和睦山鐵礦近頂柱開采安全趨勢分析

李國平 張 驥

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團姑山礦業(yè)有限公司）

金屬礦山地下開采是伴隨著礦巖應(yīng)力重分布的過程，可能會造成巷道、采場和硐室的變形破壞，嚴重時會引發(fā)安全事故。隨著開采年限的不斷增大，當(dāng)分層回采接近頂柱時，將面臨開采技術(shù)條件惡化、地壓顯現(xiàn)突出、安全生產(chǎn)壓力增大等一系列技術(shù)難題［1-2］。在礦山生產(chǎn)中，保證礦體上覆巖層和頂部圍巖長期穩(wěn)定難度很大，最常發(fā)生的近頂柱事故是回采巷道和空區(qū)近頂柱失穩(wěn)或冒落片幫［3］。其發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)占采礦事故的40%以上，對礦山的生產(chǎn)安全有著極大的影響［4-5］。

局部冒落片幫事故發(fā)生概率高、范圍小，對人員設(shè)備傷害低，主要由于破碎工作面不能及時支護或工作人員敲幫問頂不到位所致［6］。另一種是大面積失穩(wěn)塌陷，其發(fā)生范圍廣、危害性大，有可能造成嚴重的人員設(shè)備損傷，一般由于上覆巖層壓力或不合理的爆破方式引起的圍巖破壞，空區(qū)暴露面積大［7］。針對此類安全事故的不斷重演，國內(nèi)外的專家學(xué)者進行了深入的研究。李瑩瑩等［8］通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析手段，構(gòu)建了頂板、近頂柱事故致災(zāi)因素模型，可應(yīng)用于礦山安全事故的預(yù)測和總結(jié)，對礦山的頂板管理提供參考。王偉等［9］使用危險源理論，將非煤礦山的靜態(tài)影響因素和動態(tài)影響因素相結(jié)合，從而對片幫冒落因素進行總結(jié)分析。王志鴻等［10］將小變形薄板理論和正交敏感極差分析法相互結(jié)合，對影響頂板穩(wěn)定性的各種因素進行分析，從而得到了各影響因素下頂板安全厚度的數(shù)學(xué)預(yù)測模型。趙瑜等［11］建立圍巖變形速率尖點突變模型，以突變理論來分析圍巖的穩(wěn)定性。高峰等［12］利用模糊物元評價方法，實現(xiàn)了對銅綠山礦采場穩(wěn)定性等級評價的復(fù)合模糊物元評價模型。

和睦山鐵礦隸屬于馬鋼集團姑山礦業(yè)公司，由后和睦山礦段和后觀音山礦段組成［13-14］。經(jīng)過近10 a開采，和睦山礦進入減產(chǎn)期，各中段開采分層已接近上中段底柱［15］。伴隨著保有礦量的減少和開采條件的愈加惡化，地壓更加明顯，節(jié)理裂隙發(fā)育，礦段進路冒頂、片幫現(xiàn)象頻發(fā)［16-17］。隨著安全趨勢不斷惡化，安全生產(chǎn)受到嚴重威脅。鑒于未來各回采分層離上中段充填體越來越近，安全生產(chǎn)壓力越來越大，為減少乃至避免再度發(fā)生的頂板冒落事故所帶來的損失［18-19］，統(tǒng)計和分析和睦山鐵礦近頂柱開采安全事故，歸納和總結(jié)在時間、中段分層、盤區(qū)的近頂柱開采分布趨勢，揭示未來潛在風(fēng)險，對控制下年度安全生產(chǎn)壓力、提高安全生產(chǎn)管理的精準(zhǔn)度具有重要參考意義。

1 近頂柱礦體穩(wěn)定性分級與評價

當(dāng)前，各個中段開采分層回采均已接近頂柱，剩余礦體受前期開采的影響，穩(wěn)定性必然發(fā)生顯著的變化。因此，掌握了解近頂柱礦體穩(wěn)固情況，對近頂柱礦體穩(wěn)定性進行調(diào)查和分析，從而針對性地采取相應(yīng)安全與技術(shù)措施。此次節(jié)理裂隙調(diào)查地取自后觀音山礦段，分別為-250 m中段的-211 m水平零盤區(qū)聯(lián)絡(luò)道、-215 m水平三盤區(qū)303進路和-211 m水平四盤區(qū)411進路。根據(jù)《國家工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50218—2014）要求進行調(diào)查。

根據(jù)諸多巖體穩(wěn)定性分級方法的實施難易程度以及姑山礦現(xiàn)場實施的適用性，本項目將采用Q系統(tǒng)分級、RMR分級和國標(biāo)BQ分級3大類分級方法，進行巖體綜合分級。表1為本次節(jié)理裂隙調(diào)查測點分級表。

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從表1可得，后觀音山礦巖穩(wěn)定性多屬于一般—差，該區(qū)域礦巖整體性偏差。除RMR法將-211 m水平零盤區(qū)聯(lián)絡(luò)道和-215 m水平三盤區(qū)303進路評定為穩(wěn)定性一般的III級外，其他2種方法均認為-250 m中段近頂柱分層礦體屬于穩(wěn)定性差的IV級。和睦山鐵礦當(dāng)前有-150，-200，-250，-300 m共4個生產(chǎn)中段，-250 m中段礦巖具有較好的代表性，因此，隨著各水平開采接近頂柱，礦體穩(wěn)定性已經(jīng)處于較差的IV級。

對比各礦巖穩(wěn)定性級別能直接反映巖體的自穩(wěn)能力。在近頂柱分層回采時，跨度應(yīng)控制在5 m以內(nèi)，最大不能超過6 m，并需加強支護，及時回填，避免頂板垮落。

2 近頂柱開采安全趨勢

雖然國內(nèi)金屬礦山安全事故種類較多，但各礦山礦情不同，事故類別也各有側(cè)重。和睦山鐵礦主要以頂板冒落事故居多，其主要發(fā)生于后觀音山礦段。冒頂是地下開采礦山較常見的多發(fā)事故，對礦山生產(chǎn)和職工人身安全威脅極大。在礦山開采過程中，由于掘進巷道和回采礦石，破壞了原巖體內(nèi)的應(yīng)力平衡，使原巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，巷道或空區(qū)周圍的巖石產(chǎn)生彎曲、變形，當(dāng)原巖應(yīng)力大于礦巖的承受能力時，破碎區(qū)的巖石便向空區(qū)冒落，形成冒頂、片幫。后觀音山礦段采用預(yù)控頂上向進路充填法，開采技術(shù)條件復(fù)雜，礦巖穩(wěn)固性差，2020年全年共發(fā)生44起頂板冒落，其中進路頂板冒落34起（占比77.27%）、巷道冒頂8起（占比18.18%）、頂板松動2起（占比4.55%）。

2.1 安全事故隨時間趨勢

和睦山鐵礦每月發(fā)生冒頂事故趨勢如圖1所示，除2月份以外，2020年整年其余月份都發(fā)生了冒頂事故，其中發(fā)生頻率較高是第四季度，總共達18次，其中11月份發(fā)生次數(shù)最多，達到了8次冒頂。此次冒頂主要發(fā)生于一盤區(qū)，由于該地區(qū)頂板厚度變薄，同時地質(zhì)條件逐漸變差，因此發(fā)生冒頂次數(shù)增多。總而言之，隨著盤區(qū)各分層開采時間逐漸推移，分層回采逐漸接近頂柱頂板，冒頂?shù)氖鹿拾l(fā)生概率變大，發(fā)生次數(shù)增多。

同時，對從2014—2020年共6 a間頂板冒落進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。由阿基瑪插值所得趨勢圖（圖2）可知，頂板冒落與年度相關(guān)性不大，但月度分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，冒落事故從6—7月變化較大，頂板冒落上半年和下半年差異性較大，主要發(fā)生于下半年，這是由于頂板冒落主要取決于礦體穩(wěn)固性和采空區(qū)暴露時間，隨著時間的推移，采空區(qū)礦體暴露風(fēng)化侵蝕和人工擾動，礦體穩(wěn)定性下降，因此冒頂率增高。在2014—2020下半年，尤其是7—11月，頂板冒落發(fā)生占比分別為60.9%、72.5%、55.2%、45.9%、52.7%、67.6%、54.5%，年度平均下半年頂板冒落占比58.7%。

為揭示產(chǎn)量與冒頂之間的關(guān)系，將各月度冒頂起數(shù)和產(chǎn)量相除得到萬噸冒頂發(fā)生率，統(tǒng)計后觀音山礦段2020年各月度產(chǎn)量與冒頂起數(shù)（圖3）。從圖中可以看出，各月度產(chǎn)量隨計劃變動較大，冒頂發(fā)生起數(shù)和產(chǎn)量增減沒有較大的關(guān)聯(lián)，而萬噸冒頂發(fā)生率隨著冒頂次數(shù)增減而相應(yīng)變動，表明萬噸冒頂發(fā)生率與冒頂發(fā)生次數(shù)之間呈正向相關(guān)。

統(tǒng)計各月平均萬噸冒頂發(fā)生率，同時得到2020年萬噸冒頂平均發(fā)生率為0.58次/萬t，相較于2019年的0.36次/萬t，增幅為61%，表明事故發(fā)生頻率增高，安全開采形勢嚴峻。

2.2 安全事故隨中段分層分布趨勢

和睦山鐵礦各中段、各分層發(fā)生冒頂數(shù)如圖4所示，可以看出，-200 m中段的-150 m分層發(fā)生7次、-155.5 m分層發(fā)生10次，共17次。-250 m中段的-215 m分層發(fā)生冒頂14次。-300 m中段的-257 m分層發(fā)生9次，-262.5 m分層發(fā)生4次，共13次。由此可知，各盤區(qū)內(nèi)中段發(fā)生冒頂數(shù)量大致相當(dāng)，冒頂事故在各中段發(fā)生率基本持平，但由于巖性總體質(zhì)量較差，導(dǎo)致各中段分層的冒頂事故居多。結(jié)合近頂柱礦體穩(wěn)定性分級評價，此分布規(guī)律和巖性特征基本吻合。

各分層冒頂事故統(tǒng)計結(jié)果表明，各分層開采越靠近階段頂柱，該分層冒頂事故發(fā)生概率越高，此分布規(guī)律與地壓顯現(xiàn)規(guī)律相一致（越靠近頂柱位置，地壓越大）。

圖5 給出了-200，-250，-300 m中段各分層作業(yè)面與頂柱的距離和事故發(fā)生次數(shù)的關(guān)系。圖5中-250 m中段-223 m分層距離頂板29 m時發(fā)生16次，-229 m分層距離頂板35 m時發(fā)生22次，-235 m分層距離頂板41 m時發(fā)生13次，是由于-223 m分層節(jié)理表面較完整，穩(wěn)定性較其他分層好。而-200，-300 m中段各分層礦巖穩(wěn)定性分級多屬于較差—差，該區(qū)域礦巖整體性偏差。

對比不同分層冒頂事故趨勢，各分層冒頂事故起數(shù)變動較大，但是其基本趨勢一致，即距離頂柱越近，冒頂事故發(fā)生的概率越大。

2.3 安全事故隨盤區(qū)分布趨勢

和睦山鐵礦后觀音山礦段各盤區(qū)冒頂數(shù)如圖6所示。各盤區(qū)依次發(fā)生冒頂事故分別為11，10，2，6，8，5和2次。相較于其他盤區(qū)，零盤區(qū)、一盤區(qū)為主要開采區(qū)域，采場布置多，礦體較破碎，巖性較差，故而發(fā)生冒頂起數(shù)顯著高于其他盤區(qū)，四盤區(qū)次之。其中零盤區(qū)的-257，-215，-155.5 m分層均已回采至近頂柱，四盤區(qū)回采至-215 m分層，離本中段頂板距離變近，礦巖穩(wěn)固性變差，也容易發(fā)生冒頂。而二盤區(qū)回采任務(wù)少，礦巖穩(wěn)固性相對稍好，發(fā)生冒頂概率較低，冒頂起數(shù)最少。

3 結(jié)論

（1）與2019年相比，2020年事故發(fā)生起數(shù)有所增加，但礦山出礦量大幅度降低，致使萬噸冒頂發(fā)生率由2019年的0.36次/萬t顯著提高至0.58次/萬t，增加幅度高達61%。隨著2021年和睦山鐵礦生產(chǎn)能力進一步的降低，可以預(yù)測的是，其事故發(fā)生可能性卻因更接近頂柱而大幅增加，安全形式嚴峻，必須引起礦山管理與技術(shù)人員的高度重視。

（2）中段事故發(fā)生概率：-200 m中段最高，-250 m中段次之，-300 m中段最低；2021年-200 m中段將結(jié)束回采，安全防范的重點將轉(zhuǎn)移到-250 m中段；零盤區(qū)、一盤區(qū)將是未來最容易發(fā)生冒頂事故的區(qū)域，應(yīng)加強這2個盤區(qū)的安全管控。

（3）距離頂柱越近，冒頂事故發(fā)生的概率越大。隨著未來回采工作面越來越接近頂柱位置，安全生產(chǎn)壓力將逐年遞增。

（4）2020年安全形勢較2019年更為嚴峻，冒頂事故發(fā)生起數(shù)增加18.9%，按照此趨勢，可以預(yù)計2021年安全生產(chǎn)壓力將更大。