巖石力學在金屬礦山采礦工程中的應用

曹雨

(遼寧工程技術大學(葫蘆島校區),遼寧葫蘆島 125100)

巖石力學在金屬礦山采礦工程中的應用

曹雨

(遼寧工程技術大學(葫蘆島校區),遼寧葫蘆島 125100)

巖體力學是介質于力學和地質學之間的邊緣學科,多運用于采礦工程之中。文章在闡述現代巖石力學特點的基礎上,結合巖石力學內容,對巖石力學在金屬礦山采礦中的應用做具體探討,深入介紹采礦工程中的優化設計方案。

巖石力學 金屬礦山 采礦工程

巖石力學作為實踐性與應用性兼具的新興學科,其應用范圍涵蓋采礦、建筑、水利、鐵路、公路、石油、地質、地震、海洋工程、地下工程等多種涉及巖石工程的工程領域。巖石力學不僅是上述工程的理論基礎,同時也由上述工程的發展帶動了巖石力學的進步。最早對巖石力學的定義是基于材料概念的,并且帶有固體力學和材料力學的印記。然而隨著工程實踐的進步發展,以及巖石力學理論研究的深化完善,人們對巖石及巖石力學又有了新的認識。第一,不能簡單的將“巖石”看做巖石工程中的一種固體材料,巖石工程中的巖石應是天然地質體,具有繁雜的地質結構及存儲條件,屬基本的“不連續介質”。第二,巖體中有地應力,這種地應力是在地質條件和重力作用下逐漸形成的內應力,在巖石工程的施工開挖中這種地應力被釋放,在“釋放荷載”的作用力下導致巖石工程逐漸變形甚至被破壞。因而研究巖石力學與以“外荷載作用”為主要特征的結構力學、材料力學的研究有明顯不同。研究發現,巖石在巖體結構、賦存條件及其狀況中均存在很多不確定性,所以,對巖石力學的研究應改變傳統的確定性研究方法,立足于“系統概念”,以不確定研究方法為其主要研究形式。上述分析表明:巖石力學屬于認識并控制巖石系統工程功能和力學行為的科學。長期以來,采礦業均運用經驗類比法及“查手冊”的形式設計開采方案,沒有科學的采礦技術和采礦方案,采礦工程的復雜性顯而易見,并成為束縛采礦工程發展的重要因素。采礦工程是一門繁雜系統的科學性工程,并不是傳統觀念中的工藝技術,而巖石力學是將采礦從工藝轉向科學的重要橋梁。

1 礦山地應力場測量

1.1 測量重要性

地應力是底層中的天然內應力,是引起各種巖石工程變化破壞的根本作用力,是巖石工程和采礦工程實現科學開挖設計的必要前提。礦山設計中,只有充分掌握工程區的地應力條件,才能更加準確的確定礦山的具體布置,選擇與之相適應的采礦方法,明確采場、巷道斷面的最佳形狀,開挖步驟、支護結構、形狀及其時間,進而更好的保證圍巖穩定性,最大化的增加礦石產量,優化采礦工程、提高經濟效益。從彈性力學理論上看,采場、巷道的最佳形狀由斷面內的主應力比值決定,為減少采場周邊及巷道應力集中現象,斷面最理想形狀應為橢圓,該橢圓在垂直方向及水平方向的兩個半軸的長度之比與斷面內垂直主應力和水平主應力之比相等。基于此,采場周邊及巷道將處于均勻等壓狀態,這種受力狀態最為穩定。采場、巷道在確定走向時,也應結合地應力狀態,使其走向與最大主應力方向平行,繼而達到理想走向。

1.2 測量方法

原始地應力測量是確定擬開挖巖體與周圍未受擾動的三維應力狀態,經過一點一點的測量后完成。其中一點的三維力度狀態用六個分量(σx,σy,σz,τxy,τyz,τyz)表示,其中的坐標系按照需要自行選擇,一般來說,以地球坐標系為測量坐標系。實際測量時,測點的巖石可能是幾方厘米,也可能是幾千方米,有選取的測量方法決定。但不管大小是多少,對于整個巖石來說,都可視為一點。地應力的復雜多變,要求在對某一礦區的地應力進行測定時應進行充分的“點”測量。基于此,才能利用數理統計和數值分析、人工智能、建模等方法,創建地應力場模型。當前地應力測量多采用的方法有水壓致裂法和應力解除法。其中技術最為成熟、發展時間最長的為套孔應力解除法。在原始應力測定的可靠性上,相較于其他方法,應力解除法占有絕對優勢。在礦山中運用應力解除法更是具備得天獨厚的優勢。因為礦山的硐室、巷道等能與地下測點接近,不用像水壓致裂法那樣專門鉆孔后才能進入測點,所以在礦山地應力測量上,利用應力解除法最為可靠經濟。

2 地下礦山采礦的優化設計

金屬礦床的形成、賦存及開采穩定性都會受到地應力場的影響和控制。因此,應以地應力為基點,對金屬礦采礦進行優化設計。按照實際測得的地應力及水文地質、工程地質、礦巖力學性質等,結合礦體開采條件,利用定量分析與計算,選擇適宜科學的采礦方法,明確最合理的開采總體布置、開采順序、地壓控制及支護加固措施,達成礦山開采的安全高效目標。具體的優化路線為:資料收集→確定初選方案→多方案計算分析→多目標決策優化→工程實施→現場檢測與分析→修改優化最終方案。

3 深凹露天礦邊坡優化設計

3.1 現狀

現如今,我國多數大中型露天礦山即將由原先的山坡露天開采轉化為深凹露天礦邊坡開采。隨著開采力度的加大,邊坡逐漸加高加陡,對其的穩定性維護越來越難,邊坡傾倒滑移破壞事故頻繁發生,嚴重威脅礦山的生產安全,阻礙了其生產能力的增強。就大型露天款山而言,提高邊坡角可有效減少剝離,降低生產成本。另外,與國外相比,我國露天礦邊坡角均緩5°左右,造成這種情況的主要原因是長期以來邊坡設計過分依賴于經驗類比,沒有進行科學的分析計算。

3.2 對邊坡穩定性的優化設計

國內對邊坡穩定性的設計為極限平衡法這種傳統設計方法屬于靜態的確定性的方法,但是實際的邊坡狀態在開采過程中總是不斷變化的,動態性及不確定性較強。這種方法在土力學理論上提出,未能考慮到巖體的斷層、節理及地應力。這些都是對邊坡穩定性其控制性作用的因素。因此,這種方法可能適于山坡露天礦的優化設計,但不適用于深凹露天礦的設計。針對極限平衡法的問題及不足,我們應采取科學的現代化技術,綜合考慮巖體條件及地應力作用,借助定量計算分析,對深凹露天邊坡進行優化設計。實施路線為:用極限分析方法結合數值模擬,對不同邊坡設計方案及邊坡角進行定量的分析計算,在保證安全的基礎上,盡可能的減少剝離量,提高邊坡角,降低生產成本,提高礦石產量,增加礦山生產效益。路線中的數值模擬應首先考慮巖體的不連續性和非線性程序,例如,三維離散元程序或三維FLAC,兩種方法相結合為最好。其中的極限平衡最好也運用三維程序,尤其是對邊坡關鍵部位的三維分析。將多種方法進行綜合的比較分析,相互驗證補充,使計算分析更加可靠準確。

4 結語

巖石力學的應用是一項復雜科學的工程,應運用科學的方法及技術進行深入研究。相信隨著我國科學技術的不斷進步,以及巖石力學研究者的不懈努力,采礦工程中的邊坡滑移、破壞及地應力問題定會得到更加完善的解決,促使我國巖石力學及采礦工程步入更高的發展層次,促進我國采礦事業健康持續的發展。

[1] 曹旭.巖石力學在采礦工程中的應用探討[J].河南科技,2013(18).

[2] 楊仕俊.采礦工程中巖石力學專業應用的探析[J].內蒙古煤炭經濟,2014(08).

曹雨(1992—),男,遼寧阜新人,本科,12級采礦一班的學生。