基于矿山工程地质特点的岩爆防治措施研究

杨 敏 吝曼卿， 张电吉 彭亚利 万红元 田春满

(1.湖北兴发化工集团股份有限公司，湖北 宜昌 443700；2.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北武汉 430073)

随着浅层资源的逐步枯竭，矿山企业不得不向地下中深部开采。由于开采深度的增加，不可避免地会出现高地应力、断层等复杂地质环境[1]。此外，深部岩体在地下高地应力作用下进行开挖扰动时，围岩应力受开挖扰动影响而重新分布，随着采空区暴露面积逐渐增加，受开挖卸荷和复杂地质构造作用，使坚硬脆性岩体发生爆裂、松脱、剥离、弹射乃至抛射性破坏等岩爆现象[2-3]，严重威胁着井下的开采安全，给矿山生产造成极大的经济损失。

相关研究表明，岩爆的发生受多因素影响[4]，如开挖岩体的岩性、开挖临空面、矿山开挖方式、开挖环境、开挖路径等因素。其中，地应力和岩性对岩爆起着决定性作用[5-7]。本研究以宜昌某磷矿工程的岩爆特点为基础，通过详细记录和统计矿山开拓巷道和采场的岩爆现象，总结矿山岩爆发生的基本规律，结合矿山的地质环境与围岩特性，分析引起该矿山岩爆发生的主要原因，并从降低围岩应力集中程度和加强矿山安全管理措施对矿山岩爆进行防护。

1 矿山概况

宜昌某磷矿开采深度112.67～1 021.97 m，平均深度550 m。矿层连续稳定，呈缓倾斜向东南倾，倾角17°～25°。矿区顶、底板围岩稳定性较好，节理、裂隙不发育，但因矿层直接顶板为陡山沱组中上部的一层厚0.5～2.5 m的硅质白云岩，如图1所示，其具有硬度高、完整性好、易碎的特点。巷道掘进及回采的过程中，顶板岩爆频繁，给井下作业人员和设备造成了严重的威胁。

图1 矿区顶板硅质白云岩Fig.1 Siliceous dolomite on roof ofunderground mining area

2 矿山岩爆现象分析

岩爆的发生，不仅与所发生的岩性相关，还与岩爆岩体的应力环境和应力路径有密切关系[8]。矿山在开采过程中，因开拓巷道处与采场的开挖工况具有较大的差异，表现出的岩爆现象也存在不同。为更好地掌握该矿山的岩爆特性，分别对矿山开拓巷道和采区岩爆特性进行观察分析，见表1。

由表1可见，在矿山开采过程中，开拓巷道和采区都存在岩爆现象，岩爆主要出现在开挖影响区的顶底部，而仅在部分因开挖顺序造成高应力区，如即将贯穿的采切巷道附近或形成“孤岛效应”的矿柱侧壁，会出现岩爆现象。经对该地区相似矿山的受力及

表1 矿山开拓巷道与采区岩爆特性表Table 1 Rock burst characteristics between roadway and mining area

矿区破坏位置进行对比分析，此磷矿山主要受水平构造应力影响。

根据国内外岩爆的烈度分级标准[4]，岩爆的烈度可大致划分为轻微、中等、严重、剧烈4种。对比表1可知，在对巷道进行开拓时，在距爆破作业后2～8 h，距开挖掌子面10 m范围内的巷道顶板存在相对频繁的岩爆现象，岩体发出清脆的岩爆声音，飞溅出板状、片状或薄碎屑状岩体，岩爆后，在掌子面顶板形成凹形爆坑，如图2所示。说明该矿山在进行巷道开拓时，主要发生轻微岩爆和中等岩爆。

图2 开拓巷道掌子面附近岩爆爆坑和碎屑Fig.2 Rock burst fragments and its pit near theexcavation plane of roadway

而在采区进行作业24 h内，在距采场50 m范围内都会呈现频繁岩爆现象，岩爆声音清脆，但在矿柱附近岩爆发生时，声音沉闷，在临近矿房切割贯穿时，掌子面岩爆碎屑弹射飞溅可达5 m，伴有炸裂声。说明采场受开挖影响，发生了岩爆以中等岩爆和轻微岩爆，部分区域会出现严重岩爆。

经分析，由于开拓巷道的几何尺寸比采区的要小很多，受开挖扰动时，在开拓巷道附近围岩的集中应力程度要比采区的应力集中程度小很多，产生的岩爆范围相对较小。此外，从围岩应力的分布角度看，开拓巷道掌子面附近岩爆产生的主要原因是受掌子面开挖引发的岩体应力突然变化，掌子面附近围岩很快积聚了能量，这些能量达到一定限度时突然释放而形成岩爆。而对于采区，由于采区的开采范围相对较大，采区内布置矿柱对空区进行支撑，且岩体的开挖时间相对较长，引起采区围岩的应力不仅受开挖引起的应力集中，还因临近岩体的开挖扰动而产生的二次应力集中，采区爆破开挖扰动的应力波动在采空区内多次反射与折射，使得空区围岩受力多次叠加，因此，在采区呈现出的岩爆持续时间与烈度相对比在开拓巷道的大。

3 矿山岩爆的影响分析

3.1 矿山地质环境对岩爆发生的影响分析

相关研究发现[9]，地质构造中的弯曲和扭折等各种行迹以及褶皱区等，都可能是有很高封闭应力的部位。通过现场调研发现，矿山在810中段开采时，矿山岩爆现象相对明显。选取矿山某地质剖面图，如图3所示。

图3 矿山地质剖面图Fig.3 Profiles of mining geology

从图3可知，矿山在810中段附近岩体受逆断层F1影响，矿层构造层弯曲和部分褶皱现象，造成该处岩体具有较高的封闭应力，致使此处岩体相对矿山其他位置岩体具有较高的初始应力环境，因而，具有较高的岩爆倾向性，更容易产生岩爆。

3.2 矿山岩性对岩爆发生的影响分析

由于矿体在开采破坏过程中，开挖造成岩体的破坏是由岩石的受力情况和细观特征所决定[10-12]，从表1可知，发生岩爆后，岩爆碎屑多呈薄碎屑状、片状、透镜状或板状等。由于矿层直接顶板的一层厚0.5～2.5 m的硅质白云岩，如图1所示，其具有硬度高、完整性好、易碎的特点。为分析矿山岩性对岩爆发生的影响，利用SEM试验对磷块岩的岩爆碎屑进行微观形貌观测，部分岩爆碎屑放大5 000倍后的细观分析图及其对应的岩体组成元素图，如图4所示。

通过对矿山岩爆进行细观试验分析发现，含有硅质白云岩的磷块岩的岩爆碎屑细观结构均较致密。石英等脉石强度非常高，磷块岩晶界弱面为白云石与胶磷矿之间的接触晶界，受力晶界破坏多位于胶磷矿与白云石间接触晶界处发生，该现象与现场岩爆岩体为白云岩含量较高岩体的情况吻合。

由此可见，矿区顶板具有含硅质白云岩的岩体，其岩体具有硬脆，且细观结构致密，致使含有硅质白云岩的岩体在开挖扰动下，更容易积聚能量。此外，硅质白云岩主要分布在顶板，如图1所示，矿山在水平构造应力环境下，受开挖扰动作用，在白云岩与白云石与胶磷矿之间晶界弱面首先释放能量而破坏，致使含有硅质白云岩的岩体具有岩爆倾向性。

图4 部分岩爆碎屑细观分析图与组成元素图Fig.4 Macroscopic revolution and its compositionelements of rock burst fragments

4 岩爆防治措施

通过对矿山岩性和地质环境进行分析可知，受工程开挖地质环境、水平构造应力影响，在开挖环境下，顶底部岩体更容易产生应力集中；且在810中段附近岩体，因断层影响致使岩体初始应力环境较高。此外，矿山顶板因含有硅质白云岩，该岩体的存在增加了矿山顶部的岩爆倾向性，因此对矿山的岩爆防治措施主要应采取缓解应力集中的现场降压措施，还应采取加强矿区安全教育与隐患排查等安全管理措施。

4.1 岩爆防治的技术措施

(1)在进行采矿之前应先对工作面进行综合分析，合理布置采场结构，优化矿柱尺寸，避免平巷与斜坡道交叉口处形成的三角形单个矿柱，巷道轴线与最大主应力方向应平行布置；选择合理的开挖步骤，采取不完全开采和逐步开挖的方法，尽量避免形成“孤岛效应”，以减小围岩应力集中程度。

(2)在高应力及复杂地质环境处进行开采时，缩小掘进巷道的断面尺寸，巷道成型后掌子面上部超前，帮壁成倒梯形，采用短进尺、小药量爆破，优化炮孔参数与炮孔结构，降低开挖对围岩破坏程度；延长作业循环周期，采区间歇式作业，每作业0.5 h后，关停设备、停止作业10 min，对岩爆层采取局部放顶、机械撬毛等方式泄压处理，检查顶帮无异常再恢复作业；对于严重岩爆区在作业面爆破后禁止从事任何作业，停止24 h后进行下一环节的作业，以降低短时间的围岩应力集中而引发的冲击岩爆。

(3)由于硅质白云岩具有吸水性，在掌子面或高应力区经常喷洒冷水，凿岩、出矿前冲洗顶帮，可将围岩中的切向应力释放并转移到深部围岩中，降低岩体储存应变能的能力，降低围岩强度，进而减少岩爆。

(4)改变锚网锚杆支护方式，加强永久性支护，采用锚网锚杆、钢拱架等进行永久性支护；对于易岩爆区域、长距离切割处采用台车凿岩、撬毛机清排顶帮、装载机装矿、挖机配合，提高回采速度，缩短作业时间。

4.2 岩爆防护的安全管理措施

降低岩爆的发生，应采取必要的安全管理措施。首先，通过三级安全教育考试合格后上岗，提高矿井作业人员的安全意识，减少或杜绝矿井人员的不安全行为；严格控制现场作业的人数，严禁无关人员在作业现场逗留。其次，针对矿山岩爆特征，编制可操作性强的技术规程，规范现场作业。加强对顶板的隐患排查治理工作，强化对工作人员的各项安全操作的审查，落实应急救援制度。此外，对各生产环节必须落实《签字确认制度》，凡是进入井下工作的人员必须先检查、清理顶板及帮壁，认真搞好敲帮问顶工作，撬掉顶板悬矿、帮壁伞檐，清理顶帮时必须从外到里，沿帮壁依次推进；清理结束，经区域安全员检查并悬挂“准予作业牌”后，方可作业。回采结束后立即对采空区打密集的信号灯进行观察，并对采空区进行封闭。

5 结 语

(1)宜昌某磷矿在水平构造应力环境下，受开挖扰动作用，使含有硅质白云岩的岩体在开挖扰动下，更容易积聚能量。在白云岩与白云石与胶磷矿之间晶界弱面首先释放能量而破坏，表现出含有硅质白云岩的岩体更具有岩爆倾向性。

(2)由于开拓巷道的几何尺寸比采区的要小很多，受开挖扰动时，在开拓巷道附近围岩的集中应力程度要比采区的应力集中程度小很多，产生的岩爆范围相对较小。采区围岩的应力不仅受开挖引起的应力集中，还因临近岩体的开挖扰动而产生的二次应力集中，采区爆破开挖扰动的应力波动在采空区内多次反射与折射，使得空区围岩受力多次叠加，呈现出在采区的岩爆持续时间与烈度相对比其在开拓巷道的大。

(3)针对矿山特殊的初始应力环境与地质构造作用，对该矿山岩爆的防治，可通过优化采场结构、合理选择开挖步骤、定期围岩湿水、改善开挖方式及延长作业周期等缓解围岩应力集中的现场降压措施；此外，还应采取加强矿山的安全教育与隐患排查等安全管理措施。

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