渣滓溪銻礦巖爆現(xiàn)象及災(zāi)害治理

陳 健

(湖南安化渣滓溪礦業(yè)有限公司， 湖南 安化縣 413507)

巖爆是地下工程，特別是礦山工程、水利水電工程和鐵路、公路隧道工程常見的突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害，巖爆所產(chǎn)生的危害已引起了全世界的關(guān)注。隨著渣滓溪銻礦礦山開采逐步向深部擴展，已開采至埋深600 m，深井巖體在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生動態(tài)失穩(wěn)破壞，發(fā)生巖爆災(zāi)害，危及職工生命與設(shè)備安全。礦山至今已發(fā)生數(shù)十次巖爆事故，為保障職工生命與設(shè)備安全，開展礦山巖爆研究勢在必行。由于工程界對巖爆的定義、分類及其機理尚未達成共識，巖爆理論的研究成果與具體工程實踐指導(dǎo)還相距甚遠，目前工程需要的巖爆預(yù)測、預(yù)防研究方案尚停留在對巖爆經(jīng)驗判斷水平。但是，通過對實際巖爆工程的發(fā)生機理、預(yù)測預(yù)報模型的理論研究，對巖爆防治措施進行實際的探討，有針對性的提出可靠的巖爆預(yù)測方法和預(yù)防措施，對于地下工程的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1 巖爆的危害

自1738年在英國南史塔夫煤田發(fā)生全球首例有記錄的巖爆后，在200多年的時間里，南非、美國、中國、前蘇聯(lián)、加拿大、日本、捷克、保加利亞、奧地利、印度、新西蘭等20多個國家都先后發(fā)生過巖爆。我國最早有記錄的巖爆發(fā)生于1933年撫順勝利煤礦，其后在京西的門頭溝煤礦、阜新的五龍礦、石嘴子銅礦、金川二礦區(qū)、紅透山銅礦、冬瓜山銅礦、錦屏水電樞紐工程、秦嶺隧道等都發(fā)生過多次巖爆。無論是礦山工程、水利水電工程還是鐵路、公路隧道工程，一旦發(fā)生巖爆事故，輕者開挖洞室局部受到破壞進而影響施工進度，重者開挖洞室整體受到嚴重破壞，造成施工設(shè)備的損壞，甚至大量人員的傷亡，其后果不堪設(shè)想。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局官方網(wǎng)站公布一組觸目驚心的數(shù)字，2001～2011年10年間12次強烈?guī)r爆事件中，死亡人數(shù)36人，重傷6人，輕傷74人，多次砸斷鉆孔臺車鉆臂，砸壞多臺卡車、升降臺車、噴漿機和電焊機等。

2 巖爆的發(fā)生條件

2.1 地質(zhì)條件

(1) 巖爆的形成與巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)，不發(fā)生在節(jié)理發(fā)育的破碎段，而是發(fā)生在節(jié)理不多也不少的巖體段或者完整的巖體內(nèi)。裂隙發(fā)育的巖體受裂隙和層面多重切割，其破壞機制由軟弱面起控制作用不易發(fā)生巖爆。 渣滓溪銻礦F3斷層周圍巖石比較發(fā)育，不易發(fā)生巖爆，離F3斷層有一定距離的43脈、19脈和20脈巖石較完整，多次發(fā)生巖爆災(zāi)害。

(2) 每期構(gòu)造都會形成一次應(yīng)力場，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造帶容易發(fā)生巖爆，如褶曲、巖脈、斷層以及巖層的突變等。特別是向斜的軸部巖層存在較大的地應(yīng)力，聚積有大量的彈性變形能，一旦開挖或開采，就有可能產(chǎn)生巖爆。渣滓溪礦區(qū)屬于斷層控礦，且斷層多而復(fù)雜。

(3) 抗壓強度高(σc>60 MPa)、質(zhì)地堅硬、單軸壓縮試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線以線彈性變形為主的脆性火成巖或沉積巖容易發(fā)生巖爆，特別是具備這些特征的巖石有利于積聚彈性變性能。通過對26個巖爆工程或地段巖性統(tǒng)計得到圖1所示關(guān)系，巖爆基本都發(fā)生在花崗巖、石英巖等硬脆性巖石中，即使發(fā)生在灰?guī)r地段的巖爆，其灰?guī)r中也同樣含有一定量的硅質(zhì)成分。

渣礦圍巖以凝灰質(zhì)砂巖、石英砂巖、凝灰質(zhì)板巖為主，堅硬石英砂巖、凝灰質(zhì)砂巖在高應(yīng)力條件下都易發(fā)生巖爆。

圖1 巖爆-巖性關(guān)系

2.2 工程條件

(1) 壓力集中系數(shù)與硐室橫斷面幾何形狀有關(guān)，理論分析表明，非圓形硐室的應(yīng)力分布不均程度高，一旦某些部位的應(yīng)力值達到或超過發(fā)生巖爆的臨界值，容易發(fā)生巖爆。一般在硐室轉(zhuǎn)彎處的彎道內(nèi)側(cè)或角腳處易發(fā)生巖爆。渣滓溪銻礦采場一般為矩形。

圖2 巖爆隨深度發(fā)生的概率

(2) 干燥無水，埋深較大易產(chǎn)生巖爆。工程埋深決定著原巖應(yīng)力的大小、方向和分布狀態(tài)，隨著開挖深度的增加，地應(yīng)力呈線性或非線性的增加趨勢，巖爆活動也呈現(xiàn)增加的趨勢，通過對巖爆發(fā)生地段深度的統(tǒng)計，巖爆在600 m以上發(fā)生次數(shù)明顯增多，占統(tǒng)計總量的65%，如圖2所示。渣滓溪銻礦開采深度近600 m，且以往發(fā)生巖爆的礦巖干燥無水，屬易發(fā)生巖爆范圍。

2.3 應(yīng)力場條件

巖爆一般發(fā)生在高地應(yīng)力區(qū)，特別是高水平地應(yīng)力。主應(yīng)力的大小和方向決定著巖爆發(fā)生的部位和烈度，研究發(fā)現(xiàn)，在埋深小于1000 m時，以水平方向主應(yīng)力為主，頂?shù)装逡装l(fā)生巖爆；在埋深大于1000 m時，以垂直方向主應(yīng)力為主，則硐室側(cè)墻易發(fā)生巖爆；巷道主軸方向與主應(yīng)力方向相同，在兩幫就會發(fā)生巖爆；巷道主軸方向與主應(yīng)力方向垂直，就會在作業(yè)面發(fā)生巖爆(見圖3)。

3 巖爆的防治

根據(jù)巖爆發(fā)生的范圍和破壞程度，其防治措施主要從兩個大的方面考慮：一個是戰(zhàn)略性的防治措施；另一個是局部解危措施。

圖3 渣滓溪銻礦巖爆后的巖體

3.1 戰(zhàn)略性防治措施

(1) 確定最佳回采順序。根據(jù)礦床賦存厚度、主構(gòu)造與礦體關(guān)系，確定平面開采的礦塊回采順序，利用免壓拱，創(chuàng)造回采的安全條件；在條件允許時，盡可能實現(xiàn)連續(xù)開采，采礦工作面總體推進；在有斷層構(gòu)造的礦脈，應(yīng)從斷層附近開采后退回采，少留礦柱。

(2) 合理布置開拓采準巷道。隨著上中段的回采，下中段的采準巷道將進入到由上中段開采形成的承壓帶中，因此，要在上中段回采產(chǎn)生承壓帶之前，就要提前完成下中段的開拓、采準、切割工程。同時，在巷道掘進過程中，要盡量使巷道方向沿著最大主應(yīng)力方向。

(3) 充填采空區(qū)。用充填材料支撐采空區(qū)，轉(zhuǎn)移頂板應(yīng)力場，降低應(yīng)力集中程度；減小采場圍巖彈性變形，降低巖層彎曲固折程度，減少巖爆次數(shù)和降低巖爆強度。

(4) 建立微震監(jiān)測系統(tǒng)。實時監(jiān)測采區(qū)巖體對采礦活動的響應(yīng)情況，及時預(yù)報可能發(fā)生巖爆的位置和強度，為安全生產(chǎn)提供可靠的信息。

3.2 局部解危措施

(1) 超前徑向鉆孔解壓。在易發(fā)生巖爆的部位，打一些空孔，誘導(dǎo)巖爆在孔內(nèi)發(fā)生，巖體內(nèi)聚集的能量得到釋放，使工作面附近壓力峰值向原巖體內(nèi)推進，實現(xiàn)降低巖爆強度或防止巖爆發(fā)生的目的。

(2) 控制爆破。施工過程多采用淺孔多循環(huán)作業(yè)，通過爆破使作業(yè)面盡可能光滑圓順，避免局部應(yīng)力集中。

(3) 開槽卸壓。如果巷道兩邊墻有較高應(yīng)力，在兩邊墻上開鑿一個槽，使圍巖變形向槽中擴展，增大圍巖變形能力，應(yīng)力峰值向巖體深處轉(zhuǎn)移，緩解頂板上的應(yīng)力集中。

(4) 巖層預(yù)注水。通過注水降低巖體強度，增加巖體塑性變形比例，使巖體內(nèi)積聚的應(yīng)變能多次小規(guī)模釋放，防止應(yīng)變能集中釋放。要求巖層具有一定受水能力，孔隙度大于4%，頂板堅硬，支護強度大。

總之，巖爆是一種嚴重的地質(zhì)災(zāi)害，不可預(yù)測的地質(zhì)變化都可能引起難以預(yù)測的巖爆。雖然巖爆尚處在探索階段，但是通過對不同地質(zhì)條件發(fā)生的巖爆災(zāi)害的研究，采用不同的具體的防治措施，能夠很好的預(yù)防和降低巖爆可能引起的重大安全事故，保證地下工程的安全作業(yè)。

渣滓溪銻礦目前在采場中采取在崩礦區(qū)前后各預(yù)先鑿2～3個泄壓孔；在天井掘進時沿礦體底板并揭露一定礦體的方法掘進，取得了一定的效果，但沒有徹底排除巖爆現(xiàn)象。未來通過詳細的數(shù)據(jù)及應(yīng)力場分析研究，渣滓溪銻礦的巖爆將得到有效控制。

參考文獻：

[1]李麗娟.金川礦山深部巖石巖爆傾向性研究[D].長沙：中南大學(xué),2009.

[2]姚高輝.金屬礦山深部開采巖爆預(yù)測及工程應(yīng)用研究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2008.

[3]郭 立.深部硬巖巖爆傾向性動態(tài)預(yù)測模型及其應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué),2004.

[4]程向陽.大相嶺深埋隧道圍巖穩(wěn)定性及巖爆段快速施工研究[D].成都：西南交通大學(xué),2010.

[5]楊凌云.括蒼山深埋特長隧道巖爆預(yù)測及防治研究[D].西安：長安大學(xué),2007.

[6]杜子建.巖爆預(yù)測理論與應(yīng)用研究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2007.

[7]唐禮忠.深井礦山地震活動與巖爆監(jiān)測及預(yù)測研究[D].長沙：中南大學(xué),2008.

[8]潘 懿.深井采礦地壓災(zāi)害微震監(jiān)測、預(yù)報與控制技術(shù)研究[D].長沙：長沙礦山研究院,2008.

[9]黃學(xué)軍,姜永東.隧道巖爆的判據(jù)與預(yù)測預(yù)報[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2005,32(2):7-9.

[10]陶振宇.若干電站地下工程建設(shè)中的巖爆問題[J].水力發(fā)電,1988(7):40-45.