1概况
1.1企业概况
桓仁矿业有限公司原名桓仁铜锌矿属于有色金属总公司下设的国有大二型企业。因资源有限于1999年底破产重组为桓仁矿业有限公司。企业性质为民营股份制。
新组建的矿业有限公司下设两个矿山一个选厂。属采选联合企业，年生产能力为100万吨，生产矿石以铁为主伴有少量铜，现有员工2000人。
1.2地质概况
桓仁矿业有限公司位于辽省东部。地理坐标：东径125度29分，北纬41度10分。矿床类型属于典型的侵入闪长岩与沉积灰岩接触交带而形成的矽卡岩型矿床。赋存深度达1000余米，富含磁铁矿与少量的铜等，属多金属共生矿床，上盘是寒武纪石灰岩，下盘是燕山期中性闪长岩，矿体倾角一般在60度左右，厚度在2米至20米之间，矿岩均属中等稳固。矿体产状极为复杂。
1.3开采概况
矿山开采已有百年历史，采矿方法主要是空场法中的浅孔留矿和全面法。矿房的划分以可替出厚度岩脉为界。采空区大部分进行嗣后废石充填，地压处理为隔离法。
1.4岩爆概况
当采矿深度在500米以上时岩爆现象基本上没有发生。当开采至800米时出现岩爆现象，同时上部也出现岩爆且破坏程度比深部大。主要表现在：深部岩爆以微弱形式出现，在清脆响声的同时偶有少量的极薄片状岩石弹出。上部岩爆则以中等以上强度的形式出现，岩爆时的声音较闷但破坏程度较大，以矿柱断裂，行道破坏，顶板崩落等形式出现，这种岩爆对安全生产影响较大，对人的生命安全构成严重威胁。
2岩爆的概况
2.1对岩爆的认识
对于岩爆现象的认识和研究是近几年来才开始的。由于采矿深度的增加岩爆现象也逐渐增多，并造成一定的人身伤害和经济损失。我们开始真正地认识到岩爆是岩体是失稳破坏的一种形式。是处于高应力达极限平衡状态下的岩体在开挖的扰动下，其内部储存的应变能瞬间释放造成开挖空间周围的部分岩石从母体中急剧而猛烈突出或弹射出来的一种动力学现象。从理论上讲岩爆可分为五种类型：一是应变型岩爆，二是弯曲破坏型岩爆，三是矿柱型岩爆，四是剪切型岩爆，五是断层滑移型岩爆。从我们现场实际观测的岩爆归纳为两种类型：一种是动力型的。动力型在我矿有两种表现形式。一是深度动力扰动型。是随采深的不断增加而增加的岩爆。这种岩爆是由于开挖造成的应力集中使开挖空间周围的岩体承受的载荷接近或达到其强度极限，在扰动的作用下(一般情况下是爆破作业)岩体发生脆性破坏。通常是在爆破作业后的较短时间距爆破作业现场较近的地方发生，其破坏程度由小到大由弱到强都时有发生;二是部位动力扰动型。是不随深度增加而增加的一种岩爆。这种岩爆多发生在背斜的轴部，是因为背斜的两翼向核内的强大挤压力使轴部的应力增加从而使岩石本身的强度达到一定的极限值，在扰动力的作用下极易发生岩爆。另一种属失稳型的。即在上部矿房回采结束后所留下的各种矿柱，岩柱，夹岩，岩脉，岩墙等在下部继续开采的扰动力向上传导的作用下使上部已形成的空间周围的应力场重新分布使其失稳从而出现爆裂，崩塌，等破坏现象。这种岩爆的破坏程度是非常严重的，极有可能造成重大的经济损失和人员伤亡。1983年在上60米中段因下部采矿导致的岩脉失稳崩塌使地表大面积塌陷并造成人员伤亡。
2.2 对岩爆倾向性的认识
所谓对岩爆倾向性的认识就是对什么样的岩石在什么样的情况下具有岩爆的可能性的认识。实践证明在对岩爆倾向性的认识和预测上我们采用的是强度理论判断和岩石性质经验判断以及岩体失稳理论判断叁种。
2.2.1强度理论判断
这一理论最早是南非学者在1994年提出的。它的理论基础是围岩的最大静压力对岩体的破坏程度。既：Q2/Q1>或=0.2-0.5。
式中：Q1-岩石的单轴抗压强度 Q2-开挖工程区域的最大主应力。
当Q2/Q1>0.5C以上时必然发生岩爆的可能性逐渐增加。当Q2/Q1<0.5C以下时岩爆的可能性逐渐降低。
当采深在900米上下时铜矿的Q2值在29.7则Q2/Q1=1.29肯定发生岩爆。上盘石灰岩的Q2值为25.2则Q2/Q1=5.25发生岩爆的可能性趋于必然。而其余几种矿岩Q2/Q1值均大于0.2说明都具有一定的岩爆倾向性。下表是深部不同种类的岩石通过实验室测得的岩石力学参数(一)
注:不同部位的同一种岩石测得的数据不尽相同。
2.2.2岩性经验判断
岩爆极易发生在高原岩应力条件下的脆性岩石中。主要是由于岩石本身具有岩爆倾向性这是内因;构造和采矿爆破作业产生的次生动应力与岩爆处岩石本来所承受较高应力叠加极易超过岩体强度而产生岩爆这是主要的外因，当水较快进入岩体中的构造面和岩石中的空隙中时减小了结构面上的摩擦阻力系数即降低了岩体的抗剪强度和结构面上的法向应力，同时使岩石体积彭胀从而导致岩体更易破坏，尤其在夏天的雨季更易发生岩爆，很多的国内外专家和学者已经证实了这一观点，这是次要外因。从现场观测到的岩爆倾向性的严重程度依次为：贴近矽卡岩矿体上盘的灰岩——>酸性岩脉——>基性岩脉——>绿帘石性矽卡岩——>硬质闪长岩——>矽卡岩——>含矿矽卡岩。
2.2.3岩体失稳理论判断
失稳理论判断的原理是达到应力平衡状态已经开挖形成空间周围的岩体(一般指矿房回采结束后所留下的各种矿柱，上下盘围岩，矿房与矿房之间的岩脉等)在外力的扰动下(通常是就近的爆破作业和地震等原因)使原来形成的应力平衡状态被破坏从而使岩体失稳，岩体失稳必然导致岩体破坏，以巷道，矿柱，岩脉，支护等断裂崩塌为特征对生产安全和人员构成极大威胁。最为严重的是水平中深孔大爆破所产生的纵向震动波对上部已经形成的空间周围的岩体破坏性是最大的。所以，如何控制岩体的失稳是我们掌握控制岩爆倾向性的重要判断。
3.岩爆控制
岩爆控制就是要控制岩爆的发生，使生产安全不受影响，更重要的是人员不受伤害。所以，岩爆控制在我们矿具非常重要的意义。目前国内外岩爆控制均处于研究探索过程中，很难准确控制其发生。根据我们矿的实际情况在各生产环节寻求一个规律性的控制理论以指导生产安全工作是十分必要的。本着这样的原则我们在国内外专家学者大量的研究成果的基础上结合我矿的实际情况，要在以下三个方面加以研究，也是我们在今后长期的实际工作中必须总结研究的重要内容。
3.1区域宏观控制。
3.1.1从采矿方法选择上实现岩爆控制
从选择采矿方法上实施对岩爆的控制是最根本的解决岩爆问题的重要措施。大量的资料研究显示，具有岩爆倾向的岩石不适宜采用空场采矿法，特别是当采深达到一定程度时。而我们矿正是延用了最传统的留矿法，全面法和房柱法。几十年的实践证实了这三种方法在中上部采矿中是行之最佳的采矿方法。但到了中下部随深度的增加岩爆程度的日益加重使人的安全受到严重的威胁，这种方法就不再是最佳的首选了。所以，寻求一种即安全又经济高效的采矿方法从现在的意义上讲是非常重要的。要达到这个目的首先要做到的是转变观念，不能总抱着传统的经验不放;其次是要大胆的实践，同时不要怕有所失败和有所损失;第三是要舍得投入，在投入中寻找最佳。在我们矿有实践迹象已表明分段凿岩阶段矿房采矿法等都是较为理想可供参考选择的采矿方法。
3.1.2从落矿方式上对岩爆的控制
不论是哪一种采矿方法选择好落矿方式对实施岩爆控制都具有重要的的作用。实践证明，一是中深孔落矿方式对岩爆的控制是十分有益的。它主要在于：作业人员是在有限的暴露空间内(凿岩硐室)实现凿岩作业，避免了浅孔凿岩时人员要在大面积暴露的顶盘下面作业时岩爆所带来的安全威胁。二是水平落矿好于垂直落矿。理由有两点，第一，炸药爆炸时的径向最大破坏力均匀向弱面(自由面)发展，对顶盘的破坏力相对要小的多这就有效地保护了顶板的稳定性。第二，避免了上向孔底深浅不一爆破时对顶板极易造成人为假顶的弊端。
3.1.3一次炸药量对岩爆的控制
我们大家都知道爆破作业对岩体具有一定的扰动力，一次爆炸的炸药量愈大扰动力就愈大。特别是在自由空间不够充分的时候是很明显的。所以，在爆破作业时应尽可能地减小一次起爆的炸药量。值得一提的是对具有因失稳而导致岩爆区域下部爆破药量的控制，尤其注意的是带有支点意义的爆破地点对控制上部岩体的失稳具有重要意义。
3.1.4隔离层(矿柱)对控制岩爆具有重要的意义
根据上部已经出现的岩爆事故结合现采矿深度，我们与东北大学联合科研经过岩体力学分析决定在630米中段留下14米厚的连续隔离层，做为永久保护矿柱。其主要作用为：一是阻止上部地压活动所产生的应力波及深部，对作业人员造成安全威胁及对设施的破坏;二是阻止深部作业的扰动力向上的传波;三是做为横撑支拄支撑上下盘使其稳定;四是做为充填层使其以上的采空区充填废石做为各种破坏能的吸收层和缓冲层。做为隔离层必须满足以下要求：第一，必须是连续的。第二，不能任意破坏。第三，已经造成破坏的地方必须加以修复并达岩体强度要求。
3.1.5加强对采空区的处理以达到控制岩爆和减小岩爆伤害
对于采空区的处理主要有崩落，充填，隔离三种方法。在我们矿主要以隔离为主和一部分充填。但做的都不尽完善，没有达到处理要求。目前我们必须要做的有以下几点：一是要从上往下将准备回收的矿柱抓紧回采，然后将回采结束中段的水平川脉巷道实施封堵，并达到原岩受力强度。二是继续加大对隔离层采空区实施废石连续充填的进程，现在的废石充填采空区是建立在经济效益的观点上，我们必须同时建立在安全效益的基础上实现尽快充填。
3.2局部微观控制
上述岩爆控制基本属于宏观上控制的范畴。矿房回采中的岩爆控制属于微观控制范畴，是人与危险直接接触的过程，所以，做好岩爆控制更具意义。在专家学者研究的基础上结合我们的实际在采矿过程中应从以下几个方面进行。
3.2.1合理的回采顺序。在留矿法矿房回采中采取什么样的回采顺序对于岩爆的控制是很重要的。研究结果表明前进式的回采顺序比后退式回采对于岩爆的控制更有利。这主要是因为前进式回采的落矿方式是水平落矿，可更有效地控制顶板的稳定性与完整性。
3.2.2采矿作业线推进力求与矿房走向规整一致，顶板水平以上平整避免下垂。
3.2.3采矿作业最好是连续进行。这一观点是从三个方面考虑的：一是增加采矿强度缩短采矿周期以加快资金的周转。二是尽可能缩短作业人员在采场中的滞留时间。三是抢在围岩弹性变形终止前结束采矿，或在围岩弹性变形终止前对采空区进行处理以及必要的支护。
3.2.4采场中矿柱的设计要遵循以下原则。一是当矿体走向较长中厚以下时要在同一高度留有规则矿拄，作用相当于充填分层体。二是矿柱的长轴要与顶板主应力方向一致，否则很难抵制侧应力的剪切破坏。三是中厚以上的矿体预留矿柱必须要考虑到它的高度与直径的纵横比。通过实验室模拟试验有数据显示矿柱的纵横比应在1.6以下最宜。四是规则圆型。
3.2.5矿房与矿房之间的岩脉要做适当的稳定性维护。特别是中厚以上矿体矿房之间的岩脉最易崩塌，所以，当岩脉薄且倾斜是应当在岩脉的下盘留有一定厚度的矿体来维护和支撑其稳定性。
3.2.6当出现厚大矿体需要改变矿房布置要素时，采矿场的长轴方向和采场的推进方向要与原岩最大的主应力方向平行一致。否则，采场极有可能出现岩爆现象。我们现实的采矿场就很不利于岩爆的控制。
3.2.7采场内在较大断层或岩脉时，采矿工作面的推进方向要背离它们进行，避免垂直向着构造面走向推进(特殊情况除外)。采用后退式上向凿岩时如遇较大和复杂断层时应含断层一次性凿岩一次性爆破。
3.2.8当矿体平行出现时，要先开采岩爆倾向弱或无岩爆倾向的矿脉，解除岩爆倾向性强矿脉的应力，防止岩爆的发生。这一原理属于切逢弱化。
3.3主动治理控制
主动治理控制是指在已经知道具有岩爆倾向的岩体中主动采取积极的技术措施对岩爆加以控制。在实际运用中我们主要以支护为主，弱化处理用的较少。
3.3.1弱化处理。它的基本原理是通过减少工作面的应力集中区域内的岩体强度来重新分配荷载分布，工作面上的应力集中程度及分布的特点是决定采用什么方法来处理的依据。主要有注液处理，钻孔处理，切逢处理和松动爆破处理。实际中我们曾采用过松动爆破的方式进行了高应力情况下具有突出岩爆倾向的主运输巷道的施工，取得了一定的效果。它的主要原理是在预先凿好的炮孔内采用爆破的方式在围岩中形成一人工破碎带，以使高应力向深部岩层转移，以解除应力为目的。
3.3.2支护处理。根据岩石和岩爆的实际情况并预计可能发生岩爆的机理和强度，选择相应的支护方法是减少灾害损失的重要措施。这种支护方法是我们应用最为广泛的。实践证明，这种主动治理实际上是被动的应对，往往都是在已经出现了岩爆导致一定的安全隐患出现时才不得以而采取的补救措施，只是暂时地控制了岩爆的继续扩大罢了。下面是我们在实际工作实际中针对不同情况所采取的两种不同等级的支护形式。
3.3.2.1破坏性较小的岩爆一般采用喷锚网支护。作用是预防岩石表面剥落和破坏的发生，支撑和固定已经移位的小块岩石。
3.3.2.2中等强度的岩爆的支护要在锚杆深度和密度增加的基础上采用高强度，高韧性的金属网和钢缆绳联合进行支护。
4.岩爆的预警工作
众所周知，有关岩爆的预警监测工作不论是国内还是国外所采取的监测手段有多种。在我矿应用最早的是光弹法，它的原理是塑性岩石和光弹玻璃在受到应力作用时，在偏振光下观察可以看到干涉条纹，这种干涉条纹与作用在岩体上的压力强度和方向有关，据此可对即将来临的地压活动做出预测。近年来我们与东北大学一起对深部岩爆监测方法进行了进一步的改进，现在应用的是多点位移和压力合监测法，主要原理是通过对岩体的流变变型来预测岩爆的发生。在实践中读取了较好的监测数据。但是，这种监测方法还远跟不上安全生产的需要。在现场我们员工对岩爆的预防主要是一听二看三躲避来保护自己的。所以，我们必须寻找一种适合我们矿业实际情况的预警监测手段是当前安全工作的重中之重。
参考文献：
[1] 古德生：现代金属矿床开采科学技术。冶金工业出版社。2006。
[2] 郭然： 有岩爆倾向硬岩矿床采矿理论与技术。冶金工业出版社出版。2003。
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编辑：中冶有色技术网
来源：辽宁省本溪桓仁矿业有限公司
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2024年11月29日 ~ 12月01日 
