基于礦山工程地質特點的巖爆防治措施研究

楊 敏 吝曼卿， 張電吉 彭亞利 萬紅元 田春滿

(1.湖北興發化工集團股份有限公司，湖北 宜昌 443700；2.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北武漢 430073)

隨著淺層資源的逐步枯竭，礦山企業不得不向地下中深部開采。由于開采深度的增加，不可避免地會出現高地應力、斷層等復雜地質環境[1]。此外，深部巖體在地下高地應力作用下進行開挖擾動時，圍巖應力受開挖擾動影響而重新分布，隨著采空區暴露面積逐漸增加，受開挖卸荷和復雜地質構造作用，使堅硬脆性巖體發生爆裂、松脫、剝離、彈射乃至拋射性破壞等巖爆現象[2-3]，嚴重威脅著井下的開采安全，給礦山生產造成極大的經濟損失。

相關研究表明，巖爆的發生受多因素影響[4]，如開挖巖體的巖性、開挖臨空面、礦山開挖方式、開挖環境、開挖路徑等因素。其中，地應力和巖性對巖爆起著決定性作用[5-7]。本研究以宜昌某磷礦工程的巖爆特點為基礎，通過詳細記錄和統計礦山開拓巷道和采場的巖爆現象，總結礦山巖爆發生的基本規律，結合礦山的地質環境與圍巖特性，分析引起該礦山巖爆發生的主要原因，并從降低圍巖應力集中程度和加強礦山安全管理措施對礦山巖爆進行防護。

1 礦山概況

宜昌某磷礦開采深度112.67～1 021.97 m，平均深度550 m。礦層連續穩定，呈緩傾斜向東南傾，傾角17°～25°。礦區頂、底板圍巖穩定性較好，節理、裂隙不發育，但因礦層直接頂板為陡山沱組中上部的一層厚0.5～2.5 m的硅質白云巖，如圖1所示，其具有硬度高、完整性好、易碎的特點。巷道掘進及回采的過程中，頂板巖爆頻繁，給井下作業人員和設備造成了嚴重的威脅。

圖1 礦區頂板硅質白云巖Fig.1 Siliceous dolomite on roof ofunderground mining area

2 礦山巖爆現象分析

巖爆的發生，不僅與所發生的巖性相關，還與巖爆巖體的應力環境和應力路徑有密切關系[8]。礦山在開采過程中，因開拓巷道處與采場的開挖工況具有較大的差異，表現出的巖爆現象也存在不同。為更好地掌握該礦山的巖爆特性，分別對礦山開拓巷道和采區巖爆特性進行觀察分析，見表1。

由表1可見，在礦山開采過程中，開拓巷道和采區都存在巖爆現象，巖爆主要出現在開挖影響區的頂底部，而僅在部分因開挖順序造成高應力區，如即將貫穿的采切巷道附近或形成“孤島效應”的礦柱側壁，會出現巖爆現象。經對該地區相似礦山的受力及

表1 礦山開拓巷道與采區巖爆特性表Table 1 Rock burst characteristics between roadway and mining area

礦區破壞位置進行對比分析，此磷礦山主要受水平構造應力影響。

根據國內外巖爆的烈度分級標準[4]，巖爆的烈度可大致劃分為輕微、中等、嚴重、劇烈4種。對比表1可知，在對巷道進行開拓時，在距爆破作業后2～8 h，距開挖掌子面10 m范圍內的巷道頂板存在相對頻繁的巖爆現象，巖體發出清脆的巖爆聲音，飛濺出板狀、片狀或薄碎屑狀巖體，巖爆后，在掌子面頂板形成凹形爆坑，如圖2所示。說明該礦山在進行巷道開拓時，主要發生輕微巖爆和中等巖爆。

圖2 開拓巷道掌子面附近巖爆爆坑和碎屑Fig.2 Rock burst fragments and its pit near theexcavation plane of roadway

而在采區進行作業24 h內，在距采場50 m范圍內都會呈現頻繁巖爆現象，巖爆聲音清脆，但在礦柱附近巖爆發生時，聲音沉悶，在臨近礦房切割貫穿時，掌子面巖爆碎屑彈射飛濺可達5 m，伴有炸裂聲。說明采場受開挖影響，發生了巖爆以中等巖爆和輕微巖爆，部分區域會出現嚴重巖爆。

經分析，由于開拓巷道的幾何尺寸比采區的要小很多，受開挖擾動時，在開拓巷道附近圍巖的集中應力程度要比采區的應力集中程度小很多，產生的巖爆范圍相對較小。此外，從圍巖應力的分布角度看，開拓巷道掌子面附近巖爆產生的主要原因是受掌子面開挖引發的巖體應力突然變化，掌子面附近圍巖很快積聚了能量，這些能量達到一定限度時突然釋放而形成巖爆。而對于采區，由于采區的開采范圍相對較大，采區內布置礦柱對空區進行支撐，且巖體的開挖時間相對較長，引起采區圍巖的應力不僅受開挖引起的應力集中，還因臨近巖體的開挖擾動而產生的二次應力集中，采區爆破開挖擾動的應力波動在采空區內多次反射與折射，使得空區圍巖受力多次疊加，因此，在采區呈現出的巖爆持續時間與烈度相對比在開拓巷道的大。

3 礦山巖爆的影響分析

3.1 礦山地質環境對巖爆發生的影響分析

相關研究發現[9]，地質構造中的彎曲和扭折等各種行跡以及褶皺區等，都可能是有很高封閉應力的部位。通過現場調研發現，礦山在810中段開采時，礦山巖爆現象相對明顯。選取礦山某地質剖面圖，如圖3所示。

圖3 礦山地質剖面圖Fig.3 Profiles of mining geology

從圖3可知，礦山在810中段附近巖體受逆斷層F1影響，礦層構造層彎曲和部分褶皺現象，造成該處巖體具有較高的封閉應力，致使此處巖體相對礦山其他位置巖體具有較高的初始應力環境，因而，具有較高的巖爆傾向性，更容易產生巖爆。

3.2 礦山巖性對巖爆發生的影響分析

由于礦體在開采破壞過程中，開挖造成巖體的破壞是由巖石的受力情況和細觀特征所決定[10-12]，從表1可知，發生巖爆后，巖爆碎屑多呈薄碎屑狀、片狀、透鏡狀或板狀等。由于礦層直接頂板的一層厚0.5～2.5 m的硅質白云巖，如圖1所示，其具有硬度高、完整性好、易碎的特點。為分析礦山巖性對巖爆發生的影響，利用SEM試驗對磷塊巖的巖爆碎屑進行微觀形貌觀測，部分巖爆碎屑放大5 000倍后的細觀分析圖及其對應的巖體組成元素圖，如圖4所示。

通過對礦山巖爆進行細觀試驗分析發現，含有硅質白云巖的磷塊巖的巖爆碎屑細觀結構均較致密。石英等脈石強度非常高，磷塊巖晶界弱面為白云石與膠磷礦之間的接觸晶界，受力晶界破壞多位于膠磷礦與白云石間接觸晶界處發生，該現象與現場巖爆巖體為白云巖含量較高巖體的情況吻合。

由此可見，礦區頂板具有含硅質白云巖的巖體，其巖體具有硬脆，且細觀結構致密，致使含有硅質白云巖的巖體在開挖擾動下，更容易積聚能量。此外，硅質白云巖主要分布在頂板，如圖1所示，礦山在水平構造應力環境下，受開挖擾動作用，在白云巖與白云石與膠磷礦之間晶界弱面首先釋放能量而破壞，致使含有硅質白云巖的巖體具有巖爆傾向性。

圖4 部分巖爆碎屑細觀分析圖與組成元素圖Fig.4 Macroscopic revolution and its compositionelements of rock burst fragments

4 巖爆防治措施

通過對礦山巖性和地質環境進行分析可知，受工程開挖地質環境、水平構造應力影響，在開挖環境下，頂底部巖體更容易產生應力集中；且在810中段附近巖體，因斷層影響致使巖體初始應力環境較高。此外，礦山頂板因含有硅質白云巖，該巖體的存在增加了礦山頂部的巖爆傾向性，因此對礦山的巖爆防治措施主要應采取緩解應力集中的現場降壓措施，還應采取加強礦區安全教育與隱患排查等安全管理措施。

4.1 巖爆防治的技術措施

(1)在進行采礦之前應先對工作面進行綜合分析，合理布置采場結構，優化礦柱尺寸，避免平巷與斜坡道交叉口處形成的三角形單個礦柱，巷道軸線與最大主應力方向應平行布置；選擇合理的開挖步驟，采取不完全開采和逐步開挖的方法，盡量避免形成“孤島效應”，以減小圍巖應力集中程度。

(2)在高應力及復雜地質環境處進行開采時，縮小掘進巷道的斷面尺寸，巷道成型后掌子面上部超前，幫壁成倒梯形，采用短進尺、小藥量爆破，優化炮孔參數與炮孔結構，降低開挖對圍巖破壞程度；延長作業循環周期，采區間歇式作業，每作業0.5 h后，關停設備、停止作業10 min，對巖爆層采取局部放頂、機械撬毛等方式泄壓處理，檢查頂幫無異常再恢復作業；對于嚴重巖爆區在作業面爆破后禁止從事任何作業，停止24 h后進行下一環節的作業，以降低短時間的圍巖應力集中而引發的沖擊巖爆。

(3)由于硅質白云巖具有吸水性，在掌子面或高應力區經常噴灑冷水，鑿巖、出礦前沖洗頂幫，可將圍巖中的切向應力釋放并轉移到深部圍巖中，降低巖體儲存應變能的能力，降低圍巖強度，進而減少巖爆。

(4)改變錨網錨桿支護方式，加強永久性支護，采用錨網錨桿、鋼拱架等進行永久性支護；對于易巖爆區域、長距離切割處采用臺車鑿巖、撬毛機清排頂幫、裝載機裝礦、挖機配合，提高回采速度，縮短作業時間。

4.2 巖爆防護的安全管理措施

降低巖爆的發生，應采取必要的安全管理措施。首先，通過三級安全教育考試合格后上崗，提高礦井作業人員的安全意識，減少或杜絕礦井人員的不安全行為；嚴格控制現場作業的人數，嚴禁無關人員在作業現場逗留。其次，針對礦山巖爆特征，編制可操作性強的技術規程，規范現場作業。加強對頂板的隱患排查治理工作，強化對工作人員的各項安全操作的審查，落實應急救援制度。此外，對各生產環節必須落實《簽字確認制度》，凡是進入井下工作的人員必須先檢查、清理頂板及幫壁，認真搞好敲幫問頂工作，撬掉頂板懸礦、幫壁傘檐，清理頂幫時必須從外到里，沿幫壁依次推進；清理結束，經區域安全員檢查并懸掛“準予作業牌”后，方可作業。回采結束后立即對采空區打密集的信號燈進行觀察，并對采空區進行封閉。

5 結 語

(1)宜昌某磷礦在水平構造應力環境下，受開挖擾動作用，使含有硅質白云巖的巖體在開挖擾動下，更容易積聚能量。在白云巖與白云石與膠磷礦之間晶界弱面首先釋放能量而破壞，表現出含有硅質白云巖的巖體更具有巖爆傾向性。

(2)由于開拓巷道的幾何尺寸比采區的要小很多，受開挖擾動時，在開拓巷道附近圍巖的集中應力程度要比采區的應力集中程度小很多，產生的巖爆范圍相對較小。采區圍巖的應力不僅受開挖引起的應力集中，還因臨近巖體的開挖擾動而產生的二次應力集中，采區爆破開挖擾動的應力波動在采空區內多次反射與折射，使得空區圍巖受力多次疊加，呈現出在采區的巖爆持續時間與烈度相對比其在開拓巷道的大。

(3)針對礦山特殊的初始應力環境與地質構造作用，對該礦山巖爆的防治，可通過優化采場結構、合理選擇開挖步驟、定期圍巖濕水、改善開挖方式及延長作業周期等緩解圍巖應力集中的現場降壓措施；此外，還應采取加強礦山的安全教育與隱患排查等安全管理措施。

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