任富強(qiáng)

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股公司, 安徽銅陵市 244000)

冬瓜山銅礦床巖爆淺析

任富強(qiáng)

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股公司, 安徽銅陵市 244000)

冬瓜山銅礦床埋藏深,工程地質(zhì)條件復(fù)雜,在其開拓、開采過程中已發(fā)生過多次巖爆,巖爆及巖體失穩(wěn)破壞等已直接影響礦山的生產(chǎn)安全。對該礦的巖爆現(xiàn)象進(jìn)行分析,提出了一些相應(yīng)防范措施。

深井開采;巖爆;冬瓜山銅礦

1 礦床地質(zhì)條件

冬瓜山銅礦床是目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的埋藏深度最大的一個(gè)銅礦床。礦區(qū)除部分地段為第四系沖積、坡積層覆蓋外,出露地層均為三迭系中下統(tǒng)、局部有上統(tǒng)零星分布;深部工程揭露的地層有二迭系、石炭系、泥盆系上統(tǒng)諸地層。與冬瓜山銅礦床成礦關(guān)系較密切的主要有二迭系下統(tǒng),石炭以及泥盆系上統(tǒng)等地層。

礦體主要由含銅矽卡巖、含銅黃鐵礦,含銅磁黃鐵礦,含銅蛇紋巖、含銅磁鐵礦等構(gòu)成。礦體構(gòu)造簡單,節(jié)理裂隙不發(fā)育,巖性堅(jiān)硬,力學(xué)強(qiáng)度高,穩(wěn)定性好。礦體的底盤主要由石炭系下統(tǒng)高麗山組巖體組成,包括石英長石砂巖、粉砂巖等,巖體比較完整,節(jié)理裂隙不發(fā)育。礦體的頂盤主要由侵入巖、矽卡巖類巖體和大理巖組成。石英閃長巖是礦區(qū)內(nèi)主要的侵入巖,以巖墻、巖柱產(chǎn)出,呈塊狀構(gòu)造、致密堅(jiān)硬、節(jié)理裂隙較少。

2 礦巖體強(qiáng)度分類及巖爆記錄

2.1 巖石強(qiáng)度分類

1992年和1994年,北京礦冶研究總院對礦石和頂?shù)装?種巖石和該礦區(qū)的大團(tuán)山礦體采空區(qū)處理的巖石進(jìn)行了物理力學(xué)試驗(yàn)工作,1996年9月以后在-910m中段又取得了部分巖樣進(jìn)行試驗(yàn),取得了大量參數(shù)。根據(jù)beere和Miller完整巖石強(qiáng)度分類表,可以把試驗(yàn)的7種巖石分為下列幾種類型:

(1)強(qiáng)度低的巖石:黃龍組大理巖;

(2)強(qiáng)度中等的巖石:棲霞組大理巖;

(3)高強(qiáng)度的巖石:粉砂巖、矽卡巖、石榴子矽卡巖;

(4)強(qiáng)度很高的巖石:石英閃長巖、含銅磁鐵礦。

2.2 現(xiàn)場調(diào)查

為了更好地預(yù)測工程巖體的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)部門對礦巖進(jìn)行了構(gòu)造調(diào)查,RQD值統(tǒng)計(jì),巖體特征分類等工作。調(diào)查的巖體包括礦體及其主要圍巖大理巖及石英閃長巖。此外,在-910m部分巷道進(jìn)行了節(jié)理統(tǒng)計(jì)。

被調(diào)查的幾種礦巖體中,斷層、節(jié)理、裂隙均不發(fā)育,絕大部分節(jié)理傾角較陡,常無充填物,部分節(jié)理中有方解石充填。

2.3 基建工程中巖爆記錄

1997年元月,-730m中段盲措施井施工中首次出現(xiàn)弱巖爆現(xiàn)象。

1998年9月,-790m中段東石門迎頭,以小斷面掘進(jìn)至53線,在成巷的坑道頂部發(fā)生破裂,當(dāng)時(shí)采取錨網(wǎng)支護(hù),繼續(xù)向前掘進(jìn),但支護(hù)段破壞越來越嚴(yán)重,部分鋼筋整體拋出,錨桿被剪切或是拔出。該處為含銅蛇紋石。

1999年3月～5月,-790m向上斜坡道與運(yùn)輸巷交匯處施工期間發(fā)生巖爆,采用錨桿網(wǎng)支護(hù)后,錨桿被切斷,繼而采取措施逐段刷大扎筋澆砼,該地段為矽卡巖,在巷道側(cè)幫上存在一組320°/66°的節(jié)理,然而在交匯處的右?guī)桶l(fā)生1.8m長的一段底鼓。同年3月,-850m水平,一段巷道側(cè)幫頂板發(fā)生巖爆,當(dāng)時(shí)有明顯的爆裂聲(巖石為矽卡巖),歷時(shí)20余天,錨網(wǎng)支護(hù)破壞,部分鋼筋網(wǎng)整體拋出,錨桿拔出,相距40m為石英巖。

1999年5月,-875m水倉施工過程中,在巷道直角拐彎處,頂板發(fā)生巖爆,面積為10～15m2。

據(jù)現(xiàn)場觀察和分析,認(rèn)為1998年9月發(fā)生在-790m中段東石門迎頭的巖爆是巖體失穩(wěn)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)坑道掘進(jìn)到52線,巖性堅(jiān)脆的巖體中的初始應(yīng)力狀態(tài)受到擾動(dòng),掘進(jìn)迎頭進(jìn)入新的平衡狀態(tài),形成局部應(yīng)力集中,巖體性態(tài)發(fā)生變化,漸漸地沿軟弱面滑落,為了繼續(xù)掘進(jìn),采取錨網(wǎng)支護(hù),但在破碎巖體中頂幫產(chǎn)生嚴(yán)重破裂,局部地段產(chǎn)生塌方,造成施工中斷。針對這種不可控的巖石破裂。經(jīng)工程技術(shù)人員商討并結(jié)合現(xiàn)場情況,采取刷一段(1～3m),澆一段(扎筋)砼。巷道刷大成型,發(fā)現(xiàn)巖體沿著早已存在著的不連續(xù)面上錯(cuò)動(dòng),部分是完整巖石的斷裂。這是一種不穩(wěn)定平衡不連續(xù)面上的不穩(wěn)定滑動(dòng)和不穩(wěn)定的巖石斷裂。

-850m中段,發(fā)生巖爆的側(cè)幫頂板,呈劈裂狀破裂,有炸裂聲,裂紋漸漸擴(kuò)展,大小不等的碎片剝落或射出,支護(hù)的錨網(wǎng)也被破壞,經(jīng)連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn),是錨桿先被拔出,部分鋼筋整體拋出。

最嚴(yán)重的是在-790m中段52線與東迎頭正交施工的上斜坡道,巖爆最先出現(xiàn)在頂拱左側(cè),有的斷面在與頂拱對稱的幫壁也發(fā)生了巖爆。隨著巷道向前施工,逐漸過渡到整個(gè)頂拱。現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn):巖爆發(fā)生一般距施工掌子面1～2m,在36h內(nèi)活動(dòng)較頻繁,延續(xù)2個(gè)月左右的時(shí)間逐漸減弱或停止。

冬瓜山銅礦試生產(chǎn)以來,50線、54線、56線盤區(qū)地壓活動(dòng)非常明顯。-760m54線穿脈52-9#采場附近已澆砼的墻體出現(xiàn)嚴(yán)重破壞,已開采結(jié)束的-760m50-2#、6#采場底部結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,已重新進(jìn)行了支護(hù)。56-6#、8#采場回采過程中56-7#礦柱采場垮掉一半以上。

3 巖爆規(guī)律認(rèn)識

通過以上觀察和資料分析,巖爆是地下硐室中巖體失穩(wěn)的一種自然現(xiàn)象。因地下硐室開挖以后,巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)受到擾動(dòng),掘進(jìn)作業(yè)面地應(yīng)力進(jìn)入新的平衡狀態(tài),形成局部應(yīng)力集中,巖體性態(tài)發(fā)生變化,有的沿軟面滑落;在破碎巖體中出現(xiàn)塌方,當(dāng)巖體進(jìn)入塑性狀態(tài),可能呈脆性破壞。在高應(yīng)力地段的大斷面巷道施工中巖爆十分強(qiáng)烈,以至巖塊猛烈噴射,支護(hù)破壞,甚至坑道堵塞。

3.1 巖爆發(fā)生條件分析

根據(jù)對已觀察到的幾種巖爆分析,認(rèn)為劈裂破壞和剪切是不同應(yīng)力水平造成的。劈裂破壞是脆性巖石在低應(yīng)力水平的斷裂現(xiàn)象,-850m和-875m水平的劈裂破壞是脆性斷裂,有時(shí)是一種缺陷斷裂后連貫形成的,在這個(gè)過程中巖石釋放出來的應(yīng)變能有限,后期巖爆較弱。剪切破壞是巖石應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)形成的,其破壞區(qū)的形態(tài)往往受天然巖體中不均勻性和節(jié)理,裂隙狀的影響,破壞的輪廓線呈不規(guī)則形態(tài)。象-790m中段東石門和斜坡道為含銅蛇紋石,節(jié)理面石化、滑石、蝕變特別強(qiáng)烈,甚至幾種蝕變迭加。這一地段由軟巖層向較硬巖層施工時(shí),巖爆最嚴(yán)重。

3.2 巖層性質(zhì)與巖爆

已發(fā)生巖爆地段的巖石主要是閃長巖和矽化閃長巖,矽卡巖和含銅蛇紋石,巖爆多發(fā)生在硬、脆性巖石中,以及剛度不同的巖石交界處,并且發(fā)生在剛度較大的巖層中。

3.3 巖爆的共同特點(diǎn)

(1)所有的巖爆都發(fā)生在正在全斷面掘進(jìn)巷道的直線段的區(qū)域內(nèi)或是正交巷道的交叉口處。

(2)有光澤、有玻璃狀的巖石已經(jīng)有破碎跡象的巖石和容易被劃出線條的軟巖石向硬巖過度易發(fā)生巖爆。

(3)觀察記錄發(fā)現(xiàn),在破裂的地段或破裂的工作面很少能產(chǎn)生巖爆(蝕變帶除外)。

(4)巖爆多發(fā)生在掌子面爆破后1～2個(gè)小班內(nèi),說明巖爆的發(fā)生有一個(gè)能量積聚的過程。

(5)盤區(qū)礦房、礦柱的輪廓形狀、尺寸也與巖爆發(fā)生有密切聯(lián)系,超大礦房,礦柱周邊部位應(yīng)力集中程度不一,特別在應(yīng)力集中程度相當(dāng)高的底部結(jié)構(gòu)底腳部位,礦柱采場所受的應(yīng)力值往往達(dá)到或超過發(fā)生巖爆的臨界應(yīng)力值,很明顯會發(fā)生巖爆。

4 預(yù)防巖爆應(yīng)采取的措施

(1)增強(qiáng)施工人員對巖爆的認(rèn)識,加強(qiáng)安全知識的宣傳教育。

(2)施工中注意觀察巖爆前兆。

(3)對巖性變化地段及剛度不同的巖石交界處,特別是由較軟巖層向較硬巖層施工時(shí),加強(qiáng)觀測和現(xiàn)場研究工作。

(4)加強(qiáng)對巷道平面交匯區(qū)和巷道空間交錯(cuò)相互影響區(qū),及巷道面突變區(qū)域的觀察和支護(hù)。

(5)北線開拓、探礦工程施工中,適當(dāng)采用超前鉆孔、淺孔爆破方式進(jìn)行卸壓,以減少巖爆的發(fā)生。

(6)在爆破后24h內(nèi)為巖爆發(fā)生的敏感期,爆破后應(yīng)注意新形成巷道和硐室的附近區(qū)域。

(7)加強(qiáng)爆破后或循環(huán)作業(yè)前的找頂問幫,并指派有經(jīng)驗(yàn)的安全檢查員對巷道、硐室的頂板、側(cè)幫和底板進(jìn)行觀測,當(dāng)發(fā)現(xiàn)裂紋快速擴(kuò)展,圍巖劇烈發(fā)聲,尤其是巖石出現(xiàn)炸裂時(shí),通知相關(guān)人員及時(shí)撤離危險(xiǎn)區(qū)域。

(8)所有施工巷道、硐室都應(yīng)及時(shí)作巷道地質(zhì)素描圖,整理、分析、存檔。

(9)加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測、工程地質(zhì)調(diào)查,及相關(guān)預(yù)防措施。

[1]潘長良,等.巖爆預(yù)測理論與技術(shù)研究總報(bào)告[R].96-116-01-01-02,長沙:中南工業(yè)大學(xué),1999.

[2]彭懷生,于潤滄,張文榮,等.銅陵有色金屬(集團(tuán))公司冬瓜山銅礦可行性研究報(bào)告(第一卷)[R].北京:北京有色治金設(shè)計(jì)研究總院,1998.

[3]潘長良,謝學(xué)斌,曹 平.冬瓜山銅礦床發(fā)生巖爆可能性及防治對策探討[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),1997,7(S2).

[4]唐寶慶,曹 平.引起巖爆因素的探討[J].江西有色金屬,1995,9(4).

[5]曹 平,陳愛華,唐寶慶.巖爆應(yīng)力判據(jù)與巖爆傾向性預(yù)測研究初步[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,29(S2).

2009-11-02)

任富強(qiáng)(1952-),男,安徽安慶人,高級工程師,主要從事礦山測量,采礦技術(shù)與管理工作,Email:fqren@tlys.cn。