非煤地下基建礦山井巷致災(zāi)因素辨識及分級

王智能，侯克鵬，者亞雷，楊 磊

（1.云南磷化集團有限公司昆陽磷礦二礦，云南 昆明 650601；2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

為系統(tǒng)厘清地下礦山目前存在的風(fēng)險，保障礦山后續(xù)安全生產(chǎn)，國家礦山安全監(jiān)察局于2022 年發(fā)布了《關(guān)于開展非煤地下礦山隱蔽致災(zāi)因素普查治理工作的通知》（礦安〔2022〕76 號）（以下簡稱“76 號文”），普查治理參考提綱主要從采空區(qū)、水文地質(zhì)、地壓與火災(zāi)4 個方面對礦區(qū)各隱蔽致災(zāi)因素開展普查工作，對其致災(zāi)風(fēng)險等級進行客觀評價，提出治理措施及建議[1-3]。

根據(jù)76 號文工作內(nèi)容第五項要求，除已明確指出的采空區(qū)及周邊老窯、水文地質(zhì)、地壓、火災(zāi)四項致災(zāi)因素普查治理內(nèi)容外，各非煤地下礦山企業(yè)應(yīng)結(jié)合實際開展認為需要重點普查治理的其他內(nèi)容。昆陽磷礦二礦屬于新建地下礦山，目前處于基建階段，還未進行出礦生產(chǎn)作業(yè)，且附近礦體以往均采用露天開采方式，礦區(qū)內(nèi)及周邊無廢棄礦井，地下無采空區(qū)存在。因此，認為礦山現(xiàn)階段井巷開拓工程致災(zāi)因素將是昆陽磷礦二礦普查治理的重點。

1 井巷致災(zāi)因素辨識

昆陽磷礦二礦目前處于基建期間，主要開拓井巷工程有平硐、斜坡道、斜井、豎井。井巷穿過的圍巖性質(zhì)主要包括粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖，層狀結(jié)構(gòu)，屬半堅硬-堅硬巖類，巖體完整性為破碎-較完整，巖體質(zhì)量等級為Ⅳ級～Ⅱ級；黏土質(zhì)頁巖，分布不連續(xù)，為軟弱巖類；白云巖、磷塊巖，塊狀、條帶狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，巖體屬堅硬巖類，巖體完整性為破碎-較完整，巖體質(zhì)量等級為Ⅳ級～Ⅱ級。

在井巷施工過程中，可能會出現(xiàn)巷道圍巖失穩(wěn)、豎井圍巖破壞、井巷突水、基建通風(fēng)系統(tǒng)不完善導(dǎo)致通風(fēng)不暢以及巖爆等問題[4]。其中，穿越的軟弱地層巖性包括黏土質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖，可能發(fā)生圍巖拉伸變形導(dǎo)致的破壞。礦區(qū)地下水豐富，在施工過程中可能發(fā)生突水事故，一旦發(fā)生將嚴重威脅礦山安全。井巷工程延伸至含水層，發(fā)育有巖溶，后期礦體大規(guī)模開采疏水后，豎井可能發(fā)生一定疏水沉降變形。礦體埋藏淺，未進行開采作業(yè)，巖體潮濕，經(jīng)調(diào)查井巷開挖斷面形狀規(guī)則，大型洞室群岔洞較少，因此，礦山目前發(fā)生巖爆的傾向性較低。

通過現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合地質(zhì)水文勘查資料及設(shè)計資料分析，針對井巷失穩(wěn)破壞、突水、基建通風(fēng)系統(tǒng)不完善導(dǎo)致通風(fēng)不暢三種井巷災(zāi)害，梳理了13 種致災(zāi)因子：巖石堅硬程度、巖體質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)造、斷面尺寸、地應(yīng)力、支護及管理、井口表土性質(zhì)及厚度、超前探放水、防治水措施、通風(fēng)方式及設(shè)備、井巷工作面風(fēng)速、施工前氣體檢測、應(yīng)急預(yù)案。

2 井巷致災(zāi)因素等級劃分

將風(fēng)險等級劃分為四級，分別為I 級、II 級、III 級、IV 級，其中，I 級為重大風(fēng)險，不可接受風(fēng)險，風(fēng)險最高；II 級為較大風(fēng)險，不期望風(fēng)險，風(fēng)險較高；III 級為一般風(fēng)險，有限接受風(fēng)險，風(fēng)險較低；IV 級為低風(fēng)險，可接受風(fēng)險，風(fēng)險最低。風(fēng)險等級劃分情況見表1。通過查閱規(guī)范、文獻，以及咨詢專家，確定致災(zāi)因素評價標(biāo)準如下所述。

表1 風(fēng)險等級劃分Table 1 Gradation of risk

1）巖石堅硬程度。巖石堅硬程度按飽和單軸抗壓強度可分為五類，見表2。昆陽磷礦二礦強度最低的巖性為礦體間夾層泥巖，抗壓強度為11.25 MPa，無極軟巖存在，因此，將風(fēng)險等級劃分為四個等級進行賦值，見表3。由表3 可知，昆陽磷礦二礦若按圍巖條件最不利因素考慮，礦體夾層圍巖強度最低，為11.25 MPa，風(fēng)險等級為I 級。

表2 巖石堅硬程度分類及等級劃分Table 2 Classification and gradation of rock hardness 單位：MPa

表3 巖石堅硬程度風(fēng)險等級劃分Table 3 Risk gradation of rock hardness 單位：MPa

2）巖體質(zhì)量。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值是反映工程巖體完整程度的定量參數(shù)，該指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于各種工程巖體的穩(wěn)定性評價，國內(nèi)外許多巖體工程規(guī)范、規(guī)程都采用RQD值指標(biāo)作為最重要的分類參數(shù)[5]。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）可將巖石質(zhì)量劃分為5 個等級，見表4。

表4 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 值風(fēng)險等級劃分Table 4 Risk gradation of rock quality index RQD value

為統(tǒng)一風(fēng)險等級，將RQD值指標(biāo)進行重新分級，見表5。

表5 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 值等級重新劃分結(jié)果Table 5 Results of re-gradation of rock quality index RQD value

通過對《昆陽磷礦二礦地下開采200 萬t/a 建設(shè)項目水文地質(zhì)勘查》中涉及的三個深孔巖芯進行現(xiàn)場調(diào)查可知，RQD值最低的為磷塊巖，平均值為8%，巖體質(zhì)量按最不利因素考慮，對應(yīng)風(fēng)險等級為I 級。

3）地質(zhì)構(gòu)造。由于地下開采過程中遇到的圍巖數(shù)量、大小不盡相同，且存在不同的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶皺等，因此導(dǎo)致井巷頂板周圍的環(huán)境比較復(fù)雜，本文采用半定量的方式確定地質(zhì)構(gòu)造的風(fēng)險等級，見表6[6]。

表6 地質(zhì)構(gòu)造風(fēng)險等級劃分Table 6 Risk gradation of geological structure

昆陽磷礦二礦礦區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，僅有兩條斷層且規(guī)模較小，其中，F(xiàn)1 斷層規(guī)模較小，處于露天開采范圍內(nèi)，對地下開采不會造成影響；F2 斷層有一部分位于地下開采范圍內(nèi)，目前未揭露，軟弱結(jié)構(gòu)可能會對穩(wěn)定性造成一定影響。在掘進1 890 m 中段無軌巷道時，遇到斷層破碎帶，圍巖強度低，掘進支護較困難，常規(guī)的支護方式不能滿足安全要求，因此，將巷道在偏離原設(shè)計20 m 的位置改道施工。該斷層破碎帶規(guī)模不大，經(jīng)改道后能夠避開，因此，對應(yīng)風(fēng)險等級為II 級。

4）斷面尺寸。相關(guān)研究表明，巷道的軸比存在一個合理的界限值，超過合理界限值，過高的巷道寬度和高度會造成巷道圍巖應(yīng)力分布很不均勻，某些部位的位移量很大，穩(wěn)定性降低。以穩(wěn)定巖層距頂板的距離、穩(wěn)定巖層的極限跨距和巷道跨度等三個參數(shù)作為頂板穩(wěn)定性分類指標(biāo)[7-8]，確定巷道穩(wěn)定性類別及風(fēng)險等級，見表7。

表7 不同巷道尺寸及頂板性質(zhì)條件下巷道穩(wěn)定性類型風(fēng)險等級劃分Table 7 Risk gradation of roadway stability types under different roadway sizes and roof properties

頂板巖層極限跨距按式（1）進行計算。

式中：L為頂板巖層極限跨距；Rt為抗拉強度；q為上覆荷載，考慮巖層自重應(yīng)力；fq、fe、fm、fd為巖石強度影響系數(shù)、采動影響系數(shù)、巖層埋深影響系數(shù)、地應(yīng)力影響系數(shù)。

昆陽磷礦二礦開拓巷道主要建設(shè)在礦體底板，離礦體底板垂直距離約15 m，巖性為白云巖塊狀結(jié)構(gòu)，抗拉強度1.5 MPa，上覆礦巖厚度約200 m，經(jīng)計算頂板巖層極限跨距為8.5 m。巷道最大寬度為4.5 m，交叉口暴露面積最大處跨距為10 m。根據(jù)穩(wěn)定性分類情況，在最不利情況下，斷面尺寸對巷道穩(wěn)定性影響等級為II 級。

5）地應(yīng)力。地應(yīng)力是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的重要因素，地應(yīng)力與井巷在地下所賦存位置呈線性關(guān)系，井巷所處標(biāo)高位置越深，其值也更大，地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，地應(yīng)力對巷道圍巖變形與破壞的影響更加突出。同時，越向地下深處，應(yīng)力更趨于集中，不利于井巷保持穩(wěn)定[9]。埋藏深度分級標(biāo)準見表8。目前，礦山最低建設(shè)標(biāo)高為1 890 m，埋藏深度約200 m，因此，判定地應(yīng)力風(fēng)險等級為IV 級。

表8 埋藏深度風(fēng)險等級劃分Table 8 Risk gradation of burial depth 單位：m

6）支護及管理。井巷的支護及管理是影響井巷穩(wěn)定性的重要因素之一[10]。治理程度直接關(guān)系到井巷的安全性，定性描述標(biāo)準見表9。目前，昆陽磷礦二礦無軌運輸巷道、中段膠帶巷道、進風(fēng)石門巷道、聯(lián)絡(luò)巷道正常段采用噴錨網(wǎng)支護方式，噴射混凝土等級為C20，厚度100 mm，樹脂錨桿長度2 000 mm，間距800 mm，排距1 000 mm，能夠滿足支護強度要求；在遇褶皺層間結(jié)構(gòu)起伏變化、涌水較大區(qū)域采用超前管棚及鋼拱架進行聯(lián)合支護，絕大部分巷道支護后穩(wěn)定性較好，能夠滿足安全要求，并制定了三級頂板管理制度。結(jié)合現(xiàn)場支護后穩(wěn)定性情況，判定支護及管理風(fēng)險等級為III 級。

表9 治理程度風(fēng)險等級劃分Table 9 Risk gradation of governance degree

7）井口表土性質(zhì)及厚度。立井井筒施工一般要穿過表土和基巖兩個部分，由于表土松軟，穩(wěn)定性較差，經(jīng)常含水，并直接承受井口結(jié)構(gòu)物的荷載，因此表土施工比較復(fù)雜，往往成為井筒施工的關(guān)鍵工程[11]。井口表土性質(zhì)及厚度風(fēng)險等級劃分見表10。昆陽磷礦二礦井筒穿越地層為筇竹寺組一段、二段、三段、四段，中誼村組和漁戶村組，表土段長30 m 采用單層鋼筋混凝土井壁，厚度600 mm，基巖段采用單層素混凝土井壁，厚度350 mm，昆陽磷礦二礦井筒表土層屬于中厚等級，判定井口表土性質(zhì)及厚度風(fēng)險等級為III 級。

表10 井口表土性質(zhì)及厚度風(fēng)險等級劃分Table 10 Risk gradation of wellhead topsoil properties and thickness

8）超前探放水。根據(jù)《金屬非金屬礦山重大事故隱患判定標(biāo)準》（礦安〔2022〕88 號），水文地質(zhì)類型為中等或者復(fù)雜的礦井，需配備防治水專業(yè)技術(shù)人員，設(shè)置防治水機構(gòu)，或者建立探放水隊伍，配齊專用探放水設(shè)備，并按設(shè)計進行探放水作業(yè)[12]。定性描述標(biāo)準見表11。礦山施工遵照“有疑必探，先探后掘”的原則，工程施工的全部過程進行防治水工作。昆陽磷礦二礦組建專業(yè)探水探溶洞隊伍，通過采用探地雷達預(yù)測工程掘進面前方20 m 范圍內(nèi)不良地質(zhì)體，鉆探工程驗證探地雷達成果及工程掘進前方100 m范圍內(nèi)地質(zhì)體，為工程掘進施工提供可靠地質(zhì)依據(jù)。依據(jù)探測成果采取排水降壓方式，達到工程安全掘進施工的效果，因此，判定超前探放水風(fēng)險等級為IV 級。

表11 超前探放水風(fēng)險等級劃分Table 11 Risk gradation of advanced exploration and drainage

9）防治水措施。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020），井下主要排水設(shè)備應(yīng)包括工作水泵、備用水泵和檢修水泵。工作水泵應(yīng)能在20 h 內(nèi)排出一晝夜正常涌水量；工作水泵和備用水泵應(yīng)能在20 h 內(nèi)排出一晝夜的設(shè)計最大排水量[13]。備用水泵能力不小于工作水泵能力的50%；檢修水泵能力不小于工作水泵能力的25%。防治水措施風(fēng)險等級劃分見表12。采用大井法對不同標(biāo)高的礦井涌水量進行了預(yù)測，通過計算可知，1 890 m 水平正常涌水量為4 257.52 m3/d，最大涌水量為7 663.53 m3/d?，F(xiàn)階段井下設(shè)立的臨時水倉及抽排水設(shè)備能夠滿足涌水抽排水要求，并且制定了注漿堵水方案，目前已在1#膠帶斜井656 m 工作面采用水玻璃水泥漿注漿工藝，用于掌子頭前方地段連續(xù)注漿堵水作業(yè)，判定防治水措施風(fēng)險等級為IV 級。

表12 防治水措施風(fēng)險等級劃分Table 12 Risk gradation of water control measures

10）通風(fēng)方式及設(shè)備。通風(fēng)設(shè)備選取的合理性是影響井下施工安全的重要因素之一。機械通風(fēng)風(fēng)險等級劃分見表13。目前基建期間，昆陽磷礦二礦掘進工作面采用JK58-1NO4.0 型局扇（5.5 kW），獨頭掘進工作面較長的工作面采用壓、抽混合式局部通風(fēng)，1 臺5.5 kW 局部通風(fēng)機配1 臺11 kW 局部通風(fēng)機，現(xiàn)場工作面施工通風(fēng)順暢，判定機械通風(fēng)風(fēng)險等級為IV 級。

表13 機械通風(fēng)風(fēng)險等級劃分Table 13 Risk gradation of mechanical ventilation

11）井巷工作面風(fēng)速。井巷工作面風(fēng)量、風(fēng)速與局扇選取有關(guān)，風(fēng)量與風(fēng)速的合理性關(guān)系到井下工作面的施工安全。井巷工作面風(fēng)速風(fēng)險等級劃分見表14。昆陽磷礦二礦掘進工作面最大斷面為16.58 m2，工作面為獨頭掘進時，風(fēng)速為0.3 m/s，判定井巷工作面風(fēng)速風(fēng)險等級為II 級。

表14 井巷工作面風(fēng)速風(fēng)險等級劃分Table 14 Risk gradation of wind speed in roadway working face

12）施工前氣體檢測。井巷工作面施工前必須進行氣體檢測，否則易造成炮煙中毒等事故。施工前氣體檢測風(fēng)險等級劃分見表15。昆陽磷礦二礦嚴格按照規(guī)范進行作業(yè)面氣體檢測，判定風(fēng)險等級為II 級。

表15 施工前氣體檢測風(fēng)險等級劃分Table 15 Risk gradation of gas detection before construction

13）應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)急預(yù)案是礦山面臨突發(fā)事件處置應(yīng)對的依據(jù)。應(yīng)急預(yù)案風(fēng)險等級劃分見表16。昆陽磷礦二礦根據(jù)設(shè)計建立安全管理機構(gòu)，制定安全生產(chǎn)責(zé)任制，詳細規(guī)定各級人員和部門安全生產(chǎn)職責(zé)。2022 年6 月發(fā)布實施《云南磷化集團有限公司昆陽磷礦二礦生產(chǎn)安全事故應(yīng)急預(yù)案》，對施工期間各類事故的應(yīng)急準備、應(yīng)急保障、應(yīng)急響應(yīng)、現(xiàn)場處置搶險和救援做了相應(yīng)的專項預(yù)案；2022 年9 月24 日發(fā)布實施《昆陽磷礦二礦巷道掘進頂板（邊幫）分級及支護管理辦法》，提高昆陽磷礦二礦巷道掘進頂板（邊幫）控制能力，提出具體頂板管控措施，切實把工程技術(shù)、業(yè)務(wù)保安落實到基建期巷道掘進頂板管理工作中，旨在有效防范和遏制冒頂片幫事故發(fā)生，實現(xiàn)安全高效掘進。工程施工的全部過程進行防治水工作，探水選用探地雷達和鉆孔探水相結(jié)合的方法探水。工程處在穩(wěn)定的礦體頂板隔水層，一般巖性為砂巖、頁巖、泥巖等，為防止構(gòu)造導(dǎo)水及附近鉆孔等不確定因素，采用探地雷達進行探水，在雷達成果反應(yīng)異常地段采用鉆孔驗證方可掘進；巷道處在礦體頂?shù)装逯苯痈缓畬又?，易發(fā)生較大涌水，為防止透水，采用鉆孔探水，先探后掘。綜上分析，昆陽磷礦二礦應(yīng)急預(yù)案及管理制度健全，判定應(yīng)急預(yù)案風(fēng)險等級為IV 級。

表16 應(yīng)急預(yù)案風(fēng)險等級劃分Table 16 Risk gradation of emergency plan

3 結(jié) 論

通過查閱大量文獻及參照相關(guān)規(guī)程，對處于基建階段的昆陽磷礦二礦井巷致災(zāi)因素進行了辨識及風(fēng)險等級劃分，得到以下結(jié)論。

1）建設(shè)期間，井巷工程可能存在井巷失穩(wěn)破壞、突水、基建通風(fēng)系統(tǒng)不完善導(dǎo)致通風(fēng)不暢三種隱蔽災(zāi)害。

2）對可能導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的13 種致災(zāi)因素進行了等級的定性劃分，通過現(xiàn)場調(diào)查進行評價后，認為圍巖松散破碎及豐富的地下水是礦山目前建設(shè)期間的主要風(fēng)險源。

3）針對風(fēng)險因素的等級劃分，建議礦山后續(xù)開展巷道破壞機理研究，針對性采取支護措施，加強探放水工作，不斷完善井巷安全管理措施、風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案。