深井大规模矿床开采岩爆控制策略研究

杨志国，王鹏飞

（中国恩菲工程技术有限公司，北京100038）

随着经济发展对矿山资源的需求，及浅部矿床资源逐步减少，国内矿山开采的深度日益增大。一些埋藏深、储量大的矿床相继出现［1～5］，如黑龙江岔路口钼铅锌矿，矿体厚大，总体呈穹窿状产于侏罗系中酸性火山岩、石英斑岩、花岗斑岩和隐爆角砾岩中，以全岩矿化为特征，延深大于800m，矿体控制宽度130～1760m，长2600m，垂直厚度150～970m，工业钼矿石量20．6亿t，金属量178．49万t，平均品位0．087%；安徽金寨沙平沟钼矿，探矿权内的钼矿（332＋333类）矿石量15．82亿t，钼金属量227．48万t，平均品位0．144%，其中工业品位矿石量11．19亿t，钼金属量205．84万t，平均品位0．184%，矿体长1350m，宽900m，最大见矿厚度945．15m，平均厚度661m，赋存标高＋142．72～－942．35m；辽宁本溪市思山岭铁矿，盖层厚度404～1445m，矿体埋藏深度404～1934m，赋矿标高－134～－1713m，矿石自然类型主要为磁铁矿石和赤铁矿石，为沉积变质型铁矿床，矿体分布于勘查区中部6～9线之间，控制铁矿带东西沿长1500m，南北平均宽度960m，最大垂直深度1580m，工业矿体总厚度789．29m，矿体平均厚度246．84m；辽宁本溪大台沟铁矿，矿体埋深1100～1200m（标高－900～－1000m），控制矿体最低标高－1770m，矿体长度预测约4．5km，矿体厚度巨大，平均水平厚870．68m，为一厚板状、陡倾矿体，目前，控制的资源量达38亿t，远景储量超过100亿t，是迄今为止，世界上最大单体铁矿床，矿石开采规模一期为1500万t／a，后续将达6000万t／a；其他如山东莱芜矿业公司济宁铁矿等，这些矿床均具有埋藏深、厚度大、面积广的特点，并且开采设计生产规模在千万吨／年以上。据推算在地下1000m时，最大主应力值大约为50MPa，地下2000m时，最大主应力值大约为90～100MPa，布置在坚硬、脆性岩体中的井下采矿工程，在高应力作用及大规模采矿作业影响下极易发生破坏，主要表现为：顶板的突然大面积片落、或塌落，巷道局部地区的瞬间变形和垮塌，井筒或矿柱的突然变形和破裂等。

从国内矿山的开采情况来看，矿山的开采深度基本保持在1000m，大部分矿山都处在岩爆发生的平静期，而只有少数的矿山进入了岩爆发生的过渡期，随着一批大规模矿床的设计开采，可以预见在未来的十年内，我国矿山的开采深度将步入1500～2000m，即将面临高应力诱发的岩爆问题［6～8］。频发的岩爆灾害将直接制约着矿山的生产规模，如果不采取与高应力环境相适应的采矿工艺与技术，势必遭受较大的地压灾害，严重阻碍矿山的正常生产，并且带来采矿成本的升高，有时甚至导致局部工作面以及整个矿山的关闭。如何应对深井高应力作用下岩爆发生的灾害，确保矿山千万吨／年的生产规模，将是采矿工作的重点，因此制定系统的高应力区采矿战略，对深井大规模矿山的安全开采将尤为重要。

1 工作程序的制定

对于深埋大规模硬岩矿床开采，工作程序主要分为两个阶段［9～13］。

1．1 设计阶段的工作程序。

设计阶段主要以矿床开采技术条件为基础，主要包括矿体赋存形态、开采深度及原岩应力、围岩性质、地质构造等，从井下采矿工程的布置，采矿方法选择及开采顺序的制定，整体支护方式的设计等方面入手，按照设计原则开展工作。合理的工程布置、回采顺序及采矿方法等虽然不能完全消除潜在岩爆的发生，但在一定程度上能够减少高应力作用诱发岩爆灾害的次数，降低矿山开采的风险。另外在设计中根据采矿回采范围需要采用先进的微震监测系统，以实现未来生产中井下回采活动引起的采区应力场变化规律的实时监测。

1．2 生产阶段的工作程序。

即矿山日常微震风险管理计划制定，通过建立实时监测系统，进行调查、分析和识别即将发生的岩爆危险，以及开展井下作业人员特定工作环境下技能的专项培训工作，尽力控制井下人员的作业活动，使其熟知工作环境，并远离岩爆发生地及时间段。

以上的工作程序具体内容见图1，通过实施有序、多步骤的预防和控制工作，降低高应力采矿岩爆等灾害的产生。

2 设计阶段的工作程序

设计阶段，主要以矿床开采技术条件为基础，井下工程布置，采矿方法及开采顺序选择，支护方式等要遵守设计原则，尽量减少岩爆灾害发生的次数，降低矿山开采的风险和损失，其具体内容如下所示。

1）井下采矿工程应采用有序的长壁式开采几何布置策略，使采场的长轴与原岩最大主应力平行，或成小角度相交；井筒布置在矿体的底盘，井筒或巷道等工程应避免与岩墙、断层、地层层位或地质单位等地质结构相交。

2）采矿方法选择应遵循高强度、少灾害的原则，并便于调整；为了避免高应力集中引起的矿柱岩爆或难以回收问题，应尽量采用不留矿柱的连续采矿方法；应采用高强度回采，即快采、快出，并及时充填采场空区；人员不进入或少进入采场。若采用非充填采矿方式，由于开采深度及应力的增加，使岩爆发生的频率急剧增大，对生产造成很大影响，应及时调整转换为充填的采矿方式，并针对应力的变化情况，及时调整采场的结构参数。

3）矿床存在大断层结构的条件下，开采应背向断层方向推进；对倾斜层状矿体，开采应从底部开始，然后向上和两边，确定合理的采矿工作线角度，形成一个金字塔形状，以避免形成矿柱；沿矿床走向开采应从中间向两翼推进，生产活动区域内要避免形成局部的矿柱；盘区内采场采用间隔回采时，应避免二步骤回采时矿柱出现拉应力。

4）支护方式应以承受岩爆等灾害产生的动载荷设计，使支护系统具有一定的塑性，以承受岩爆发生时工程围岩体产生的大变形；并且支护形式应根据实际效果进行及时调整。

5）由于爆破后生产活动区域内地震事件发生频率的增加，极易造成作业人员伤害事故，要求生产爆破应尽可能在交接班时进行，并限制附近作业人员数量，降低作业人员在危险空间的暴露。

3 矿山日常风险管理计划初步制定

3．1 现场情况调查分析

以井下发生的破坏岩爆为对象，进行现场的调查分析与数据记录，研究岩爆发生的机制和采矿活动的关系，建立破坏事件的数据库，为下一步监测分析奠定基础，其主要工作内容如下所示。

1）事件震级大小、位置

2）产生破坏位置的地质情况，主要包括：①岩体类型②主应力大小③地质构造情况等，以及与发生地震事件的距离。

图1 深井大规模矿床开采的工作程序

3）破坏表现形式，主要包括：①巷道或硐室等帮壁临空面岩体弹射、抛掷，顶板破裂或塌落等，②破坏影响范围，垮落岩石的最大块度，以及垮落岩石量的估测，③顶板支护形式的破坏等。

4）岩体产生的噪音，爆裂声、隆隆声、噼啪声、突然巨响及其他等。

5）震动影响，井下、地面的震动情况。

6）发生的前兆或历史事件。

依据上述工作内容可以制定矿山井下地震事件的现场调查情况表，最终汇总至地震事件的数据库，便于分析和制定矿山井下微震风险管理方案。

3．2 监测系统数据分析

对于矿山生产中发生的岩爆，可以实施初期的调整应对策略，然后根据需要，建立地压监测方案，对于深井大规模矿山来说尤其是要建立实时的微震监测系统，基于地震事件波形的分析与分类，建立地震事件数据库，并进行地震事件数据的分析工作，以指导井下生产活动。

根据时间划分不同的分析阶段：短期如日分析、周分析，中期如月分析，长期如年分析等；另外也可进行井下特定事件及区域的分析，如典型较大震级的破坏事件，地质构造活化或爆破后分析等。

对于矿山日常地震数据的分析，应完成以下主要工作。

1）基于三维可视化技术，圈定地震活动的集中区域。①断层、岩墙等地质构造活化区域；②大的破坏事件发生区域；③残留矿柱、底柱及其他等特定区域。

2）地震事件时间分布规律及空间分布规律与采矿活动关系。①地震事件时间分布规律与采矿活动关系。主要包括采场爆破后地震事件的时间分布，地质构造地震事件的时间分布和采矿工作区地震事件的时间分布等。②地震事件空间分布规律与采矿活动关系。主要包括地震事件平面分布、剖面分布及构造面分布等。

3）基于地震事件的量化处理，进行地震参数曲线分析。①地震事件大小及发生频率分析；②以视在体积、位移与时间曲线等为主的岩体变形规律分析；③以能量指数与时间曲线等为主的岩体应力场的变化规律分析。

最终对反映工作区域岩体应力及应变情况的地震事件进行归类，研究生产过程中岩体的变化规律，以便掌握井下应力场的状态，以及为进行风险预测做准备。

3．3 地震活动风险预测

综合多个地震参数的变化规律分析，对采矿工作区域内未来一段时间内的风险进行判定。依据主要为应力水平、发生频率、位移等的变化情况，并结合回采矿体产量情况，可以采用多种手段，得出危险等级，具体可依据地震事件风险预测流程（图2）。

1）主要依据：地震数据库中包括的①地震事件的发生频率及震级大小，②应力水平，③变形量等。

2）风险预测：①发生地震事件的风险震级大小，②主要的发生位置，③破坏等级等。

图2 矿山地震事件风险预测流程

3）采取应对策略。具体见图1深井大规模矿床开采的工作程序中生产阶段的第4步，即控制技术包括的内容。

4 结 论

针对国内即将进入大规模矿床开采的现实和面临深部开采诱发的岩爆等地压问题，本文初步制定了大规模矿床采矿的工作程序，主要分为两个阶段：①设计阶段，分析了应遵守的基本原则；②生产阶段，初步制定了矿山日常地震风险管理计划，上述工作程序的制定为矿山工作者提供了指导，大规模矿床开采时可以通过采取以上两个阶段的应对策略，降低岩爆发生造成的损失，保证矿山的正常生产。

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