磷塊巖地下開采的巖爆機理及處理對策

張電吉 ，楊丹丹 ，吝曼卿 ，，習本軍 ，倪小山 ，張衛(wèi)中 ，，潘 登

1.武漢工程大學 磷工程中心，湖北 武漢 430074；

2.湖北興發(fā)化工集團股份有限公司，湖北 宜昌 443700

磷塊巖地下開采的巖爆機理及處理對策

張電吉1，楊丹丹1，吝曼卿1，2，習本軍2，倪小山2，張衛(wèi)中1，2，潘 登1

1.武漢工程大學 磷工程中心，湖北 武漢 430074；

2.湖北興發(fā)化工集團股份有限公司，湖北 宜昌 443700

中國某磷塊巖礦床地下開采過程中，采場頂板及巷道有明顯的巖爆現(xiàn)象發(fā)生.通過現(xiàn)場巖爆的實地調查，了解現(xiàn)場巖爆的發(fā)生頻度及發(fā)生規(guī)律，在巖爆區(qū)域現(xiàn)場采樣進行室內微觀實驗分析，發(fā)現(xiàn)磷塊巖宏觀力學行為很大程度上符合其微觀結構構造和礦物組成的微觀力學行為，微觀裂紋試驗發(fā)現(xiàn)磷塊巖晶界弱面為白云石與膠磷礦之間的接觸晶界.現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)，巖爆多發(fā)生在爆破后環(huán)境干燥的區(qū)域，且多發(fā)礦段為白云石含量較高的巖層.提出了巖爆的產生判據(jù)，并給出了巖爆的防治對策.

磷塊巖；高應力；采場頂板；微觀裂紋；巖爆控制

在采礦工程中，由于開采深度的增加，不可避免的會出現(xiàn)高地應力、斷層等復雜地質環(huán)境［1］.此外，深部巖體在地下高地應力作用下進行開挖擾動時，圍巖應力受開挖擾動影響而重新分布，隨著采空區(qū)暴露面積的逐漸增加，受開挖卸荷和復雜地質構造作用，使堅硬脆性巖體發(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］.巖爆的發(fā)生受多因素影響［4］，嚴重威脅著礦下的開采安全，將會在礦山生產中造成重大的安全事故和較大的經(jīng)濟損失.

筆者以宜昌某磷礦工程的巖爆特點為基礎，通過詳細記錄和統(tǒng)計礦山開拓巷道和采場的巖爆現(xiàn)象，在巖爆區(qū)域現(xiàn)場采樣進行室內微觀實驗分析，尋找磷塊巖宏觀力學行為與其微觀結構構造和礦物組成的微觀力學的關系.結合礦山巖爆發(fā)生的基本規(guī)律和礦山的地質環(huán)境，分析引起該礦山巖爆發(fā)生的主要原因，并提出了巖爆的防治對策與措施.

1 工程概況

所研究的礦段內磷礦層賦存于震旦系上統(tǒng)陡山沱組第二段，為沉積型磷礦巖（膠磷礦），開采深度為+112.17 m～+1 021.97 m標高，礦層連續(xù)穩(wěn)定，呈緩傾斜且向東南傾，傾角為17°～25°.工業(yè)礦床主要是Ph13磷礦層，礦層結構單一，平均厚度為5.46 m.

礦區(qū)頂板圍巖為白云巖，巖石堅硬、強度高、完整性好；Ph13磷礦層致密堅硬、完整性好；底板圍巖為含磷泥巖，較軟弱、強度低，故礦段內工程地質條件屬于中等類型.

該磷礦屬緩傾斜薄至中厚礦體，頂、底板圍巖穩(wěn)定性較好，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，但因礦石為膠結結構，塊狀發(fā)育導致礦石極易松散，容易發(fā)生片幫，同時頂板硅質巖、硅質白云巖中含有方解石，方解石吸水之后容易膨脹，從而導致工作區(qū)內頂板存在炸頂、脫層的現(xiàn)象，這將成為開采中的不穩(wěn)定因素.

現(xiàn)場開采主要采用無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦的房柱法.礦塊按礦體走向布置，采場結構參數(shù)如下：礦塊走向長度，200 m；礦塊傾向長度（斜長），190 m；階段高度，60 m；礦房寬度，32 m；礦柱，6 m×7 m；頂柱，6 m；底柱，6 m；間柱，5 m；斷層邊緣保安礦柱，6 m.

2 現(xiàn)場巖爆情況

在進行礦區(qū)開采時，頂板巖爆最活躍，側壁次之.在進行現(xiàn)場觀測時，從巖體內不時會傳來“啪”、“啪”的聲音.在臨近空區(qū)的已開挖巷道頂板已出現(xiàn)明顯的冒落現(xiàn)象，鋼筋網(wǎng)已明顯變形，大部分錨桿已變形，還有部分錨桿端部溜在巖層中，如圖1所示.

圖1 采區(qū)現(xiàn)場頂部巖體破壞現(xiàn)狀Fig.1 Failure status of top rock mass in mining area

冒頂巖爆事故頻繁發(fā)生，如圖2所示.可以看出冒頂范圍較大，破壞力強，錨網(wǎng)失效，造成掌子面前部的鑿巖臺車受埋，險些造成人員傷亡事故.另外，從冒落下來的巖石來看，部分冒落下來的巖塊高度超過1.8 m，整個錨桿沒入其中，沒能起到真正的錨固作用.在切割巷道的推進過程中，發(fā)現(xiàn)冒頂、片幫現(xiàn)象較為嚴重，不宜進行切割巷道的工作.

圖2 采區(qū)工作面巖爆現(xiàn)象Fig.2 Rock burst in working face of mining area

此外，某采區(qū)前期開采過程中分別由靠近F1、F3斷層附近向中部推進，隨著開采工作的進行，兩邊采場中間的距離逐漸減少，開采過程中巖爆現(xiàn)象更加劇烈.具體表現(xiàn)為：巖爆頻率和巖爆力度明顯增加.統(tǒng)計結果如表1所示：8月～11月份巖爆聲響次數(shù)分別為：74次，147次，268次，292次.巖爆次數(shù)隨著開采工作面的靠近呈明顯增長態(tài)勢；特大型11月份較前期3個月明顯增加，11月份主要以特大型巖爆為主.

表1 巖爆發(fā)生頻度Tab.1 Occurrence frequency of rock burst

3 巖樣微觀結構分析

采用宏觀加載破壞的試樣斷面切片進行電鏡掃描和元素分析，觀察巖石微觀裂紋破壞的情況及其發(fā)展趨勢.圖3為巖樣破壞面放大10 000倍的微觀電鏡掃描，結果顯示，巖石受力破壞失穩(wěn)后其微觀結構也發(fā)生了斷裂等形式的破壞，由于巖石切片上有較多的殘留碎屑，在放大10 000倍的電鏡掃描結果中可見受力后的巖石已經(jīng)發(fā)生開裂現(xiàn)象，但未完全破壞的晶界，觀察裂紋的發(fā)展趨勢和晶粒膠結情況，可推斷出此裂紋的發(fā)展方向，如圖3中箭頭所指.由微觀電鏡掃描圖3可推測出圖3中的裂紋為膠磷礦和白云石的接觸晶界，此晶界即磷塊巖微觀結構中的晶界弱面.該試樣元素分析結果如圖4所示.

圖3 巖樣斷面切片SEM掃描結果（10 000倍）Fig.3 SEM image of the section slices of rock samples（10 000X）

從圖4中可以看到，巖樣斷面切片含Si和Al元素較多，含磷量較少.巖體中大量硅質的存在，提高了巖石儲存彈性應變能的能力，使得巖體具有較高巖爆傾向性.

圖4 巖樣斷面切片試樣元素分析結果Fig.4 Element analysis results of the section slices of rock samples

4 巖爆形成機理及判定標準

巖爆的產生是地下巖體內外因素共同作用而導致的［5-8］.Hoek根據(jù)南非采礦巷道發(fā)生巖爆破壞的經(jīng)驗結果，提出了對所產生的巖爆進行分級的判別式［9］：

在上述的經(jīng)驗判別式中，σθ為圍巖最大切向應力；σc為巖石單軸抗壓強度.

片幫是一種輕微或中等程度的巖爆形式.按照上述產生巖爆的判斷依據(jù)，巖爆一般產生在圍巖的應力狀態(tài)不理想的部位，其環(huán)向應力普遍較大.在巷道開挖后，巷道圍巖形成的應力狀態(tài)剛好與這些巖爆產生的條件相符合.

然而，產生巖爆的傾向性取決于巖體自身的力學性質.對產生巖爆的傾向性研究就是利用某些與巖體力學性質相關的參數(shù)來判斷其發(fā)生巖爆的可能性［10-12］.這些參數(shù)包括彈性能量指數(shù)、巖石脆性系數(shù)、有效沖擊能量指數(shù)等產生巖爆傾向性指標.

陶振宇根據(jù)巴頓法提出了一種基于最大主應力的巖爆危險性判據(jù)［13-14］.巖爆的產生可以根據(jù)完整巖石的單軸抗壓強度σc和巷道周邊最大主應力σmax的比值來判定，如表2所示.

表2 巖爆分級表Tab.2 Classification of rock burst

5 礦區(qū)巖爆防治措施

對于所研究的礦區(qū)，目前存在如下問題：礦區(qū)頂板巖爆破壞嚴重，現(xiàn)場支護投入較高，且效果不明顯，而通過對礦區(qū)巖爆現(xiàn)場的初步調研，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)巖爆的產生主要與礦區(qū)巖體及礦區(qū)應力環(huán)境、應力路徑相關［15］.因此，巖爆防治主要從以下幾方面開展：

1）巖性實驗分析：礦區(qū)巖體含白云巖較多，礦區(qū)的巖爆傾向性較高的位置是含白云巖的磷塊巖部分，富含白云巖較多的巖體受力特性，已進行相關試驗，可為礦段頂板巖爆產生機理分析提供依據(jù).

2）危險區(qū)應力場分析與優(yōu)化：根據(jù)現(xiàn)場的施工工況、室內巖體參數(shù)數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場地質結構進行數(shù)值模擬，分析開采對現(xiàn)場圍巖應力分布的影響，找出高應力集中程度與集中范圍.

3）為降低開挖自由面的巖爆烈度，可以打一定深度的卸壓孔，并對開挖面巖體噴水.

4）錨網(wǎng)的優(yōu)化設計：在保證安全的條件下，對巖體開挖過程中的錨固能力進行分析與優(yōu)化，提出合理的錨網(wǎng)支護方案.對于少數(shù)特別部位，可以適當采用錨索加固支護方案.對巖爆區(qū)域錨網(wǎng)支護.在經(jīng)仔細敲幫問頂立即出渣，然后進行錨網(wǎng)支護，現(xiàn)場采用2 m長的一般摩擦性錨桿，錨桿間距均為1 m.如圖5所示.

圖5 頂部錨桿錨網(wǎng)支護形式Fig.5 Bolt and anchor net support form on roof

5）優(yōu)化合理開采順序：根據(jù)礦區(qū)的地質構造、斷層的分布，優(yōu)化合理的開采工作面推進方向，避免在地下形成孤島礦柱，以改善采場的應力環(huán)境，減少應力集中.

6 結 語

綜上所述，得出以下結論：

1）對所采集試樣的微觀結構進行觀察后發(fā)現(xiàn)，磷塊巖宏觀力學行為基本與其微觀結構構造和礦物成分的微觀力學行為相符.晶界弱面的存在是影響巖石（磷塊巖）抗壓強度和變形等的重要因素.

2）巖樣斷面切片微觀結果及元素分析顯示，受力晶界破壞普遍發(fā)生在白云石與膠磷礦接觸晶界處，微觀結構存在的破壞形式主要是沿晶界破壞和穿晶破壞.巖體中大量硅質的存在，提高了巖石儲存彈性應變能的能力，使得巖體具有較高巖爆傾向性.

3）在巖石單軸試驗過程中，出現(xiàn)類似巖爆的試樣表面片狀鱗塊狀彈射現(xiàn)象，微觀裂紋試驗最重要的結果是發(fā)現(xiàn)磷塊巖晶界弱面為白云石與膠磷礦之間的接觸晶界.現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，巖爆多發(fā)生在爆破后環(huán)境干燥的區(qū)域，高峰期為開挖后一至兩小時以內，且多發(fā)礦段為白云石含量較高的巖層，白云石含量越高發(fā)生幾率就越大，與試驗結果一致.

4）對于巖爆的產生，可采用避開高應力區(qū)、降低圍巖應力、強化圍巖、弱化圍巖等綜合措施加以防治.

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Rock Burst Mechanism and Treatment Strategy of Phosphorite Underground Mining

ZHANG Dianji1，YANG Dandan1，LIN Manqing1，2，XI Benjun2，NI Xiaoshan2，ZHANG Weizhong1，2，PAN Deng1
1.Phosphorous Engineering Center，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；
2.Hubei XINGFA Chemicals Group Co.，LTD，Yichang 443700，China

Remarkable rock burst occurred in the roof and roadway of a stope during underground mining phosphate rock deposits in China.The occurrence frequency and regularity of rock burst at site were investigated through the field investigation of site rock burst.Site sampling and the microscopic experimental were carried out in the area of rock burst.It was found that to a large extent，the macro mechanical behavior of phosphorite was in good agreement with micro-structure configuration and micro-mechanical behavior of mineral composition.The microscopic crack test demonstrated that the weak boundary of the phosphate rock grain boundary was the interface between dolomite and phosphate rock.The site-investigation found that rock burst occurred mostly in the area where the environment is dry after blasting and the dolomite content is high in rock strata.The criterion and the prevention strategies of rock-burst were finally proposed.

phosphorite；high in-situ stress；stope roof；micro-crack ；rock-burst control

1674-2869（2017）06-0571-05

TD803

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.06.008

2017-10-17

國家自然科學基金（51474159，51504167）

張電吉，博士，教授，博士研究生導師.E-mail：dianjizhang@wit.edu.cn

張電吉，楊丹丹，吝曼卿，等.磷塊巖地下開采的巖爆機理及處理對策［J］.武漢工程大學學報，2017，39（6）：571-575.

ZHANG D J，YANG D D，LING M Q，et al.Rock burst mechanism and treatment measures of phosphorite underground mining［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（6）：571-575.

陳小平