深井開采工程地質災害與防治措施

謝曉斌，陳輝，李想，楊慶明

(江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州 341000)

深井開采工程地質災害與防治措施

謝曉斌，陳輝，李想，楊慶明

(江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州 341000)

由于國內對地下礦產資源的開發利用的增加，深井開采成為深部礦產資源開發利用的主要方式，深井開采過程中由高地應力、高地溫和開采擾動等問題引發的主要工程災害也越來越受重視。文章主要對有色金屬礦山深井開采中所遇到的巷道圍巖變形、采場地壓顯現、巖爆、礦井熱害等相關地質災害進行了詳細分析。借鑒國內外相關實踐和理論經驗，通過對這些相關地質災害防治方法的深入地研究，提出了合理的解決方案和建議，為礦山企業深部采礦工程實踐提供理論指導。

深部采礦;地壓顯現;巖爆;礦井熱害;防治措施

1 引言

礦產資源是我國國民經濟發展和國家安全保障的物質基礎，但由于近年來我國對礦產資源需求量的增長和對淺部礦產資源開采力度的不斷加大，使我國淺部地下礦產資源量日益減少。因此，加強對深部礦產資源的勘探和開發利用是礦產資源開發的必然趨勢。

在我國，開采深度小于300m，為淺部開采，開采深度介于300～600m，稱為中等深度開采，開采深度在600～900m及以上，為深部開采［1］。伴隨著開采深度的不斷增加，采礦作業環境也更加惡劣，由深井開采所帶來的高地壓、高地溫和開采擾動等工程地質災害給采礦工作增加了大量難題。因此，加強深部采礦所帶來的一系列工程災害問題的研究對深部礦產開采作業具有重要的指導意義。

2 金屬礦床深部采礦主要工程災害

2.1 巷道圍巖變形增大

隨著開采深度的增加，巷道圍巖所受的各種壓應力、剪應力也相應增大，伴隨著巷道開挖工作的進行，圍巖中地應力重新分布，當巷道圍巖所受地應力強度超過圍巖所能承受強度極限時，巷道將因圍巖產生大的變形而發生破壞。即因開采深度的增加使巷道地壓顯現的可能性及強度都隨之增大。巷道變形破壞的主要方式為:巷道底臌量增大、巷道斷面縮小和巷道支護設施破壞。巷道的變形破壞不但增大了維護工作量，還使礦山企業蒙受了巨大的經濟損失。同時也給運輸安全留下了重大的隱患［2］。巷道變形破壞嚴重影響巷道內人員、礦產資源和物料的運輸安全，增加了巷道的支護成本和人力、物力、時間的消耗。

2.2 采場地壓顯現劇烈

巖體被開挖以后，原巖應力平衡狀態發生了改變，巖體中段應力狀態重新分布，產生了次生應力場，使巷道或采場周圍的巖石發生變形、移動和破壞，這種現象稱為地壓顯現［3］。由于開采深度的增加，采場上覆巖層自重應力和其他應力也隨之增大，深部圍巖在高應力環境下也可能產生脆～延轉化，從而使采場圍巖穩定性降低、產生的位移量增加、采場地壓顯現更加劇烈。由于每個礦山的礦床賦存條件和選擇的采礦方法不同，采場地壓顯現的方式也不盡相同，采場地壓顯現的主要方式包括:采空區頂板的下沉和坍塌、頂底礦柱或間柱的變形垮塌、采場頂板的冒落、沖擊地壓和巖層錯動等。采場地壓顯現會導致采場條件惡化，嚴重威脅生產人員和生產設備的安全、影響礦山企業的安全生產。

2.3 巖爆強度和頻率增加

巖爆一般是指堅硬、脆性圍巖受到地應力釋放及開挖擾動的影響時，應力重新分布，導致其徑向約束力卸除，切向應力驟然增加，使巖石內部存儲的彈性應變能急劇釋放，以致產生巖石爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象［4］。伴隨著開采深度的增加，儲存于巖體內部的彈性應變能也相應增大，巖體在開挖后，圍巖應力分布狀態發生改變，當巖石被擠壓的力度超過所能承受彈性極限時，積聚在巖石內部的能量迅速釋放，從而引發巖爆［5］。巖爆的發生機理十分復雜，國內外現有的結論可以解釋一些實際問題，但有些現場問題并不能用這些結論進行合理解釋。如在南非金礦的深部開采中得到的堅硬巖層具有明顯的時間效應，但這種巖石的樣本在試驗室中卻幾乎觀測不到時間效應［6］。巖爆直接威脅生產人員和生產設備的安全，嚴重影響礦山安全生產，是深井采礦中重要影響因素之一。

2.4 礦井熱害影響嚴重

在深井開采中，由于作業溫度的升高，礦井熱害也越來越嚴重。礦井熱害(heathazardinmine)是指礦井內環境氣溫超過人體正常熱平衡所能忍受的溫度，導致勞動效率降低、事故頻率增加、健康受損，甚至中暑休克的現象［7］。

礦井熱害的主要熱源包括:

(1)地熱的影響:據統計，自地表以下，標高每下降100m，溫度平均升高3℃。在地熱異常區域，溫度隨深度的增加而升高的更快，地熱成為深井開采高溫的主要原因。

(2)入風氣溫影響:在我國南方的大部分地區，由于夏季溫度比較高，造成礦井入風氣溫過高，也是影響深井高溫的一個重要原因。

(3)采礦機械放熱:由于科技的發展，大型器械在深井中的運用越來越廣泛，而機電設備放熱也是深井開采中不可忽略的一部分。

(4)其他影響因素:人體散熱、爆破、生產用水、充填料放熱等。

當深井內作業環境溫度過高超出人體正常所能忍受的溫度，會使井下工作人員注意力分散、勞動率降低。嚴重時會引起工作人員中暑休克，從而嚴重影響安全生產和工作人員的身體健康。

3 深部采礦相關工程災害的防治

3.1 巷道變形防治技術

3.1.1 合理設計礦區開拓和巷道布置

在礦區規劃的過程中，對礦區開拓和巷道布置的合理設計能有效地減少在深井開采中巷道支護的難度和成本。其主要方法有:

(1)利用對礦田的合理整合，以減少礦田中礦井、水平、采區的數量，簡化工作面，減少巷道數量，在降低開拓工作量和成本的同時，減少需支護巷道的數量，從而降低礦區內巷道的支護成本。

(2)合理的布置巷道位置，巷道布置盡量避開不良工程地質地段，增加巷道圍巖的穩定性，或將巷道布置在預采礦柱的采空區內(卸壓區內)，以方便巷道維護，降低巷道維護成本。

3.1.2 改進巷道爆破技術

巷道掘進工作應盡量降低爆破對圍巖的影響，保持圍巖的穩定性。良好的巷道掘進爆破工作可以有效地減少圍巖收斂變形量、降低后期巷道維護難度和維護成本。保證巷道掘進爆破質量的主要措施包括:嚴格控制巷道掘進時的炸藥使用量，盡量減小爆破震動對巷道圍巖的影響;對炮眼進行合理布置，增加炮眼數量，且周邊眼不裝藥，以保證巷道一次成型的條件下降低爆破產生的應力波對頂部圍巖的影響;爆破前利用超前控頂錨桿對巷道頂部圍巖進行控制，以保持爆破后頂部圍巖的穩定性［8］。

3.1.3合理安排對巷道圍巖地支護工作

合理地設計支護工作可調整圍巖中的應力分布、減小地圍巖自由變形，有效地防止松散巖體的墜落。在巷道爆破成型后及時進行支護，可以在巷道成型后用錨桿、錨帶網進行圍巖的支護以縮短圍巖的懸露時間。實踐證明，巷道在錨網支護后10～15d出現劇烈變形，巷道兩幫移動量最大達1000mm，之后巷道趨于穩定。因此，在巷道掘進中，應合理地預留巷道斷面變形量，對巷道的支護工作應該盡量避開應力峰值點［8］。然后以注漿的形式對巷道圍巖進行封閉處理，以防止巖石的風化、填凹補平避免應力的集中、防止錨桿間危石的掉落。在地應力比較大的區域還可以用被動的支護形式如利用木棚支架、鋼筋混凝土支架等進行巷道圍巖的支護。

3.2 采場的地壓控制

對于深井中采場地應力強的特點，國內主要應用以下幾種方式進行對采場地壓的控制:

(1)采場結構的優化。對采場結構的合理設計和結構參數進行優化，可以加強對采場中圍巖中的控制，避免圍巖中應力的集中釋放。對采場結構進行合理的優化能夠避免圍巖應力的集中，有效降低采場發生地壓顯現的次數和強度，從而降低采場地壓顯現對采礦作業的影響。保證采礦布局的合理性的主要方法有:①優化采場結構參數;②對空區地壓進行科學有效的管理;③合理安排回采順序。

(2)科學判斷采場可能的破壞形式，并進行合理的支護。利用相關數值軟件對采場進行數值模擬可有效、科學地預測采場的地壓顯現模式，從而對地壓顯現模式進行科學、準確的判斷。根據采場的地壓顯現模式判斷結果，可以確定相應的采場支護手段，以保證采場支護工作的有效性，提高采場圍巖的穩定性。

(3)采場地壓的監測。及時地掌握和更新采場圍巖變形、應力的分布狀況和巖體的各項物理力學參數，可以為采場的數值模擬提供科學、準確的數據，保證采場模擬的準確性，從而可以確保支護工作的有效性。

3.3 深井巖爆的主要防治措施

3.3.1 高應力區的監測和控制

高應力區是巖爆的高發區，對高應力區的檢測與控制可以有效的控制和避免巖爆的發生。主對工作面進行處理，可以對高應力區工作面前端的圍巖進行合理的爆破，使圍巖應力的分布，避免應力的集中;利用漿液減少斷層面中的正應力或利用漿液支架礦柱，從而誘發斷層面有控制的滑移，達到應力適當釋放的效果，從而避免應力集中釋放而發生巖爆［9］。

3.3.2 對采空區高應力控制

深部采礦過程中，可以充分利用支護、充填等方式來減少巖爆現象發生。即在回采工作完成后對采空區進行合理處理如:利用支柱、頂梁等設施對采空區進行支護、對空區進行及時充填。加強對采空區圍巖應力的控制，及時對采空進行封閉，待空區穩定后適時進行支護或充填，并對采空區圍巖進行科學地監控，從而有效的降低空區圍巖受爆破引起的礦震的影響，控制采空區的應力分布，避免地應力的集中。降低巖爆的發生頻率及強度。

3.4 深井熱害的防治

根據對熱源的控制和降溫方式可把深井熱害的防治方法分為減少熱源法、加強通風法、制冷空調降溫法、個體防護法和其他降溫措施。

3.4.1 減少熱源以降低井下溫度

(1)減少巖層熱量散發。利用在巖壁上噴護的隔熱物質，減少圍巖中熱量的傳入。

(2)加強對機械熱的控制。合理選擇和安排井下礦山機械，盡量選擇高效率的井下礦山機械，減少井下的機械熱量，合理安排固定機械的位置，便于對其產生的機械熱的集中處理。

(3)改善熱水系統及加強對管道熱點控制。為了防止高溫排水管和熱壓風管將熱量帶入井下工作區，應盡可能地將高溫排水管和熱壓風管架設在回風道中，并且超前對熱水進行疏排或經有隔熱設施的管道導入水倉。

(4)減小爆破熱對采礦作業的影響。井下爆破會產生一定的熱量，這些熱量不能馬上由回風巷道排除，為了盡量減小爆破產生的熱量對井下工作人員的影響，應盡量把爆破工作和人員作業的時間錯開。

3.4.2 加強通風以降低溫度

通風降溫的實質乃是以增大供風量的方式，使井下作業地點氣溫降低到國家有關規程規定的溫度范圍之內，從而為井下作業創造一個適宜的溫度環境［10］。通過建立良好的通風系統，可以有效地縮短入風線路的長度、減小通風巷道風阻，同時通過增加入風量、提高風速、降低入風流溫度，可以使深井下的熱量盡快排出工作面，從而保證工作面適宜的作業溫度。

3.4.3 利用人工制冷降低溫度

利用人工制冷方式對井下進行降溫是當代礦井控溫的一種新方法，當其他降溫方式成本過高或效果無法達到作業環境的要求時，可以考慮利用人工制冷方式進行降溫。目前國內外普遍采取人工降溫方法對井下溫度進行控制。人工制冷降溫的關鍵技術是制冷、輸冷、傳冷和排熱，及對降溫系統的控制［11］。具體相關實例如圖1。

圖1 人工制冷控溫系統圖

3.4.4 個體防護

在作業地點比較分散、集中降溫困難的情況下，利用個體防護方式可以有效的保證工作人員的安全生產、有效降低降溫成本。近年來，隨著科技的發展以及人們工作條件的改善，借鑒國外先進經驗和技術，我國在該領域的研究也正在取得顯著進步。目前，我國已制訂了部分行業的熱防護服性能要求，已制訂和建立了熱防護服阻燃性能測試方法和系列標準［12］。

3.4.5 其他降溫措施

除了以上控制井下溫度的方法，還可用其他的降溫措施對井下的溫度井下控制如:采用井口噴冷水等方法降低經過入風口的空氣溫度，從而控制礦區井下溫度;短時間的局部作業可利用噴霧或放置冰塊的降溫方法;對于特殊的作業環境條件可以地使用其他的低能耗、高效率的降溫方式。

4 結論

隨著人類對有色礦產資源的需求量的大大增加，礦井的開采深度將不斷加深，而深井開采所帶來的問題也將更加的突出。如何解決這些問題將是提高資源開采能力和保證開采安全的決定性因素。本文對深部金屬礦床開采中所遇到的主要工程災害進行研究，分別對巷道圍巖變形、采場地壓顯現、巖爆、礦井熱害等工程災害的成因等作了詳細的分析，根據對深井采礦的特殊地質環境影響因素的研究，總結出了一套比較完整的深井工程災害的防治方案，為礦山企業解決深部采礦過程中所遇的實際工程問題提供理論依據和方法參考。

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The Geological Disaster and Prevention Measures in Deep Mining Project

XIE Xiao－bin，CHEN Hui，LI Xiang，YANG Qing－ming

(Faculty Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China)

With growing exploitation of underground mineral resources in our country，deep well drilling becomes the main way of deep mineral resource development and utilization.The Main engineering disasters in deep well drilling process which caused by high geostress，high geothermal and mining disturbance are more and more valued.This paper detailed analyses some related geological disasters in deep well drilling process，such as the stope drift wallrock deformation，stope pressure appeared，rockburst and mine heat hazard etc.Referring to relevant practice and theory experience home and abroad，the paper puts forward reasonable solutions and suggestions which provide theoretical guidance for deep mining engineering practice of mine enterprise by penetratingly researching the prevention measures of related geological disasters，.

deep mining;ground pressure appeared;rockburst;heat hazard in mine;prevention measures

TD327

C

1009－3842(2011)06－0021－04

2011－06－02

謝曉斌(1987－)，男，江西贛州人，江西理工大學碩士研究生，研究方向為采礦工程。E－mail:270234301@qq.com