金屬礦山采礦工程中巖石力學(xué)的應(yīng)用探析

趙 鉞

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 巖石力學(xué)概述

在美國(guó)科學(xué)院巖石力學(xué)委員會(huì)最初的定義中，巖石力學(xué)指的是研究巖石力學(xué)性狀的一門理論和應(yīng)用科學(xué)，是力學(xué)中的一個(gè)分支，主要探討巖石對(duì)周圍物理環(huán)境中力場(chǎng)的反應(yīng)。這一定義中，巖石力學(xué)帶上了很深的材料力學(xué)、固體力學(xué)烙印，之后隨著人們的認(rèn)識(shí)加強(qiáng)，對(duì)巖石力學(xué)的認(rèn)知有了進(jìn)一步突破。在新近研究中發(fā)現(xiàn)，巖體結(jié)構(gòu)、賦存情況和賦存條件等都具備較大的不確定性，對(duì)巖石力學(xué)的研究也要改變傳統(tǒng)固體留學(xué)確定性研究方法。對(duì)其可重新定義為，是認(rèn)識(shí)和控制巖石系統(tǒng)力學(xué)行為和工程功能的科學(xué)。在金屬礦山采礦工程中應(yīng)用巖石力學(xué)，其相關(guān)問(wèn)題主要是以下幾方面，礦山地應(yīng)力測(cè)量、露天采礦邊坡設(shè)計(jì)和穩(wěn)定加固技術(shù)、采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題、礦井突水預(yù)測(cè)和采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化等。

2 巖石力學(xué)在采礦工程中的重要性

在金屬礦山采礦工程中，不管是地下采礦工程，還是露天采礦工程，其對(duì)象都是具有地質(zhì)構(gòu)造的巖石。因此，在采礦工程中需將巖石力學(xué)問(wèn)題貫徹到方方面面。第一，在金屬礦山采礦工程中，巖體是一種地質(zhì)體，在反復(fù)的地質(zhì)作用影響下會(huì)出現(xiàn)變形和破壞，并形成一種具有巖石成分和結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體，且在特定地質(zhì)環(huán)境中賦存；第二，采礦工程需要不定勞作開(kāi)挖，是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)活動(dòng)。在開(kāi)挖過(guò)程中，隨著工程尺寸和延伸方向變化，巖體的力學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，并且其巖體性質(zhì)還會(huì)受到地應(yīng)力和水等環(huán)境因素的影響，比如地應(yīng)力中的高地應(yīng)力就可能引發(fā)煤與瓦斯突出，以及沖擊礦壓等問(wèn)題。

3 巖石力學(xué)在采礦工程中的具體應(yīng)用

3.1 對(duì)深度開(kāi)采危害性的分析

在采礦工程進(jìn)行中，對(duì)礦山的深度開(kāi)挖是具有相當(dāng)高的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的，實(shí)際情況中更是容易出現(xiàn)礦山震動(dòng)、巖石爆炸等危險(xiǎn)情況，并且此類安全事故發(fā)生的幾率也相對(duì)較高。特別是發(fā)生較大震級(jí)的巖爆時(shí)，其破壞力極強(qiáng)，也會(huì)產(chǎn)生很大的殺傷力。而當(dāng)前在很多采礦工程中對(duì)此采取的安全防范措施不足，對(duì)相關(guān)問(wèn)題重視度不夠。特別是近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展下對(duì)金屬礦的需求加大，對(duì)礦山的深入開(kāi)挖危險(xiǎn)性也在加大。因此，在金屬礦山的采礦工程中，必須要加強(qiáng)對(duì)安全問(wèn)題的認(rèn)知，重視安全防范措施的采用。在其開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)用巖石力學(xué)相關(guān)知識(shí)，對(duì)一些必要的信息進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)能量聚集和變化了解產(chǎn)生巖爆的原因等，有助于施工企業(yè)采取有效的安全措施進(jìn)行防范。

山東省玲瓏金礦開(kāi)采中，由于高山應(yīng)力存在，在其地層深部巖體內(nèi)儲(chǔ)存著彈性應(yīng)變能，開(kāi)采中圍巖破壞會(huì)突然釋放，并導(dǎo)致巖爆等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。因此需對(duì)其進(jìn)行地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算等，了解其巖體本身出差呢能力和外部環(huán)境條件。在測(cè)量中，得到其礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律，如下所示：

σn-max=0.72+0.0559H，σn-min=0.80+0.0234H；σv=0.32+0.0280H；

其中σn-max、σn-min、σv分別指的是最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力和垂直主應(yīng)力，H為測(cè)點(diǎn)埋深。

地應(yīng)力值會(huì)隨著深度增加而增加，因此在其深部開(kāi)采過(guò)程中，遇到的地應(yīng)力作用表達(dá)，高低應(yīng)力的存在則導(dǎo)致其中聚集著高能量，可能會(huì)發(fā)生巖爆現(xiàn)象。

在其巖體能量聚集分析研究中，采用了大型三維非線性有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)開(kāi)采中圍巖應(yīng)力集中、能量聚集分布進(jìn)行計(jì)算分析。其最大彈性能分布為：

-270m水平，最大彈性能=（1.14×105～1.48×105）J/m3；

-110m水平，最大彈性能=0.25×105J/m3.

在巖體內(nèi)部彈性能達(dá)到1.0×105J/m3時(shí)，會(huì)出現(xiàn)巖爆和沖擊低壓?jiǎn)栴}。因此，在玲瓏金礦的開(kāi)采過(guò)程中，-270m水平以下開(kāi)采中很有可能出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。

3.2 測(cè)量分析礦山地應(yīng)力

地應(yīng)力是一種存儲(chǔ)在地質(zhì)地層中的天然力量，也是巖石挖掘和開(kāi)采中一種會(huì)改變地質(zhì)狀況的重要力量，在開(kāi)采和挖掘作業(yè)進(jìn)行之前，要對(duì)其進(jìn)行充分的研究分析。

具體測(cè)量中，首先從巖體表面向其內(nèi)部打大孔，使其達(dá)到內(nèi)部測(cè)點(diǎn)位置，大孔直徑一般控制在130mm～150mm范圍，深度在巷道或隧道跨度2.5倍之上，確保測(cè)點(diǎn)所處原巖應(yīng)力區(qū)沒(méi)有受巖石開(kāi)挖擾動(dòng)；接著從大孔底打同心小孔來(lái)安裝探頭，小孔的中央部位處于平面應(yīng)變的狀態(tài)，在其中央部位安裝測(cè)量探頭；最后將大孔用鉆頭繼續(xù)延深大孔，接觸小孔周圍巖芯應(yīng)力。而測(cè)量探頭可以測(cè)定應(yīng)力解除引起的小孔變形，并通過(guò)儀器將其記錄效率，根據(jù)變形情況可通過(guò)公式得到小孔中外巖體原巖應(yīng)力的狀態(tài)。

在對(duì)新城金礦實(shí)地考察研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，因該礦體出露在較寬大的斷裂帶上，上部為斷層泥與破碎礦物質(zhì)組成，礦層穩(wěn)定性較差。受礦體走向的限制延伸長(zhǎng)度比較短，礦層厚度會(huì)出現(xiàn)差異性變化，同時(shí)對(duì)礦山生產(chǎn)造成一定限制，所以將采礦設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，將新城金礦內(nèi)分為5個(gè)區(qū)域，設(shè)立17個(gè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)礦區(qū)內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，依照測(cè)量結(jié)果構(gòu)建礦區(qū)應(yīng)力模型，通過(guò)運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)礦區(qū)采場(chǎng)的開(kāi)采次序及采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，有效控制了采場(chǎng)地壓。

3.3 在礦場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)優(yōu)化分析中的應(yīng)用

在優(yōu)化地下礦山采礦設(shè)計(jì)過(guò)程中，金屬礦床的形成、賦存狀況等都會(huì)都受到地應(yīng)力場(chǎng)的影響，因此地應(yīng)力是重要的切入點(diǎn)。第一，應(yīng)用盤區(qū)上向高分層連續(xù)回采充填采礦工程，可以使采場(chǎng)的生產(chǎn)能力、采礦強(qiáng)度有效提升，并降低采準(zhǔn)工作量和生產(chǎn)成本。實(shí)現(xiàn)連續(xù)開(kāi)采，可以加大盤區(qū)中回采的采場(chǎng)數(shù)目而提升盤區(qū)生產(chǎn)能力，得以將機(jī)械化無(wú)軌作業(yè)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮。同時(shí)這樣一來(lái)也可加大采場(chǎng)的安全性，減少采礦工程中產(chǎn)生的損失率、貧化率；第二，在采礦設(shè)計(jì)中，可應(yīng)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行定量計(jì)算和分析，優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、開(kāi)采順序等。采用品字型采場(chǎng)布置方式，并應(yīng)用免壓拱開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采，在采場(chǎng)中其圍巖的應(yīng)力分布更加合理，可有效控制采場(chǎng)的地壓，部分區(qū)域的應(yīng)力降低開(kāi)采，可以增強(qiáng)其安全性；第三是優(yōu)化采場(chǎng)的鑿巖爆破參數(shù)，達(dá)到節(jié)約爆破成本的目的；第四，要優(yōu)化配置采礦工程的無(wú)軌采掘設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)其全盤機(jī)械化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)效率的提升；第五，要加強(qiáng)對(duì)采場(chǎng)地壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)，以保障地壓控制和生產(chǎn)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步中，巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中應(yīng)用更加廣泛，但在充分應(yīng)用其優(yōu)勢(shì)時(shí)，也要認(rèn)識(shí)到其不足和缺點(diǎn)，積極克服其中地應(yīng)力和邊坡滑移等問(wèn)題，發(fā)展新的技術(shù)手段，使采礦事業(yè)更好地發(fā)展。