深部磷礦冒頂影響因素分析及預防
——以湖北某磷礦山為例

岑蘭愛 吝曼卿 豐光亮 瞿定軍 王國均 劉 建

(1.武漢工程大學 資源與安全工程學院，武漢430073；2.武漢工程大學 磷資源開發利用教育部工程研究中心，武漢430205；3.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢430000；4.湖北宜化集團礦業有限責任公司，湖北 宜昌443000；5.湖北杉樹埡礦業有限公司，湖北 宜昌443100)

礦山開采深度越深，地質環境越復雜、地應力越高，工程災害也越多，對深部資源的安全高效開采存在較大威脅[1]。深部磷礦山在開采過程中，受各種不利條件及施工環境的影響，地質災害易發。其中，冒頂是作為其中最為常見的災害之一，經常造成工期延誤、機械設備損壞、工程費用增加、對施工人員的生命安全構成威脅[2]。冒頂是由于巖體本身的穩定性較差，再加上開拓采礦，切割巖礦，巷道周圍產生應力重新分配，導致巖體發生某種變形破壞。在這種情況下，頂板巖體的完整性已經遭到破壞，若不采取有效措施，極易形成頂板巖體冒落現象。

根據國家安全生產監督管理總局統計資料，全國非煤礦山在2017年共發生冒頂塌方事故125起、死亡140人，事故起數、死亡人數均居第一位[3]。龍巖連城礦山發生一起巷道頂板墜落事故，塌落巨石長×寬×高約為4.5 m×2.5 m×2 m，質量約5 t[4]。某礦在巖體節理裂隙非常發育、巖體松散破碎部位發生一起冒頂災害，冒頂規模長×寬×高為5.7 m×4.3 m×3.0 m，冒落體積約85 m3，冒頂區的錨桿全部掉落[5]。京珠高速靠椅山隧道發生坍塌量達 20 000 m3，長達188 m的冒頂型塌方，致使隧道被迫停工[6]。預防和治理冒頂是地下工程首要工作，而解決這一問題的關鍵之一在于深入理解冒頂災害的影響因素。只有明確了冒頂的影響因素，才能做出可靠的冒頂預測和提出有效的防控措施。

向天兵等[7]從控制因素、發生條件、破壞機制等3個方面總結出18種典型的圍巖破壞形式，提出每種破壞形式的針對性調控措施。吳文平等[8]依據地質條件、支護設計與施工全過程等將深埋硬巖隧洞的破壞現象進行分類，并根據具體的圍巖破壞現象，提出相應的控制措施。王普等[9]依據室內試驗、現場實測、數值模擬與理論分析等方法，認為膨脹型軟巖巷道易變形破壞乃至冒頂，其主要問題是機理認識不清以及支護方案不合理。蔡峰等[10]認為構造發育、地應力高和支護形式不當是巷道由離層發育轉化為巖板破斷漸進式層狀頂冒落的主要原因，并針對其破壞機理及主控因素提出了穩定控制對策。CHEN等[11-13]通過對收集和整理的隧道、非煤礦山冒落資料進行統計分析，得出影響冒落的因素有：地質條件、埋深、開挖方式以及擾動情況、頂板管理等，并提出相應的預防措施。這些研究對于認知深部磷礦冒頂災害的影響因素及預防控制措施具有重要意義。由于不同深部磷礦巖體地質結構、地應力水平、施工因素等存在差異，不同深部磷礦冒頂現象及致災影響因素也將有所區別。因此，有必要基于更廣泛的具體工程實例，進一步探究深部磷礦地下開采過程中冒頂現象致災影響因素并提出適應性預防措施，全面支撐深部磷礦地下安全開挖。

為此，本文以湖北某深部磷礦區東部礦段礦體為工程背景，開展了地質采礦條件、冒頂現象、開采設計等一系列資料收集與調查分析，對礦山開采過程中造成冒頂的影響因素進行探究，并提出適應性的防治措施。研究成果可為該磷礦山及類似條件的磷礦山地下開采工程的順利建設和安全生產提供借鑒，實現磷礦地下資源的安全高效開采。

1 工程概況及工程地質條件

1.1 工程概況

以湖北某磷礦山為工程背景，該礦山屬宜昌市夷陵區樟村坪鎮所轄，是最早進行宜昌中磷層開采的大型礦山，礦區面積約7.878平方公里，地質存儲量為1.31億t。該項目成立于2006年，并于2010年投產，具備年產150萬t磷原礦的生產能力[14-15]。但項目投產后，隨著對礦體的開挖擾動以及礦體自身的影響，各種災害時有發生，其中冒頂最為常見。根據近幾年該磷礦山冒頂的發生情況，發現均未發生人員重傷及傷亡事故。但該破壞的發生始終會對施工人員的生命安全構成威脅，因此，探究該磷礦山地下開采過程中冒頂現象致災影響因素并提出適應性的預防控制措施對礦山安全生產有重大意義。

1.2 工程地質條件

1.3 工程巖體特性

根據本礦區巖(礦)石樣力學試驗結果，該礦段主礦區礦層頂、底板圍巖極限抗壓強度84.2～182.7 MPa，巖石抗剪強度(C值)4.8～32.35 MPa，彈性模量(6.5～8.25)×104MPa，軟化系數0.52～0.78。故本礦區地層以堅硬巖石類為主。但巖石的完整性較差，斷層裂隙構造發育，屬于不穩固礦體。

2 冒頂特征分析

該磷礦山頂板為薄至中厚層狀白云巖，泥質含量較重，礦層內斷層裂隙構造較發育，巖體結構完整性較差，屬于不穩固礦體。再加上開拓采礦，在井巷周圍產生了應力的重新分配，導致巖體發生某種變形破壞，在此種情況下，若不采取有效措施，難以避免會出現頂板垮落、冒落等現象。

該礦山中部202-1開采區的富礦層沿斷層、裂隙和節理面發生四周垮落現象，甚至出現礦柱從中間開裂的問題，如圖1(a)，致使礦柱很有可能完全喪失支撐能力。同時頂板巖爆、掉渣頻繁，部分區域已出現頂板冒落現象，如圖1(b)，波及采場內鄰近作業面，對正常的安全采礦已經產生了威脅。與此同時由于頂板來壓導致應力集中，使得部分塊段還未回采結束便已出現礦柱劈裂、頂板來壓導致無法回采，礦產資源浪費嚴重。

圖1 現場礦柱開裂和頂板冒落圖Fig.1 Site mine pillar cracking and roof fall diagram

根據該磷礦山“八月安全環保檢查通報”的統計資料發現，多處開采區在頂板管理方面存在不足，如3033Q1采場頂板管控較差，多處破頂現象較為嚴重，見圖2(a)；2052Q11采場頂板礦石未拿完，沒有及時處理安全隱患，導致圍巖發生大面積塌落現象，見圖2(b)；304Q7工作面網片加機械頂臨時支護不規范，甚至出現裸頂作業的現象。

圖2 現場頂板破壞圖Fig.2 Site top plate damage diagram

該磷礦區303Q1開采區自開工以來由于地質條件、施工措施和頂板管理等原因已發生大小規模不等的冒頂數十次，多處拱頂、拱肩發生破壞，對施工安全造成影響。冒頂主要集中在東西向巷道(圖3)，數字代表破壞點。表1中僅列出了303Q1部分典型冒頂情況。

圖3 303Q1破壞區分布位置圖Fig.3 Location map of 303Q1 damage area

表1 該磷礦開采區部分典型冒頂破壞形式及發生位置Table 1 Some typical forms of roof damage and locations in the mining area of this phosphate mine

3 冒頂影響因素分析

在采礦生產過程中，冒頂是最為常見的災害之一。冒頂是由于開拓采礦，在巷道周圍產生了應力重新分配，導致巖體發生的某種變形破壞，在這種情況下，頂板圍巖的完整性遭到破壞，若不采取有效措施，就可能產生頂板巖礦的冒落現象。

通過對工程概況、工程地質條件、施工過程以及現場統計資料深入調查和分析，認為該磷礦冒頂頻發的主要原因有以下幾個方面：

1)地質方面。導致冒頂最重要的因素通常被認為是不良的地質因素[17-18]。如深埋約為2 400 m的錦屏地下實驗室二期工程[19]、白鶴灘水電站大型地下硐室群右岸主變室施工期 C4[20]和白鶴灘水電站左岸廠房硐群尾水連接管[21]正是因為地質方面的原因從而誘發多處冒頂破壞，這也很好地證實了以上觀點。深部磷礦作為地下工程，不可預見的地質現象及復雜的地質構造對其在開采過程中會造成很大的影響。

通過現場踏勘以及對該磷礦冒頂發生后的情況進行分析，發現破壞的大部分區域斷裂構造破碎帶、節理裂隙、斷層都比較發育。例如圖4所示，該洞段巖體主要為白色或灰白色泥粉晶、粉晶云巖夾云質泥巖和致密條帶狀磷塊巖，裂隙較發育，云質泥巖以夾層產出，易風化，強度降低后易形成相對軟弱結構面。再加上開挖擾動的影響，使得礦層易形成不穩定的危巖體，當地層應力超過巖體原來的強度時，巷道就可能因巖體的變形加速而導致脫頂、片幫的發生?？梢?，斷裂構造破碎帶、斷層、節理裂隙、巖性等地質因素是冒頂災害發生的內在條件。

圖4 現場圍巖裂隙發育圖Fig.4 Site surrounding rock fracture development map

2)施工方面。如果采礦方法不合理、不遵守回采順序或未能采取有效的支護措施，極易造成冒頂的發生。該工程在施工時采用普通房柱采礦方法和單一通道混合運輸分層開采法。普通房柱采礦法是礦山前期采空區按設計留設礦柱后，采取控制放頂、自然崩落充填采空區，但是隨著采礦作業不斷進行，采空區范圍增大，頂板暴露面積增加，礦柱難以支撐頂板壓力而發生頂板垮塌現象，而且采用直接崩落圍巖法充填采空區，容易導致地表塌陷。單一通道混合運輸分層開采法即是由于上下層在回采礦石時都需要經過同一切割運輸道運出，導致上下層回采不能同時進行，回采周期過長，致使切頂回采形成的空區暴露時間過長，在進行降低回采時發生冒頂現象。

開挖后的圍巖應力將重新分配，尤其是對存在不良情況的圍巖，應及時采取有效的支護措施。該工程在施工過程中采取錨桿掛網支護、錨桿噴漿支護、噴漿支護等方式，雖然在一定程度上能控制圍巖的變形破壞，但對于存在不良地質情況的圍巖而言，控制效果卻不是很理想。如使用錨桿掛網支護不能很好地控制頂板浮石，浮石風化后和網片、錨桿整體脫落，如圖5所示；單純錨桿掛網支護、錨桿噴漿支護、噴漿支護在巷道圍巖中不能形成一個完整的周邊圍巖承載圈，承載能力不足，整體支護質量較差，支護后仍可能有頂板冒落現象。因此，施工因素對于礦山的安全開采具有重要影響。

圖5 現場錨桿網片脫落圖Fig.5 Field anchor mesh shedding diagram

3)頂板管理方面。目前該磷礦山在對礦體進行開采的過程中，在頂板管理方面存在一些不足。礦體在形成空區后，對頂板浮石的檢查、“敲幫問頂”不到位，留下了安全隱患。此外，未對暴露面積過大的采空區采取及時有效的防護措施，導致空區局部或大面積來壓，引起礦柱出現較為嚴重開裂變形和垮塌，從而引發頂板的局部或大面積的垮塌現象。同時該礦山在開采礦體時，對頂板的地壓管理工作困難，目前所采取的木滑尺等傳統監測手段受外在因素影響大，存在人為誤差，且監測點有限，可信度較低，這就使得頂板垮落時有發生。此外，該礦山有時在對工作面頂板采用臨時支護時未嚴格按照設計圖紙及施工規范進行，造成支護抗力未達到設計要求，最終在開挖的擾動下發生冒落現象。

根據上述冒頂影響因素分析，認為該磷礦山冒頂現象的發生主要是復雜的地質、施工以及管理等多方面的主觀與客觀因素綜合作用的結果，其與現有研究的冒頂影響因素分析結果類似。冒頂災害的主要影響因素見表2。

表2 冒頂現象的主要影響因素Table 2 Main influencing factors of roofing phenomenon

4 冒頂現象預防控制措施

在前述冒頂特征及致災原因研究基礎上，提出了工作面開采全過程的冒頂現象適應性防治措施，具體為：選擇合理的采礦方法和回采順序；選擇合理的支護方式；加強對頂板浮石的檢查與處理；采用合理的地壓監測手段；加強頂板管理。

4.1 選用合理的采礦方法和回采順序

經驗證明，采礦方法、回采順序不合理容易造成冒頂現象的發生。根據該磷礦山的開采實踐，由于采用不適合的采礦方法和回采順序，使得頂板暴露時間過長，因此頻繁發生冒頂現象。

針對上述采礦方法、回采順序存在的缺陷，該磷礦山在開采礦體時建議加快工作進度，減少頂板暴露時間，同時對采空區采用充填法。為此，建議該磷礦山在礦房內分別布置切頂、降底兩條運輸通道，這樣可以保證上下部回采時可以同步進行，保證施工的連續性。同時為減少頂板暴露時間，可以縮小上下部回采線之間的距離，確保降底回采時的安全，基本原理圖見圖6所示。至于充填法，根據現場實際情況，宜采用干料充填和濕式+膠結充填方式，該充填方式是通過充填體與圍巖共同作用，以改變圍巖的應力分布狀態，從而達到有效控制地壓的目的，其對防止空區大面積冒落，產生沖擊波造成地質災害有很好的防治效果。

圖6 分層采礦方法基本原理圖Fig.6 Basic principle diagram of stratified mining method

4.2 選擇合理的支護方式

支護的根本目的是保護、改善和提高巖體的強度，合理有效的支護是保證礦山安全開采的前提[22]。為防止在開拓采礦時頂板發生冒落現象，應加強采掘工作面的頂板管理，對所有巷道進行定期的檢查，選擇合理的支護方式，且支護要及時，禁止在空頂下作業。其對于防止礦山的冒頂現象具有重要意義。

為此，在對巷道的支護工作方面，建議該磷礦山在開采較為穩定完整的圍巖時可采用單純的錨桿支護、噴射混凝土支護等，但開采存在不良地質情況的礦體時，宜采用錨桿掛網噴漿聯合支護，通過噴漿，使得錨桿、網片和頂板在巷道圍巖中形成一個完整的噴錨網支護圈，增大巖石內聚力，以提高支護強度。其對加固圍巖，防止頂板冒落起到重要作用。此外，對圍巖力學、強度條件較差的礦山，也是十分必要的。

4.3 加強對頂板浮石的檢查與處理

浮石是采掘工作面爆破后最為常見的。因此對浮石的檢查處理是一項重要且經常性的工作，它是防止浮石掉落造成事故的重要措施。對于該磷礦體開采中的浮石，建議首先要確保采場頂幫穩定性，撬浮石，進行撬毛作業的人員建議是固定專人或需經專門的安全技術培訓的人員；其次是回采作業前，必須認真進行“敲幫問頂”工作，確保安全后再進行作業；此外建議大力推廣撬毛臺車代替人工撬毛作業，避免人員傷亡情況的發生；最后若發現冒頂預兆，應立即停止作業采取應對措施，情況嚴重的，應立即通知井下工作人員撤離現場，并及時上報。

4.4 采用合理的地壓監測手段

應重視礦山的地壓管理工作。深部礦山地壓主要以變形地壓和沖擊地壓(巖爆)為主，其防控是深部采礦巖層控制的核心問題[22]，若不對采空區采用適宜的監測手段進行地壓監測，則礦體很容易受到不同程度地壓危害的威脅，這對于礦山的安全生產不利。

為此，對于該磷礦山的地壓情況，建議建設科學的微震監測監控系統，實現地壓的實時監測及準確預警。微震監測系統示意圖如圖7所示，其基本原理是：數據采集器連接微震傳感器，負責連續采集來自各傳感器的微震信號并進行數模轉換，由電線傳輸到井下通信控制中心，然后由光纜傳輸到地表監測控制中心，在地表監測控制中心進行處理和分析，同時由地表監測控制中心監測系統運行狀況，并發出控制指令控制和管理監測系統的運行。一般情況下，某區域在地壓顯現之前會有一系列破裂信息，微震監測技術利用在空間上不同方位布設的微震傳感器，可實時感知這些破裂信息，通過對破裂信息進行分析，可提前預警頂板地壓破壞的位置和強度。其可為地下礦山的穩定性分析及工程地質災害的預測預警提供依據。

圖7 微震監測系統示意圖Fig.7 Schematic diagram of microseismic monitoring system

4.5 加強頂板管理

加強礦山頂板管理，可更好地預防冒頂現象的發生。目前，諸多安全事故均是由于人員安全意識淡薄和缺乏完善的制度所引起的。為此，建議該磷礦山應加強人員安全技術知識和安全教育的培訓工作，提高管理人員的技術水平和安全意識；同時總結先前頂板管理的經驗教訓，結合礦山現場實際情況，制訂出一套完整的巷道施工頂板管理標準，并落實到位，為科學有效地管理頂板提供參考。

4.6 效果

上述措施已應用到湖北某深部磷礦山的諸多采場中，并取得了較好的冒頂現象防治效果。部分采區應用效果如表3所示。由表3可知，在采取上述措施之后，工作面冒頂、片幫現象減少，采空區地壓風險降低，工作面圍巖穩定性得到提高，可及時掌握礦山地壓活動規律，實現工作面的安全高效開采。

表3 部分采區應用效果展示Table 3 Part of the mining area application effect demonstration

5 結論

1)通過搜集整理湖北某磷礦冒頂資料發現，巖體在開挖擾動下造成冒頂災害多集中在斷裂構造破碎帶、斷層、節理裂隙、東西巷道拱頂拱肩、頂板管控較差、采礦方法和回采順序不合理、地應力高、浮石未及時檢查清理、支護不當等開采區處。

2)分析揭示了造成該磷礦山冒頂災害的影響因素，主要包括地質因素、施工因素和頂板管理因素。

3)在冒頂特征及致災原因研究基礎上，提出了工作面開采全過程的冒頂現象適應性防治措施，實現磷礦地下資源的安全高效開采。諸多措施已應用于現場實際，并取得了較好的控制效果。具體包括干料充填和濕式+膠結充填法及上下部回采時可同步進行的分層采礦方法和回采順序、錨桿掛網噴漿聯合支護方式、固定專人或經專門安全技術培訓的人員檢查處理浮石、大力推廣撬毛臺車代替人工撬毛作業、微震監測監控技術對地壓進行實時監測及預警、加強人員安全技術知識及安全教育培訓工作、建議制定一套完整的巷道施工頂板管理標準。