非煤地下基建矿山井巷致灾因素辨识及分级

王智能，侯克鹏，者亚雷，杨 磊

（1.云南磷化集团有限公司昆阳磷矿二矿，云南 昆明 650601；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

为系统厘清地下矿山目前存在的风险，保障矿山后续安全生产，国家矿山安全监察局于2022 年发布了《关于开展非煤地下矿山隐蔽致灾因素普查治理工作的通知》（矿安〔2022〕76 号）（以下简称“76 号文”），普查治理参考提纲主要从采空区、水文地质、地压与火灾4 个方面对矿区各隐蔽致灾因素开展普查工作，对其致灾风险等级进行客观评价，提出治理措施及建议[1-3]。

根据76 号文工作内容第五项要求，除已明确指出的采空区及周边老窑、水文地质、地压、火灾四项致灾因素普查治理内容外，各非煤地下矿山企业应结合实际开展认为需要重点普查治理的其他内容。昆阳磷矿二矿属于新建地下矿山，目前处于基建阶段，还未进行出矿生产作业，且附近矿体以往均采用露天开采方式，矿区内及周边无废弃矿井，地下无采空区存在。因此，认为矿山现阶段井巷开拓工程致灾因素将是昆阳磷矿二矿普查治理的重点。

1 井巷致灾因素辨识

昆阳磷矿二矿目前处于基建期间，主要开拓井巷工程有平硐、斜坡道、斜井、竖井。井巷穿过的围岩性质主要包括粉砂岩、粉砂质页岩，层状结构，属半坚硬-坚硬岩类，岩体完整性为破碎-较完整，岩体质量等级为Ⅳ级～Ⅱ级；黏土质页岩，分布不连续，为软弱岩类；白云岩、磷块岩，块状、条带状结构，裂隙发育，岩体属坚硬岩类，岩体完整性为破碎-较完整，岩体质量等级为Ⅳ级～Ⅱ级。

在井巷施工过程中，可能会出现巷道围岩失稳、竖井围岩破坏、井巷突水、基建通风系统不完善导致通风不畅以及岩爆等问题[4]。其中，穿越的软弱地层岩性包括黏土质页岩、粉砂质页岩，可能发生围岩拉伸变形导致的破坏。矿区地下水丰富，在施工过程中可能发生突水事故，一旦发生将严重威胁矿山安全。井巷工程延伸至含水层，发育有岩溶，后期矿体大规模开采疏水后，竖井可能发生一定疏水沉降变形。矿体埋藏浅，未进行开采作业，岩体潮湿，经调查井巷开挖断面形状规则，大型洞室群岔洞较少，因此，矿山目前发生岩爆的倾向性较低。

通过现场调查，结合地质水文勘查资料及设计资料分析，针对井巷失稳破坏、突水、基建通风系统不完善导致通风不畅三种井巷灾害，梳理了13 种致灾因子：岩石坚硬程度、岩体质量、地质构造、断面尺寸、地应力、支护及管理、井口表土性质及厚度、超前探放水、防治水措施、通风方式及设备、井巷工作面风速、施工前气体检测、应急预案。

2 井巷致灾因素等级划分

将风险等级划分为四级，分别为I 级、II 级、III 级、IV 级，其中，I 级为重大风险，不可接受风险，风险最高；II 级为较大风险，不期望风险，风险较高；III 级为一般风险，有限接受风险，风险较低；IV 级为低风险，可接受风险，风险最低。风险等级划分情况见表1。通过查阅规范、文献，以及咨询专家，确定致灾因素评价标准如下所述。

表1 风险等级划分Table 1 Gradation of risk

1）岩石坚硬程度。岩石坚硬程度按饱和单轴抗压强度可分为五类，见表2。昆阳磷矿二矿强度最低的岩性为矿体间夹层泥岩，抗压强度为11.25 MPa，无极软岩存在，因此，将风险等级划分为四个等级进行赋值，见表3。由表3 可知，昆阳磷矿二矿若按围岩条件最不利因素考虑，矿体夹层围岩强度最低，为11.25 MPa，风险等级为I 级。

表2 岩石坚硬程度分类及等级划分Table 2 Classification and gradation of rock hardness 单位：MPa

表3 岩石坚硬程度风险等级划分Table 3 Risk gradation of rock hardness 单位：MPa

2）岩体质量。岩石质量指标RQD值是反映工程岩体完整程度的定量参数，该指标被广泛应用于各种工程岩体的稳定性评价，国内外许多岩体工程规范、规程都采用RQD值指标作为最重要的分类参数[5]。根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）可将岩石质量划分为5 个等级，见表4。

表4 岩石质量指标RQD 值风险等级划分Table 4 Risk gradation of rock quality index RQD value

为统一风险等级，将RQD值指标进行重新分级，见表5。

表5 岩石质量指标RQD 值等级重新划分结果Table 5 Results of re-gradation of rock quality index RQD value

通过对《昆阳磷矿二矿地下开采200 万t/a 建设项目水文地质勘查》中涉及的三个深孔岩芯进行现场调查可知，RQD值最低的为磷块岩，平均值为8%，岩体质量按最不利因素考虑，对应风险等级为I 级。

3）地质构造。由于地下开采过程中遇到的围岩数量、大小不尽相同，且存在不同的地质构造，如断层、褶皱等，因此导致井巷顶板周围的环境比较复杂，本文采用半定量的方式确定地质构造的风险等级，见表6[6]。

表6 地质构造风险等级划分Table 6 Risk gradation of geological structure

昆阳磷矿二矿矿区断裂构造不发育，仅有两条断层且规模较小，其中，F1 断层规模较小，处于露天开采范围内，对地下开采不会造成影响；F2 断层有一部分位于地下开采范围内，目前未揭露，软弱结构可能会对稳定性造成一定影响。在掘进1 890 m 中段无轨巷道时，遇到断层破碎带，围岩强度低，掘进支护较困难，常规的支护方式不能满足安全要求，因此，将巷道在偏离原设计20 m 的位置改道施工。该断层破碎带规模不大，经改道后能够避开，因此，对应风险等级为II 级。

4）断面尺寸。相关研究表明，巷道的轴比存在一个合理的界限值，超过合理界限值，过高的巷道宽度和高度会造成巷道围岩应力分布很不均匀，某些部位的位移量很大，稳定性降低。以稳定岩层距顶板的距离、稳定岩层的极限跨距和巷道跨度等三个参数作为顶板稳定性分类指标[7-8]，确定巷道稳定性类别及风险等级，见表7。

表7 不同巷道尺寸及顶板性质条件下巷道稳定性类型风险等级划分Table 7 Risk gradation of roadway stability types under different roadway sizes and roof properties

顶板岩层极限跨距按式（1）进行计算。

式中：L为顶板岩层极限跨距；Rt为抗拉强度；q为上覆荷载，考虑岩层自重应力；fq、fe、fm、fd为岩石强度影响系数、采动影响系数、岩层埋深影响系数、地应力影响系数。

昆阳磷矿二矿开拓巷道主要建设在矿体底板，离矿体底板垂直距离约15 m，岩性为白云岩块状结构，抗拉强度1.5 MPa，上覆矿岩厚度约200 m，经计算顶板岩层极限跨距为8.5 m。巷道最大宽度为4.5 m，交叉口暴露面积最大处跨距为10 m。根据稳定性分类情况，在最不利情况下，断面尺寸对巷道稳定性影响等级为II 级。

5）地应力。地应力是影响巷道围岩稳定性的重要因素，地应力与井巷在地下所赋存位置呈线性关系，井巷所处标高位置越深，其值也更大，地质条件也越来越复杂，地应力对巷道围岩变形与破坏的影响更加突出。同时，越向地下深处，应力更趋于集中，不利于井巷保持稳定[9]。埋藏深度分级标准见表8。目前，矿山最低建设标高为1 890 m，埋藏深度约200 m，因此，判定地应力风险等级为IV 级。

表8 埋藏深度风险等级划分Table 8 Risk gradation of burial depth 单位：m

6）支护及管理。井巷的支护及管理是影响井巷稳定性的重要因素之一[10]。治理程度直接关系到井巷的安全性，定性描述标准见表9。目前，昆阳磷矿二矿无轨运输巷道、中段胶带巷道、进风石门巷道、联络巷道正常段采用喷锚网支护方式，喷射混凝土等级为C20，厚度100 mm，树脂锚杆长度2 000 mm，间距800 mm，排距1 000 mm，能够满足支护强度要求；在遇褶皱层间结构起伏变化、涌水较大区域采用超前管棚及钢拱架进行联合支护，绝大部分巷道支护后稳定性较好，能够满足安全要求，并制定了三级顶板管理制度。结合现场支护后稳定性情况，判定支护及管理风险等级为III 级。

表9 治理程度风险等级划分Table 9 Risk gradation of governance degree

7）井口表土性质及厚度。立井井筒施工一般要穿过表土和基岩两个部分，由于表土松软，稳定性较差，经常含水，并直接承受井口结构物的荷载，因此表土施工比较复杂，往往成为井筒施工的关键工程[11]。井口表土性质及厚度风险等级划分见表10。昆阳磷矿二矿井筒穿越地层为筇竹寺组一段、二段、三段、四段，中谊村组和渔户村组，表土段长30 m 采用单层钢筋混凝土井壁，厚度600 mm，基岩段采用单层素混凝土井壁，厚度350 mm，昆阳磷矿二矿井筒表土层属于中厚等级，判定井口表土性质及厚度风险等级为III 级。

表10 井口表土性质及厚度风险等级划分Table 10 Risk gradation of wellhead topsoil properties and thickness

8）超前探放水。根据《金属非金属矿山重大事故隐患判定标准》（矿安〔2022〕88 号），水文地质类型为中等或者复杂的矿井，需配备防治水专业技术人员，设置防治水机构，或者建立探放水队伍，配齐专用探放水设备，并按设计进行探放水作业[12]。定性描述标准见表11。矿山施工遵照“有疑必探，先探后掘”的原则，工程施工的全部过程进行防治水工作。昆阳磷矿二矿组建专业探水探溶洞队伍，通过采用探地雷达预测工程掘进面前方20 m 范围内不良地质体，钻探工程验证探地雷达成果及工程掘进前方100 m范围内地质体，为工程掘进施工提供可靠地质依据。依据探测成果采取排水降压方式，达到工程安全掘进施工的效果，因此，判定超前探放水风险等级为IV 级。

表11 超前探放水风险等级划分Table 11 Risk gradation of advanced exploration and drainage

9）防治水措施。根据《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423—2020），井下主要排水设备应包括工作水泵、备用水泵和检修水泵。工作水泵应能在20 h 内排出一昼夜正常涌水量；工作水泵和备用水泵应能在20 h 内排出一昼夜的设计最大排水量[13]。备用水泵能力不小于工作水泵能力的50%；检修水泵能力不小于工作水泵能力的25%。防治水措施风险等级划分见表12。采用大井法对不同标高的矿井涌水量进行了预测，通过计算可知，1 890 m 水平正常涌水量为4 257.52 m3/d，最大涌水量为7 663.53 m3/d。现阶段井下设立的临时水仓及抽排水设备能够满足涌水抽排水要求，并且制定了注浆堵水方案，目前已在1#胶带斜井656 m 工作面采用水玻璃水泥浆注浆工艺，用于掌子头前方地段连续注浆堵水作业，判定防治水措施风险等级为IV 级。

表12 防治水措施风险等级划分Table 12 Risk gradation of water control measures

10）通风方式及设备。通风设备选取的合理性是影响井下施工安全的重要因素之一。机械通风风险等级划分见表13。目前基建期间，昆阳磷矿二矿掘进工作面采用JK58-1NO4.0 型局扇（5.5 kW），独头掘进工作面较长的工作面采用压、抽混合式局部通风，1 台5.5 kW 局部通风机配1 台11 kW 局部通风机，现场工作面施工通风顺畅，判定机械通风风险等级为IV 级。

表13 机械通风风险等级划分Table 13 Risk gradation of mechanical ventilation

11）井巷工作面风速。井巷工作面风量、风速与局扇选取有关，风量与风速的合理性关系到井下工作面的施工安全。井巷工作面风速风险等级划分见表14。昆阳磷矿二矿掘进工作面最大断面为16.58 m2，工作面为独头掘进时，风速为0.3 m/s，判定井巷工作面风速风险等级为II 级。

表14 井巷工作面风速风险等级划分Table 14 Risk gradation of wind speed in roadway working face

12）施工前气体检测。井巷工作面施工前必须进行气体检测，否则易造成炮烟中毒等事故。施工前气体检测风险等级划分见表15。昆阳磷矿二矿严格按照规范进行作业面气体检测，判定风险等级为II 级。

表15 施工前气体检测风险等级划分Table 15 Risk gradation of gas detection before construction

13）应急预案。应急预案是矿山面临突发事件处置应对的依据。应急预案风险等级划分见表16。昆阳磷矿二矿根据设计建立安全管理机构，制定安全生产责任制，详细规定各级人员和部门安全生产职责。2022 年6 月发布实施《云南磷化集团有限公司昆阳磷矿二矿生产安全事故应急预案》，对施工期间各类事故的应急准备、应急保障、应急响应、现场处置抢险和救援做了相应的专项预案；2022 年9 月24 日发布实施《昆阳磷矿二矿巷道掘进顶板（边帮）分级及支护管理办法》，提高昆阳磷矿二矿巷道掘进顶板（边帮）控制能力，提出具体顶板管控措施，切实把工程技术、业务保安落实到基建期巷道掘进顶板管理工作中，旨在有效防范和遏制冒顶片帮事故发生，实现安全高效掘进。工程施工的全部过程进行防治水工作，探水选用探地雷达和钻孔探水相结合的方法探水。工程处在稳定的矿体顶板隔水层，一般岩性为砂岩、页岩、泥岩等，为防止构造导水及附近钻孔等不确定因素，采用探地雷达进行探水，在雷达成果反应异常地段采用钻孔验证方可掘进；巷道处在矿体顶底板直接富含水层中，易发生较大涌水，为防止透水，采用钻孔探水，先探后掘。综上分析，昆阳磷矿二矿应急预案及管理制度健全，判定应急预案风险等级为IV 级。

表16 应急预案风险等级划分Table 16 Risk gradation of emergency plan

3 结 论

通过查阅大量文献及参照相关规程，对处于基建阶段的昆阳磷矿二矿井巷致灾因素进行了辨识及风险等级划分，得到以下结论。

1）建设期间，井巷工程可能存在井巷失稳破坏、突水、基建通风系统不完善导致通风不畅三种隐蔽灾害。

2）对可能导致灾害发生的13 种致灾因素进行了等级的定性划分，通过现场调查进行评价后，认为围岩松散破碎及丰富的地下水是矿山目前建设期间的主要风险源。

3）针对风险因素的等级划分，建议矿山后续开展巷道破坏机理研究，针对性采取支护措施，加强探放水工作，不断完善井巷安全管理措施、风险应急预案。