和睦山铁矿近顶柱开采安全趋势分析

李国平 张 骥

（安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）

金属矿山地下开采是伴随着矿岩应力重分布的过程，可能会造成巷道、采场和硐室的变形破坏，严重时会引发安全事故。随着开采年限的不断增大，当分层回采接近顶柱时，将面临开采技术条件恶化、地压显现突出、安全生产压力增大等一系列技术难题［1-2］。在矿山生产中，保证矿体上覆岩层和顶部围岩长期稳定难度很大，最常发生的近顶柱事故是回采巷道和空区近顶柱失稳或冒落片帮［3］。其发生起数和死亡人数占采矿事故的40%以上，对矿山的生产安全有着极大的影响［4-5］。

局部冒落片帮事故发生概率高、范围小，对人员设备伤害低，主要由于破碎工作面不能及时支护或工作人员敲帮问顶不到位所致［6］。另一种是大面积失稳塌陷，其发生范围广、危害性大，有可能造成严重的人员设备损伤，一般由于上覆岩层压力或不合理的爆破方式引起的围岩破坏，空区暴露面积大［7］。针对此类安全事故的不断重演，国内外的专家学者进行了深入的研究。李莹莹等［8］通过贝叶斯网络分析手段，构建了顶板、近顶柱事故致灾因素模型，可应用于矿山安全事故的预测和总结，对矿山的顶板管理提供参考。王伟等［9］使用危险源理论，将非煤矿山的静态影响因素和动态影响因素相结合，从而对片帮冒落因素进行总结分析。王志鸿等［10］将小变形薄板理论和正交敏感极差分析法相互结合，对影响顶板稳定性的各种因素进行分析，从而得到了各影响因素下顶板安全厚度的数学预测模型。赵瑜等［11］建立围岩变形速率尖点突变模型，以突变理论来分析围岩的稳定性。高峰等［12］利用模糊物元评价方法，实现了对铜绿山矿采场稳定性等级评价的复合模糊物元评价模型。

和睦山铁矿隶属于马钢集团姑山矿业公司，由后和睦山矿段和后观音山矿段组成［13-14］。经过近10 a开采，和睦山矿进入减产期，各中段开采分层已接近上中段底柱［15］。伴随着保有矿量的减少和开采条件的愈加恶化，地压更加明显，节理裂隙发育，矿段进路冒顶、片帮现象频发［16-17］。随着安全趋势不断恶化，安全生产受到严重威胁。鉴于未来各回采分层离上中段充填体越来越近，安全生产压力越来越大，为减少乃至避免再度发生的顶板冒落事故所带来的损失［18-19］，统计和分析和睦山铁矿近顶柱开采安全事故，归纳和总结在时间、中段分层、盘区的近顶柱开采分布趋势，揭示未来潜在风险，对控制下年度安全生产压力、提高安全生产管理的精准度具有重要参考意义。

1 近顶柱矿体稳定性分级与评价

当前，各个中段开采分层回采均已接近顶柱，剩余矿体受前期开采的影响，稳定性必然发生显著的变化。因此，掌握了解近顶柱矿体稳固情况，对近顶柱矿体稳定性进行调查和分析，从而针对性地采取相应安全与技术措施。此次节理裂隙调查地取自后观音山矿段，分别为-250 m中段的-211 m水平零盘区联络道、-215 m水平三盘区303进路和-211 m水平四盘区411进路。根据《国家工程岩体分级标准》（GB 50218—2014）要求进行调查。

根据诸多岩体稳定性分级方法的实施难易程度以及姑山矿现场实施的适用性，本项目将采用Q系统分级、RMR分级和国标BQ分级3大类分级方法，进行岩体综合分级。表1为本次节理裂隙调查测点分级表。

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从表1可得，后观音山矿岩稳定性多属于一般—差，该区域矿岩整体性偏差。除RMR法将-211 m水平零盘区联络道和-215 m水平三盘区303进路评定为稳定性一般的III级外，其他2种方法均认为-250 m中段近顶柱分层矿体属于稳定性差的IV级。和睦山铁矿当前有-150，-200，-250，-300 m共4个生产中段，-250 m中段矿岩具有较好的代表性，因此，随着各水平开采接近顶柱，矿体稳定性已经处于较差的IV级。

对比各矿岩稳定性级别能直接反映岩体的自稳能力。在近顶柱分层回采时，跨度应控制在5 m以内，最大不能超过6 m，并需加强支护，及时回填，避免顶板垮落。

2 近顶柱开采安全趋势

虽然国内金属矿山安全事故种类较多，但各矿山矿情不同，事故类别也各有侧重。和睦山铁矿主要以顶板冒落事故居多，其主要发生于后观音山矿段。冒顶是地下开采矿山较常见的多发事故，对矿山生产和职工人身安全威胁极大。在矿山开采过程中，由于掘进巷道和回采矿石，破坏了原岩体内的应力平衡，使原岩体内的应力重新分布，巷道或空区周围的岩石产生弯曲、变形，当原岩应力大于矿岩的承受能力时，破碎区的岩石便向空区冒落，形成冒顶、片帮。后观音山矿段采用预控顶上向进路充填法，开采技术条件复杂，矿岩稳固性差，2020年全年共发生44起顶板冒落，其中进路顶板冒落34起（占比77.27%）、巷道冒顶8起（占比18.18%）、顶板松动2起（占比4.55%）。

2.1 安全事故随时间趋势

和睦山铁矿每月发生冒顶事故趋势如图1所示，除2月份以外，2020年整年其余月份都发生了冒顶事故，其中发生频率较高是第四季度，总共达18次，其中11月份发生次数最多，达到了8次冒顶。此次冒顶主要发生于一盘区，由于该地区顶板厚度变薄，同时地质条件逐渐变差，因此发生冒顶次数增多。总而言之，随着盘区各分层开采时间逐渐推移，分层回采逐渐接近顶柱顶板，冒顶的事故发生概率变大，发生次数增多。

同时，对从2014—2020年共6 a间顶板冒落进行统计，结果如图2所示。由阿基玛插值所得趋势图（图2）可知，顶板冒落与年度相关性不大，但月度分布呈现一定的规律性，冒落事故从6—7月变化较大，顶板冒落上半年和下半年差异性较大，主要发生于下半年，这是由于顶板冒落主要取决于矿体稳固性和采空区暴露时间，随着时间的推移，采空区矿体暴露风化侵蚀和人工扰动，矿体稳定性下降，因此冒顶率增高。在2014—2020下半年，尤其是7—11月，顶板冒落发生占比分别为60.9%、72.5%、55.2%、45.9%、52.7%、67.6%、54.5%，年度平均下半年顶板冒落占比58.7%。

为揭示产量与冒顶之间的关系，将各月度冒顶起数和产量相除得到万吨冒顶发生率，统计后观音山矿段2020年各月度产量与冒顶起数（图3）。从图中可以看出，各月度产量随计划变动较大，冒顶发生起数和产量增减没有较大的关联，而万吨冒顶发生率随着冒顶次数增减而相应变动，表明万吨冒顶发生率与冒顶发生次数之间呈正向相关。

统计各月平均万吨冒顶发生率，同时得到2020年万吨冒顶平均发生率为0.58次/万t，相较于2019年的0.36次/万t，增幅为61%，表明事故发生频率增高，安全开采形势严峻。

2.2 安全事故随中段分层分布趋势

和睦山铁矿各中段、各分层发生冒顶数如图4所示，可以看出，-200 m中段的-150 m分层发生7次、-155.5 m分层发生10次，共17次。-250 m中段的-215 m分层发生冒顶14次。-300 m中段的-257 m分层发生9次，-262.5 m分层发生4次，共13次。由此可知，各盘区内中段发生冒顶数量大致相当，冒顶事故在各中段发生率基本持平，但由于岩性总体质量较差，导致各中段分层的冒顶事故居多。结合近顶柱矿体稳定性分级评价，此分布规律和岩性特征基本吻合。

各分层冒顶事故统计结果表明，各分层开采越靠近阶段顶柱，该分层冒顶事故发生概率越高，此分布规律与地压显现规律相一致（越靠近顶柱位置，地压越大）。

图5 给出了-200，-250，-300 m中段各分层作业面与顶柱的距离和事故发生次数的关系。图5中-250 m中段-223 m分层距离顶板29 m时发生16次，-229 m分层距离顶板35 m时发生22次，-235 m分层距离顶板41 m时发生13次，是由于-223 m分层节理表面较完整，稳定性较其他分层好。而-200，-300 m中段各分层矿岩稳定性分级多属于较差—差，该区域矿岩整体性偏差。

对比不同分层冒顶事故趋势，各分层冒顶事故起数变动较大，但是其基本趋势一致，即距离顶柱越近，冒顶事故发生的概率越大。

2.3 安全事故随盘区分布趋势

和睦山铁矿后观音山矿段各盘区冒顶数如图6所示。各盘区依次发生冒顶事故分别为11，10，2，6，8，5和2次。相较于其他盘区，零盘区、一盘区为主要开采区域，采场布置多，矿体较破碎，岩性较差，故而发生冒顶起数显著高于其他盘区，四盘区次之。其中零盘区的-257，-215，-155.5 m分层均已回采至近顶柱，四盘区回采至-215 m分层，离本中段顶板距离变近，矿岩稳固性变差，也容易发生冒顶。而二盘区回采任务少，矿岩稳固性相对稍好，发生冒顶概率较低，冒顶起数最少。

3 结论

（1）与2019年相比，2020年事故发生起数有所增加，但矿山出矿量大幅度降低，致使万吨冒顶发生率由2019年的0.36次/万t显著提高至0.58次/万t，增加幅度高达61%。随着2021年和睦山铁矿生产能力进一步的降低，可以预测的是，其事故发生可能性却因更接近顶柱而大幅增加，安全形式严峻，必须引起矿山管理与技术人员的高度重视。

（2）中段事故发生概率：-200 m中段最高，-250 m中段次之，-300 m中段最低；2021年-200 m中段将结束回采，安全防范的重点将转移到-250 m中段；零盘区、一盘区将是未来最容易发生冒顶事故的区域，应加强这2个盘区的安全管控。

（3）距离顶柱越近，冒顶事故发生的概率越大。随着未来回采工作面越来越接近顶柱位置，安全生产压力将逐年递增。

（4）2020年安全形势较2019年更为严峻，冒顶事故发生起数增加18.9%，按照此趋势，可以预计2021年安全生产压力将更大。