深井矿山有岩爆倾向的巷道加强支护研究

深井矿山有岩爆倾向的巷道加强支护研究
杨志国;王鹏飞
【摘要】由于高应力、高温度等复杂的地质条件作用,深部开采诱发了各种地质灾害,尤其是岩爆产生的破坏影响尤为严重,不但给矿山生产造成了严重威胁,而且严重制约着矿山的生产能力及采矿成本.基于国内外发生岩爆矿山的地质及开采概况,对
岩爆发生的主要影响因素进行了分析与探讨,并对有岩爆倾向性的井下巷道等工程
提出了针对性的加强支护方案,为后续井下巷道的支护方式提供借鉴.
【期刊名称】《有色金属（矿山部分）》
【年(卷),期】2017(069)002
【总页数】4页(P91-94)
【关键词】岩爆;深部开采;加强支护
【作者】杨志国;王鹏飞
【作者单位】中国恩菲工程技术有限公司,北京100038;中国恩菲工程技术有限公司,北京100038
【正文语种】中文
【中图分类】TD353
随着采矿业的不断发展，全世界范围内深井矿山的数量逐渐增多，矿床开采深度逐步加深及生产规模加大诱发的岩爆问题也日益突出[1-5]。

国外如南非深部金矿、
美国爱达荷州北部克达伦矿区、俄罗斯的克里沃罗格铁矿区和Kola半岛中心的Khibiny磷灰岩矿区、加拿大安大略省萨德伯里地区的铜镍矿、基尔兰德湖区金矿、
印度科拉尔金矿、南美智利埃尔特尼恩特(EI Teniente)斑岩铜矿、西澳大利亚Kalgoorlie等地下矿山，都较早经历过不同程度的岩爆，造成了井下巷道等工程
的破坏，严重影响了矿山的正常生产。

国内如冬瓜山铜矿、红透山铜矿、会泽铅锌矿等，在开采中就已经遇到了岩爆问题[6-7]，造成了井下部分采场及巷道发生一定程度的破坏。

目前这些地下矿山的开
采深度基本保持在1 000 m左右，随着思山岭铁矿、济宁铁矿、瑞海金矿等超大
规模深井矿山的建设和投入生产，我国矿山开发的深井即将步入1 500 m左右。

在高应力和复杂的地质构造等条件作用下，大规模开采必将会遭遇更多的岩爆灾害，将会严重制约井下的正常生产，进而影响生产规模，增加采矿成本，这就对采矿工作提出了巨大挑战。

对于矿床回采过程中岩爆等灾害的发生，如何认知和应对将是大规模深井矿山面对和需要解决的主要问题。

本文主要结合国内外发生岩爆矿山的地质及开采概况，对岩爆发生的主要影响因素进行了分析与探讨，并对有岩爆倾向性的井下巷道等工程提出了针对性的加强支护策略，为后续深井大规模矿山开采过程中巷道的支护提供借鉴。

国外发生岩爆的矿山较多，如南非、加拿大和西澳大利亚等国家[8-9]，具体概况
如下:
南非是世界上深井开采最多的国家，平均开采深度在3 000 m以上，而且矿体开
采范围较大，如Harmony Tgrget金矿，为Welkom金矿区向北部的延伸部分，为沉积的含金矿脉，开采深度2 200～2 500 m，矿体与断层、岩墙相交叉，上部的原岩应力超过了40 MPa。

西澳大利亚Mount Charlotte矿，矿体主要为含金的石英网状矿脉，与断层相交叉，厚度25～60 m，围岩主要为粗玄武岩入侵的玄武岩，深1 000 m，最大主应力为σ1=75 MPa，σ2=40 MPa，σ3=25 MPa ，最大主应力近似水平，方向近
似北南，与矿体的走向近似平行，主要的采矿方法为空场法。

加拿大萨德伯里Falconbridge的Craig和Onaping镍矿，位于萨德伯里盆地的
西北侧，为铜镍矿床，底板主要为长英质的片麻岩、苏长岩及花岗角砾岩，开采深度1 700 m，最大主应力接近水平，为垂直应力的2倍多，围岩的单轴抗压强度
为250 MPa，远高于矿石，采矿方法为空场法。

美国科达伦矿区Star Mine，矿体有多个独立的矿脉，并且被许多的断层切割，与垂直倾向的层状围岩相交，围岩主要为石英岩、硅质黏土岩、含黏土的石英岩，最深的8 100水平约2 000 m深，采矿方法为充填法。

我国国内的安徽冬瓜山铜矿，矿体位于青山背斜深部的轴部及两翼，呈不完整的马鞍状，以似层状产出,为厚大矿体，最大厚度约100 m。

直接顶板以大理岩为主，
其次为矽卡岩；直接底板为石炭系下统高丽山组和石英闪长岩，以砂岩和粉砂岩为主，其次为闪长岩和矽卡岩，岩性坚硬，强度高。

矿体赋存标高-690～-1 007 m，最大主应力方向与矿体的走向一致，近似水平，-910 m测得应力值最大为38.1 MPa，矿体中三个主应力的比值σ1∶σ2∶σ3=1∶0.85∶0.8，开拓深度达1 074 m，采用阶段空场嗣后充填法。

其他国内外发生岩爆的矿山地质条件、围岩及开采概况等具体见表1。

综合分析上述国内外发生岩爆矿山的概况，可以得出岩爆发生主要受以下几方面因素影响：
1)矿床形态、地质构造及水作用
①矿体赋存以板状、脉状为主；
②矿区存在断层、岩墙、褶皱等构造，并且与矿体相交叉，地质结构较复杂；
③地表降雨量及其他水作用。

印度科拉尔金矿区的研究表明，地震活动的频率受地表降雨量的影响，顺着断层等结构下渗的雨水，进入了井下的采空区等生产区域，同时降低了岩体间的作用力，加速了井下地震活动的频率。

矿山关闭后，井下深部工作面被雨水浸没，在靠近岩墙及断层地区，地震产生的频率急剧增加，目前仍在
继续发生。

而在南非深部金矿开展的一项实验表明，沿着断层表面注水，引发了系列的地震事件。

2)岩性
①岩石坚硬、较脆；
②岩性以前寒武纪岩石、火成岩和变质岩类岩石、含硅质(特别是石英)或其它坚硬矿物的岩石为主。

3)开采深度及原岩应力
①矿山开采活动较深；
②矿山最大主应力接近水平，且数值较大，大于上覆岩体的垂直应力，最大应力与最小应力的比值大于1.0；
③单轴抗压强度及杨氏模量值较大。

4)开采顺序及采矿方法
印度卡拉尔金矿区Champion Reef矿生产表明，当采矿逐渐接近断层、褶皱及岩墙等薄弱结构面时，产生岩爆急剧增加。

5)回采率及开采速度
据对加拿大矿区的数据统计，随着矿山深度和采出率呈直线上升，该矿区的Lake Shore矿，生产区域从1 200～2 500 m，平均每开采7 400 t，就发生一次岩爆
破坏。

基于开拓系统的建立，在矿山回采的过程中，针对较大震级的岩爆破坏事件，首先应采用合理的支护型式，以便控制岩爆发生时对井下工程造成的破坏，目前国外矿山通常采取能量平衡理论来进行计算和选择[10-11]，并取得了一定的成功。

主要通过计算一定震级的破坏事件释放出的能量，确定采用各种支护方式的承载力，并考虑一定的安全系数。

要求加强支护系统具有一定的让压或屈服特性，该系统的设计承载能力要大于岩爆破坏时所释放的能量，从而保证井下巷道等工程的稳定性。

估算巷道围岩发生破坏时释放出的总能量，采用的计算公式如下：
E=1/2mv2+qmgd
式中：m—破坏岩体的质量，等于单位面积×体重×平均破坏深度；v—破坏时速度，一般假定认为与质点峰值速度ppv(当最大的破坏事件发生时巷道表面岩体破
坏运动时产生的)大小一致，地震事件产生的标准的传播速度可以从与震级、传播
距离的关系式中获得；q—系数，数值等于1或者0，顶板围岩体计算时取1，巷
道边帮围岩体计算时取0；d—巷道壁或顶板岩体发生破坏时产生的位移，可以通过现场安设的多点位移计测量获取；g—取9.81。

在考虑支护方式的峰值荷载和极限位移的基础上，确定包括采用各种支护方式的综合支护型式，采用4#规格线焊接的金属网。

部分支护方式能量吸收情况见表2；
通常在设计中还要考虑一定的安全系数，一般临时支护取1.3，而永久支护取1.5。

一般情况下矿山井下并不是所有的巷道都会采用这种方法来加强支护，因此为了解决这个问题，对巷道进行有针对性的加强支护，则要求矿山应在建立矿体三维地质模型的基础上，进一步建立矿区的工程地质模型EGM，以确定重点支护的地点或
区域，如巷道交叉点，地质构造如断层、岩墙，及残留矿柱等附近的巷道工程。

建立矿区的工程地质模型EGM，主要基于矿山的现状和相关的矿床地质、岩石力
学等资料，如果矿山建立了微震监测系统，则可以结合微震监测系统获取数据。

数据主要包括：1)勘探的钻孔数据：岩性、工程地质编录信息、中段图、剖面图、断层构造信息(位置、方向和特征)等；2)可能的局部应力的方向；3)井下开采形成
的高应力集中区。

重点是研究主要的地质构造，由于其可能诱发微震等破坏事件，进而影响井下的开拓和生产活动。

另外可以结合数值分析和微震监测的数据，以确定井下回采过程中形成的局部应力集中区域。

基于国内外矿山的矿床开采技术条件，对岩爆发生的影响因素进行了分析，并进一步探讨了井下发生岩爆破坏的巷道的加强支护方案设计。

下一步应结合具体矿山的实际情况，制定系统的支护方案，并进行现场的实际应用工作。