金屬礦山巖爆調查及防治

黃鳳輝

（金誠信礦業管理股份有限公司 北京 100000）

1 引言

近年來，隨著開采深度和采掘強度的日益增大，金屬礦山的地質災害之一巖爆的頻率、烈度越來越加劇。巖爆災害的發生具有時間和空間的不確定性，故巖爆危害強烈，防治難度大，是深部開采（挖）對人類的又一挑戰。巖爆作為采礦工程的一大危害，直接威脅施工人員、設備的安全，影響工程進度，如何有效的減輕巖爆引起的災害，已成為世界性的采礦工程難題之一，并受到世界各國相關學者的廣泛關注。

2 礦山巖爆現狀

目前國內礦山開采深度部分突破1000m，巖爆程度較低，隨著開采向深度挺進，巖爆現象將會越來越明顯，危害越來越嚴重。筆者對國內金屬礦山巖爆現象的調查結果，見表1。

表1 國內部分金屬礦山巖爆現象調查結果表

目前金屬礦山巖爆的特點有：

⑴上伏巖層厚度約1000m，或存在構造應力（最大主應力達到20～30MPa）；

⑵巖石致密、質硬、性脆；

⑶巖層結構完整，含水量極少；

⑷目前巖爆以弱巖爆為主。

3 巖爆機理概述

3.1 巖爆定義

金屬礦山巖爆是指在高地應力區域中巷道、硐室、采礦空區開挖形成后，由于空區的應力重新分布和應力集中，從而使儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，產生爆裂、松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象的一種動力失穩地質災害。巖爆是一種力學過程十分復雜的動力現象，其生成環境、發生地點、宏觀和微觀顯現形態多種多樣，顯現程度和造成的破壞程度相差很大。此類巖爆還發生在埋深較大的隧道、排水洞等地下工程中。

煤礦沖擊地壓也符合巖爆定義，但沖擊地壓有自身的特點，本文不詳述。地震是發生在地殼中的巖爆，不過現代地震學并未涉及地震巖爆事件的形成-發展-結束孕育的整個過程。也許是因為震源深和孕育期長，人類目前還沒有辦法探知地震事件整個過程。

產生巖爆的內部因素就是巖石高應力狀態下具有突然變形等性質（硬、脆、干燥、結構完整）。外因就是所受應力達到臨界狀態。地應力、構造應力、應力集中（開挖及其引起的一維或二維卸載）、爆炸應力波傳播與反射疊加等都能導致臨界狀態。

3.2 巖爆理論

巖爆的形成經歷孕育、發作的過程。孕育其實是一個巖石變形微破裂演化直至宏觀失穩的過程，在失穩發生之前整個過程其實是一個準靜態的過程。因此完全可以應用準靜態的研究方法，研究在外加荷載或開挖卸載作用的巖石微破裂演化過程，尋找巖爆發生的前兆規律,為巖爆的監測預警提供理論基礎。發作瞬間是動態的，必須應用動力學方法，研究失穩過程所釋放的能量和震級，為防止巖爆發生的支護參數設計提供依據。

關于巖爆的機理，巖爆研究學者相繼提出了：

⑴強度理論。強度理論著眼于巖體的破壞原因，認為地下井巷和采場周圍產生應力集中，當應力集中的程度達到礦巖強度極限時，巖層發生突然破壞，發生巖爆。強度理論只給出了巖爆的必要條件。

⑵能量理論。隨著采掘范圍的不斷擴大，巖爆是由于巖體一圍巖系統在其力學平衡狀態破壞時，系統釋放的能量大于巖體本身破壞所消耗的能量而引起的。這種理論較好地解釋了地震和巖石拋出等動力現象。能量理論從能量角度解釋了巖爆的破壞機理，但它并未說明平衡狀態的性質和破壞條件。

⑶失穩理論。失穩理論是將圍巖看成一個力學系統，將巖爆當作圍巖組成的力學系統的動力失穩過程。巖石在已具備大量彈性應變能及峰值強度以后處于非穩定的平衡狀態，在干擾性因素如洞室的開挖、地震、圍巖振動等因素的影響下，巖石會失穩。

此外，斷裂損傷理論認為損傷積累到一定程度，就出現了宏觀裂紋，如此時損傷繼續積累，就可能產生應變軟化現象從而導致巖石儲存應變能的能力降低，出現彈性應變能的釋放，如多余能量向外部傳遞，就會引起巖爆。突變理論是指從一種穩定狀態跳躍式地轉變到另一種穩定狀態，或者說在系統演化中，某些變量的逐漸變化導致系統狀態的突然變化。

4 巖爆預測預報

礦山巖爆預測預報分階段進行：首先礦山勘探階段預先查明地應力異常范圍及程度，并對圍巖力學特性、巖爆臨界深度等作出評價，以便選擇合理的礦井設計方案、正確的開拓開采方式，消除或者減緩巖爆危害；其次開拓期間要利用井巷揭露的巖層做進一步力學試驗，評價巖爆的可能性并提出防治措施；最后采礦過程中掌握巖爆誘發因素、檢測圍巖應力集中程度及卸壓效果并提出更詳細的解危措施。

4.1 巖爆預測

人類暫時還不能控制巖爆，但現有技術能夠從圍巖應力狀態和巖石自身的性質等方面來“診斷”圍巖是還處于巖爆臨界狀態及巖爆發作的可能性。

4.1.1 應力判據

巖爆應力判別準則：σθ/σc＜0.20(無巖爆)；0.20≤σθ/σc＜0.30(弱巖爆)；0.30≤σθ/σc＜0.55(中巖爆)；σθ/σc≥0.55(強巖爆)。

σθ－圍巖應力；σc－單軸抗壓強度。

4.1.2 彈性能量指數

將巖石試件加載到(0.7～0.8)Rb(巖石抗壓強度)，然后再卸載到0.05Rb時，卸載所釋放的彈性應變能Φsp與耗損的彈性應變能Φst之比值，定義為彈性能量指數 Wet，即 Wet=Φsp/Φst。Wet的分級標準為：50≤Wet,強烈沖擊傾向性；20≤Wet＜50,中等沖擊傾向性；Wet＜20,無沖擊傾向性。

4.1.3 巖石脆性系數

根據實驗測得的巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度，再根據巖石脆性指標，即抗壓強度與抗拉強度的比值B來衡量巖爆傾向性。脆性系數為:B=σc/σt，B＜10,無巖爆傾向；10≤B＜14,弱巖爆傾向；14≤B＜18,中等巖爆傾向；B≥18,強烈巖爆傾向。

σc－單軸抗壓強度；σt－抗拉強度。

4.2 巖爆預報

巖石是一種本質上非均勻的材料，在較小的尺度上，巖石常含有各種不同的礦物顆粒、膠結物、孔隙等缺陷；在較大的尺度上，則含有層理、裂隙等缺陷；在更大的尺度上，則有斷層等結構面。因此巖體結構的破壞過程是一個伴隨巖石微破裂前兆的漸進破壞誘致突變的過程，這是巖爆有可能被監測預警的最基本的力學基礎。

4.2.1 微震(MS)法

深井硬巖礦山開采的一個基本問題就是高地應力，在高地應力環境下的采礦活動往往會誘發微震產生。利用連續的、長時期的微震監測數據進行分析，總結微震事件的時間序列和空間分布規律，找出地震學參數和地震活動與巖石破壞之間的明確的可以承認的關系模式，進而找出發生巖爆危險的趨勢，圈定巖爆危險的大致區域。

4.2.2 聲發射(AE)法

該法能探測到巖石變形時發生的亞聲頻噪音(即微震)，地音探測器(拾音器)能將那些人耳聽不到的聲波轉化為電信號，根據地音探測器檢測到的微細破裂，確定異常高應力區的位置。

當巖石臨近破壞之際，A-E(微震)噪音讀數迅速增加，如果地音探測器平均噪音讀數大于預定的目標，就意味著有巖爆來臨。

4.2.3 微重力(MC)法

一般情況下，在發生震動和巖爆前，巖體的體積將會變化，從而使巖體密度改變，根據巖體的變形，重力強度的變化，以及密度分布的變化可以預測具有巖爆傾向的地帶。

巖爆發生之前，因裂隙的形成及擴展，巖體密度將有降低的趨勢，處于臨爆狀態的巖石出現負重力異常極值，所以可以用微重力量測值作為巖爆發生的判據。

4.2.4 電磁輻射(EMR)法

這一方法是依據完整圍巖壓縮變形破壞過程中，彈性范圍內不產生電磁輻射，峰值強度附近的電磁輻射最強烈，軟化后無電磁輻射的原理，采用特制的儀器，現場監測圍巖體變形破裂過程中發出的電磁輻射“脈沖”信號，通過數據處理和分析研究來預報巖爆。

5 巖爆防治技術措施

正如人類企圖逃避或抗御地震災害而去研究地震一樣，人類研究巖爆機理目的就是為了預測和防治巖爆。巖爆的預測預報是防治的前提，只有在預測預報的基礎上，才能采取合理、高效的防治措施。巖爆的防治工作技術性強、難度大、成本高，礦山一般與科研單位合作，共同防治巖爆。

施工過程中如遇到巖爆，必須高度重視，積極治理；巖爆段過后，認真總結經驗，為后期深部開拓巖爆防治在理論上提供參考、指導意見。下面是筆者在金屬礦山開拓期間工程實踐中遇到弱巖爆所采取的一些技術措施。

5.1 爆破后治理措施

在工作面爆破后，要安排人觀察巖爆發生情況，如遇巖爆必須待巖爆情況稍緩解后，再進行如下措施：

⑴在開挖后0～4h時間段內，巖爆活動的頻率較高，巖石破壞厚度也較大；開挖后15～20h時段內，巖爆發生的頻率也較高，因此要求施工人員采取“躲”的策略，有意識地避讓巖爆的高發時段和地段，間接地轉移應力和能量。

⑵建議在工作面開挖后24h內，多觀察、少作業，施工中遇到巖爆，應當控制掘進進度，減少循環次數，讓出泄壓時間。

⑶爆破后通風，先利用通風時間待巖爆減弱后對撐子面及其邊幫進行噴射冷水，噴水時可適當加大水壓，噴距10～15m較為適合。以改變巖石表面物理力學性質，降低巖石脆性，增強塑性，從而釋放能量，以達到消除或減弱巖石劇烈程度的目的。

⑷做實、做好撬毛排險工作。撬毛排險分為噴水后出渣前和出渣后二個階段，噴水后出渣前撬毛排險施工人員較為習慣，出渣后或巷道成巷后的二次撬毛排險施工人員容易忽視。而具有巖爆現象工程施工地段圍巖的松動具有一定的持續性，尤其是具有弱巖爆現象工程地段，巖石不是以彈射方式脫離圍巖，而是以松動脫落的方式與圍巖分開。因此，對于具有巖爆地段工程而言，二次撬毛排險是一項重要環節。

⑸及時支護。對于弱巖爆危險區域，采取噴射混凝土支護，厚度不應小于100mm，使圍巖得到一定的側壓保護；對于有中等巖爆威脅的區域，可以采取錨網噴，建議錨桿采用管縫式或楔縫式錨桿，錨桿不僅起支護圍巖的作用，而且起到卸壓孔的作用；對于有較強巖爆威脅的區域，必須采取雙層錨網噴加鋼筋梁聯合支護，防止巖爆的發生。

⑹收集各工程施工中巖爆發生的地點、范圍與程度，巖爆發生特征，及其巖石等地質環境，建立作業區各工程施工巖爆檔案，預測將要施工段發生巖爆的可能性，提前做好防治工作。

5.2 爆破前預防措施

⑴在施工前，加強收集已有的勘測資料，初步確定今后施工過程中哪些部位及里程容易發生巖爆現象，對于巖爆地段，優化巷道形狀和方位、調整巷道施工順序及礦山井巷的總體布局。

⑵工程掘進采用“短進尺、多循環”的施工方式，即鉆孔深控制在2m以內；若多個作業面相距較近時（對向施工50m、垂直方向上20m），應當錯開爆破時間，防止由于爆破振動造成應力迭加造成再次巖爆塌方。

⑶采取“先導硐，后刷擴”的二次推進的掘進方式；巖爆地段采用鉆爆法施工時，應短進尺掘進；微差起爆，嚴格控制最大單響藥量，減小藥量和減少爆破頻率，提高光爆效果，以減少圍巖表層應力集中現象，降低對巷道圍巖的破壞程度，提高圍巖的平整度與自撐能力。

⑷打爆破孔之前，打撐子面超前泄壓孔，即在撐子面上打應力釋放孔。應力釋放孔深為每循環進尺的2倍，孔徑42～48mm，排數3～4排，孔排距1.5～2 m，孔與輪廓周邊距離1～1.5m，靠周邊的應力釋放孔外斜角控制在5°～10°，孔底不超出設計輪廓線；應力釋放孔打好后可用高壓水沖洗或注高壓水。

⑸加強巖爆的現場監測工作。現場監測可以分二步走，第一步主要是表象觀測，利用人的肉眼和耳朵去觀測作業區異常現象，做到一聽響聲、二看位置、三看方向，找出巖爆發生的前兆，如邊幫開裂、脫片或出現異常的響聲等，做到及時發現險情及時處理；第二步可結合現場實際利用兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計等監測儀器進行監測，掌握巷道圍巖及支護的變形動態，根據反饋的量測信息，優化施工方案，及時指導施工。

⑹加強對施工人員包含巖爆知識等安全培訓教育，提高對巖爆認識與防護意識，同時制訂相應的應對措施，確保施工安全。

6 結束語

隨著礦山開采深度的增加，巖爆發生的可能性以及烈度也會增加，人類將繼續與巖爆作斗爭。人類憧憬巖爆研究在以下2個方面取得突破：

⑴圍巖處于高應力狀態，如何大范圍卸壓？人類采用幃幕注漿技術進行大范圍治水，能不能利用類似于“帷幕技術”來治理地壓？

⑵巖爆誘發的內在機制及物理實質，特別是外源如爆破等對巖爆的直接影響，關系到對巖爆的控制。巖爆發作瞬間是動態的，但發作機制研究深度不夠，人類如果能引爆巖爆，那巖爆災害將會徹底防范，如果能引爆巖爆，那巖爆破碎礦石的優勢可以得到應用，說不定又是一次采礦技術革新。