深井大規模礦床開采巖爆控制策略研究

楊志國，王鵬飛

（中國恩菲工程技術有限公司，北京100038）

隨著經濟發展對礦山資源的需求，及淺部礦床資源逐步減少，國內礦山開采的深度日益增大。一些埋藏深、儲量大的礦床相繼出現［1～5］，如黑龍江岔路口鉬鉛鋅礦，礦體厚大，總體呈穹窿狀產于侏羅系中酸性火山巖、石英斑巖、花崗斑巖和隱爆角礫巖中，以全巖礦化為特征，延深大于800m，礦體控制寬度130～1760m，長2600m，垂直厚度150～970m，工業鉬礦石量20．6億t，金屬量178．49萬t，平均品位0．087%；安徽金寨沙平溝鉬礦，探礦權內的鉬礦（332＋333類）礦石量15．82億t，鉬金屬量227．48萬t，平均品位0．144%，其中工業品位礦石量11．19億t，鉬金屬量205．84萬t，平均品位0．184%，礦體長1350m，寬900m，最大見礦厚度945．15m，平均厚度661m，賦存標高＋142．72～－942．35m；遼寧本溪市思山嶺鐵礦，蓋層厚度404～1445m，礦體埋藏深度404～1934m，賦礦標高－134～－1713m，礦石自然類型主要為磁鐵礦石和赤鐵礦石，為沉積變質型鐵礦床，礦體分布于勘查區中部6～9線之間，控制鐵礦帶東西沿長1500m，南北平均寬度960m，最大垂直深度1580m，工業礦體總厚度789．29m，礦體平均厚度246．84m；遼寧本溪大臺溝鐵礦，礦體埋深1100～1200m（標高－900～－1000m），控制礦體最低標高－1770m，礦體長度預測約4．5km，礦體厚度巨大，平均水平厚870．68m，為一厚板狀、陡傾礦體，目前，控制的資源量達38億t，遠景儲量超過100億t，是迄今為止，世界上最大單體鐵礦床，礦石開采規模一期為1500萬t／a，后續將達6000萬t／a；其他如山東萊蕪礦業公司濟寧鐵礦等，這些礦床均具有埋藏深、厚度大、面積廣的特點，并且開采設計生產規模在千萬噸／年以上。據推算在地下1000m時，最大主應力值大約為50MPa，地下2000m時，最大主應力值大約為90～100MPa，布置在堅硬、脆性巖體中的井下采礦工程，在高應力作用及大規模采礦作業影響下極易發生破壞，主要表現為：頂板的突然大面積片落、或塌落，巷道局部地區的瞬間變形和垮塌，井筒或礦柱的突然變形和破裂等。

從國內礦山的開采情況來看，礦山的開采深度基本保持在1000m，大部分礦山都處在巖爆發生的平靜期，而只有少數的礦山進入了巖爆發生的過渡期，隨著一批大規模礦床的設計開采，可以預見在未來的十年內，我國礦山的開采深度將步入1500～2000m，即將面臨高應力誘發的巖爆問題［6～8］。頻發的巖爆災害將直接制約著礦山的生產規模，如果不采取與高應力環境相適應的采礦工藝與技術，勢必遭受較大的地壓災害，嚴重阻礙礦山的正常生產，并且帶來采礦成本的升高，有時甚至導致局部工作面以及整個礦山的關閉。如何應對深井高應力作用下巖爆發生的災害，確保礦山千萬噸／年的生產規模，將是采礦工作的重點，因此制定系統的高應力區采礦戰略，對深井大規模礦山的安全開采將尤為重要。

1 工作程序的制定

對于深埋大規模硬巖礦床開采，工作程序主要分為兩個階段［9～13］。

1．1 設計階段的工作程序。

設計階段主要以礦床開采技術條件為基礎，主要包括礦體賦存形態、開采深度及原巖應力、圍巖性質、地質構造等，從井下采礦工程的布置，采礦方法選擇及開采順序的制定，整體支護方式的設計等方面入手，按照設計原則開展工作。合理的工程布置、回采順序及采礦方法等雖然不能完全消除潛在巖爆的發生，但在一定程度上能夠減少高應力作用誘發巖爆災害的次數，降低礦山開采的風險。另外在設計中根據采礦回采范圍需要采用先進的微震監測系統，以實現未來生產中井下回采活動引起的采區應力場變化規律的實時監測。

1．2 生產階段的工作程序。

即礦山日常微震風險管理計劃制定，通過建立實時監測系統，進行調查、分析和識別即將發生的巖爆危險，以及開展井下作業人員特定工作環境下技能的專項培訓工作，盡力控制井下人員的作業活動，使其熟知工作環境，并遠離巖爆發生地及時間段。

以上的工作程序具體內容見圖1，通過實施有序、多步驟的預防和控制工作，降低高應力采礦巖爆等災害的產生。

2 設計階段的工作程序

設計階段，主要以礦床開采技術條件為基礎，井下工程布置，采礦方法及開采順序選擇，支護方式等要遵守設計原則，盡量減少巖爆災害發生的次數，降低礦山開采的風險和損失，其具體內容如下所示。

1）井下采礦工程應采用有序的長壁式開采幾何布置策略，使采場的長軸與原巖最大主應力平行，或成小角度相交；井筒布置在礦體的底盤，井筒或巷道等工程應避免與巖墻、斷層、地層層位或地質單位等地質結構相交。

2）采礦方法選擇應遵循高強度、少災害的原則，并便于調整；為了避免高應力集中引起的礦柱巖爆或難以回收問題，應盡量采用不留礦柱的連續采礦方法；應采用高強度回采，即快采、快出，并及時充填采場空區；人員不進入或少進入采場。若采用非充填采礦方式，由于開采深度及應力的增加，使巖爆發生的頻率急劇增大，對生產造成很大影響，應及時調整轉換為充填的采礦方式，并針對應力的變化情況，及時調整采場的結構參數。

3）礦床存在大斷層結構的條件下，開采應背向斷層方向推進；對傾斜層狀礦體，開采應從底部開始，然后向上和兩邊，確定合理的采礦工作線角度，形成一個金字塔形狀，以避免形成礦柱；沿礦床走向開采應從中間向兩翼推進，生產活動區域內要避免形成局部的礦柱；盤區內采場采用間隔回采時，應避免二步驟回采時礦柱出現拉應力。

4）支護方式應以承受巖爆等災害產生的動載荷設計，使支護系統具有一定的塑性，以承受巖爆發生時工程圍巖體產生的大變形；并且支護形式應根據實際效果進行及時調整。

5）由于爆破后生產活動區域內地震事件發生頻率的增加，極易造成作業人員傷害事故，要求生產爆破應盡可能在交接班時進行，并限制附近作業人員數量，降低作業人員在危險空間的暴露。

3 礦山日常風險管理計劃初步制定

3．1 現場情況調查分析

以井下發生的破壞巖爆為對象，進行現場的調查分析與數據記錄，研究巖爆發生的機制和采礦活動的關系，建立破壞事件的數據庫，為下一步監測分析奠定基礎，其主要工作內容如下所示。

1）事件震級大小、位置

2）產生破壞位置的地質情況，主要包括：①巖體類型②主應力大小③地質構造情況等，以及與發生地震事件的距離。

圖1 深井大規模礦床開采的工作程序

3）破壞表現形式，主要包括：①巷道或硐室等幫壁臨空面巖體彈射、拋擲，頂板破裂或塌落等，②破壞影響范圍，垮落巖石的最大塊度，以及垮落巖石量的估測，③頂板支護形式的破壞等。

4）巖體產生的噪音，爆裂聲、隆隆聲、噼啪聲、突然巨響及其他等。

5）震動影響，井下、地面的震動情況。

6）發生的前兆或歷史事件。

依據上述工作內容可以制定礦山井下地震事件的現場調查情況表，最終匯總至地震事件的數據庫，便于分析和制定礦山井下微震風險管理方案。

3．2 監測系統數據分析

對于礦山生產中發生的巖爆，可以實施初期的調整應對策略，然后根據需要，建立地壓監測方案，對于深井大規模礦山來說尤其是要建立實時的微震監測系統，基于地震事件波形的分析與分類，建立地震事件數據庫，并進行地震事件數據的分析工作，以指導井下生產活動。

根據時間劃分不同的分析階段：短期如日分析、周分析，中期如月分析，長期如年分析等；另外也可進行井下特定事件及區域的分析，如典型較大震級的破壞事件，地質構造活化或爆破后分析等。

對于礦山日常地震數據的分析，應完成以下主要工作。

1）基于三維可視化技術，圈定地震活動的集中區域。①斷層、巖墻等地質構造活化區域；②大的破壞事件發生區域；③殘留礦柱、底柱及其他等特定區域。

2）地震事件時間分布規律及空間分布規律與采礦活動關系。①地震事件時間分布規律與采礦活動關系。主要包括采場爆破后地震事件的時間分布，地質構造地震事件的時間分布和采礦工作區地震事件的時間分布等。②地震事件空間分布規律與采礦活動關系。主要包括地震事件平面分布、剖面分布及構造面分布等。

3）基于地震事件的量化處理，進行地震參數曲線分析。①地震事件大小及發生頻率分析；②以視在體積、位移與時間曲線等為主的巖體變形規律分析；③以能量指數與時間曲線等為主的巖體應力場的變化規律分析。

最終對反映工作區域巖體應力及應變情況的地震事件進行歸類，研究生產過程中巖體的變化規律，以便掌握井下應力場的狀態，以及為進行風險預測做準備。

3．3 地震活動風險預測

綜合多個地震參數的變化規律分析，對采礦工作區域內未來一段時間內的風險進行判定。依據主要為應力水平、發生頻率、位移等的變化情況，并結合回采礦體產量情況，可以采用多種手段，得出危險等級，具體可依據地震事件風險預測流程（圖2）。

1）主要依據：地震數據庫中包括的①地震事件的發生頻率及震級大小，②應力水平，③變形量等。

2）風險預測：①發生地震事件的風險震級大小，②主要的發生位置，③破壞等級等。

圖2 礦山地震事件風險預測流程

3）采取應對策略。具體見圖1深井大規模礦床開采的工作程序中生產階段的第4步，即控制技術包括的內容。

4 結 論

針對國內即將進入大規模礦床開采的現實和面臨深部開采誘發的巖爆等地壓問題，本文初步制定了大規模礦床采礦的工作程序，主要分為兩個階段：①設計階段，分析了應遵守的基本原則；②生產階段，初步制定了礦山日常地震風險管理計劃，上述工作程序的制定為礦山工作者提供了指導，大規模礦床開采時可以通過采取以上兩個階段的應對策略，降低巖爆發生造成的損失，保證礦山的正常生產。

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