渣滓溪锑矿岩爆现象及灾害治理

陈 健

(湖南安化渣滓溪矿业有限公司， 湖南 安化县 413507)

岩爆是地下工程，特别是矿山工程、水利水电工程和铁路、公路隧道工程常见的突发性的地质灾害，岩爆所产生的危害已引起了全世界的关注。随着渣滓溪锑矿矿山开采逐步向深部扩展，已开采至埋深600 m，深井岩体在高应力作用下产生动态失稳破坏，发生岩爆灾害，危及职工生命与设备安全。矿山至今已发生数十次岩爆事故，为保障职工生命与设备安全，开展矿山岩爆研究势在必行。由于工程界对岩爆的定义、分类及其机理尚未达成共识，岩爆理论的研究成果与具体工程实践指导还相距甚远，目前工程需要的岩爆预测、预防研究方案尚停留在对岩爆经验判断水平。但是，通过对实际岩爆工程的发生机理、预测预报模型的理论研究，对岩爆防治措施进行实际的探讨，有针对性的提出可靠的岩爆预测方法和预防措施，对于地下工程的安全生产具有重要的意义。

1 岩爆的危害

自1738年在英国南史塔夫煤田发生全球首例有记录的岩爆后，在200多年的时间里，南非、美国、中国、前苏联、加拿大、日本、捷克、保加利亚、奥地利、印度、新西兰等20多个国家都先后发生过岩爆。我国最早有记录的岩爆发生于1933年抚顺胜利煤矿，其后在京西的门头沟煤矿、阜新的五龙矿、石嘴子铜矿、金川二矿区、红透山铜矿、冬瓜山铜矿、锦屏水电枢纽工程、秦岭隧道等都发生过多次岩爆。无论是矿山工程、水利水电工程还是铁路、公路隧道工程，一旦发生岩爆事故，轻者开挖洞室局部受到破坏进而影响施工进度，重者开挖洞室整体受到严重破坏，造成施工设备的损坏，甚至大量人员的伤亡，其后果不堪设想。国家安全生产监督管理总局官方网站公布一组触目惊心的数字，2001～2011年10年间12次强烈岩爆事件中，死亡人数36人，重伤6人，轻伤74人，多次砸断钻孔台车钻臂，砸坏多台卡车、升降台车、喷浆机和电焊机等。

2 岩爆的发生条件

2.1 地质条件

(1) 岩爆的形成与岩体结构有关，不发生在节理发育的破碎段，而是发生在节理不多也不少的岩体段或者完整的岩体内。裂隙发育的岩体受裂隙和层面多重切割，其破坏机制由软弱面起控制作用不易发生岩爆。 渣滓溪锑矿F3断层周围岩石比较发育，不易发生岩爆，离F3断层有一定距离的43脉、19脉和20脉岩石较完整，多次发生岩爆灾害。

(2) 每期构造都会形成一次应力场，复杂的地质构造带容易发生岩爆，如褶曲、岩脉、断层以及岩层的突变等。特别是向斜的轴部岩层存在较大的地应力，聚积有大量的弹性变形能，一旦开挖或开采，就有可能产生岩爆。渣滓溪矿区属于断层控矿，且断层多而复杂。

(3) 抗压强度高(σc>60 MPa)、质地坚硬、单轴压缩试验应力应变曲线以线弹性变形为主的脆性火成岩或沉积岩容易发生岩爆，特别是具备这些特征的岩石有利于积聚弹性变性能。通过对26个岩爆工程或地段岩性统计得到图1所示关系，岩爆基本都发生在花岗岩、石英岩等硬脆性岩石中，即使发生在灰岩地段的岩爆，其灰岩中也同样含有一定量的硅质成分。

渣矿围岩以凝灰质砂岩、石英砂岩、凝灰质板岩为主，坚硬石英砂岩、凝灰质砂岩在高应力条件下都易发生岩爆。

图1 岩爆-岩性关系

2.2 工程条件

(1) 压力集中系数与硐室横断面几何形状有关，理论分析表明，非圆形硐室的应力分布不均程度高，一旦某些部位的应力值达到或超过发生岩爆的临界值，容易发生岩爆。一般在硐室转弯处的弯道内侧或角脚处易发生岩爆。渣滓溪锑矿采场一般为矩形。

图2 岩爆随深度发生的概率

(2) 干燥无水，埋深较大易产生岩爆。工程埋深决定着原岩应力的大小、方向和分布状态，随着开挖深度的增加，地应力呈线性或非线性的增加趋势，岩爆活动也呈现增加的趋势，通过对岩爆发生地段深度的统计，岩爆在600 m以上发生次数明显增多，占统计总量的65%，如图2所示。渣滓溪锑矿开采深度近600 m，且以往发生岩爆的矿岩干燥无水，属易发生岩爆范围。

2.3 应力场条件

岩爆一般发生在高地应力区，特别是高水平地应力。主应力的大小和方向决定着岩爆发生的部位和烈度，研究发现，在埋深小于1000 m时，以水平方向主应力为主，顶底板易发生岩爆；在埋深大于1000 m时，以垂直方向主应力为主，则硐室侧墙易发生岩爆；巷道主轴方向与主应力方向相同，在两帮就会发生岩爆；巷道主轴方向与主应力方向垂直，就会在作业面发生岩爆(见图3)。

3 岩爆的防治

根据岩爆发生的范围和破坏程度，其防治措施主要从两个大的方面考虑：一个是战略性的防治措施；另一个是局部解危措施。

图3 渣滓溪锑矿岩爆后的岩体

3.1 战略性防治措施

(1) 确定最佳回采顺序。根据矿床赋存厚度、主构造与矿体关系，确定平面开采的矿块回采顺序，利用免压拱，创造回采的安全条件；在条件允许时，尽可能实现连续开采，采矿工作面总体推进；在有断层构造的矿脉，应从断层附近开采后退回采，少留矿柱。

(2) 合理布置开拓采准巷道。随着上中段的回采，下中段的采准巷道将进入到由上中段开采形成的承压带中，因此，要在上中段回采产生承压带之前，就要提前完成下中段的开拓、采准、切割工程。同时，在巷道掘进过程中，要尽量使巷道方向沿着最大主应力方向。

(3) 充填采空区。用充填材料支撑采空区，转移顶板应力场，降低应力集中程度；减小采场围岩弹性变形，降低岩层弯曲固折程度，减少岩爆次数和降低岩爆强度。

(4) 建立微震监测系统。实时监测采区岩体对采矿活动的响应情况，及时预报可能发生岩爆的位置和强度，为安全生产提供可靠的信息。

3.2 局部解危措施

(1) 超前径向钻孔解压。在易发生岩爆的部位，打一些空孔，诱导岩爆在孔内发生，岩体内聚集的能量得到释放，使工作面附近压力峰值向原岩体内推进，实现降低岩爆强度或防止岩爆发生的目的。

(2) 控制爆破。施工过程多采用浅孔多循环作业，通过爆破使作业面尽可能光滑圆顺，避免局部应力集中。

(3) 开槽卸压。如果巷道两边墙有较高应力，在两边墙上开凿一个槽，使围岩变形向槽中扩展，增大围岩变形能力，应力峰值向岩体深处转移，缓解顶板上的应力集中。

(4) 岩层预注水。通过注水降低岩体强度，增加岩体塑性变形比例，使岩体内积聚的应变能多次小规模释放，防止应变能集中释放。要求岩层具有一定受水能力，孔隙度大于4%，顶板坚硬，支护强度大。

总之，岩爆是一种严重的地质灾害，不可预测的地质变化都可能引起难以预测的岩爆。虽然岩爆尚处在探索阶段，但是通过对不同地质条件发生的岩爆灾害的研究，采用不同的具体的防治措施，能够很好的预防和降低岩爆可能引起的重大安全事故，保证地下工程的安全作业。

渣滓溪锑矿目前在采场中采取在崩矿区前后各预先凿2～3个泄压孔；在天井掘进时沿矿体底板并揭露一定矿体的方法掘进，取得了一定的效果，但没有彻底排除岩爆现象。未来通过详细的数据及应力场分析研究，渣滓溪锑矿的岩爆将得到有效控制。

参考文献：

[1]李丽娟.金川矿山深部岩石岩爆倾向性研究[D].长沙：中南大学,2009.

[2]姚高辉.金属矿山深部开采岩爆预测及工程应用研究[D].武汉：武汉科技大学,2008.

[3]郭 立.深部硬岩岩爆倾向性动态预测模型及其应用[D].长沙：中南大学,2004.

[4]程向阳.大相岭深埋隧道围岩稳定性及岩爆段快速施工研究[D].成都：西南交通大学,2010.

[5]杨凌云.括苍山深埋特长隧道岩爆预测及防治研究[D].西安：长安大学,2007.

[6]杜子建.岩爆预测理论与应用研究[D].武汉：武汉科技大学,2007.

[7]唐礼忠.深井矿山地震活动与岩爆监测及预测研究[D].长沙：中南大学,2008.

[8]潘 懿.深井采矿地压灾害微震监测、预报与控制技术研究[D].长沙：长沙矿山研究院,2008.

[9]黄学军,姜永东.隧道岩爆的判据与预测预报[J].矿业安全与环保,2005,32(2):7-9.

[10]陶振宇.若干电站地下工程建设中的岩爆问题[J].水力发电,1988(7):40-45.