金屬非金屬礦床完整性安全高效開采理論模型

任鳳玉 丁航行 張世玉 陳寶智

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

近年來，隨著礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開發(fā)，我國金屬非金屬礦山安全生產(chǎn)形勢嚴峻，盡管采取了強有力的安全監(jiān)管措施，各類礦山事故，特別是重、特大礦山事故仍然時有發(fā)生［1-5］。分析其原因，主要是金屬非金屬礦床的成因類型多，地質(zhì)條件比較復雜，礦床開采引起地質(zhì)體內(nèi)的應(yīng)力與氣液重新分布后，容易造成部分區(qū)域能量集聚，這些被集聚的能量在采動影響下意外釋放，容易造成重大災害事故。近年來的復雜難采礦體開采理論研究與生產(chǎn)實踐表明，為控制有害能量的集聚和意外釋放條件，需要面對礦床的整個地質(zhì)體，研究采動規(guī)律與危險源控制利用方法，在此基礎(chǔ)上，進行礦體完整性開采的本質(zhì)安全設(shè)計，將礦床地質(zhì)體內(nèi)的危險源盡可能多地消除于開采方案中，使生產(chǎn)過程主要防控殘余危險源［6-8］。本研究結(jié)合國內(nèi)金屬非金屬礦床開采安全現(xiàn)狀，分析重大危險源的致災過程，總結(jié)礦床采動規(guī)律的研究成果，研究重大災害的防控方案與生產(chǎn)效率的提高技術(shù)，由此構(gòu)建完整性安全高效開采理論模型。

1 近年來發(fā)生典型事故的原因分析

近年來我國部分礦山發(fā)生的典型災害事故見表1。分析這些事故不難發(fā)現(xiàn)，幾乎每起事故的發(fā)生都存在生產(chǎn)條件方面的問題，其中有些事故的原因中甚至根本沒有操作者的過錯，完全是由于生產(chǎn)條件或技術(shù)方面原因造成的。

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進一步分析可知：主要危險源在于地壓，即巖體中存在的力，使得采礦工程與采空區(qū)的圍巖不斷積蓄變形能量，當積累到一定值時，導致圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞，引起滑坡、巖爆、礦柱垮塌、頂板大規(guī)模冒落等重大災害。其次，采空區(qū)大量積水時，一旦與工作面聯(lián)通，積水的相對勢能轉(zhuǎn)化為動能，沖擊淹沒井下人員與設(shè)備，也容易造成重大災害。此外，采礦工程頂板掉塊、采空區(qū)地表突然塌陷等，都可能造成人員與設(shè)備的嚴重傷害。地壓活動與采空區(qū)的形成都是由采礦工程引起，其積蓄能量的意外釋放，又可直接引發(fā)礦山重大事故。因此，提高采礦工程的本質(zhì)安全程度，是防控礦山重大事故的根本。

2 本質(zhì)安全設(shè)計理念

本質(zhì)安全的英文翻譯“Inherent Safety”中的“Inherent”有“本質(zhì)的”、“固有的”、“內(nèi)在的”等含義，因此本質(zhì)安全也可以稱為固有的安全、內(nèi)在的安全［5，9］。本質(zhì)安全作為一種安全理念，是指相對于傳統(tǒng)的、依靠對人的管理和教育實現(xiàn)的安全而言，采礦工藝過程中生產(chǎn)條件的安全才是本質(zhì)上的安全。因此，通過選擇與創(chuàng)建安全開采工藝，進行本質(zhì)安全設(shè)計，創(chuàng)造使人不易失誤或者即使失誤也無害的工作環(huán)境，才能從根本上保障生產(chǎn)安全。

然而，面對復雜的地質(zhì)條件，采礦工程安全是相對的，危險是絕對的。經(jīng)過本質(zhì)安全設(shè)計后，雖然開采工藝中的危險源被消除、控制，使得危險性降低了，但仍然會有“殘余危險”，而這種危險經(jīng)過人為放大后，仍然可以引發(fā)災害事故。因此，在采礦設(shè)計中，沒有絕對的本質(zhì)安全技術(shù)，只有針對某一危險源的相對安全技術(shù)可供采用。目前可用的相對本質(zhì)安全技術(shù)可以歸納如下：

（1）用塌陷坑控制邊坡滑移危害技術(shù)。超高邊坡露天開采不再具有經(jīng)濟優(yōu)勢，并且環(huán)保壓力大，因此深凹露天開采應(yīng)適時轉(zhuǎn)入露天地下協(xié)同開采，用地下開采創(chuàng)造的符合要求的邊坡塌陷坑完整接收滑移體，使露天采場不受滑坡威脅［10-11］。這一技術(shù)經(jīng)小汪溝鐵礦與海南鐵礦的生產(chǎn)實踐證實，可從根本上消除邊坡滑移危害。

（2）中深孔與深孔落礦技術(shù)。中厚以上的礦體開采中，采用巷道內(nèi)鑿巖、中深孔或深孔落礦，人員不在空場下作業(yè)，由此可不受頂板塌冒或掉塊威脅。

（3）不留礦柱支撐的連續(xù)開采工藝技術(shù)。厚大礦體崩落法首采分段或傾斜礦體空場法開采等，不留礦柱或及時處理礦柱，不使其積蓄頂板冒落能量，促使頂板圍巖按零星冒落形式完成初始冒落過程，再輔以適當?shù)某龅V口散體隔離技術(shù)，便可完全消除空區(qū)冒落氣流的沖擊危害［12-13］。

（4）巷道掘進支護。巷道100%的支護屬于重要的本質(zhì)安全技術(shù)范疇［14］。對于不穩(wěn)圍巖，緊跟工作（面）支護是維護穩(wěn)定性的常用方法；對于穩(wěn)定圍巖，也應(yīng)采取支護措施。這是因為，巷道掘進過程中的爆破震動，在巷道周邊形成厚度不等的橫向裂隙帶，與巖體結(jié)構(gòu)面組合，容易造成塊體掉落。國外一些礦業(yè)公司規(guī)定，不僅對1.5 m 以上墻體與頂拱圍巖進行錨網(wǎng)支護，同時對端部1.5 m 以上的掌子（面）進行錨桿壓金屬網(wǎng)片支護，用網(wǎng)兜住或控制住浮石，嚴防掉塊傷人。

（5）支護材料的可靠性與耐久性。對于有巖爆礦山，可采用動力錨桿或樹脂錨桿特殊安裝結(jié)構(gòu)，借助桿體的較大變形量適應(yīng)動力沖擊。對于常規(guī)的便于機械化施工的管縫式錨桿，對桿體內(nèi)進行注漿，增大錨桿的摩擦力，防止桿體腐蝕，維持巷道服務(wù)期內(nèi)的良好錨固力。

（6）遙控鏟運機出礦。對于空場法采場內(nèi)的崩落礦石，利用遙控鏟運機出礦，避免空場頂板或四壁掉塊傷人。

（7）天井與溜井機械化施工技術(shù)。傾角50°以上的采場天井或溜井，采用吊罐或爬罐施工，避免普通法施工人員受到掉塊威脅，并可消除施工人員從工作臺跌落的可能性。特別對于高度較大的階段溜井，應(yīng)全部推廣溜井鉆機施工，對于大結(jié)構(gòu)參數(shù)分段落礦的切割井，應(yīng)積極采用鉆孔爆破一次成井方法施工，以提高危險性較大工程施工的本質(zhì)安全程度。

總之，結(jié)合生產(chǎn)工藝與危險源控制需要，針對礦床具體條件研究或選用適宜的本質(zhì)安全技術(shù)，用于礦床開采設(shè)計，同時改進安全施工技術(shù)，創(chuàng)造使人不易失誤或者即使失誤也無害的工作條件，才能杜絕礦山災害事故的發(fā)生。

3 采礦方法構(gòu)建與優(yōu)選

為控制礦山重大災害的發(fā)生，必須優(yōu)選或研發(fā)適宜的采礦方法，嚴格控制采礦工程積蓄有害能量或其意外釋放的條件。同時，采礦方法往往也對開采效率影響重大。理論分析與生產(chǎn)實踐表明，為實現(xiàn)安全高效的開采目標，采礦方法的選擇除了應(yīng)適應(yīng)礦體產(chǎn)狀與礦巖穩(wěn)定性等靜態(tài)條件之外，還需要適應(yīng)礦床采動三律［15-19］，即采動地壓活動規(guī)律、巖體在地壓活動下的破壞規(guī)律以及散體的移動或支撐規(guī)律。對于不同的采礦方法，三律的表現(xiàn)形式不同。對于露天開采，三律主要表現(xiàn)為邊坡變形規(guī)律、斷裂規(guī)律與滑移規(guī)律；對于地下崩落法與空場法，三律主要表現(xiàn)為巖體冒落規(guī)律、地壓活動規(guī)律與散體移動規(guī)律；對于充填法，三律表現(xiàn)為巖體冒落規(guī)律、地壓活動規(guī)律與散體對采場邊壁的支撐規(guī)律。礦床的三律特點也可在一定程度上反映地壓與空區(qū)等危險源的致災過程。從適應(yīng)礦體幾何條件、順應(yīng)礦床三律和轉(zhuǎn)化危險源做功方向三方面入手，研發(fā)安全高效采礦方法及其采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，是實現(xiàn)礦床安全高效開采的基礎(chǔ)。

在礦床三律與危害源控制利用方法研究的基礎(chǔ)上，可按圖1所示的方法進行采礦方法優(yōu)選與構(gòu)建。

4 完整性安全高效開采模型構(gòu)建

金屬非金屬礦床開采過程包括地質(zhì)勘探、采礦設(shè)計、基建、生產(chǎn)與閉坑5個階段，每一階段都須識別重大災害危險源，分析致災過程與制定防控措施，以適應(yīng)該類礦床地質(zhì)條件復雜、地質(zhì)災害孕育時間長、危險源易被忽略的特點。尤其在采礦設(shè)計階段，須重點研究礦床三律特性與危險源利用方法，最大限度地研發(fā)與采用本質(zhì)安全技術(shù)；在基建與生產(chǎn)階段，則需要研究與落實危險源或殘余危險源的監(jiān)管防控技術(shù)；在閉坑階段，識別與消除遺留危險源。這5 個階段的研究是相互聯(lián)系貫穿一體的，前一階段為后一階段提供安全基礎(chǔ)。

4.1 地質(zhì)勘探模型構(gòu)建

對于金屬非金屬礦床，導致重大地質(zhì)災害的危險源都是在地質(zhì)勘探中可被充分探測的。借鑒國外經(jīng)驗，重大危險源的識別與控制須從地質(zhì)勘探的源頭做起。在勘探部門撰寫地質(zhì)報告時，須清楚闡述所提交儲量被利用時的重大危險源，分析致災條件與防控要點。此外，還須充分利用鉆孔數(shù)據(jù)與其它勘探資料，借助三維軟件建立礦床地質(zhì)模型、地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、工程地質(zhì)模型與水文地質(zhì)模型等，為礦床安全高效開采設(shè)計提供充分依據(jù)。

4.2 設(shè)計研究與優(yōu)化

設(shè)計階段主要包括開發(fā)利用方案設(shè)計、開采設(shè)計與施工圖設(shè)計。

（1）開發(fā)利用方案設(shè)計。首先要調(diào)查礦區(qū)采礦歷史、危害事件、自然和人為的地下空區(qū)、凍土層、氣候、工人技能、供應(yīng)、運輸、社會因素等，獲取足夠的地方和區(qū)域信息，同時調(diào)查市場條件和開采參數(shù)信息；其次，依據(jù)地質(zhì)報告，分析建立巖土工程模型與采礦成本模型，并依據(jù)國家相關(guān)政策，綜合研究確定采用地下開采還是露天開采方式，初選采礦方法，設(shè)計經(jīng)濟而安全的開發(fā)利用方案。

（2）開采設(shè)計。依據(jù)地質(zhì)報告及其相關(guān)模型，針對初選的采礦方法，研究礦床三律與危險源控制利用方法，按三律適應(yīng)性原理與危險源控制利用方法，構(gòu)建、優(yōu)選或改進初選采礦方法，形成設(shè)計的采礦方法及其采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時構(gòu)建或改進開拓系統(tǒng)，使之與設(shè)計的采礦方法相適應(yīng)。在開采設(shè)計中，對地壓危險源的控制利用已形成了多種方法，可供一些大型或難采礦床開發(fā)選用，如利用地壓破碎礦石的自然崩落或誘導冒落技術(shù)，既可改善采準工程的安全條件，又可提高開采效率［15］。此外，讓壓開拓與卸壓開采［20］，可用最小的代價避免與克服地壓破壞等。目前，對于水災、高陡邊坡、巖爆、盲空區(qū)、大規(guī)模采動巖移等危險源的控制利用成果較少，尚需分門別類地研究致災機理與防控方法，須采用探測、監(jiān)測預警等方法，防止災害事故發(fā)生。開采設(shè)計對礦床完整性安全高效開采至關(guān)重要，須大力開發(fā)與充分利用本質(zhì)安全技術(shù)，設(shè)計出礦床完整性安全高效開采方案。

（3）施工圖設(shè)計。包括初始施工圖設(shè)計與生產(chǎn)優(yōu)化設(shè)計。首先基于開采設(shè)計，引入或執(zhí)行行業(yè)最佳做法和標準，完成初始施工圖設(shè)計；其次，利用開拓、采準與回采工程實施中的監(jiān)測成果（如空區(qū)激光掃描、巖壁損傷評估、井巷變形與荷載監(jiān)測、采場或邊坡穩(wěn)定性與巖土模型對比分析數(shù)據(jù)），進一步研究礦床開采條件與三律特性，據(jù)此優(yōu)化后續(xù)工程的施工圖設(shè)計，同時優(yōu)化危險源監(jiān)測防控方案與安全預案，確保礦山施工安全。

4.3 基建防控

根據(jù)重大災害危險源致災過程的防控要求，合理安排施工順序，及時采取并實施防控措施，并建立探測、監(jiān)測與預警系統(tǒng)。通常在基建期采取綜合措施，嚴防重大災害事故發(fā)生。例如對于大水礦山，為防治突水災害，一方面，基于水文地質(zhì)模型，研究預測開拓與采準工程施工中可能出現(xiàn)的突水地點，進行超前探測與治理，防止突水事故發(fā)生［21］；另一方面，在排水副井施工到位后，優(yōu)先施工水倉與安裝排水系統(tǒng)，防止突水淹井。對于破碎圍巖地壓危害，則需要利用礦床地質(zhì)模型與工程地質(zhì)模型，細部優(yōu)選開拓工程的位置與采準工程的布置形式，并對主要開拓工程的工程地質(zhì)條件進行鉆孔探測驗證，盡可能避開破碎圍巖，或采取可靠的支護措施，確?；üこ添樌┕ぁ?/p>

4.4 生產(chǎn)尋優(yōu)

由于地質(zhì)條件的復雜性，金屬非金屬礦床往往經(jīng)過生產(chǎn)過程的實際揭露，才能獲得礦巖相對精準的信息。因此，在生產(chǎn)過程中，需要利用開拓、采準與回采工程揭露的信息，隨時修正地質(zhì)、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)等模型，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷深入研究礦山三律特性與殘余危險源致災機理，順應(yīng)三律改進開采方案，優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，嚴格控制危險源及其致災過程，不斷改進采礦方法與工藝技術(shù)，提高開采效率與本質(zhì)安全程度。對于地下水、高陡邊坡、巖爆、盲空區(qū)等危險源，有必要建立建全必要的監(jiān)測預警系統(tǒng)，制定安全預案，嚴防災害事故發(fā)生。

4.5 閉坑治理

在礦床開采結(jié)束后，全面處理威脅地表安全的露天采坑、地下采空區(qū)、硐室與井巷工程等，對地表進行整形、復墾或綠化，由此完成礦床開采全過程。貫穿生產(chǎn)全過程的礦床重大危險源控制方法如圖2所示。

4.6 模型構(gòu)建

在礦床開采全過程中，按上述方法不斷優(yōu)化與改進采礦方法與工藝技術(shù)，使之適應(yīng)礦床三律與可控危險源轉(zhuǎn)化機制。對于目前技術(shù)上不可控的危險源，應(yīng)進行監(jiān)測預警并制定安全預案。由此構(gòu)建的完整性安全高效開采理論模型如圖3所示。

總之，面對礦床整個地質(zhì)體，構(gòu)建或優(yōu)選采礦方法，并在生產(chǎn)中根據(jù)探測監(jiān)測信息不斷優(yōu)化，使之適應(yīng)礦體產(chǎn)狀與礦巖穩(wěn)定性，順應(yīng)礦床采動三律與危險源轉(zhuǎn)化機制，將礦床地質(zhì)體內(nèi)的危險源盡可能多地消除于開采方案中，使得生產(chǎn)全過程主要防控殘余危險源。此外，采礦工藝盡可能多地采用本質(zhì)安全技術(shù)，創(chuàng)造使人不易失誤或者即使失誤也無害的工作環(huán)境，這是杜絕或控制金屬非金屬礦山重大災害事故發(fā)生的根本保證。

5 完整性開采模型的主要作用

根據(jù)初步分析，本研究構(gòu)建的完整性安全高效開采理論模型，具有如下三方面作用：

（1）面對礦床整個地質(zhì)體，按采動三律適應(yīng)性、危險源轉(zhuǎn)化機制與本質(zhì)安全觀念研究采礦方法與整體開采方案，消除與控制礦床地質(zhì)體內(nèi)的危險源，可有效提高礦床開采的本質(zhì)安全程度，保障礦山全周期的生產(chǎn)安全。

（2）在分期或分區(qū)開采中，基于整體開采方案設(shè)計分期或分區(qū)開采方案，同時對礦床內(nèi)各類礦柱與采場同時設(shè)計回采方案，可有效提高礦石回采率與采礦工程利用率，有利于實現(xiàn)礦床開采效益的最大化。

（3）基于危險源致災過程設(shè)置監(jiān)測預警系統(tǒng)，研究與不斷積累前兆信息，可有效提高監(jiān)測系統(tǒng)的針對性與預警的可靠性，保障復雜條件下礦山基建與生產(chǎn)全過程的順利進行。

6 結(jié) 論

（1）金屬非金屬礦床開采具有地質(zhì)條件復雜、采礦方法影響因素多、災害孕育時間長、危險源易被忽略等特點，為消除采動地質(zhì)災害和實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的安全高效開采，需要研究構(gòu)建基于礦床采動三律與危險源控制利用的完整性安全高效開采模型。

（2）地質(zhì)勘探是礦床危險源測定與評估的基礎(chǔ)，地質(zhì)報告應(yīng)包括礦床地質(zhì)模型、地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，工程地質(zhì)模型與水文地質(zhì)模型等，并提出利用地質(zhì)儲量時對重大危險源的控制要求，作為采礦設(shè)計的依據(jù)。

（3）采礦設(shè)計的本質(zhì)安全是礦山安全的根本，在研究礦床采動三律與危險源利用與控制方法的基礎(chǔ)上，需按采動三律適應(yīng)性與本質(zhì)安全觀念，構(gòu)建或優(yōu)選采礦方法，設(shè)計礦體完整性安全高效開采方案，將礦床地質(zhì)體內(nèi)的危險源盡可能多地消除于開采方案中，使生產(chǎn)過程主要防控殘余危險源。

（4）采礦工程積蓄能量的失控往往是導致災害事故發(fā)生的直接原因。在礦山基建與生產(chǎn)中，需及時識別采礦工程增大的危險源，充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化施工圖設(shè)計，消除與控制危險源的致災過程，建立建全必要的監(jiān)測預警系統(tǒng)與安全預案，確保基建與生產(chǎn)安全。

（5）本研究所構(gòu)建的完整性安全高效開采模型，不僅有助于遏制礦山重大災害的發(fā)生，而且有利于提高開采效率，實現(xiàn)礦床開采效益的最大化。