1概況
1.1企業(yè)概況
桓仁礦業(yè)有限公司原名桓仁銅鋅礦屬于有色金屬總公司下設(shè)的國有大二型企業(yè)。因資源有限于1999年底破產(chǎn)重組為桓仁礦業(yè)有限公司。企業(yè)性質(zhì)為民營股份制。
新組建的礦業(yè)有限公司下設(shè)兩個(gè)礦山一個(gè)選廠。屬采選聯(lián)合企業(yè)，年生產(chǎn)能力為100萬噸，生產(chǎn)礦石以鐵為主伴有少量銅，現(xiàn)有員工2000人。
1.2地質(zhì)概況
桓仁礦業(yè)有限公司位于遼省東部。地理坐標(biāo)：東徑125度29分，北緯41度10分。礦床類型屬于典型的侵入閃長巖與沉積灰?guī)r接觸交帶而形成的矽卡巖型礦床。賦存深度達(dá)1000余米，富含磁鐵礦與少量的銅等，屬多金屬共生礦床，上盤是寒武紀(jì)石灰?guī)r，下盤是燕山期中性閃長巖，礦體傾角一般在60度左右，厚度在2米至20米之間，礦巖均屬中等穩(wěn)固。礦體產(chǎn)狀極為復(fù)雜。
1.3開采概況
礦山開采已有百年歷史，采礦方法主要是空場法中的淺孔留礦和全面法。礦房的劃分以可替出厚度巖脈為界。采空區(qū)大部分進(jìn)行嗣后廢石充填，地壓處理為隔離法。
1.4巖爆概況
當(dāng)采礦深度在500米以上時(shí)巖爆現(xiàn)象基本上沒有發(fā)生。當(dāng)開采至800米時(shí)出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，同時(shí)上部也出現(xiàn)巖爆且破壞程度比深部大。主要表現(xiàn)在：深部巖爆以微弱形式出現(xiàn)，在清脆響聲的同時(shí)偶有少量的極薄片狀巖石彈出。上部巖爆則以中等以上強(qiáng)度的形式出現(xiàn)，巖爆時(shí)的聲音較悶但破壞程度較大，以礦柱斷裂，行道破壞，頂板崩落等形式出現(xiàn)，這種巖爆對安全生產(chǎn)影響較大，對人的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
2巖爆的概況
2.1對巖爆的認(rèn)識
對于巖爆現(xiàn)象的認(rèn)識和研究是近幾年來才開始的。由于采礦深度的增加巖爆現(xiàn)象也逐漸增多，并造成一定的人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失。我們開始真正地認(rèn)識到巖爆是巖體是失穩(wěn)破壞的一種形式。是處于高應(yīng)力達(dá)極限平衡狀態(tài)下的巖體在開挖的擾動(dòng)下，其內(nèi)部儲存的應(yīng)變能瞬間釋放造成開挖空間周圍的部分巖石從母體中急劇而猛烈突出或彈射出來的一種動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。從理論上講巖爆可分為五種類型：一是應(yīng)變型巖爆，二是彎曲破壞型巖爆，三是礦柱型巖爆，四是剪切型巖爆，五是斷層滑移型巖爆。從我們現(xiàn)場實(shí)際觀測的巖爆歸納為兩種類型：一種是動(dòng)力型的。動(dòng)力型在我礦有兩種表現(xiàn)形式。一是深度動(dòng)力擾動(dòng)型。是隨采深的不斷增加而增加的巖爆。這種巖爆是由于開挖造成的應(yīng)力集中使開挖空間周圍的巖體承受的載荷接近或達(dá)到其強(qiáng)度極限，在擾動(dòng)的作用下(一般情況下是爆破作業(yè))巖體發(fā)生脆性破壞。通常是在爆破作業(yè)后的較短時(shí)間距爆破作業(yè)現(xiàn)場較近的地方發(fā)生，其破壞程度由小到大由弱到強(qiáng)都時(shí)有發(fā)生;二是部位動(dòng)力擾動(dòng)型。是不隨深度增加而增加的一種巖爆。這種巖爆多發(fā)生在背斜的軸部，是因?yàn)楸承钡膬梢硐蚝藘?nèi)的強(qiáng)大擠壓力使軸部的應(yīng)力增加從而使巖石本身的強(qiáng)度達(dá)到一定的極限值，在擾動(dòng)力的作用下極易發(fā)生巖爆。另一種屬失穩(wěn)型的。即在上部礦房回采結(jié)束后所留下的各種礦柱，巖柱，夾巖，巖脈，巖墻等在下部繼續(xù)開采的擾動(dòng)力向上傳導(dǎo)的作用下使上部已形成的空間周圍的應(yīng)力場重新分布使其失穩(wěn)從而出現(xiàn)爆裂，崩塌，等破壞現(xiàn)象。這種巖爆的破壞程度是非常嚴(yán)重的，極有可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。1983年在上60米中段因下部采礦導(dǎo)致的巖脈失穩(wěn)崩塌使地表大面積塌陷并造成人員傷亡。
2.2 對巖爆傾向性的認(rèn)識
所謂對巖爆傾向性的認(rèn)識就是對什么樣的巖石在什么樣的情況下具有巖爆的可能性的認(rèn)識。實(shí)踐證明在對巖爆傾向性的認(rèn)識和預(yù)測上我們采用的是強(qiáng)度理論判斷和巖石性質(zhì)經(jīng)驗(yàn)判斷以及巖體失穩(wěn)理論判斷叁種。
2.2.1強(qiáng)度理論判斷
這一理論最早是南非學(xué)者在1994年提出的。它的理論基礎(chǔ)是圍巖的最大靜壓力對巖體的破壞程度。既：Q2/Q1>或=0.2-0.5。
式中：Q1-巖石的單軸抗壓強(qiáng)度 Q2-開挖工程區(qū)域的最大主應(yīng)力。
當(dāng)Q2/Q1>0.5C以上時(shí)必然發(fā)生巖爆的可能性逐漸增加。當(dāng)Q2/Q1<0.5C以下時(shí)巖爆的可能性逐漸降低。
當(dāng)采深在900米上下時(shí)銅礦的Q2值在29.7則Q2/Q1=1.29肯定發(fā)生巖爆。上盤石灰?guī)r的Q2值為25.2則Q2/Q1=5.25發(fā)生巖爆的可能性趨于必然。而其余幾種礦巖Q2/Q1值均大于0.2說明都具有一定的巖爆傾向性。下表是深部不同種類的巖石通過實(shí)驗(yàn)室測得的巖石力學(xué)參數(shù)(一)
注:不同部位的同一種巖石測得的數(shù)據(jù)不盡相同。
2.2.2巖性經(jīng)驗(yàn)判斷
巖爆極易發(fā)生在高原巖應(yīng)力條件下的脆性巖石中。主要是由于巖石本身具有巖爆傾向性這是內(nèi)因;構(gòu)造和采礦爆破作業(yè)產(chǎn)生的次生動(dòng)應(yīng)力與巖爆處巖石本來所承受較高應(yīng)力疊加極易超過巖體強(qiáng)度而產(chǎn)生巖爆這是主要的外因，當(dāng)水較快進(jìn)入巖體中的構(gòu)造面和巖石中的空隙中時(shí)減小了結(jié)構(gòu)面上的摩擦阻力系數(shù)即降低了巖體的抗剪強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面上的法向應(yīng)力，同時(shí)使巖石體積彭脹從而導(dǎo)致巖體更易破壞，尤其在夏天的雨季更易發(fā)生巖爆，很多的國內(nèi)外專家和學(xué)者已經(jīng)證實(shí)了這一觀點(diǎn)，這是次要外因。從現(xiàn)場觀測到的巖爆傾向性的嚴(yán)重程度依次為：貼近矽卡巖礦體上盤的灰?guī)r——>酸性巖脈——>基性巖脈——>綠簾石性矽卡巖——>硬質(zhì)閃長巖——>矽卡巖——>含礦矽卡巖。
2.2.3巖體失穩(wěn)理論判斷
失穩(wěn)理論判斷的原理是達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)已經(jīng)開挖形成空間周圍的巖體(一般指礦房回采結(jié)束后所留下的各種礦柱，上下盤圍巖，礦房與礦房之間的巖脈等)在外力的擾動(dòng)下(通常是就近的爆破作業(yè)和地震等原因)使原來形成的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞從而使巖體失穩(wěn)，巖體失穩(wěn)必然導(dǎo)致巖體破壞，以巷道，礦柱，巖脈，支護(hù)等斷裂崩塌為特征對生產(chǎn)安全和人員構(gòu)成極大威脅。最為嚴(yán)重的是水平中深孔大爆破所產(chǎn)生的縱向震動(dòng)波對上部已經(jīng)形成的空間周圍的巖體破壞性是最大的。所以，如何控制巖體的失穩(wěn)是我們掌握控制巖爆傾向性的重要判斷。
3.巖爆控制
巖爆控制就是要控制巖爆的發(fā)生，使生產(chǎn)安全不受影響，更重要的是人員不受傷害。所以，巖爆控制在我們礦具非常重要的意義。目前國內(nèi)外巖爆控制均處于研究探索過程中，很難準(zhǔn)確控制其發(fā)生。根據(jù)我們礦的實(shí)際情況在各生產(chǎn)環(huán)節(jié)尋求一個(gè)規(guī)律性的控制理論以指導(dǎo)生產(chǎn)安全工作是十分必要的。本著這樣的原則我們在國內(nèi)外專家學(xué)者大量的研究成果的基礎(chǔ)上結(jié)合我礦的實(shí)際情況，要在以下三個(gè)方面加以研究，也是我們在今后長期的實(shí)際工作中必須總結(jié)研究的重要內(nèi)容。
3.1區(qū)域宏觀控制。
3.1.1從采礦方法選擇上實(shí)現(xiàn)巖爆控制
從選擇采礦方法上實(shí)施對巖爆的控制是最根本的解決巖爆問題的重要措施。大量的資料研究顯示，具有巖爆傾向的巖石不適宜采用空場采礦法，特別是當(dāng)采深達(dá)到一定程度時(shí)。而我們礦正是延用了最傳統(tǒng)的留礦法，全面法和房柱法。幾十年的實(shí)踐證實(shí)了這三種方法在中上部采礦中是行之最佳的采礦方法。但到了中下部隨深度的增加巖爆程度的日益加重使人的安全受到嚴(yán)重的威脅，這種方法就不再是最佳的首選了。所以，尋求一種即安全又經(jīng)濟(jì)高效的采礦方法從現(xiàn)在的意義上講是非常重要的。要達(dá)到這個(gè)目的首先要做到的是轉(zhuǎn)變觀念，不能總抱著傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)不放;其次是要大膽的實(shí)踐，同時(shí)不要怕有所失敗和有所損失;第三是要舍得投入，在投入中尋找最佳。在我們礦有實(shí)踐跡象已表明分段鑿巖階段礦房采礦法等都是較為理想可供參考選擇的采礦方法。
3.1.2從落礦方式上對巖爆的控制
不論是哪一種采礦方法選擇好落礦方式對實(shí)施巖爆控制都具有重要的的作用。實(shí)踐證明，一是中深孔落礦方式對巖爆的控制是十分有益的。它主要在于：作業(yè)人員是在有限的暴露空間內(nèi)(鑿巖硐室)實(shí)現(xiàn)鑿巖作業(yè)，避免了淺孔鑿巖時(shí)人員要在大面積暴露的頂盤下面作業(yè)時(shí)巖爆所帶來的安全威脅。二是水平落礦好于垂直落礦。理由有兩點(diǎn)，第一，炸藥爆炸時(shí)的徑向最大破壞力均勻向弱面(自由面)發(fā)展，對頂盤的破壞力相對要小的多這就有效地保護(hù)了頂板的穩(wěn)定性。第二，避免了上向孔底深淺不一爆破時(shí)對頂板極易造成人為假頂?shù)谋锥恕?/span>
3.1.3一次炸藥量對巖爆的控制
我們大家都知道爆破作業(yè)對巖體具有一定的擾動(dòng)力，一次爆炸的炸藥量愈大擾動(dòng)力就愈大。特別是在自由空間不夠充分的時(shí)候是很明顯的。所以，在爆破作業(yè)時(shí)應(yīng)盡可能地減小一次起爆的炸藥量。值得一提的是對具有因失穩(wěn)而導(dǎo)致巖爆區(qū)域下部爆破藥量的控制，尤其注意的是帶有支點(diǎn)意義的爆破地點(diǎn)對控制上部巖體的失穩(wěn)具有重要意義。
3.1.4隔離層(礦柱)對控制巖爆具有重要的意義
根據(jù)上部已經(jīng)出現(xiàn)的巖爆事故結(jié)合現(xiàn)采礦深度，我們與東北大學(xué)聯(lián)合科研經(jīng)過巖體力學(xué)分析決定在630米中段留下14米厚的連續(xù)隔離層，做為永久保護(hù)礦柱。其主要作用為：一是阻止上部地壓活動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力波及深部，對作業(yè)人員造成安全威脅及對設(shè)施的破壞;二是阻止深部作業(yè)的擾動(dòng)力向上的傳波;三是做為橫撐支拄支撐上下盤使其穩(wěn)定;四是做為充填層使其以上的采空區(qū)充填廢石做為各種破壞能的吸收層和緩沖層。做為隔離層必須滿足以下要求：第一，必須是連續(xù)的。第二，不能任意破壞。第三，已經(jīng)造成破壞的地方必須加以修復(fù)并達(dá)巖體強(qiáng)度要求。
3.1.5加強(qiáng)對采空區(qū)的處理以達(dá)到控制巖爆和減小巖爆傷害
對于采空區(qū)的處理主要有崩落，充填，隔離三種方法。在我們礦主要以隔離為主和一部分充填。但做的都不盡完善，沒有達(dá)到處理要求。目前我們必須要做的有以下幾點(diǎn)：一是要從上往下將準(zhǔn)備回收的礦柱抓緊回采，然后將回采結(jié)束中段的水平川脈巷道實(shí)施封堵，并達(dá)到原巖受力強(qiáng)度。二是繼續(xù)加大對隔離層采空區(qū)實(shí)施廢石連續(xù)充填的進(jìn)程，現(xiàn)在的廢石充填采空區(qū)是建立在經(jīng)濟(jì)效益的觀點(diǎn)上，我們必須同時(shí)建立在安全效益的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)盡快充填。
3.2局部微觀控制
上述巖爆控制基本屬于宏觀上控制的范疇。礦房回采中的巖爆控制屬于微觀控制范疇，是人與危險(xiǎn)直接接觸的過程，所以，做好巖爆控制更具意義。在專家學(xué)者研究的基礎(chǔ)上結(jié)合我們的實(shí)際在采礦過程中應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。
3.2.1合理的回采順序。在留礦法礦房回采中采取什么樣的回采順序?qū)τ趲r爆的控制是很重要的。研究結(jié)果表明前進(jìn)式的回采順序比后退式回采對于巖爆的控制更有利。這主要是因?yàn)榍斑M(jìn)式回采的落礦方式是水平落礦，可更有效地控制頂板的穩(wěn)定性與完整性。
3.2.2采礦作業(yè)線推進(jìn)力求與礦房走向規(guī)整一致，頂板水平以上平整避免下垂。
3.2.3采礦作業(yè)最好是連續(xù)進(jìn)行。這一觀點(diǎn)是從三個(gè)方面考慮的：一是增加采礦強(qiáng)度縮短采礦周期以加快資金的周轉(zhuǎn)。二是盡可能縮短作業(yè)人員在采場中的滯留時(shí)間。三是搶在圍巖彈性變形終止前結(jié)束采礦，或在圍巖彈性變形終止前對采空區(qū)進(jìn)行處理以及必要的支護(hù)。
3.2.4采場中礦柱的設(shè)計(jì)要遵循以下原則。一是當(dāng)?shù)V體走向較長中厚以下時(shí)要在同一高度留有規(guī)則礦拄，作用相當(dāng)于充填分層體。二是礦柱的長軸要與頂板主應(yīng)力方向一致，否則很難抵制側(cè)應(yīng)力的剪切破壞。三是中厚以上的礦體預(yù)留礦柱必須要考慮到它的高度與直徑的縱橫比。通過實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)有數(shù)據(jù)顯示礦柱的縱橫比應(yīng)在1.6以下最宜。四是規(guī)則圓型。
3.2.5礦房與礦房之間的巖脈要做適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性維護(hù)。特別是中厚以上礦體礦房之間的巖脈最易崩塌，所以，當(dāng)巖脈薄且傾斜是應(yīng)當(dāng)在巖脈的下盤留有一定厚度的礦體來維護(hù)和支撐其穩(wěn)定性。
3.2.6當(dāng)出現(xiàn)厚大礦體需要改變礦房布置要素時(shí)，采礦場的長軸方向和采場的推進(jìn)方向要與原巖最大的主應(yīng)力方向平行一致。否則，采場極有可能出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。我們現(xiàn)實(shí)的采礦場就很不利于巖爆的控制。
3.2.7采場內(nèi)在較大斷層或巖脈時(shí)，采礦工作面的推進(jìn)方向要背離它們進(jìn)行，避免垂直向著構(gòu)造面走向推進(jìn)(特殊情況除外)。采用后退式上向鑿巖時(shí)如遇較大和復(fù)雜斷層時(shí)應(yīng)含斷層一次性鑿巖一次性爆破。
3.2.8當(dāng)?shù)V體平行出現(xiàn)時(shí)，要先開采巖爆傾向弱或無巖爆傾向的礦脈，解除巖爆傾向性強(qiáng)礦脈的應(yīng)力，防止巖爆的發(fā)生。這一原理屬于切逢弱化。
3.3主動(dòng)治理控制
主動(dòng)治理控制是指在已經(jīng)知道具有巖爆傾向的巖體中主動(dòng)采取積極的技術(shù)措施對巖爆加以控制。在實(shí)際運(yùn)用中我們主要以支護(hù)為主，弱化處理用的較少。
3.3.1弱化處理。它的基本原理是通過減少工作面的應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)的巖體強(qiáng)度來重新分配荷載分布，工作面上的應(yīng)力集中程度及分布的特點(diǎn)是決定采用什么方法來處理的依據(jù)。主要有注液處理，鉆孔處理，切逢處理和松動(dòng)爆破處理。實(shí)際中我們曾采用過松動(dòng)爆破的方式進(jìn)行了高應(yīng)力情況下具有突出巖爆傾向的主運(yùn)輸巷道的施工，取得了一定的效果。它的主要原理是在預(yù)先鑿好的炮孔內(nèi)采用爆破的方式在圍巖中形成一人工破碎帶，以使高應(yīng)力向深部巖層轉(zhuǎn)移，以解除應(yīng)力為目的。
3.3.2支護(hù)處理。根據(jù)巖石和巖爆的實(shí)際情況并預(yù)計(jì)可能發(fā)生巖爆的機(jī)理和強(qiáng)度，選擇相應(yīng)的支護(hù)方法是減少災(zāi)害損失的重要措施。這種支護(hù)方法是我們應(yīng)用最為廣泛的。實(shí)踐證明，這種主動(dòng)治理實(shí)際上是被動(dòng)的應(yīng)對，往往都是在已經(jīng)出現(xiàn)了巖爆導(dǎo)致一定的安全隱患出現(xiàn)時(shí)才不得以而采取的補(bǔ)救措施，只是暫時(shí)地控制了巖爆的繼續(xù)擴(kuò)大罷了。下面是我們在實(shí)際工作實(shí)際中針對不同情況所采取的兩種不同等級的支護(hù)形式。
3.3.2.1破壞性較小的巖爆一般采用噴錨網(wǎng)支護(hù)。作用是預(yù)防巖石表面剝落和破壞的發(fā)生，支撐和固定已經(jīng)移位的小塊巖石。
3.3.2.2中等強(qiáng)度的巖爆的支護(hù)要在錨桿深度和密度增加的基礎(chǔ)上采用高強(qiáng)度，高韌性的金屬網(wǎng)和鋼纜繩聯(lián)合進(jìn)行支護(hù)。
4.巖爆的預(yù)警工作
眾所周知，有關(guān)巖爆的預(yù)警監(jiān)測工作不論是國內(nèi)還是國外所采取的監(jiān)測手段有多種。在我礦應(yīng)用最早的是光彈法，它的原理是塑性巖石和光彈玻璃在受到應(yīng)力作用時(shí)，在偏振光下觀察可以看到干涉條紋，這種干涉條紋與作用在巖體上的壓力強(qiáng)度和方向有關(guān)，據(jù)此可對即將來臨的地壓活動(dòng)做出預(yù)測。近年來我們與東北大學(xué)一起對深部巖爆監(jiān)測方法進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，現(xiàn)在應(yīng)用的是多點(diǎn)位移和壓力合監(jiān)測法，主要原理是通過對巖體的流變變型來預(yù)測巖爆的發(fā)生。在實(shí)踐中讀取了較好的監(jiān)測數(shù)據(jù)。但是，這種監(jiān)測方法還遠(yuǎn)跟不上安全生產(chǎn)的需要。在現(xiàn)場我們員工對巖爆的預(yù)防主要是一聽二看三躲避來保護(hù)自己的。所以，我們必須尋找一種適合我們礦業(yè)實(shí)際情況的預(yù)警監(jiān)測手段是當(dāng)前安全工作的重中之重。
參考文獻(xiàn)：
[1] 古德生：現(xiàn)代金屬礦床開采科學(xué)技術(shù)。冶金工業(yè)出版社。2006。
[2] 郭然： 有巖爆傾向硬巖礦床采礦理論與技術(shù)。冶金工業(yè)出版社出版。2003。
聲明：
“淺論礦床開采中的巖爆控制” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
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編輯：中冶有色網(wǎng)
來源：遼寧省本溪桓仁礦業(yè)有限公司
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2025年03月28日 ~ 30日 
