaluation and borehole pressure relief technology for deep heterogeneous rock masses: A case study of Sanshandao Gold Mine
本研究通过整合理论建模、实验室测试及 PFC2D 数值模拟，旨在评估三山岛金矿深部非均质岩体的岩爆倾向性并优化钻孔泄压参数，最终确定 0.10 m 的钻孔直径为缓解岩爆灾害最有效的方案。
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在深层地下，地壳以巨大的力量挤压，矿井作业面临着一种被称为“岩爆”的隐蔽且剧烈的威胁。这并非缓慢的坍塌，而是岩石中储存能量的突然、爆发式释放，足以粉碎隧道并危及工人安全。在深层矿井中，由于上方岩石的重量产生了极大的压力，这种危险最为显著。更复杂的是，岩石本身极少是均匀的；它是由不同矿物和裂隙组成的非均匀混合体，这使得其强度在不同位置之间存在巨大差异。这种不可预测性使得工程师很难准确判断特定岩块在失效前能承受多少压力，或者如何安全地释放积聚的能量而不引发灾难。如果缺乏准确测量这种隐藏强度并管理应力的手段，深层资源的开采将变成一场高风险的赌博。
中国三山岛金矿的研究人员通过开发一种预测岩石强度的新方法以及一种经过验证的缓解危险压力的方法，应对了这一挑战。研究团队并没有去猜测岩石样本的强度，而是首先测量了其密度以及声波在其中的传播速度。他们发现，这些易于测量的属性与岩石实际的抗压强度之间存在可靠的数学关系。这使他们能够计算出每个独立岩石样本的确切破坏点，而不是依赖一个可能对薄弱点过高或对强点过低的平均值。有了这些精确的预测，他们可以安全地进行受控测试：将岩石加载到接近失效的边缘，然后卸载，从而模拟采矿过程中发生的应力变化。这些测试表明，该矿井的深层岩石容易发生中度至强度的岩爆，这一发现要求必须立即采取行动以防止灾难发生。
为了管理这一风险，团队采用了被称为“钻孔泄压”的技术，即通过在岩石中钻孔来为应力的释放创造空间。然而，钻孔尺寸不对可能会导致既无法释放压力，又使岩石过于脆弱而无法支撑隧道。研究人员使用了一种考虑了岩石自然不均匀强度的精密计算机模拟，测试了四种不同的孔径，范围从5厘米到20厘米。他们发现，最小的孔径无法释放足够的压力，而最大的孔径则会对岩石造成严重破坏，使其失去支撑隧道的结构能力。理想的平衡点是直径为10厘米的孔。这个特定的尺寸创造了一个应力释放区，能够与相邻的孔完美连接，同时不会破坏岩石的结构完整性，有效地在释放能量的需求与保持隧道稳定之间取得了平衡。
随后，团队将这种经过计算机优化的设计应用于现实世界，在一条测试巷道中钻取间距为一米的10厘米孔。在钻孔一周后，他们监测了固定隧道的支护锚杆的张力。结果证实了模拟实验的结果：锚杆上的力稳步且持续地下降，表明应力已成功地从隧道壁转向。锚杆没有发生回弹，这表明压力释放是永久且有效的。这项研究为深层采矿提供了一条清晰的定量化路径，证明了通过了解每个岩石样本的独特强度并选择精确的泄压孔尺寸，工程师可以安全地管理深层地球的剧烈能量。
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