地下開采冒頂片幫安全風險控制技術

楊 堅 張 琴

(1.中化集團化肥有限公司;2.中國中化股份有限公司)

礦山、?；?、建筑并稱為三大高危行業，這三個領域都在當今和今后很長一段時間內，是國民經濟發展的支柱性產業。隨著國家安全管理力度的加大以及“以人為本”安全理念的強化，安全形勢逐步好轉，但事故總量仍然偏大，形勢依然嚴峻。礦山、化工及建筑3大行業中，礦山事故占比約60%(其中煤礦40%，非煤礦山20%)，?；鹿屎徒ㄖ鹿矢髡急燃s20%。而礦山事故中，采礦作業的冒頂片幫事故約占40%以上，對于非煤礦山其占比更大。因此，研究冒頂片幫原因及應對措施，是采礦業的重要工作。

1 事故致因理論

現有事故致因理論大體分為三類［1］:事故因果連鎖理論、人失誤事故模型、能量轉移論。吉布森、哈登等人提出能量意外釋放理論［2］，指的是異?；虿黄谕哪芰哭D移到人體，造成安全事故。由于該理論能夠更好的解釋事故發生的物理本質，被廣泛的用于分析和控制任何類型系統中能量的儲存和流動。根據該理論，防止事故的根本舉措就是要防止能量的意外釋放，從而杜絕人體接觸過量能量。常用的防止能量意外釋放的措施主要有以下幾種［3］:替代安全能源、限制能量、防止能量積蓄、緩慢釋放能量、設置隔離或屏蔽措施。

冒頂片幫是指礦井、隧道、涵洞開挖、襯砌過程中因開挖或支護不當，頂部或側壁大面積垮塌造成傷害的事故。一般可分為大冒頂、局部冒頂、松石冒落三種，多發生于頂板比較破碎、巖層層理、節理、斷層比較發育易離層、礦井、超深礦井、爆破通風后排除工作不當的工作面。根據能量意外釋放理論，冒頂片幫是在生產活動中一種不期望和異常的能量釋放，其巖石的勢能作用于人體而造成傷害。實際采礦作業活動中，多采用“敲幫問頂”方式，人為疏導勢能釋放和噴錨支護等屏蔽措施。

2 某磷礦事故統計分析

2.1 企業概況

某磷礦為2012年從民營企業并購的地下礦山，地處云南昆明，共有5個井口，產能60萬t/a(其中有1井口因安全隱患過大，于2014年關閉)，所有井口均采用平硐+溜井方式、房柱空場法開采，礦脈平均厚度4.5 m，礦石平均品位28%。2011年完成礦山二級標準化認證，2013年完成緊急避險六大系統建設。

2.2 事故統計分析

根據該磷礦有記錄的事故統計數據，2008年至今共發生32起安全事故，共有4人死亡、13人重傷、13人輕傷。

(1)從事故起數來看，2008—2011年為民營企業經營時期，傷害事故數量每年大致相同，2012—2014年，事故年發生起數總體下降，由于央企HSE管理體系的引入和管理力度的加大，該期間未發生死亡事故。

(2)從事故類別來看，歷年事故:冒頂片幫22起、機械傷害3起、窒息1起、墜落1起、車輛傷害1起、其他傷害4起。其中冒頂片幫事故占事故總起數近70%，且歷年冒頂片幫事故數據基本趨平，可見之前的冒頂片幫管控措施并未取得成效。

(3)從冒頂片幫事故致因來看，主要由于生產組織管理方面的原因占21.6%，由于物質技術方面(本質安全)的原因占60%，由于人不安全行為因素引起的事故占18.4%。

2.3 冒頂片幫事故常見原因總結

施工作業中，人的不安全行為、物的不安全狀態和環境的不安全因素總是客觀存在的，這些不安全因素在生產活動中就形成了風險［4］，如果管理不到位，風險就發展成為事故。對于采礦作業來說，致使冒頂片幫發生的主要因素包括疏忽大意、地質條件差、安全管理不善、浮石處理不當、缺乏有效支護以及頂板管理不善、檢查不到位等［5］?？偨Y歷史事故經驗教訓如下。

(1)人的不安全行為主要包括:①人員施工作業過程中安全防護用品尤其安全帽、防砸鞋的穿佩戴不符合要求，造成小塊浮石冒落擊中造成傷害;②人員站位不妥當，離鑿巖或作業地點位置過近，或人員進行敲幫問頂時，選擇撬桿過短，或預判浮石掉落位置不當，應急通道不暢無法及時躲避;③思想麻痹大意，安全檢查處理不仔細;④頂幫安全處理過程未遵守自上而下、由外向里的處理程序。

(2)物的不安全狀態主要包括:①采礦方法選擇不合理，采場布置與地質條件不適應，造成空頂作業較大的潛在風險;②礦塊設置過長，造成退采(回采)周期較長，頂板來壓造成冒頂片幫可能性增大;③采場無法進行支護，人員長期暴露作業，固有安全風險較大。

(3)不良環境包括:①井下陰暗潮濕，照明不良造成視線受影響，難以較好觀察頂板浮石和來壓情況;②巖體破碎，地質結構復雜，斷層、裂隙發育，巖層間膠結性差等;③地壓活動明顯，尤其深井采礦作業，來壓突發性顯現。

(4)管理不到位，風險管控不足，造成事故發生，包括以下方面:①施工組織不合理，頂板暴露時間過長;②未采取有效頂板支護等安全措施進行空頂作業;③切割口或分岔巷道是巷道形成后巖體應力重新分布的主要應力點，如未及時進行支護，容易造成冒頂片幫;④教育培訓不到位，致使人員安全意識和操作水平不高;⑤現場監督檢查不到位，未能及時發現并糾正存在的隱患和問題。

2.4 風險管控

一般來說，對于生產組織管理及員工冒險作業，可以通過管理手段來提高強化，而對于本質安全方面的因素，則需要統籌考慮、強化安全投入及本質安全改造來提升。根據近年的事故統計分析，冒頂片幫占事故總起數的絕大多數，而由于本質安全方面原因造成的事故占了60%。要提升礦山安全水平，必須從根本上解決本質安全的提升問題。磷礦礦床類型包括沉積型磷塊巖礦床、變質型磷灰巖礦床和巖漿型磷灰石礦床［6］，該磷礦處于喀斯特地貌地域，礦體為沉積型礦床，頂底板均為白云巖，具有典型的沉積結構構造，即節理、裂隙發育，且由于3條大的構造帶影響，使得巖層破碎，冒頂片幫風險極大;此外，礦井為并購礦井，原有開拓系統已形成，由于井口口徑限制，其通風、運輸均受制約，大型機械無法進入。

由此可見，本質安全提升面臨巨大的挑戰。

3 冒頂片幫安全風險管控措施

對于事故預防，海恩里希曾提出教育、人員管理、考核懲戒和工程技術改進4種對策，后來被歸納為“三E”原則，即教育(Education)、管理(Enforcement)、工程技術(Engineering)［7］。該磷礦結合企業實際情況，在冒頂片幫安全風險管控過程中，對“三E”對策尤其工程技術對策進行了探索。

3.1 管理措施

對于面臨本質安全提升巨大挑戰的磷礦企業來說，管理措施是重要的環節。礦山自2014年下半年開始，相繼實施了諸多舉措。

(1)全面落地“有感領導、直線責任、屬地管理”。將屬地責任進行了再次細化明確，強化職能部室的安全監督管理職能，各井口、采區具體負責安全工作的落實，形成和固化了“管生產必須管安全”的文化氛圍。

(2)引入了第三方安全專業服務機構深圳賽為公司，建立了礦山風險管控APP系統，實現了手機終端安全檢查、隱患提交、相關直線責任人簽轉、屬地責任人落實整改的工作流程。通過軟件控制系統對風險排查、控制情況的統計分析，對全員風險管控的參與情況進行考核和積分獎勵，同時給予相應的流量費用補貼，以提高員工的積極性和參與度。

(3)實施“安全分享”機制。礦山召開各類會議和各井口的班前會，首先進行安全一刻和經驗分享，側重員工的參與，尤其作業面工作人員對冒頂片幫的實際經歷和教訓，提高員工安全意識。

(4)梳理完善礦山各工藝、工序、工種安全作業規程，特別結合已發生的事故和未遂事件暴露出的不足進行修訂補充，如明確作業面作業的最多人數不超過2人，每個作業面必須配備 2，2.5，3，3.5 m的撬毛桿，以處理不同情形下的懸石、浮石，量化旁站監護人員站位要求和距離等，使各項規程簡單易懂、操作性強。

(5)建立井下作業面“安全生產督查牌”，對工作面地質、設計、頂板級別及安全措施進行公示，接受監督檢查，確保實際施工與設計符合，安全措施落實到位。

(6)合理組織生產，對于一、二級頂板，全面采取臨時支護措施，尤其對于炭質泥巖的頂板，采取能采多少采多少的方式進行回采，降低回采率提高安全性;對于三、四級頂板，采取“搶采”措施，縮短回采周期。

3.2 教育措施

(1)礦山實施“事故安全警示日”，整理礦山建礦以來的所有事故和未遂事件，以及國內地下非金屬礦山典型事故案例，編制事故案例匯編，制作宣傳手冊，在當天歷史發生過事故的設為警示日，全員進行手冊發放、培訓，考慮到礦山員工文化水平，尤其注重圖片形式予以體現，提高教訓汲取效果。

(2)設置事故現場警示牌，即在發生過事故的現場設置醒目的警示牌，井下警示牌貼有反光標簽，標明事故簡要內容及教訓，提醒員工安全警惕性。

(3)對不斷完善修訂的崗位安全操作規程進行培訓，對冒頂片幫常見原因進行分析講解，重點突出噴錨支護、撬毛、爆堆上作業的安全要求。

(4)嚴格落實“師帶徒”工作要求，對于新工人或轉崗到采礦作業面的員工，在完成必要的培訓外，指定經驗豐富的老工人為指導老師，進行現場“敲幫問頂”指導，學會聽聲、辨形等現場觀察和處理技能。

3.3 工程技術措施

通過多年的經驗教訓和事故統計分析，認識到只要生產，沒有實現本質安全化，就有發生事故及傷害的可能。根據現有生產開拓系統，礦山從本質安全方面進行了如下探索:

(1)改變原有沿礦脈底板布置采準和切割并進行挑頂落礦退采的方法，探索沿頂板布置，不穩定及結構發育的頂板錨網支護再起底退采方式，經過試點實證，礦體厚度大于5 m的采場適用性較強，但成本和生產效率受到挑戰，最終決定于二級頂板和部分三級頂板進行推行。

(2)減小設計采區礦塊寬度，縮短回采周期。經過長時間的地壓觀測和采空區冒落時間，礦山總結了頂板冒落或應力集中來壓一般在采空區形成的時間約15 d，經統籌安排，調整礦房設計寬度為30 m左右，保證在10 d內完成回采，減小冒頂片幫事故的風險。

(3)探索當前條件下適用的先進機械設備。由于原有開拓巷道大小限制，礦用鏟運機及頂板處理等機械設備無法進入采掘工作面。為此，礦山對機械設備進行了調研，采購了全方位鑿巖機和自動耙礦機，雖然由于井下潮濕和粉塵較大，造成自動耙礦機的維修率較高，但實現了無人進入采場出礦作業，減少了人員在空頂下作業頻次和時間，降低了冒頂片幫傷人的風險性;此外，購入頂板窺視儀，實現對井下各巖層厚度、走向、地質構造等情況的預先性探知，能有效指導礦山地質填圖和采礦設計，提升礦山采礦作業安全。

(4)實施光面爆破試驗。確定礦山不同巖性條件下掏眼孔、輔助孔和邊孔的參數設計，孔深及爆破物品使用量，不同雷管段數對光面爆破的影響及實施光面爆破后的成本增加情況，改變原有爆破工藝，改善掘進、切割巷道的設計標尺符合率及頂板拱形圓滑度，提高頂板應力變化的支撐安全性，減少懸、浮石，降低片幫可能性。

(5)開展單體液壓支柱試驗。對于非煤地下礦山，尤其經濟價值低的磷礦來說，液壓支柱的使用極少，礦山根據部分薄礦層頂板條件不好的實際情況，試用單體液壓支柱，并進行改進為鉸接樑式液壓支柱。由于工作面爆破時飛石和沖擊波都對支柱系統造成影響，需要在工作面(或掌子面)留有泄爆口及防飛石擊壞支柱措施;此外，每次爆破后和進入工作面之前，都要對支柱系統進行全面檢查，確保安全可靠;退采時由里向外逐步泄壓，撤出液壓支柱。

4 結論

從事故致因的能量意外釋放理論切入冒頂片幫的致害機理，通過對某磷礦歷年來的事故統計分析，獲知冒頂片幫事故占事故總起數近70%，其中主要由于生產組織管理方面的原因占21.6%，物質技術方面(本質安全)原因占60%，不安全行為因素占18.4%。從人的不安全行為、物的不安全狀態、不良環境和管理4個方面總結分析了冒頂片幫事故的常見原因，提出了礦山本質安全提升的重要性及存在的困難，結合實際情況，該礦山基于“三E”對策，分別從管理、教育、工程技術方面進行了應用探索，尤其在本質安全提升方面進行了試驗研究和大膽嘗試，基本實現了冒頂片幫風險的可控。實施近1 a來，礦山未發生冒頂片幫傷人事故，風險管控效果明顯，對地下礦山冒頂片幫事故的預防和風險管控，具有一定的指導和借鑒意義。

［1］ 羅春紅，謝賢平.事故致因理論的比較分析［J］.中國安全生產科學技術，2007，3(5):111-115.

［2］ 呂保和，朱建軍.工業安全工程［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［3］ 肖 丹，邸志強，張慶華.事故致因理論在煤礦安全管理中的應用［J］.煤炭技術，2009，28(11):81-83.

［4］ 王全興，陳 誠，劉 勇，等.現場作業安全風險管控體系建設［J］.電力安全技術，2011，13(7):14-15.

［5］ 劉 濤，葉義成，王其虎，等.非煤地下礦山冒頂片幫事故致因分析與防治對策［J］.化工礦物與加工，2014，43(2):24-28.

［6］ 薛天星，熊先孝，田升平.中國磷礦主要礦集區及其資源潛力探討［J］.化工礦產地質，2011，33(1):9-11.

［7］ 李永存.發揮“三E”對策作用提升生產安全保證能力［C］∥中國有色金屬學會第六屆學術年會論文集.北京:中國有色金屬學會，2005:463-464.