铜绿山矿进入深部开采后出现了一系列地压显现现象,其有可能发生岩爆灾害。研究该矿山岩爆的发生机理,对于保障矿山的安全、高效生产具有重大意义。由于岩爆灾害主要受应力和围岩岩性影响,而应力包括原岩应力和开挖扰动导致的二次应力。因此,从原岩应力分布规律和围岩岩性两方面入手,结合室内试验以模拟工程开挖造成的应力集中,从而能够较全面地开展铜绿山矿深部岩爆机理的研究。主要研究内容如下:(1)采用“点面结合”的方法对铜绿山矿XIII号矿体典型区域的原岩应力分布规律进行研究。“面”是指基于工程地质、构造地质等系统理论和方法,对矿区原岩应力场的分布规律进行整体认识。“点”是指通过合理布置测点,对典型位置的地应力进行测量。在原岩应力“点”的实测方面,采用声发射法和变形率分析法共同测量。测量结果表明:铜绿山矿XIII号矿体埋深750 m以下处于高地应力状态,有发生岩爆的可能。测量过程中,对现有声发射法和变形率分析法的地应力测量规程进行了改进,提出了新的AE-DRA联合地应力测量方案。该方案的提出能够进一步提高地应力测量结果的准确度和可靠性,从而更好地服务于岩爆机理的研究。(2)对铜绿山矿深部范围典型围岩的物理力学性质开展实验研究。为研究岩石物理性质而开展的实验有:X射线衍射、岩石薄片鉴定、块体密度实验、岩石纵波速度测定等,从而对岩石的矿物成分、结构构造、块体密度和完整程度进行了基本了解。为研究岩石力学性质而开展的实验有:抗拉强度试验、单轴压缩变形试验、单轴抗压强度试验和岩石直剪试验等,从而获得了抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和粘聚力等力学参数,可为后期岩爆倾向性及岩爆机理的研究提供参考依据。实验结果表明:铜绿山矿深部典型围岩——大理岩和石英二长闪长玢岩均为较完整的脆性硬岩,其能够较好地储存弹性应变能,具备岩爆发生的岩性条件。(3)基于深部岩石物理力学性质研究成果,结合前期所测原岩应力量值,对铜绿山矿深部范围的岩爆倾向性进行研究。结果表明:铜绿山矿深部范围有发生中等以上岩爆的可能。当埋深小于1010 m时,岩爆等级为中等。而当埋深大于1110 m时,有可能发生强烈岩爆,且随着埋深增加,岩爆发生的剧烈程度也会增大。需要注意的是:由于埋深870 m处岩石单轴抗压强度较低,有可能发生强烈岩爆,矿山生产时应对此处进行重点防范。(4)室内岩爆模拟试验研究。为研究铜绿山矿深部岩爆的发生机理,采用单轴加载实验以模拟矿柱型岩爆,采用真三轴卸荷实验以模拟应变型岩爆。同步监测试验过程中岩样的应力、应变和声发射特征,并用高速摄影设备对岩爆的宏观破坏过程进行监测,采用扫描电子显微镜(SEM)对典型碎屑的微观形貌进行观察,对比分析岩爆的各项特征,进而获得岩爆的发生机理。研究结果表明:试件发生岩爆时主要是受到张剪复合破坏,其破坏过程可以简述为:劈裂成板—剪切成块—块片弹射。(5)岩爆声发射波形分析。提取试验过程关键点处的声发射波形文件,采用MATLAB对其进行快速傅里叶变换(FFT)和短时傅里叶变换(STFT),从而实现对声发射信号的频谱及时频分析。结果表明:开挖卸荷导致的应力集中对岩体会产生较大损伤,其是导致岩爆发生的重要因素。岩爆声发射的主频及其幅值与加载应力之间不存在必然联系。声发射的频域信息能够更全面地反映岩石内部的损伤演化情况,其可以弥补声发射参数分析法的不足。若将两种方法联合运用,可更好地开展岩爆机理的研究。(6)基于岩爆机理研究成果,结果铜绿山矿工程实况,提出了适用于该矿山的岩爆防治措施方案。该方案由岩爆监测和岩爆控制两部分组成。岩爆监测应以区域监测为主,位点监测为辅。区域监测宜采用微震监测系统,同时布置应力和位移监测系统进行位点监测。根据现场监测结果,可确定具有岩爆发生倾向性的岩体地段,对该地段应采取一定岩爆控制措施。主要包括:优化开拓布置及回采工艺、高应力岩体卸压和围岩加固与支护等。具体岩爆控制技术的确定应结合工程现场实况和技术经济性条件综合分析。