地下礦山冒頂片幫風險控制技術研究

吳亞斌，唐紹輝，李廣輝

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012;2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南長沙 410012;3.招金礦業股份有限公司蠶莊金礦， 山東招遠市 265400)

0 引言

地下礦山冒頂片幫已經成為制約礦山發展的一個難題，隨著礦山向深部開采，地壓增大，殘留大量的采場、硐室、巷道因沒有及時處理，容易發生坍塌事故，尤其對地下轉露天開采的礦山影響很大，對開采帶來了嚴重的安全隱患，給礦山工作人員和設備帶來嚴重的威脅，必須對冒落引起的人員傷亡和損害的風險進行管理。

目前，國內外在地下礦山冒頂片幫方面有很多的研究成果，如陳一洲［1］等認為采場冒頂片幫事故原因大致可分為采礦方法不合理和頂板管理不善、支護不當、檢查不周、浮石處理不當、礦床地質條件差、地壓活動等。原虎軍［2］等運用模糊層次分析法(FAPH)建立了金屬地下礦山釆場安全風險層次模型，認為采場巖體質量、采場二次應力分布、爆破沖擊和時間效應4個主控因素共同影響著地下采場的穩定性，通過構建模糊判斷矩陣計算出4個主控因素的權重排序依次為采場巖體質量、采場二次應力分布、爆破沖擊和時間效應。張兵［3］對冒頂片幫事故進行了全面分析，建立了冒頂片幫事故樹，計算結果包含了228組最小割集，5組最小徑集，為控制冒頂片幫事故提供了理論依據。

綜合上述研究成果，本文研究并提出了地下礦山冒頂片幫風險控制系統化研究方法、風險控制技術路線和流程。

1 冒頂片幫事故發生的原因分析

通過收集國內礦山在2001年～2013年13年間全國金屬非金屬礦山事故發生事故的案例，并對事故發生的類型和原因進行統計分析，坍塌、冒頂片幫引起傷亡的人數占大多數，從以下3方面分析影響冒頂片幫事故發生的因素［4-5］。

2.1 技術因素

(1)采礦方法不合理。采場布置方式與礦床地質條件不適應，采場階段太高、礦塊太長，導致頂板暴露面積太大，回采結束對空區處理不當等。

(2)頂板支護方法不當。頂板支護方法不當、放頂時間不及時，均容易發生冒頂事故。天井、漏斗布置在礦體上盤或切割巷道過寬都容易破壞礦體及圍巖的完整性，容易產生冒頂片幫事故。

(3)冒頂片幫處理操作方法不當。對于小范圍的冒頂片幫，如果處理不當會引起的冒頂事故，大多數是因處理前對頂板及兩幫缺乏全面、細致的檢查，沒有掌握浮石情況而造成的。

(4)地壓活動的影響。有些礦山在開采后對采空區未能及時有效地處理，隨著開采深度不斷增加，礦山的生產區域不同程度的受到采空區地壓活動的影響，容易導致井下采場和巷道發生大面積冒頂片幫事故。

2.2 環境因素

環境因素主要體現在地質情況變化，自然條件不好，如在采礦體中有小斷層、裂隙、溶洞、軟巖、泥夾層、破碎帶、裂隙水等，都容易引起冒頂片幫，在采掘作業過程中要特別注意。另外，斷層、褶曲等地質構造形成破碎帶，或者由于節理、層理發育，破壞了頂板的穩定性，導致容易發生冒頂片幫事故。

2.3 管理因素

在冒頂片幫事故中，大多數都是由于作業前缺乏認真、全面的檢查，疏忽大意，沒有嚴格執行“敲幫問頂”制度等原因造成的。根據冒頂傷亡事故分析，只有極小部分的事故是由于較大型冒落引起的，大多數都屬于局部冒落及浮石傷人，且多發生在爆破后一段時間內。由于巖石受爆破的沖擊和震動作用后，有些發生松動和開裂的巖石，稍受震動或時間一長就會冒落，所以在放炮后應加強對采場頂板和邊幫的檢查和處理。另外，在節假日后或停工時間較長后，恢復生產時也應加強對頂板和邊幫的檢查和處理。

3 冒頂片幫風險控制研究方法與技術路線

3.1 冒頂片幫風險控制技術研究方法

通過對國內外冒頂片幫風險控制研究資料的分析和整理，目前，冒頂片幫風險控制研究最為全面和系統的研究方法如下［6］:

(1)在地質數據編錄的基礎上，利用三維可視化軟件繪制了礦體及圍巖一定范圍內的RQD等值線圖;

(2)將地質數據進一步解釋成巖石力學方面的數據，如節理組數(Jn)、節理間距(Jv)，節理粗糙程度(Jr)、節理蝕變系數(Ja)等，采用了地質評價系統方法對礦巖進行評價，分別以直方圖和累計概率密度曲線形式對RQD、FF、Jn、Jr值進行描述;

(3)開展了巖石室內力學實驗，全面掌握開采范圍內巖石和巖體力學性質;

(4)將設計方案中的采礦方法和開采順序與前期基礎研究成果相結合，進行數值模擬和力學計算分析，計算不同方案其巖體穩定的可能性，從技術上控制冒頂片幫的風險;

(5)應用監測設備進行冒頂片幫監測，通過對監測數據的分析，研究采區地壓發展規律，從而驗證前期冒頂片幫控制技術的研究成果。

3.2 冒頂片幫風險控制技術路線

通過對冒頂片幫事故原因的分析，本文提出冒頂片幫風險控制的技術路線:收集數據—定義巖石力學特性—初步設計—冒落風險評估—冒落控制—監測監控，具體技術流程見圖1。

圖1 冒頂片幫風險控制技術流程

4 結論

本文研究地下礦山冒頂片幫風險控制技術，提出地下礦山冒頂片幫風險控制系統化研究方法和風險控制研究技術路線，為進一步實現礦山冒頂片幫風險的標準化流程管理提供技術思路。

［1］陳一洲，謝賢平.非煤礦山冒頂片幫事故及預防措施［J］.礦業快報，2007(12):52-53.

［2］原虎軍，陳玉明，趙繼峰.FAPH在采場安全風險分析中權重分配的應用［J］.有色金屬科學與工程，2010，1(1):55-58.

［3］張 兵.冒頂片幫傷亡事故的原因及預防［J］.金屬礦山，2004(7):65-67.

［4］李廣平，陳一洲.非煤礦山冒頂片幫事故分析［J］.中國礦山工程，2007，36(4):36-38.

［5］榮建偉，曾建榮.非煤礦山冒頂片幫事故原因分析及預防措施［J］.新疆有色金屬，2010(S1):56-57.

［6］汪浩浩.大紅山鐵礦頭部礦段分段空場法采場結構參數及回采順序優化研究［D］，昆明:昆明理工大學，2012.