金屬礦山深井開采過程中的頂板事故淺析

郝英杰，王春龍

（山東黃金礦業(yè)科技有限公司深井開采實(shí)驗(yàn)室分公司，山東 煙臺(tái) 261442）

礦產(chǎn)資源是人類的寶貴財(cái)富，是人類社會(huì)數(shù)千年來重要的發(fā)展基礎(chǔ)，在有色金屬開采方面，我國(guó)目前已經(jīng)成為采礦大國(guó)，雖然和發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然有一定的差距，但是卻能夠解決各類復(fù)雜的工程地質(zhì)條件開采難題。采礦業(yè)向深部發(fā)展進(jìn)軍，是因?yàn)楹芏噘Y源的開采已經(jīng)出現(xiàn)枯竭，更多的采礦安全事故將隨著深井開發(fā)過程而不斷涌現(xiàn)。

1 金屬礦山深井開采頂板管理研究的背景和意義

1.1 金屬礦山深井開采背景

礦產(chǎn)資源是人類的寶貴財(cái)富，但是隨著多年來的開采，很多礦山資源已經(jīng)枯竭，有色金屬由于總儲(chǔ)備量比較少，常常會(huì)面臨向深部開采的問題，深部開采的頂板管理常常給開采人員帶來的難題，雖然目前國(guó)內(nèi)很多露天開采礦轉(zhuǎn)為地下開采，但是由于開采資源的分布不夠均衡，深部開發(fā)是從淺部地表不斷一路開采而來的，因此，在開采的過程中，需要考慮有色金屬礦山分布的地理地貌和特殊的情況。目前由于深部開采的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，管理難度很大，我國(guó)采礦業(yè)向深部進(jìn)軍時(shí)，常常遇到一些技術(shù)難題[1]。為了保證開采人員的安全和開采效率，保證自然生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展，針對(duì)金屬礦山深井開采的一系列研究正在展開。

1.2 深井開采頂板管理研究的意義

不可否認(rèn)，目前礦山資源開采向深部開采是總的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)目前大部分專家將開采深度超過800 米以上的均稱之為深井開采，同時(shí)深井開采是由大約開采深度在300 米到800 米之間的中深度開采而來，開采深度的特殊環(huán)境將帶來一系列的安全問題。隨著深井開采的不斷掘進(jìn)特殊的地理地貌以及復(fù)雜的地質(zhì)活動(dòng)，可能會(huì)帶來一些開采過程中的問題，比如說有色金屬礦山開采時(shí)的頂板冒頂巖爆，高溫和地質(zhì)活動(dòng)等等這些頂板冒落或者巖爆的危害性是非常大的，尤其是隨著深部開采的深度越來越深，頂板事故常常造成有色金屬礦山安全生產(chǎn)事故頻發(fā)的危險(xiǎn)狀況[2]。為了使井下的工作人員人身和財(cái)產(chǎn)受到保護(hù)，應(yīng)大力杜絕頂板事故，做好開采區(qū)域頂板管理和圍巖穩(wěn)定性維護(hù)等一系列工作，均需要先進(jìn)的技術(shù)手段控制，也需要確定合理的回采順序和要求，開采人員的開采步驟，必須符合相應(yīng)的開采標(biāo)準(zhǔn)。

2 金屬礦山深井開采頂板事故發(fā)生的類型

2.1 頂板事故發(fā)生的類型

目前在金屬礦山地下開采的過程中，常常涉及到開采巷道和空區(qū)頂板圍巖的穩(wěn)固性問題，圍巖穩(wěn)固性失穩(wěn)或頂板冒落的事故，常常因?yàn)殚_采規(guī)模和區(qū)域的變化而發(fā)生變化。通常常見的事故類型有局部頂板冒落事故，這種事故的發(fā)生范圍較小、傷亡人數(shù)不多，可能會(huì)影響現(xiàn)有的工作量及工作面，觸發(fā)原因常常是因?yàn)槠扑楣ぷ髅娌荒芗皶r(shí)支護(hù)。另外一種事故的類型是頂板的大面積垮塌，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊事故，可能會(huì)導(dǎo)致人員的嚴(yán)重傷亡，且對(duì)于事故發(fā)生巷道及空區(qū)的空氣質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量造成極大的影響。這類事故的特點(diǎn)是其發(fā)生的非常突然，而且危害性較大，對(duì)采礦人員的人身安全和采礦設(shè)備的維護(hù)都帶來極大的影響。往往來勢(shì)兇猛，大面積的垮塌會(huì)傷害人身安全，造成不可逆轉(zhuǎn)的危害，壓垮性損害在大規(guī)模空區(qū)附近容易發(fā)生，主要原因是垂直于頂?shù)追较虻淖饔昧核椤簲嗷蛘邏簭澋V體，頂板直接垮落。

2.2 頂板事故發(fā)生的原因

頂板管理不善有可能造成頂板事故，礦山井下地質(zhì)條件非常復(fù)雜，各個(gè)礦場(chǎng)采礦區(qū)域的周邊環(huán)境不一樣，而周圍圍巖的地質(zhì)條件更加復(fù)雜，礦體在開采過程中可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)折性區(qū)域的變化，需要能夠構(gòu)造強(qiáng)大的適應(yīng)力體系，頂板管理常常會(huì)忽略支護(hù)的需求，造成不同類型的傷害事故。

地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性也容易造成頂板事故，比如金屬礦體周圍的工程地質(zhì)條件活躍，地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育程度產(chǎn)生變化，構(gòu)造面、紋理和裂隙削弱了礦體的穩(wěn)定度，破壞了礦體的連續(xù)性，并且降低了礦巖體的強(qiáng)度，可能造成頂板大面積的冒頂。

地質(zhì)空區(qū)存在人為性的損害，礦體的完整性可能與部分區(qū)域的應(yīng)力比較集中、人為采礦工序出現(xiàn)問題、巷道頂板冒落造成連帶性危害有關(guān)[3]。空區(qū)的不同處理方式對(duì)于圍巖的影響程度較大，圍巖的承受力被破壞，承受結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定可能是因?yàn)槿藶殚_采時(shí)的開采強(qiáng)度和開采步驟不符合必要的規(guī)范。

原巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，也可能導(dǎo)致頂板事故的發(fā)生，由于井下的采掘工程環(huán)境非常復(fù)雜，采掘開發(fā)破壞了巖體的原巖應(yīng)力，而這種自然平衡的狀態(tài)受到削弱，采礦工作面逐漸推進(jìn)時(shí)，就會(huì)擾亂掩體內(nèi)部的應(yīng)力分布，在開采過程中圍巖和開采兩側(cè)的應(yīng)力比較集中，開采頂板部分區(qū)域形成了拉應(yīng)力，使得頂板出現(xiàn)了拉裂破壞圍巖的承壓能力，也受到嚴(yán)重破壞，從而產(chǎn)生頂板的垮塌事故。

巖爆和地震活動(dòng)的影響，常常是掩體破壞力應(yīng)力釋放的結(jié)果，彈性勢(shì)能的釋放有大有小，巖爆可能會(huì)對(duì)工作面的頂板產(chǎn)生沖擊，這種沖擊和破壞有可能是一次性的，也有可能是漸進(jìn)性的，在巖爆過程中地下地壓活動(dòng)表現(xiàn)出比較特殊的形式，地震發(fā)生時(shí)地震波的強(qiáng)烈擾動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致井下大范圍的巖體應(yīng)力波動(dòng)，又發(fā)了一系列頂板事故，有時(shí)地震波會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，加劇了頂板的不穩(wěn)定性，一系列的地壓活動(dòng)會(huì)使得頂板搖搖欲墜。

3 做好頂板管理研究的措施

3.1 對(duì)有色金屬礦山頂板實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分級(jí)管理

有色金屬礦山常常位于高復(fù)雜地質(zhì)條件的地區(qū)，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程的具體地質(zhì)條件開采，可配合采礦頂板巖石和巖層的動(dòng)態(tài)分級(jí)管理，系統(tǒng)性地對(duì)采場(chǎng)頂板的巖層質(zhì)量進(jìn)行分析，根據(jù)分層結(jié)果，把同類型、同級(jí)別的頂板利用監(jiān)測(cè)手段實(shí)行處置，可以避免同類型頂板事故多次發(fā)生，從而能提高井下作業(yè)環(huán)境的安全度，提升監(jiān)控頂板實(shí)際質(zhì)量的水準(zhǔn)[4]。分級(jí)管理不僅僅涉及到將工作任務(wù)和工作指標(biāo)進(jìn)行分層管理，同時(shí)還涉及到分層管理的分層責(zé)任人，每一個(gè)具體的監(jiān)控環(huán)節(jié)都需要有不同的人員與之相匹配，而且要求不同的部門對(duì)于頂板動(dòng)態(tài)分級(jí)管理實(shí)現(xiàn)分工責(zé)任制。這是一個(gè)有效的組織管理進(jìn)程，也是頂板管理的組織體系。

3.2 采用復(fù)合破碎頂板管理的有效手段

根據(jù)周邊圍巖工程技術(shù)條件進(jìn)行預(yù)判斷，按照超前支護(hù)的措施和原則，實(shí)現(xiàn)錨網(wǎng)支護(hù)或錨桿支護(hù)，對(duì)于有色金屬開采掘進(jìn)過程中出現(xiàn)了破碎的區(qū)域進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，減少頂板裸露的面積，縮短破碎頂板的暴露時(shí)間。如果出現(xiàn)非常嚴(yán)重的破碎現(xiàn)象，可以采用注漿固化頂板技術(shù)，使用高粘度的機(jī)械性能膠質(zhì)產(chǎn)品，將其注入巖層之后，使其發(fā)生膨脹和粘結(jié)，從而有效的將區(qū)域內(nèi)的松散巖石膠合在一起，有效地加固圍巖的松動(dòng)圈，使其成為一個(gè)整體。注意要選擇粘結(jié)度更好的粘結(jié)材料，對(duì)于復(fù)合破碎頂板的管理手段應(yīng)日新月異，時(shí)刻適應(yīng)新時(shí)期的發(fā)展，從而能夠?yàn)橄乱徊降捻敯迨鹿使芾砗吞幚碜鞒鲐暙I(xiàn)。

3.3 進(jìn)行有效的頂板監(jiān)測(cè)技術(shù)手段

動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段可以采用深發(fā)射監(jiān)測(cè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)位移沉降監(jiān)測(cè)，鉆孔光學(xué)監(jiān)測(cè)等等，對(duì)于裂隙破碎以及空區(qū)頂板等進(jìn)行24 小時(shí)的不間斷監(jiān)測(cè)，對(duì)于頂板破壞程度和應(yīng)力調(diào)整變化情況實(shí)行細(xì)致的研究，如果發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的位移變化或沉降情況，應(yīng)馬上停止開采，密切關(guān)注并尋求地質(zhì)條件發(fā)生變化的原因[5]。不能馬虎大意，對(duì)比監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和頂板的變換情況應(yīng)該有一個(gè)預(yù)判斷，只有在更大程度上了解頂板的破碎狀況和穩(wěn)定狀態(tài)，才能夠在避免人員傷亡和設(shè)備損害的情況下繼續(xù)實(shí)現(xiàn)開采，并對(duì)于出現(xiàn)問題的頂板應(yīng)馬上維護(hù)。目前事故率最大的地方集中于破碎復(fù)合頂板的區(qū)域面積之內(nèi)，可采用超前支護(hù)或多類型支護(hù)的方式控制頂板的破碎速度，盡可能提升頂板的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

綜上所述，為了防止金屬礦產(chǎn)開采過程中的頂板冒落事故頻發(fā)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全、高效生產(chǎn)并最大限度的保障經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)對(duì)于金屬礦山深井開采的頂板管理做到全面深入的研究，結(jié)合具體合理的措施，解決頂板事故發(fā)生的隱患問題。目前，我國(guó)金屬礦山公司希望能最大限度的開發(fā)礦山資源，在開采環(huán)境日益優(yōu)化的過程中，為礦山開采做出積極的貢獻(xiàn)。