陳原望（新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司 哈巴河 836700）

1 引言

隸屬于新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司的阿舍勒銅礦自2004年投產(chǎn)以來，經(jīng)過多次技改及二期深部開拓，目前礦山綜合采選能力已達6 000 t/d，開采深度達900 m，而開拓深度超1 200 m，成為國內(nèi)為數(shù)不多的大規(guī)模深井開采單體礦山。

隨著開拓工程和采礦活動不斷往深部發(fā)展，工程地質(zhì)和礦體賦存條件變得愈加復雜，圍巖應力顯著增大，礦山地壓顯現(xiàn)變得愈加突出，支護過的巷道變形量仍然很大，局部巷道鼓幫、底鼓、頂板沉降現(xiàn)象明顯。深部巷道多次發(fā)生圍巖脆裂異響甚至彈射冒落等巖爆現(xiàn)象。

巖爆系深井開采過程中較為常見的現(xiàn)象，嚴重威脅阿舍勒銅礦深部礦體開采工程的安全生產(chǎn)，如何有效應對成為迫在眉睫又必須攻克的棘手任務。

2 工程地質(zhì)條件及開采現(xiàn)狀

阿舍勒銅礦是火山噴氣沉積-變質(zhì)熱液疊加形成的塊狀硫化物銅鋅礦床，主要礦體賦存于阿舍勒組第二巖性中亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r上部。礦體形態(tài)嚴格受地層及向斜構造控制，橫斷面呈“魚釣”狀，水平斷面呈“鐮刀”狀。礦區(qū)內(nèi)總體構造線為近南北向；礦區(qū)外與區(qū)域北西向構造線趨于一致，形成醒目的反“S”型構造，處于近東西向擠壓的局部應力場。礦區(qū)斷裂構造發(fā)育，蝕變破碎帶及軟弱夾層多見，多分布于礦床東西兩側。依據(jù)應力測試結果，開采至800 m深度時，最大主應力為37.7 MPa，水平應力接近垂直應力的1.5倍，礦區(qū)以水平構造應力為主。

礦體頂板主要為下亞段的玄武熔巖層，底板為上亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r。褶皺后，東翼頂板以英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r為主。底板為玄武巖；西翼礦體和轉(zhuǎn)折端附近礦體頂板仍以玄武巖為主。底板則以英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r為主。

阿舍勒銅礦經(jīng)過十幾年開采，目前采礦活動已逐步轉(zhuǎn)移至深部。除了784 m水平以上少量礦體采用無底柱分段崩落法采礦形成的采空區(qū)未采用膠結體充填外，784 m水平以下采空區(qū)均已采用膠結體充填。深部礦體采礦方法主要為大直徑深孔階段落礦嗣后充填采礦法，采場參數(shù)約為長20～50 m、寬12 m、高50 m。采場空區(qū)暴露面積較大，對圍巖穩(wěn)定性造成較大影響。

3 巖爆現(xiàn)象及發(fā)生原因

據(jù)不完全統(tǒng)計，自2012年深部井巷開拓工程開工以來，巖爆或疑似巖爆現(xiàn)象累計發(fā)生數(shù)十起，表現(xiàn)形式為巷道圍巖炮鳴異響、噴砼開裂、支護鋼拱架變形、大塊圍巖垮落、圍巖脆裂彈射等。最嚴重的一起巖爆現(xiàn)象為正在采用錨網(wǎng)噴砼支護的圍巖大面積短時間內(nèi)片幫且彈射，2 m長錨桿脫落。發(fā)生巖爆的巖體為黃鐵礦和黃銅礦，主要位于穿脈巷道、上盤沿脈、下盤沿脈；發(fā)生巖爆的區(qū)域主要為350 m水平至-200 m水平，埋深為550 m至1 100 m。

經(jīng)研究分析，阿舍勒銅礦深部巖爆現(xiàn)象發(fā)生原因主要有幾點：一是圍巖變形較大，礦石變形小，開采深度的增加使巖體處于高應力水平環(huán)境，更多的能量以應變能的方式儲存在礦石中，當應變能集聚到一定程度，伴隨圍巖表層巖石的破壞釋放出來，出現(xiàn)巖石彈射現(xiàn)象；二是黃鐵礦和黃銅礦強度高、脆性大，黃鐵礦平均RQD為81.2%，黃銅礦平均RQD為70.9%，而凝灰?guī)r平均RQD僅為41.5%。RQD較低的凝灰?guī)r遇水易軟化、泥化、崩解、膨脹，破壞緩慢變形為主，黃鐵礦和黃銅礦則反之；三是大直徑深孔采礦法形成的采空區(qū)較大，且單次爆破總藥量和單響藥量均較大，導致開采擾動大，頻繁的炸藥爆破對周圍巷道及圍巖造成頻繁擾動，嚴重影響了圍巖穩(wěn)定性，加劇了深部巖爆風險。

4 巖爆應對措施

針對深部與日俱增的巖爆風險，阿舍勒銅礦高度重視積極應對，開展了專項研究治理工作，以科研院所研究攻關為主，自身摸索實踐為輔，組織、管理、技術等各類措施同步實施。

4.1 地壓控制理論研究

研究路線為：深部巖體應力水平測量→中深孔爆破振動監(jiān)測及控制技術研究→開采過程圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測→讓壓技術研究→深部地壓調(diào)控技術研究。研究工作已開展兩年多時間，目前還在持續(xù)進行中，已通過理論分析和試驗研究得出不少結論，主要結論及對應措施有幾點：

一是阿舍勒銅礦深部巖體應力水平約為淺部的兩倍，最大主應力方向近東西向，巷道布置應充分考慮最大主應力的影響。

二是爆破振動對圍巖穩(wěn)定性影響大，基于爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了安全距離界限函數(shù)關系式和單段最大藥量安全界限函數(shù)關系式。爆破區(qū)域與下盤沿脈巷道越近，對下盤巷道圍巖影響越大，因此靠近下盤時，需要適當調(diào)整爆破參數(shù)。

三是巷道變形大小與其距采空區(qū)的距離有關，在采空區(qū)分別向上下盤的方向上，巷道變形先減小，后增大，然后再減小，據(jù)此可將開采擾動區(qū)域劃分為距離采空區(qū)較近的卸壓區(qū)，稍遠的承壓區(qū)，更遠的原巖應力區(qū)。根據(jù)壓力分區(qū)調(diào)整主要巷道布置或調(diào)整開采進度，減少主要巷道承壓變形甚至發(fā)生巖爆。見圖1所示。

圖1 開采區(qū)域應力分布示意圖

4.2 工程施工中應對巖爆的實踐探索

阿舍勒銅礦在深部工程施工過程中，基于泄壓原理，采取了管縫式錨桿支護為主的巖爆應對措施，該措施系通過不斷地施工實踐總結而來。

為確保生產(chǎn)安全，阿舍勒銅礦采取“一炮一支”的短掘短支工藝施工巷道，一般采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+單層花拱架+噴砼聯(lián)合支護，錨桿有管縫式錨桿、螺紋鋼水泥卷、注漿螺紋鋼錨桿等多種形式，其中管縫式錨桿長度2 m，直徑40 mm，中空，截面似缺口戒指，比鉆孔直徑略大，主要靠摩擦力提供拉拔力。錨桿環(huán)形圈被頂?shù)镁o貼圍巖，對圍巖形成壓力，從而改變了圍巖應力狀態(tài)，從而達到支護圍巖的效果。而經(jīng)常被忽略的一點是錨桿中間“孔洞”的支護作用。實踐表明，中間“孔洞”正是起到了泄壓作用，有效解除了黃鐵礦和黃銅礦中積累的高應力，均勻分布的管縫式錨桿承擔著來自圍巖的應力，傳導至錨網(wǎng)噴砼聯(lián)合支護體上。高應力得到合理引導釋放，避免應力持續(xù)積累瞬間爆發(fā)形成巖爆。管縫式錨桿的支護作用見圖2所示。

圖2 管縫式錨桿支護作用示意圖

而管縫式錨桿在巷道施工過程中應對巖爆現(xiàn)象的實際應用上主要有兩種方式：一是超前支護即將開挖的巷道頂板，引導高應力釋放，見圖3所示。

圖3 超前支護示意圖

二是選擇合適的角度施工錨桿進行臨時支護，既能泄壓，又能防范支護過程中冒頂片幫傷人，見圖4所示。

圖4 臨時支護示意圖

5 結語

實踐證明，阿舍勒銅礦針對巖爆采取的應對措施取得了顯著效果，多年來的深井開采活動未發(fā)生災害事故。地壓控制理論研究摸清了阿舍勒銅礦的應力狀態(tài)和開采擾動影響等基礎情況，提供了一系列監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了可服務于工程設計、生產(chǎn)組織、參數(shù)優(yōu)化等的理論工具；現(xiàn)場工程實踐以最直接的路徑有效解決了巷道施工過程中存在的巖爆風險，確保施工安全。阿舍勒銅礦巖爆研究與應對切實做到了理論與實踐的有機結合，具有很強的適用性，可供同類礦山參考借鑒。

當然，巖爆災害預防與控制系一項極其復雜的課題，國內(nèi)外的研究成果并不十分豐碩，依然需要各方能人志士持續(xù)深入研究。特別是在國內(nèi)外礦山由露天采礦轉(zhuǎn)地下采礦、由地下采礦轉(zhuǎn)深部采礦的時代背景下，深井開采已是大勢所趨，巖爆災害的威脅也會越來越大。巖爆研究工作任重而道遠，但前景光明，堅持科學發(fā)展，終將攻克難關。

[1]長沙有色冶金設計研究院、廈門紫金工程設計公司.阿舍勒銅礦400 m以下深部礦體開采（6 000 t/d）初步設計，2012,5.

[2]采礦手冊編委會.采礦手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991,11.

[3]東北大學.阿舍勒銅礦深部地壓控制及安全高效采礦技術中期研究報告[R]，2017,1.