金屬非金屬礦床完整性安全高效開采理論模型

任鳳玉 丁航行 張世玉 陳寶智

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

近年來，隨著礦產資源的大規模開發，我國金屬非金屬礦山安全生產形勢嚴峻，盡管采取了強有力的安全監管措施，各類礦山事故，特別是重、特大礦山事故仍然時有發生［1-5］。分析其原因，主要是金屬非金屬礦床的成因類型多，地質條件比較復雜，礦床開采引起地質體內的應力與氣液重新分布后，容易造成部分區域能量集聚，這些被集聚的能量在采動影響下意外釋放，容易造成重大災害事故。近年來的復雜難采礦體開采理論研究與生產實踐表明，為控制有害能量的集聚和意外釋放條件，需要面對礦床的整個地質體，研究采動規律與危險源控制利用方法，在此基礎上，進行礦體完整性開采的本質安全設計，將礦床地質體內的危險源盡可能多地消除于開采方案中，使生產過程主要防控殘余危險源［6-8］。本研究結合國內金屬非金屬礦床開采安全現狀，分析重大危險源的致災過程，總結礦床采動規律的研究成果，研究重大災害的防控方案與生產效率的提高技術，由此構建完整性安全高效開采理論模型。

1 近年來發生典型事故的原因分析

近年來我國部分礦山發生的典型災害事故見表1。分析這些事故不難發現，幾乎每起事故的發生都存在生產條件方面的問題，其中有些事故的原因中甚至根本沒有操作者的過錯，完全是由于生產條件或技術方面原因造成的。

?

進一步分析可知：主要危險源在于地壓，即巖體中存在的力，使得采礦工程與采空區的圍巖不斷積蓄變形能量，當積累到一定值時，導致圍巖發生失穩破壞，引起滑坡、巖爆、礦柱垮塌、頂板大規模冒落等重大災害。其次，采空區大量積水時，一旦與工作面聯通，積水的相對勢能轉化為動能，沖擊淹沒井下人員與設備，也容易造成重大災害。此外，采礦工程頂板掉塊、采空區地表突然塌陷等，都可能造成人員與設備的嚴重傷害。地壓活動與采空區的形成都是由采礦工程引起，其積蓄能量的意外釋放，又可直接引發礦山重大事故。因此，提高采礦工程的本質安全程度，是防控礦山重大事故的根本。

2 本質安全設計理念

本質安全的英文翻譯“Inherent Safety”中的“Inherent”有“本質的”、“固有的”、“內在的”等含義，因此本質安全也可以稱為固有的安全、內在的安全［5，9］。本質安全作為一種安全理念，是指相對于傳統的、依靠對人的管理和教育實現的安全而言，采礦工藝過程中生產條件的安全才是本質上的安全。因此，通過選擇與創建安全開采工藝，進行本質安全設計，創造使人不易失誤或者即使失誤也無害的工作環境，才能從根本上保障生產安全。

然而，面對復雜的地質條件，采礦工程安全是相對的，危險是絕對的。經過本質安全設計后，雖然開采工藝中的危險源被消除、控制，使得危險性降低了，但仍然會有“殘余危險”，而這種危險經過人為放大后，仍然可以引發災害事故。因此，在采礦設計中，沒有絕對的本質安全技術，只有針對某一危險源的相對安全技術可供采用。目前可用的相對本質安全技術可以歸納如下：

（1）用塌陷坑控制邊坡滑移危害技術。超高邊坡露天開采不再具有經濟優勢，并且環保壓力大，因此深凹露天開采應適時轉入露天地下協同開采，用地下開采創造的符合要求的邊坡塌陷坑完整接收滑移體，使露天采場不受滑坡威脅［10-11］。這一技術經小汪溝鐵礦與海南鐵礦的生產實踐證實，可從根本上消除邊坡滑移危害。

（2）中深孔與深孔落礦技術。中厚以上的礦體開采中，采用巷道內鑿巖、中深孔或深孔落礦，人員不在空場下作業，由此可不受頂板塌冒或掉塊威脅。

（3）不留礦柱支撐的連續開采工藝技術。厚大礦體崩落法首采分段或傾斜礦體空場法開采等，不留礦柱或及時處理礦柱，不使其積蓄頂板冒落能量，促使頂板圍巖按零星冒落形式完成初始冒落過程，再輔以適當的出礦口散體隔離技術，便可完全消除空區冒落氣流的沖擊危害［12-13］。

（4）巷道掘進支護。巷道100%的支護屬于重要的本質安全技術范疇［14］。對于不穩圍巖，緊跟工作（面）支護是維護穩定性的常用方法；對于穩定圍巖，也應采取支護措施。這是因為，巷道掘進過程中的爆破震動，在巷道周邊形成厚度不等的橫向裂隙帶，與巖體結構面組合，容易造成塊體掉落。國外一些礦業公司規定，不僅對1.5 m 以上墻體與頂拱圍巖進行錨網支護，同時對端部1.5 m 以上的掌子（面）進行錨桿壓金屬網片支護，用網兜住或控制住浮石，嚴防掉塊傷人。

（5）支護材料的可靠性與耐久性。對于有巖爆礦山，可采用動力錨桿或樹脂錨桿特殊安裝結構，借助桿體的較大變形量適應動力沖擊。對于常規的便于機械化施工的管縫式錨桿，對桿體內進行注漿，增大錨桿的摩擦力，防止桿體腐蝕，維持巷道服務期內的良好錨固力。

（6）遙控鏟運機出礦。對于空場法采場內的崩落礦石，利用遙控鏟運機出礦，避免空場頂板或四壁掉塊傷人。

（7）天井與溜井機械化施工技術。傾角50°以上的采場天井或溜井，采用吊罐或爬罐施工，避免普通法施工人員受到掉塊威脅，并可消除施工人員從工作臺跌落的可能性。特別對于高度較大的階段溜井，應全部推廣溜井鉆機施工，對于大結構參數分段落礦的切割井，應積極采用鉆孔爆破一次成井方法施工，以提高危險性較大工程施工的本質安全程度。

總之，結合生產工藝與危險源控制需要，針對礦床具體條件研究或選用適宜的本質安全技術，用于礦床開采設計，同時改進安全施工技術，創造使人不易失誤或者即使失誤也無害的工作條件，才能杜絕礦山災害事故的發生。

3 采礦方法構建與優選

為控制礦山重大災害的發生，必須優選或研發適宜的采礦方法，嚴格控制采礦工程積蓄有害能量或其意外釋放的條件。同時，采礦方法往往也對開采效率影響重大。理論分析與生產實踐表明，為實現安全高效的開采目標，采礦方法的選擇除了應適應礦體產狀與礦巖穩定性等靜態條件之外，還需要適應礦床采動三律［15-19］，即采動地壓活動規律、巖體在地壓活動下的破壞規律以及散體的移動或支撐規律。對于不同的采礦方法，三律的表現形式不同。對于露天開采，三律主要表現為邊坡變形規律、斷裂規律與滑移規律；對于地下崩落法與空場法，三律主要表現為巖體冒落規律、地壓活動規律與散體移動規律；對于充填法，三律表現為巖體冒落規律、地壓活動規律與散體對采場邊壁的支撐規律。礦床的三律特點也可在一定程度上反映地壓與空區等危險源的致災過程。從適應礦體幾何條件、順應礦床三律和轉化危險源做功方向三方面入手，研發安全高效采礦方法及其采場結構參數，是實現礦床安全高效開采的基礎。

在礦床三律與危害源控制利用方法研究的基礎上，可按圖1所示的方法進行采礦方法優選與構建。

4 完整性安全高效開采模型構建

金屬非金屬礦床開采過程包括地質勘探、采礦設計、基建、生產與閉坑5個階段，每一階段都須識別重大災害危險源，分析致災過程與制定防控措施，以適應該類礦床地質條件復雜、地質災害孕育時間長、危險源易被忽略的特點。尤其在采礦設計階段，須重點研究礦床三律特性與危險源利用方法，最大限度地研發與采用本質安全技術；在基建與生產階段，則需要研究與落實危險源或殘余危險源的監管防控技術；在閉坑階段，識別與消除遺留危險源。這5 個階段的研究是相互聯系貫穿一體的，前一階段為后一階段提供安全基礎。

4.1 地質勘探模型構建

對于金屬非金屬礦床，導致重大地質災害的危險源都是在地質勘探中可被充分探測的。借鑒國外經驗，重大危險源的識別與控制須從地質勘探的源頭做起。在勘探部門撰寫地質報告時，須清楚闡述所提交儲量被利用時的重大危險源，分析致災條件與防控要點。此外，還須充分利用鉆孔數據與其它勘探資料，借助三維軟件建立礦床地質模型、地質結構模型、工程地質模型與水文地質模型等，為礦床安全高效開采設計提供充分依據。

4.2 設計研究與優化

設計階段主要包括開發利用方案設計、開采設計與施工圖設計。

（1）開發利用方案設計。首先要調查礦區采礦歷史、危害事件、自然和人為的地下空區、凍土層、氣候、工人技能、供應、運輸、社會因素等，獲取足夠的地方和區域信息，同時調查市場條件和開采參數信息；其次，依據地質報告，分析建立巖土工程模型與采礦成本模型，并依據國家相關政策，綜合研究確定采用地下開采還是露天開采方式，初選采礦方法，設計經濟而安全的開發利用方案。

（2）開采設計。依據地質報告及其相關模型，針對初選的采礦方法，研究礦床三律與危險源控制利用方法，按三律適應性原理與危險源控制利用方法，構建、優選或改進初選采礦方法，形成設計的采礦方法及其采場結構參數，同時構建或改進開拓系統，使之與設計的采礦方法相適應。在開采設計中，對地壓危險源的控制利用已形成了多種方法，可供一些大型或難采礦床開發選用，如利用地壓破碎礦石的自然崩落或誘導冒落技術，既可改善采準工程的安全條件，又可提高開采效率［15］。此外，讓壓開拓與卸壓開采［20］，可用最小的代價避免與克服地壓破壞等。目前，對于水災、高陡邊坡、巖爆、盲空區、大規模采動巖移等危險源的控制利用成果較少，尚需分門別類地研究致災機理與防控方法，須采用探測、監測預警等方法，防止災害事故發生。開采設計對礦床完整性安全高效開采至關重要，須大力開發與充分利用本質安全技術，設計出礦床完整性安全高效開采方案。

（3）施工圖設計。包括初始施工圖設計與生產優化設計。首先基于開采設計，引入或執行行業最佳做法和標準，完成初始施工圖設計；其次，利用開拓、采準與回采工程實施中的監測成果（如空區激光掃描、巖壁損傷評估、井巷變形與荷載監測、采場或邊坡穩定性與巖土模型對比分析數據），進一步研究礦床開采條件與三律特性，據此優化后續工程的施工圖設計，同時優化危險源監測防控方案與安全預案，確保礦山施工安全。

4.3 基建防控

根據重大災害危險源致災過程的防控要求，合理安排施工順序，及時采取并實施防控措施，并建立探測、監測與預警系統。通常在基建期采取綜合措施，嚴防重大災害事故發生。例如對于大水礦山，為防治突水災害，一方面，基于水文地質模型，研究預測開拓與采準工程施工中可能出現的突水地點，進行超前探測與治理，防止突水事故發生［21］；另一方面，在排水副井施工到位后，優先施工水倉與安裝排水系統，防止突水淹井。對于破碎圍巖地壓危害，則需要利用礦床地質模型與工程地質模型，細部優選開拓工程的位置與采準工程的布置形式，并對主要開拓工程的工程地質條件進行鉆孔探測驗證，盡可能避開破碎圍巖，或采取可靠的支護措施，確保基建工程順利施工。

4.4 生產尋優

由于地質條件的復雜性，金屬非金屬礦床往往經過生產過程的實際揭露，才能獲得礦巖相對精準的信息。因此，在生產過程中，需要利用開拓、采準與回采工程揭露的信息，隨時修正地質、水文地質與工程地質等模型，并結合監測數據不斷深入研究礦山三律特性與殘余危險源致災機理，順應三律改進開采方案，優化采場結構參數，嚴格控制危險源及其致災過程，不斷改進采礦方法與工藝技術，提高開采效率與本質安全程度。對于地下水、高陡邊坡、巖爆、盲空區等危險源，有必要建立建全必要的監測預警系統，制定安全預案，嚴防災害事故發生。

4.5 閉坑治理

在礦床開采結束后，全面處理威脅地表安全的露天采坑、地下采空區、硐室與井巷工程等，對地表進行整形、復墾或綠化，由此完成礦床開采全過程。貫穿生產全過程的礦床重大危險源控制方法如圖2所示。

4.6 模型構建

在礦床開采全過程中，按上述方法不斷優化與改進采礦方法與工藝技術，使之適應礦床三律與可控危險源轉化機制。對于目前技術上不可控的危險源，應進行監測預警并制定安全預案。由此構建的完整性安全高效開采理論模型如圖3所示。

總之，面對礦床整個地質體，構建或優選采礦方法，并在生產中根據探測監測信息不斷優化，使之適應礦體產狀與礦巖穩定性，順應礦床采動三律與危險源轉化機制，將礦床地質體內的危險源盡可能多地消除于開采方案中，使得生產全過程主要防控殘余危險源。此外，采礦工藝盡可能多地采用本質安全技術，創造使人不易失誤或者即使失誤也無害的工作環境，這是杜絕或控制金屬非金屬礦山重大災害事故發生的根本保證。

5 完整性開采模型的主要作用

根據初步分析，本研究構建的完整性安全高效開采理論模型，具有如下三方面作用：

（1）面對礦床整個地質體，按采動三律適應性、危險源轉化機制與本質安全觀念研究采礦方法與整體開采方案，消除與控制礦床地質體內的危險源，可有效提高礦床開采的本質安全程度，保障礦山全周期的生產安全。

（2）在分期或分區開采中，基于整體開采方案設計分期或分區開采方案，同時對礦床內各類礦柱與采場同時設計回采方案，可有效提高礦石回采率與采礦工程利用率，有利于實現礦床開采效益的最大化。

（3）基于危險源致災過程設置監測預警系統，研究與不斷積累前兆信息，可有效提高監測系統的針對性與預警的可靠性，保障復雜條件下礦山基建與生產全過程的順利進行。

6 結 論

（1）金屬非金屬礦床開采具有地質條件復雜、采礦方法影響因素多、災害孕育時間長、危險源易被忽略等特點，為消除采動地質災害和實現礦產資源的安全高效開采，需要研究構建基于礦床采動三律與危險源控制利用的完整性安全高效開采模型。

（2）地質勘探是礦床危險源測定與評估的基礎，地質報告應包括礦床地質模型、地質結構模型，工程地質模型與水文地質模型等，并提出利用地質儲量時對重大危險源的控制要求，作為采礦設計的依據。

（3）采礦設計的本質安全是礦山安全的根本，在研究礦床采動三律與危險源利用與控制方法的基礎上，需按采動三律適應性與本質安全觀念，構建或優選采礦方法，設計礦體完整性安全高效開采方案，將礦床地質體內的危險源盡可能多地消除于開采方案中，使生產過程主要防控殘余危險源。

（4）采礦工程積蓄能量的失控往往是導致災害事故發生的直接原因。在礦山基建與生產中，需及時識別采礦工程增大的危險源，充分利用監測數據優化施工圖設計，消除與控制危險源的致災過程，建立建全必要的監測預警系統與安全預案，確保基建與生產安全。

（5）本研究所構建的完整性安全高效開采模型，不僅有助于遏制礦山重大災害的發生，而且有利于提高開采效率，實現礦床開采效益的最大化。