深井矿山巷道掘进掌子面岩爆卸压防治研究

李 文， 刘育明， 张爱民， 张少杰

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 前言

随着人类社会对各种矿产资源需求的不断增加，向地球深部索取矿产资源已成为大趋势，推动地下矿山不断朝着地球深部发展。伴随矿山开采深度的增加，矿岩体所处的地质环境将更为复杂，开采技术条件将更为严苛，明显表现特征为高地应力、高地热、高岩溶水压(即深部“三高”特征)。目前世界上开采最深的金属矿山是南非的姆波尼格(Mponeng)金矿，其开采深度约4 350 m[1]，我国深井金属矿山开采深度主要在1 000～1 700 m水平。深井矿山深部工程作业面临着严重地压灾害威胁，突出表现形式为岩爆。岩爆是高地应力条件下的一种非常复杂的动力型地压灾害现象，伴随着爆裂声响及岩石碎块剥离、崩出，具有很强的突发性和破坏性。通常干燥、完整、坚硬且处于高地应力环境的岩体如花岗岩、石英岩等在开挖扰动后易发生岩爆现象。尽管相关学者在岩爆诱发条件、孕灾机制及监测预警等方面开展了大量研究并不断剖析岩爆获取新认知[2-6]，岩爆灾害防治仍是深部岩体工程领域的世界性难题。

巷道掘进是地下矿山采矿活动的重要开拓采准工程，具有作业面环境差、安全风险高、施工周期长等特点，通常凿岩、爆破等工人需在巷道掌子面环境连续作业数小时。巷道掌子面和帮壁、拱顶是深井矿山岩爆发生高风险部位，直接威胁着作业人员人身安全和设备财产安全。前人研究表明巷道帮壁/拱顶岩爆通常可通过实施光面爆破、喷锚网支护[7]等措施得到较好地防治，但针对巷道掌子面岩爆及其防治措施研究相对较少。董鹏[8]等(2021)针对引汉济渭工程秦岭隧洞工程岩爆段采用掌子面周边布孔和中部布孔两种方式开展了超前应力释放爆破研究，对围岩内部应力释放效果进行了分析。吴世勇[9]等(2018)针对锦屏二级引水隧洞开展了掌子面垂直超前孔爆破卸压研究，研究表明在掌子面前方可产生一定延伸范围的松弛区，有效释放掌子面处的集中应力。李俊平[10]等(2018)将ANSYS/LS-DYNA程序和FLAC3D程序相结合，动态模拟了硬岩巷道端面的钻孔爆破卸压过程，分析了不同卸压方案的钻孔爆破卸压效果，得到了合理的钻孔布置方式及钻孔深度、装药长度。

为了有效地降低深井矿山巷道掘进过程中掌子面岩爆发生机率及其危害，本文在分析总结前人研究成果基础上提出了“掌子面超前预裂爆破卸压”理念，并开展了巷道掌子面超前卸压效果仿真与卸压爆破工艺设计，定量分析了卸压前后巷道围岩应力分布特征，可为后期深井矿山巷道工程安全高效实施提供技术支撑。

2 巷道掌子面岩爆发生机理分析

巷道工程施工后，岩体原始应力平衡状态被破坏，应力重分布后形成围岩局部应力集中，当应力积聚到一定程度并得到突然释放，即为岩爆发生提供了能量基础。实践和研究发现，岩爆的发生主要与巷道开挖后围岩切向应力大小有关。

采用FLAC3D软件建立了一个尺寸分别为100 m×100 m×40 m的深部巷道开挖模拟三维模型。巷道位于模型中央，巷道轴向沿模型Y轴方向。首先对模型施加围岩物理力学特性参数及初始应力边界条件，得到巷道未开挖前的初始应力状态，巷道区域最小主应力约为44.65 MPa，最大剪应力约为10 MPa。然后模拟巷道开挖10 m后的围岩扰动应力重分布特征(图1)，从图1中应力分布结果可知在巷道拱顶、底板及掌子面前方均有应力集中区域。图2所示为巷道掌子面前方不同位置的最大剪应力分布规律，位于掌子面前方1.5 m处存在最大剪应力峰值，最大剪应力值约为21.1 MPa。通过以上分析可知，巷道开挖后在掌子面前方1.5 m处存在剪应力集中效应，当超过岩石体的抗剪强度就会发生剪切破坏进而诱发掌子面岩爆。

图1 巷道开挖后围岩最大剪应力分布云图

图2 巷道掌子面前方最大剪应力分布曲线

3 巷道掌子面岩爆卸压防治研究

3.1 掌子面超前预裂爆破卸压机理分析

为了防治巷道掌子面岩爆发生，提出在掌子面掘进循环作业中向掌子面前方施工超前钻孔并与掘进爆破同工序起爆，在下一掘进循环掌子面前方形成一定厚度的碎裂区，起到阻隔高地应力集中效应的作用，实现掌子面岩爆防治目的。图3所示为深部巷道工程超前预裂爆破卸压机理示意图，可以看出，实施超前预裂爆破后在掌子面前方形成了碎裂区，同时掌子面前方应力峰值向深部转移，降低了临近掌子面区域的应力集中效应。

图3 深部巷道掌子面超前爆破卸压机理

3.2 掌子面超前卸压爆破效果分析

模拟不同卸压爆破深度对卸压效果的影响，此次模拟过程中卸压爆破过程进行了简化，假定卸压爆破后在装药段所在深度形成一碎裂区，在模拟过程中以空区表示。图4所示为巷道掌子面前方卸压爆破深度对应力扰动影响，从图中可以看出，随着卸压爆破深度距离掌子面距离的增大，在掌子面前方的应力集中区先消散然后重新聚积。当卸压爆破深度大于2 m时，巷道掌子面前方的应力集中区重新出现，说明该情形下实施的卸压爆破不能够消除掌子面前方高地应力集中的问题，掌子面仍然存在岩爆风险。图5所示是不同掌子面超前卸压爆破深度对卸压效果的影响，从中可以看出，当卸压爆破深度为4 m时掌子面前方最大剪应力集中效应加剧，相比未卸压爆破前增加了约20%；当卸压爆破深度小于3 m时掌子面前方最大剪应力集中效应消散，相比未卸压爆破前分别降低了10.9%(卸压爆破深度3 m)、53.6%(卸压爆破深度2 m)和61.9%(卸压爆破深度1 m)。

图4 巷道掌子面前方卸压爆破深度对应力扰动影响

图5 掌子面超前卸压爆破深度对卸压效果影响

3.3 掌子面超前卸压爆破工艺方案

1)掌子面超前卸压爆破钻孔布置

以某深井矿山深部巷道工程为例开展掌子面超前卸压爆破钻孔布置方案设计。图6所示为不同形式的超前预裂爆破钻孔布置示意图。图中巷道断面型式为直墙三心拱，巷道宽度3.9 m，高度4.15 m，直墙高度2.8 m。巷道掌子面炮孔主要有掏槽孔、辅助孔、周边孔和卸压孔，其中掏槽孔和周边孔的布置形式保持不变，根据卸压孔的布置形式设计了4种方案。其中，方案一和方案三中卸压孔数量为6个，方案二和方案四中卸压孔数量为5个。炮孔直径均为50 mm，卸压孔长度为5 m，其他孔深均为3 m。掏槽孔、辅助孔和卸压孔均为水平直孔，周边孔根据在巷道所处部位分别向拱顶、直墙外侧及底板底部方向呈5°倾角。上述炮孔布置型式可供生产实践借鉴使用。

图6 巷道掘进爆破炮孔布置图

2)装药及起爆

待掌子面钻孔施工完成后，开始装药、连线及起爆工作。根据矿山现场实际条件选用炸药材料，通常为卷状乳化炸药。卸压孔采用密实孔底装药，装药长度为2 m，堵塞长度为3 m；掏槽孔、辅助孔采用密实孔底装药，装药长度为2 m，堵塞长度为1 m；周边孔采用分段间隔装药，总装药长度控制在1.5 m，堵塞长度为1 m。炮孔孔口采用黏土、砂子、水按比例调配的炮泥堵塞。各钻孔装药结构如图7所示。

图7 掌子面超前卸压爆破钻孔装药结构示意图

掌子面超前爆破卸压孔与巷道循环掘进爆破孔(掏槽孔、辅助孔、周边孔)作为一个工序同步起爆，按照卸压孔、掏槽孔、辅助孔、周边孔的顺序采取孔间毫秒微差方式起爆，可根据现场工程条件合理有效连接起爆网络。

4 结论

通过对深井矿山巷道掌子面岩爆发生机理分析，提出了掌子面超前预裂爆破卸压理念并开展了卸压爆破效果分析与工艺设计，得出以下结论：

(1)深部巷道工程掌子面前方围岩体内部剪应力积聚并高于岩体抗剪强度时导致剪切破坏是掌子面岩爆发生的重要诱因。

(2)通过掌子面超前卸压爆破可以有效地降低掌子面前方剪应力水平，实现积聚高应力转移与消散，起到降低岩爆风险作用。

(3)通过分析卸压爆破深度对掌子面前方应力重分布影响表明，掌子面超前卸压爆破深度应不大于2 m，指导掌子面超前卸压爆破工艺方案设计。