阿舍勒銅礦深井開采巖爆現(xiàn)象研究及應(yīng)對(duì)措施探索

陳原望（新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司 哈巴河 836700）

1 引言

隸屬于新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司的阿舍勒銅礦自2004年投產(chǎn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)多次技改及二期深部開拓，目前礦山綜合采選能力已達(dá)6 000 t/d，開采深度達(dá)900 m，而開拓深度超1 200 m，成為國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的大規(guī)模深井開采單體礦山。

隨著開拓工程和采礦活動(dòng)不斷往深部發(fā)展，工程地質(zhì)和礦體賦存條件變得愈加復(fù)雜，圍巖應(yīng)力顯著增大，礦山地壓顯現(xiàn)變得愈加突出，支護(hù)過(guò)的巷道變形量仍然很大，局部巷道鼓幫、底鼓、頂板沉降現(xiàn)象明顯。深部巷道多次發(fā)生圍巖脆裂異響甚至彈射冒落等巖爆現(xiàn)象。

巖爆系深井開采過(guò)程中較為常見的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅阿舍勒銅礦深部礦體開采工程的安全生產(chǎn)，如何有效應(yīng)對(duì)成為迫在眉睫又必須攻克的棘手任務(wù)。

2 工程地質(zhì)條件及開采現(xiàn)狀

阿舍勒銅礦是火山噴氣沉積-變質(zhì)熱液疊加形成的塊狀硫化物銅鋅礦床，主要礦體賦存于阿舍勒組第二巖性中亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r上部。礦體形態(tài)嚴(yán)格受地層及向斜構(gòu)造控制，橫斷面呈“魚釣”狀，水平斷面呈“鐮刀”狀。礦區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造線為近南北向；礦區(qū)外與區(qū)域北西向構(gòu)造線趨于一致，形成醒目的反“S”型構(gòu)造，處于近東西向擠壓的局部應(yīng)力場(chǎng)。礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，蝕變破碎帶及軟弱夾層多見，多分布于礦床東西兩側(cè)。依據(jù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，開采至800 m深度時(shí)，最大主應(yīng)力為37.7 MPa，水平應(yīng)力接近垂直應(yīng)力的1.5倍，礦區(qū)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

礦體頂板主要為下亞段的玄武熔巖層，底板為上亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r。褶皺后，東翼頂板以英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r為主。底板為玄武巖；西翼礦體和轉(zhuǎn)折端附近礦體頂板仍以玄武巖為主。底板則以英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r為主。

阿舍勒銅礦經(jīng)過(guò)十幾年開采，目前采礦活動(dòng)已逐步轉(zhuǎn)移至深部。除了784 m水平以上少量礦體采用無(wú)底柱分段崩落法采礦形成的采空區(qū)未采用膠結(jié)體充填外，784 m水平以下采空區(qū)均已采用膠結(jié)體充填。深部礦體采礦方法主要為大直徑深孔階段落礦嗣后充填采礦法，采場(chǎng)參數(shù)約為長(zhǎng)20～50 m、寬12 m、高50 m。采場(chǎng)空區(qū)暴露面積較大，對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成較大影響。

3 巖爆現(xiàn)象及發(fā)生原因

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2012年深部井巷開拓工程開工以來(lái)，巖爆或疑似巖爆現(xiàn)象累計(jì)發(fā)生數(shù)十起，表現(xiàn)形式為巷道圍巖炮鳴異響、噴砼開裂、支護(hù)鋼拱架變形、大塊圍巖垮落、圍巖脆裂彈射等。最嚴(yán)重的一起巖爆現(xiàn)象為正在采用錨網(wǎng)噴砼支護(hù)的圍巖大面積短時(shí)間內(nèi)片幫且彈射，2 m長(zhǎng)錨桿脫落。發(fā)生巖爆的巖體為黃鐵礦和黃銅礦，主要位于穿脈巷道、上盤沿脈、下盤沿脈；發(fā)生巖爆的區(qū)域主要為350 m水平至-200 m水平，埋深為550 m至1 100 m。

經(jīng)研究分析，阿舍勒銅礦深部巖爆現(xiàn)象發(fā)生原因主要有幾點(diǎn)：一是圍巖變形較大，礦石變形小，開采深度的增加使巖體處于高應(yīng)力水平環(huán)境，更多的能量以應(yīng)變能的方式儲(chǔ)存在礦石中，當(dāng)應(yīng)變能集聚到一定程度，伴隨圍巖表層巖石的破壞釋放出來(lái)，出現(xiàn)巖石彈射現(xiàn)象；二是黃鐵礦和黃銅礦強(qiáng)度高、脆性大，黃鐵礦平均RQD為81.2%，黃銅礦平均RQD為70.9%，而凝灰?guī)r平均RQD僅為41.5%。RQD較低的凝灰?guī)r遇水易軟化、泥化、崩解、膨脹，破壞緩慢變形為主，黃鐵礦和黃銅礦則反之；三是大直徑深孔采礦法形成的采空區(qū)較大，且單次爆破總藥量和單響藥量均較大，導(dǎo)致開采擾動(dòng)大，頻繁的炸藥爆破對(duì)周圍巷道及圍巖造成頻繁擾動(dòng)，嚴(yán)重影響了圍巖穩(wěn)定性，加劇了深部巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

4 巖爆應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)深部與日俱增的巖爆風(fēng)險(xiǎn)，阿舍勒銅礦高度重視積極應(yīng)對(duì)，開展了專項(xiàng)研究治理工作，以科研院所研究攻關(guān)為主，自身摸索實(shí)踐為輔，組織、管理、技術(shù)等各類措施同步實(shí)施。

4.1 地壓控制理論研究

研究路線為：深部巖體應(yīng)力水平測(cè)量→中深孔爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)研究→開采過(guò)程圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)→讓壓技術(shù)研究→深部地壓調(diào)控技術(shù)研究。研究工作已開展兩年多時(shí)間，目前還在持續(xù)進(jìn)行中，已通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究得出不少結(jié)論，主要結(jié)論及對(duì)應(yīng)措施有幾點(diǎn)：

一是阿舍勒銅礦深部巖體應(yīng)力水平約為淺部的兩倍，最大主應(yīng)力方向近東西向，巷道布置應(yīng)充分考慮最大主應(yīng)力的影響。

二是爆破振動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響大，基于爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了安全距離界限函數(shù)關(guān)系式和單段最大藥量安全界限函數(shù)關(guān)系式。爆破區(qū)域與下盤沿脈巷道越近，對(duì)下盤巷道圍巖影響越大，因此靠近下盤時(shí)，需要適當(dāng)調(diào)整爆破參數(shù)。

三是巷道變形大小與其距采空區(qū)的距離有關(guān)，在采空區(qū)分別向上下盤的方向上，巷道變形先減小，后增大，然后再減小，據(jù)此可將開采擾動(dòng)區(qū)域劃分為距離采空區(qū)較近的卸壓區(qū)，稍遠(yuǎn)的承壓區(qū)，更遠(yuǎn)的原巖應(yīng)力區(qū)。根據(jù)壓力分區(qū)調(diào)整主要巷道布置或調(diào)整開采進(jìn)度，減少主要巷道承壓變形甚至發(fā)生巖爆。見圖1所示。

圖1 開采區(qū)域應(yīng)力分布示意圖

4.2 工程施工中應(yīng)對(duì)巖爆的實(shí)踐探索

阿舍勒銅礦在深部工程施工過(guò)程中，基于泄壓原理，采取了管縫式錨桿支護(hù)為主的巖爆應(yīng)對(duì)措施，該措施系通過(guò)不斷地施工實(shí)踐總結(jié)而來(lái)。

為確保生產(chǎn)安全，阿舍勒銅礦采取“一炮一支”的短掘短支工藝施工巷道，一般采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+單層花拱架+噴砼聯(lián)合支護(hù)，錨桿有管縫式錨桿、螺紋鋼水泥卷、注漿螺紋鋼錨桿等多種形式，其中管縫式錨桿長(zhǎng)度2 m，直徑40 mm，中空，截面似缺口戒指，比鉆孔直徑略大，主要靠摩擦力提供拉拔力。錨桿環(huán)形圈被頂?shù)镁o貼圍巖，對(duì)圍巖形成壓力，從而改變了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，從而達(dá)到支護(hù)圍巖的效果。而經(jīng)常被忽略的一點(diǎn)是錨桿中間“孔洞”的支護(hù)作用。實(shí)踐表明，中間“孔洞”正是起到了泄壓作用，有效解除了黃鐵礦和黃銅礦中積累的高應(yīng)力，均勻分布的管縫式錨桿承擔(dān)著來(lái)自圍巖的應(yīng)力，傳導(dǎo)至錨網(wǎng)噴砼聯(lián)合支護(hù)體上。高應(yīng)力得到合理引導(dǎo)釋放，避免應(yīng)力持續(xù)積累瞬間爆發(fā)形成巖爆。管縫式錨桿的支護(hù)作用見圖2所示。

圖2 管縫式錨桿支護(hù)作用示意圖

而管縫式錨桿在巷道施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)巖爆現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用上主要有兩種方式：一是超前支護(hù)即將開挖的巷道頂板，引導(dǎo)高應(yīng)力釋放，見圖3所示。

圖3 超前支護(hù)示意圖

二是選擇合適的角度施工錨桿進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，既能泄壓，又能防范支護(hù)過(guò)程中冒頂片幫傷人，見圖4所示。

圖4 臨時(shí)支護(hù)示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，阿舍勒銅礦針對(duì)巖爆采取的應(yīng)對(duì)措施取得了顯著效果，多年來(lái)的深井開采活動(dòng)未發(fā)生災(zāi)害事故。地壓控制理論研究摸清了阿舍勒銅礦的應(yīng)力狀態(tài)和開采擾動(dòng)影響等基礎(chǔ)情況，提供了一系列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了可服務(wù)于工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織、參數(shù)優(yōu)化等的理論工具；現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐以最直接的路徑有效解決了巷道施工過(guò)程中存在的巖爆風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全。阿舍勒銅礦巖爆研究與應(yīng)對(duì)切實(shí)做到了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，具有很強(qiáng)的適用性，可供同類礦山參考借鑒。

當(dāng)然，巖爆災(zāi)害預(yù)防與控制系一項(xiàng)極其復(fù)雜的課題，國(guó)內(nèi)外的研究成果并不十分豐碩，依然需要各方能人志士持續(xù)深入研究。特別是在國(guó)內(nèi)外礦山由露天采礦轉(zhuǎn)地下采礦、由地下采礦轉(zhuǎn)深部采礦的時(shí)代背景下，深井開采已是大勢(shì)所趨，巖爆災(zāi)害的威脅也會(huì)越來(lái)越大。巖爆研究工作任重而道遠(yuǎn)，但前景光明，堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展，終將攻克難關(guān)。

[1]長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院、廈門紫金工程設(shè)計(jì)公司.阿舍勒銅礦400 m以下深部礦體開采（6 000 t/d）初步設(shè)計(jì)，2012,5.

[2]采礦手冊(cè)編委會(huì).采礦手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991,11.

[3]東北大學(xué).阿舍勒銅礦深部地壓控制及安全高效采礦技術(shù)中期研究報(bào)告[R]，2017,1.