非煤地下基建礦山井巷致災因素辨識及分級

王智能，侯克鵬，者亞雷，楊 磊

（1.云南磷化集團有限公司昆陽磷礦二礦，云南 昆明 650601；2.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

為系統厘清地下礦山目前存在的風險，保障礦山后續安全生產，國家礦山安全監察局于2022 年發布了《關于開展非煤地下礦山隱蔽致災因素普查治理工作的通知》（礦安〔2022〕76 號）（以下簡稱“76 號文”），普查治理參考提綱主要從采空區、水文地質、地壓與火災4 個方面對礦區各隱蔽致災因素開展普查工作，對其致災風險等級進行客觀評價，提出治理措施及建議[1-3]。

根據76 號文工作內容第五項要求，除已明確指出的采空區及周邊老窯、水文地質、地壓、火災四項致災因素普查治理內容外，各非煤地下礦山企業應結合實際開展認為需要重點普查治理的其他內容。昆陽磷礦二礦屬于新建地下礦山，目前處于基建階段，還未進行出礦生產作業，且附近礦體以往均采用露天開采方式，礦區內及周邊無廢棄礦井，地下無采空區存在。因此，認為礦山現階段井巷開拓工程致災因素將是昆陽磷礦二礦普查治理的重點。

1 井巷致災因素辨識

昆陽磷礦二礦目前處于基建期間，主要開拓井巷工程有平硐、斜坡道、斜井、豎井。井巷穿過的圍巖性質主要包括粉砂巖、粉砂質頁巖，層狀結構，屬半堅硬-堅硬巖類，巖體完整性為破碎-較完整，巖體質量等級為Ⅳ級～Ⅱ級；黏土質頁巖，分布不連續，為軟弱巖類；白云巖、磷塊巖，塊狀、條帶狀結構，裂隙發育，巖體屬堅硬巖類，巖體完整性為破碎-較完整，巖體質量等級為Ⅳ級～Ⅱ級。

在井巷施工過程中，可能會出現巷道圍巖失穩、豎井圍巖破壞、井巷突水、基建通風系統不完善導致通風不暢以及巖爆等問題[4]。其中，穿越的軟弱地層巖性包括黏土質頁巖、粉砂質頁巖，可能發生圍巖拉伸變形導致的破壞。礦區地下水豐富，在施工過程中可能發生突水事故，一旦發生將嚴重威脅礦山安全。井巷工程延伸至含水層，發育有巖溶，后期礦體大規模開采疏水后，豎井可能發生一定疏水沉降變形。礦體埋藏淺，未進行開采作業，巖體潮濕，經調查井巷開挖斷面形狀規則，大型洞室群岔洞較少，因此，礦山目前發生巖爆的傾向性較低。

通過現場調查，結合地質水文勘查資料及設計資料分析，針對井巷失穩破壞、突水、基建通風系統不完善導致通風不暢三種井巷災害，梳理了13 種致災因子：巖石堅硬程度、巖體質量、地質構造、斷面尺寸、地應力、支護及管理、井口表土性質及厚度、超前探放水、防治水措施、通風方式及設備、井巷工作面風速、施工前氣體檢測、應急預案。

2 井巷致災因素等級劃分

將風險等級劃分為四級，分別為I 級、II 級、III 級、IV 級，其中，I 級為重大風險，不可接受風險，風險最高；II 級為較大風險，不期望風險，風險較高；III 級為一般風險，有限接受風險，風險較低；IV 級為低風險，可接受風險，風險最低。風險等級劃分情況見表1。通過查閱規范、文獻，以及咨詢專家，確定致災因素評價標準如下所述。

表1 風險等級劃分Table 1 Gradation of risk

1）巖石堅硬程度。巖石堅硬程度按飽和單軸抗壓強度可分為五類，見表2。昆陽磷礦二礦強度最低的巖性為礦體間夾層泥巖，抗壓強度為11.25 MPa，無極軟巖存在，因此，將風險等級劃分為四個等級進行賦值，見表3。由表3 可知，昆陽磷礦二礦若按圍巖條件最不利因素考慮，礦體夾層圍巖強度最低，為11.25 MPa，風險等級為I 級。

表2 巖石堅硬程度分類及等級劃分Table 2 Classification and gradation of rock hardness 單位：MPa

表3 巖石堅硬程度風險等級劃分Table 3 Risk gradation of rock hardness 單位：MPa

2）巖體質量。巖石質量指標RQD值是反映工程巖體完整程度的定量參數，該指標被廣泛應用于各種工程巖體的穩定性評價，國內外許多巖體工程規范、規程都采用RQD值指標作為最重要的分類參數[5]。根據《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）可將巖石質量劃分為5 個等級，見表4。

表4 巖石質量指標RQD 值風險等級劃分Table 4 Risk gradation of rock quality index RQD value

為統一風險等級，將RQD值指標進行重新分級，見表5。

表5 巖石質量指標RQD 值等級重新劃分結果Table 5 Results of re-gradation of rock quality index RQD value

通過對《昆陽磷礦二礦地下開采200 萬t/a 建設項目水文地質勘查》中涉及的三個深孔巖芯進行現場調查可知，RQD值最低的為磷塊巖，平均值為8%，巖體質量按最不利因素考慮，對應風險等級為I 級。

3）地質構造。由于地下開采過程中遇到的圍巖數量、大小不盡相同，且存在不同的地質構造，如斷層、褶皺等，因此導致井巷頂板周圍的環境比較復雜，本文采用半定量的方式確定地質構造的風險等級，見表6[6]。

表6 地質構造風險等級劃分Table 6 Risk gradation of geological structure

昆陽磷礦二礦礦區斷裂構造不發育，僅有兩條斷層且規模較小，其中，F1 斷層規模較小，處于露天開采范圍內，對地下開采不會造成影響；F2 斷層有一部分位于地下開采范圍內，目前未揭露，軟弱結構可能會對穩定性造成一定影響。在掘進1 890 m 中段無軌巷道時，遇到斷層破碎帶，圍巖強度低，掘進支護較困難，常規的支護方式不能滿足安全要求，因此，將巷道在偏離原設計20 m 的位置改道施工。該斷層破碎帶規模不大，經改道后能夠避開，因此，對應風險等級為II 級。

4）斷面尺寸。相關研究表明，巷道的軸比存在一個合理的界限值，超過合理界限值，過高的巷道寬度和高度會造成巷道圍巖應力分布很不均勻，某些部位的位移量很大，穩定性降低。以穩定巖層距頂板的距離、穩定巖層的極限跨距和巷道跨度等三個參數作為頂板穩定性分類指標[7-8]，確定巷道穩定性類別及風險等級，見表7。

表7 不同巷道尺寸及頂板性質條件下巷道穩定性類型風險等級劃分Table 7 Risk gradation of roadway stability types under different roadway sizes and roof properties

頂板巖層極限跨距按式（1）進行計算。

式中：L為頂板巖層極限跨距；Rt為抗拉強度；q為上覆荷載，考慮巖層自重應力；fq、fe、fm、fd為巖石強度影響系數、采動影響系數、巖層埋深影響系數、地應力影響系數。

昆陽磷礦二礦開拓巷道主要建設在礦體底板，離礦體底板垂直距離約15 m，巖性為白云巖塊狀結構，抗拉強度1.5 MPa，上覆礦巖厚度約200 m，經計算頂板巖層極限跨距為8.5 m。巷道最大寬度為4.5 m，交叉口暴露面積最大處跨距為10 m。根據穩定性分類情況，在最不利情況下，斷面尺寸對巷道穩定性影響等級為II 級。

5）地應力。地應力是影響巷道圍巖穩定性的重要因素，地應力與井巷在地下所賦存位置呈線性關系，井巷所處標高位置越深，其值也更大，地質條件也越來越復雜，地應力對巷道圍巖變形與破壞的影響更加突出。同時，越向地下深處，應力更趨于集中，不利于井巷保持穩定[9]。埋藏深度分級標準見表8。目前，礦山最低建設標高為1 890 m，埋藏深度約200 m，因此，判定地應力風險等級為IV 級。

表8 埋藏深度風險等級劃分Table 8 Risk gradation of burial depth 單位：m

6）支護及管理。井巷的支護及管理是影響井巷穩定性的重要因素之一[10]。治理程度直接關系到井巷的安全性，定性描述標準見表9。目前，昆陽磷礦二礦無軌運輸巷道、中段膠帶巷道、進風石門巷道、聯絡巷道正常段采用噴錨網支護方式，噴射混凝土等級為C20，厚度100 mm，樹脂錨桿長度2 000 mm，間距800 mm，排距1 000 mm，能夠滿足支護強度要求；在遇褶皺層間結構起伏變化、涌水較大區域采用超前管棚及鋼拱架進行聯合支護，絕大部分巷道支護后穩定性較好，能夠滿足安全要求，并制定了三級頂板管理制度。結合現場支護后穩定性情況，判定支護及管理風險等級為III 級。

表9 治理程度風險等級劃分Table 9 Risk gradation of governance degree

7）井口表土性質及厚度。立井井筒施工一般要穿過表土和基巖兩個部分，由于表土松軟，穩定性較差，經常含水，并直接承受井口結構物的荷載，因此表土施工比較復雜，往往成為井筒施工的關鍵工程[11]。井口表土性質及厚度風險等級劃分見表10。昆陽磷礦二礦井筒穿越地層為筇竹寺組一段、二段、三段、四段，中誼村組和漁戶村組，表土段長30 m 采用單層鋼筋混凝土井壁，厚度600 mm，基巖段采用單層素混凝土井壁，厚度350 mm，昆陽磷礦二礦井筒表土層屬于中厚等級，判定井口表土性質及厚度風險等級為III 級。

表10 井口表土性質及厚度風險等級劃分Table 10 Risk gradation of wellhead topsoil properties and thickness

8）超前探放水。根據《金屬非金屬礦山重大事故隱患判定標準》（礦安〔2022〕88 號），水文地質類型為中等或者復雜的礦井，需配備防治水專業技術人員，設置防治水機構，或者建立探放水隊伍，配齊專用探放水設備，并按設計進行探放水作業[12]。定性描述標準見表11。礦山施工遵照“有疑必探，先探后掘”的原則，工程施工的全部過程進行防治水工作。昆陽磷礦二礦組建專業探水探溶洞隊伍，通過采用探地雷達預測工程掘進面前方20 m 范圍內不良地質體，鉆探工程驗證探地雷達成果及工程掘進前方100 m范圍內地質體，為工程掘進施工提供可靠地質依據。依據探測成果采取排水降壓方式，達到工程安全掘進施工的效果，因此，判定超前探放水風險等級為IV 級。

表11 超前探放水風險等級劃分Table 11 Risk gradation of advanced exploration and drainage

9）防治水措施。根據《金屬非金屬礦山安全規程》（GB 16423—2020），井下主要排水設備應包括工作水泵、備用水泵和檢修水泵。工作水泵應能在20 h 內排出一晝夜正常涌水量；工作水泵和備用水泵應能在20 h 內排出一晝夜的設計最大排水量[13]。備用水泵能力不小于工作水泵能力的50%；檢修水泵能力不小于工作水泵能力的25%。防治水措施風險等級劃分見表12。采用大井法對不同標高的礦井涌水量進行了預測，通過計算可知，1 890 m 水平正常涌水量為4 257.52 m3/d，最大涌水量為7 663.53 m3/d?，F階段井下設立的臨時水倉及抽排水設備能夠滿足涌水抽排水要求，并且制定了注漿堵水方案，目前已在1#膠帶斜井656 m 工作面采用水玻璃水泥漿注漿工藝，用于掌子頭前方地段連續注漿堵水作業，判定防治水措施風險等級為IV 級。

表12 防治水措施風險等級劃分Table 12 Risk gradation of water control measures

10）通風方式及設備。通風設備選取的合理性是影響井下施工安全的重要因素之一。機械通風風險等級劃分見表13。目前基建期間，昆陽磷礦二礦掘進工作面采用JK58-1NO4.0 型局扇（5.5 kW），獨頭掘進工作面較長的工作面采用壓、抽混合式局部通風，1 臺5.5 kW 局部通風機配1 臺11 kW 局部通風機，現場工作面施工通風順暢，判定機械通風風險等級為IV 級。

表13 機械通風風險等級劃分Table 13 Risk gradation of mechanical ventilation

11）井巷工作面風速。井巷工作面風量、風速與局扇選取有關，風量與風速的合理性關系到井下工作面的施工安全。井巷工作面風速風險等級劃分見表14。昆陽磷礦二礦掘進工作面最大斷面為16.58 m2，工作面為獨頭掘進時，風速為0.3 m/s，判定井巷工作面風速風險等級為II 級。

表14 井巷工作面風速風險等級劃分Table 14 Risk gradation of wind speed in roadway working face

12）施工前氣體檢測。井巷工作面施工前必須進行氣體檢測，否則易造成炮煙中毒等事故。施工前氣體檢測風險等級劃分見表15。昆陽磷礦二礦嚴格按照規范進行作業面氣體檢測，判定風險等級為II 級。

表15 施工前氣體檢測風險等級劃分Table 15 Risk gradation of gas detection before construction

13）應急預案。應急預案是礦山面臨突發事件處置應對的依據。應急預案風險等級劃分見表16。昆陽磷礦二礦根據設計建立安全管理機構，制定安全生產責任制，詳細規定各級人員和部門安全生產職責。2022 年6 月發布實施《云南磷化集團有限公司昆陽磷礦二礦生產安全事故應急預案》，對施工期間各類事故的應急準備、應急保障、應急響應、現場處置搶險和救援做了相應的專項預案；2022 年9 月24 日發布實施《昆陽磷礦二礦巷道掘進頂板（邊幫）分級及支護管理辦法》，提高昆陽磷礦二礦巷道掘進頂板（邊幫）控制能力，提出具體頂板管控措施，切實把工程技術、業務保安落實到基建期巷道掘進頂板管理工作中，旨在有效防范和遏制冒頂片幫事故發生，實現安全高效掘進。工程施工的全部過程進行防治水工作，探水選用探地雷達和鉆孔探水相結合的方法探水。工程處在穩定的礦體頂板隔水層，一般巖性為砂巖、頁巖、泥巖等，為防止構造導水及附近鉆孔等不確定因素，采用探地雷達進行探水，在雷達成果反應異常地段采用鉆孔驗證方可掘進；巷道處在礦體頂底板直接富含水層中，易發生較大涌水，為防止透水，采用鉆孔探水，先探后掘。綜上分析，昆陽磷礦二礦應急預案及管理制度健全，判定應急預案風險等級為IV 級。

表16 應急預案風險等級劃分Table 16 Risk gradation of emergency plan

3 結 論

通過查閱大量文獻及參照相關規程，對處于基建階段的昆陽磷礦二礦井巷致災因素進行了辨識及風險等級劃分，得到以下結論。

1）建設期間，井巷工程可能存在井巷失穩破壞、突水、基建通風系統不完善導致通風不暢三種隱蔽災害。

2）對可能導致災害發生的13 種致災因素進行了等級的定性劃分，通過現場調查進行評價后，認為圍巖松散破碎及豐富的地下水是礦山目前建設期間的主要風險源。

3）針對風險因素的等級劃分，建議礦山后續開展巷道破壞機理研究，針對性采取支護措施，加強探放水工作，不斷完善井巷安全管理措施、風險應急預案。