凡口铅锌矿深部岩爆地质因素分析及防范

原桂强

(1.中南大学地球科学与信息物理学院, 湖南长沙 410083; 2.凡口铅锌矿, 广东韶关 512325)



凡口铅锌矿深部岩爆地质因素分析及防范

原桂强1，2

(1.中南大学地球科学与信息物理学院, 湖南长沙 410083; 2.凡口铅锌矿, 广东韶关 512325)

地下矿山在深部开采过程中扰动了巷道(采场)矿岩周围初始应力场，导致矿岩失稳，发生崩塌、弹射等岩爆现象。凡口铅锌矿目前采矿作业重心在深部中段，与上部中段相比，深部中段地压高，应力集中，矿岩稳固性减弱，采场、巷道边帮顶板冒落增多，多次出现岩爆，对采矿作业危害较大。文章通过分析凡口深部岩爆的特征、分布特点，阐述了岩爆与地质因素的关系，提出有效的防范措施。

岩爆; 地质因素; 地应力

凡口铅锌矿是国内大型的铅锌生产矿山，自1968年生产至今已有40多年。目前最深开拓中段为-710 m(地表标高为132 m)，狮岭和狮岭南的深部中段(-360 m标高以下)已成为矿山的主要生产中段。在深部矿体的回采过程中，因地应力逐渐增大，地压活动明显，巷道、采场片帮冒顶现象增多。特别是在深部间柱回采过程中，处于高地应力条件下的稳定矿岩体在巷道掘进爆破过程中扰动了周围矿岩石初始应力场，导致矿山深部岩爆现象日渐突出，成为矿山采掘作业重要安全问题。

1 凡口铅锌矿深部岩爆基本特征

1.1 岩爆程度轻微

岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。凡口铅锌矿狮岭和狮岭南的深部中段已成为主要生产中段，在采掘作业中，岩爆时有发生。从近年发生岩爆的采掘作业面现场调查和统计分析看，岩爆发生时一般围岩成块状、板状或鳞片状冒落或剥落，并伴随有爆裂声，但几乎没有出现比较严重的弹射现象。如狮岭-650 m一分段S1#VCR采场下部硐室在掘进过程中多次发生岩爆，顶板边帮块状、板状爆裂，并伴有爆裂声，预留的矿柱在岩爆后经过多次松石处理，矿柱比原来小了很多(图1)。狮岭-550 m一分段209#aS采场在切采作业时也发生过岩爆现象，顶板边帮剥落冒落密集，工区暂停了该作业点，几天后岩爆现象消失。总的来说，从历次观察到岩爆的情况看，仅有岩层、岩片剥落，而没有出现弹射现象，因此凡口铅锌矿的岩爆应属于弱岩爆。

图1 Sh-650mS1#VCR采场下部硐室岩爆

1.2 岩爆深度较大

岩爆发生的条件是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度。随着矿山开采深度的加大围岩地应力也逐渐增高，岩爆发生的数量、强度也必然增加，研究表明岩爆发生频度随开采深度增加呈幂指数关系。不同地区的矿山发生岩爆的临界深部不同，据有关资料统计分析，美国为150 m，加拿大为180 m，前苏联为200 m，南非为300 m，印度为480 m[5]，而我国的矿山一般在200 m以下深度的采掘工程即可以出现岩爆。

岩爆主要发生在狮岭深部-500 m以下和狮岭南-400 m以下，而上部中段没有发生岩爆的记录。从凡口铅锌矿的统计中看，发生岩爆最浅的是狮岭南-455 m一分段209#中采场，距地表深度将近580 m，因此凡口铅锌矿发生岩爆深度较大。

1.3 间柱采场岩爆明显

狮岭深部地段在2011年以前主要采矿房，虽然地压问题比较突出，但发生岩爆现象少见。近年来，逐渐开始回采间柱，在间柱的回采过程中，岩爆现象逐渐增多，而且多发生在采场找边、切采环节。如Sh-600mS2#S、S2#N、N9#和Sh-650mS1#等VCR采场硐室在切采过程中都出现过岩爆现象。

凡口铅锌矿充填系统完善，矿房采毕后都及时进行充填，但充填体与间柱的矿块、围岩不是一个整体，应力发生了重新分布，出现了二次应力集中，矿块、围岩储聚的应力进一步增加，导致岩爆发生。

1.4 沿矿体走向布置的采场岩爆明显

凡口铅锌矿在回采设计中对于沿走向延伸较长，沿倾向厚度小的矿体，一般是沿矿体走向布置采场。如狮岭南Sh209、Sh210矿体和狮岭深部南盘的Sh209矿体等。在近年统计中，这类采场(采掘作业面)发生岩爆占较大比例。如Shn-455m209#a中、209#aN。中南大学罗周全教授等在2013年曾经对凡口深部作三维地应力测量及其分布规律研究，结果认为，凡口铅锌矿深部南北向的水平应力σy均大于东西向的水平应力分量σx，南北向水平构造应力占优[1](表1)。这与深部沿矿体走向布置采场岩爆的发生有着必然联系。

1.5 狮岭深部0#穿以南岩爆明显

狮岭深部0#穿以南矿体规模较小，矿石类型相对简单，主要为方铅矿和闪锌矿，而且矿石品位较高，岩爆现象尤为突出，多个采场发生过岩爆。如：Sh-550mS3#N、S3#S、S4#和S5-7#、Sh-600mS2#S、S2#N、Sh-650mS1#等采场，回采过程中矿体先后都发生过不同程度的岩爆。这与罗周全教授在研究报告中提到的“在凡口铅锌矿深部中段的南部，某些区域最大主应力值达到30 MPa以上”相符。

表1 深部各测点应力分量计算结果表[ 1 ]

2 与岩爆有关地质因素分析

地下开采矿山的岩爆与地质岩性、构造、地下水等有密切关系。岩爆一般发生在岩体干燥、坚硬、完整无裂隙的部位。当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，在这种条件下，一旦由于地下工程活动破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量导致岩石破坏发生岩爆。

2.1 构造因素

凡口铅锌矿床位于曲仁断陷盆地，矿区褶皱、断层特别发育，矿体的大小、形态、产状都受到褶皱、断层及层间滑动构造的控制。在回采过程中，构造应力与岩爆的发生有很大关系。

2.1.1 褶皱构造

凡口矿区以北西向凡口复式向斜为主体，西南翼次级褶皱有狮岭背斜、金星岭背斜等多个向斜和背斜(图2)。狮岭和狮岭南区段的矿体都赋存在狮岭背斜两翼，如Sh209a、Sh210a、Sh214a、Sh216a、Sh217a等主要矿体都赋存在狮岭背斜的两翼。

狮岭背斜轴向近南北，轴面向东倾斜，两翼不对称。背斜的核部位于深部狮岭-狮岭南轴线，地层为泥盆系东岗岭阶(D2d)(图3)，主要为硬度较大的粉砂质灰岩。褶皱构造中的硬质岩石是应变能储备有利场所。狮岭背斜构造及其特定的地层为深部岩爆的发生提供了有利条件。

2.1.2 断层构造

凡口矿区主要断层有NNE、NE、NW和EW向等四组，其中NNE和NE向的断层是矿区主要的控矿大断层，这类断层有F3、F4、F101、F102等(图4)。它控制了凡口深部矿带的展布及矿体形态、产状。F3

图2 凡口铅锌矿地质构造略图

图3 凡口铅锌矿床地质剖面图(1∶10000)

图4 -550 m中段地层、构造、矿体分布地质平面图

断层为右行平移逆断层，走向NNE，倾向东偏南，在深部倾角较陡，局部地方垂直甚至反倾，破碎带宽常见0.5～2 m，部分地段超过10 m，破碎带中充填大量的矿石角砾、围岩角砾、方解石角砾，挤压后成构造透镜体、糜棱岩，被泥质物胶结，胶结强度差，片理化强烈，断层上下盘岩层经常出现牵引褶曲。

中南大学在凡口深部曾做地应力实测，结果表明，凡口深部地应力场具有典型的构造应力场特征：水平应力值普遍大于垂直应力值，水平构造应力对地应力场的分布状态起主导作用，南北向水平构造应力占优[1]，说明凡口矿区F3断层在深部构造应力场中影响最大，它的规模、走向及分布形态直接影响最大主应力的方向和大小。当采掘工程靠近F3断层时，断层面上的正应力减小，从而使断层面的摩擦阻力降低，导致局部矿岩体发生松弛现象，从而造成局部应力向断层两侧一定范围的围岩中转移，引起断层局部突然重新活动，进而在距离断层构造一定距离范围内形成构造应力增高区，引发岩爆活动。如Sh-550mS4、Sh-600mS2#S、S2#N、Sh-650mS1#等采场发生岩爆的位置都是在F3断层下盘20～30 m范围。

2.1.3 节理及层间构造

凡口矿区围岩和矿体中节理及层间构造十分发育(图5、图6)。在采掘工程开挖前，层面之间非常紧闭，地应力集中，但随着采准工程的施工，由于爆破扰动，应力发生迁移，岩层沿层间构造分离崩裂进而产生岩爆。凡口矿区节理有张性节理，也有剪节理，而且节理有多组，相互交错，当掌子面与断裂或节理走向平行时，极容易触发岩爆。

图5 层间构造 (a 矿体;b围岩)

图6 岩石中多组节理

2.2 地层岩性因素

地层的岩性是岩爆发生的重要因素。岩石越硬，其抗压强度和抗剪强度越高，塑性变形越小， 主要表征具有很明显的弹性变形特征。因此，在构造改造过程中能储备很高的弹性应变能[3]。在矿山采掘过程中，应力环境发生改变，储备在硬岩中的应变能就会释放出来，从而可能引发岩爆。

凡口铅锌矿区从古生界至第四系地层发育较为齐全，其中的中、上泥盆统和下石炭统碳酸盐岩沉积建造是本区铅锌多金属矿床最主要的赋矿层位。矿区深部的地层从老到新有：中泥盆统东岗岭阶(D2d)、上泥盆统天子岭组(D3t)，主要岩性是不纯碳酸盐岩。采掘工程揭露地层展布总体上南高北低，舒缓波状，倾向东或东偏北，倾角变化较大。

中泥盆统东岗岭阶下亚阶(D2da)：致密块状灰白云岩、青灰色粉砂岩、细砂岩夹黑色泥质页岩，岩石脆且硬，节理发育，节理面常见钙质、铁质。该地层主要分布在西部(开拓工程以西)和狮岭-650m中段南部F3断层上盘。从勘探工程揭露，该地层不含矿。

中泥盆统东岗岭阶上亚阶(D2db)：层状、薄层状白云质粉砂岩、层纹状、条纹瘤状粉砂质灰岩。顺层构造发育，受挤压或风化后容易沿着层理面裂开形成薄板状、薄片状，矿山也称之为“薄饼状”粉砂质灰岩(图7)，分布范围广，在采矿过程中容易产生层间滑动，特别是狮岭南矿体开采中边帮容易滑脱。D2db地层是重要的含矿层位，深部Sh209、Sh210、Sh217等矿体均赋存在该地层中。

图7 中泥盆统东岗岭阶上亚阶(D2db)层状粉砂岩

上泥盆统天子岭组下亚组(D3ta)：致密块状鲕粒灰岩、瘤状、条带瘤状灰岩，局部可见薄层互层的灰岩、泥灰岩，遇水易溶化、塌落。生物碎屑发育，常见腕足类及群体珊瑚化石，底部普遍见大同心状核形石，方解石脉发育，常见网格状分布，受力作用下容易沿方解石脉破裂(图8)。D3ta地层是重要的赋矿层位，主要矿体有Sh214、Sh216、Sh32等。

上泥盆统天子岭组中亚组(D3tb)：深灰色瘤状、条带瘤状灰岩，夹生物碎屑灰岩，底部常见核形石，黄铁矿化强烈，方解石脉中等发育，泥碳质含量高，胶结程度差，遇水容易膨胀、溶化，围岩稳固性较差(图9)。主要分布在北部F3断层下盘。是重要的含矿层位，主要矿体有Sh214、Sh216、Sh32等。

图8 上泥盆天子岭组下亚组(D3ta)灰岩

图9 上泥盆天子岭组中亚组(D3tb)条带瘤状灰岩

凡口铅锌矿深部岩爆发生区域主要为狮岭和狮岭南的D2db粉砂岩、粉砂质灰岩中，岩石硬脆，呈厚层状或中厚层状，抗变形能力强，而且在狮岭深部和狮岭南区段地层完整、稳定，这些都为导致岩爆的弹性应变能量聚积提供了有利条件。而上泥盆统天子岭组灰泥碳质含量高，岩脆性小，局部夹有泥灰岩，不具备储存较高弹性应变能条件，难以积累高应力发生岩爆(表2)。

表2 凡口铅锌矿深部矿岩物理力学参数测试结果表[6]

2.3 矿石结构构造因素

深部矿体主要为Sh32a、Sh33a、Sh209a、Sh210a、Sh214a、Sh217a等矿体。矿石主要为块状黄铁铅锌矿、条带状黄铁铅锌矿、块状黄铁矿。

Sh33a、Sh32a矿体：赋存在狮岭-455m中段以上F3上下盘D2db、D3ta地层中。矿石为黄铁铅锌矿，常见块状构造、松散状、粉状构造。狮岭-400 m和-455 m中段回采过程经常发生垮帮冒顶，但松散状、粉状矿石不具备产生岩爆的条件，因此狮岭-400 m和-455 m中段矿体中没有发生过岩爆。

Sh209a、Sh210a矿体：赋存于狮岭、狮岭南西部D2db地层中，顺层产出，矿体形态复杂，呈似层状、脉状、透镜状等，沿走向和倾向分支复合较多，其南端依附在F3断层上，向北逐渐远离F3断层。矿石类型主要为致密块状黄铁铅锌矿，在-650 M中段N2穿以南、-600 M中段S1穿以南铅锌品位较高。这两个矿体在狮岭-550、-600 m中段和狮岭南-455 m中段北部回采中均发生过岩爆，这与矿石的致密块状有关。

Sh214a矿体：赋存在F3断层的下盘的D3ta地层中，在狮岭-600 m中段北部矿体局部与Sh209a矿体复合在一起。矿体受F3断层控制，依附断层上矿体迅速变大，离开断层急剧变小，北部被单一黄铁矿分成数条矿体在平剖面上矿体形态极不规则，沿走向和倾向分支复合较多，矿石品位变化较大，由南往北品位逐渐下降。主要矿石类型有块状黄铁铅锌矿和单一黄铁矿，狮岭北(N1穿以北)矿体规模较大，出现单一黄铁矿与铅锌矿相互穿插共生，矿石构造有致密块状、条带状、粉状。

Sh217a矿体：主要出现狮岭南-400 m以上中段和Sh-600 M中段的北部，F3断层上盘。矿体规模较小，往下尖灭，平均厚度约3 m，品位较低。矿石类型主要为块状黄铁铅锌矿、黄铁矿、粉状黄铁矿矿。

2.4 地下水因素

地下水对岩层的渗透软化作用，减弱了岩爆的发生，通常在有地下水活动的湿润地段，围岩中的地应力可以更好地释放或者向围岩深部转移，故不易发生岩爆。凡口铅锌矿狮岭南Sh209a、Sh210a矿体南部从-320 m到-455 m中段渗水较大，矿体和岩层长期处于湿润状态，矿石和围岩硬度和脆性降低，基本上无岩爆现象发生。

3 岩爆的防范措施

岩爆是高地应力、地层岩性、地质构造、水文地质条件、开挖扰动等多种因素导致的结果。目前，凡口铅锌矿采矿作业重心已经向深部转移，岩爆现象开始增多。矿山技术部门对岩爆危害的认识也逐步深刻，通过收集、分析发生岩爆的作业点资料，结合矿山矿岩地质特征，提出了一系列行之有效的防范措施，减少了岩爆的发生及危害。

3.1 施工超前孔

施工采掘工程时，在巷道、采场的边帮或掌子面施工超前孔，孔深一般2～3 m，达到释放应力目的，能有效减轻围岩的应力集中程度，使应力集中向围岩深部进行转移，同时使围岩积聚的弹性应变能提前耗散，有效地降低了围岩发生岩爆的风险性。必要时也可以施工部分径向应力释放孔，钻孔方向应垂直岩面，间距1 m左右，效果更好。

3.2 软化围岩

软化围岩最常用的办法是对围岩喷水或注水。长期以来，凡口矿的采掘工程在爆破后作业人员一般会先对采准工程的边帮进行洒水，主要目的是降尘，但同时也起到减少岩爆发生的作用。洒水过程中，水分渗入岩石孔隙，与岩石矿物中的离子发生作用，引起岩石软化、膨胀，使岩层强度降低。

岩石的软化系数越小，采用喷水方式对降低岩石的强度效果越好。凡口矿深部地层主要是D2db粉砂岩，岩性较脆，但其软化系数较小(表3)，在开挖采掘工程时，如果对作业面的岩层充分喷水就能很大程度较少岩爆的发生。对部分D3ta灰岩，软化系数较大，喷水效果如果不理想，可以先施工超前孔，然后向孔内压水，水的劈裂作用使岩石微裂隙扩展，节理张开，降低围岩表面张力，从而降低岩体储备弹性应变能。

表3 部分脆性岩石的软化系数[4]

3.3 柔性支护

井下采掘工程揭露应力集中、易引发岩爆的矿岩层时，采用“短进尺、弱爆破”掘进，降低对矿岩体的扰动。同时要及时实施锚索支护、锚网联合支护等柔性支护措施(图10)，必要时在支护完毕后进一步喷浆。采取锚网喷浆联合支护，在施工过程中，使铁丝网紧靠岩体面与锚杆连成一体，然后进行喷射混凝土，可有效地提高结构的整体支护能力，尽可能减少岩层暴露的时间，防止岩块的弹射和塌落。

3.4 使用光面爆破

多年来，凡口矿在井下采掘工程中一直大力推行光面爆破(图11)。通过多打炮眼少装药，严格控制用药量，尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则。对构造发育、矿岩结构差的地段，为获得光面爆破效果，在施工采掘工程时，施工双层光面爆破孔。

图10 巷道边帮顶板锚网联合支护

采掘工程的边帮和顶板采用光面爆破后，一方面有效减少了松石量，另一方面，也减小局部应力集中发生的可能性，很大程度避免了岩爆的发生。

图11 巷道顶板采用光面爆破

3.4 合理选择巷道施工位置

D2d粉砂岩、粉砂质灰岩具有硬度大、脆性大、抗变形能力强的特点，有利于弹性应变能量聚积而产生岩爆，所以在深部施工巷道时应尽量避开D2d粉砂岩、粉砂质灰岩，选择D3ta块状鲕粒灰岩、瘤状灰岩。

[1] 罗周全等．凡口铅锌矿深部三维地应力测量及其分布规律研究报告[R]．广东： 1990.

[2] 陈明祥, 侯发亮．岩石损伤模型与岩爆机理[R]．北京：中国科学技术出版社，1992.

[3] 周维垣．高等岩石力学[M]．北京：水利水电出版社，1990.

[4] 沈明荣．岩体力学[M]．上海：同济大学出版社,2000.

[5] 唐绍辉，吴壮军，陈向华．地下深井矿山岩爆发生规律及形成机理研究[J]．岩石力学与工程学报，2003，22(8).

[6] 广东韶关凡口铅锌矿矿岩及充填体物理力学参数测试报告[R]．湖南：中南大学，2013.

On Deep Rockburst Geological Factors and Precautionary Measures of Fankou Lead-zinc Mine

YUAN Guiqiang

(Shenzhen Zhongjin Lingnan Nonfemet Company Limited Fankou Lead-zinc Mine,Shaoguan,Guangdong 512325)

In the process of deep mining, the underground mine disturbed the initial stress field around roadway ore-rock, which led to the ore rock unstability, collapse, catapult and other rockburst phenomenons. At present, the main mining operation core is in the deep levels. Compared with the upper levels, the deep levels have high ground pressure and stress concentration. The mine rock stability weaken. The roof caving of the stope and roadway sidewall increase. The rockburst occurs repeatedly. All of them have great harm to the mining operation. Through analyzing the features and characteristics of distribution of Fankou deep rockburst, this article elaborated the relationship between rockburst and geological factor and put forward effective precautionary measure.

Rockburst; Geological Factor; Crustal Stress

原桂强(1970-), 男，汉族，工程师，湖南湘乡人。

TD80

A

1671-3818(2016)03-0037-06