深井矿山岩爆发生的类型及控制策略研究.pdf

深井矿山岩爆发生的类型 及控制策略研究 杨志国 ，王鹏飞 中国恩菲工程技术有限公司， 北京， 1 0 0 0 3 8 I 国 际 I r l t r [ 1 at l o l ldI 摘要 矿 山进入 了深部开采 ， 在 高应力等复杂的地质条件作用下， 诱发 了各种地质 灾害， 尤其是矿床 回采过 程 中岩爆的产生影响尤为严重， 不但给矿山生产造成了严重威胁 ， 而且严重制约着矿 山的生产 能力及采矿成本 ， 甚至造成矿 山停产及 关闭。本文对 国内外矿 山深部开采 中出现的岩爆 实例进行 了探讨 ， 根据其产生的原 因、 发 生位置和破 坏表现形式 ， 对其进行 了分类， 主要 分为应 变型、 矿柱型及断层滑移型岩爆 ， 并结合 国内外矿山工 程应用经验对三种主要不 同类型的岩爆提 出了预 防及控制措施。 关键词 高应力 ； 岩爆 ； 深部开采 ； 中图分类号 T D8 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 5 0 6 5 2 0 1 6 0 8 0 0 2 3 4 St u d y on Con t r ol l i n g St r a t e g i e s o f di ffe r en t Ro c k b u r s t i n De e p Mi n e YANG Zh i gu o ， W ANG Pe n g f ei C h i n a E NF I E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Un d e r t h e a c t i o n o f c o mp l i c a t e d g e o l o 百c a l c o n d i t i o n s ，s u c h a s h i g h s t r e s s ，a l l k i n d s o f g e o l o g i c a l d i s a s t e r s a r e i nd uc e d i n d e e p mi ni ng ．Es pe c i a l l y t he ha pp e ne d r o c k bu r s t i s p a r t i c u l a r l y s e r i ou s whe n s t o pi ng t he de pos i t． I t c a u s e d no t on l y s e r i o us t hr e a t t o t h e mi ne pr o duc t i on，bu t a l s o s e r i o us e ffe c t t he mi ne pr od uc t i on c a pa c i t y a nd mi n i ng c o s t ，e ve n r e s ul t i n mi ne s t op pr odu c t i on a nd c l o s e d．I n t hi s p a p e r r o c k bur s t a p pe a r e d i n de e p mi ni n g on t he d ome s t i c a nd f or e i g n we r e d i s c us s e d．Ac c o r d i n g t o oc c ur r e n c e c a us e s，p os i t i on a n d f a i l ur e f or lT i S ，t h e r oc k b ur s t a r e c l a s s i fie d，ma i n l y i n c l ud i n g wi t h s t r a i n，pi l l a r a nd f a ul t s l i p bur s t s ． At l a s t c ombi ne d wi t h mi n e a pp l i c a t i o n e xp e rie nc e a t h ome a nd a br o a d，s o me p r e v e nt i o n a n d c on t r o l me a s ur e s a bo ut t he d i ffe r e nt t yp e s o f r oc kb ur s t a r e put f or wa r d． Ke y wo r d sHi g h s t r e s s； R ． o c k b u r s t； De e p mi n i n g ； 随着采矿业的不断发展， 全世界范围内深井矿山的 数量逐渐增多， 矿床开采的深度越来越大， 诱发的岩爆问 题日益突出 。 南非是世界上深井开采最多的国家， 平 均开采深度在 3 0 0 0 m以上，而且矿体开采范围较大， 据 收稿 E l 期 作者简 介 研究方 向 工作单位 联系方式 通讯地址 2 0 l 5 - 0 8 -l 2 杨志国 1 9 7 8 一 ， 男， 博士， 2 0 0 9 年毕业于北京科技大学 采矿工程专业， 高级工程师。 矿 山深 井开采方 面的研 究工作 。 中国恩菲工程技术有限公司。 E - m a i l z g y a n g 2 0 0 8 l 6 3 ． c o m ． 北京市复兴路1 2 号 1 0 0 0 3 8 o 资料分析表明在 1 9 7 0年生产高峰期， 生产 l O 0 0 t 金需要 有4 1 6 0 0 0个工作人员， 这年在地表2 0 0 0 m以下开采了 2 8 k m 的平缓矿体 ； 而 2 0 0 3 年 1 8 3 0 0 0 工作人员生产了 3 1 1 t 金，由于岩爆导致的死亡人数为 3 7 人， 每千人年死 亡率为0 ．2 O 。另外南非金矿业也存在另一个问题 ， 即一 个连续的矿体同时由几家矿山开采 ， 结果导致非常大面 积地壳受到影响， 有时数公里的大断层被扰动滑移几 百毫米 ， 发生了震级高达5 ． 1 的事件， 甚至对地表建筑产 生重大的毁坏。 美国爱达荷州北部克达伦矿区， 岩爆比较 活跃， 1 9 3 0首次报道了岩爆发生，在 1 9 8 6 1 9 9 0年间， 生产中的岩爆事故造成了2 3 人受伤 6 人死亡， 估计岩爆 费用占总采矿成本的8 ％-1 8 ％。其他如俄罗斯的克里沃 2 0 1 6 年 4 月下世 界有色金 属 2 5 I 国-it 际 r _d t 10 f 损失加以限制， 要求充填体中有较高的水泥成份 ， 增加充 填体的强度 ， 以便承受较大岩爆事件产生的冲击。 对于开 采有岩爆倾向性的矿山， 必须进行有效的充填， 并且使矿 体开采过程与充填进行有效结合 ， 避免岩爆的产生。 加拿 大安大略省布伦兹维克矿 B r u n s wi c k ， L a k e S h o r e 矿， 萨德伯里地 区C r g e i g h t o n Mi n e ， 美国爱达荷州幸运星 期五矿 L u c k y F r i d a y Mi n e ， 南q Mp o n e n g矿等典型 的岩爆矿山进入深部开采水平， 均采用了胶结充填， 极大 改善了顶板和巷道的稳定性 ， 消除了底柱的岩爆问题， 改 善了区域的稳定性 ， 有效缩减岩爆的发生。 5 降低底柱的应力， 当开采矿柱时可以预先降低其 应力， 减少能量的集中释放。 2_ 3 断层滑移型岩爆的预防控制策略 由于矿床开采造成了沿地质构造方向的剪切应力超 过构造面的剪切强度 ， 常常会导致这类岩爆的产生， 也可 称之为构造型岩爆。 图2 为南非某金矿山发生的一个断层 滑移型岩爆， 震级4 ．8 ， 产生了3 7 c m的滑移 ， 图中圈内表 示为断层的滑移面。 对于这种类型的岩爆， 可以采取的预防控制措施主 要 有 1 开采初期 ， 应从断层向两侧开采 ； 2 可以在靠近断层构造边界处留设一定宽度的保 护矿柱 ； 3 可以通过注水的方式， 控制断层活动过程中的滑 移速度 ； 4 矿床回采过程中应进行实时的监测 ；断层滑移 型岩爆的发生并不是孤立的和没有前兆， 国外典型的岩 爆矿山， 如北美基尔兰德湖地区L a k e S h o r e 矿 1 9 3 9年9 月发生的一次矩震级4 _ 4 级， 之前伴随发生了一次 3 _ 7 级 的事件， 后来又伴随了 1 5 次小型的岩爆。南非在过去 2 0 年里， 在复杂的地震监测上已经取得了显著发展， 大部分 现有地下深井矿山的开采都是在密切的地震监测下进行 的。 微震监测技术目前在国外岩爆矿山应用比较广泛， 已 经在矿山开采中发挥了较大作用 ①确定事件发生的位 置和时间 ； ②发现未探明的地质构造， 如断层 、 岩墙等 ； ③分析由于采矿而引起的岩体应力变化规律 ， 有效预测 围岩体、 残留矿柱及井筒等的失稳活动 ； ④分析微震事 件震源的破坏机理， 量化微震产生的破坏潜能， 以便采取 必要的支护控制措施 ； ⑤揭示岩爆事件的集中活动区域 ， 对回采顺序和布置方式 ， 开采率进行调整 ， 避免大事件的 发生 ； ⑥采用反分析方法， 利用矿山已经发生事件的数 据 ， 建立预测模型， 从而预测不稳定的区域。 3 结论 从国外矿山开采情况来看， 随着对深部矿体的开采， 产生岩爆的次数必将会不断增加 ， 造成的破坏性也日益 严重， 极大的阻碍了正常生产， 甚至造成了采场开采停 止 ， 但是通过采取积极有效的预防和控制措施， 可以减少 岩爆等灾害的发生。对于即将进入 1 5 0 0 m深部开采的 国内超大规模矿山来说， 应该充分认识到岩爆的发生是 不可避免的， 应做好充分的准备工作。首先从矿山建设 起 ， 充分考虑岩体属性 ， 地应力 ， 复杂的地质构造等开 采技术因素 ， 设计采用适当的工程布置方式和回采顺序 等 ；其次矿山投入生产时应建立有效的适时监测系统 ， 对开采引起的岩体活动规律做到及时掌控 ， 并及时调整 采矿策略， 研究岩爆等发生的机理和破坏程度之间的关 系 ， 确定合适的支护方式等 ， 以减少岩爆的发生， 保证 生 产 。 四 【 1 】 Or t l e p p W ． D． Ra S I M C o me o f Ag e A R e v i e w e f t h e Co nt r i but i o n t o t he U n de r s t a ndi ng a l l d Co nt r o l of Mi n e R o c kb ur s t s 【 A】 ． Yye s Po t v i r l an d Ma r t i n Hu dy ma e d s ． C o n t r o l l i n g S e i s mi c R i s k Ra S i M6 [ C 】 ． AU S t r a l i a n AUS TRALI AN CENTRE FOR GE0MECHANI CS，2 0 05 I 3 [ 2 】 W j l s r l Bl a ke，Da vj e G。 F． He d ] e y． Ma e as s a Mi Be， Ki r k l a n d L a k e ，On t a r i o f M】 ．Ro c k b m s t s Ca s e S t u d i e s f r o m No r t h Ame r i c a n Ha r d -R c k M i n e s ． S o c J e l y f o r Mi n打 1 g， Me t a l l u r g y，a n d E xp l o r a t i o n，2 0 0 34 4 4 6． [ 3 】Y． POTVI N a nd M ． R． H UDYM A． Se i s m1 c mon i t o r i ng i n hi ghl y me c ha ni z e d ha z d i o c k m i n e s i n Ca na da a r i d Au s t r a n a [ Aj ． Ro c k b u r s t s a i1 d S e J s ml c i t y 1 n Mj n e s Ra S 1 M5 【 C 】 ， J 0 l 1 a n n e s b u r g S o u t h Af t i c a n I n s t i t u t e o f Mi n i．n g a n d b i e t a ] l u r g y，2 0 01 ， 2 7 0 2 7 1 ． 【 4 】D u n l o p R， G a e t e S ． C o n t r o l l i n g i n d u c e d s e i s mi c i t y a t E I T e n i e n t e Mi n e T h e S u b 6 s e c t o r c a s e h i s t o r y [ A】 ．G i b o w J c z a r i d L a s o c k i e d s ，Ro c k b u r s t s a n d S e i s mi c i t y i n Mi r m a 【 C 】 ． Ro t t e r d a m B a l k e ma ，l 9 9 72 3 3 2 3 6 ． 【 5 ] S． Ka r e k a l ，M ． V． M ． S． Ra o． Mi ni ng ～As s o c i at e d S e i S i l l i c i t y i n Ko l a r Go1 d M i ne s S om e Cas e St r udi e s U s l ng Mu l t i f r a c t al s [ A】 ． Yv e s Pot vi na n d Ma r t i r l Hud yma e d s． Co nt r of l i ng S e i s tni c Ri s kRa Si M6[ C】 ． Aus t r a na n AUS TRALI AN CENTRE FOR GFOMEC} { AN T CS．2 0 0 5 6 3 5 6 3 9． 【 6 】 李庶 林 ．论 我 国会属矿 山地质灾 害 与防 治对 策f lI 】 ， 中幽地 质灾害 与防治 学报，2 0 0 2，1 3 44 4 4 8 ． [ 7 】 杨志 圈 ， 予润沧 ， 郭然 ． 深 部高应力 区采矿研 究综述 【 J 】 ． 金属矿 】 } j ， 2 0 0 7 3 ， 6 9， 【 8 】 郭然， 潘长良， 平润沧 ．有岩爆倾向硬岩矿床采矿理论与技术【 Ⅳ I 】 ． 北京 冶金工业出版社 ，2 0 0 38 6 8 7． [ 9 】 S i E l e r ． B，J o u g h i n W ． C，ORTL EP P W． D． Th e p e r f o r ma nc e o f Br u n s wi c k Mi n e’ s r o c k b u r s t s u p p o r ￡s ys [ e m d u r 1 n g a s e v e r e s e t s mi c e p i s o d e [ A] v a r l A s we g e n G， Du r r he i m R J ． Or d e p p W D e d s ． Ro c k b u r s C s a n d S e i s mi c i t y 】 n Mi n e s Ra S i MS [ C 】． j o h a n n e s b u r g S o u t h A f r i c a n 1 n s t i t u t e 0 f M i n i r lg a n d Me t a l l u r gy， 2 0 01 2 4 2 2 4 3． [ 1 0 】 Wi l s o n B 1 a k e ． Da v i e G， F． He d l e y ． L a k e S h o r e Mi n e ， Ki r k l a n d L a k e ， O n t a r i o 【 M】 ．Ro c k b u r s t s C a s e S t u d i e s f r o m No r t h Ame r i c a n Ha r d Ro c k M i n e s ． S o c i e t y f o r Mi n i n g， Me t a l l ur g y．a n d Ex p k r a t i o n，2 0 0 31 9 2 6． 2 8 世界有色金属2 0 1 6 年 4 NT