基于礦山工程地質(zhì)特點(diǎn)的巖爆防治措施研究

楊 敏 吝曼卿， 張電吉 彭亞利 萬(wàn)紅元 田春滿

(1.湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司，湖北 宜昌 443700；2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北武漢 430073)

隨著淺層資源的逐步枯竭，礦山企業(yè)不得不向地下中深部開(kāi)采。由于開(kāi)采深度的增加，不可避免地會(huì)出現(xiàn)高地應(yīng)力、斷層等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境[1]。此外，深部巖體在地下高地應(yīng)力作用下進(jìn)行開(kāi)挖擾動(dòng)時(shí)，圍巖應(yīng)力受開(kāi)挖擾動(dòng)影響而重新分布，隨著采空區(qū)暴露面積逐漸增加，受開(kāi)挖卸荷和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造作用，使堅(jiān)硬脆性巖體發(fā)生爆裂、松脫、剝離、彈射乃至拋射性破壞等巖爆現(xiàn)象[2-3]，嚴(yán)重威脅著井下的開(kāi)采安全，給礦山生產(chǎn)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。

相關(guān)研究表明，巖爆的發(fā)生受多因素影響[4]，如開(kāi)挖巖體的巖性、開(kāi)挖臨空面、礦山開(kāi)挖方式、開(kāi)挖環(huán)境、開(kāi)挖路徑等因素。其中，地應(yīng)力和巖性對(duì)巖爆起著決定性作用[5-7]。本研究以宜昌某磷礦工程的巖爆特點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過(guò)詳細(xì)記錄和統(tǒng)計(jì)礦山開(kāi)拓巷道和采場(chǎng)的巖爆現(xiàn)象，總結(jié)礦山巖爆發(fā)生的基本規(guī)律，結(jié)合礦山的地質(zhì)環(huán)境與圍巖特性，分析引起該礦山巖爆發(fā)生的主要原因，并從降低圍巖應(yīng)力集中程度和加強(qiáng)礦山安全管理措施對(duì)礦山巖爆進(jìn)行防護(hù)。

1 礦山概況

宜昌某磷礦開(kāi)采深度112.67～1 021.97 m，平均深度550 m。礦層連續(xù)穩(wěn)定，呈緩傾斜向東南傾，傾角17°～25°。礦區(qū)頂、底板圍巖穩(wěn)定性較好，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，但因礦層直接頂板為陡山沱組中上部的一層厚0.5～2.5 m的硅質(zhì)白云巖，如圖1所示，其具有硬度高、完整性好、易碎的特點(diǎn)。巷道掘進(jìn)及回采的過(guò)程中，頂板巖爆頻繁，給井下作業(yè)人員和設(shè)備造成了嚴(yán)重的威脅。

圖1 礦區(qū)頂板硅質(zhì)白云巖Fig.1 Siliceous dolomite on roof ofunderground mining area

2 礦山巖爆現(xiàn)象分析

巖爆的發(fā)生，不僅與所發(fā)生的巖性相關(guān)，還與巖爆巖體的應(yīng)力環(huán)境和應(yīng)力路徑有密切關(guān)系[8]。礦山在開(kāi)采過(guò)程中，因開(kāi)拓巷道處與采場(chǎng)的開(kāi)挖工況具有較大的差異，表現(xiàn)出的巖爆現(xiàn)象也存在不同。為更好地掌握該礦山的巖爆特性，分別對(duì)礦山開(kāi)拓巷道和采區(qū)巖爆特性進(jìn)行觀察分析，見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，在礦山開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)拓巷道和采區(qū)都存在巖爆現(xiàn)象，巖爆主要出現(xiàn)在開(kāi)挖影響區(qū)的頂?shù)撞浚鴥H在部分因開(kāi)挖順序造成高應(yīng)力區(qū)，如即將貫穿的采切巷道附近或形成“孤島效應(yīng)”的礦柱側(cè)壁，會(huì)出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)該地區(qū)相似礦山的受力及

表1 礦山開(kāi)拓巷道與采區(qū)巖爆特性表Table 1 Rock burst characteristics between roadway and mining area

礦區(qū)破壞位置進(jìn)行對(duì)比分析，此磷礦山主要受水平構(gòu)造應(yīng)力影響。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外巖爆的烈度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]，巖爆的烈度可大致劃分為輕微、中等、嚴(yán)重、劇烈4種。對(duì)比表1可知，在對(duì)巷道進(jìn)行開(kāi)拓時(shí)，在距爆破作業(yè)后2～8 h，距開(kāi)挖掌子面10 m范圍內(nèi)的巷道頂板存在相對(duì)頻繁的巖爆現(xiàn)象，巖體發(fā)出清脆的巖爆聲音，飛濺出板狀、片狀或薄碎屑狀巖體，巖爆后，在掌子面頂板形成凹形爆坑，如圖2所示。說(shuō)明該礦山在進(jìn)行巷道開(kāi)拓時(shí)，主要發(fā)生輕微巖爆和中等巖爆。

圖2 開(kāi)拓巷道掌子面附近巖爆爆坑和碎屑Fig.2 Rock burst fragments and its pit near theexcavation plane of roadway

而在采區(qū)進(jìn)行作業(yè)24 h內(nèi)，在距采場(chǎng)50 m范圍內(nèi)都會(huì)呈現(xiàn)頻繁巖爆現(xiàn)象，巖爆聲音清脆，但在礦柱附近巖爆發(fā)生時(shí)，聲音沉悶，在臨近礦房切割貫穿時(shí)，掌子面巖爆碎屑彈射飛濺可達(dá)5 m，伴有炸裂聲。說(shuō)明采場(chǎng)受開(kāi)挖影響，發(fā)生了巖爆以中等巖爆和輕微巖爆，部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重巖爆。

經(jīng)分析，由于開(kāi)拓巷道的幾何尺寸比采區(qū)的要小很多，受開(kāi)挖擾動(dòng)時(shí)，在開(kāi)拓巷道附近圍巖的集中應(yīng)力程度要比采區(qū)的應(yīng)力集中程度小很多，產(chǎn)生的巖爆范圍相對(duì)較小。此外，從圍巖應(yīng)力的分布角度看，開(kāi)拓巷道掌子面附近巖爆產(chǎn)生的主要原因是受掌子面開(kāi)挖引發(fā)的巖體應(yīng)力突然變化，掌子面附近圍巖很快積聚了能量，這些能量達(dá)到一定限度時(shí)突然釋放而形成巖爆。而對(duì)于采區(qū)，由于采區(qū)的開(kāi)采范圍相對(duì)較大，采區(qū)內(nèi)布置礦柱對(duì)空區(qū)進(jìn)行支撐，且?guī)r體的開(kāi)挖時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，引起采區(qū)圍巖的應(yīng)力不僅受開(kāi)挖引起的應(yīng)力集中，還因臨近巖體的開(kāi)挖擾動(dòng)而產(chǎn)生的二次應(yīng)力集中，采區(qū)爆破開(kāi)挖擾動(dòng)的應(yīng)力波動(dòng)在采空區(qū)內(nèi)多次反射與折射，使得空區(qū)圍巖受力多次疊加，因此，在采區(qū)呈現(xiàn)出的巖爆持續(xù)時(shí)間與烈度相對(duì)比在開(kāi)拓巷道的大。

3 礦山巖爆的影響分析

3.1 礦山地質(zhì)環(huán)境對(duì)巖爆發(fā)生的影響分析

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[9]，地質(zhì)構(gòu)造中的彎曲和扭折等各種行跡以及褶皺區(qū)等，都可能是有很高封閉應(yīng)力的部位。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，礦山在810中段開(kāi)采時(shí)，礦山巖爆現(xiàn)象相對(duì)明顯。選取礦山某地質(zhì)剖面圖，如圖3所示。

圖3 礦山地質(zhì)剖面圖Fig.3 Profiles of mining geology

從圖3可知，礦山在810中段附近巖體受逆斷層F1影響，礦層構(gòu)造層彎曲和部分褶皺現(xiàn)象，造成該處巖體具有較高的封閉應(yīng)力，致使此處巖體相對(duì)礦山其他位置巖體具有較高的初始應(yīng)力環(huán)境，因而，具有較高的巖爆傾向性，更容易產(chǎn)生巖爆。

3.2 礦山巖性對(duì)巖爆發(fā)生的影響分析

由于礦體在開(kāi)采破壞過(guò)程中，開(kāi)挖造成巖體的破壞是由巖石的受力情況和細(xì)觀特征所決定[10-12]，從表1可知，發(fā)生巖爆后，巖爆碎屑多呈薄碎屑狀、片狀、透鏡狀或板狀等。由于礦層直接頂板的一層厚0.5～2.5 m的硅質(zhì)白云巖，如圖1所示，其具有硬度高、完整性好、易碎的特點(diǎn)。為分析礦山巖性對(duì)巖爆發(fā)生的影響，利用SEM試驗(yàn)對(duì)磷塊巖的巖爆碎屑進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)，部分巖爆碎屑放大5 000倍后的細(xì)觀分析圖及其對(duì)應(yīng)的巖體組成元素圖，如圖4所示。

通過(guò)對(duì)礦山巖爆進(jìn)行細(xì)觀試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，含有硅質(zhì)白云巖的磷塊巖的巖爆碎屑細(xì)觀結(jié)構(gòu)均較致密。石英等脈石強(qiáng)度非常高，磷塊巖晶界弱面為白云石與膠磷礦之間的接觸晶界，受力晶界破壞多位于膠磷礦與白云石間接觸晶界處發(fā)生，該現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)巖爆巖體為白云巖含量較高巖體的情況吻合。

由此可見(jiàn)，礦區(qū)頂板具有含硅質(zhì)白云巖的巖體，其巖體具有硬脆，且細(xì)觀結(jié)構(gòu)致密，致使含有硅質(zhì)白云巖的巖體在開(kāi)挖擾動(dòng)下，更容易積聚能量。此外，硅質(zhì)白云巖主要分布在頂板，如圖1所示，礦山在水平構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下，受開(kāi)挖擾動(dòng)作用，在白云巖與白云石與膠磷礦之間晶界弱面首先釋放能量而破壞，致使含有硅質(zhì)白云巖的巖體具有巖爆傾向性。

圖4 部分巖爆碎屑細(xì)觀分析圖與組成元素圖Fig.4 Macroscopic revolution and its compositionelements of rock burst fragments

4 巖爆防治措施

通過(guò)對(duì)礦山巖性和地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析可知，受工程開(kāi)挖地質(zhì)環(huán)境、水平構(gòu)造應(yīng)力影響，在開(kāi)挖環(huán)境下，頂?shù)撞繋r體更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；且在810中段附近巖體，因斷層影響致使巖體初始應(yīng)力環(huán)境較高。此外，礦山頂板因含有硅質(zhì)白云巖，該巖體的存在增加了礦山頂部的巖爆傾向性，因此對(duì)礦山的巖爆防治措施主要應(yīng)采取緩解應(yīng)力集中的現(xiàn)場(chǎng)降壓措施，還應(yīng)采取加強(qiáng)礦區(qū)安全教育與隱患排查等安全管理措施。

4.1 巖爆防治的技術(shù)措施

(1)在進(jìn)行采礦之前應(yīng)先對(duì)工作面進(jìn)行綜合分析，合理布置采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化礦柱尺寸，避免平巷與斜坡道交叉口處形成的三角形單個(gè)礦柱，巷道軸線與最大主應(yīng)力方向應(yīng)平行布置；選擇合理的開(kāi)挖步驟，采取不完全開(kāi)采和逐步開(kāi)挖的方法，盡量避免形成“孤島效應(yīng)”，以減小圍巖應(yīng)力集中程度。

(2)在高應(yīng)力及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境處進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，縮小掘進(jìn)巷道的斷面尺寸，巷道成型后掌子面上部超前，幫壁成倒梯形，采用短進(jìn)尺、小藥量爆破，優(yōu)化炮孔參數(shù)與炮孔結(jié)構(gòu)，降低開(kāi)挖對(duì)圍巖破壞程度；延長(zhǎng)作業(yè)循環(huán)周期，采區(qū)間歇式作業(yè)，每作業(yè)0.5 h后，關(guān)停設(shè)備、停止作業(yè)10 min，對(duì)巖爆層采取局部放頂、機(jī)械撬毛等方式泄壓處理，檢查頂幫無(wú)異常再恢復(fù)作業(yè)；對(duì)于嚴(yán)重巖爆區(qū)在作業(yè)面爆破后禁止從事任何作業(yè)，停止24 h后進(jìn)行下一環(huán)節(jié)的作業(yè)，以降低短時(shí)間的圍巖應(yīng)力集中而引發(fā)的沖擊巖爆。

(3)由于硅質(zhì)白云巖具有吸水性，在掌子面或高應(yīng)力區(qū)經(jīng)常噴灑冷水，鑿巖、出礦前沖洗頂幫，可將圍巖中的切向應(yīng)力釋放并轉(zhuǎn)移到深部圍巖中，降低巖體儲(chǔ)存應(yīng)變能的能力，降低圍巖強(qiáng)度，進(jìn)而減少巖爆。

(4)改變錨網(wǎng)錨桿支護(hù)方式，加強(qiáng)永久性支護(hù)，采用錨網(wǎng)錨桿、鋼拱架等進(jìn)行永久性支護(hù)；對(duì)于易巖爆區(qū)域、長(zhǎng)距離切割處采用臺(tái)車(chē)鑿巖、撬毛機(jī)清排頂幫、裝載機(jī)裝礦、挖機(jī)配合，提高回采速度，縮短作業(yè)時(shí)間。

4.2 巖爆防護(hù)的安全管理措施

降低巖爆的發(fā)生，應(yīng)采取必要的安全管理措施。首先，通過(guò)三級(jí)安全教育考試合格后上崗，提高礦井作業(yè)人員的安全意識(shí)，減少或杜絕礦井人員的不安全行為；嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的人數(shù)，嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)逗留。其次，針對(duì)礦山巖爆特征，編制可操作性強(qiáng)的技術(shù)規(guī)程，規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。加強(qiáng)對(duì)頂板的隱患排查治理工作，強(qiáng)化對(duì)工作人員的各項(xiàng)安全操作的審查，落實(shí)應(yīng)急救援制度。此外，對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)必須落實(shí)《簽字確認(rèn)制度》，凡是進(jìn)入井下工作的人員必須先檢查、清理頂板及幫壁，認(rèn)真搞好敲幫問(wèn)頂工作，撬掉頂板懸礦、幫壁傘檐，清理頂幫時(shí)必須從外到里，沿幫壁依次推進(jìn)；清理結(jié)束，經(jīng)區(qū)域安全員檢查并懸掛“準(zhǔn)予作業(yè)牌”后，方可作業(yè)?；夭山Y(jié)束后立即對(duì)采空區(qū)打密集的信號(hào)燈進(jìn)行觀察，并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行封閉。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)宜昌某磷礦在水平構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下，受開(kāi)挖擾動(dòng)作用，使含有硅質(zhì)白云巖的巖體在開(kāi)挖擾動(dòng)下，更容易積聚能量。在白云巖與白云石與膠磷礦之間晶界弱面首先釋放能量而破壞，表現(xiàn)出含有硅質(zhì)白云巖的巖體更具有巖爆傾向性。

(2)由于開(kāi)拓巷道的幾何尺寸比采區(qū)的要小很多，受開(kāi)挖擾動(dòng)時(shí)，在開(kāi)拓巷道附近圍巖的集中應(yīng)力程度要比采區(qū)的應(yīng)力集中程度小很多，產(chǎn)生的巖爆范圍相對(duì)較小。采區(qū)圍巖的應(yīng)力不僅受開(kāi)挖引起的應(yīng)力集中，還因臨近巖體的開(kāi)挖擾動(dòng)而產(chǎn)生的二次應(yīng)力集中，采區(qū)爆破開(kāi)挖擾動(dòng)的應(yīng)力波動(dòng)在采空區(qū)內(nèi)多次反射與折射，使得空區(qū)圍巖受力多次疊加，呈現(xiàn)出在采區(qū)的巖爆持續(xù)時(shí)間與烈度相對(duì)比其在開(kāi)拓巷道的大。

(3)針對(duì)礦山特殊的初始應(yīng)力環(huán)境與地質(zhì)構(gòu)造作用，對(duì)該礦山巖爆的防治，可通過(guò)優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、合理選擇開(kāi)挖步驟、定期圍巖濕水、改善開(kāi)挖方式及延長(zhǎng)作業(yè)周期等緩解圍巖應(yīng)力集中的現(xiàn)場(chǎng)降壓措施；此外，還應(yīng)采取加強(qiáng)礦山的安全教育與隱患排查等安全管理措施。

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