基于“协同开采”理念的深部磷矿岩爆防控研究_吝曼卿.pdf

收稿日期2020-01-23 基金项目武汉工程大学研究生教育创新基金项目 （编号 CX2019106） ， 国家自然科学基金项目 （编号 51504167， 51474159） ， 湖北省重大科技创 新项目 （编号 2016ACA178） ， 2018年第一批产学合作协同育人项目 （编号 201801081001） ， 湖北省中央引导地方科技发展专项 （编号 2017ZYYD007） 。 作者简介吝曼卿 （1983） ， 女， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 527 期 2020 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE 基于 “协同开采” 理念的深部磷矿岩爆防控研究 吝曼卿 1， 2 柯晓苏 1 张电吉 1 彭亚利 2 周磊 2 杨敏 21 （1. 武汉工程大学资源与安全工程学院， 湖北 武汉 430073； 2. 湖北兴发化工集团股份有限公司， 湖北 宜昌 443700） 摘要随着浅层磷资源的逐步枯竭， 磷矿山企业逐步转向深部开采， 然而深部磷矿开采中的岩爆灾害突出， 对 井下人员和设备造成了严重的安全隐患。以某磷矿深部开采中呈现的岩爆现象为例， 结合工程开挖环境与开挖工况， 引入 “协同开采” 理念， 从应力转移、 应力防控和岩性改善的角度对深部磷矿岩爆防控进行了研究。结果表明， ①井下 岩爆主要表现为开拓巷道掌子面附近的即时型岩爆和巷道交叉处及采区矿柱中上部的滞后型岩爆； ②对采场切割巷 道掌子面附近采取 “品” 字形错位布置和泄压挂网的主动防护方式， 可有效降低岩爆产生烈度和岩爆发生次数， 并对岩 爆瞬间飞溅碎屑进行阻拦； ③通过优化矿区尺寸， 采用间隔错位开采方式优化回采工艺， 并进行采区充填， 可有效降低 开挖引起的采区应力集中程度， 从而在控制工程成本的同时降低作业现场安全隐患程度。基于 “协同开采” 理念的深 部磷矿岩爆防控思路的提出， 对于确保磷矿深部安全高效开采具有一定的借鉴意义。 关键词协同开采深部开采磷矿岩爆防控 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -05-158-06 DOI10.19614/ki.jsks.202005023 Study on the Rockburst Prevention and Control of Deep Phosphate Mine Based on the Concept of “Synergetic Mining“ Lin Manqing1， 2Ke Xiaosu1Zhang Dianji1Peng Yali2Zhou Lei2Yang Min22 （1. School of Resources Safety Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430073， China； 2. Hubei XINGFA Chemicals Group Co.， Ltd.， Yichang 443700， China） AbstractWith the gradual depletion of shallow phosphorus resources，phosphorus mining enterprises turn to deep mining gradually．However， the rockburst phenomenon in deep phosphorus mining is prominent， which causes serious security risks to underground personnel and equipment．In this paper， taking the rockburst characteristics in the deep mining of a phos- phate mine as an example，combined with the engineering excavation environment and excavation conditions， the concept of “synergetic mining“ is introduced to study the rockburst prevention and control of deep phosphate mine from the perspective of stress transfer，stress prevention and control and improvement of lithology． The results show that①the rockburst in under- ground mainly includes the immediate rockburst near the face of the opening roadway，the lag rockburst at the intersection of the roadway and the middle and upper part of the pillar in the mining area； ②by adopting the of “pin“ shape disloca- tion arrangement and active protection of pressure relief hanging net near the face of cutting roadway in the stope， the intensi- ty and frequency of rock burst can be effectively reduced， and the splash debris produced by rock burst can be blocked； ③by optimizing the size of the mining area， choosing the of interval dislocation mining， optimizing the mining technology， and filling the mining area，the stress concentration degree of the mining area caused by excavation can be effectively re- duced，so as to reduce the potential safety hazard of the operation site while controlling the engineering cost． Based on the concept of “synergetic mining“， this study puts forward the idea of rock burst prevention and control of deep phosphate rock， which can provide certain reference for ensuring safe and efficient mining of deep phosphate mine． KeywordsSynergetic mining， Deep mining， Phosphate mine， Rockburst， Prevention and control Series No． 527 May 2020 158 ChaoXing 随着浅层磷资源逐渐枯竭， 不少矿山企业已处 于深部开采阶段 ［1］。受磷矿经营成本和矿岩力学特 性影响， 目前地下磷矿开采大多采用房柱法。然而， 当在深部复杂地质构造作用下进行开挖扰动时， 随 着采空区暴露面积增加， 极易引发如采空区坍塌、 岩 爆等灾难性事故 ［2］。岩爆是高地应力条件下， 地下工 程开挖过程中， 硬脆性岩体因开挖卸荷导致洞壁围 岩应力重新分布， 存储于岩体中的弹性能突然释放， 产生爆裂松脱、 剥落、 弹射甚至抛掷现象的一种动力 失稳地质灾害 ［3］。由于岩爆的产生具有突发性、 滞后 性、 猛烈性等特点 ［4-6］， 直接威胁着施工人员和设备的 安全， 影响工程进度， 甚至摧毁整个工程并诱发矿 震。岩爆灾害严重制约了深部磷矿开采的顺利进 行， 如何有效地对岩爆进行防控， 减轻岩爆灾害程 度， 是目前深部磷矿工程施工中亟待解决的关键问 题。 目前， 岩爆的防治措施主要有主动预防、 监测预 警和加固处治3种 ［7］。李春林［8］从岩爆发生条件的角 度进行岩爆治理， 建立了基于岩爆支护的岩爆控制 方法； 冯夏庭等 ［9］结合岩爆孕育机制， 提出了岩爆防 控的 “三步走” 策略， 通过分步执行优化工程布置和 开挖参数， 应力预释放、 转移， 支护系统吸收岩体释 放的能量等措施， 对锦屏水电站施工过程的岩爆进 行了有效防控。由于岩爆的发生受开挖岩体岩性、 开挖临空面、 开挖方式和开挖路径等多因素影响 ［2］， 且矿山开采过程复杂， 矿岩受临近开挖过程中的扰 动影响明显， 此前的 “先开采， 后治理” 的开采模式已 无法满足深部矿山绿色安全开采要求， 在此背景下， “协同开采” 理念应运而生。“协同开采” 是结合采空 区隐患资源开采所提出的一个全新理念 ［10］， 在矿山 开采过程中， 通过将爆破开采、 灾害处理及其他行为 协调同步进行， 使矿山开采系统达到高效、 协同、 环 保、 节能的目的 ［11-12］。孙会熙等［13］结合某钒铁矿开采 规划问题， 引入 “协同开采” 理念， 对矿区的采矿设计 与回采工艺进行了优化， 改善了矿区开采环境； 陈阳 等 ［14］采用崩落与充填相结合的采矿法开采某铁矿， 用数值模拟方法从9种采矿方案选择了一种最优方 案； 此外， 国内众多学者从多角度提出了基于 “协同 开采” 理念的采矿方法 ［15-17］， 极大丰富了我国地下开 采技术体系。 本研究以某磷矿深部开采现场为例， 针对深部 磷矿开采中显现的岩爆特性， 结合工程开挖环境与 开挖工况， 引入 “协同开采” 理念， 从应力转移、 应力 防控和岩性改善的角度对深部磷矿岩爆防控进行研 究， 为深部磷矿安全高效开采提供有益参考。 1深部磷矿开采的岩爆特性 宜昌某磷矿属缓倾斜中厚矿体， 矿层稳定， 倾角 为17～25， 开采深度112.67～1 021.97 m， 平均深度 550 m。矿区裂隙和节理发育不完全， 矿层底板和围 岩的稳定性很好， 直接顶板为硅质白云岩， 具有硬度 高、 易碎的特点。根据矿体的赋存条件， 选用采矿方 法为无轨运输、 锚网护顶、 轮式出矿的房柱法。由于 井下巷道在掘进及回采过程中的岩爆现象频繁， 已 严重威胁到井下人员的作业安全。 通过对现场岩爆特性进行分析发现， 开拓巷道 岩爆可分为开拓巷道掌子面附近的即时型岩爆和巷 道交叉附近滞后型岩爆两种 ［18］。前者以中等岩爆为 主， 部分为剧烈岩爆， 爆坑呈 “凹” 形， 岩爆发生相对 频繁； 后者以轻微岩爆为主， 部分为中等岩爆， 爆坑 围岩呈板裂破坏， 如图1所示。 采区岩爆以采区矿柱中上部的滞后型岩爆为 主， 发生在矿柱、 顶板部分含硅质白云岩处、 顶板与 矿房壁面交接处， 以轻微岩爆和部分中等滞后型岩 爆为主， 爆坑呈板裂破坏， 如图2所示。 2深部磷矿开采的岩爆防控措施 在深部磷矿开采时， 控制岩层动力灾害发生的 岩性条件、 应力环境、 应力大小等因素均会发生变 化， 在采掘工作面顶板及上覆岩层断裂引起的强扰 动作用， 及巷道、 采掘工作面、 矿井及矿井群多尺度 联动影响下， 将直接改变井下围岩所受应力梯度的 分布， 增加围岩在开挖扰动作用下的能量积聚。当 围岩所受应力达到极限状态或围岩因受力使其内部 2020年第5期吝曼卿等 基于 “协同开采” 理念的深部磷矿岩爆防控研究 159 ChaoXing 储存的能量达到极限状态时， 极易产生岩爆。因此， 本研究主要从应力转移、 应力防控及岩性改善的角 度对深部磷矿岩爆防控措施进行分析。 2. 1应力转移 通过对某磷矿现场不同位置处的岩爆特性进行 分析发现， 受地下磷矿长期地质赋存及地质构造作 用影响， 矿区多处呈现明显弯曲和扭折等褶皱的高 地应力封闭区。由于该区域岩体所受应力环境较 高， 致使在附近相同开挖工况的扰动作用下， 区域产 生的岩爆烈度和频率明显提高。为有效降低开挖引 起的岩爆烈度， 进一步提高井下作业的安全性， 可从 应力转移的角度进行井下切割巷道岩爆的主动防 护。 应力转移 ［19］是一种有效的岩爆防控方法， 多用 于因开挖扰动造成的围岩应力较高的区域。基本思 路是使用某种技术将围岩中的高应力从岩体的开挖 部分向深处转移， 从而降低开挖掌子面附近围岩的 应力集中程度， 避免岩爆发生 ［20］。钻孔卸压是一种 常用的应力转移手段， 通过对岩体进行钻孔施工， 使 岩体内部形成一个破坏带， 即一个低弹区。各低弹 区延伸贯通， 形成整条弱化带。相当于破坏了此区 域的岩体结构， 降低其承载能力， 使岩体中的应力重 新分布， 并将应力峰值位置由开挖掌子面转移至岩 体深部。因钻孔卸压需要对矿层岩体进行钻孔， 为 了提高作业效率， 一般对开挖掌子面进行超前钻孔 作业和钻孔爆破作业。 井下切割巷道岩爆主动防护方法的基本实施步 骤为， 井下开拓巷道和采区切割巷道施工过程中， 凿 岩工穿安全背夹在掌子面钻爆卸压， 并对切割巷道 掌子面顶帮进行浮石清理， 及时进行锚网支护； 在开 挖掌子面中上部进行挂网， 并对网周边进行锚杆固 定； 在出矿前对工作面进行人工排险， 当遇到人工无 法清除的危险时， 应及时启用撬毛机、 装载机、 挖机 等设备进行多方配合清排， 清排结束后方可出矿； 作 业人员用潜孔钻对工作面钻爆卸压， 掌子面泄压钻 孔布置如图3所示。当遇作业面顶板较差情况时采 用锚网加锚杆支护。 该岩爆防控方法从 “协同开采” 的角度， 结合岩 爆孕育理论， 采用钻孔泄压的方法， 可有效降低高应 力区掌子面附近围岩的应力集中程度， 并对掌子面 附近岩体高应力向深部围岩进行转移； 通过严格的 现场安全生产管控， 借助挂网形式可有效阻拦切割 巷道岩爆飞溅出的碎屑， 降低作业人员被击伤的概 率和工程成本， 实现应力转移的岩爆防控作用。 2. 2应力防控 2. 2. 1采空区应力防控 随着井下空区范围增加， 矿区岩体顶部的普氏 拱影响区随之增大， 矿区开挖作用造成围岩塑性区 域越大， 顶板冒落范围及岩爆区域与烈度越明显。 受矿区特殊地质环境和地层结构影响， 开挖围岩的 应力集中区主要集中在围岩顶部、 矿柱与顶板交接 处、 拉底巷道围岩中上部与矿层倾向方向的围岩顶 板交接处。从岩体破坏角度而言， 矿区岩体冒落与 矿区岩爆的产生， 是矿区在特殊地质环境下开挖扰 动所致。若仅从岩体开挖锚固角度来提高矿区开采 的安全性， 不仅无助于从根本上对矿区岩爆进行控 制， 更会大幅增加开挖成本。 在现场试验中通过优化采区参数， 在采区布设 相邻采准切割平巷间距为15 m， 采准平巷之间每15 m布置一条切割平巷， 将上一水平切割平巷与下一水 平切割开口错开成 “品” 字形布置， 并采取泄压挂网 的主动防护方式 （图4和图5） ， 可降低附近开挖岩体 对于已开挖岩体造成的顶部岩体扰动影响。此外， 金属矿山2020年第5期总第527期 160 ChaoXing 在开挖过程中， 对矿区顶部围岩位移进行实时监控， 及时对空区进行充填， 为下步邻近矿块受开挖扰动 的顶板围岩提供支撑。 2. 2. 2开挖巷道应力防控 开挖巷道应力防控主要结合巷道围岩应力和岩 体附近的地质构造情况， 及磷矿岩层结构面特性， 通 过改善巷道断面形状和开挖进尺， 降低巷道掌子面 附近的围岩集中程度， 并采取吸能锚杆支护和钻孔 泄压方式， 降低掌子面附近围岩的应力集中程度。 （1） 改变巷道断面形状。通过对现场巷道破坏 特征的分析， 发现岩爆主要发生在开挖巷道顶部含 较多白云岩的岩层内。结合湖北某磷矿区特殊的地 质构造特点， 将开拓巷道的矩形断面更改为倒梯形 断面， 如图6所示。经现场开挖实践发现， 通过改变 岩爆现场巷道断面形状， 使巷道围岩稳定性显著提 高， 岩爆发生频率显著降低。 （2） 巷道支护采用吸能锚杆。为降低开挖围岩 内部的能量积聚， 将缝式锚杆更改为吸能防冲的新 式锚杆。锚杆在开挖围岩中起到让位吸能作用， 可 降低开挖围岩内储存的能量， 从而有助于降低岩爆 的产生烈度与大小。 （3） 开挖尺寸。开挖现场的巷道进尺为每天2～3 m， 但在具体岩爆高发期位置， 可适当降低开挖进尺， 如控制在每天1.5～2 m。 2. 3岩性改善 井下岩爆防控通常采用应力转移与应力防控方 式， 能明显降低矿区产生的岩爆概率。此外， 在这两 种方案实施过程中， 通常在井下爆破施工后， 及时对 掌子面附近的围岩进行高压注水， 不仅起到软化围 岩、 及时清理浮石的作用， 更有助于降低开挖掌子面 和采区的岩爆强度。 3实施效果 2018年68月， 对湖北宜昌某深部磷矿实施应 力转移、 应力防控及岩性改善等措施， 进行井下岩爆 防控研究。2018年68月及2017年同期的岩爆总 次数、 不同类型岩爆次数统计结果如图7、 图8所示。 2020年第5期吝曼卿等 基于 “协同开采” 理念的深部磷矿岩爆防控研究 161 ChaoXing 由图7可知 2017年6月岩爆总次数8次， 7月岩 爆总次数74次， 8月岩爆总次数147次； 2017年6月 岩爆总次数34次， 7月岩爆总次数27次， 8月岩爆总 次数115次。由图8可知 2018年实施岩爆防控措施 之后， 该矿岩爆发生频率得到了有效控制。 4结论 （1） 磷矿井下岩爆分为开拓巷道掌子面附近的 即时型岩爆和巷道交叉处及采区矿柱中上部的滞后 型岩爆两种。开挖掌子面附近的即时型岩爆以中等 岩爆为主， 滞后型岩爆在巷道交叉处附近以轻微岩 爆为主； 采区的滞后型岩爆主要发生在矿柱、 顶板部 分含硅质白云岩处和顶板与矿房壁面交接处。 （2） 在开挖掌子面附近， 通过 “品” 字形错位布置 和卸压挂网的主动防护方法， 降低岩爆烈度和岩爆 发生次数， 阻拦切割巷道岩爆飞溅出的碎屑， 可有效 降低岩爆产生烈度和岩爆发生次数， 并对岩爆产生 的飞溅碎屑进行阻拦。 （3） 通过优化采区尺寸， 采用间隔错位开采方式 优化回采方法， 并进行采区充填， 可有效降低开挖引 起的采区应力集中程度， 确保深部磷矿安全开采。 参 考 文 献 Stacey T R． Dynamic rock failure and its containment［C］ //Pro- ceedings of the First International Conference on Rock Dynamic and Applications．Lausanne CRC Press， 201357-70． 杨敏， 吝曼卿， 张电吉， 等． 基于矿山工程地质特点的岩爆防 治措施研究 ［J］ ． 金属矿山， 2018 （4） 72-76． Yang Ming，Lin Manqing，Zhang Dianji，et al． Study on preven- tion measures of rock burst based on geological characteristics of mine engineering ［J］ ． Metal Mine， 2018 （4） 72-76． 赵红亮， 周又和 ． 深埋地下洞室断裂型岩爆机理的数值模拟 ［J］ ． 爆炸与冲击， 2015， 35 （3） 343-349． Zhao Hongliang，Zhou Youhe．Numerical simulation on mechanism of fractured rock burst in deep underground tunnels ［J］ ． Explosion- and Shock Waves， 2015， 35 （3） 343-349． 冯夏庭， 陈炳瑞， 张传庆， 等．岩爆孕育过程的机制、 预警与动态 调控 ［M］ ．北京 科学出版社， 2013． Feng Xiating，Chen Bingrui，Zhang Chuanqing， et al．Mechanism， Warning and Dynamic Control of Rockburst Development Processes ［M］ ． Beijing Science Press， 2013． 冯夏庭， 陈炳瑞， 明华军， 等．深埋隧洞岩爆孕育规律与机制 即 时型岩爆 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2012， 31 （3） 433-444． Feng Xiating，Chen Bingrui，Ming Huajun，et al． Evolution law and mechanism of rockbursts in deep tunnels immediate rockburst ［J］ ． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2012， 31 （3） 433-444． 苗金丽． 岩爆的能量特征实验分析 ［D］ ．北京 中国矿业大学 （北 京） ， 2009． Miao Jinli． Experimental Analysis of Rockburst Energy Characteris- tics ［D］ ．Beijing China University of Mining and Technology（Bei- jing） ， 2009． 杨建华， 卢文波， 严鹏， 等．基于瞬态卸荷动力效应控制的岩 爆防治方法研究 ［J］ ．岩土工程学报， 2016， 38 （1） 68-75． Yang Jianhua，Lu Wenbo，Yan Peng，et al． Prevention for rock bursts based on control of dynamic effects caused by transient ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ 金属矿山2020年第5期总第527期 162 ChaoXing release of in situ stresses ［J］ ．Chinese Journal of Geotechnical Engi- neering， 2016， 38 （1） 68-75． 李春林．岩爆条件和岩爆支护 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2019， 38 （4） 674-682． Li Chunlin． Rock burst conditions and support ［J］ Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2019， 38 （4） 674-682． 冯夏庭， 肖亚勋， 丰光亮， 等．岩爆孕育过程研究 ［J］ ．岩石力学与 工程学报， 2019， 38 （4） 649-673． Feng Xiating，Xiao Yaxun，Feng Guangliang，et al． Study on the development process of rockbursts ［J］ ． Chinese Journal of Rock Me- chanics and Engineering， 2019， 38 （4） 649-673． 陈庆发． 隐患资源开采与采空区治理协同研究 ［D］ 长沙 中南大 学， 2009． Chen Qingfa． Study on Synergism of Hidden Danger Resources Min- ing and Goafs Treatment ［D］ ．Changsha Central South， University 2009． 陈庆发， 苏家红．协同开采及其技术体系 ［J］ ．中南大学学报 自 然科学版， 2013， 44 （2） 732-736． Chen Qingfa， Su Jiahong． Synergetic mining and its technology sys- tem ［J］ ． Journal of Central South UniversityScience and Technolo- gy， 2013， 44 （2） 732-736． 金家聪， 陈庆发． 协同采矿方法的创新思维与创新技法 ［J］ ．黄 金科学技术， 2019， 27 （5） 712-721． Jing Jiacong，Chen Qingfa． Innovative mindsets and innovative techniques of synergetic mining s［J］ ． Gold Science and Technology， 2019， 27 （5） 712-721． 孙会熙， 吴爱祥， 张磊， 等． 某钒铁矿分区协同开采方案优化 ［J］ ．金属矿山， 2016 （9） 30-34． Sun Huixi，Wu Aixiang，Zhang Lei ， et al． Optimization of mining scheme on the partitioning collaborative mining of a vanadium and iron mine ［J］ ．Metal Mine， 2016 （9） 30-34． 陈阳， 许梦国， 程爱平， 等． 程潮铁矿崩落法和充填法协同开 采方案优化研究［J］ ．矿业研究与开发， 2017， 37 （11） 1-4． Chen Yang，Xu Mengguo，Cheng Aiping，et al． Optimization Re- search on Collaborative Mining by Caving and Filling Meth- od in Chengchao Iron Mine［J］ ． Mining Research and Develop- ment， 2017， 37 （11） 1-4． 胡建华， 罗先伟， 周科平， 等．分条间柱全空场开采嗣后充填协 同采矿法 CN103615250A［P］ ．2014-03-05． Hu Jianhua，Luo Xianwei，Zhou Keping，et al． Full open stoping with sublevel pillars and subsequent filling combined mining meth- odCN103615250A ［P］ ．2014-03-05． 张农， 安衍培， 谢正正． 近距离煤层群井下采选充协同开采方 法 CN109162714A ［P］ ．2019-01-08． Zhang Nong，An Yanpei，Xie Zhengzheng． Cooperative mining of underground mining，dressing and filling in close seam groupCN109162714A ［P］ ．2019-01-08． 陈庆发， 刘俊广， 黎永杰， 等．电耙-爆力协同搬运伪倾斜房柱采 矿法 CN106194188B ［P］ ．2019-02-15． Chen Qingfa，Liu Junguang，Li Yongjie，et al． The mining of pseudo-tilting chamber and pillar by electric harrow and blasting forceCN106194188B ［P］ ．2019-02-15． Feng X T，Liu J B，Chen B R，et al． Research efficient exploita- tion of deep mineral resources review ［J］ ．Engineering， 2017， 3 （4） 233-249． 吴建亭． 深部巷道变形、 破坏过程及其稳定控制技术研究 ［J］ ． 矿业安全与环保， 2011， 38 （4） 38-41． Wu Jianting． Research on deation，Failure process and stabili- ty control technology of deep roadway ［J］ ．Mining Safety Environ- mental Protection， 2011， 38 （4） 38-41． 田建胜， 靖洪文． 软岩巷道爆破卸压机理分析 ［J］ ．中国矿业大 学学报， 2010， 39 （1） 50-54． Tian Jiansheng，Jing Hongwen． Blasting to relieve pressure around a soft rock roadway ［J］ ．Journal of China University of Mining and Technology， 2010， 39 （1） 50-54． ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ 2020年第5期吝曼卿等 基于 “协同开采” 理念的深部磷矿岩爆防控研究 163 ChaoXing