任富強

(銅陵有色金屬集團控股公司, 安徽銅陵市 244000)

冬瓜山銅礦床巖爆淺析

任富強

(銅陵有色金屬集團控股公司, 安徽銅陵市 244000)

冬瓜山銅礦床埋藏深,工程地質條件復雜,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安全。對該礦的巖爆現(xiàn)象進行分析,提出了一些相應防范措施。

深井開采;巖爆;冬瓜山銅礦

1 礦床地質條件

冬瓜山銅礦床是目前國內發(fā)現(xiàn)的埋藏深度最大的一個銅礦床。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、含銅磁鐵礦等構成。礦體構造簡單,節(jié)理裂隙不發(fā)育,巖性堅硬,力學強度高,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)內主要的侵入巖,以巖墻、巖柱產出,呈塊狀構造、致密堅硬、節(jié)理裂隙較少。

2 礦巖體強度分類及巖爆記錄

2.1 巖石強度分類

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)的大團山礦體采空區(qū)處理的巖石進行了物理力學試驗工作,1996年9月以后在-910m中段又取得了部分巖樣進行試驗,取得了大量參數(shù)。根據(jù)beere和Miller完整巖石強度分類表,可以把試驗的7種巖石分為下列幾種類型:

(1)強度低的巖石:黃龍組大理巖;

(2)強度中等的巖石:棲霞組大理巖;

(3)高強度的巖石:粉砂巖、矽卡巖、石榴子矽卡巖;

(4)強度很高的巖石:石英閃長巖、含銅磁鐵礦。

2.2 現(xiàn)場調查

為了更好地預測工程巖體的穩(wěn)定性,設計部門對礦巖進行了構造調查,RQD值統(tǒng)計,巖體特征分類等工作。調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部分巷道進行了節(jié)理統(tǒng)計。

被調查的幾種礦巖體中,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,以小斷面掘進至53線,在成巷的坑道頂部發(fā)生破裂,當時采取錨網支護,繼續(xù)向前掘進,但支護段破壞越來越嚴重,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向上斜坡道與運輸巷交匯處施工期間發(fā)生巖爆,采用錨桿網支護后,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,一段巷道側幫頂板發(fā)生巖爆,當時有明顯的爆裂聲(巖石為矽卡巖),歷時20余天,錨網支護破壞,部分鋼筋網整體拋出,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。當坑道掘進到52線,巖性堅脆的巖體中的初始應力狀態(tài)受到擾動,掘進迎頭進入新的平衡狀態(tài),形成局部應力集中,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,采取錨網支護,但在破碎巖體中頂幫產生嚴重破裂,局部地段產生塌方,造成施工中斷。針對這種不可控的巖石破裂。經工程技術人員商討并結合現(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)面上錯動,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)定滑動和不穩(wěn)定的巖石斷裂。

-850m中段,發(fā)生巖爆的側幫頂板,呈劈裂狀破裂,有炸裂聲,裂紋漸漸擴展,大小不等的碎片剝落或射出,支護的錨網也被破壞,經連續(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,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內活動較頻繁,延續(xù)2個月左右的時間逐漸減弱或停止。

冬瓜山銅礦試生產以來,50線、54線、56線盤區(qū)地壓活動非常明顯。-760m54線穿脈52-9#采場附近已澆砼的墻體出現(xiàn)嚴重破壞,已開采結束的-760m50-2#、6#采場底部結構破壞嚴重,已重新進行了支護。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,巖體的初始應力狀態(tài)受到擾動,掘進作業(yè)面地應力進入新的平衡狀態(tài),形成局部應力集中,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,當巖體進入塑性狀態(tài),可能呈脆性破壞。在高應力地段的大斷面巷道施工中巖爆十分強烈,以至巖塊猛烈噴射,支護破壞,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,認為劈裂破壞和剪切是不同應力水平造成的。劈裂破壞是脆性巖石在低應力水平的斷裂現(xiàn)象,-850m和-875m水平的劈裂破壞是脆性斷裂,有時是一種缺陷斷裂后連貫形成的,在這個過程中巖石釋放出來的應變能有限,后期巖爆較弱。剪切破壞是巖石應力達到極限狀態(tài)時形成的,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,巖爆最嚴重。

3.2 巖層性質與巖爆

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

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

(2)有光澤、有玻璃狀的巖石已經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個小班內,說明巖爆的發(fā)生有一個能量積聚的過程。

(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,礦柱周邊部位應力集中程度不一,特別在應力集中程度相當高的底部結構底腳部位,礦柱采場所受的應力值往往達到或超過發(fā)生巖爆的臨界應力值,很明顯會發(fā)生巖爆。

4 預防巖爆應采取的措施

(1)增強施工人員對巖爆的認識,加強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,加強觀測和現(xiàn)場研究工作。

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

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

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

(7)加強爆破后或循環(huán)作業(yè)前的找頂問幫,并指派有經驗的安全檢查員對巷道、硐室的頂板、側幫和底板進行觀測,當發(fā)現(xiàn)裂紋快速擴展,圍巖劇烈發(fā)聲,尤其是巖石出現(xiàn)炸裂時,通知相關人員及時撤離危險區(qū)域。

(8)所有施工巷道、硐室都應及時作巷道地質素描圖,整理、分析、存檔。

(9)加強現(xiàn)場監(jiān)測、工程地質調查,及相關預防措施。

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

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

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[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.巖爆應力判據(jù)與巖爆傾向性預測研究初步[J].中南工業(yè)大學學報,1998,29(S2).

2009-11-02)

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