金屬礦山深井開采過程中的頂板事故淺析

孟中華,盧立松,耿立峰

(1.長沙礦山研究院安全中心, 湖南長沙 410012;2.保利礦業投資有限公司,北京 100010;3.寬城建龍礦業有限公司, 河北承德市 067601)

金屬礦山深井開采過程中的頂板事故淺析

孟中華1,盧立松2,耿立峰3

(1.長沙礦山研究院安全中心, 湖南長沙 410012;2.保利礦業投資有限公司,北京 100010;3.寬城建龍礦業有限公司, 河北承德市 067601)

對有色金屬礦山深井開采過程中的頂板事故進行了分類,并對其產生的原因進行了分析。闡述了深井開采過程中進行頂板管理研究的重要性,并對國內深井開采的金屬礦山頂板管理研究現狀進行了總結,提出了實施頂板動態分級管理的研究方法和不同級別頂板的處理措施。

深井開采;冒頂;巖爆;頂板管理;動態分級;地壓監測

1 深井開采頂板管理研究的意義

礦產資源開發向深部發展是淺部近地表資源消耗殆盡的一種必然趨勢。目前我國大多數專家將開采深度超過800m的稱為深井開采,將開采深度在300～800m的稱為中深井開采,將開采深度小于300m的稱為淺井開采。深井開采將帶來一系列的安全問題,主要有頂板冒頂、巖爆、高溫及地震活動等,其中以頂板冒落和巖爆為主要危害。頂板事故是近些年來造成礦山安全生產事故的主要危險源,井下人員傷亡有近半是頂板事故造成的。因此,礦山安全最主要的是做好開采區域內頂板管理和圍巖的穩定性維護(如采用合理的回采順序和開挖步驟,采用合理而先進的技術手段加以控制),防止冒頂事故災害。因而對深井開采的頂板管理進行全面深入研究,針對礦山的實際情況,采取具體合理的措施,解決頂板事故造成的重大人員傷亡事故,可為最大限度地開發礦山資源創造安全技術條件,對礦業發展有著極為重要的現實意義。

2 深井開采頂板事故類型

2.1 頂板事故類型

地下開采的巷道和空區頂板圍巖的失穩和冒落的頂板事故按規模和區域主要分為局部冒頂事故和大范圍垮塌沖擊事故兩類。

局部冒頂事故的特點是范圍較小,每次傷亡人數較少,事故多發生在有人工作的工作面,其事故原因是已破壞的頂板失去依托而造成的,觸發原因是工作面作業過程中未能及時支護已露出的破碎頂板。

大范圍垮塌沖擊事故的特點是面積大、來勢兇猛、后果嚴重,不僅嚴重影響生產,往往會導致重大人身傷亡。事故原因是直接頂和老頂大面積垮塌,該類事故的形成和影響因素較多,但歸根結底其最主要的觸發因素是井下巖體承壓破壞加劇和巖層位移累計變形達到臨界點時的突然爆發。這類事故就其作用力的始動方向又可分為推垮型、壓垮型和沖擊垮落型幾類。推垮型主要是指沿走向推進工作面時發生的礦柱承壓破壞傾倒連帶頂板垮落的事故;壓垮型主要是指在大規模空區附近發生的壓垮破壞型事故,這主要是由于垂直于頂底方向的作用力壓碎、壓斷或壓彎礦柱其力施加于直接導致上覆頂板垮落造成的;沖擊垮落型頂板事故主要是重疊空區上部老頂首先破壞垮落,并對下部頂板或緊鄰空區間柱產生沖擊作用力,致使下部多空區的頂板折斷,造成空區間連帶性的多空區垮落,形成大面積沖擊垮塌事故。

2.2 造成頂板事故的原因

(1)由于礦山井下地質條件復雜,各采場周邊環境不一,對不同采場頂板所采取的管理措施也不同,因此造成井下不同區域采場的頂板管理困難。尤其是礦體轉折變化幅度大的礦山,其圍巖的工程地質條件更加復雜,再考慮礦體轉折區域的強大的構造應力影響,其頂板管理更為困難,時常造成不同類型的頂板傷害事故。

(2)地質構造的發育程度對巖體的穩定性起著主導作用,構造面、節理、裂隙等地質弱面對礦巖體的切割破壞了礦巖體的連續性,降低了礦巖體的強度,經常造成采場頂板大面積的冒頂。

(3)空區的存在破壞了礦巖體的完整性,導致部分區域應力集中,造成空區附近采場及巷道的頂板冒落和片幫。空區的不同處理方式對圍巖的影響程度也較大,事實證明膠結充填能給礦柱及圍巖一定的圍壓,提高圍巖抗壓強度,并在很大程度上減輕圍巖的應力集中,減少圍巖的承壓破壞,可以從根本上降低頂板破壞程度,減少冒頂事故發生。

(4)由于斷層破壞了礦體與圍巖的連續性,當回采工作面臨近斷層時,圍巖及礦體對采場頂板的約束作用減弱,使頂板容易發生冒落。

(5)井下采掘工程的開挖破壞了原巖應力的自然平衡狀態,導致巖體內部應力重新分布,尤其隨著采礦工作面的逐步推進,采場每回采一個分層或前進一個步距,都會再次擾亂巖體內部應力分布,致使采場頂板及周邊圍巖內的應力調整不斷變化和持續,最終在采場上下盤圍巖及采場兩翼礦柱中產生應力集中,在采場頂板部分區域形成拉應力區,造成頂板的拉裂破壞和圍巖的承壓破壞。

(6)深井巖爆是礦山深井開采過程中,深部巖體的一種有一定破壞性的應力釋放,其彈性勢能的釋放有大有小,部分較大巖爆事件可對工作面頂板造成破壞,并造成一定的傷害,甚至影響整個井的正常生產作業,同時深井巖爆也是井下地壓活動的一種表現形式。此外,部分礦區位于大規模的區域性破碎帶周邊,或與破碎帶交叉位于破碎帶區域內,還有部分礦區位于地殼板塊邊緣,處于地震活動帶上,當地震發生時,地震波的強烈擾動會導致井下大范圍區域巖體的應力波動,加劇頂板和圍巖的破壞程度,誘發頂板事故和一系列地壓活動。

2.3 頂板事故對礦山的影響

礦山頂板事故通常會造成井下人員傷亡和設備損壞。頂板事故大小不同造成的影響也不同,局部頂板事故造成的危害及影響較小,對礦山的生產安全造成威脅程度較小;大面積頂板事故發生后可能導致更大規模的地壓活動,可能影響到整個礦山的井下作業或造成重大事故,給礦山帶來巨大的經濟損失,同時造成部分資源浪費;當井下地壓活動波及到地表時,可能造成地表塌陷,影響礦區的生產生活,惡化地表自然環境。

3 國內研究現狀

礦山相關規程規定礦山井下作業人員必須在頂板安全的作業條件下才能從事井下作業,以保障井下工人生命安全。而礦山的頂板管理和頂板支護措施以及其相關的科研工作是保證井下作業人員安全的基礎工作,因此,國內多家礦山研究機構都對這一問題進行過研究。目前,井下的頂板管理和地壓監測主要基于地質構造、工程地質穩定性分析等基礎性巖體力學研究結果,應用地質力學、塊體力學、彈塑性力學、巖體開挖極限平衡理論、壓力拱原理、面積承載理論、軸變論、分形理論、模糊數學綜合評價與人工神經網絡預測等理論方法,進行頂板穩定性分析、頂板監測、頂板分級管理、頂板誘導崩落等方面的研究。隨著科技發展和理論的創新,采用合理而先進的技術手段對頂板和圍巖破壞情況進行監測和控制,防止礦山井下頂板事故和其它安全事故發生的科學研究工作將會不斷取得新突破和成果,使礦山的安全生產邁上新臺階。

4 頂板管理研究及措施

對于高應力復雜條件的深井礦山,需從采場頂板管理的基礎工作出發,根據現場工程具體地質條件,采用數值分析、塊體理論和工程地質穩定性計算等技術分析后,在頂板巖層支護、頂板處理和安全防護等方面采取積極有效的防治措施,確保井下掘進和工作面的安全。下面對目前采用的比較多的頂板管理方法、處理措施及監測手段進行簡單的介紹。

(1)頂板的動態分級管理。依照采場頂板巖層及其圍巖的工程地質調查研究結果、頂板圍巖的穩定性分析結果及頂板巖體內構造面統計結果等基礎資料,系統地對采場頂板巖層質量進行評價,然后根據評價結果對采場和工作面頂板進行分級,再根據頂板可能發生的事故的程度及影響范圍進行分類,最后依據分類結果對同類型同級別頂板統一采取監測手段和制定頂板處理措施。當采場形成新的分層或工作面推進一定距離后,再次對工作面頂板穩定狀態進行評價和分級。這樣對井下各采場和工作面頂板進行動態的分級管理,并統一采取頂板處理措施(包括監測、控制、支護等),這樣就可避免同類型頂板事故多次出現的狀況,大大提高井下作業安全環境和頂板管理水平。

(2)復合破碎頂板管理。根據周邊圍巖工程地質條件進行預判,采取超前支護措施(錨桿支護、錨網支護);對掘進過程中出現的破碎區域及時進行支護,盡量減小頂板裸露面積和縮短破碎頂板的暴露時間;對硬巖工作面采取柔性支護措施,盡量避免支護體破壞的頂板事故和進行二次支護時的頂板傷害;注漿固化頂板技術,主要是將具有高度粘合力和很好的機械性能的馬麗散聚亞膠脂產品注入巖層,低粘度液體混合物滲透巖層細小的裂縫,發生膨脹和粘結,從而將破碎區內松散巖石膠結在一起,有效地加固圍巖松動圈,使之成為整體,改變圍巖狀態,提高巖體內摩擦角,增加巖體內聚力,增大巖體彈性模量,改善巖體的強度及剛度,提高圍巖的整體承載能力,從而有效控制巷道頂板,防止超前垮落或發生冒頂事故。

(3)膠結程度較低的破碎復合頂板管理。這類頂板一般的支護措施效果均較差,應盡量避免這類頂板的揭露,無可避免時可采取超前支護,支護方式視這類頂板的強度和破碎程度而定。

(4)頂板監測。主要采用聲發射監測、應力監測、位移沉降監測、鉆孔光學窺視儀裂隙監測等手段,對頂板破壞程度、應力調整變化情況、位移變化和沉降情況、頂板破裂特征進行監測和測量。綜合這些監測手段或部分監測手段的監測數據,對監測區域頂板變換情況進行判斷,可以很大程度的了解頂板的破壞程度及其穩定狀態,從而對頂板事故提前采取控制措施和防范措施,避免人員傷亡和設備損害等。

5 結 論

礦井采深的增加使得地應力和構造應力隨之增大,使深井開采經常會遇到地質構造帶、應力疊加及二次動壓影響的復合頂板回采工作面,礦山開采技術條件也越來越難,隨之而來的頂板問題也越來越多,給深井開采的頂板管理帶來了全新的挑戰和冗重的工作量。但是隨著科技水平的不斷提高和相關科研工作者不斷探索及采礦工作者的不斷努力,在深井開采的頂板管理、頂板支護、頂板監測和頂板事故防范措施等方面取得了多方面的成果和經驗,提出了頂板動態分級管理、頂板穩定預判及超前支護等方法和措施,有效地減少了同類頂板事故在同一區域的發生,大大提高了頂板下作業人員的工作環境的安全程度。

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2004-04-26)

孟中華(1980-),河北人,采礦工程師,主要從事礦山巖石力學、地壓監測等方面的研究工作。