渣滓溪銻礦巖爆現象及災害治理

陳 健

(湖南安化渣滓溪礦業有限公司， 湖南 安化縣 413507)

巖爆是地下工程，特別是礦山工程、水利水電工程和鐵路、公路隧道工程常見的突發性的地質災害，巖爆所產生的危害已引起了全世界的關注。隨著渣滓溪銻礦礦山開采逐步向深部擴展，已開采至埋深600 m，深井巖體在高應力作用下產生動態失穩破壞，發生巖爆災害，危及職工生命與設備安全。礦山至今已發生數十次巖爆事故，為保障職工生命與設備安全，開展礦山巖爆研究勢在必行。由于工程界對巖爆的定義、分類及其機理尚未達成共識，巖爆理論的研究成果與具體工程實踐指導還相距甚遠，目前工程需要的巖爆預測、預防研究方案尚停留在對巖爆經驗判斷水平。但是，通過對實際巖爆工程的發生機理、預測預報模型的理論研究，對巖爆防治措施進行實際的探討，有針對性的提出可靠的巖爆預測方法和預防措施，對于地下工程的安全生產具有重要的意義。

1 巖爆的危害

自1738年在英國南史塔夫煤田發生全球首例有記錄的巖爆后，在200多年的時間里，南非、美國、中國、前蘇聯、加拿大、日本、捷克、保加利亞、奧地利、印度、新西蘭等20多個國家都先后發生過巖爆。我國最早有記錄的巖爆發生于1933年撫順勝利煤礦，其后在京西的門頭溝煤礦、阜新的五龍礦、石嘴子銅礦、金川二礦區、紅透山銅礦、冬瓜山銅礦、錦屏水電樞紐工程、秦嶺隧道等都發生過多次巖爆。無論是礦山工程、水利水電工程還是鐵路、公路隧道工程，一旦發生巖爆事故，輕者開挖洞室局部受到破壞進而影響施工進度，重者開挖洞室整體受到嚴重破壞，造成施工設備的損壞，甚至大量人員的傷亡，其后果不堪設想。國家安全生產監督管理總局官方網站公布一組觸目驚心的數字，2001～2011年10年間12次強烈巖爆事件中，死亡人數36人，重傷6人，輕傷74人，多次砸斷鉆孔臺車鉆臂，砸壞多臺卡車、升降臺車、噴漿機和電焊機等。

2 巖爆的發生條件

2.1 地質條件

(1) 巖爆的形成與巖體結構有關，不發生在節理發育的破碎段，而是發生在節理不多也不少的巖體段或者完整的巖體內。裂隙發育的巖體受裂隙和層面多重切割，其破壞機制由軟弱面起控制作用不易發生巖爆。 渣滓溪銻礦F3斷層周圍巖石比較發育，不易發生巖爆，離F3斷層有一定距離的43脈、19脈和20脈巖石較完整，多次發生巖爆災害。

(2) 每期構造都會形成一次應力場，復雜的地質構造帶容易發生巖爆，如褶曲、巖脈、斷層以及巖層的突變等。特別是向斜的軸部巖層存在較大的地應力，聚積有大量的彈性變形能，一旦開挖或開采，就有可能產生巖爆。渣滓溪礦區屬于斷層控礦，且斷層多而復雜。

(3) 抗壓強度高(σc>60 MPa)、質地堅硬、單軸壓縮試驗應力應變曲線以線彈性變形為主的脆性火成巖或沉積巖容易發生巖爆，特別是具備這些特征的巖石有利于積聚彈性變性能。通過對26個巖爆工程或地段巖性統計得到圖1所示關系，巖爆基本都發生在花崗巖、石英巖等硬脆性巖石中，即使發生在灰巖地段的巖爆，其灰巖中也同樣含有一定量的硅質成分。

渣礦圍巖以凝灰質砂巖、石英砂巖、凝灰質板巖為主，堅硬石英砂巖、凝灰質砂巖在高應力條件下都易發生巖爆。

圖1 巖爆-巖性關系

2.2 工程條件

(1) 壓力集中系數與硐室橫斷面幾何形狀有關，理論分析表明，非圓形硐室的應力分布不均程度高，一旦某些部位的應力值達到或超過發生巖爆的臨界值，容易發生巖爆。一般在硐室轉彎處的彎道內側或角腳處易發生巖爆。渣滓溪銻礦采場一般為矩形。

圖2 巖爆隨深度發生的概率

(2) 干燥無水，埋深較大易產生巖爆。工程埋深決定著原巖應力的大小、方向和分布狀態，隨著開挖深度的增加，地應力呈線性或非線性的增加趨勢，巖爆活動也呈現增加的趨勢，通過對巖爆發生地段深度的統計，巖爆在600 m以上發生次數明顯增多，占統計總量的65%，如圖2所示。渣滓溪銻礦開采深度近600 m，且以往發生巖爆的礦巖干燥無水，屬易發生巖爆范圍。

2.3 應力場條件

巖爆一般發生在高地應力區，特別是高水平地應力。主應力的大小和方向決定著巖爆發生的部位和烈度，研究發現，在埋深小于1000 m時，以水平方向主應力為主，頂底板易發生巖爆；在埋深大于1000 m時，以垂直方向主應力為主，則硐室側墻易發生巖爆；巷道主軸方向與主應力方向相同，在兩幫就會發生巖爆；巷道主軸方向與主應力方向垂直，就會在作業面發生巖爆(見圖3)。

3 巖爆的防治

根據巖爆發生的范圍和破壞程度，其防治措施主要從兩個大的方面考慮：一個是戰略性的防治措施；另一個是局部解危措施。

圖3 渣滓溪銻礦巖爆后的巖體

3.1 戰略性防治措施

(1) 確定最佳回采順序。根據礦床賦存厚度、主構造與礦體關系，確定平面開采的礦塊回采順序，利用免壓拱，創造回采的安全條件；在條件允許時，盡可能實現連續開采，采礦工作面總體推進；在有斷層構造的礦脈，應從斷層附近開采后退回采，少留礦柱。

(2) 合理布置開拓采準巷道。隨著上中段的回采，下中段的采準巷道將進入到由上中段開采形成的承壓帶中，因此，要在上中段回采產生承壓帶之前，就要提前完成下中段的開拓、采準、切割工程。同時，在巷道掘進過程中，要盡量使巷道方向沿著最大主應力方向。

(3) 充填采空區。用充填材料支撐采空區，轉移頂板應力場，降低應力集中程度；減小采場圍巖彈性變形，降低巖層彎曲固折程度，減少巖爆次數和降低巖爆強度。

(4) 建立微震監測系統。實時監測采區巖體對采礦活動的響應情況，及時預報可能發生巖爆的位置和強度，為安全生產提供可靠的信息。

3.2 局部解危措施

(1) 超前徑向鉆孔解壓。在易發生巖爆的部位，打一些空孔，誘導巖爆在孔內發生，巖體內聚集的能量得到釋放，使工作面附近壓力峰值向原巖體內推進，實現降低巖爆強度或防止巖爆發生的目的。

(2) 控制爆破。施工過程多采用淺孔多循環作業，通過爆破使作業面盡可能光滑圓順，避免局部應力集中。

(3) 開槽卸壓。如果巷道兩邊墻有較高應力，在兩邊墻上開鑿一個槽，使圍巖變形向槽中擴展，增大圍巖變形能力，應力峰值向巖體深處轉移，緩解頂板上的應力集中。

(4) 巖層預注水。通過注水降低巖體強度，增加巖體塑性變形比例，使巖體內積聚的應變能多次小規模釋放，防止應變能集中釋放。要求巖層具有一定受水能力，孔隙度大于4%，頂板堅硬，支護強度大。

總之，巖爆是一種嚴重的地質災害，不可預測的地質變化都可能引起難以預測的巖爆。雖然巖爆尚處在探索階段，但是通過對不同地質條件發生的巖爆災害的研究，采用不同的具體的防治措施，能夠很好的預防和降低巖爆可能引起的重大安全事故，保證地下工程的安全作業。

渣滓溪銻礦目前在采場中采取在崩礦區前后各預先鑿2～3個泄壓孔；在天井掘進時沿礦體底板并揭露一定礦體的方法掘進，取得了一定的效果，但沒有徹底排除巖爆現象。未來通過詳細的數據及應力場分析研究，渣滓溪銻礦的巖爆將得到有效控制。

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