礦山深部開采地層脆性斷裂機(jī)理及防治

韓宏裕，趙 雨

（貴州開磷有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550302）

地層脆性斷裂為巷道開挖以后引起開挖區(qū)域及周邊礦體驟然崩壞的一類現(xiàn)象，地層脆性斷裂出現(xiàn)時(shí)可聽到圍巖內(nèi)部產(chǎn)生清脆的斷裂聲，礦體出現(xiàn)劇烈的脆性破壞且穩(wěn)定性大幅下降，崩壞的礦石碎塊會(huì)崩射出來，通常會(huì)導(dǎo)致開挖工作面、機(jī)械設(shè)備的嚴(yán)重受損以及人員傷亡事故。

1 礦山深部開采地層脆性斷裂機(jī)理的理解

充分了解地層脆性斷裂機(jī)理，有助于改善支護(hù)方案以及其他保護(hù)措施，從而減輕地層脆性斷裂帶來的損失和波及范圍。通常來說，礦體的驟然動(dòng)力損壞，引起地層脆性斷裂與開采工作現(xiàn)場(chǎng)的損傷存在兩類機(jī)理，即開采工作面周邊的擠壓型事故、出現(xiàn)在軟弱結(jié)構(gòu)面上的剪切型事故。任何事故的形成，都會(huì)使得應(yīng)力巖體必定形成不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，引起巖土的突發(fā)性破壞，誘發(fā)了急劇應(yīng)力降低和礦震事故。發(fā)生礦震的一個(gè)潛在因素便是抵抗運(yùn)動(dòng)，受載巖體粗糙式的時(shí)效軟化會(huì)引起礦區(qū)應(yīng)力的增大[1]。引起斷層面破壞的一類原因是：當(dāng)圍巖剛度處于一定范圍內(nèi)時(shí)，受到正應(yīng)力作用的斷層不斷出現(xiàn)滑動(dòng)移位，斷層剪切強(qiáng)度持續(xù)下降。若是剛度較大，則會(huì)引起滑移的發(fā)生；若是剛度較小，便會(huì)使得系統(tǒng)處于不夠穩(wěn)定的狀態(tài)，滑移突然發(fā)生，發(fā)散礦震能量。現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室的調(diào)查研究為深入了解地層脆性斷裂機(jī)理與探尋降低損失的措施提供了依據(jù)。比如，工作面中的高應(yīng)力巖體由于開挖工作或是由于礦震事故的發(fā)生而形成的動(dòng)態(tài)加載而受到干擾影響，產(chǎn)生地層脆性斷裂。若是采取預(yù)爆破讓工作面3m至5m以內(nèi)的巖體軟化，便能夠防止此類礦震事故的出現(xiàn)。也可以采取抗地層脆性斷裂支護(hù)方式，比如及時(shí)屈服液壓支架，限制地層運(yùn)動(dòng)，維持巖石具有足夠的內(nèi)摩擦力（尤其是在長(zhǎng)壁式礦場(chǎng)的采礦工作中）。

地質(zhì)工程師基于其自身專業(yè)知識(shí)和數(shù)值模型，確定最優(yōu)的周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的礦山開采順序計(jì)劃。當(dāng)前最為常用的模型有ERR、ESS和體積閉合率等。Ryder認(rèn)為，超過抵抗斷層面上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)摩擦力的作用在斷層上剪切應(yīng)力能夠提供對(duì)突發(fā)性剪切滑移的評(píng)價(jià)；Spottiswoode基于設(shè)定7. 5MPa的巖石內(nèi)摩擦力與0.6的動(dòng)摩擦系數(shù)，對(duì)計(jì)算的ESS和礦震事故頻次、礦震能量釋放量、地層脆性斷裂事故與地質(zhì)事故加以分析比較，對(duì)Blyvooruitzicht礦的數(shù)十個(gè)礦區(qū)的地層脆性斷裂和礦震探究，證實(shí)了上一觀點(diǎn)?；趯?duì)比分析得知，這些參數(shù)和ERR之間的關(guān)聯(lián)性并不強(qiáng)，McGarr通過長(zhǎng)期研究得出，累積礦震張量和深部礦山采場(chǎng)的體積彈性收斂值之間存在一定關(guān)聯(lián)性，從而也和礦震能量釋放率有相關(guān)性。

2 電磁輻射方法在地層脆性斷裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

電磁輻射是礦體受載變形破損期間對(duì)外輻射電磁能量的一類現(xiàn)象，電磁輻射源自于礦體的非均質(zhì)性與其變形損壞的非均勻過程，和礦體損壞過程之間有著緊密關(guān)聯(lián)。電磁輻射信息能夠反映地層脆性斷裂之類的巖體事故動(dòng)力狀況的關(guān)鍵性干擾要素，電磁輻射強(qiáng)度主要是反映巖體受載情況和變形損壞情況，脈沖數(shù)則是反映巖體變形和微破壞的次數(shù)。

地層脆性斷裂事故的出現(xiàn)從時(shí)間方面可劃分為：準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)、發(fā)展、結(jié)束四大階段。地層脆性斷裂的預(yù)測(cè)工作主要是在準(zhǔn)備與發(fā)動(dòng)這兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行，按照前兆信息分析地層脆性斷裂的危險(xiǎn)情況。基于采礦現(xiàn)場(chǎng)信息采集分析得知：電磁輻射與礦體的應(yīng)力情況有所關(guān)聯(lián)，當(dāng)其應(yīng)力愈大，電磁輻射信號(hào)則愈強(qiáng)，脈沖便愈大，同時(shí)出現(xiàn)地層脆性斷裂的幾率也就愈大[2]。按照試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)監(jiān)察結(jié)果可獲得觀測(cè)采礦區(qū)的電磁輻射限定指標(biāo)。為了準(zhǔn)確評(píng)測(cè)施工區(qū)域地層脆性斷裂發(fā)生區(qū)域與危險(xiǎn)性，在礦山深部開采區(qū)巷道施工期間的地層脆性斷裂情況實(shí)行了監(jiān)測(cè)觀察。

2.1 電磁輻射監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置：于工作面后方約160米的位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，巷道兩側(cè)均有設(shè)置測(cè)點(diǎn)（由于右側(cè)動(dòng)力電纜會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成較大影響，因此著重對(duì)左側(cè)實(shí)行監(jiān)測(cè)），沿著工作面開挖方向，每間隔十米設(shè)下一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，依次為0、-1、-2、…、-15、-16，工作面左右側(cè)分別設(shè)置一處監(jiān)測(cè)點(diǎn)。伴隨著工作面的逐漸超前推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)也隨之增多為-17、-18、…、-20、-21等。

在正式開展監(jiān)測(cè)工作之前，應(yīng)當(dāng)先實(shí)行普查工作，將地層脆性斷裂可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)范圍先初步估測(cè)出，并將這些區(qū)域設(shè)為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍。通過監(jiān)測(cè)得知，在測(cè)點(diǎn)-3至-8、-16至-18所在區(qū)域中，電磁輻射強(qiáng)度值和脈沖值相較其他區(qū)域均明顯更高。在監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)-16、-17以及-18所在區(qū)域均出現(xiàn)了地層脆性斷裂，發(fā)出了爆裂聲響，而且還崩射出了礦石。自此次斷裂出現(xiàn)前后的電磁輻射狀況來看，可總結(jié)出以下規(guī)律——地層脆性斷裂出現(xiàn)之前的一定時(shí)間內(nèi)，電磁輻射強(qiáng)度值偏高，超出了臨界值（30mV）,其后又存在一段時(shí)間輻射強(qiáng)度值偏低，接著便出現(xiàn)斷裂事故，發(fā)出了爆裂聲響[3]。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

如下圖1所示，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)-10至-18范圍內(nèi)未出現(xiàn)地層脆性斷裂現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由圖1可知，未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的時(shí)候，電磁輻射強(qiáng)度相對(duì)偏低，而且脈沖次數(shù)變動(dòng)并不太劇烈。

據(jù)上述觀察獲得的規(guī)律可知，使用電磁輻射法來評(píng)判、預(yù)測(cè)地層脆性斷裂現(xiàn)象是具有一定可行性、準(zhǔn)確性的，通過分析監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠確定斷裂出現(xiàn)的區(qū)域與具體地帶，這便為采取有效的防治手段提供了重要指導(dǎo)依據(jù)。

在使用電磁輻射法預(yù)測(cè)礦山深部開采區(qū)地層脆性斷裂工作中，電磁輻射信息的收發(fā)較為簡(jiǎn)便，不用打鉆便能實(shí)現(xiàn)信息接收，大幅減輕了工作量，節(jié)省了較多的人力和物力資源，同時(shí)也縮短了時(shí)間消耗。而且通常不會(huì)受到人工等外界因素影響，準(zhǔn)確程度高，所使用的時(shí)間較短，不會(huì)對(duì)礦山開采工作帶來影響，同時(shí)還顯著提升了生產(chǎn)開采效率，讓采礦公司獲得更高的經(jīng)濟(jì)收益，所呈現(xiàn)的最終效果是極為理想的。

圖1 無地層脆性斷裂的電磁輻射觀測(cè)結(jié)果

3 常用地層脆性斷裂治理措施

迄今為止，針對(duì)礦山深部開采區(qū)地層脆性斷裂現(xiàn)象的防治可歸納為以下兩大方面：①巷道開挖過程中盡可能的避開高地應(yīng)力區(qū)域；②在無法避開高地應(yīng)力區(qū)域的時(shí)候，則需要分析研究該采取何種開挖措施來減輕應(yīng)力集中。在實(shí)際采礦施工作業(yè)中，要想做到避開高地應(yīng)力區(qū)是較難實(shí)現(xiàn)的，通常是通過第二種方式來控制地層脆性斷裂。減輕應(yīng)力集中的措施主要可從下述三個(gè)方面予以考慮，即：①優(yōu)化圍巖物理力學(xué)性質(zhì)；②改進(jìn)圍巖應(yīng)力條件；③對(duì)圍巖采取有效的加固處理措施。

當(dāng)前，根據(jù)地層脆性斷裂形成的條件，相關(guān)研究人員和技術(shù)人員已經(jīng)提出了諸多地層脆性斷裂防治方法，而且投入實(shí)際開采中應(yīng)用，獲得了良好的效果：①當(dāng)巷道實(shí)施開挖施工作業(yè)之前，先分析了解地應(yīng)力的最大主應(yīng)力發(fā)展方向，而且要讓巷道開挖走向順著此方向設(shè)置；②盡可能的讓巷道沿著地層走向方向設(shè)置，確保巷道處于相同地質(zhì)特性的地層內(nèi)；③在條件允許的狀況下，把巷道盡可能的設(shè)置在應(yīng)力降低區(qū)域中，并且改進(jìn)開采順序和開挖流程，從而避開地應(yīng)力集中區(qū)域；④在實(shí)施爆破設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要做到對(duì)爆破量的合理把控，盡量避免由于爆破而引起地層脆性斷裂的出現(xiàn)，并且還要通過短進(jìn)尺的方式，放緩?fù)诰蛩俣?；⑤選取適宜的支護(hù)類型，以柔性支護(hù)為最佳；⑥采取充填采礦法，限制地層斷裂發(fā)生的空間，以此降低了地層斷裂出現(xiàn)的概率與危險(xiǎn)程度，此采礦方法在我公司淺部的用沙壩礦、青菜沖礦、馬路坪礦、沙壩土、極樂礦已沿用十幾年，此外對(duì)不在投用的老舊巷道進(jìn)行膠結(jié)充填，通過微震監(jiān)測(cè)，對(duì)其礦山壓力及巖層控制效果非常明顯；⑦區(qū)域支護(hù)方式——在深部礦區(qū)布置區(qū)域支護(hù)來降低地層脆性斷裂發(fā)生的頻率。此方式是借助支護(hù)的剛度與強(qiáng)度，降低采空區(qū)的閉合率、工作面的應(yīng)力以及因采礦施工而引發(fā)的礦震，從而提升采空區(qū)的穩(wěn)定程度和安全性?；谠O(shè)置穩(wěn)定礦柱，使得采礦工作中工作面前端的應(yīng)力與采場(chǎng)閉合減少，讓能量釋放率被控制在可承受范圍內(nèi)；⑧合理布局采礦區(qū)。基于有關(guān)研究分析得知，采礦布局會(huì)對(duì)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的事故帶來直接性影響。通常情況下，安全風(fēng)險(xiǎn)最高的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采礦布局也是最差的。通過設(shè)置支架礦柱能夠起到穩(wěn)定地質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用，對(duì)過剪切應(yīng)力的合理利用，全面掌握采礦施工中過剪切應(yīng)力的變化情況，提升礦柱穩(wěn)定程度；⑨除去上述針對(duì)物的控制手段以外，人的因素控制也十分關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)組織進(jìn)行思想教育工作，讓全體職員深入了解到危險(xiǎn)的存在與熟知各種危險(xiǎn)的防范方法，要制定健全的安全管理體系和操作規(guī)范制度，并安排專人負(fù)責(zé)監(jiān)督制度的落實(shí)情況。

4 結(jié)語

基于上述對(duì)礦山深部開采區(qū)地層脆性斷裂機(jī)理和防治措施的研究，得出下述幾點(diǎn)認(rèn)知：

（1）地層脆性斷裂事故的出現(xiàn)和地質(zhì)構(gòu)造（例如斷層）之間有著緊密聯(lián)系，為此，在巷道開挖作業(yè)到構(gòu)造周圍時(shí)，必須要注意強(qiáng)化防護(hù)控制措施，實(shí)行全面的監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取有效防治手段。

（2）在施工期間需注意分析總結(jié)地層脆性斷裂出現(xiàn)的規(guī)律。例如在礦帶式輸送機(jī)下山開采時(shí)，基于分析研究得知，地層脆性斷裂大多出現(xiàn)在工作面爆破以后半小時(shí)前后，因此躲炮時(shí)間最少不得短于半小時(shí)。

（3）通過電磁輻射法預(yù)測(cè)地層脆性斷裂事故是可行、準(zhǔn)確的，能夠節(jié)省大量的鉆探工作，防止采取的防治措施不夠具有針對(duì)性，提升了巷道開挖速度，減少了預(yù)測(cè)成本和防治成本。

（4）安全施工措施。在開挖作業(yè)期間應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)勘測(cè)了解前方地質(zhì)構(gòu)造與巖層變動(dòng)狀況，采取短段開挖方式（小循環(huán)，循環(huán)進(jìn)度低于1.2m），并及時(shí)架設(shè)錨網(wǎng)支護(hù)。還應(yīng)及時(shí)采取防治措施，強(qiáng)化施工管理，全面落實(shí)好防護(hù)和地層脆性斷裂預(yù)測(cè)工作。在爆破施工中，應(yīng)當(dāng)采取一次起爆的方式，避免第一次爆破和第二次之間出現(xiàn)地層脆性斷裂而引發(fā)安全事故。