金屬礦山深井開采過程中的頂板事故淺析

孟中華,盧立松,耿立峰

(1.長沙礦山研究院安全中心, 湖南長沙 410012;2.保利礦業(yè)投資有限公司,北京 100010;3.寬城建龍礦業(yè)有限公司, 河北承德市 067601)

金屬礦山深井開采過程中的頂板事故淺析

孟中華1,盧立松2,耿立峰3

(1.長沙礦山研究院安全中心, 湖南長沙 410012;2.保利礦業(yè)投資有限公司,北京 100010;3.寬城建龍礦業(yè)有限公司, 河北承德市 067601)

對有色金屬礦山深井開采過程中的頂板事故進行了分類,并對其產(chǎn)生的原因進行了分析。闡述了深井開采過程中進行頂板管理研究的重要性,并對國內(nèi)深井開采的金屬礦山頂板管理研究現(xiàn)狀進行了總結(jié),提出了實施頂板動態(tài)分級管理的研究方法和不同級別頂板的處理措施。

深井開采;冒頂;巖爆;頂板管理;動態(tài)分級;地壓監(jiān)測

1 深井開采頂板管理研究的意義

礦產(chǎn)資源開發(fā)向深部發(fā)展是淺部近地表資源消耗殆盡的一種必然趨勢。目前我國大多數(shù)專家將開采深度超過800m的稱為深井開采,將開采深度在300～800m的稱為中深井開采,將開采深度小于300m的稱為淺井開采。深井開采將帶來一系列的安全問題,主要有頂板冒頂、巖爆、高溫及地震活動等,其中以頂板冒落和巖爆為主要危害。頂板事故是近些年來造成礦山安全生產(chǎn)事故的主要危險源,井下人員傷亡有近半是頂板事故造成的。因此,礦山安全最主要的是做好開采區(qū)域內(nèi)頂板管理和圍巖的穩(wěn)定性維護(如采用合理的回采順序和開挖步驟,采用合理而先進的技術(shù)手段加以控制),防止冒頂事故災(zāi)害。因而對深井開采的頂板管理進行全面深入研究,針對礦山的實際情況,采取具體合理的措施,解決頂板事故造成的重大人員傷亡事故,可為最大限度地開發(fā)礦山資源創(chuàng)造安全技術(shù)條件,對礦業(yè)發(fā)展有著極為重要的現(xiàn)實意義。

2 深井開采頂板事故類型

2.1 頂板事故類型

地下開采的巷道和空區(qū)頂板圍巖的失穩(wěn)和冒落的頂板事故按規(guī)模和區(qū)域主要分為局部冒頂事故和大范圍垮塌沖擊事故兩類。

局部冒頂事故的特點是范圍較小,每次傷亡人數(shù)較少,事故多發(fā)生在有人工作的工作面,其事故原因是已破壞的頂板失去依托而造成的,觸發(fā)原因是工作面作業(yè)過程中未能及時支護已露出的破碎頂板。

大范圍垮塌沖擊事故的特點是面積大、來勢兇猛、后果嚴(yán)重,不僅嚴(yán)重影響生產(chǎn),往往會導(dǎo)致重大人身傷亡。事故原因是直接頂和老頂大面積垮塌,該類事故的形成和影響因素較多,但歸根結(jié)底其最主要的觸發(fā)因素是井下巖體承壓破壞加劇和巖層位移累計變形達(dá)到臨界點時的突然爆發(fā)。這類事故就其作用力的始動方向又可分為推垮型、壓垮型和沖擊垮落型幾類。推垮型主要是指沿走向推進工作面時發(fā)生的礦柱承壓破壞傾倒連帶頂板垮落的事故;壓垮型主要是指在大規(guī)模空區(qū)附近發(fā)生的壓垮破壞型事故,這主要是由于垂直于頂?shù)追较虻淖饔昧核?、壓斷或壓彎礦柱其力施加于直接導(dǎo)致上覆頂板垮落造成的;沖擊垮落型頂板事故主要是重疊空區(qū)上部老頂首先破壞垮落,并對下部頂板或緊鄰空區(qū)間柱產(chǎn)生沖擊作用力,致使下部多空區(qū)的頂板折斷,造成空區(qū)間連帶性的多空區(qū)垮落,形成大面積沖擊垮塌事故。

2.2 造成頂板事故的原因

(1)由于礦山井下地質(zhì)條件復(fù)雜,各采場周邊環(huán)境不一,對不同采場頂板所采取的管理措施也不同,因此造成井下不同區(qū)域采場的頂板管理困難。尤其是礦體轉(zhuǎn)折變化幅度大的礦山,其圍巖的工程地質(zhì)條件更加復(fù)雜,再考慮礦體轉(zhuǎn)折區(qū)域的強大的構(gòu)造應(yīng)力影響,其頂板管理更為困難,時常造成不同類型的頂板傷害事故。

(2)地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育程度對巖體的穩(wěn)定性起著主導(dǎo)作用,構(gòu)造面、節(jié)理、裂隙等地質(zhì)弱面對礦巖體的切割破壞了礦巖體的連續(xù)性,降低了礦巖體的強度,經(jīng)常造成采場頂板大面積的冒頂。

(3)空區(qū)的存在破壞了礦巖體的完整性,導(dǎo)致部分區(qū)域應(yīng)力集中,造成空區(qū)附近采場及巷道的頂板冒落和片幫。空區(qū)的不同處理方式對圍巖的影響程度也較大,事實證明膠結(jié)充填能給礦柱及圍巖一定的圍壓,提高圍巖抗壓強度,并在很大程度上減輕圍巖的應(yīng)力集中,減少圍巖的承壓破壞,可以從根本上降低頂板破壞程度,減少冒頂事故發(fā)生。

(4)由于斷層破壞了礦體與圍巖的連續(xù)性,當(dāng)回采工作面臨近斷層時,圍巖及礦體對采場頂板的約束作用減弱,使頂板容易發(fā)生冒落。

(5)井下采掘工程的開挖破壞了原巖應(yīng)力的自然平衡狀態(tài),導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布,尤其隨著采礦工作面的逐步推進,采場每回采一個分層或前進一個步距,都會再次擾亂巖體內(nèi)部應(yīng)力分布,致使采場頂板及周邊圍巖內(nèi)的應(yīng)力調(diào)整不斷變化和持續(xù),最終在采場上下盤圍巖及采場兩翼礦柱中產(chǎn)生應(yīng)力集中,在采場頂板部分區(qū)域形成拉應(yīng)力區(qū),造成頂板的拉裂破壞和圍巖的承壓破壞。

(6)深井巖爆是礦山深井開采過程中,深部巖體的一種有一定破壞性的應(yīng)力釋放,其彈性勢能的釋放有大有小,部分較大巖爆事件可對工作面頂板造成破壞,并造成一定的傷害,甚至影響整個井的正常生產(chǎn)作業(yè),同時深井巖爆也是井下地壓活動的一種表現(xiàn)形式。此外,部分礦區(qū)位于大規(guī)模的區(qū)域性破碎帶周邊,或與破碎帶交叉位于破碎帶區(qū)域內(nèi),還有部分礦區(qū)位于地殼板塊邊緣,處于地震活動帶上,當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,地震波的強烈擾動會導(dǎo)致井下大范圍區(qū)域巖體的應(yīng)力波動,加劇頂板和圍巖的破壞程度,誘發(fā)頂板事故和一系列地壓活動。

2.3 頂板事故對礦山的影響

礦山頂板事故通常會造成井下人員傷亡和設(shè)備損壞。頂板事故大小不同造成的影響也不同,局部頂板事故造成的危害及影響較小,對礦山的生產(chǎn)安全造成威脅程度較小;大面積頂板事故發(fā)生后可能導(dǎo)致更大規(guī)模的地壓活動,可能影響到整個礦山的井下作業(yè)或造成重大事故,給礦山帶來巨大的經(jīng)濟損失,同時造成部分資源浪費;當(dāng)井下地壓活動波及到地表時,可能造成地表塌陷,影響礦區(qū)的生產(chǎn)生活,惡化地表自然環(huán)境。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

礦山相關(guān)規(guī)程規(guī)定礦山井下作業(yè)人員必須在頂板安全的作業(yè)條件下才能從事井下作業(yè),以保障井下工人生命安全。而礦山的頂板管理和頂板支護措施以及其相關(guān)的科研工作是保證井下作業(yè)人員安全的基礎(chǔ)工作,因此,國內(nèi)多家礦山研究機構(gòu)都對這一問題進行過研究。目前,井下的頂板管理和地壓監(jiān)測主要基于地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)穩(wěn)定性分析等基礎(chǔ)性巖體力學(xué)研究結(jié)果,應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)、塊體力學(xué)、彈塑性力學(xué)、巖體開挖極限平衡理論、壓力拱原理、面積承載理論、軸變論、分形理論、模糊數(shù)學(xué)綜合評價與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測等理論方法,進行頂板穩(wěn)定性分析、頂板監(jiān)測、頂板分級管理、頂板誘導(dǎo)崩落等方面的研究。隨著科技發(fā)展和理論的創(chuàng)新,采用合理而先進的技術(shù)手段對頂板和圍巖破壞情況進行監(jiān)測和控制,防止礦山井下頂板事故和其它安全事故發(fā)生的科學(xué)研究工作將會不斷取得新突破和成果,使礦山的安全生產(chǎn)邁上新臺階。

4 頂板管理研究及措施

對于高應(yīng)力復(fù)雜條件的深井礦山,需從采場頂板管理的基礎(chǔ)工作出發(fā),根據(jù)現(xiàn)場工程具體地質(zhì)條件,采用數(shù)值分析、塊體理論和工程地質(zhì)穩(wěn)定性計算等技術(shù)分析后,在頂板巖層支護、頂板處理和安全防護等方面采取積極有效的防治措施,確保井下掘進和工作面的安全。下面對目前采用的比較多的頂板管理方法、處理措施及監(jiān)測手段進行簡單的介紹。

(1)頂板的動態(tài)分級管理。依照采場頂板巖層及其圍巖的工程地質(zhì)調(diào)查研究結(jié)果、頂板圍巖的穩(wěn)定性分析結(jié)果及頂板巖體內(nèi)構(gòu)造面統(tǒng)計結(jié)果等基礎(chǔ)資料,系統(tǒng)地對采場頂板巖層質(zhì)量進行評價,然后根據(jù)評價結(jié)果對采場和工作面頂板進行分級,再根據(jù)頂板可能發(fā)生的事故的程度及影響范圍進行分類,最后依據(jù)分類結(jié)果對同類型同級別頂板統(tǒng)一采取監(jiān)測手段和制定頂板處理措施。當(dāng)采場形成新的分層或工作面推進一定距離后,再次對工作面頂板穩(wěn)定狀態(tài)進行評價和分級。這樣對井下各采場和工作面頂板進行動態(tài)的分級管理,并統(tǒng)一采取頂板處理措施(包括監(jiān)測、控制、支護等),這樣就可避免同類型頂板事故多次出現(xiàn)的狀況,大大提高井下作業(yè)安全環(huán)境和頂板管理水平。

(2)復(fù)合破碎頂板管理。根據(jù)周邊圍巖工程地質(zhì)條件進行預(yù)判,采取超前支護措施(錨桿支護、錨網(wǎng)支護);對掘進過程中出現(xiàn)的破碎區(qū)域及時進行支護,盡量減小頂板裸露面積和縮短破碎頂板的暴露時間;對硬巖工作面采取柔性支護措施,盡量避免支護體破壞的頂板事故和進行二次支護時的頂板傷害;注漿固化頂板技術(shù),主要是將具有高度粘合力和很好的機械性能的馬麗散聚亞膠脂產(chǎn)品注入巖層,低粘度液體混合物滲透巖層細(xì)小的裂縫,發(fā)生膨脹和粘結(jié),從而將破碎區(qū)內(nèi)松散巖石膠結(jié)在一起,有效地加固圍巖松動圈,使之成為整體,改變圍巖狀態(tài),提高巖體內(nèi)摩擦角,增加巖體內(nèi)聚力,增大巖體彈性模量,改善巖體的強度及剛度,提高圍巖的整體承載能力,從而有效控制巷道頂板,防止超前垮落或發(fā)生冒頂事故。

(3)膠結(jié)程度較低的破碎復(fù)合頂板管理。這類頂板一般的支護措施效果均較差,應(yīng)盡量避免這類頂板的揭露,無可避免時可采取超前支護,支護方式視這類頂板的強度和破碎程度而定。

(4)頂板監(jiān)測。主要采用聲發(fā)射監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、位移沉降監(jiān)測、鉆孔光學(xué)窺視儀裂隙監(jiān)測等手段,對頂板破壞程度、應(yīng)力調(diào)整變化情況、位移變化和沉降情況、頂板破裂特征進行監(jiān)測和測量。綜合這些監(jiān)測手段或部分監(jiān)測手段的監(jiān)測數(shù)據(jù),對監(jiān)測區(qū)域頂板變換情況進行判斷,可以很大程度的了解頂板的破壞程度及其穩(wěn)定狀態(tài),從而對頂板事故提前采取控制措施和防范措施,避免人員傷亡和設(shè)備損害等。

5 結(jié) 論

礦井采深的增加使得地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力隨之增大,使深井開采經(jīng)常會遇到地質(zhì)構(gòu)造帶、應(yīng)力疊加及二次動壓影響的復(fù)合頂板回采工作面,礦山開采技術(shù)條件也越來越難,隨之而來的頂板問題也越來越多,給深井開采的頂板管理帶來了全新的挑戰(zhàn)和冗重的工作量。但是隨著科技水平的不斷提高和相關(guān)科研工作者不斷探索及采礦工作者的不斷努力,在深井開采的頂板管理、頂板支護、頂板監(jiān)測和頂板事故防范措施等方面取得了多方面的成果和經(jīng)驗,提出了頂板動態(tài)分級管理、頂板穩(wěn)定預(yù)判及超前支護等方法和措施,有效地減少了同類頂板事故在同一區(qū)域的發(fā)生,大大提高了頂板下作業(yè)人員的工作環(huán)境的安全程度。

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2004-04-26)

孟中華(1980-),河北人,采礦工程師,主要從事礦山巖石力學(xué)、地壓監(jiān)測等方面的研究工作。