巖爆問題的巖層控制與巷道支護(hù)淺論

【摘 要】根據(jù)錢營(yíng)孜煤礦原巖應(yīng)力測(cè)量、巖石物理數(shù)據(jù)、礦體結(jié)構(gòu)調(diào)查以及模型建立的數(shù)據(jù)極端和工程實(shí)際問題， 具有高應(yīng)力的深部采掘區(qū)巖層爆破控制以及為了安全所進(jìn)行的巷道支護(hù)問題，將是礦山以及金屬礦山等類似巖石結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力礦區(qū)所面臨的生產(chǎn)和安全的重大技術(shù)難題，因此本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)深井礦山巷道支護(hù)的方案和實(shí)施過程。

【關(guān)鍵詞】巖爆傾向；巷道支護(hù)；巖層控制

巖爆是深埋地下工程在施工過程中常見的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，當(dāng)巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量時(shí)，破壞了巖體結(jié)構(gòu)的平衡，多余的能量導(dǎo)致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。巖爆往往造成開挖工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡，已成為巖石地下工程和巖石力學(xué)領(lǐng)域的世界性難題。輕微的巖爆僅剝落巖片，無(wú)彈射現(xiàn)象。嚴(yán)重的可測(cè)到4.6級(jí)的震級(jí)，一般持續(xù)幾天或幾個(gè)月。發(fā)生巖爆的原因是巖體中有較高的地應(yīng)力，并且超過了巖石本身的強(qiáng)度，同時(shí)巖石具有較高的脆性度和彈性。這時(shí)一旦地下工程破壞了巖體的平衡，強(qiáng)大的能量把巖石破壞，并將破碎巖石拋出。預(yù)防巖爆的方法是應(yīng)力解除法、注水軟化法和使用錨栓-鋼絲網(wǎng)-混凝土支護(hù)。

1 高地應(yīng)力巖層控制技術(shù)

傳統(tǒng)的采場(chǎng)巖層穩(wěn)定性控制方法除了合理選擇采礦方法、選擇采場(chǎng)斷面形狀與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、確定合理回采順序之外，就是支撐或加固采場(chǎng)圍巖，但國(guó)外礦山開采的經(jīng)驗(yàn)表明在高應(yīng)力情況下，僅靠支撐或加固頂板巖層，不能從根本上解決采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性問題。要解決這一問題，一種行之有效的方法就是采用應(yīng)力控制技術(shù)（SCTl）。SCT是20世紀(jì)60年代在saskatchewan鉀礦的深部開采中產(chǎn)生的，當(dāng)時(shí)該礦隨著開采深度的加大，巖層中的應(yīng)力亦越來越大，冒頂與底膨現(xiàn)象嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)和安全，而傳統(tǒng)的加固與支護(hù)手段無(wú)法解決采場(chǎng)安全性問題，就是在這種情況下礦山成功地研究并采用了SCT。SCT的實(shí)質(zhì)就是進(jìn)行采場(chǎng)的合理設(shè)計(jì)、應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)反饋、提出合理的開挖順序，以達(dá)到使開挖空間周圍巖層中的應(yīng)力產(chǎn)生合理的轉(zhuǎn)移，使得待采區(qū)在卸荷區(qū)的低應(yīng)力下開采。

SCT可應(yīng)用于大多數(shù)不同巖層條件的開采（除無(wú)粘性的沙和軟土類巖層之外），該方法可以很好地解決高地應(yīng)力采場(chǎng)的穩(wěn)定性問題，甚至不需要對(duì)采場(chǎng)頂板進(jìn)行人工加固，同時(shí)對(duì)于防止應(yīng)力高度集中和預(yù)防巖爆亦有明顯的作用。

2 巖爆-預(yù)防及處理

采取積極主動(dòng)的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的施工支護(hù)，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最低。在高應(yīng)力地段施工中可采用以下技術(shù)措施：

（1）在施工前，針對(duì)已有勘測(cè)資料，首先進(jìn)行概念模型建模及數(shù)學(xué)模型建模工作，通過三維有限元數(shù)值運(yùn)算、反演分析以及對(duì)隧道不同開挖工序的模擬，初步確定施工區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級(jí)以及施工過程中哪些部位及里程容易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，優(yōu)化施工開挖和支護(hù)順序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據(jù)。

（2）在施工過程中，加強(qiáng)超前地質(zhì)探測(cè)，預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的可能性及地應(yīng)力的大小。采用上述超前鉆探、聲反射、地溫探測(cè)方法，同時(shí)利用隧道內(nèi)地質(zhì)編錄觀察巖石特性，將幾種方法綜合運(yùn)用判斷可能發(fā)生巖爆高地應(yīng)力的范圍。

（3）打設(shè)超前鉆孔轉(zhuǎn)移隧道掌子面的高地應(yīng)力或注水降低圍巖表面張力超前鉆孔可以利用鉆探孔，在掌子面上利用地質(zhì)鉆機(jī)或液壓鉆孔臺(tái)車打設(shè)超前鉆孔，鉆孔直徑為45mm，每循環(huán)可布置4～8個(gè)孔，深度5～10m，必要時(shí)也可以打設(shè)部分徑向應(yīng)力釋放孔，鉆孔方向應(yīng)垂直巖面，間距數(shù)十厘米，深度1～3m不等。必要時(shí)，若預(yù)測(cè)到的地應(yīng)力較高，可在超前探孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破或?qū)⑼暾麕r體用小炮震裂，或向孔內(nèi)壓水，以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。

（4）在施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作，通過對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)觀察、通過對(duì)輔助洞拱頂下沉、兩維收斂以及錨桿測(cè)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)讀數(shù)的變化，可以定量化地預(yù)測(cè)滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，用于指導(dǎo)開挖和支護(hù)的施工，以確保安全。

（5）在開挖過程中采用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”，同時(shí)利用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制用藥量，以盡可能減少爆破對(duì)圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規(guī)則，減小局部應(yīng)力集中發(fā)生的可能性。在巖爆地段的開挖進(jìn)尺嚴(yán)格控制在2.5m以內(nèi)。

（6）加強(qiáng)施工支護(hù)工作

支護(hù)的方法是在爆破后立即向拱部及側(cè)壁噴射鋼纖維或塑料纖維混凝土，再加設(shè)錨桿及鋼筋網(wǎng)。必要時(shí)還要架設(shè)鋼拱架和打設(shè)超前錨桿進(jìn)行支護(hù)。襯砌工作要緊跟開挖工序進(jìn)行，以盡可能減少巖層暴露的時(shí)間，減少巖爆的發(fā)生和確保人身安全，必要時(shí)可采取跳段襯砌。同時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備好臨時(shí)鋼木排架等，在聽到爆裂響聲后，立即進(jìn)行支護(hù)，以防發(fā)生事故。

（7）對(duì)發(fā)生巖爆的地段，可采取在巖壁切槽的方法來釋放應(yīng)力。以降低巖爆的強(qiáng)度。

（8）在巖爆地段施工對(duì)人員和設(shè)備進(jìn)行必要的防護(hù)，以保證施工安全。

3 巷道支護(hù)技術(shù)

對(duì)于高地應(yīng)力特別是有巖爆傾向的巷道支護(hù)，由于應(yīng)力大、變形大且具有動(dòng)力破壞特點(diǎn)，因而難以支護(hù)。在國(guó)外的金屬礦山，對(duì)這種類型的巷道支護(hù)已積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，比較有代表性的國(guó)家有南非、前蘇聯(lián)、加拿大、美國(guó)和智利等國(guó)。南非金礦目前研究的問題是3000m以下的大深度支護(hù)，原巖應(yīng)力在150M幾以上，主要是以柔性防沖擊支架和延性錨桿支護(hù)并輔以大變形的柔性網(wǎng)等支護(hù)形式。前蘇聯(lián)在這類巷道支護(hù)的研究中，采用了普通錨噴支護(hù)、鋼纖維噴錨支護(hù)、柔性鋼支架、以及錨噴網(wǎng)+柔性鋼支架聯(lián)合支護(hù)等多種形式。

綜合國(guó)內(nèi)外的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)金屬礦山的原巖應(yīng)力水平和巖石條件一般為堅(jiān)硬的特點(diǎn)，高地應(yīng)力巷道可參考前蘇聯(lián)、加拿大、智利和美國(guó)等金屬礦山的支護(hù)形式，采用對(duì)常規(guī)錨桿支護(hù)、噴混凝土支護(hù)、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行改造和優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，對(duì)于有巖爆傾向的巷道采用諸如注水軟化、鉆孔切槽卸壓、爆破卸壓等特殊方法處理后再進(jìn)行支護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)礦山深井巖層控制與巷道支護(hù)問題的研究工作尚屬剛剛起步，無(wú)疑它將是我國(guó)礦深井開采過程中面臨的重大技術(shù)難題，本文僅僅是一個(gè)概要性綜述。進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究，對(duì)我國(guó)礦山深井開采有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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[責(zé)任編輯：湯靜]