謝曉斌，陳輝，李想，楊慶明

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州 341000)

深井開采工程地質(zhì)災(zāi)害與防治措施

謝曉斌，陳輝，李想，楊慶明

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州 341000)

由于國內(nèi)對(duì)地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用的增加，深井開采成為深部礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的主要方式，深井開采過程中由高地應(yīng)力、高地溫和開采擾動(dòng)等問題引發(fā)的主要工程災(zāi)害也越來越受重視。文章主要對(duì)有色金屬礦山深井開采中所遇到的巷道圍巖變形、采場地壓顯現(xiàn)、巖爆、礦井熱害等相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了詳細(xì)分析。借鑒國內(nèi)外相關(guān)實(shí)踐和理論經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)這些相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害防治方法的深入地研究，提出了合理的解決方案和建議，為礦山企業(yè)深部采礦工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

深部采礦;地壓顯現(xiàn);巖爆;礦井熱害;防治措施

1 引言

礦產(chǎn)資源是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全保障的物質(zhì)基礎(chǔ)，但由于近年來我國對(duì)礦產(chǎn)資源需求量的增長和對(duì)淺部礦產(chǎn)資源開采力度的不斷加大，使我國淺部地下礦產(chǎn)資源量日益減少。因此，加強(qiáng)對(duì)深部礦產(chǎn)資源的勘探和開發(fā)利用是礦產(chǎn)資源開發(fā)的必然趨勢(shì)。

在我國，開采深度小于300m，為淺部開采，開采深度介于300～600m，稱為中等深度開采，開采深度在600～900m及以上，為深部開采［1］。伴隨著開采深度的不斷增加，采礦作業(yè)環(huán)境也更加惡劣，由深井開采所帶來的高地壓、高地溫和開采擾動(dòng)等工程地質(zhì)災(zāi)害給采礦工作增加了大量難題。因此，加強(qiáng)深部采礦所帶來的一系列工程災(zāi)害問題的研究對(duì)深部礦產(chǎn)開采作業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 金屬礦床深部采礦主要工程災(zāi)害

2.1 巷道圍巖變形增大

隨著開采深度的增加，巷道圍巖所受的各種壓應(yīng)力、剪應(yīng)力也相應(yīng)增大，伴隨著巷道開挖工作的進(jìn)行，圍巖中地應(yīng)力重新分布，當(dāng)巷道圍巖所受地應(yīng)力強(qiáng)度超過圍巖所能承受強(qiáng)度極限時(shí)，巷道將因圍巖產(chǎn)生大的變形而發(fā)生破壞。即因開采深度的增加使巷道地壓顯現(xiàn)的可能性及強(qiáng)度都隨之增大。巷道變形破壞的主要方式為:巷道底臌量增大、巷道斷面縮小和巷道支護(hù)設(shè)施破壞。巷道的變形破壞不但增大了維護(hù)工作量，還使礦山企業(yè)蒙受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)也給運(yùn)輸安全留下了重大的隱患［2］。巷道變形破壞嚴(yán)重影響巷道內(nèi)人員、礦產(chǎn)資源和物料的運(yùn)輸安全，增加了巷道的支護(hù)成本和人力、物力、時(shí)間的消耗。

2.2 采場地壓顯現(xiàn)劇烈

巖體被開挖以后，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生了改變，巖體中段應(yīng)力狀態(tài)重新分布，產(chǎn)生了次生應(yīng)力場，使巷道或采場周圍的巖石發(fā)生變形、移動(dòng)和破壞，這種現(xiàn)象稱為地壓顯現(xiàn)［3］。由于開采深度的增加，采場上覆巖層自重應(yīng)力和其他應(yīng)力也隨之增大，深部圍巖在高應(yīng)力環(huán)境下也可能產(chǎn)生脆～延轉(zhuǎn)化，從而使采場圍巖穩(wěn)定性降低、產(chǎn)生的位移量增加、采場地壓顯現(xiàn)更加劇烈。由于每個(gè)礦山的礦床賦存條件和選擇的采礦方法不同，采場地壓顯現(xiàn)的方式也不盡相同，采場地壓顯現(xiàn)的主要方式包括:采空區(qū)頂板的下沉和坍塌、頂?shù)椎V柱或間柱的變形垮塌、采場頂板的冒落、沖擊地壓和巖層錯(cuò)動(dòng)等。采場地壓顯現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致采場條件惡化，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全、影響礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)。

2.3 巖爆強(qiáng)度和頻率增加

巖爆一般是指堅(jiān)硬、脆性圍巖受到地應(yīng)力釋放及開挖擾動(dòng)的影響時(shí)，應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致其徑向約束力卸除，切向應(yīng)力驟然增加，使巖石內(nèi)部存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能急劇釋放，以致產(chǎn)生巖石爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象［4］。伴隨著開采深度的增加，儲(chǔ)存于巖體內(nèi)部的彈性應(yīng)變能也相應(yīng)增大，巖體在開挖后，圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生改變，當(dāng)巖石被擠壓的力度超過所能承受彈性極限時(shí)，積聚在巖石內(nèi)部的能量迅速釋放，從而引發(fā)巖爆［5］。巖爆的發(fā)生機(jī)理十分復(fù)雜，國內(nèi)外現(xiàn)有的結(jié)論可以解釋一些實(shí)際問題，但有些現(xiàn)場問題并不能用這些結(jié)論進(jìn)行合理解釋。如在南非金礦的深部開采中得到的堅(jiān)硬巖層具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，但這種巖石的樣本在試驗(yàn)室中卻幾乎觀測(cè)不到時(shí)間效應(yīng)［6］。巖爆直接威脅生產(chǎn)人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)，是深井采礦中重要影響因素之一。

2.4 礦井熱害影響嚴(yán)重

在深井開采中，由于作業(yè)溫度的升高，礦井熱害也越來越嚴(yán)重。礦井熱害(heathazardinmine)是指礦井內(nèi)環(huán)境氣溫超過人體正常熱平衡所能忍受的溫度，導(dǎo)致勞動(dòng)效率降低、事故頻率增加、健康受損，甚至中暑休克的現(xiàn)象［7］。

礦井熱害的主要熱源包括:

(1)地?zé)岬挠绊?據(jù)統(tǒng)計(jì)，自地表以下，標(biāo)高每下降100m，溫度平均升高3℃。在地?zé)岙惓^(qū)域，溫度隨深度的增加而升高的更快，地?zé)岢蔀樯罹_采高溫的主要原因。

(2)入風(fēng)氣溫影響:在我國南方的大部分地區(qū)，由于夏季溫度比較高，造成礦井入風(fēng)氣溫過高，也是影響深井高溫的一個(gè)重要原因。

(3)采礦機(jī)械放熱:由于科技的發(fā)展，大型器械在深井中的運(yùn)用越來越廣泛，而機(jī)電設(shè)備放熱也是深井開采中不可忽略的一部分。

(4)其他影響因素:人體散熱、爆破、生產(chǎn)用水、充填料放熱等。

當(dāng)深井內(nèi)作業(yè)環(huán)境溫度過高超出人體正常所能忍受的溫度，會(huì)使井下工作人員注意力分散、勞動(dòng)率降低。嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起工作人員中暑休克，從而嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)和工作人員的身體健康。

3 深部采礦相關(guān)工程災(zāi)害的防治

3.1 巷道變形防治技術(shù)

3.1.1 合理設(shè)計(jì)礦區(qū)開拓和巷道布置

在礦區(qū)規(guī)劃的過程中，對(duì)礦區(qū)開拓和巷道布置的合理設(shè)計(jì)能有效地減少在深井開采中巷道支護(hù)的難度和成本。其主要方法有:

(1)利用對(duì)礦田的合理整合，以減少礦田中礦井、水平、采區(qū)的數(shù)量，簡化工作面，減少巷道數(shù)量，在降低開拓工作量和成本的同時(shí)，減少需支護(hù)巷道的數(shù)量，從而降低礦區(qū)內(nèi)巷道的支護(hù)成本。

(2)合理的布置巷道位置，巷道布置盡量避開不良工程地質(zhì)地段，增加巷道圍巖的穩(wěn)定性，或?qū)⑾锏啦贾迷陬A(yù)采礦柱的采空區(qū)內(nèi)(卸壓區(qū)內(nèi))，以方便巷道維護(hù)，降低巷道維護(hù)成本。

3.1.2 改進(jìn)巷道爆破技術(shù)

巷道掘進(jìn)工作應(yīng)盡量降低爆破對(duì)圍巖的影響，保持圍巖的穩(wěn)定性。良好的巷道掘進(jìn)爆破工作可以有效地減少圍巖收斂變形量、降低后期巷道維護(hù)難度和維護(hù)成本。保證巷道掘進(jìn)爆破質(zhì)量的主要措施包括:嚴(yán)格控制巷道掘進(jìn)時(shí)的炸藥使用量，盡量減小爆破震動(dòng)對(duì)巷道圍巖的影響;對(duì)炮眼進(jìn)行合理布置，增加炮眼數(shù)量，且周邊眼不裝藥，以保證巷道一次成型的條件下降低爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)頂部圍巖的影響;爆破前利用超前控頂錨桿對(duì)巷道頂部圍巖進(jìn)行控制，以保持爆破后頂部圍巖的穩(wěn)定性［8］。

3.1.3合理安排對(duì)巷道圍巖地支護(hù)工作

合理地設(shè)計(jì)支護(hù)工作可調(diào)整圍巖中的應(yīng)力分布、減小地圍巖自由變形，有效地防止松散巖體的墜落。在巷道爆破成型后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，可以在巷道成型后用錨桿、錨帶網(wǎng)進(jìn)行圍巖的支護(hù)以縮短圍巖的懸露時(shí)間。實(shí)踐證明，巷道在錨網(wǎng)支護(hù)后10～15d出現(xiàn)劇烈變形，巷道兩幫移動(dòng)量最大達(dá)1000mm，之后巷道趨于穩(wěn)定。因此，在巷道掘進(jìn)中，應(yīng)合理地預(yù)留巷道斷面變形量，對(duì)巷道的支護(hù)工作應(yīng)該盡量避開應(yīng)力峰值點(diǎn)［8］。然后以注漿的形式對(duì)巷道圍巖進(jìn)行封閉處理，以防止巖石的風(fēng)化、填凹補(bǔ)平避免應(yīng)力的集中、防止錨桿間危石的掉落。在地應(yīng)力比較大的區(qū)域還可以用被動(dòng)的支護(hù)形式如利用木棚支架、鋼筋混凝土支架等進(jìn)行巷道圍巖的支護(hù)。

3.2 采場的地壓控制

對(duì)于深井中采場地應(yīng)力強(qiáng)的特點(diǎn)，國內(nèi)主要應(yīng)用以下幾種方式進(jìn)行對(duì)采場地壓的控制:

(1)采場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。對(duì)采場結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以加強(qiáng)對(duì)采場中圍巖中的控制，避免圍巖中應(yīng)力的集中釋放。對(duì)采場結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化能夠避免圍巖應(yīng)力的集中，有效降低采場發(fā)生地壓顯現(xiàn)的次數(shù)和強(qiáng)度，從而降低采場地壓顯現(xiàn)對(duì)采礦作業(yè)的影響。保證采礦布局的合理性的主要方法有:①優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù);②對(duì)空區(qū)地壓進(jìn)行科學(xué)有效的管理;③合理安排回采順序。

(2)科學(xué)判斷采場可能的破壞形式，并進(jìn)行合理的支護(hù)。利用相關(guān)數(shù)值軟件對(duì)采場進(jìn)行數(shù)值模擬可有效、科學(xué)地預(yù)測(cè)采場的地壓顯現(xiàn)模式，從而對(duì)地壓顯現(xiàn)模式進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的判斷。根據(jù)采場的地壓顯現(xiàn)模式判斷結(jié)果，可以確定相應(yīng)的采場支護(hù)手段，以保證采場支護(hù)工作的有效性，提高采場圍巖的穩(wěn)定性。

(3)采場地壓的監(jiān)測(cè)。及時(shí)地掌握和更新采場圍巖變形、應(yīng)力的分布狀況和巖體的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)，可以為采場的數(shù)值模擬提供科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，保證采場模擬的準(zhǔn)確性，從而可以確保支護(hù)工作的有效性。

3.3 深井巖爆的主要防治措施

3.3.1 高應(yīng)力區(qū)的監(jiān)測(cè)和控制

高應(yīng)力區(qū)是巖爆的高發(fā)區(qū)，對(duì)高應(yīng)力區(qū)的檢測(cè)與控制可以有效的控制和避免巖爆的發(fā)生。主對(duì)工作面進(jìn)行處理，可以對(duì)高應(yīng)力區(qū)工作面前端的圍巖進(jìn)行合理的爆破，使圍巖應(yīng)力的分布，避免應(yīng)力的集中;利用漿液減少斷層面中的正應(yīng)力或利用漿液支架礦柱，從而誘發(fā)斷層面有控制的滑移，達(dá)到應(yīng)力適當(dāng)釋放的效果，從而避免應(yīng)力集中釋放而發(fā)生巖爆［9］。

3.3.2 對(duì)采空區(qū)高應(yīng)力控制

深部采礦過程中，可以充分利用支護(hù)、充填等方式來減少巖爆現(xiàn)象發(fā)生。即在回采工作完成后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行合理處理如:利用支柱、頂梁等設(shè)施對(duì)采空區(qū)進(jìn)行支護(hù)、對(duì)空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填。加強(qiáng)對(duì)采空區(qū)圍巖應(yīng)力的控制，及時(shí)對(duì)采空進(jìn)行封閉，待空區(qū)穩(wěn)定后適時(shí)進(jìn)行支護(hù)或充填，并對(duì)采空區(qū)圍巖進(jìn)行科學(xué)地監(jiān)控，從而有效的降低空區(qū)圍巖受爆破引起的礦震的影響，控制采空區(qū)的應(yīng)力分布，避免地應(yīng)力的集中。降低巖爆的發(fā)生頻率及強(qiáng)度。

3.4 深井熱害的防治

根據(jù)對(duì)熱源的控制和降溫方式可把深井熱害的防治方法分為減少熱源法、加強(qiáng)通風(fēng)法、制冷空調(diào)降溫法、個(gè)體防護(hù)法和其他降溫措施。

3.4.1 減少熱源以降低井下溫度

(1)減少巖層熱量散發(fā)。利用在巖壁上噴護(hù)的隔熱物質(zhì)，減少圍巖中熱量的傳入。

(2)加強(qiáng)對(duì)機(jī)械熱的控制。合理選擇和安排井下礦山機(jī)械，盡量選擇高效率的井下礦山機(jī)械，減少井下的機(jī)械熱量，合理安排固定機(jī)械的位置，便于對(duì)其產(chǎn)生的機(jī)械熱的集中處理。

(3)改善熱水系統(tǒng)及加強(qiáng)對(duì)管道熱點(diǎn)控制。為了防止高溫排水管和熱壓風(fēng)管將熱量帶入井下工作區(qū)，應(yīng)盡可能地將高溫排水管和熱壓風(fēng)管架設(shè)在回風(fēng)道中，并且超前對(duì)熱水進(jìn)行疏排或經(jīng)有隔熱設(shè)施的管道導(dǎo)入水倉。

(4)減小爆破熱對(duì)采礦作業(yè)的影響。井下爆破會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量不能馬上由回風(fēng)巷道排除，為了盡量減小爆破產(chǎn)生的熱量對(duì)井下工作人員的影響，應(yīng)盡量把爆破工作和人員作業(yè)的時(shí)間錯(cuò)開。

3.4.2 加強(qiáng)通風(fēng)以降低溫度

通風(fēng)降溫的實(shí)質(zhì)乃是以增大供風(fēng)量的方式，使井下作業(yè)地點(diǎn)氣溫降低到國家有關(guān)規(guī)程規(guī)定的溫度范圍之內(nèi)，從而為井下作業(yè)創(chuàng)造一個(gè)適宜的溫度環(huán)境［10］。通過建立良好的通風(fēng)系統(tǒng)，可以有效地縮短入風(fēng)線路的長度、減小通風(fēng)巷道風(fēng)阻，同時(shí)通過增加入風(fēng)量、提高風(fēng)速、降低入風(fēng)流溫度，可以使深井下的熱量盡快排出工作面，從而保證工作面適宜的作業(yè)溫度。

3.4.3 利用人工制冷降低溫度

利用人工制冷方式對(duì)井下進(jìn)行降溫是當(dāng)代礦井控溫的一種新方法，當(dāng)其他降溫方式成本過高或效果無法達(dá)到作業(yè)環(huán)境的要求時(shí)，可以考慮利用人工制冷方式進(jìn)行降溫。目前國內(nèi)外普遍采取人工降溫方法對(duì)井下溫度進(jìn)行控制。人工制冷降溫的關(guān)鍵技術(shù)是制冷、輸冷、傳冷和排熱，及對(duì)降溫系統(tǒng)的控制［11］。具體相關(guān)實(shí)例如圖1。

圖1 人工制冷控溫系統(tǒng)圖

3.4.4 個(gè)體防護(hù)

在作業(yè)地點(diǎn)比較分散、集中降溫困難的情況下，利用個(gè)體防護(hù)方式可以有效的保證工作人員的安全生產(chǎn)、有效降低降溫成本。近年來，隨著科技的發(fā)展以及人們工作條件的改善，借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，我國在該領(lǐng)域的研究也正在取得顯著進(jìn)步。目前，我國已制訂了部分行業(yè)的熱防護(hù)服性能要求，已制訂和建立了熱防護(hù)服阻燃性能測(cè)試方法和系列標(biāo)準(zhǔn)［12］。

3.4.5 其他降溫措施

除了以上控制井下溫度的方法，還可用其他的降溫措施對(duì)井下的溫度井下控制如:采用井口噴冷水等方法降低經(jīng)過入風(fēng)口的空氣溫度，從而控制礦區(qū)井下溫度;短時(shí)間的局部作業(yè)可利用噴霧或放置冰塊的降溫方法;對(duì)于特殊的作業(yè)環(huán)境條件可以地使用其他的低能耗、高效率的降溫方式。

4 結(jié)論

隨著人類對(duì)有色礦產(chǎn)資源的需求量的大大增加，礦井的開采深度將不斷加深，而深井開采所帶來的問題也將更加的突出。如何解決這些問題將是提高資源開采能力和保證開采安全的決定性因素。本文對(duì)深部金屬礦床開采中所遇到的主要工程災(zāi)害進(jìn)行研究，分別對(duì)巷道圍巖變形、采場地壓顯現(xiàn)、巖爆、礦井熱害等工程災(zāi)害的成因等作了詳細(xì)的分析，根據(jù)對(duì)深井采礦的特殊地質(zhì)環(huán)境影響因素的研究，總結(jié)出了一套比較完整的深井工程災(zāi)害的防治方案，為礦山企業(yè)解決深部采礦過程中所遇的實(shí)際工程問題提供理論依據(jù)和方法參考。

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The Geological Disaster and Prevention Measures in Deep Mining Project

XIE Xiao－bin，CHEN Hui，LI Xiang，YANG Qing－ming

(Faculty Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China)

With growing exploitation of underground mineral resources in our country，deep well drilling becomes the main way of deep mineral resource development and utilization.The Main engineering disasters in deep well drilling process which caused by high geostress，high geothermal and mining disturbance are more and more valued.This paper detailed analyses some related geological disasters in deep well drilling process，such as the stope drift wallrock deformation，stope pressure appeared，rockburst and mine heat hazard etc.Referring to relevant practice and theory experience home and abroad，the paper puts forward reasonable solutions and suggestions which provide theoretical guidance for deep mining engineering practice of mine enterprise by penetratingly researching the prevention measures of related geological disasters，.

deep mining;ground pressure appeared;rockburst;heat hazard in mine;prevention measures

TD327

C

1009－3842(2011)06－0021－04

2011－06－02

謝曉斌(1987－)，男，江西贛州人，江西理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)椴傻V工程。E－mail:270234301@qq.com