凡口鉛鋅礦深部巖爆地質因素分析及防范

原桂強

(1.中南大學地球科學與信息物理學院, 湖南長沙 410083; 2.凡口鉛鋅礦, 廣東韶關 512325)

?

凡口鉛鋅礦深部巖爆地質因素分析及防范

原桂強1，2

(1.中南大學地球科學與信息物理學院, 湖南長沙 410083; 2.凡口鉛鋅礦, 廣東韶關 512325)

地下礦山在深部開采過程中擾動了巷道(采場)礦巖周圍初始應力場，導致礦巖失穩，發生崩塌、彈射等巖爆現象。凡口鉛鋅礦目前采礦作業重心在深部中段，與上部中段相比，深部中段地壓高，應力集中，礦巖穩固性減弱，采場、巷道邊幫頂板冒落增多，多次出現巖爆，對采礦作業危害較大。文章通過分析凡口深部巖爆的特征、分布特點，闡述了巖爆與地質因素的關系，提出有效的防范措施。

巖爆; 地質因素; 地應力

凡口鉛鋅礦是國內大型的鉛鋅生產礦山，自1968年生產至今已有40多年。目前最深開拓中段為-710 m(地表標高為132 m)，獅嶺和獅嶺南的深部中段(-360 m標高以下)已成為礦山的主要生產中段。在深部礦體的回采過程中，因地應力逐漸增大，地壓活動明顯，巷道、采場片幫冒頂現象增多。特別是在深部間柱回采過程中，處于高地應力條件下的穩定礦巖體在巷道掘進爆破過程中擾動了周圍礦巖石初始應力場，導致礦山深部巖爆現象日漸突出，成為礦山采掘作業重要安全問題。

1 凡口鉛鋅礦深部巖爆基本特征

1.1 巖爆程度輕微

巖爆是一種巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放，導致巖石爆裂并彈射出來的現象。凡口鉛鋅礦獅嶺和獅嶺南的深部中段已成為主要生產中段，在采掘作業中，巖爆時有發生。從近年發生巖爆的采掘作業面現場調查和統計分析看，巖爆發生時一般圍巖成塊狀、板狀或鱗片狀冒落或剝落，并伴隨有爆裂聲，但幾乎沒有出現比較嚴重的彈射現象。如獅嶺-650 m一分段S1#VCR采場下部硐室在掘進過程中多次發生巖爆，頂板邊幫塊狀、板狀爆裂，并伴有爆裂聲，預留的礦柱在巖爆后經過多次松石處理，礦柱比原來小了很多(圖1)。獅嶺-550 m一分段209#aS采場在切采作業時也發生過巖爆現象，頂板邊幫剝落冒落密集，工區暫停了該作業點，幾天后巖爆現象消失。總的來說，從歷次觀察到巖爆的情況看，僅有巖層、巖片剝落，而沒有出現彈射現象，因此凡口鉛鋅礦的巖爆應屬于弱巖爆。

圖1 Sh-650mS1#VCR采場下部硐室巖爆

1.2 巖爆深度較大

巖爆發生的條件是巖體中有較高的地應力，并且超過了巖石本身的強度。隨著礦山開采深度的加大圍巖地應力也逐漸增高，巖爆發生的數量、強度也必然增加，研究表明巖爆發生頻度隨開采深度增加呈冪指數關系。不同地區的礦山發生巖爆的臨界深部不同，據有關資料統計分析，美國為150 m，加拿大為180 m，前蘇聯為200 m，南非為300 m，印度為480 m[5]，而我國的礦山一般在200 m以下深度的采掘工程即可以出現巖爆。

巖爆主要發生在獅嶺深部-500 m以下和獅嶺南-400 m以下，而上部中段沒有發生巖爆的記錄。從凡口鉛鋅礦的統計中看，發生巖爆最淺的是獅嶺南-455 m一分段209#中采場，距地表深度將近580 m，因此凡口鉛鋅礦發生巖爆深度較大。

1.3 間柱采場巖爆明顯

獅嶺深部地段在2011年以前主要采礦房，雖然地壓問題比較突出，但發生巖爆現象少見。近年來，逐漸開始回采間柱，在間柱的回采過程中，巖爆現象逐漸增多，而且多發生在采場找邊、切采環節。如Sh-600mS2#S、S2#N、N9#和Sh-650mS1#等VCR采場硐室在切采過程中都出現過巖爆現象。

凡口鉛鋅礦充填系統完善，礦房采畢后都及時進行充填，但充填體與間柱的礦塊、圍巖不是一個整體，應力發生了重新分布，出現了二次應力集中，礦塊、圍巖儲聚的應力進一步增加，導致巖爆發生。

1.4 沿礦體走向布置的采場巖爆明顯

凡口鉛鋅礦在回采設計中對于沿走向延伸較長，沿傾向厚度小的礦體，一般是沿礦體走向布置采場。如獅嶺南Sh209、Sh210礦體和獅嶺深部南盤的Sh209礦體等。在近年統計中，這類采場(采掘作業面)發生巖爆占較大比例。如Shn-455m209#a中、209#aN。中南大學羅周全教授等在2013年曾經對凡口深部作三維地應力測量及其分布規律研究，結果認為，凡口鉛鋅礦深部南北向的水平應力σy均大于東西向的水平應力分量σx，南北向水平構造應力占優[1](表1)。這與深部沿礦體走向布置采場巖爆的發生有著必然聯系。

1.5 獅嶺深部0#穿以南巖爆明顯

獅嶺深部0#穿以南礦體規模較小，礦石類型相對簡單，主要為方鉛礦和閃鋅礦，而且礦石品位較高，巖爆現象尤為突出，多個采場發生過巖爆。如：Sh-550mS3#N、S3#S、S4#和S5-7#、Sh-600mS2#S、S2#N、Sh-650mS1#等采場，回采過程中礦體先后都發生過不同程度的巖爆。這與羅周全教授在研究報告中提到的“在凡口鉛鋅礦深部中段的南部，某些區域最大主應力值達到30 MPa以上”相符。

表1 深部各測點應力分量計算結果表[ 1 ]

2 與巖爆有關地質因素分析

地下開采礦山的巖爆與地質巖性、構造、地下水等有密切關系。巖爆一般發生在巖體干燥、堅硬、完整無裂隙的部位。當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，在這種條件下，一旦由于地下工程活動破壞了巖體原有的平衡狀態，巖體中積聚的能量導致巖石破壞發生巖爆。

2.1 構造因素

凡口鉛鋅礦床位于曲仁斷陷盆地，礦區褶皺、斷層特別發育，礦體的大小、形態、產狀都受到褶皺、斷層及層間滑動構造的控制。在回采過程中，構造應力與巖爆的發生有很大關系。

2.1.1 褶皺構造

凡口礦區以北西向凡口復式向斜為主體，西南翼次級褶皺有獅嶺背斜、金星嶺背斜等多個向斜和背斜(圖2)。獅嶺和獅嶺南區段的礦體都賦存在獅嶺背斜兩翼，如Sh209a、Sh210a、Sh214a、Sh216a、Sh217a等主要礦體都賦存在獅嶺背斜的兩翼。

獅嶺背斜軸向近南北，軸面向東傾斜，兩翼不對稱。背斜的核部位于深部獅嶺-獅嶺南軸線，地層為泥盆系東崗嶺階(D2d)(圖3)，主要為硬度較大的粉砂質灰巖。褶皺構造中的硬質巖石是應變能儲備有利場所。獅嶺背斜構造及其特定的地層為深部巖爆的發生提供了有利條件。

2.1.2 斷層構造

凡口礦區主要斷層有NNE、NE、NW和EW向等四組，其中NNE和NE向的斷層是礦區主要的控礦大斷層，這類斷層有F3、F4、F101、F102等(圖4)。它控制了凡口深部礦帶的展布及礦體形態、產狀。F3

圖2 凡口鉛鋅礦地質構造略圖

圖3 凡口鉛鋅礦床地質剖面圖(1∶10000)

圖4 -550 m中段地層、構造、礦體分布地質平面圖

斷層為右行平移逆斷層，走向NNE，傾向東偏南，在深部傾角較陡，局部地方垂直甚至反傾，破碎帶寬常見0.5～2 m，部分地段超過10 m，破碎帶中充填大量的礦石角礫、圍巖角礫、方解石角礫，擠壓后成構造透鏡體、糜棱巖，被泥質物膠結，膠結強度差，片理化強烈，斷層上下盤巖層經常出現牽引褶曲。

中南大學在凡口深部曾做地應力實測，結果表明，凡口深部地應力場具有典型的構造應力場特征：水平應力值普遍大于垂直應力值，水平構造應力對地應力場的分布狀態起主導作用，南北向水平構造應力占優[1]，說明凡口礦區F3斷層在深部構造應力場中影響最大，它的規模、走向及分布形態直接影響最大主應力的方向和大小。當采掘工程靠近F3斷層時，斷層面上的正應力減小，從而使斷層面的摩擦阻力降低，導致局部礦巖體發生松弛現象，從而造成局部應力向斷層兩側一定范圍的圍巖中轉移，引起斷層局部突然重新活動，進而在距離斷層構造一定距離范圍內形成構造應力增高區，引發巖爆活動。如Sh-550mS4、Sh-600mS2#S、S2#N、Sh-650mS1#等采場發生巖爆的位置都是在F3斷層下盤20～30 m范圍。

2.1.3 節理及層間構造

凡口礦區圍巖和礦體中節理及層間構造十分發育(圖5、圖6)。在采掘工程開挖前，層面之間非常緊閉，地應力集中，但隨著采準工程的施工，由于爆破擾動，應力發生遷移，巖層沿層間構造分離崩裂進而產生巖爆。凡口礦區節理有張性節理，也有剪節理，而且節理有多組，相互交錯，當掌子面與斷裂或節理走向平行時，極容易觸發巖爆。

圖5 層間構造 (a 礦體;b圍巖)

圖6 巖石中多組節理

2.2 地層巖性因素

地層的巖性是巖爆發生的重要因素。巖石越硬，其抗壓強度和抗剪強度越高，塑性變形越小， 主要表征具有很明顯的彈性變形特征。因此，在構造改造過程中能儲備很高的彈性應變能[3]。在礦山采掘過程中，應力環境發生改變，儲備在硬巖中的應變能就會釋放出來，從而可能引發巖爆。

凡口鉛鋅礦區從古生界至第四系地層發育較為齊全，其中的中、上泥盆統和下石炭統碳酸鹽巖沉積建造是本區鉛鋅多金屬礦床最主要的賦礦層位。礦區深部的地層從老到新有：中泥盆統東崗嶺階(D2d)、上泥盆統天子嶺組(D3t)，主要巖性是不純碳酸鹽巖。采掘工程揭露地層展布總體上南高北低，舒緩波狀，傾向東或東偏北，傾角變化較大。

中泥盆統東崗嶺階下亞階(D2da)：致密塊狀灰白云巖、青灰色粉砂巖、細砂巖夾黑色泥質頁巖，巖石脆且硬，節理發育，節理面常見鈣質、鐵質。該地層主要分布在西部(開拓工程以西)和獅嶺-650m中段南部F3斷層上盤。從勘探工程揭露，該地層不含礦。

中泥盆統東崗嶺階上亞階(D2db)：層狀、薄層狀白云質粉砂巖、層紋狀、條紋瘤狀粉砂質灰巖。順層構造發育，受擠壓或風化后容易沿著層理面裂開形成薄板狀、薄片狀，礦山也稱之為“薄餅狀”粉砂質灰巖(圖7)，分布范圍廣，在采礦過程中容易產生層間滑動，特別是獅嶺南礦體開采中邊幫容易滑脫。D2db地層是重要的含礦層位，深部Sh209、Sh210、Sh217等礦體均賦存在該地層中。

圖7 中泥盆統東崗嶺階上亞階(D2db)層狀粉砂巖

上泥盆統天子嶺組下亞組(D3ta)：致密塊狀鮞粒灰巖、瘤狀、條帶瘤狀灰巖，局部可見薄層互層的灰巖、泥灰巖，遇水易溶化、塌落。生物碎屑發育，常見腕足類及群體珊瑚化石，底部普遍見大同心狀核形石，方解石脈發育，常見網格狀分布，受力作用下容易沿方解石脈破裂(圖8)。D3ta地層是重要的賦礦層位，主要礦體有Sh214、Sh216、Sh32等。

上泥盆統天子嶺組中亞組(D3tb)：深灰色瘤狀、條帶瘤狀灰巖，夾生物碎屑灰巖，底部常見核形石，黃鐵礦化強烈，方解石脈中等發育，泥碳質含量高，膠結程度差，遇水容易膨脹、溶化，圍巖穩固性較差(圖9)。主要分布在北部F3斷層下盤。是重要的含礦層位，主要礦體有Sh214、Sh216、Sh32等。

圖8 上泥盆天子嶺組下亞組(D3ta)灰巖

圖9 上泥盆天子嶺組中亞組(D3tb)條帶瘤狀灰巖

凡口鉛鋅礦深部巖爆發生區域主要為獅嶺和獅嶺南的D2db粉砂巖、粉砂質灰巖中，巖石硬脆，呈厚層狀或中厚層狀，抗變形能力強，而且在獅嶺深部和獅嶺南區段地層完整、穩定，這些都為導致巖爆的彈性應變能量聚積提供了有利條件。而上泥盆統天子嶺組灰泥碳質含量高，巖脆性小，局部夾有泥灰巖，不具備儲存較高彈性應變能條件，難以積累高應力發生巖爆(表2)。

表2 凡口鉛鋅礦深部礦巖物理力學參數測試結果表[6]

2.3 礦石結構構造因素

深部礦體主要為Sh32a、Sh33a、Sh209a、Sh210a、Sh214a、Sh217a等礦體。礦石主要為塊狀黃鐵鉛鋅礦、條帶狀黃鐵鉛鋅礦、塊狀黃鐵礦。

Sh33a、Sh32a礦體：賦存在獅嶺-455m中段以上F3上下盤D2db、D3ta地層中。礦石為黃鐵鉛鋅礦，常見塊狀構造、松散狀、粉狀構造。獅嶺-400 m和-455 m中段回采過程經常發生垮幫冒頂，但松散狀、粉狀礦石不具備產生巖爆的條件，因此獅嶺-400 m和-455 m中段礦體中沒有發生過巖爆。

Sh209a、Sh210a礦體：賦存于獅嶺、獅嶺南西部D2db地層中，順層產出，礦體形態復雜，呈似層狀、脈狀、透鏡狀等，沿走向和傾向分支復合較多，其南端依附在F3斷層上，向北逐漸遠離F3斷層。礦石類型主要為致密塊狀黃鐵鉛鋅礦，在-650 M中段N2穿以南、-600 M中段S1穿以南鉛鋅品位較高。這兩個礦體在獅嶺-550、-600 m中段和獅嶺南-455 m中段北部回采中均發生過巖爆，這與礦石的致密塊狀有關。

Sh214a礦體：賦存在F3斷層的下盤的D3ta地層中，在獅嶺-600 m中段北部礦體局部與Sh209a礦體復合在一起。礦體受F3斷層控制，依附斷層上礦體迅速變大，離開斷層急劇變小，北部被單一黃鐵礦分成數條礦體在平剖面上礦體形態極不規則，沿走向和傾向分支復合較多，礦石品位變化較大，由南往北品位逐漸下降。主要礦石類型有塊狀黃鐵鉛鋅礦和單一黃鐵礦，獅嶺北(N1穿以北)礦體規模較大，出現單一黃鐵礦與鉛鋅礦相互穿插共生，礦石構造有致密塊狀、條帶狀、粉狀。

Sh217a礦體：主要出現獅嶺南-400 m以上中段和Sh-600 M中段的北部，F3斷層上盤。礦體規模較小，往下尖滅，平均厚度約3 m，品位較低。礦石類型主要為塊狀黃鐵鉛鋅礦、黃鐵礦、粉狀黃鐵礦礦。

2.4 地下水因素

地下水對巖層的滲透軟化作用，減弱了巖爆的發生，通常在有地下水活動的濕潤地段，圍巖中的地應力可以更好地釋放或者向圍巖深部轉移，故不易發生巖爆。凡口鉛鋅礦獅嶺南Sh209a、Sh210a礦體南部從-320 m到-455 m中段滲水較大，礦體和巖層長期處于濕潤狀態，礦石和圍巖硬度和脆性降低，基本上無巖爆現象發生。

3 巖爆的防范措施

巖爆是高地應力、地層巖性、地質構造、水文地質條件、開挖擾動等多種因素導致的結果。目前，凡口鉛鋅礦采礦作業重心已經向深部轉移，巖爆現象開始增多。礦山技術部門對巖爆危害的認識也逐步深刻，通過收集、分析發生巖爆的作業點資料，結合礦山礦巖地質特征，提出了一系列行之有效的防范措施，減少了巖爆的發生及危害。

3.1 施工超前孔

施工采掘工程時，在巷道、采場的邊幫或掌子面施工超前孔，孔深一般2～3 m，達到釋放應力目的，能有效減輕圍巖的應力集中程度，使應力集中向圍巖深部進行轉移，同時使圍巖積聚的彈性應變能提前耗散，有效地降低了圍巖發生巖爆的風險性。必要時也可以施工部分徑向應力釋放孔，鉆孔方向應垂直巖面，間距1 m左右，效果更好。

3.2 軟化圍巖

軟化圍巖最常用的辦法是對圍巖噴水或注水。長期以來，凡口礦的采掘工程在爆破后作業人員一般會先對采準工程的邊幫進行灑水，主要目的是降塵，但同時也起到減少巖爆發生的作用。灑水過程中，水分滲入巖石孔隙，與巖石礦物中的離子發生作用，引起巖石軟化、膨脹，使巖層強度降低。

巖石的軟化系數越小，采用噴水方式對降低巖石的強度效果越好。凡口礦深部地層主要是D2db粉砂巖，巖性較脆，但其軟化系數較小(表3)，在開挖采掘工程時，如果對作業面的巖層充分噴水就能很大程度較少巖爆的發生。對部分D3ta灰巖，軟化系數較大，噴水效果如果不理想，可以先施工超前孔，然后向孔內壓水，水的劈裂作用使巖石微裂隙擴展，節理張開，降低圍巖表面張力，從而降低巖體儲備彈性應變能。

表3 部分脆性巖石的軟化系數[4]

3.3 柔性支護

井下采掘工程揭露應力集中、易引發巖爆的礦巖層時，采用“短進尺、弱爆破”掘進，降低對礦巖體的擾動。同時要及時實施錨索支護、錨網聯合支護等柔性支護措施(圖10)，必要時在支護完畢后進一步噴漿。采取錨網噴漿聯合支護，在施工過程中，使鐵絲網緊靠巖體面與錨桿連成一體，然后進行噴射混凝土，可有效地提高結構的整體支護能力，盡可能減少巖層暴露的時間，防止巖塊的彈射和塌落。

3.4 使用光面爆破

多年來，凡口礦在井下采掘工程中一直大力推行光面爆破(圖11)。通過多打炮眼少裝藥，嚴格控制用藥量，盡可能減少爆破對圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規則。對構造發育、礦巖結構差的地段，為獲得光面爆破效果，在施工采掘工程時，施工雙層光面爆破孔。

圖10 巷道邊幫頂板錨網聯合支護

采掘工程的邊幫和頂板采用光面爆破后，一方面有效減少了松石量，另一方面，也減小局部應力集中發生的可能性，很大程度避免了巖爆的發生。

圖11 巷道頂板采用光面爆破

3.4 合理選擇巷道施工位置

D2d粉砂巖、粉砂質灰巖具有硬度大、脆性大、抗變形能力強的特點，有利于彈性應變能量聚積而產生巖爆，所以在深部施工巷道時應盡量避開D2d粉砂巖、粉砂質灰巖，選擇D3ta塊狀鮞粒灰巖、瘤狀灰巖。

[1] 羅周全等．凡口鉛鋅礦深部三維地應力測量及其分布規律研究報告[R]．廣東： 1990.

[2] 陳明祥, 侯發亮．巖石損傷模型與巖爆機理[R]．北京：中國科學技術出版社，1992.

[3] 周維垣．高等巖石力學[M]．北京：水利水電出版社，1990.

[4] 沈明榮．巖體力學[M]．上海：同濟大學出版社,2000.

[5] 唐紹輝，吳壯軍，陳向華．地下深井礦山巖爆發生規律及形成機理研究[J]．巖石力學與工程學報，2003，22(8).

[6] 廣東韶關凡口鉛鋅礦礦巖及充填體物理力學參數測試報告[R]．湖南：中南大學，2013.

On Deep Rockburst Geological Factors and Precautionary Measures of Fankou Lead-zinc Mine

YUAN Guiqiang

(Shenzhen Zhongjin Lingnan Nonfemet Company Limited Fankou Lead-zinc Mine,Shaoguan,Guangdong 512325)

In the process of deep mining, the underground mine disturbed the initial stress field around roadway ore-rock, which led to the ore rock unstability, collapse, catapult and other rockburst phenomenons. At present, the main mining operation core is in the deep levels. Compared with the upper levels, the deep levels have high ground pressure and stress concentration. The mine rock stability weaken. The roof caving of the stope and roadway sidewall increase. The rockburst occurs repeatedly. All of them have great harm to the mining operation. Through analyzing the features and characteristics of distribution of Fankou deep rockburst, this article elaborated the relationship between rockburst and geological factor and put forward effective precautionary measure.

Rockburst; Geological Factor; Crustal Stress

原桂強(1970-), 男，漢族，工程師，湖南湘鄉人。

TD80

A

1671-3818(2016)03-0037-06