綠色礦山開采綜合規劃方案探討與研究

董占祥，劉 寶

（中國建材地質勘查中心甘肅總隊 天水三和數碼測繪院有限公司，甘肅 天水 741000）

國民經濟發展離不開采礦工業支持，豐富且多樣化的礦山開采資源，能夠為社會發展提供強大能源支撐。進入21世紀以來，環境問題不斷加劇，尤其是采礦行業在大力發展背景下，礦山周圍環境破壞極為嚴重。針對該現象，一些研究人員通過實地考察與技術測量，制定礦山開采綜合規劃方案，將控制開采環境質量作為關鍵之一，加強礦山開采過程中，對四周環境的保護。徐荃、吳志波、陳小偉等人，將修正Mathews穩定圖表法，與數值模擬軟件相結合，優化采場布置形式和結構參數，控制開采位置[1]。研究結合文獻[1]提出的觀點，討論與分析全新的綠色礦山開采綜合規劃方案，為綠色理念下的礦山周邊，提供更加便于治理與保護的環境。

1 綠色礦山開采綜合規劃方案

1.1 計算礦山原巖應力場

為加強方案規劃的合理性，作出以下假設：默認礦山的巖體是均勻且同性的連續介質；不考慮地下水、地溫以及爆破震動等自然因素和人為因素；默認礦山巖體完整，不存在特殊性結構層；假設礦體走向發生變化時，礦體厚度和傾角不會隨之改變。通過測試調查獲取巖體力學參數、翻閱大量文獻，以工程類比的手段獲取充填料物理力學參數，包括上盤圍巖、下盤圍巖、礦體、膠結充填體以及非膠結充填體的容重、內聚力、內摩擦角、泊松比、單軸抗壓強度以及彈性模量。已知進路跨度、進路高度、礦房充填以及礦柱充填，都會直接影響礦山開采的穩定性，結合聲發射凱澤效應點測地應力原理，采用聲發射加載的方式，獲得待開發礦山的三維地應力場分布狀態。當礦區原巖的埋深在335m之下時，則礦區原巖應力值的分布規律，可通過下列公式計算獲得：

公式中：qh,max、qh,min分別表示深度增幅為h時，水平主應力的最大值和最小值；a1、a2、a3表示不同的計算常量，根據測量軟件得出；c1、c2以及c3表示制約系數；H表示超過335m的埋深；qv表示方向為v的垂直主應力[2]。通過上述計算獲得不同深度增幅下，主應力的水平最值和垂直數據，實現對礦山原巖應力場的計算，為綜合規劃提供原始數據。

1.2 選取巖體破壞準則

真實準確的礦山原巖應力場計算結果，是選擇合適巖體破壞準則的必要條件，能夠增強規劃方案與礦區賦存巖性之間的關聯性。已知巖體本身具有裂隙、位移等軟弱結構面的非均質結構體，為此結合強度折減理論，根據公式（1）的計算結果，獲得整個礦山空間應力中的最大主應力，用參數q1來表示，該值的一般計算公式為：

公式中：qb表示巖石的單軸抗壓強度；α、β分別表示待定系數。改進上述計算公式，引入巖體常數d，則巖塊的單軸抗壓強度值為：

公式中：qd表示巖體常數為d時的原位強度；F、θ表示礦山巖體常數；M表示礦山中包含的巖塊結構數量。根據多次論證分析，發現巖體所受荷載超過極限值后，自身會出現裂紋以及位移等破壞現象，而剪切屈服函數與拉應力屈服函數的融合，可以獲得破壞包絡線，也就是彈塑性本構模型中，通過拉破壞和剪切破，得到材料產的破壞結果。所以結合屈服準則的一般定義，選擇適合綠色礦山開采的巖體破壞準則，該準則可通過下列公式獲得：

公式中：f表示巖體破壞程度評估系數；q1、q3根據上述兩組公式計算獲得；λ表示內摩擦角；表示粘聚力。當上述公式的計算結果小于0時，即存在f＜0的條件時，說明此時的礦山巖體為彈性變形；當公式的計算結果大于0，也就是f＞0時，則說明此時的礦山巖體出現剪切破壞的現象。通過上述公式的計算結果，依靠巖體破壞準則，實現對礦山巖體破壞程度的評估。

1.3 基于綠色保護理念確定開采深度

綠色保護理念要求礦山開采工作，將開發產生的垃圾、整體開發環境以及后續的環境治理工作，控制在合理的要求之內，將開采的礦山周圍的生態破壞控制在最低，為此結合綠色保護理念，確定礦山開采深度，實現開采方案的合理規劃。特殊條件提出了“三下”采礦要求，該要求需要結合巖體破壞準則得到的水平與垂直主應力，確定安全條件下的開采深度，也就是要求地表建筑物與停采線標高之間，需要設置一定尺寸的保護層礦柱，加強開采過程中作用力的緩沖，防止開發的礦山周圍出現地表下陷的問題[3]。這一要求將段未充滿的空間，視為金屬礦山膠結充填的同一層開采，根據形成的采空區選擇多層次礦山開采技術。為此基于綠色保護理念的礦山開采深度，通過下列公式計算開采深度：

公式中：s表示與覆巖巖性及松散層情況相關的系數；γ表示綠色環保要求準則；∑m表示按m個開采段劃分的未充填滿的空間；k表示中段數量。通過上述計算確定開采深度，為礦山開采綜合規劃方案提供更加詳細的數據。

1.4 綜合規劃與布置礦山開采位置

根據開采深度建立礦山力學模型，通過設置上盤、下盤以及塌陷區域，描述礦山的基本形態結構特征。由于應力場比較復雜，所以考慮自重應力場的影響程度，結合公式（5）的計算結果，計算自重應力與自重應力的水平分量，公式為：

公式中：p1、p2分別表示待求的應力和分量；x表示巖體容重；?表示巖層泊松比。通過上述計算結果，構建一個具有自適應能力的礦山模型，結合模型的實際沉降和位移變化情況，綜合規劃與布置礦山開采位置。綜合上述過程，實現對綠色礦山開采方案的綜合規劃，為礦山開發的安全性和穩定性，提供更加合理的方案。

2 應用研究

為了驗證此次提出的規劃方案，更能滿足綠色礦山開采要求，將常規設計下的規劃方案作為對照組，將文中設計的規劃方案作為實驗組，比較兩組方案應用下，W市Z礦山和Y礦山的不同開采位置，對整個礦山周圍生態的破壞嚴重程度。實驗組將Z礦山作為應用對象，對照組將Y礦山作為應用對象，下圖1為兩組方案應用下，礦山綠色指標的變動情況。

圖1 礦山綠色指標變動情況

根據圖1所示的測試結果，發現文中方案與常規方案應用下，礦山的綠色指標均有下降，與實際工況一致。結合兩組指標的差異性不難看出，同樣的測試背景中，研究方案應用下的礦山綠色指標，盡管呈下降趨勢，但下降幅度要緩于對照組。計算整個開采周期內，兩組方案應用下的礦山綠色指標差異，結果如下表所示。

綜合表1計算得到的礦山綠色指標差異值，可知研究的綜合規劃方案應用下，礦山的綠色指標更高，說明選擇的礦山開采位置，滿足綠色環保要求。而常規方案的應用下，礦山綠色指標隨著開采周期的增加，而大幅度下降，且沒有趨于平緩的趨勢。為了保證實驗結果是真實可靠的，統計最后一個開采周期時，兩組方案應用下的礦山綠色指標，分別為0.8972和0.6443，根據該結果可以明顯看出，研究方案應用下的綠色指標，經歷較長的開采周期后，也能控制在一個較高的范圍內，而常規方案應用下的綠色指標一直遞減，沒有減緩趨勢。綜合上述實驗測試結果，能夠論證文中方案綜合規劃與布置的開采位置更加合理。

表1 礦山綠色指標差異值統計

3 結語

此次研究總結常規設計下礦山開采方案存在的不足，引入綠色環保這一理念對整體方案進行優化，取得了較為滿意的研究成果，為綠色礦山開采提供更加完善、合理的規劃方案。但綜合此次提出的規劃方案不難發現，許多數據的來源都需要大量實地勘察，該方案的建立可能會有較大的人工成本；同時得到的勘察數據體量極大，因此數據處理過程耗時較長、計算困難。針對上述問題，利用遙感或者雷達技術實地勘察，降低人工費用，構建具有智能化計算效果的模型，降低數據計算難度提高數據處理速度。