阿舍勒铜矿深井开采岩爆现象研究及应对措施探索

陈原望（新疆哈巴河阿舍勒铜业股份有限公司 哈巴河 836700）

1 引言

隶属于新疆哈巴河阿舍勒铜业股份有限公司的阿舍勒铜矿自2004年投产以来，经过多次技改及二期深部开拓，目前矿山综合采选能力已达6 000 t/d，开采深度达900 m，而开拓深度超1 200 m，成为国内为数不多的大规模深井开采单体矿山。

随着开拓工程和采矿活动不断往深部发展，工程地质和矿体赋存条件变得愈加复杂，围岩应力显著增大，矿山地压显现变得愈加突出，支护过的巷道变形量仍然很大，局部巷道鼓帮、底鼓、顶板沉降现象明显。深部巷道多次发生围岩脆裂异响甚至弹射冒落等岩爆现象。

岩爆系深井开采过程中较为常见的现象，严重威胁阿舍勒铜矿深部矿体开采工程的安全生产，如何有效应对成为迫在眉睫又必须攻克的棘手任务。

2 工程地质条件及开采现状

阿舍勒铜矿是火山喷气沉积-变质热液叠加形成的块状硫化物铜锌矿床，主要矿体赋存于阿舍勒组第二岩性中亚段的英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩上部。矿体形态严格受地层及向斜构造控制，横断面呈“鱼钓”状，水平断面呈“镰刀”状。矿区内总体构造线为近南北向；矿区外与区域北西向构造线趋于一致，形成醒目的反“S”型构造，处于近东西向挤压的局部应力场。矿区断裂构造发育，蚀变破碎带及软弱夹层多见，多分布于矿床东西两侧。依据应力测试结果，开采至800 m深度时，最大主应力为37.7 MPa，水平应力接近垂直应力的1.5倍，矿区以水平构造应力为主。

矿体顶板主要为下亚段的玄武熔岩层，底板为上亚段的英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩。褶皱后，东翼顶板以英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩为主。底板为玄武岩；西翼矿体和转折端附近矿体顶板仍以玄武岩为主。底板则以英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩为主。

阿舍勒铜矿经过十几年开采，目前采矿活动已逐步转移至深部。除了784 m水平以上少量矿体采用无底柱分段崩落法采矿形成的采空区未采用胶结体充填外，784 m水平以下采空区均已采用胶结体充填。深部矿体采矿方法主要为大直径深孔阶段落矿嗣后充填采矿法，采场参数约为长20～50 m、宽12 m、高50 m。采场空区暴露面积较大，对围岩稳定性造成较大影响。

3 岩爆现象及发生原因

据不完全统计，自2012年深部井巷开拓工程开工以来，岩爆或疑似岩爆现象累计发生数十起，表现形式为巷道围岩炮鸣异响、喷砼开裂、支护钢拱架变形、大块围岩垮落、围岩脆裂弹射等。最严重的一起岩爆现象为正在采用锚网喷砼支护的围岩大面积短时间内片帮且弹射，2 m长锚杆脱落。发生岩爆的岩体为黄铁矿和黄铜矿，主要位于穿脉巷道、上盘沿脉、下盘沿脉；发生岩爆的区域主要为350 m水平至-200 m水平，埋深为550 m至1 100 m。

经研究分析，阿舍勒铜矿深部岩爆现象发生原因主要有几点：一是围岩变形较大，矿石变形小，开采深度的增加使岩体处于高应力水平环境，更多的能量以应变能的方式储存在矿石中，当应变能集聚到一定程度，伴随围岩表层岩石的破坏释放出来，出现岩石弹射现象；二是黄铁矿和黄铜矿强度高、脆性大，黄铁矿平均RQD为81.2%，黄铜矿平均RQD为70.9%，而凝灰岩平均RQD仅为41.5%。RQD较低的凝灰岩遇水易软化、泥化、崩解、膨胀，破坏缓慢变形为主，黄铁矿和黄铜矿则反之；三是大直径深孔采矿法形成的采空区较大，且单次爆破总药量和单响药量均较大，导致开采扰动大，频繁的炸药爆破对周围巷道及围岩造成频繁扰动，严重影响了围岩稳定性，加剧了深部岩爆风险。

4 岩爆应对措施

针对深部与日俱增的岩爆风险，阿舍勒铜矿高度重视积极应对，开展了专项研究治理工作，以科研院所研究攻关为主，自身摸索实践为辅，组织、管理、技术等各类措施同步实施。

4.1 地压控制理论研究

研究路线为：深部岩体应力水平测量→中深孔爆破振动监测及控制技术研究→开采过程围岩稳定性监测→让压技术研究→深部地压调控技术研究。研究工作已开展两年多时间，目前还在持续进行中，已通过理论分析和试验研究得出不少结论，主要结论及对应措施有几点：

一是阿舍勒铜矿深部岩体应力水平约为浅部的两倍，最大主应力方向近东西向，巷道布置应充分考虑最大主应力的影响。

二是爆破振动对围岩稳定性影响大，基于爆破振动监测数据，建立了安全距离界限函数关系式和单段最大药量安全界限函数关系式。爆破区域与下盘沿脉巷道越近，对下盘巷道围岩影响越大，因此靠近下盘时，需要适当调整爆破参数。

三是巷道变形大小与其距采空区的距离有关，在采空区分别向上下盘的方向上，巷道变形先减小，后增大，然后再减小，据此可将开采扰动区域划分为距离采空区较近的卸压区，稍远的承压区，更远的原岩应力区。根据压力分区调整主要巷道布置或调整开采进度，减少主要巷道承压变形甚至发生岩爆。见图1所示。

图1 开采区域应力分布示意图

4.2 工程施工中应对岩爆的实践探索

阿舍勒铜矿在深部工程施工过程中，基于泄压原理，采取了管缝式锚杆支护为主的岩爆应对措施，该措施系通过不断地施工实践总结而来。

为确保生产安全，阿舍勒铜矿采取“一炮一支”的短掘短支工艺施工巷道，一般采用锚杆+钢筋网+单层花拱架+喷砼联合支护，锚杆有管缝式锚杆、螺纹钢水泥卷、注浆螺纹钢锚杆等多种形式，其中管缝式锚杆长度2 m，直径40 mm，中空，截面似缺口戒指，比钻孔直径略大，主要靠摩擦力提供拉拔力。锚杆环形圈被顶得紧贴围岩，对围岩形成压力，从而改变了围岩应力状态，从而达到支护围岩的效果。而经常被忽略的一点是锚杆中间“孔洞”的支护作用。实践表明，中间“孔洞”正是起到了泄压作用，有效解除了黄铁矿和黄铜矿中积累的高应力，均匀分布的管缝式锚杆承担着来自围岩的应力，传导至锚网喷砼联合支护体上。高应力得到合理引导释放，避免应力持续积累瞬间爆发形成岩爆。管缝式锚杆的支护作用见图2所示。

图2 管缝式锚杆支护作用示意图

而管缝式锚杆在巷道施工过程中应对岩爆现象的实际应用上主要有两种方式：一是超前支护即将开挖的巷道顶板，引导高应力释放，见图3所示。

图3 超前支护示意图

二是选择合适的角度施工锚杆进行临时支护，既能泄压，又能防范支护过程中冒顶片帮伤人，见图4所示。

图4 临时支护示意图

5 结语

实践证明，阿舍勒铜矿针对岩爆采取的应对措施取得了显著效果，多年来的深井开采活动未发生灾害事故。地压控制理论研究摸清了阿舍勒铜矿的应力状态和开采扰动影响等基础情况，提供了一系列监测数据，提出了可服务于工程设计、生产组织、参数优化等的理论工具；现场工程实践以最直接的路径有效解决了巷道施工过程中存在的岩爆风险，确保施工安全。阿舍勒铜矿岩爆研究与应对切实做到了理论与实践的有机结合，具有很强的适用性，可供同类矿山参考借鉴。

当然，岩爆灾害预防与控制系一项极其复杂的课题，国内外的研究成果并不十分丰硕，依然需要各方能人志士持续深入研究。特别是在国内外矿山由露天采矿转地下采矿、由地下采矿转深部采矿的时代背景下，深井开采已是大势所趋，岩爆灾害的威胁也会越来越大。岩爆研究工作任重而道远，但前景光明，坚持科学发展，终将攻克难关。

[1]长沙有色冶金设计研究院、厦门紫金工程设计公司.阿舍勒铜矿400 m以下深部矿体开采（6 000 t/d）初步设计，2012,5.

[2]采矿手册编委会.采矿手册[M].北京：冶金工业出版社，1991,11.

[3]东北大学.阿舍勒铜矿深部地压控制及安全高效采矿技术中期研究报告[R]，2017,1.