1概況
1.1企業概況
桓仁礦業有限公司原名桓仁銅鋅礦屬于有色金屬總公司下設的國有大二型企業。因資源有限于1999年底破產重組為桓仁礦業有限公司。企業性質為民營股份制。
新組建的礦業有限公司下設兩個礦山一個選廠。屬采選聯合企業，年生產能力為100萬噸，生產礦石以鐵為主伴有少量銅，現有員工2000人。
1.2地質概況
桓仁礦業有限公司位于遼省東部。地理坐標：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巖接觸交帶而形成的矽卡巖型礦床。賦存深度達1000余米，富含磁鐵礦與少量的銅等，屬多金屬共生礦床，上盤是寒武紀石灰巖，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，礦巖均屬中等穩固。礦體產狀極為復雜。
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。采空區大部分進行嗣后廢石充填，地壓處理為隔離法。
1.4巖爆概況
當采礦深度在500米以上時巖爆現象基本上沒有發生。當開采至800米時出現巖爆現象，同時上部也出現巖爆且破壞程度比深部大。主要表現在：深部巖爆以微弱形式出現，在清脆響聲的同時偶有少量的極薄片狀巖石彈出。上部巖爆則以中等以上強度的形式出現，巖爆時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，這種巖爆對安全生產影響較大，對人的生命安全構成嚴重威脅。
2巖爆的概況
2.1對巖爆的認識
對于巖爆現象的認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象也逐漸增多，并造成一定的人身傷害和經濟損失。我們開始真正地認識到巖爆是巖體是失穩破壞的一種形式。是處于高應力達極限平衡狀態下的巖體在開挖的擾動下，其內部儲存的應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力學現象。從理論上講巖爆可分為五種類型：一是應變型巖爆，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。從我們現場實際觀測的巖爆歸納為兩種類型：一種是動力型的。動力型在我礦有兩種表現形式。一是深度動力擾動型。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力集中使開挖空間周圍的巖體承受的載荷接近或達到其強度極限，在擾動的作用下(一般情況下是爆破作業)巖體發生脆性破壞。通常是在爆破作業后的較短時間距爆破作業現場較近的地方發生，其破壞程度由小到大由弱到強都時有發生;二是部位動力擾動型。是不隨深度增加而增加的一種巖爆。這種巖爆多發生在背斜的軸部，是因為背斜的兩翼向核內的強大擠壓力使軸部的應力增加從而使巖石本身的強度達到一定的極限值，在擾動力的作用下極易發生巖爆。另一種屬失穩型的。即在上部礦房回采結束后所留下的各種礦柱，巖柱，夾巖，巖脈，巖墻等在下部繼續開采的擾動力向上傳導的作用下使上部已形成的空間周圍的應力場重新分布使其失穩從而出現爆裂，崩塌，等破壞現象。這種巖爆的破壞程度是非常嚴重的，極有可能造成重大的經濟損失和人員傷亡。1983年在上60米中段因下部采礦導致的巖脈失穩崩塌使地表大面積塌陷并造成人員傷亡。
2.2 對巖爆傾向性的認識
所謂對巖爆傾向性的認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識。實踐證明在對巖爆傾向性的認識和預測上我們采用的是強度理論判斷和巖石性質經驗判斷以及巖體失穩理論判斷叁種。
2.2.1強度理論判斷
這一理論最早是南非學者在1994年提出的。它的理論基礎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-巖石的單軸抗壓強度 Q2-開挖工程區域的最大主應力。
當Q2/Q1>0.5C以上時必然發生巖爆的可能性逐漸增加。當Q2/Q1<0.5C以下時巖爆的可能性逐漸降低。
當采深在900米上下時銅礦的Q2值在29.7則Q2/Q1=1.29肯定發生巖爆。上盤石灰巖的Q2值為25.2則Q2/Q1=5.25發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驗室測得的巖石力學參數(一)
注:不同部位的同一種巖石測得的數據不盡相同。
2.2.2巖性經驗判斷
巖爆極易發生在高原巖應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因;構造和采礦爆破作業產生的次生動應力與巖爆處巖石本來所承受較高應力疊加極易超過巖體強度而產生巖爆這是主要的外因，當水較快進入巖體中的構造面和巖石中的空隙中時減小了結構面上的摩擦阻力系數即降低了巖體的抗剪強度和結構面上的法向應力，同時使巖石體積彭脹從而導致巖體更易破壞，尤其在夏天的雨季更易發生巖爆，很多的國內外專家和學者已經證實了這一觀點，這是次要外因。從現場觀測到的巖爆傾向性的嚴重程度依次為：貼近矽卡巖礦體上盤的灰巖——>酸性巖脈——>基性巖脈——>綠簾石性矽卡巖——>硬質閃長巖——>矽卡巖——>含礦矽卡巖。
2.2.3巖體失穩理論判斷
失穩理論判斷的原理是達到應力平衡狀態已經開挖形成空間周圍的巖體(一般指礦房回采結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)在外力的擾動下(通常是就近的爆破作業和地震等原因)使原來形成的應力平衡狀態被破壞從而使巖體失穩，巖體失穩必然導致巖體破壞，以巷道，礦柱，巖脈，支護等斷裂崩塌為特征對生產安全和人員構成極大威脅。最為嚴重的是水平中深孔大爆破所產生的縱向震動波對上部已經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生，使生產安全不受影響，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。目前國內外巖爆控制均處于研究探索過程中，很難準確控制其發生。根據我們礦的實際情況在各生產環節尋求一個規律性的控制理論以指導生產安全工作是十分必要的。本著這樣的原則我們在國內外專家學者大量的研究成果的基礎上結合我礦的實際情況，要在以下三個方面加以研究，也是我們在今后長期的實際工作中必須總結研究的重要內容。
3.1區域宏觀控制。
3.1.1從采礦方法選擇上實現巖爆控制
從選擇采礦方法上實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，特別是當采深達到一定程度時。而我們礦正是延用了最傳統的留礦法，全面法和房柱法。幾十年的實踐證實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濟高效的采礦方法從現在的意義上講是非常重要的。要達到這個目的首先要做到的是轉變觀念，不能總抱著傳統的經驗不放;其次是要大膽的實踐，同時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施巖爆控制都具有重要的的作用。實踐證明，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：作業人員是在有限的暴露空間內(鑿巖硐室)實現鑿巖作業，避免了淺孔鑿巖時人員要在大面積暴露的頂盤下面作業時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，第一，炸藥爆炸時的徑向最大破壞力均勻向弱面(自由面)發展，對頂盤的破壞力相對要小的多這就有效地保護了頂板的穩定性。第二，避免了上向孔底深淺不一爆破時對頂板極易造成人為假頂的弊端。
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對巖體具有一定的擾動力，一次爆炸的炸藥量愈大擾動力就愈大。特別是在自由空間不夠充分的時候是很明顯的。所以，在爆破作業時應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而導致巖爆區域下部爆破藥量的控制，尤其注意的是帶有支點意義的爆破地點對控制上部巖體的失穩具有重要意義。
3.1.4隔離層(礦柱)對控制巖爆具有重要的意義
根據上部已經出現的巖爆事故結合現采礦深度，我們與東北大學聯合科研經過巖體力學分析決定在630米中段留下14米厚的連續隔離層，做為永久保護礦柱。其主要作用為：一是阻止上部地壓活動所產生的應力波及深部，對作業人員造成安全威脅及對設施的破壞;二是阻止深部作業的擾動力向上的傳波;三是做為橫撐支拄支撐上下盤使其穩定;四是做為充填層使其以上的采空區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，必須是連續的。第二，不能任意破壞。第三，已經造成破壞的地方必須加以修復并達巖體強度要求。
3.1.5加強對采空區的處理以達到控制巖爆和減小巖爆傷害
對于采空區的處理主要有崩落，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，沒有達到處理要求。目前我們必須要做的有以下幾點：一是要從上往下將準備回收的礦柱抓緊回采，然后將回采結束中段的水平川脈巷道實施封堵，并達到原巖受力強度。二是繼續加大對隔離層采空區實施廢石連續充填的進程，現在的廢石充填采空區是建立在經濟效益的觀點上，我們必須同時建立在安全效益的基礎上實現盡快充填。
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，是人與危險直接接觸的過程，所以，做好巖爆控制更具意義。在專家學者研究的基礎上結合我們的實際在采礦過程中應從以下幾個方面進行。
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對于巖爆的控制是很重要的。研究結果表明前進式的回采順序比后退式回采對于巖爆的控制更有利。這主要是因為前進式回采的落礦方式是水平落礦，可更有效地控制頂板的穩定性與完整性。
3.2.2采礦作業線推進力求與礦房走向規整一致，頂板水平以上平整避免下垂。
3.2.3采礦作業最好是連續進行。這一觀點是從三個方面考慮的：一是增加采礦強度縮短采礦周期以加快資金的周轉。二是盡可能縮短作業人員在采場中的滯留時間。三是搶在圍巖彈性變形終止前結束采礦，或在圍巖彈性變形終止前對采空區進行處理以及必要的支護。
3.2.4采場中礦柱的設計要遵循以下原則。一是當礦體走向較長中厚以下時要在同一高度留有規則礦拄，作用相當于充填分層體。二是礦柱的長軸要與頂板主應力方向一致，否則很難抵制側應力的剪切破壞。三是中厚以上的礦體預留礦柱必須要考慮到它的高度與直徑的縱橫比。通過實驗室模擬試驗有數據顯示礦柱的縱橫比應在1.6以下最宜。四是規則圓型。
3.2.5礦房與礦房之間的巖脈要做適當的穩定性維護。特別是中厚以上礦體礦房之間的巖脈最易崩塌，所以，當巖脈薄且傾斜是應當在巖脈的下盤留有一定厚度的礦體來維護和支撐其穩定性。
3.2.6當出現厚大礦體需要改變礦房布置要素時，采礦場的長軸方向和采場的推進方向要與原巖最大的主應力方向平行一致。否則，采場極有可能出現巖爆現象。我們現實的采礦場就很不利于巖爆的控制。
3.2.7采場內在較大斷層或巖脈時，采礦工作面的推進方向要背離它們進行，避免垂直向著構造面走向推進(特殊情況除外)。采用后退式上向鑿巖時如遇較大和復雜斷層時應含斷層一次性鑿巖一次性爆破。
3.2.8當礦體平行出現時，要先開采巖爆傾向弱或無巖爆傾向的礦脈，解除巖爆傾向性強礦脈的應力，防止巖爆的發生。這一原理屬于切逢弱化。
3.3主動治理控制
主動治理控制是指在已經知道具有巖爆傾向的巖體中主動采取積極的技術措施對巖爆加以控制。在實際運用中我們主要以支護為主，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力集中區域內的巖體強度來重新分配荷載分布，工作面上的應力集中程度及分布的特點是決定采用什么方法來處理的依據。主要有注液處理，鉆孔處理，切逢處理和松動爆破處理。實際中我們曾采用過松動爆破的方式進行了高應力情況下具有突出巖爆傾向的主運輸巷道的施工，取得了一定的效果。它的主要原理是在預先鑿好的炮孔內采用爆破的方式在圍巖中形成一人工破碎帶，以使高應力向深部巖層轉移，以解除應力為目的。
3.3.2支護處理。根據巖石和巖爆的實際情況并預計可能發生巖爆的機理和強度，選擇相應的支護方法是減少災害損失的重要措施。這種支護方法是我們應用最為廣泛的。實踐證明，這種主動治理實際上是被動的應對，往往都是在已經出現了巖爆導致一定的安全隱患出現時才不得以而采取的補救措施，只是暫時地控制了巖爆的繼續擴大罷了。下面是我們在實際工作實際中針對不同情況所采取的兩種不同等級的支護形式。
3.3.2.1破壞性較小的巖爆一般采用噴錨網支護。作用是預防巖石表面剝落和破壞的發生，支撐和固定已經移位的小塊巖石。
3.3.2.2中等強度的巖爆的支護要在錨桿深度和密度增加的基礎上采用高強度，高韌性的金屬網和鋼纜繩聯合進行支護。
4.巖爆的預警工作
眾所周知，有關巖爆的預警監測工作不論是國內還是國外所采取的監測手段有多種。在我礦應用最早的是光彈法，它的原理是塑性巖石和光彈玻璃在受到應力作用時，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度和方向有關，據此可對即將來臨的地壓活動做出預測。近年來我們與東北大學一起對深部巖爆監測方法進行了進一步的改進，現在應用的是多點位移和壓力合監測法，主要原理是通過對巖體的流變變型來預測巖爆的發生。在實踐中讀取了較好的監測數據。但是，這種監測方法還遠跟不上安全生產的需要。在現場我們員工對巖爆的預防主要是一聽二看三躲避來保護自己的。所以，我們必須尋找一種適合我們礦業實際情況的預警監測手段是當前安全工作的重中之重。
參考文獻：
[1] 古德生：現代金屬礦床開采科學技術。冶金工業出版社。2006。
[2] 郭然： 有巖爆傾向硬巖礦床采礦理論與技術。冶金工業出版社出版。2003。
聲明：
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編輯：中冶有色技術網
來源：遼寧省本溪桓仁礦業有限公司
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2024年09月19日 ~ 21日 
