金属矿山深井开采过程中的顶板事故浅析

孟中华,卢立松,耿立峰

(1.长沙矿山研究院安全中心, 湖南长沙 410012;2.保利矿业投资有限公司,北京 100010;3.宽城建龙矿业有限公司, 河北承德市 067601)

金属矿山深井开采过程中的顶板事故浅析

孟中华1,卢立松2,耿立峰3

(1.长沙矿山研究院安全中心, 湖南长沙 410012;2.保利矿业投资有限公司,北京 100010;3.宽城建龙矿业有限公司, 河北承德市 067601)

对有色金属矿山深井开采过程中的顶板事故进行了分类,并对其产生的原因进行了分析。阐述了深井开采过程中进行顶板管理研究的重要性,并对国内深井开采的金属矿山顶板管理研究现状进行了总结,提出了实施顶板动态分级管理的研究方法和不同级别顶板的处理措施。

深井开采;冒顶;岩爆;顶板管理;动态分级;地压监测

1 深井开采顶板管理研究的意义

矿产资源开发向深部发展是浅部近地表资源消耗殆尽的一种必然趋势。目前我国大多数专家将开采深度超过800m的称为深井开采,将开采深度在300～800m的称为中深井开采,将开采深度小于300m的称为浅井开采。深井开采将带来一系列的安全问题,主要有顶板冒顶、岩爆、高温及地震活动等,其中以顶板冒落和岩爆为主要危害。顶板事故是近些年来造成矿山安全生产事故的主要危险源,井下人员伤亡有近半是顶板事故造成的。因此,矿山安全最主要的是做好开采区域内顶板管理和围岩的稳定性维护(如采用合理的回采顺序和开挖步骤,采用合理而先进的技术手段加以控制),防止冒顶事故灾害。因而对深井开采的顶板管理进行全面深入研究,针对矿山的实际情况,采取具体合理的措施,解决顶板事故造成的重大人员伤亡事故,可为最大限度地开发矿山资源创造安全技术条件,对矿业发展有着极为重要的现实意义。

2 深井开采顶板事故类型

2.1 顶板事故类型

地下开采的巷道和空区顶板围岩的失稳和冒落的顶板事故按规模和区域主要分为局部冒顶事故和大范围垮塌冲击事故两类。

局部冒顶事故的特点是范围较小,每次伤亡人数较少,事故多发生在有人工作的工作面,其事故原因是已破坏的顶板失去依托而造成的,触发原因是工作面作业过程中未能及时支护已露出的破碎顶板。

大范围垮塌冲击事故的特点是面积大、来势凶猛、后果严重,不仅严重影响生产,往往会导致重大人身伤亡。事故原因是直接顶和老顶大面积垮塌,该类事故的形成和影响因素较多,但归根结底其最主要的触发因素是井下岩体承压破坏加剧和岩层位移累计变形达到临界点时的突然爆发。这类事故就其作用力的始动方向又可分为推垮型、压垮型和冲击垮落型几类。推垮型主要是指沿走向推进工作面时发生的矿柱承压破坏倾倒连带顶板垮落的事故;压垮型主要是指在大规模空区附近发生的压垮破坏型事故,这主要是由于垂直于顶底方向的作用力压碎、压断或压弯矿柱其力施加于直接导致上覆顶板垮落造成的;冲击垮落型顶板事故主要是重叠空区上部老顶首先破坏垮落,并对下部顶板或紧邻空区间柱产生冲击作用力,致使下部多空区的顶板折断,造成空区间连带性的多空区垮落,形成大面积冲击垮塌事故。

2.2 造成顶板事故的原因

(1)由于矿山井下地质条件复杂,各采场周边环境不一,对不同采场顶板所采取的管理措施也不同,因此造成井下不同区域采场的顶板管理困难。尤其是矿体转折变化幅度大的矿山,其围岩的工程地质条件更加复杂,再考虑矿体转折区域的强大的构造应力影响,其顶板管理更为困难,时常造成不同类型的顶板伤害事故。

(2)地质构造的发育程度对岩体的稳定性起着主导作用,构造面、节理、裂隙等地质弱面对矿岩体的切割破坏了矿岩体的连续性,降低了矿岩体的强度,经常造成采场顶板大面积的冒顶。

(3)空区的存在破坏了矿岩体的完整性,导致部分区域应力集中,造成空区附近采场及巷道的顶板冒落和片帮。空区的不同处理方式对围岩的影响程度也较大,事实证明胶结充填能给矿柱及围岩一定的围压,提高围岩抗压强度,并在很大程度上减轻围岩的应力集中,减少围岩的承压破坏,可以从根本上降低顶板破坏程度,减少冒顶事故发生。

(4)由于断层破坏了矿体与围岩的连续性,当回采工作面临近断层时,围岩及矿体对采场顶板的约束作用减弱,使顶板容易发生冒落。

(5)井下采掘工程的开挖破坏了原岩应力的自然平衡状态,导致岩体内部应力重新分布,尤其随着采矿工作面的逐步推进,采场每回采一个分层或前进一个步距,都会再次扰乱岩体内部应力分布,致使采场顶板及周边围岩内的应力调整不断变化和持续,最终在采场上下盘围岩及采场两翼矿柱中产生应力集中,在采场顶板部分区域形成拉应力区,造成顶板的拉裂破坏和围岩的承压破坏。

(6)深井岩爆是矿山深井开采过程中,深部岩体的一种有一定破坏性的应力释放,其弹性势能的释放有大有小,部分较大岩爆事件可对工作面顶板造成破坏,并造成一定的伤害,甚至影响整个井的正常生产作业,同时深井岩爆也是井下地压活动的一种表现形式。此外,部分矿区位于大规模的区域性破碎带周边,或与破碎带交叉位于破碎带区域内,还有部分矿区位于地壳板块边缘,处于地震活动带上,当地震发生时,地震波的强烈扰动会导致井下大范围区域岩体的应力波动,加剧顶板和围岩的破坏程度,诱发顶板事故和一系列地压活动。

2.3 顶板事故对矿山的影响

矿山顶板事故通常会造成井下人员伤亡和设备损坏。顶板事故大小不同造成的影响也不同,局部顶板事故造成的危害及影响较小,对矿山的生产安全造成威胁程度较小;大面积顶板事故发生后可能导致更大规模的地压活动,可能影响到整个矿山的井下作业或造成重大事故,给矿山带来巨大的经济损失,同时造成部分资源浪费;当井下地压活动波及到地表时,可能造成地表塌陷,影响矿区的生产生活,恶化地表自然环境。

3 国内研究现状

矿山相关规程规定矿山井下作业人员必须在顶板安全的作业条件下才能从事井下作业,以保障井下工人生命安全。而矿山的顶板管理和顶板支护措施以及其相关的科研工作是保证井下作业人员安全的基础工作,因此,国内多家矿山研究机构都对这一问题进行过研究。目前,井下的顶板管理和地压监测主要基于地质构造、工程地质稳定性分析等基础性岩体力学研究结果,应用地质力学、块体力学、弹塑性力学、岩体开挖极限平衡理论、压力拱原理、面积承载理论、轴变论、分形理论、模糊数学综合评价与人工神经网络预测等理论方法,进行顶板稳定性分析、顶板监测、顶板分级管理、顶板诱导崩落等方面的研究。随着科技发展和理论的创新,采用合理而先进的技术手段对顶板和围岩破坏情况进行监测和控制,防止矿山井下顶板事故和其它安全事故发生的科学研究工作将会不断取得新突破和成果,使矿山的安全生产迈上新台阶。

4 顶板管理研究及措施

对于高应力复杂条件的深井矿山,需从采场顶板管理的基础工作出发,根据现场工程具体地质条件,采用数值分析、块体理论和工程地质稳定性计算等技术分析后,在顶板岩层支护、顶板处理和安全防护等方面采取积极有效的防治措施,确保井下掘进和工作面的安全。下面对目前采用的比较多的顶板管理方法、处理措施及监测手段进行简单的介绍。

(1)顶板的动态分级管理。依照采场顶板岩层及其围岩的工程地质调查研究结果、顶板围岩的稳定性分析结果及顶板岩体内构造面统计结果等基础资料,系统地对采场顶板岩层质量进行评价,然后根据评价结果对采场和工作面顶板进行分级,再根据顶板可能发生的事故的程度及影响范围进行分类,最后依据分类结果对同类型同级别顶板统一采取监测手段和制定顶板处理措施。当采场形成新的分层或工作面推进一定距离后,再次对工作面顶板稳定状态进行评价和分级。这样对井下各采场和工作面顶板进行动态的分级管理,并统一采取顶板处理措施(包括监测、控制、支护等),这样就可避免同类型顶板事故多次出现的状况,大大提高井下作业安全环境和顶板管理水平。

(2)复合破碎顶板管理。根据周边围岩工程地质条件进行预判,采取超前支护措施(锚杆支护、锚网支护);对掘进过程中出现的破碎区域及时进行支护,尽量减小顶板裸露面积和缩短破碎顶板的暴露时间;对硬岩工作面采取柔性支护措施,尽量避免支护体破坏的顶板事故和进行二次支护时的顶板伤害;注浆固化顶板技术,主要是将具有高度粘合力和很好的机械性能的马丽散聚亚胶脂产品注入岩层,低粘度液体混合物渗透岩层细小的裂缝,发生膨胀和粘结,从而将破碎区内松散岩石胶结在一起,有效地加固围岩松动圈,使之成为整体,改变围岩状态,提高岩体内摩擦角,增加岩体内聚力,增大岩体弹性模量,改善岩体的强度及刚度,提高围岩的整体承载能力,从而有效控制巷道顶板,防止超前垮落或发生冒顶事故。

(3)胶结程度较低的破碎复合顶板管理。这类顶板一般的支护措施效果均较差,应尽量避免这类顶板的揭露,无可避免时可采取超前支护,支护方式视这类顶板的强度和破碎程度而定。

(4)顶板监测。主要采用声发射监测、应力监测、位移沉降监测、钻孔光学窥视仪裂隙监测等手段,对顶板破坏程度、应力调整变化情况、位移变化和沉降情况、顶板破裂特征进行监测和测量。综合这些监测手段或部分监测手段的监测数据,对监测区域顶板变换情况进行判断,可以很大程度的了解顶板的破坏程度及其稳定状态,从而对顶板事故提前采取控制措施和防范措施,避免人员伤亡和设备损害等。

5 结 论

矿井采深的增加使得地应力和构造应力随之增大,使深井开采经常会遇到地质构造带、应力叠加及二次动压影响的复合顶板回采工作面,矿山开采技术条件也越来越难,随之而来的顶板问题也越来越多,给深井开采的顶板管理带来了全新的挑战和冗重的工作量。但是随着科技水平的不断提高和相关科研工作者不断探索及采矿工作者的不断努力,在深井开采的顶板管理、顶板支护、顶板监测和顶板事故防范措施等方面取得了多方面的成果和经验,提出了顶板动态分级管理、顶板稳定预判及超前支护等方法和措施,有效地减少了同类顶板事故在同一区域的发生,大大提高了顶板下作业人员的工作环境的安全程度。

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2004-04-26)

孟中华(1980-),河北人,采矿工程师,主要从事矿山岩石力学、地压监测等方面的研究工作。