深井大規(guī)模礦床開采巖爆控制策略研究

楊志國(guó)，王鵬飛

（中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京100038）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)礦山資源的需求，及淺部礦床資源逐步減少，國(guó)內(nèi)礦山開采的深度日益增大。一些埋藏深、儲(chǔ)量大的礦床相繼出現(xiàn)［1～5］，如黑龍江岔路口鉬鉛鋅礦，礦體厚大，總體呈穹窿狀產(chǎn)于侏羅系中酸性火山巖、石英斑巖、花崗斑巖和隱爆角礫巖中，以全巖礦化為特征，延深大于800m，礦體控制寬度130～1760m，長(zhǎng)2600m，垂直厚度150～970m，工業(yè)鉬礦石量20．6億t，金屬量178．49萬(wàn)t，平均品位0．087%；安徽金寨沙平溝鉬礦，探礦權(quán)內(nèi)的鉬礦（332＋333類）礦石量15．82億t，鉬金屬量227．48萬(wàn)t，平均品位0．144%，其中工業(yè)品位礦石量11．19億t，鉬金屬量205．84萬(wàn)t，平均品位0．184%，礦體長(zhǎng)1350m，寬900m，最大見礦厚度945．15m，平均厚度661m，賦存標(biāo)高＋142．72～－942．35m；遼寧本溪市思山嶺鐵礦，蓋層厚度404～1445m，礦體埋藏深度404～1934m，賦礦標(biāo)高－134～－1713m，礦石自然類型主要為磁鐵礦石和赤鐵礦石，為沉積變質(zhì)型鐵礦床，礦體分布于勘查區(qū)中部6～9線之間，控制鐵礦帶東西沿長(zhǎng)1500m，南北平均寬度960m，最大垂直深度1580m，工業(yè)礦體總厚度789．29m，礦體平均厚度246．84m；遼寧本溪大臺(tái)溝鐵礦，礦體埋深1100～1200m（標(biāo)高－900～－1000m），控制礦體最低標(biāo)高－1770m，礦體長(zhǎng)度預(yù)測(cè)約4．5km，礦體厚度巨大，平均水平厚870．68m，為一厚板狀、陡傾礦體，目前，控制的資源量達(dá)38億t，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量超過100億t，是迄今為止，世界上最大單體鐵礦床，礦石開采規(guī)模一期為1500萬(wàn)t／a，后續(xù)將達(dá)6000萬(wàn)t／a；其他如山東萊蕪礦業(yè)公司濟(jì)寧鐵礦等，這些礦床均具有埋藏深、厚度大、面積廣的特點(diǎn)，并且開采設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模在千萬(wàn)噸／年以上。據(jù)推算在地下1000m時(shí)，最大主應(yīng)力值大約為50MPa，地下2000m時(shí)，最大主應(yīng)力值大約為90～100MPa，布置在堅(jiān)硬、脆性巖體中的井下采礦工程，在高應(yīng)力作用及大規(guī)模采礦作業(yè)影響下極易發(fā)生破壞，主要表現(xiàn)為：頂板的突然大面積片落、或塌落，巷道局部地區(qū)的瞬間變形和垮塌，井筒或礦柱的突然變形和破裂等。

從國(guó)內(nèi)礦山的開采情況來(lái)看，礦山的開采深度基本保持在1000m，大部分礦山都處在巖爆發(fā)生的平靜期，而只有少數(shù)的礦山進(jìn)入了巖爆發(fā)生的過渡期，隨著一批大規(guī)模礦床的設(shè)計(jì)開采，可以預(yù)見在未來(lái)的十年內(nèi)，我國(guó)礦山的開采深度將步入1500～2000m，即將面臨高應(yīng)力誘發(fā)的巖爆問題［6～8］。頻發(fā)的巖爆災(zāi)害將直接制約著礦山的生產(chǎn)規(guī)模，如果不采取與高應(yīng)力環(huán)境相適應(yīng)的采礦工藝與技術(shù)，勢(shì)必遭受較大的地壓災(zāi)害，嚴(yán)重阻礙礦山的正常生產(chǎn)，并且?guī)?lái)采礦成本的升高，有時(shí)甚至導(dǎo)致局部工作面以及整個(gè)礦山的關(guān)閉。如何應(yīng)對(duì)深井高應(yīng)力作用下巖爆發(fā)生的災(zāi)害，確保礦山千萬(wàn)噸／年的生產(chǎn)規(guī)模，將是采礦工作的重點(diǎn)，因此制定系統(tǒng)的高應(yīng)力區(qū)采礦戰(zhàn)略，對(duì)深井大規(guī)模礦山的安全開采將尤為重要。

1 工作程序的制定

對(duì)于深埋大規(guī)模硬巖礦床開采，工作程序主要分為兩個(gè)階段［9～13］。

1．1 設(shè)計(jì)階段的工作程序。

設(shè)計(jì)階段主要以礦床開采技術(shù)條件為基礎(chǔ)，主要包括礦體賦存形態(tài)、開采深度及原巖應(yīng)力、圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等，從井下采礦工程的布置，采礦方法選擇及開采順序的制定，整體支護(hù)方式的設(shè)計(jì)等方面入手，按照設(shè)計(jì)原則開展工作。合理的工程布置、回采順序及采礦方法等雖然不能完全消除潛在巖爆的發(fā)生，但在一定程度上能夠減少高應(yīng)力作用誘發(fā)巖爆災(zāi)害的次數(shù)，降低礦山開采的風(fēng)險(xiǎn)。另外在設(shè)計(jì)中根據(jù)采礦回采范圍需要采用先進(jìn)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)生產(chǎn)中井下回采活動(dòng)引起的采區(qū)應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1．2 生產(chǎn)階段的工作程序。

即礦山日常微震風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃制定，通過建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)查、分析和識(shí)別即將發(fā)生的巖爆危險(xiǎn)，以及開展井下作業(yè)人員特定工作環(huán)境下技能的專項(xiàng)培訓(xùn)工作，盡力控制井下人員的作業(yè)活動(dòng)，使其熟知工作環(huán)境，并遠(yuǎn)離巖爆發(fā)生地及時(shí)間段。

以上的工作程序具體內(nèi)容見圖1，通過實(shí)施有序、多步驟的預(yù)防和控制工作，降低高應(yīng)力采礦巖爆等災(zāi)害的產(chǎn)生。

2 設(shè)計(jì)階段的工作程序

設(shè)計(jì)階段，主要以礦床開采技術(shù)條件為基礎(chǔ)，井下工程布置，采礦方法及開采順序選擇，支護(hù)方式等要遵守設(shè)計(jì)原則，盡量減少巖爆災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)，降低礦山開采的風(fēng)險(xiǎn)和損失，其具體內(nèi)容如下所示。

1）井下采礦工程應(yīng)采用有序的長(zhǎng)壁式開采幾何布置策略，使采場(chǎng)的長(zhǎng)軸與原巖最大主應(yīng)力平行，或成小角度相交；井筒布置在礦體的底盤，井筒或巷道等工程應(yīng)避免與巖墻、斷層、地層層位或地質(zhì)單位等地質(zhì)結(jié)構(gòu)相交。

2）采礦方法選擇應(yīng)遵循高強(qiáng)度、少災(zāi)害的原則，并便于調(diào)整；為了避免高應(yīng)力集中引起的礦柱巖爆或難以回收問題，應(yīng)盡量采用不留礦柱的連續(xù)采礦方法；應(yīng)采用高強(qiáng)度回采，即快采、快出，并及時(shí)充填采場(chǎng)空區(qū)；人員不進(jìn)入或少進(jìn)入采場(chǎng)。若采用非充填采礦方式，由于開采深度及應(yīng)力的增加，使巖爆發(fā)生的頻率急劇增大，對(duì)生產(chǎn)造成很大影響，應(yīng)及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)換為充填的采礦方式，并針對(duì)應(yīng)力的變化情況，及時(shí)調(diào)整采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3）礦床存在大斷層結(jié)構(gòu)的條件下，開采應(yīng)背向斷層方向推進(jìn)；對(duì)傾斜層狀礦體，開采應(yīng)從底部開始，然后向上和兩邊，確定合理的采礦工作線角度，形成一個(gè)金字塔形狀，以避免形成礦柱；沿礦床走向開采應(yīng)從中間向兩翼推進(jìn)，生產(chǎn)活動(dòng)區(qū)域內(nèi)要避免形成局部的礦柱；盤區(qū)內(nèi)采場(chǎng)采用間隔回采時(shí)，應(yīng)避免二步驟回采時(shí)礦柱出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4）支護(hù)方式應(yīng)以承受巖爆等災(zāi)害產(chǎn)生的動(dòng)載荷設(shè)計(jì)，使支護(hù)系統(tǒng)具有一定的塑性，以承受巖爆發(fā)生時(shí)工程圍巖體產(chǎn)生的大變形；并且支護(hù)形式應(yīng)根據(jù)實(shí)際效果進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

5）由于爆破后生產(chǎn)活動(dòng)區(qū)域內(nèi)地震事件發(fā)生頻率的增加，極易造成作業(yè)人員傷害事故，要求生產(chǎn)爆破應(yīng)盡可能在交接班時(shí)進(jìn)行，并限制附近作業(yè)人員數(shù)量，降低作業(yè)人員在危險(xiǎn)空間的暴露。

3 礦山日常風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃初步制定

3．1 現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查分析

以井下發(fā)生的破壞巖爆為對(duì)象，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查分析與數(shù)據(jù)記錄，研究巖爆發(fā)生的機(jī)制和采礦活動(dòng)的關(guān)系，建立破壞事件的數(shù)據(jù)庫(kù)，為下一步監(jiān)測(cè)分析奠定基礎(chǔ)，其主要工作內(nèi)容如下所示。

1）事件震級(jí)大小、位置

2）產(chǎn)生破壞位置的地質(zhì)情況，主要包括：①巖體類型②主應(yīng)力大?、鄣刭|(zhì)構(gòu)造情況等，以及與發(fā)生地震事件的距離。

圖1 深井大規(guī)模礦床開采的工作程序

3）破壞表現(xiàn)形式，主要包括：①巷道或硐室等幫壁臨空面巖體彈射、拋擲，頂板破裂或塌落等，②破壞影響范圍，垮落巖石的最大塊度，以及垮落巖石量的估測(cè)，③頂板支護(hù)形式的破壞等。

4）巖體產(chǎn)生的噪音，爆裂聲、隆隆聲、噼啪聲、突然巨響及其他等。

5）震動(dòng)影響，井下、地面的震動(dòng)情況。

6）發(fā)生的前兆或歷史事件。

依據(jù)上述工作內(nèi)容可以制定礦山井下地震事件的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況表，最終匯總至地震事件的數(shù)據(jù)庫(kù)，便于分析和制定礦山井下微震風(fēng)險(xiǎn)管理方案。

3．2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

對(duì)于礦山生產(chǎn)中發(fā)生的巖爆，可以實(shí)施初期的調(diào)整應(yīng)對(duì)策略，然后根據(jù)需要，建立地壓監(jiān)測(cè)方案，對(duì)于深井大規(guī)模礦山來(lái)說尤其是要建立實(shí)時(shí)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于地震事件波形的分析與分類，建立地震事件數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行地震事件數(shù)據(jù)的分析工作，以指導(dǎo)井下生產(chǎn)活動(dòng)。

根據(jù)時(shí)間劃分不同的分析階段：短期如日分析、周分析，中期如月分析，長(zhǎng)期如年分析等；另外也可進(jìn)行井下特定事件及區(qū)域的分析，如典型較大震級(jí)的破壞事件，地質(zhì)構(gòu)造活化或爆破后分析等。

對(duì)于礦山日常地震數(shù)據(jù)的分析，應(yīng)完成以下主要工作。

1）基于三維可視化技術(shù)，圈定地震活動(dòng)的集中區(qū)域。①斷層、巖墻等地質(zhì)構(gòu)造活化區(qū)域；②大的破壞事件發(fā)生區(qū)域；③殘留礦柱、底柱及其他等特定區(qū)域。

2）地震事件時(shí)間分布規(guī)律及空間分布規(guī)律與采礦活動(dòng)關(guān)系。①地震事件時(shí)間分布規(guī)律與采礦活動(dòng)關(guān)系。主要包括采場(chǎng)爆破后地震事件的時(shí)間分布，地質(zhì)構(gòu)造地震事件的時(shí)間分布和采礦工作區(qū)地震事件的時(shí)間分布等。②地震事件空間分布規(guī)律與采礦活動(dòng)關(guān)系。主要包括地震事件平面分布、剖面分布及構(gòu)造面分布等。

3）基于地震事件的量化處理，進(jìn)行地震參數(shù)曲線分析。①地震事件大小及發(fā)生頻率分析；②以視在體積、位移與時(shí)間曲線等為主的巖體變形規(guī)律分析；③以能量指數(shù)與時(shí)間曲線等為主的巖體應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律分析。

最終對(duì)反映工作區(qū)域巖體應(yīng)力及應(yīng)變情況的地震事件進(jìn)行歸類，研究生產(chǎn)過程中巖體的變化規(guī)律，以便掌握井下應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)，以及為進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)做準(zhǔn)備。

3．3 地震活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

綜合多個(gè)地震參數(shù)的變化規(guī)律分析，對(duì)采礦工作區(qū)域內(nèi)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判定。依據(jù)主要為應(yīng)力水平、發(fā)生頻率、位移等的變化情況，并結(jié)合回采礦體產(chǎn)量情況，可以采用多種手段，得出危險(xiǎn)等級(jí)，具體可依據(jù)地震事件風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)流程（圖2）。

1）主要依據(jù)：地震數(shù)據(jù)庫(kù)中包括的①地震事件的發(fā)生頻率及震級(jí)大小，②應(yīng)力水平，③變形量等。

2）風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)：①發(fā)生地震事件的風(fēng)險(xiǎn)震級(jí)大小，②主要的發(fā)生位置，③破壞等級(jí)等。

圖2 礦山地震事件風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)流程

3）采取應(yīng)對(duì)策略。具體見圖1深井大規(guī)模礦床開采的工作程序中生產(chǎn)階段的第4步，即控制技術(shù)包括的內(nèi)容。

4 結(jié) 論

針對(duì)國(guó)內(nèi)即將進(jìn)入大規(guī)模礦床開采的現(xiàn)實(shí)和面臨深部開采誘發(fā)的巖爆等地壓?jiǎn)栴}，本文初步制定了大規(guī)模礦床采礦的工作程序，主要分為兩個(gè)階段：①設(shè)計(jì)階段，分析了應(yīng)遵守的基本原則；②生產(chǎn)階段，初步制定了礦山日常地震風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃，上述工作程序的制定為礦山工作者提供了指導(dǎo)，大規(guī)模礦床開采時(shí)可以通過采取以上兩個(gè)階段的應(yīng)對(duì)策略，降低巖爆發(fā)生造成的損失，保證礦山的正常生產(chǎn)。

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