矿山与地下工程地质灾害

地质灾害防治措施~

1、地下工程是一个较为广阔的范畴。它泛指修建在地面以下岩层或土层中的各种工程空间与设施，是地层中所建工程的总称，通常包括矿山井巷工程、城市地铁隧道工程、水工隧洞工程、交通山岭隧道工程、水电地下硐室工程、地下空间工程、军事国防工程、建筑基坑工程 2、地上工程是以地平线为标准，修建在高于地面的所有工程设施都属于地上建筑工程。

地下采矿和地下工程开挖，最基本的生产过程就是破碎和挖掘岩石与矿石，同时维护顶板和围岩稳定。如果对地下洞室不加以支撑维护，则洞室围岩在地应力的作用下发生变形或破坏，这种现象在采矿界称为地压显现。由地压造成的灾害，对矿井来说，主要表现为顶板下沉和垮落、底板隆起、岩壁垮帮、支架变形破坏、采场冒落、岩层错动、煤与瓦斯突出及岩爆等。因采空区处理不当而引起的大规模地压灾害在地面表现为地表开裂、地面下沉、建筑物倒塌、水源枯竭等。对于煤矿，尤其是露天煤矿，常常表现为滑坡、崩塌、倾倒等边坡失稳及其引起的地面变形破坏。而煤与瓦斯突出是高瓦斯煤矿开采过程中最常见、危害性最大的地压灾害。这里主要讨论危害大、发生频率高、分布范围广的冒顶垮帮、岩爆、煤与瓦斯突出。

(一)冒顶垮帮

1.冒顶垮帮的特征及其影响因素

地下洞室开挖后，由于卸荷回弹，应力和水分的重新分布常使围岩的性状发生很大变化。如果围岩岩体承受不了回弹应力或重新分布应力的作用，就会发生变形或破坏。围岩岩体变形及破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构(表92)。

冒顶事故是对矿山工人人身安全威胁大且发生频率最高的矿山地质灾害之一。据不完全统计，我国各种矿山每年工伤死亡人数中有40%死于矿坑冒顶，死亡频率占各种矿山地质灾害之首。

表9-2 围岩的变形破坏形式及其与围岩岩体和结构的关系

续表

(据张倬元等，1994)

湖南锡矿山南矿的开采实践表明，当失去支撑能力的矿柱达到全采场矿柱60%左右时，采空区顶板就可能冒落。而一个采空区的冒落会在相邻采空区引起连锁反应，导致采场地压急剧增大，采场和巷道严重破坏，人员伤亡。美国、英国、日本等国金属矿山冒顶事故死亡人数均占井下事故死亡总人数的1/3～1/2，日本为40.7%，美国为30.2%，英国、俄罗斯、波兰和比利时等国约占30%～50%。

我国冶金矿山顶板冒落及其他地压灾害死亡人数占全部伤亡人数的25%～27%;大中型统配煤矿近年发生的重大死亡事故中，顶板冒落灾害占30%左右。

顶板冒落或侧壁垮帮的征兆有:顶板掉渣由小而大，由稀变密，裂隙数量增多、宽度加大，煤帮煤质在高压下变软，支架压坏、折断，瓦斯涌出量突然增多，淋水量增大等。

2.采空区处理方法

防止采空区大冒落的处理方法可归纳为“充填”、“崩落”、“支撑”、“封闭”8个字(隋鹏程，1998)。

1)充填法:采空场采矿开采完毕后，要及时用碎石、尾矿砂、水沙、混凝土等物质充填采空区，从而起到支撑顶板、减小其承受上覆岩土体压力的作用。如湖南锡矿山南矿在3次大冒落后，新采区地压剧增，地表不断沉陷，为保证安全，对采空区进行了全面充填处理，充填率达90.6%，使地压活动得以缓和。

2)崩落法:指利用深孔爆破的方法将采空区围岩崩落，充填采空区。

3)支撑法:以矿柱或支架等支撑采空区，防止其发生危险变形。

4)封闭法:常用来处理与主要矿体相距较远、围岩崩落后不会影响主矿体坑道和其他矿体开采的孤立小采空区。封闭这些小采空区的目的主要是防止围岩突然冒落时空气冲击波对人员和设备的危害。

为有效预防冒顶垮帮，还必须采取合理的开采方案，避免片面追求产量而采富弃贫，坚决杜绝开采保护矿柱的乱采行为;采用合理的设计方案，进行科学的顶板管理;根据围岩应力集中大小与分布形式，采用声发射监测技术及其他测定地应力方法，预测预报顶板来压的强度和时间，掌握地压规律，及时采取有效措施;制定科学合理的工作面作业规程、支护规程、采空区处理规程等。

(二)岩爆

岩爆又称冲击地压，是指承受强大地压的脆性煤、矿体或岩体，在其极限平衡状态受到破坏时向自由空间突然释放能量的动力现象，是一种采矿或隧道开挖活动诱发的地震。在煤矿、金属矿和各种人工隧道中均有发生。

岩爆发生时，岩石碎块或煤块等突然从围岩中弹出，抛出的岩块大小不等，大者直径可达几米甚至几十米，小者仅几厘米或更小。大型岩爆通常伴有强烈的气浪巨响，甚至使周围的岩体发生振动。岩爆可使洞室内的采矿设备和支护设施遭受毁坏，有时还造成人员伤亡。

1.岩爆的类型和特点

由于发生部位和释放能量的差异，岩爆表现为多种不同的类型，它们的特点也各不相同(张倬元等，1994)。

1)围岩表部岩石破裂引起的岩爆:在深埋隧道或其他类型地下洞室中发生的中小型岩爆多属这种类型。岩爆发生时常发出如机枪射击的噼噼啪啪响声，故被称为岩石射击。一般发生在新开挖的工作面附近，掘进爆破后2～3h，围岩表部岩石发生爆破声，同时有中间厚、边部薄的不规则片状岩块自洞壁围岩中弹出或剥落。这类岩爆多发生于表面平整、有硬质结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发生，事前无明显的预兆。

2)矿柱围岩破坏引起的岩爆:在埋深较大的矿坑中，由于围岩应力大，常常使矿柱或围岩发生破坏而引发岩爆。这类岩爆发生时通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩体的强烈振动，破坏力极大，对地下采掘工作常造成严重的危害，被称为矿山打击或冲击地压。在煤矿中，这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内。四川绵竹天池煤矿就曾多次发生此类岩爆，最大的一次将约20t的煤抛出20m以外。

3)断层错动引起的岩爆:当开挖的洞室或坑道与潜在的活动断层以较小的角度相交时，由于开挖使作用于断层面上的正应力较小，降低了断层面上的摩擦阻力，常引起断层突然活动而形成岩爆。这类岩爆一般发生在活动构造区的深矿井中，破坏性大，影响范围广。

2.岩爆的产生条件与发生机制

岩爆是洞室围岩突然释放大量潜能的剧烈的脆性破坏。从产生条件来看，高储能体的存在及其应力接近于岩体极限强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发则是岩爆产生的外因(张倬元等，1994)。

围岩内高储能体的形成必须具备两个条件:①岩体能够储聚较大的弹性应变能;②在岩体内部应力高度集中。弹性岩体具有最大的储能能力，受力变形时所能储聚的弹性应变能非常大，而塑性岩体则无储聚弹性应变能的能力。

从应力条件看，围岩内高应力集中区的形成首先需要有较高的原岩应力。但在构造应力高度集中的地区，岩爆也可以发生在浅部隧洞中，甚至有可能发生在地表的基坑或采石场中。

洞室围岩表部岩爆经常发生在如下一些高压力集中部位:因洞室开挖而形成的最大压应力集中区，围岩表部高变异应力及残余应力分布区以及由岩性条件决定的局部应力集中区，断层、软弱破碎岩墙或岩脉等软弱结构面附近形成的应力集中区。

对地下洞室造成破坏的岩爆主要有三种形式:岩体扩容、岩石突出和振动诱发冒落。岩体扩容是指由于岩石的破碎或结构失稳而使岩体体积增大的现象，如果扩容的幅度很大且过程较为猛烈，就会给洞室造成危害。当远处传来的扰动地震波能量较高时，可直接将洞室围岩碎块以非常快的速度(可达2～3m/s)弹射到洞室中而形成灾害，这就是以岩石突出形式发生的岩爆。振动诱发岩石冒落是当洞室顶部有松动岩块或存在软弱面时，在扰动地震波和巨大重力势能作用下发生垮落的现象。

3.岩爆的预测及防治

(1)岩爆的监测预报

对岩爆灾害的预测包括对岩爆发生强度、时间和地点的预测。由于地下工程开挖和岩爆现象本身的复杂性，岩爆的预测工作需要考虑地质条件、开挖情况以及扰动等许多因素。以往的岩爆记录是预测未来岩爆的重要参考资料。

岩爆的预测预报可以分为两个方面:①在试验室内测量煤岩或岩块的力学参数，依据弹性变形能量指数判断岩爆的发生几率和危险程度;②现场观测，即通过观测声响、震动，在掘进面上钻进时观察测量钻屑数量等进行预测预报。目前国内外常用的岩爆预测预报方法有钻屑法、地球物理法、位移测试法、水分法、温度变化法和统计方法等(张斌等，1999)。

1)钻屑法或岩心饼化率法:对于强度很高的岩石，若钻孔岩心取出后在地表发生饼化现象则表明地下存在较高的地应力，可根据一定厚度岩心中岩饼数量的相对大小来进行判断。在钻进过程中，还可借助钻孔中的爆裂声、摩擦声和卡钻现象等动力响应进行辅助判断。

2)地震波预测法:利用已发生岩爆(诱发地震)的信息来预测未来开挖过程中的岩爆，并建立岩爆次数、大小、分布及其与地应力场变化的关系，从而预报大中型岩爆的时空位置及数量和大小。此外，还可以利用单道地震仪对掌子面及前方岩体进行监测，如沿水平线每隔1 m逐点测试岩石弹性波速度，采用强度概念推测发生岩爆的可能性等。

3)声发射(A-E)法:声波发射A-E法即Acoustic-Emission方法。此方法的建立基于岩石临近破坏前有声发射这一实验检测结果，它是对岩爆孕育过程最直接的监测预报方法。其基本参数是能率和大事件数频度，二者在一定程度上可以反映岩体内部的破裂程度和应力增长速度。岩爆发生前通常有一个能量的积蓄期，这一时期是声发射平静期，可以视为发生岩爆的前兆。这种方法可望在现场对岩爆进行直接的定量定位监测，是一种具有很大发展前景的监测和预报方法。

岩爆预测是地下建筑工程地质勘查的重要任务之一，在总结已有的实践经验和研究成果的基础上，国内外学者目前已建立了一些可行的准则。挪威曾采用巴顿的方法，将岩石单轴抗压强度(R_e)与地应力(σ₁)的比值(α=R_e/σ₁)作为岩爆的判别准则:

1)当α=5～2.5时，有中等岩爆发生;

2)当α＜2.5时，有严重岩爆发生。

我国在一些工程实践中常采用巴顿法进行预测。例如贵州天生桥电站，根据巴顿法判断隧洞施工中可能有中等岩爆发生，工程开挖的实际情况证明预测基本成功(张倬元等，1994)。

此外，由于岩爆属于一种诱发地震，地震震级和发震时间的预报方法可用来预测岩爆的震级和发生概率。

(2)岩爆的防治

岩爆的防治问题虽然目前尚难彻底解决，但在实践中已摸索出一些较为有效的方法，根据开挖工程的实际情况，可采取不同的防治方法。

1)设计阶段的防治对策:

·洞轴线的选择:人们通常认为洞轴线方向应与最大主应力方向平行，以改善洞室结构的受力条件。然而，使洞室相对稳定的受力条件是围岩不产生拉应力、压应力均匀分布和切向压应力最小。在选择轴线方向时应多方面比较选择，以减少高地应力引发的不利因素。

·洞室断面形状选择:洞室断面形状一般有圆形、椭圆形、矩形和倒U形等。当断面的宽度高比等于侧压系数时，可综合考虑各种因素确定洞室断面形状。

2)施工阶段的防治对策:

·超前应力解除法:在高地应力区，洞室开挖后易产生超高应力集中。为了有效地消除应力集中现象，可采取预切槽法、表面爆破诱发法和超前钻孔应力解除法等提前释放地应力。在岩爆危险地带钻浅孔进行爆破，造成围岩表部松动带，可有效防止破坏性岩爆的发生。开采煤层时，首先开采无冲击地压或一般冲击地压的煤层，作为解放压力层。回采时，要用全面陷落法管理顶板，不要留煤柱;对不易冒落的顶板要采用深孔爆破法或强力高压注水法强制放顶。

·喷水或钻孔注水促进围岩软化:在洞室的易发生岩爆地段，爆破后立即向工作面新出露围岩喷水，既可降尘又可缓释围岩应力。因为注水使裂纹尖端能量降低，裂纹扩张传播的可能性减小，裂纹周围的热能转为地震能的效率随之降低。从而减少剧烈爆裂的危险性。

·选择合适的开挖方式:岩爆是高压力集中的结果，因此，开挖时可采取分步开挖的方式，人为地给围岩岩体提供一定的变形空间，使其内部的高应力得以缓慢降低，从而达到预防岩爆的目的。

·减少岩体暴露的时间和面积:在短进尺、多循环的施工作业过程中，应及时支护，以尽量减少岩体暴露的时间和面积，防止或减少岩爆发生。

·岩爆发生的处理措施:一旦发生岩爆，应彻底停机、躲避，对岩爆的发生情况进行详细观察并如实记录，仔细检查工作面、边墙或拱顶，及时处理、加固岩爆发生的地段。

3)合理选择围岩的支护加固措施:使开挖的洞室周边或前方掌子面的围岩岩体从单向应力状态变为三向应力状态，同时，围岩加固措施还具防止岩体弹射和塌落的作用。主要的支护加固措施有:①喷混凝土或钢纤维喷混凝土加固;②钢筋网喷混凝土加固;③周边锚杆加固;④格栅钢架加固;⑤必要时可采取超前支护。

(三)煤与瓦斯突出

在煤矿地下开采过程中，从煤(岩石)壁向采掘工作面瞬间突然喷出大量煤(岩)粉和瓦斯(CH₄，CO₂)的现象，称为煤与瓦斯突出。大量承压状态下的瓦斯从煤或围岩裂缝中高速喷出的现象称为瓦斯喷出。突出与喷出均是在地应力、瓦斯压力综合作用下产生的伴有声响和猛烈应力释放效应的现象。煤与瓦斯突出可摧毁井巷设施和通风系统，使井巷充满瓦斯与煤粉，造成井下矿工窒息或被掩埋，甚至可引起井下火灾或瓦斯爆炸。因此，煤与瓦斯突出是煤炭行业中的严重矿山地质灾害。

1.煤与瓦斯突出的特征及其影响因素

煤与瓦斯突出是地应力和瓦斯气体体积膨胀力联合作用的结果，通常以地应力为主，瓦斯膨胀力为辅。煤与瓦斯突出的基本特征是固体煤块(粉)在瓦斯气流作用下发生远距离快速运移，煤、碎块和粉尘呈现分选性堆积，颗粒越小被抛得越远。突出时有大量瓦斯(CH₄或CO₂)喷出，由于瓦斯压力远大于巷道内通风压力，喷出的瓦斯通常逆风前进;煤与瓦斯突出具有明显的动力效应，可搬运巨石、推翻矿车、毁坏设备、破坏井巷支护设施等。

发生突出的煤层具有瓦斯扩散速度快、湿度小，煤的力学强度低且变化大、透气性差等特点，大多属于遭构造作用严重破坏的“构造煤”。突出的次数和强度随煤层厚度的增加而增多，突出最严重的煤层一般都是最厚的主采煤层。突出的时间多发生在爆破落煤的工序。

煤与瓦斯突出灾害随采掘深度的增加而增加，其主要影响因素有矿区的地质构造条件、地应力分布状况、煤质软硬程度、煤层产状以及厚度和埋深等。一般说来，煤层埋深大，突出的次数多，强度也大。

此外，水力冲孔和震动放炮可使地应力作用下的高压瓦斯煤体在人为控制下发生突出。

2.煤与瓦斯突出的预防措施

预防煤与瓦斯突出的技术措施主要有以下4种:

1)首先开采没有突出危险或突出危险性较小的煤层。由于受采动影响，地应力以弹性潜能得以缓慢释放，煤层因卸压而膨胀变形，透气性增大，或者因层间岩石移动形成裂隙与孔道，有突出危险的煤层中瓦斯缓慢排放而使瓦斯压力和瓦斯含量明显下降，从而避免或降低煤与瓦斯突出的危险。

2)在有突出危险的煤层内均匀布置钻孔并预先抽放一定时间的瓦斯，以降低瓦斯压力与瓦斯含量，并使地应力下降、煤层强度增加。

3)在工作面前方一定距离的煤体内，超前钻探一定数量的大口径钻孔，使煤层内的瓦斯得以提前释放。

4)利用封堵、引排、抽放等综合方法处理洞穴内积存的瓦斯。

为防止煤与瓦斯突出造成严重危害，必须加强煤层顶板管理和地应力监测，加强职工安全教育。

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