巖爆問題的巖層控制與巷道支護淺論

【摘 要】根據錢營孜煤礦原巖應力測量、巖石物理數據、礦體結構調查以及模型建立的數據極端和工程實際問題， 具有高應力的深部采掘區巖層爆破控制以及為了安全所進行的巷道支護問題，將是礦山以及金屬礦山等類似巖石結構的高應力礦區所面臨的生產和安全的重大技術難題，因此本文在總結國內外經驗的基礎上，提出了我國深井礦山巷道支護的方案和實施過程。

【關鍵詞】巖爆傾向；巷道支護；巖層控制

巖爆是深埋地下工程在施工過程中常見的動力破壞現象，當巖體中聚積的高彈性應變能大于巖石破壞所消耗的能量時，破壞了巖體結構的平衡，多余的能量導致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。巖爆往往造成開挖工作面的嚴重破壞、設備損壞和人員傷亡，已成為巖石地下工程和巖石力學領域的世界性難題。輕微的巖爆僅剝落巖片，無彈射現象。嚴重的可測到4.6級的震級，一般持續幾天或幾個月。發生巖爆的原因是巖體中有較高的地應力，并且超過了巖石本身的強度，同時巖石具有較高的脆性度和彈性。這時一旦地下工程破壞了巖體的平衡，強大的能量把巖石破壞，并將破碎巖石拋出。預防巖爆的方法是應力解除法、注水軟化法和使用錨栓-鋼絲網-混凝土支護。

1 高地應力巖層控制技術

傳統的采場巖層穩定性控制方法除了合理選擇采礦方法、選擇采場斷面形狀與結構參數優化、確定合理回采順序之外，就是支撐或加固采場圍巖，但國外礦山開采的經驗表明在高應力情況下，僅靠支撐或加固頂板巖層，不能從根本上解決采場頂板穩定性問題。要解決這一問題，一種行之有效的方法就是采用應力控制技術（SCTl）。SCT是20世紀60年代在saskatchewan鉀礦的深部開采中產生的，當時該礦隨著開采深度的加大，巖層中的應力亦越來越大，冒頂與底膨現象嚴重影響礦山生產和安全，而傳統的加固與支護手段無法解決采場安全性問題，就是在這種情況下礦山成功地研究并采用了SCT。SCT的實質就是進行采場的合理設計、應用數值模擬技術優化采場結構、現場監測反饋、提出合理的開挖順序，以達到使開挖空間周圍巖層中的應力產生合理的轉移，使得待采區在卸荷區的低應力下開采。

SCT可應用于大多數不同巖層條件的開采（除無粘性的沙和軟土類巖層之外），該方法可以很好地解決高地應力采場的穩定性問題，甚至不需要對采場頂板進行人工加固，同時對于防止應力高度集中和預防巖爆亦有明顯的作用。

2 巖爆-預防及處理

采取積極主動的預防措施和強有力的施工支護，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發生的可能性及巖爆的危害降到最低。在高應力地段施工中可采用以下技術措施：

（1）在施工前，針對已有勘測資料，首先進行概念模型建模及數學模型建模工作，通過三維有限元數值運算、反演分析以及對隧道不同開挖工序的模擬，初步確定施工區域地應力的數量級以及施工過程中哪些部位及里程容易出現巖爆現象，優化施工開挖和支護順序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據。

（2）在施工過程中，加強超前地質探測，預報巖爆發生的可能性及地應力的大小。采用上述超前鉆探、聲反射、地溫探測方法，同時利用隧道內地質編錄觀察巖石特性，將幾種方法綜合運用判斷可能發生巖爆高地應力的范圍。

（3）打設超前鉆孔轉移隧道掌子面的高地應力或注水降低圍巖表面張力超前鉆孔可以利用鉆探孔，在掌子面上利用地質鉆機或液壓鉆孔臺車打設超前鉆孔，鉆孔直徑為45mm，每循環可布置4～8個孔，深度5～10m，必要時也可以打設部分徑向應力釋放孔，鉆孔方向應垂直巖面，間距數十厘米，深度1～3m不等。必要時，若預測到的地應力較高，可在超前探孔中進行松動爆破或將完整巖體用小炮震裂，或向孔內壓水，以避免應力集中現象的出現。

（4）在施工中應加強監測工作，通過對圍巖和支護結構的現場觀察、通過對輔助洞拱頂下沉、兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計讀數的變化，可以定量化地預測滯后發生的深部沖擊型巖爆，用于指導開挖和支護的施工，以確保安全。

（5）在開挖過程中采用“短進尺、多循環”，同時利用光面爆破技術，嚴格控制用藥量，以盡可能減少爆破對圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規則，減小局部應力集中發生的可能性。在巖爆地段的開挖進尺嚴格控制在2.5m以內。

（6）加強施工支護工作

支護的方法是在爆破后立即向拱部及側壁噴射鋼纖維或塑料纖維混凝土，再加設錨桿及鋼筋網。必要時還要架設鋼拱架和打設超前錨桿進行支護。襯砌工作要緊跟開挖工序進行，以盡可能減少巖層暴露的時間，減少巖爆的發生和確保人身安全，必要時可采取跳段襯砌。同時應準備好臨時鋼木排架等，在聽到爆裂響聲后，立即進行支護，以防發生事故。

（7）對發生巖爆的地段，可采取在巖壁切槽的方法來釋放應力。以降低巖爆的強度。

（8）在巖爆地段施工對人員和設備進行必要的防護，以保證施工安全。

3 巷道支護技術

對于高地應力特別是有巖爆傾向的巷道支護，由于應力大、變形大且具有動力破壞特點，因而難以支護。在國外的金屬礦山，對這種類型的巷道支護已積累了較豐富的經驗，比較有代表性的國家有南非、前蘇聯、加拿大、美國和智利等國。南非金礦目前研究的問題是3000m以下的大深度支護，原巖應力在150M幾以上，主要是以柔性防沖擊支架和延性錨桿支護并輔以大變形的柔性網等支護形式。前蘇聯在這類巷道支護的研究中，采用了普通錨噴支護、鋼纖維噴錨支護、柔性鋼支架、以及錨噴網+柔性鋼支架聯合支護等多種形式。

綜合國內外的支護經驗，結合我國金屬礦山的原巖應力水平和巖石條件一般為堅硬的特點，高地應力巷道可參考前蘇聯、加拿大、智利和美國等金屬礦山的支護形式，采用對常規錨桿支護、噴混凝土支護、錨噴網聯合支護進行改造和優化設計的方法，對于有巖爆傾向的巷道采用諸如注水軟化、鉆孔切槽卸壓、爆破卸壓等特殊方法處理后再進行支護。

4 結語

我國礦山深井巖層控制與巷道支護問題的研究工作尚屬剛剛起步，無疑它將是我國礦深井開采過程中面臨的重大技術難題，本文僅僅是一個概要性綜述。進一步加強對其的研究，對我國礦山深井開采有重大的現實意義。

【參考文獻】

[1]馬念杰，侯朝炯.采準巷道礦壓理論及應用[M].北京：煤炭工業出版社，1995.

[2]劍萬禧.巷道圍巖穩定性的判據及巖石分類[J].工程地質學報，1999，7（1）：20224.

[3]郭然，潘長良，于潤滄.有巖爆傾向硬巖礦床開采理論與技術[M].北京：冶金工業出版社，2003.

[4]唐禮忠，潘長良.冬瓜山銅礦深井開采巖爆危險區分析與預測[J].中南工業大學學報，2002，33（4）：3352338.

[責任編輯：湯靜]