基于“協(xié)同開采”理念的深部磷礦巖爆防控研究

吝曼卿 柯曉蘇 張電吉 彭亞利 周 磊 楊 敏

（1.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖北武漢430073；2.湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司，湖北宜昌443700）

隨著淺層磷資源逐漸枯竭，不少礦山企業(yè)已處于深部開采階段［1］。受磷礦經(jīng)營(yíng)成本和礦巖力學(xué)特性影響，目前地下磷礦開采大多采用房柱法。然而，當(dāng)在深部復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造作用下進(jìn)行開挖擾動(dòng)時(shí)，隨著采空區(qū)暴露面積增加，極易引發(fā)如采空區(qū)坍塌、巖爆等災(zāi)難性事故［2］。巖爆是高地應(yīng)力條件下，地下工程開挖過程中，硬脆性巖體因開挖卸荷導(dǎo)致洞壁圍巖應(yīng)力重新分布，存儲(chǔ)于巖體中的彈性能突然釋放，產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害［3］。由于巖爆的產(chǎn)生具有突發(fā)性、滯后性、猛烈性等特點(diǎn)［4-6］，直接威脅著施工人員和設(shè)備的安全，影響工程進(jìn)度，甚至摧毀整個(gè)工程并誘發(fā)礦震。巖爆災(zāi)害嚴(yán)重制約了深部磷礦開采的順利進(jìn)行，如何有效地對(duì)巖爆進(jìn)行防控，減輕巖爆災(zāi)害程度，是目前深部磷礦工程施工中亟待解決的關(guān)鍵問題。

目前，巖爆的防治措施主要有主動(dòng)預(yù)防、監(jiān)測(cè)預(yù)警和加固處治3種［7］。李春林［8］從巖爆發(fā)生條件的角度進(jìn)行巖爆治理，建立了基于巖爆支護(hù)的巖爆控制方法；馮夏庭等［9］結(jié)合巖爆孕育機(jī)制，提出了巖爆防控的“三步走”策略，通過分步執(zhí)行優(yōu)化工程布置和開挖參數(shù)，應(yīng)力預(yù)釋放、轉(zhuǎn)移，支護(hù)系統(tǒng)吸收巖體釋放的能量等措施，對(duì)錦屏水電站施工過程的巖爆進(jìn)行了有效防控。由于巖爆的發(fā)生受開挖巖體巖性、開挖臨空面、開挖方式和開挖路徑等多因素影響［2］，且礦山開采過程復(fù)雜，礦巖受臨近開挖過程中的擾動(dòng)影響明顯，此前的“先開采，后治理”的開采模式已無法滿足深部礦山綠色安全開采要求，在此背景下，“協(xié)同開采”理念應(yīng)運(yùn)而生?！皡f(xié)同開采”是結(jié)合采空區(qū)隱患資源開采所提出的一個(gè)全新理念［10］，在礦山開采過程中，通過將爆破開采、災(zāi)害處理及其他行為協(xié)調(diào)同步進(jìn)行，使礦山開采系統(tǒng)達(dá)到高效、協(xié)同、環(huán)保、節(jié)能的目的［11-12］。孫會(huì)熙等［13］結(jié)合某釩鐵礦開采規(guī)劃問題，引入“協(xié)同開采”理念，對(duì)礦區(qū)的采礦設(shè)計(jì)與回采工藝進(jìn)行了優(yōu)化，改善了礦區(qū)開采環(huán)境；陳陽等［14］采用崩落與充填相結(jié)合的采礦法開采某鐵礦，用數(shù)值模擬方法從9 種采礦方案選擇了一種最優(yōu)方案；此外，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者從多角度提出了基于“協(xié)同開采”理念的采礦方法［15-17］，極大豐富了我國(guó)地下開采技術(shù)體系。

本研究以某磷礦深部開采現(xiàn)場(chǎng)為例，針對(duì)深部磷礦開采中顯現(xiàn)的巖爆特性，結(jié)合工程開挖環(huán)境與開挖工況，引入“協(xié)同開采”理念，從應(yīng)力轉(zhuǎn)移、應(yīng)力防控和巖性改善的角度對(duì)深部磷礦巖爆防控進(jìn)行研究，為深部磷礦安全高效開采提供有益參考。

1 深部磷礦開采的巖爆特性

宜昌某磷礦屬緩傾斜中厚礦體，礦層穩(wěn)定，傾角為17°～25°，開采深度112.67～1 021.97 m，平均深度550 m。礦區(qū)裂隙和節(jié)理發(fā)育不完全，礦層底板和圍巖的穩(wěn)定性很好，直接頂板為硅質(zhì)白云巖，具有硬度高、易碎的特點(diǎn)。根據(jù)礦體的賦存條件，選用采礦方法為無軌運(yùn)輸、錨網(wǎng)護(hù)頂、輪式出礦的房柱法。由于井下巷道在掘進(jìn)及回采過程中的巖爆現(xiàn)象頻繁，已嚴(yán)重威脅到井下人員的作業(yè)安全。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖爆特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，開拓巷道巖爆可分為開拓巷道掌子面附近的即時(shí)型巖爆和巷道交叉附近滯后型巖爆兩種［18］。前者以中等巖爆為主，部分為劇烈?guī)r爆，爆坑呈“凹”形，巖爆發(fā)生相對(duì)頻繁；后者以輕微巖爆為主，部分為中等巖爆，爆坑圍巖呈板裂破壞，如圖1所示。

采區(qū)巖爆以采區(qū)礦柱中上部的滯后型巖爆為主，發(fā)生在礦柱、頂板部分含硅質(zhì)白云巖處、頂板與礦房壁面交接處，以輕微巖爆和部分中等滯后型巖爆為主，爆坑呈板裂破壞，如圖2所示。

2 深部磷礦開采的巖爆防控措施

在深部磷礦開采時(shí)，控制巖層動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的巖性條件、應(yīng)力環(huán)境、應(yīng)力大小等因素均會(huì)發(fā)生變化，在采掘工作面頂板及上覆巖層斷裂引起的強(qiáng)擾動(dòng)作用，及巷道、采掘工作面、礦井及礦井群多尺度聯(lián)動(dòng)影響下，將直接改變井下圍巖所受應(yīng)力梯度的分布，增加圍巖在開挖擾動(dòng)作用下的能量積聚。當(dāng)圍巖所受應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)或圍巖因受力使其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，極易產(chǎn)生巖爆。因此，本研究主要從應(yīng)力轉(zhuǎn)移、應(yīng)力防控及巖性改善的角度對(duì)深部磷礦巖爆防控措施進(jìn)行分析。

2.1 應(yīng)力轉(zhuǎn)移

通過對(duì)某磷礦現(xiàn)場(chǎng)不同位置處的巖爆特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，受地下磷礦長(zhǎng)期地質(zhì)賦存及地質(zhì)構(gòu)造作用影響，礦區(qū)多處呈現(xiàn)明顯彎曲和扭折等褶皺的高地應(yīng)力封閉區(qū)。由于該區(qū)域巖體所受應(yīng)力環(huán)境較高，致使在附近相同開挖工況的擾動(dòng)作用下，區(qū)域產(chǎn)生的巖爆烈度和頻率明顯提高。為有效降低開挖引起的巖爆烈度，進(jìn)一步提高井下作業(yè)的安全性，可從應(yīng)力轉(zhuǎn)移的角度進(jìn)行井下切割巷道巖爆的主動(dòng)防護(hù)。

應(yīng)力轉(zhuǎn)移［19］是一種有效的巖爆防控方法，多用于因開挖擾動(dòng)造成的圍巖應(yīng)力較高的區(qū)域。基本思路是使用某種技術(shù)將圍巖中的高應(yīng)力從巖體的開挖部分向深處轉(zhuǎn)移，從而降低開挖掌子面附近圍巖的應(yīng)力集中程度，避免巖爆發(fā)生［20］。鉆孔卸壓是一種常用的應(yīng)力轉(zhuǎn)移手段，通過對(duì)巖體進(jìn)行鉆孔施工，使巖體內(nèi)部形成一個(gè)破壞帶，即一個(gè)低彈區(qū)。各低彈區(qū)延伸貫通，形成整條弱化帶。相當(dāng)于破壞了此區(qū)域的巖體結(jié)構(gòu)，降低其承載能力，使巖體中的應(yīng)力重新分布，并將應(yīng)力峰值位置由開挖掌子面轉(zhuǎn)移至巖體深部。因鉆孔卸壓需要對(duì)礦層巖體進(jìn)行鉆孔，為了提高作業(yè)效率，一般對(duì)開挖掌子面進(jìn)行超前鉆孔作業(yè)和鉆孔爆破作業(yè)。

井下切割巷道巖爆主動(dòng)防護(hù)方法的基本實(shí)施步驟為，井下開拓巷道和采區(qū)切割巷道施工過程中，鑿巖工穿安全背夾在掌子面鉆爆卸壓，并對(duì)切割巷道掌子面頂幫進(jìn)行浮石清理，及時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)；在開挖掌子面中上部進(jìn)行掛網(wǎng)，并對(duì)網(wǎng)周邊進(jìn)行錨桿固定；在出礦前對(duì)工作面進(jìn)行人工排險(xiǎn)，當(dāng)遇到人工無法清除的危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟用撬毛機(jī)、裝載機(jī)、挖機(jī)等設(shè)備進(jìn)行多方配合清排，清排結(jié)束后方可出礦；作業(yè)人員用潛孔鉆對(duì)工作面鉆爆卸壓，掌子面泄壓鉆孔布置如圖3 所示。當(dāng)遇作業(yè)面頂板較差情況時(shí)采用錨網(wǎng)加錨桿支護(hù)。

該巖爆防控方法從“協(xié)同開采”的角度，結(jié)合巖爆孕育理論，采用鉆孔泄壓的方法，可有效降低高應(yīng)力區(qū)掌子面附近圍巖的應(yīng)力集中程度，并對(duì)掌子面附近巖體高應(yīng)力向深部圍巖進(jìn)行轉(zhuǎn)移；通過嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)管控，借助掛網(wǎng)形式可有效阻攔切割巷道巖爆飛濺出的碎屑，降低作業(yè)人員被擊傷的概率和工程成本，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移的巖爆防控作用。

2.2 應(yīng)力防控

2.2.1 采空區(qū)應(yīng)力防控

隨著井下空區(qū)范圍增加，礦區(qū)巖體頂部的普氏拱影響區(qū)隨之增大，礦區(qū)開挖作用造成圍巖塑性區(qū)域越大，頂板冒落范圍及巖爆區(qū)域與烈度越明顯。受礦區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境和地層結(jié)構(gòu)影響，開挖圍巖的應(yīng)力集中區(qū)主要集中在圍巖頂部、礦柱與頂板交接處、拉底巷道圍巖中上部與礦層傾向方向的圍巖頂板交接處。從巖體破壞角度而言，礦區(qū)巖體冒落與礦區(qū)巖爆的產(chǎn)生，是礦區(qū)在特殊地質(zhì)環(huán)境下開挖擾動(dòng)所致。若僅從巖體開挖錨固角度來提高礦區(qū)開采的安全性，不僅無助于從根本上對(duì)礦區(qū)巖爆進(jìn)行控制，更會(huì)大幅增加開挖成本。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中通過優(yōu)化采區(qū)參數(shù)，在采區(qū)布設(shè)相鄰采準(zhǔn)切割平巷間距為15 m，采準(zhǔn)平巷之間每15 m布置一條切割平巷，將上一水平切割平巷與下一水平切割開口錯(cuò)開成“品”字形布置，并采取泄壓掛網(wǎng)的主動(dòng)防護(hù)方式（圖4 和圖5），可降低附近開挖巖體對(duì)于已開挖巖體造成的頂部巖體擾動(dòng)影響。此外，在開挖過程中，對(duì)礦區(qū)頂部圍巖位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填，為下步鄰近礦塊受開挖擾動(dòng)的頂板圍巖提供支撐。

2.2.2 開挖巷道應(yīng)力防控

開挖巷道應(yīng)力防控主要結(jié)合巷道圍巖應(yīng)力和巖體附近的地質(zhì)構(gòu)造情況，及磷礦巖層結(jié)構(gòu)面特性，通過改善巷道斷面形狀和開挖進(jìn)尺，降低巷道掌子面附近的圍巖集中程度，并采取吸能錨桿支護(hù)和鉆孔泄壓方式，降低掌子面附近圍巖的應(yīng)力集中程度。

（1）改變巷道斷面形狀。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞特征的分析，發(fā)現(xiàn)巖爆主要發(fā)生在開挖巷道頂部含較多白云巖的巖層內(nèi)。結(jié)合湖北某磷礦區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，將開拓巷道的矩形斷面更改為倒梯形斷面，如圖6 所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開挖實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，通過改變巖爆現(xiàn)場(chǎng)巷道斷面形狀，使巷道圍巖穩(wěn)定性顯著提高，巖爆發(fā)生頻率顯著降低。

（2）巷道支護(hù)采用吸能錨桿。為降低開挖圍巖內(nèi)部的能量積聚，將縫式錨桿更改為吸能防沖的新式錨桿。錨桿在開挖圍巖中起到讓位吸能作用，可降低開挖圍巖內(nèi)儲(chǔ)存的能量，從而有助于降低巖爆的產(chǎn)生烈度與大小。

（3）開挖尺寸。開挖現(xiàn)場(chǎng)的巷道進(jìn)尺為每天2～3 m，但在具體巖爆高發(fā)期位置，可適當(dāng)降低開挖進(jìn)尺，如控制在每天1.5～2 m。

2.3 巖性改善

井下巖爆防控通常采用應(yīng)力轉(zhuǎn)移與應(yīng)力防控方式，能明顯降低礦區(qū)產(chǎn)生的巖爆概率。此外，在這兩種方案實(shí)施過程中，通常在井下爆破施工后，及時(shí)對(duì)掌子面附近的圍巖進(jìn)行高壓注水，不僅起到軟化圍巖、及時(shí)清理浮石的作用，更有助于降低開挖掌子面和采區(qū)的巖爆強(qiáng)度。

3 實(shí)施效果

2018年6—8 月，對(duì)湖北宜昌某深部磷礦實(shí)施應(yīng)力轉(zhuǎn)移、應(yīng)力防控及巖性改善等措施，進(jìn)行井下巖爆防控研究。2018年6—8 月及2017年同期的巖爆總次數(shù)、不同類型巖爆次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖 7 可知：2017年 6 月巖爆總次數(shù) 8 次，7 月巖爆總次數(shù) 74 次，8 月巖爆總次數(shù) 147 次；2017年 6 月巖爆總次數(shù) 34 次，7 月巖爆總次數(shù) 27 次，8 月巖爆總次數(shù)115 次。由圖8 可知：2018年實(shí)施巖爆防控措施之后，該礦巖爆發(fā)生頻率得到了有效控制。

4 結(jié) 論

（1）磷礦井下巖爆分為開拓巷道掌子面附近的即時(shí)型巖爆和巷道交叉處及采區(qū)礦柱中上部的滯后型巖爆兩種。開挖掌子面附近的即時(shí)型巖爆以中等巖爆為主，滯后型巖爆在巷道交叉處附近以輕微巖爆為主；采區(qū)的滯后型巖爆主要發(fā)生在礦柱、頂板部分含硅質(zhì)白云巖處和頂板與礦房壁面交接處。

（2）在開挖掌子面附近，通過“品”字形錯(cuò)位布置和卸壓掛網(wǎng)的主動(dòng)防護(hù)方法，降低巖爆烈度和巖爆發(fā)生次數(shù)，阻攔切割巷道巖爆飛濺出的碎屑，可有效降低巖爆產(chǎn)生烈度和巖爆發(fā)生次數(shù)，并對(duì)巖爆產(chǎn)生的飛濺碎屑進(jìn)行阻攔。

（3）通過優(yōu)化采區(qū)尺寸，采用間隔錯(cuò)位開采方式優(yōu)化回采方法，并進(jìn)行采區(qū)充填，可有效降低開挖引起的采區(qū)應(yīng)力集中程度，確保深部磷礦安全開采。