岩爆问题的岩层控制与巷道支护浅论
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【摘 要】根据钱营孜煤矿原岩应力测量、岩石物理数据、矿体结构调查以及模型建立的数据极端和工程实际问题， 具有高应力的深部采掘区岩层爆破控制以及为了安全所进行的巷道支护问题，将是矿山以及金属矿山等类似岩石结构的高应力矿区所面临的生产和安全的重大技术难题，因此本文在总结国内外经验的基础上，提出了我国深井矿山巷道支护的方案和实施过程。
【关键词】岩爆倾向；巷道支护；岩层控制
岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。轻微的岩爆仅剥落岩片，无弹射现象。严重的可测到4.6级的震级，一般持续几天或几个月。发生岩爆的原因是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性。这时一旦地下工程破坏了岩体的平衡，强大的能量把岩石破坏，并将破碎岩石抛出。预防岩爆的方法是应力解除法、注水软化法和使用锚栓-钢丝网-混凝土支护。
1 高地应力岩层控制技术
传统的采场岩层稳定性控制方法除了合理选择采矿方法、选择采场断面形状与结构参数优化、确定合理回采顺序之外，就是支撑或加固采场围岩，但国外矿山开采的经验表明在高应力情况下，仅靠支撑或加固顶板岩层，不能从根本上解决采场顶板稳定性问题。要解决这一问题，一种行之有效的方法就是采用应力控制技术（SCTl）。SCT是20世纪60年代在saskatchewan钾矿的深部开采中产生的，当时该矿随着开采深度的加大，岩层中的应力亦越来越大，冒顶与底膨现象严重影响矿山生产和安全，而传统的加固与支护手段无法解决采场安全性问题，就是在这种情况下矿山成功地研究并采用了SCT。SCT的实质就是进行采场的合理设计、应用数值模拟技术优化采场结构、现场监测反馈、提出合理的开挖顺序，以达到使开挖空间周围岩层中的应力产生合理的转移，使得待采区在卸荷区的低应力下开采。
SCT可应用于大多数不同岩层条件的开采（除无粘性的沙和软土类岩层之外），该方法可以很好地解决高地应力采场的稳定性问题，甚至不需要对采场顶板进行人工加固，同时对于防止应力高度集中和预防岩爆亦有明显的作用。
2 岩爆-预防及处理
采取积极主动的预防措施和强有力的施工支护，确保岩爆地段的施工安全，将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低。在高应力地段施工中可采用以下技术措施：
（1）在施工前，针对已有勘测资料，首先进行概念模型建模及数学模型建模工作，通过三维有限元数值运算、反演分析以及对隧道不同开挖工序的模拟，初步确定施工区域地应力的数量级以及施工过程中哪些部位及里程容易出现岩爆现象，优化施工开挖和支护顺序，为施工中岩爆的防治提供初步的理论依据。
（2）在施工过程中，加强超前地质探测，预报岩爆发生的可能性及地应力的大小。采用上述超前钻探、声反射、地温探测方法，同时利用隧道内地质编录观察岩石特性，将几种方法综合运用判断可能发生岩爆高地应力的范围。
（3）打设超前钻孔转移隧道掌子面的高地应力或注水降低围岩表面张力超前钻孔可以利用钻探孔，在掌子面上利用地质钻机或液压钻孔台车打设超前钻孔，钻孔直径为45mm，每循环可布置4～8个孔，深度5～10m，必要时也可以打设部分径向应力释放孔，钻孔方向应垂直岩面，间距数十厘米，深度1～3m不等。必要时，若预测到的地应力较高，可在超前探孔中进行松动爆破或将完整岩体用小炮震裂，或向孔内压水，以避免应力集中现象的出现。
（4）在施工中应加强监测工作，通过对围岩和支护结构的现场观察、通过对辅助洞拱顶下沉、两维收敛以及锚杆测力计、多点位移计读数的变化，可以定量化地预测滞后发生的深部冲击型岩爆，用于指导开挖和支护的施工，以确保安全。
（5）在开挖过程中采用“短进尺、多循环”，同时利用光面爆破技术，严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则，减小局部应力集中发生的可能性。在岩爆地段的开挖进尺严格控制在2.5m以内。
（6）加强施工支护工作
支护的方法是在爆破后立即向拱部及侧壁喷射钢纤维或塑料纤维混凝土，再加设锚杆及钢筋网。必要时还要架设钢拱架和打设超前锚杆进行支护。衬砌工作要紧跟开挖工序进行，以尽可能减少岩层暴露的时间，减少岩爆的发生和确保人身安全，必要时可采取跳段衬砌。同时应准备好临时钢木排架等，在听到爆裂响声后，立即进行支护，以防发生事故。
（7）对发生岩爆的地段，可采取在岩壁切槽的方法来释放应力。以降低岩爆的强度。
（8）在岩爆地段施工对人员和设备进行必要的防护，以保证施工安全。
3 巷道支护技术
对于高地应力特别是有岩爆倾向的巷道支护，由于应力大、变形大且具有动力破坏特点，因而难以支护。在国外的金属矿山，对这种类型的巷道支护已积累了较丰富的经验，比较有代表性的国家有南非、前苏联、加拿大、美国和智利等国。南非金矿目前研究的问题是3000m以下的大深度支护，原岩应力在150M几以上，主要是以柔性防冲击支架和延性锚杆支护并辅以大变形的柔性网等支护形式。前苏联在这类巷道支护的研究中，采用了普通锚喷支护、钢纤维喷锚支护、柔性钢支架、以及锚喷网+柔性钢支架联合支护等多种形式。
综合国内外的支护经验，结合我国金属矿山的原岩应力水平和岩石条件一般为坚硬的特点，高地应力巷道可参考前苏联、加拿大、智利和美国等金属矿山的支护形式，采用对常规锚杆支护、喷混凝土支护、锚喷网联合支护进行改造和优化设计的方法，对于有岩爆倾向的巷道采用诸如注水软化、钻孔切槽卸压、爆破卸压等特殊方法处理后再进行支护。
4 结语
我国矿山深井岩层控制与巷道支护问题的研究工作尚属刚刚起步，无疑它将是我国矿深井开采过程中面临的重大技术难题，本文仅仅是一个概要性综述。进一步加强对其的研究，对我国矿山深井开采有重大的现实意义。
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