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1、地质灾害防治,第七章矿山与地下工程地质灾害,7.1概述,地下矿山的开采，造成地面下沉，甚至地面塌陷。露天矿的开采，则可能引起滑坡、崩塌等灾害。许多国家也都曾发生过矿山尾矿坝溃坝事故，造成重大灾害。矿山开采还需要排水，这会造成地下水位下降，使附近地区的井水和泉水枯竭；选厂排出的废水通常是酸性水，也会造成污染。矿井突水也是地下矿山的又一灾害。地下矿山开采引起的其它灾害，还有巷道和采场围岩的冒顶、片帮，以及深部开采中的岩爆问题。,煤矿开采中的地质灾害比非煤矿山更为突出。包括：突水；火，即煤层自燃；地压，即巷道采场围岩的冒顶和片帮等。1960年，南非一个煤矿发生煤柱大规模垮塌，造成400多人丧身的重大
2、事故。瓦斯爆炸，这是煤矿中造成伤亡的最主要的原因。煤尘爆炸：弥漫于煤矿地下坑道内的煤尘，当浓度达到一定浓度，在一定的外界条件下，就会发生爆炸。虽然煤尘爆炸的发生率远低于瓦斯爆炸，每次事故的死亡人数却要高得多。,7.2冒顶片帮,地下巷道（采场）开挖后，围岩应力发生重分布。如果重分布后围岩中的应力超过了岩石的强度，就会发生破坏。顶板冒顶是造成矿工伤亡事故中最重要的一项。据不完全的统计，占矿山死亡事故总数的1/3至40，为矿山各类事故之首。造成岩石冒落片帮事故的主要原因：岩石中软弱结构面的影响。,对付冒顶片帮，目前最有效的办法是“敲邦问顶”。个人防护的最有效的办法是：在巷道中行走时，注意观察；停留在
3、某处前，先抬头观察。不在有裂缝的地段停留。在掘进工作面，进入迎头的第一件事是撒水洗壁，然后就是敲邦问顶。此后才能开始正常的工作。照明、撒水、通风等条件良好，可以大大减少冒顶片帮事故的危害。,采场岩石冒顶，特别是大面积的冒顶，一般还是有预兆的。如掉碴、发响、出现裂缝等等。在有支柱的采场，则会出现支柱发响断裂。大面积冒落前，支柱会发出炸响，有很多支柱折断，采场中响声不断。房柱法采场大面积冒落的主要前兆，则表现为采场顶板冒落、矿柱破坏，采场中响声越来越大。采场顶板大面积冒落、矿柱大规模破坏，一般称为大规模地压活动，危害很大。可造成采场和巷道破坏，资源损失，人员伤亡。但这样的冒落，一般都有前兆，可以躲
4、避。,如湖南锡矿山，65-70年间曾经发生过3次大规模地压活动。其中一次，造成竖井掉块，井架变形，连冶炼厂的烟囱都发生弯曲。锡矿山采用房柱法开采，大规模地压活动一般起源于矿柱的破坏。当采空区中许多矿柱都发生垮塌，就会造成大量矿柱在短时间内垮塌，这就是大规模地压活动。因此，这类地压活动的预测可能的。云南东川烂泥坪矿，1980年也发生了一次大规模地压活动。但因事先撤离了人员，成功地避免了伤亡巷道顶板局部的冒落则不一定有前兆，预测预报有很大难度。迄今为止，这是造成冒顶片帮事故的主要原因。,7.3岩爆7.3.1岩爆的特点,岩爆，也称冲击地压，是在高应力条件下，地下工程开挖后，硬脆性的岩石中弹性应力突然
5、释放，产生爆裂、剥落、弹射甚至抛射现象的一种动力失稳地质灾害。岩爆活动在煤矿、金属矿、非金属矿以及隧道开挖中都有发生。它直接威胁施工人员和设备的安全，是一个世界性的工程难题。不过，它主要发生于坚硬岩石、距地表较深的矿井中。,岩爆发生时，岩石成餠状弹射而出，或者碎裂成散体。如果岩爆发生处有人，则可当场导致人员伤亡，或使人因窒息而伤亡。岩爆发生前通常没有明显前兆。发生时间往往与爆破有关，多在爆破后数小时或更长时间后。岩爆发生时，多数情况下是响声与岩块的弹射现象同时出现。,7.3.2岩爆的成因条件,岩爆是岩体中储存的弹性变形能突然释放而产生的。因此，岩爆是否会发生，取决于：（1）岩体中是否存储了高能
6、量；岩体中储存高能量的条件是：埋藏深度深（矿山深部开采），或应力集中地带，如河谷（如水电站）、褶皱带轴部等；（2）储存的能量能否迅速释放。应变能迅速释放，则需要岩石是脆性，而不是具有较大变形的塑性岩石。,岩层中存在高应力，是产生岩爆的主要原因。因此，巷道采场周边中最大应力s与岩体强度sc之比，可用来预测发生岩爆的危险性(Russenes判据):sqmax/sc0.2无岩爆危险性sqmax/sc0.3岩爆危险性弱sqmax/sc0.55岩爆危险性中等sqmax/sc0.55岩爆危险性强,岩爆危险性的Ressenes判据,7.3.3岩爆的监测,通常采用声发射法来监测。一般需要多通道的声发射监测仪。
7、把声发射接收换能器安装在工作面，然后用长导线把所接收到的声发射信号传输到安装仪器的硐室，经放大、滤波、A/D变换（模拟量-数字量转换）后，由计算机存储，再进行处理，提取有用信息，用于岩爆预测。早期的计算机功能不足，声发射信号采用多通道磁带记录仪存储。,7.3.4岩爆的防治措施,1.重要工程，尽量避免开掘在应力集中带；2.重要巷道的轴线，尽可能与最大主应力方向平行；3.对于存在岩爆危险性的地段，尽可能选用合适的巷道断面形状避免出现平直周边；巷道长轴方向尽量与最大主应力方向一致；4.对岩爆危险性高的巷道，用锚杆加金属网的方式支护；5.巷道掘进或采场开采前，开凿超前孔，释放岩体中的应力。,岩爆的防护
8、,WestDeepGoldMine(TautonaMine),7.4煤矿井下灾害,煤矿井下灾害的种类和危害程度，都远大于非煤矿山。在煤矿，对安全问题需要更为严格的防范和控制。,7.4.1瓦斯爆炸,瓦斯爆炸在煤矿中造成的伤亡最严重，是煤矿中的最大安全隐患。瓦斯就是甲烷，又称沼气，是植物在成煤过程中被细菌分解而生成的一种气体，化学成分为CH4。在成煤的碳化变质阶段，又会形成大量瓦斯气体，保存在煤层和岩层的孔隙和裂隙中。,瓦斯从煤层中涌出的形式有：(1)缓慢、持久、均匀地从煤和岩石的暴露面以及采落的煤炭中涌出。这是矿井瓦斯的经常来源。(2)在压力状态下的瓦斯，大量、迅速地从煤层和岩层内喷出，即瓦斯喷
9、出。(3)在段时间内，煤、岩石和瓦斯一起突然由煤层和岩层内喷出，此即煤与瓦斯突出。因此，煤矿矿井的空气中含有瓦斯是正常的。瓦斯爆炸则是有条件的，有瓦斯气体存在并不一定会发生爆炸。,最早的瓦斯爆炸记录发生在英国，1675年。中国煤炭产量为世界第一，瓦斯爆炸所造成的伤亡事故也很严重。1964年，抚顺龙凤矿曾在一昼夜内连续发生多起瓦斯爆炸事故，共死亡83人。1988年11月，黑龙江鸡西矿务局平岗煤矿由于运送、安装电机和修补风筒，两次停止通风，造成瓦斯积聚。后由于绞车电机与铁轨撞击，产生火花，引燃了积聚的瓦斯，引发瓦斯爆炸，造成45人死亡，32人受伤。,据统计，在20世纪80年代初到90年代初的10年
10、间，中国共发生瓦斯爆炸灾害200多次，死亡1400多人；造成的直接经济损失约9,400多万元。1990年，全国因瓦斯爆炸，死亡总人数485人。1994年，全国因瓦斯爆炸，死亡总人数914人。2005年，辽宁孙家湾煤矿瓦斯爆炸，死亡214人。抚顺煤矿，1935年到1944年的10年间，共发生瓦斯爆炸事故54次，人员伤亡惨重。,一般情况下，瓦斯浓度在5以下，是不会发生瓦斯爆炸的。瓦斯浓度在16以上的时候，也不会发生爆炸。这是因为，瓦斯爆炸是由快速燃烧引起的。瓦斯浓度太高时，空气中的氧气含量不足，使部分瓦斯气体剩余下来而不能参加反应，燃烧不能持续，也就不能产生爆炸。根据试验，瓦斯浓度在9.5左右时，
11、空气中的全部瓦斯气体和全部氧气都能够参与反应，爆炸威力最大。在这样的浓度下，瓦斯气体也就最容易发生爆炸。,发生瓦斯爆炸的条件,煤矿瓦斯浓度分类,（1）低瓦斯矿井：相对涌出量10m3/t。（2）高瓦斯矿井：相对涌出量10m3/t。（3）煤与瓦斯突出矿井：存在煤与瓦斯突出危险的矿井。据统计，在中国主要煤矿中，高瓦斯矿井占约29，煤与瓦斯突出矿井占约16。主要分布于辽宁、四川、贵州、湖南等省。,瓦斯爆炸必须具备3个条件：（1）一定浓度的CH4气体；（2）一定温度的引火源(650-750C以上)；（3）足够的氧(12%以上)因此，预防瓦斯爆炸的主要措施是：,发生瓦斯爆炸的条件,1.防止瓦斯积聚（1）确
12、保矿井通风矿井通风是稀释CH4气体、杜绝瓦斯爆炸的最主要的措施。只要通风系统设计正确、运转正常，CH4气体的浓度就可以保持在危险浓度以下。因此，煤矿采掘工作面的风速一般应0.25m/s。高瓦斯矿井，应该采取抽出式通风，使矿井内维持负压；一旦因某种原因风机停止工作，矿井内的气压就会升高，使瓦斯气体不易涌出。这样就不会因此而导致瓦斯涌出量突然增加。,预防瓦斯爆炸的主要措施,(2)瓦斯抽放在一些高瓦斯矿井，因CH4气体涌出量很大，靠通风还难以稀释排除。此时可以进行瓦斯抽放。抽出的瓦斯气体可以作为民用，或工业应用，变害为利。80年代，中国就有100多个矿井安装了瓦斯抽放设备，每年抽放瓦斯3亿m3。,（
13、3）建立严格的瓦斯浓度检查制度煤矿需要配备专门的仪器和专职安全人员，定期和不定期地检查井下各处的瓦斯浓度，特别是采煤工作面上的情况。安全人员有权命令停止生产。采掘工作面上瓦斯浓度达到1，就要停止电钻作业；达到1.5，就要停止作业，撤出人员。煤矿井下工作面通常需要安装瓦斯报警器。,预防瓦斯爆炸的主要措施,2.杜绝火源（1）煤矿井下严禁抽烟，严禁携带明火、烧电炉等。（2）井下设备都必须是防爆型的：防爆电机、防爆开关、防爆电缆，等等。（3）爆破作业时，放炮前必须检查瓦斯浓度，确信在放炮地点附近20米内CH4浓度不超过1。,应该说明，瓦斯爆炸是链式燃烧反应所引起的，因此，达到爆炸浓度的瓦斯气体，在达到
14、预定爆炸温度时并不会立即爆炸，而有一个延迟时间，延迟时间与温度和浓度有关。所以，用安全炸药爆破时，因高温存在的时间很短（千分之几秒），因此，不会引起瓦斯爆炸事故。,7.4.2煤尘爆炸,1.煤尘爆炸及其危害首先需要特别强调，煤尘爆炸与瓦斯爆炸不是一回事。煤是可燃物质。煤破碎成细小的颗粒后，表面积大大增加。受热时，煤尘可发生燃烧，释放出可燃性气体，产生氧化反应，并产生热量传播给附近的煤尘。这个过程如果越来越快，就会发展成剧烈的爆炸。这就是煤尘爆炸。,煤尘爆炸产生的冲击波可将巷道中的落尘扬起，从而为爆炸的延续，扩大尘源。因此，煤尘爆炸可表现出连续性，还可能表现出离开尘源越远，爆炸力越大的特征。这与瓦
15、斯爆炸完全不同。煤尘爆炸时还会产生大量CO，它在空气中的浓度可达到百分之几以上，造成大量人员的中毒伤亡。1894年，位于今天捷克境内的Larisch煤矿发生瓦斯和煤尘爆炸的事故，当场死亡235人。处理事故时又发生第二次瓦斯爆炸，救护队员大部分牺牲。1913年10月，英国一煤矿发生煤尘爆炸，井下439名矿工全部遇难。,1976年和1981年，河南平顶山矿务局的6矿和5矿分别发生煤尘爆炸，分别死亡75人和133人。1982年，贵州水城矿务局老鹰山矿发生煤尘爆炸事故，死亡矿工70余人。1985年4月，山东薛城县兴仁乡煤矿发生煤尘爆炸，冲击波又波及相邻的另一煤矿，共63人死亡。迄今为止，人类历史上伤亡
16、最惨重的煤尘爆炸事故发生于本溪煤矿，死亡1527人，伤268人。时间：1942年4月26日。,2.影响煤尘爆炸的主要因素,（1）煤的挥发成分。挥发成分含量越高，越容易发生煤尘爆炸。（2）煤尘的粒度。粒度在0.75mm到1mm以下的煤尘，都能参与爆炸。但最危险的是粒度0.75mm的部分。（3）煤尘的浓度。一般说30-40g/m3为爆炸发生的下限，但国内有人作试验的结果，下限为45g/m3。此浓度下限也与挥发成分、粒度等因素有关。比较：国家规定，矿井空气中，粉尘浓度不得高于2mg/m3,3.预防煤尘爆炸的措施,（1）降尘即，降低矿井空气中煤尘的含量。这是最重要的措施。具体降尘措施：(a)煤层注水。可减少采煤作业中煤尘的生成量(b)水封爆破和水炮泥。利用爆破的力量将水注入煤中、汽化，达到降尘的目的。(c)撒水、洗壁、降尘；石灰浆刷白巷道壁,(2)防止引燃煤尘矿内严禁明火；使用防爆设备，防止电器火花引燃煤尘，与瓦斯爆炸的措施相同,岩粉棚,(3)限制煤尘爆炸的措施为防止发生煤尘爆炸后的连续爆炸，可在巷道中设立岩粉棚（木支架）。在木棚子之间放置一些内装粉状岩石的容器。万一发生煤尘爆炸，棚子会
