韓宏裕，趙 雨

（貴州開磷有限責任公司，貴州 貴陽 550302）

地層脆性斷裂為巷道開挖以后引起開挖區(qū)域及周邊礦體驟然崩壞的一類現(xiàn)象，地層脆性斷裂出現(xiàn)時可聽到圍巖內(nèi)部產(chǎn)生清脆的斷裂聲，礦體出現(xiàn)劇烈的脆性破壞且穩(wěn)定性大幅下降，崩壞的礦石碎塊會崩射出來，通常會導致開挖工作面、機械設備的嚴重受損以及人員傷亡事故。

1 礦山深部開采地層脆性斷裂機理的理解

充分了解地層脆性斷裂機理，有助于改善支護方案以及其他保護措施，從而減輕地層脆性斷裂帶來的損失和波及范圍。通常來說，礦體的驟然動力損壞，引起地層脆性斷裂與開采工作現(xiàn)場的損傷存在兩類機理，即開采工作面周邊的擠壓型事故、出現(xiàn)在軟弱結構面上的剪切型事故。任何事故的形成，都會使得應力巖體必定形成不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，引起巖土的突發(fā)性破壞，誘發(fā)了急劇應力降低和礦震事故。發(fā)生礦震的一個潛在因素便是抵抗運動，受載巖體粗糙式的時效軟化會引起礦區(qū)應力的增大[1]。引起斷層面破壞的一類原因是：當圍巖剛度處于一定范圍內(nèi)時，受到正應力作用的斷層不斷出現(xiàn)滑動移位，斷層剪切強度持續(xù)下降。若是剛度較大，則會引起滑移的發(fā)生；若是剛度較小，便會使得系統(tǒng)處于不夠穩(wěn)定的狀態(tài)，滑移突然發(fā)生，發(fā)散礦震能量?，F(xiàn)場與實驗室的調(diào)查研究為深入了解地層脆性斷裂機理與探尋降低損失的措施提供了依據(jù)。比如，工作面中的高應力巖體由于開挖工作或是由于礦震事故的發(fā)生而形成的動態(tài)加載而受到干擾影響，產(chǎn)生地層脆性斷裂。若是采取預爆破讓工作面3m至5m以內(nèi)的巖體軟化，便能夠防止此類礦震事故的出現(xiàn)。也可以采取抗地層脆性斷裂支護方式，比如及時屈服液壓支架，限制地層運動，維持巖石具有足夠的內(nèi)摩擦力（尤其是在長壁式礦場的采礦工作中）。

地質(zhì)工程師基于其自身專業(yè)知識和數(shù)值模型，確定最優(yōu)的周邊地質(zhì)結構的礦山開采順序計劃。當前最為常用的模型有ERR、ESS和體積閉合率等。Ryder認為，超過抵抗斷層面上運動的動摩擦力的作用在斷層上剪切應力能夠提供對突發(fā)性剪切滑移的評價；Spottiswoode基于設定7. 5MPa的巖石內(nèi)摩擦力與0.6的動摩擦系數(shù)，對計算的ESS和礦震事故頻次、礦震能量釋放量、地層脆性斷裂事故與地質(zhì)事故加以分析比較，對Blyvooruitzicht礦的數(shù)十個礦區(qū)的地層脆性斷裂和礦震探究，證實了上一觀點。基于對比分析得知，這些參數(shù)和ERR之間的關聯(lián)性并不強，McGarr通過長期研究得出，累積礦震張量和深部礦山采場的體積彈性收斂值之間存在一定關聯(lián)性，從而也和礦震能量釋放率有相關性。

2 電磁輻射方法在地層脆性斷裂監(jiān)測中的應用

電磁輻射是礦體受載變形破損期間對外輻射電磁能量的一類現(xiàn)象，電磁輻射源自于礦體的非均質(zhì)性與其變形損壞的非均勻過程，和礦體損壞過程之間有著緊密關聯(lián)。電磁輻射信息能夠反映地層脆性斷裂之類的巖體事故動力狀況的關鍵性干擾要素，電磁輻射強度主要是反映巖體受載情況和變形損壞情況，脈沖數(shù)則是反映巖體變形和微破壞的次數(shù)。

地層脆性斷裂事故的出現(xiàn)從時間方面可劃分為：準備、發(fā)動、發(fā)展、結束四大階段。地層脆性斷裂的預測工作主要是在準備與發(fā)動這兩個時期進行，按照前兆信息分析地層脆性斷裂的危險情況?；诓傻V現(xiàn)場信息采集分析得知：電磁輻射與礦體的應力情況有所關聯(lián)，當其應力愈大，電磁輻射信號則愈強，脈沖便愈大，同時出現(xiàn)地層脆性斷裂的幾率也就愈大[2]。按照試驗結果和實際觀測監(jiān)察結果可獲得觀測采礦區(qū)的電磁輻射限定指標。為了準確評測施工區(qū)域地層脆性斷裂發(fā)生區(qū)域與危險性，在礦山深部開采區(qū)巷道施工期間的地層脆性斷裂情況實行了監(jiān)測觀察。

2.1 電磁輻射監(jiān)測

監(jiān)測點設置：于工作面后方約160米的位置設置監(jiān)測點，巷道兩側均有設置測點（由于右側動力電纜會對監(jiān)測結果造成較大影響，因此著重對左側實行監(jiān)測），沿著工作面開挖方向，每間隔十米設下一個監(jiān)測點，依次為0、-1、-2、…、-15、-16，工作面左右側分別設置一處監(jiān)測點。伴隨著工作面的逐漸超前推進，測點也隨之增多為-17、-18、…、-20、-21等。

在正式開展監(jiān)測工作之前，應當先實行普查工作，將地層脆性斷裂可能出現(xiàn)的危險范圍先初步估測出，并將這些區(qū)域設為重點監(jiān)測范圍。通過監(jiān)測得知，在測點-3至-8、-16至-18所在區(qū)域中，電磁輻射強度值和脈沖值相較其他區(qū)域均明顯更高。在監(jiān)測過程中，監(jiān)測點-16、-17以及-18所在區(qū)域均出現(xiàn)了地層脆性斷裂，發(fā)出了爆裂聲響，而且還崩射出了礦石。自此次斷裂出現(xiàn)前后的電磁輻射狀況來看，可總結出以下規(guī)律——地層脆性斷裂出現(xiàn)之前的一定時間內(nèi)，電磁輻射強度值偏高，超出了臨界值（30mV）,其后又存在一段時間輻射強度值偏低，接著便出現(xiàn)斷裂事故，發(fā)出了爆裂聲響[3]。

2.2 監(jiān)測結果分析

如下圖1所示，在監(jiān)測點-10至-18范圍內(nèi)未出現(xiàn)地層脆性斷裂現(xiàn)象的監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖1可知，未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的時候，電磁輻射強度相對偏低，而且脈沖次數(shù)變動并不太劇烈。

據(jù)上述觀察獲得的規(guī)律可知，使用電磁輻射法來評判、預測地層脆性斷裂現(xiàn)象是具有一定可行性、準確性的，通過分析監(jiān)測結果能夠確定斷裂出現(xiàn)的區(qū)域與具體地帶，這便為采取有效的防治手段提供了重要指導依據(jù)。

在使用電磁輻射法預測礦山深部開采區(qū)地層脆性斷裂工作中，電磁輻射信息的收發(fā)較為簡便，不用打鉆便能實現(xiàn)信息接收，大幅減輕了工作量，節(jié)省了較多的人力和物力資源，同時也縮短了時間消耗。而且通常不會受到人工等外界因素影響，準確程度高，所使用的時間較短，不會對礦山開采工作帶來影響，同時還顯著提升了生產(chǎn)開采效率，讓采礦公司獲得更高的經(jīng)濟收益，所呈現(xiàn)的最終效果是極為理想的。

圖1 無地層脆性斷裂的電磁輻射觀測結果

3 常用地層脆性斷裂治理措施

迄今為止，針對礦山深部開采區(qū)地層脆性斷裂現(xiàn)象的防治可歸納為以下兩大方面：①巷道開挖過程中盡可能的避開高地應力區(qū)域；②在無法避開高地應力區(qū)域的時候，則需要分析研究該采取何種開挖措施來減輕應力集中。在實際采礦施工作業(yè)中，要想做到避開高地應力區(qū)是較難實現(xiàn)的，通常是通過第二種方式來控制地層脆性斷裂。減輕應力集中的措施主要可從下述三個方面予以考慮，即：①優(yōu)化圍巖物理力學性質(zhì)；②改進圍巖應力條件；③對圍巖采取有效的加固處理措施。

當前，根據(jù)地層脆性斷裂形成的條件，相關研究人員和技術人員已經(jīng)提出了諸多地層脆性斷裂防治方法，而且投入實際開采中應用，獲得了良好的效果：①當巷道實施開挖施工作業(yè)之前，先分析了解地應力的最大主應力發(fā)展方向，而且要讓巷道開挖走向順著此方向設置；②盡可能的讓巷道沿著地層走向方向設置，確保巷道處于相同地質(zhì)特性的地層內(nèi)；③在條件允許的狀況下，把巷道盡可能的設置在應力降低區(qū)域中，并且改進開采順序和開挖流程，從而避開地應力集中區(qū)域；④在實施爆破設計工作時，需要做到對爆破量的合理把控，盡量避免由于爆破而引起地層脆性斷裂的出現(xiàn)，并且還要通過短進尺的方式，放緩挖掘速度；⑤選取適宜的支護類型，以柔性支護為最佳；⑥采取充填采礦法，限制地層斷裂發(fā)生的空間，以此降低了地層斷裂出現(xiàn)的概率與危險程度，此采礦方法在我公司淺部的用沙壩礦、青菜沖礦、馬路坪礦、沙壩土、極樂礦已沿用十幾年，此外對不在投用的老舊巷道進行膠結充填，通過微震監(jiān)測，對其礦山壓力及巖層控制效果非常明顯；⑦區(qū)域支護方式——在深部礦區(qū)布置區(qū)域支護來降低地層脆性斷裂發(fā)生的頻率。此方式是借助支護的剛度與強度，降低采空區(qū)的閉合率、工作面的應力以及因采礦施工而引發(fā)的礦震，從而提升采空區(qū)的穩(wěn)定程度和安全性?；谠O置穩(wěn)定礦柱，使得采礦工作中工作面前端的應力與采場閉合減少，讓能量釋放率被控制在可承受范圍內(nèi)；⑧合理布局采礦區(qū)?；谟嘘P研究分析得知，采礦布局會對與地質(zhì)結構有關的事故帶來直接性影響。通常情況下，安全風險最高的地質(zhì)結構的采礦布局也是最差的。通過設置支架礦柱能夠起到穩(wěn)定地質(zhì)結構的作用，對過剪切應力的合理利用，全面掌握采礦施工中過剪切應力的變化情況，提升礦柱穩(wěn)定程度；⑨除去上述針對物的控制手段以外，人的因素控制也十分關鍵，應當組織進行思想教育工作，讓全體職員深入了解到危險的存在與熟知各種危險的防范方法，要制定健全的安全管理體系和操作規(guī)范制度，并安排專人負責監(jiān)督制度的落實情況。

4 結語

基于上述對礦山深部開采區(qū)地層脆性斷裂機理和防治措施的研究，得出下述幾點認知：

（1）地層脆性斷裂事故的出現(xiàn)和地質(zhì)構造（例如斷層）之間有著緊密聯(lián)系，為此，在巷道開挖作業(yè)到構造周圍時，必須要注意強化防護控制措施，實行全面的監(jiān)測，及時采取有效防治手段。

（2）在施工期間需注意分析總結地層脆性斷裂出現(xiàn)的規(guī)律。例如在礦帶式輸送機下山開采時，基于分析研究得知，地層脆性斷裂大多出現(xiàn)在工作面爆破以后半小時前后，因此躲炮時間最少不得短于半小時。

（3）通過電磁輻射法預測地層脆性斷裂事故是可行、準確的，能夠節(jié)省大量的鉆探工作，防止采取的防治措施不夠具有針對性，提升了巷道開挖速度，減少了預測成本和防治成本。

（4）安全施工措施。在開挖作業(yè)期間應當實時勘測了解前方地質(zhì)構造與巖層變動狀況，采取短段開挖方式（小循環(huán)，循環(huán)進度低于1.2m），并及時架設錨網(wǎng)支護。還應及時采取防治措施，強化施工管理，全面落實好防護和地層脆性斷裂預測工作。在爆破施工中，應當采取一次起爆的方式，避免第一次爆破和第二次之間出現(xiàn)地層脆性斷裂而引發(fā)安全事故。