矿山深部开采地层脆性断裂机理及防治

韩宏裕，赵 雨

（贵州开磷有限责任公司，贵州 贵阳 550302）

地层脆性断裂为巷道开挖以后引起开挖区域及周边矿体骤然崩坏的一类现象，地层脆性断裂出现时可听到围岩内部产生清脆的断裂声，矿体出现剧烈的脆性破坏且稳定性大幅下降，崩坏的矿石碎块会崩射出来，通常会导致开挖工作面、机械设备的严重受损以及人员伤亡事故。

1 矿山深部开采地层脆性断裂机理的理解

充分了解地层脆性断裂机理，有助于改善支护方案以及其他保护措施，从而减轻地层脆性断裂带来的损失和波及范围。通常来说，矿体的骤然动力损坏，引起地层脆性断裂与开采工作现场的损伤存在两类机理，即开采工作面周边的挤压型事故、出现在软弱结构面上的剪切型事故。任何事故的形成，都会使得应力岩体必定形成不稳定平衡状态，引起岩土的突发性破坏，诱发了急剧应力降低和矿震事故。发生矿震的一个潜在因素便是抵抗运动，受载岩体粗糙式的时效软化会引起矿区应力的增大[1]。引起断层面破坏的一类原因是：当围岩刚度处于一定范围内时，受到正应力作用的断层不断出现滑动移位，断层剪切强度持续下降。若是刚度较大，则会引起滑移的发生；若是刚度较小，便会使得系统处于不够稳定的状态，滑移突然发生，发散矿震能量。现场与实验室的调查研究为深入了解地层脆性断裂机理与探寻降低损失的措施提供了依据。比如，工作面中的高应力岩体由于开挖工作或是由于矿震事故的发生而形成的动态加载而受到干扰影响，产生地层脆性断裂。若是采取预爆破让工作面3m至5m以内的岩体软化，便能够防止此类矿震事故的出现。也可以采取抗地层脆性断裂支护方式，比如及时屈服液压支架，限制地层运动，维持岩石具有足够的内摩擦力（尤其是在长壁式矿场的采矿工作中）。

地质工程师基于其自身专业知识和数值模型，确定最优的周边地质结构的矿山开采顺序计划。当前最为常用的模型有ERR、ESS和体积闭合率等。Ryder认为，超过抵抗断层面上运动的动摩擦力的作用在断层上剪切应力能够提供对突发性剪切滑移的评价；Spottiswoode基于设定7. 5MPa的岩石内摩擦力与0.6的动摩擦系数，对计算的ESS和矿震事故频次、矿震能量释放量、地层脆性断裂事故与地质事故加以分析比较，对Blyvooruitzicht矿的数十个矿区的地层脆性断裂和矿震探究，证实了上一观点。基于对比分析得知，这些参数和ERR之间的关联性并不强，McGarr通过长期研究得出，累积矿震张量和深部矿山采场的体积弹性收敛值之间存在一定关联性，从而也和矿震能量释放率有相关性。

2 电磁辐射方法在地层脆性断裂监测中的应用

电磁辐射是矿体受载变形破损期间对外辐射电磁能量的一类现象，电磁辐射源自于矿体的非均质性与其变形损坏的非均匀过程，和矿体损坏过程之间有着紧密关联。电磁辐射信息能够反映地层脆性断裂之类的岩体事故动力状况的关键性干扰要素，电磁辐射强度主要是反映岩体受载情况和变形损坏情况，脉冲数则是反映岩体变形和微破坏的次数。

地层脆性断裂事故的出现从时间方面可划分为：准备、发动、发展、结束四大阶段。地层脆性断裂的预测工作主要是在准备与发动这两个时期进行，按照前兆信息分析地层脆性断裂的危险情况。基于采矿现场信息采集分析得知：电磁辐射与矿体的应力情况有所关联，当其应力愈大，电磁辐射信号则愈强，脉冲便愈大，同时出现地层脆性断裂的几率也就愈大[2]。按照试验结果和实际观测监察结果可获得观测采矿区的电磁辐射限定指标。为了准确评测施工区域地层脆性断裂发生区域与危险性，在矿山深部开采区巷道施工期间的地层脆性断裂情况实行了监测观察。

2.1 电磁辐射监测

监测点设置：于工作面后方约160米的位置设置监测点，巷道两侧均有设置测点（由于右侧动力电缆会对监测结果造成较大影响，因此着重对左侧实行监测），沿着工作面开挖方向，每间隔十米设下一个监测点，依次为0、-1、-2、…、-15、-16，工作面左右侧分别设置一处监测点。伴随着工作面的逐渐超前推进，测点也随之增多为-17、-18、…、-20、-21等。

在正式开展监测工作之前，应当先实行普查工作，将地层脆性断裂可能出现的危险范围先初步估测出，并将这些区域设为重点监测范围。通过监测得知，在测点-3至-8、-16至-18所在区域中，电磁辐射强度值和脉冲值相较其他区域均明显更高。在监测过程中，监测点-16、-17以及-18所在区域均出现了地层脆性断裂，发出了爆裂声响，而且还崩射出了矿石。自此次断裂出现前后的电磁辐射状况来看，可总结出以下规律——地层脆性断裂出现之前的一定时间内，电磁辐射强度值偏高，超出了临界值（30mV）,其后又存在一段时间辐射强度值偏低，接着便出现断裂事故，发出了爆裂声响[3]。

2.2 监测结果分析

如下图1所示，在监测点-10至-18范围内未出现地层脆性断裂现象的监测数据。由图1可知，未出现断裂现象的时候，电磁辐射强度相对偏低，而且脉冲次数变动并不太剧烈。

据上述观察获得的规律可知，使用电磁辐射法来评判、预测地层脆性断裂现象是具有一定可行性、准确性的，通过分析监测结果能够确定断裂出现的区域与具体地带，这便为采取有效的防治手段提供了重要指导依据。

在使用电磁辐射法预测矿山深部开采区地层脆性断裂工作中，电磁辐射信息的收发较为简便，不用打钻便能实现信息接收，大幅减轻了工作量，节省了较多的人力和物力资源，同时也缩短了时间消耗。而且通常不会受到人工等外界因素影响，准确程度高，所使用的时间较短，不会对矿山开采工作带来影响，同时还显著提升了生产开采效率，让采矿公司获得更高的经济收益，所呈现的最终效果是极为理想的。

图1 无地层脆性断裂的电磁辐射观测结果

3 常用地层脆性断裂治理措施

迄今为止，针对矿山深部开采区地层脆性断裂现象的防治可归纳为以下两大方面：①巷道开挖过程中尽可能的避开高地应力区域；②在无法避开高地应力区域的时候，则需要分析研究该采取何种开挖措施来减轻应力集中。在实际采矿施工作业中，要想做到避开高地应力区是较难实现的，通常是通过第二种方式来控制地层脆性断裂。减轻应力集中的措施主要可从下述三个方面予以考虑，即：①优化围岩物理力学性质；②改进围岩应力条件；③对围岩采取有效的加固处理措施。

当前，根据地层脆性断裂形成的条件，相关研究人员和技术人员已经提出了诸多地层脆性断裂防治方法，而且投入实际开采中应用，获得了良好的效果：①当巷道实施开挖施工作业之前，先分析了解地应力的最大主应力发展方向，而且要让巷道开挖走向顺着此方向设置；②尽可能的让巷道沿着地层走向方向设置，确保巷道处于相同地质特性的地层内；③在条件允许的状况下，把巷道尽可能的设置在应力降低区域中，并且改进开采顺序和开挖流程，从而避开地应力集中区域；④在实施爆破设计工作时，需要做到对爆破量的合理把控，尽量避免由于爆破而引起地层脆性断裂的出现，并且还要通过短进尺的方式，放缓挖掘速度；⑤选取适宜的支护类型，以柔性支护为最佳；⑥采取充填采矿法，限制地层断裂发生的空间，以此降低了地层断裂出现的概率与危险程度，此采矿方法在我公司浅部的用沙坝矿、青菜冲矿、马路坪矿、沙坝土、极乐矿已沿用十几年，此外对不在投用的老旧巷道进行胶结充填，通过微震监测，对其矿山压力及岩层控制效果非常明显；⑦区域支护方式——在深部矿区布置区域支护来降低地层脆性断裂发生的频率。此方式是借助支护的刚度与强度，降低采空区的闭合率、工作面的应力以及因采矿施工而引发的矿震，从而提升采空区的稳定程度和安全性。基于设置稳定矿柱，使得采矿工作中工作面前端的应力与采场闭合减少，让能量释放率被控制在可承受范围内；⑧合理布局采矿区。基于有关研究分析得知，采矿布局会对与地质结构有关的事故带来直接性影响。通常情况下，安全风险最高的地质结构的采矿布局也是最差的。通过设置支架矿柱能够起到稳定地质结构的作用，对过剪切应力的合理利用，全面掌握采矿施工中过剪切应力的变化情况，提升矿柱稳定程度；⑨除去上述针对物的控制手段以外，人的因素控制也十分关键，应当组织进行思想教育工作，让全体职员深入了解到危险的存在与熟知各种危险的防范方法，要制定健全的安全管理体系和操作规范制度，并安排专人负责监督制度的落实情况。

4 结语

基于上述对矿山深部开采区地层脆性断裂机理和防治措施的研究，得出下述几点认知：

（1）地层脆性断裂事故的出现和地质构造（例如断层）之间有着紧密联系，为此，在巷道开挖作业到构造周围时，必须要注意强化防护控制措施，实行全面的监测，及时采取有效防治手段。

（2）在施工期间需注意分析总结地层脆性断裂出现的规律。例如在矿带式输送机下山开采时，基于分析研究得知，地层脆性断裂大多出现在工作面爆破以后半小时前后，因此躲炮时间最少不得短于半小时。

（3）通过电磁辐射法预测地层脆性断裂事故是可行、准确的，能够节省大量的钻探工作，防止采取的防治措施不够具有针对性，提升了巷道开挖速度，减少了预测成本和防治成本。

（4）安全施工措施。在开挖作业期间应当实时勘测了解前方地质构造与岩层变动状况，采取短段开挖方式（小循环，循环进度低于1.2m），并及时架设锚网支护。还应及时采取防治措施，强化施工管理，全面落实好防护和地层脆性断裂预测工作。在爆破施工中，应当采取一次起爆的方式，避免第一次爆破和第二次之间出现地层脆性断裂而引发安全事故。