深井开采工程地质灾害与防治措施

谢晓斌，陈辉，李想，杨庆明

(江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000)

深井开采工程地质灾害与防治措施

谢晓斌，陈辉，李想，杨庆明

(江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000)

由于国内对地下矿产资源的开发利用的增加，深井开采成为深部矿产资源开发利用的主要方式，深井开采过程中由高地应力、高地温和开采扰动等问题引发的主要工程灾害也越来越受重视。文章主要对有色金属矿山深井开采中所遇到的巷道围岩变形、采场地压显现、岩爆、矿井热害等相关地质灾害进行了详细分析。借鉴国内外相关实践和理论经验，通过对这些相关地质灾害防治方法的深入地研究，提出了合理的解决方案和建议，为矿山企业深部采矿工程实践提供理论指导。

深部采矿;地压显现;岩爆;矿井热害;防治措施

1 引言

矿产资源是我国国民经济发展和国家安全保障的物质基础，但由于近年来我国对矿产资源需求量的增长和对浅部矿产资源开采力度的不断加大，使我国浅部地下矿产资源量日益减少。因此，加强对深部矿产资源的勘探和开发利用是矿产资源开发的必然趋势。

在我国，开采深度小于300m，为浅部开采，开采深度介于300～600m，称为中等深度开采，开采深度在600～900m及以上，为深部开采［1］。伴随着开采深度的不断增加，采矿作业环境也更加恶劣，由深井开采所带来的高地压、高地温和开采扰动等工程地质灾害给采矿工作增加了大量难题。因此，加强深部采矿所带来的一系列工程灾害问题的研究对深部矿产开采作业具有重要的指导意义。

2 金属矿床深部采矿主要工程灾害

2.1 巷道围岩变形增大

随着开采深度的增加，巷道围岩所受的各种压应力、剪应力也相应增大，伴随着巷道开挖工作的进行，围岩中地应力重新分布，当巷道围岩所受地应力强度超过围岩所能承受强度极限时，巷道将因围岩产生大的变形而发生破坏。即因开采深度的增加使巷道地压显现的可能性及强度都随之增大。巷道变形破坏的主要方式为:巷道底臌量增大、巷道断面缩小和巷道支护设施破坏。巷道的变形破坏不但增大了维护工作量，还使矿山企业蒙受了巨大的经济损失。同时也给运输安全留下了重大的隐患［2］。巷道变形破坏严重影响巷道内人员、矿产资源和物料的运输安全，增加了巷道的支护成本和人力、物力、时间的消耗。

2.2 采场地压显现剧烈

岩体被开挖以后，原岩应力平衡状态发生了改变，岩体中段应力状态重新分布，产生了次生应力场，使巷道或采场周围的岩石发生变形、移动和破坏，这种现象称为地压显现［3］。由于开采深度的增加，采场上覆岩层自重应力和其他应力也随之增大，深部围岩在高应力环境下也可能产生脆～延转化，从而使采场围岩稳定性降低、产生的位移量增加、采场地压显现更加剧烈。由于每个矿山的矿床赋存条件和选择的采矿方法不同，采场地压显现的方式也不尽相同，采场地压显现的主要方式包括:采空区顶板的下沉和坍塌、顶底矿柱或间柱的变形垮塌、采场顶板的冒落、冲击地压和岩层错动等。采场地压显现会导致采场条件恶化，严重威胁生产人员和生产设备的安全、影响矿山企业的安全生产。

2.3 岩爆强度和频率增加

岩爆一般是指坚硬、脆性围岩受到地应力释放及开挖扰动的影响时，应力重新分布，导致其径向约束力卸除，切向应力骤然增加，使岩石内部存储的弹性应变能急剧释放，以致产生岩石爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象［4］。伴随着开采深度的增加，储存于岩体内部的弹性应变能也相应增大，岩体在开挖后，围岩应力分布状态发生改变，当岩石被挤压的力度超过所能承受弹性极限时，积聚在岩石内部的能量迅速释放，从而引发岩爆［5］。岩爆的发生机理十分复杂，国内外现有的结论可以解释一些实际问题，但有些现场问题并不能用这些结论进行合理解释。如在南非金矿的深部开采中得到的坚硬岩层具有明显的时间效应，但这种岩石的样本在试验室中却几乎观测不到时间效应［6］。岩爆直接威胁生产人员和生产设备的安全，严重影响矿山安全生产，是深井采矿中重要影响因素之一。

2.4 矿井热害影响严重

在深井开采中，由于作业温度的升高，矿井热害也越来越严重。矿井热害(heathazardinmine)是指矿井内环境气温超过人体正常热平衡所能忍受的温度，导致劳动效率降低、事故频率增加、健康受损，甚至中暑休克的现象［7］。

矿井热害的主要热源包括:

(1)地热的影响:据统计，自地表以下，标高每下降100m，温度平均升高3℃。在地热异常区域，温度随深度的增加而升高的更快，地热成为深井开采高温的主要原因。

(2)入风气温影响:在我国南方的大部分地区，由于夏季温度比较高，造成矿井入风气温过高，也是影响深井高温的一个重要原因。

(3)采矿机械放热:由于科技的发展，大型器械在深井中的运用越来越广泛，而机电设备放热也是深井开采中不可忽略的一部分。

(4)其他影响因素:人体散热、爆破、生产用水、充填料放热等。

当深井内作业环境温度过高超出人体正常所能忍受的温度，会使井下工作人员注意力分散、劳动率降低。严重时会引起工作人员中暑休克，从而严重影响安全生产和工作人员的身体健康。

3 深部采矿相关工程灾害的防治

3.1 巷道变形防治技术

3.1.1 合理设计矿区开拓和巷道布置

在矿区规划的过程中，对矿区开拓和巷道布置的合理设计能有效地减少在深井开采中巷道支护的难度和成本。其主要方法有:

(1)利用对矿田的合理整合，以减少矿田中矿井、水平、采区的数量，简化工作面，减少巷道数量，在降低开拓工作量和成本的同时，减少需支护巷道的数量，从而降低矿区内巷道的支护成本。

(2)合理的布置巷道位置，巷道布置尽量避开不良工程地质地段，增加巷道围岩的稳定性，或将巷道布置在预采矿柱的采空区内(卸压区内)，以方便巷道维护，降低巷道维护成本。

3.1.2 改进巷道爆破技术

巷道掘进工作应尽量降低爆破对围岩的影响，保持围岩的稳定性。良好的巷道掘进爆破工作可以有效地减少围岩收敛变形量、降低后期巷道维护难度和维护成本。保证巷道掘进爆破质量的主要措施包括:严格控制巷道掘进时的炸药使用量，尽量减小爆破震动对巷道围岩的影响;对炮眼进行合理布置，增加炮眼数量，且周边眼不装药，以保证巷道一次成型的条件下降低爆破产生的应力波对顶部围岩的影响;爆破前利用超前控顶锚杆对巷道顶部围岩进行控制，以保持爆破后顶部围岩的稳定性［8］。

3.1.3合理安排对巷道围岩地支护工作

合理地设计支护工作可调整围岩中的应力分布、减小地围岩自由变形，有效地防止松散岩体的坠落。在巷道爆破成型后及时进行支护，可以在巷道成型后用锚杆、锚带网进行围岩的支护以缩短围岩的悬露时间。实践证明，巷道在锚网支护后10～15d出现剧烈变形，巷道两帮移动量最大达1000mm，之后巷道趋于稳定。因此，在巷道掘进中，应合理地预留巷道断面变形量，对巷道的支护工作应该尽量避开应力峰值点［8］。然后以注浆的形式对巷道围岩进行封闭处理，以防止岩石的风化、填凹补平避免应力的集中、防止锚杆间危石的掉落。在地应力比较大的区域还可以用被动的支护形式如利用木棚支架、钢筋混凝土支架等进行巷道围岩的支护。

3.2 采场的地压控制

对于深井中采场地应力强的特点，国内主要应用以下几种方式进行对采场地压的控制:

(1)采场结构的优化。对采场结构的合理设计和结构参数进行优化，可以加强对采场中围岩中的控制，避免围岩中应力的集中释放。对采场结构进行合理的优化能够避免围岩应力的集中，有效降低采场发生地压显现的次数和强度，从而降低采场地压显现对采矿作业的影响。保证采矿布局的合理性的主要方法有:①优化采场结构参数;②对空区地压进行科学有效的管理;③合理安排回采顺序。

(2)科学判断采场可能的破坏形式，并进行合理的支护。利用相关数值软件对采场进行数值模拟可有效、科学地预测采场的地压显现模式，从而对地压显现模式进行科学、准确的判断。根据采场的地压显现模式判断结果，可以确定相应的采场支护手段，以保证采场支护工作的有效性，提高采场围岩的稳定性。

(3)采场地压的监测。及时地掌握和更新采场围岩变形、应力的分布状况和岩体的各项物理力学参数，可以为采场的数值模拟提供科学、准确的数据，保证采场模拟的准确性，从而可以确保支护工作的有效性。

3.3 深井岩爆的主要防治措施

3.3.1 高应力区的监测和控制

高应力区是岩爆的高发区，对高应力区的检测与控制可以有效的控制和避免岩爆的发生。主对工作面进行处理，可以对高应力区工作面前端的围岩进行合理的爆破，使围岩应力的分布，避免应力的集中;利用浆液减少断层面中的正应力或利用浆液支架矿柱，从而诱发断层面有控制的滑移，达到应力适当释放的效果，从而避免应力集中释放而发生岩爆［9］。

3.3.2 对采空区高应力控制

深部采矿过程中，可以充分利用支护、充填等方式来减少岩爆现象发生。即在回采工作完成后对采空区进行合理处理如:利用支柱、顶梁等设施对采空区进行支护、对空区进行及时充填。加强对采空区围岩应力的控制，及时对采空进行封闭，待空区稳定后适时进行支护或充填，并对采空区围岩进行科学地监控，从而有效的降低空区围岩受爆破引起的矿震的影响，控制采空区的应力分布，避免地应力的集中。降低岩爆的发生频率及强度。

3.4 深井热害的防治

根据对热源的控制和降温方式可把深井热害的防治方法分为减少热源法、加强通风法、制冷空调降温法、个体防护法和其他降温措施。

3.4.1 减少热源以降低井下温度

(1)减少岩层热量散发。利用在岩壁上喷护的隔热物质，减少围岩中热量的传入。

(2)加强对机械热的控制。合理选择和安排井下矿山机械，尽量选择高效率的井下矿山机械，减少井下的机械热量，合理安排固定机械的位置，便于对其产生的机械热的集中处理。

(3)改善热水系统及加强对管道热点控制。为了防止高温排水管和热压风管将热量带入井下工作区，应尽可能地将高温排水管和热压风管架设在回风道中，并且超前对热水进行疏排或经有隔热设施的管道导入水仓。

(4)减小爆破热对采矿作业的影响。井下爆破会产生一定的热量，这些热量不能马上由回风巷道排除，为了尽量减小爆破产生的热量对井下工作人员的影响，应尽量把爆破工作和人员作业的时间错开。

3.4.2 加强通风以降低温度

通风降温的实质乃是以增大供风量的方式，使井下作业地点气温降低到国家有关规程规定的温度范围之内，从而为井下作业创造一个适宜的温度环境［10］。通过建立良好的通风系统，可以有效地缩短入风线路的长度、减小通风巷道风阻，同时通过增加入风量、提高风速、降低入风流温度，可以使深井下的热量尽快排出工作面，从而保证工作面适宜的作业温度。

3.4.3 利用人工制冷降低温度

利用人工制冷方式对井下进行降温是当代矿井控温的一种新方法，当其他降温方式成本过高或效果无法达到作业环境的要求时，可以考虑利用人工制冷方式进行降温。目前国内外普遍采取人工降温方法对井下温度进行控制。人工制冷降温的关键技术是制冷、输冷、传冷和排热，及对降温系统的控制［11］。具体相关实例如图1。

图1 人工制冷控温系统图

3.4.4 个体防护

在作业地点比较分散、集中降温困难的情况下，利用个体防护方式可以有效的保证工作人员的安全生产、有效降低降温成本。近年来，随着科技的发展以及人们工作条件的改善，借鉴国外先进经验和技术，我国在该领域的研究也正在取得显著进步。目前，我国已制订了部分行业的热防护服性能要求，已制订和建立了热防护服阻燃性能测试方法和系列标准［12］。

3.4.5 其他降温措施

除了以上控制井下温度的方法，还可用其他的降温措施对井下的温度井下控制如:采用井口喷冷水等方法降低经过入风口的空气温度，从而控制矿区井下温度;短时间的局部作业可利用喷雾或放置冰块的降温方法;对于特殊的作业环境条件可以地使用其他的低能耗、高效率的降温方式。

4 结论

随着人类对有色矿产资源的需求量的大大增加，矿井的开采深度将不断加深，而深井开采所带来的问题也将更加的突出。如何解决这些问题将是提高资源开采能力和保证开采安全的决定性因素。本文对深部金属矿床开采中所遇到的主要工程灾害进行研究，分别对巷道围岩变形、采场地压显现、岩爆、矿井热害等工程灾害的成因等作了详细的分析，根据对深井采矿的特殊地质环境影响因素的研究，总结出了一套比较完整的深井工程灾害的防治方案，为矿山企业解决深部采矿过程中所遇的实际工程问题提供理论依据和方法参考。

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The Geological Disaster and Prevention Measures in Deep Mining Project

XIE Xiao－bin，CHEN Hui，LI Xiang，YANG Qing－ming

(Faculty Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China)

With growing exploitation of underground mineral resources in our country，deep well drilling becomes the main way of deep mineral resource development and utilization.The Main engineering disasters in deep well drilling process which caused by high geostress，high geothermal and mining disturbance are more and more valued.This paper detailed analyses some related geological disasters in deep well drilling process，such as the stope drift wallrock deformation，stope pressure appeared，rockburst and mine heat hazard etc.Referring to relevant practice and theory experience home and abroad，the paper puts forward reasonable solutions and suggestions which provide theoretical guidance for deep mining engineering practice of mine enterprise by penetratingly researching the prevention measures of related geological disasters，.

deep mining;ground pressure appeared;rockburst;heat hazard in mine;prevention measures

TD327

C

1009－3842(2011)06－0021－04

2011－06－02

谢晓斌(1987－)，男，江西赣州人，江西理工大学硕士研究生，研究方向为采矿工程。E－mail:270234301@qq.com