復雜地質條件下礦山地壓分布規律分析

賀俊醒

（柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州 423037）

在論述地壓分布規律時，地應力是必須提及并重視的一種自然力學現象。所謂的地應力，通常指長期存在于天然地層中，沒有被人為或非人為因素擾動過的一種天然應力，也被成為是原巖應力或者巖體初始應力等。正是由于地應力的普遍存在，才是的巖土工程以及相關作業過程中會產生不確定的地質地壓變化，破壞作業環境、威脅人員安全。只有完全掌握了工程作業區域內的地應力分布及相對規律，形成地壓規律監測模型，才能有效避免災害事件發生。

1 國內針對復雜抵制礦山地壓研究方法

由于地應力在自然地質環境中的普遍存在，危機巖土工程作業的安全。因此，在開展巖土工程作業之前，應該對作業區域的地應力分布規律進行全面測量與分析，并且依照測量結果制訂緊急事件處理預案，以有效保障工程作業人員的生命安全[1]。事實上，針對地表地應力的測量與分析工作是一門相當復雜的科學學問，國內外都針對這一問題提出了相當多的學科調研與研究。我國在該項目的研究上，依舊有了長足的進步，并且已經形成了相對成熟的調查與分析體系。

（1）巖石力學的基礎性質研究。隨著計算機數據分析技術的長足進步，模擬實驗和力學實驗都得到了極大的發展。人們在認識巖石力學和運用該學科的同時，也極大促進了學科的進步和實際應用的發展。目前，國內已經具備了模擬巖石性能的手段，并且能夠做到對巖石應力的監測可以推演出一定時間后的性能變化，極大推動了巖土工程作業的安全發展。

（2）地壓數值的虛擬模型研究。在地壓數值虛擬模型的研究上，主要存在四種方法，分別是：有限單元法、有限差分法、邊界元法和離散單元法。隨著對巖土非線性問題的提出，又誕生了其他更為先進的研究方法。如拉格朗日元法等。

（3）巖土工程的材料模擬研究。材料試驗的研究，包括材料模擬的研究，在極大程度上促進了巖土工程的發展。無論是相關水利、采礦和地質作業研究上，對材料的模擬研究能夠極大推動巖土工程對客觀環境條件的安全等級分析。這對于開展巖土作業，選擇挖掘區域、作業空間布局以及采用的作業輔助結構和設備而言都十分重要。

（4）整體結構的非線性分析法。在傳統的力學研究中，研究的受力對象通常是一整個物體。然而，在巖土工程中，巖體的受力情況卻并不適宜，主要是因為巖體大多是不連續的，甚至存在大量的斷層以及褶皺問題。因此，就必須引入非線性分析方法對實際巖石力學進行受力分析和學術研究。其中，影響最深遠的是突變理論，主要強調穩定性理論基礎。

（5）人工智能的專業數據分析。人工智能是一門新興學科，總體包含的內容很多，但主要作用提現在利用更加具有科技含量的設備進行實際現場勘察，并且在決策上具有更為全面、客觀的輔助功能，尤其是借助大數據分析的預測功能對巖土工程作業而言具有極高的現實意義[2]。

（6）損傷力學的地壓研討應用。損傷力學的研究，主要是為解決巖體出現斷裂、損壞情況下，如何確定其力學性能的問題。集中體現在巖體出現損傷后的力學性能表征以及計算機虛擬模型受力分析問題上。

2 程潮鐵礦工程中的地質調查與巖石力學實驗

2.1 程潮鐵礦礦區地質調查

程潮礦區在東西走向上達到3000m，南北走向1500m的規模，礦區面積達到4.5平方千米水平。地勢上屬于標準的低海拔山丘地貌，山脊部分的延伸主要受到地下地質構造的影響，其延伸的方向也基本上順從深層地質結構的走向，由西北向東南方向伸展。地勢東北高、西南低，造成山體水流方向以西出為主，大雨時節需要考慮雨水倒灌工程體的情況。

2.2 礦區東西區結合帶工程地質調查

（1）結合帶基本情況。在結合帶區域內，巖體的整體密度偏大，并且伴隨有細粒的花崗巖鋪墊，對整體的節理密度影響很大。剪性節理面整體比較光滑，并且伴隨有閉合節理存在。

（2）閃長巖。主要由更長石組成，附帶有少許角閃石，使得整體呈現出致密、堅硬的性質，很容易被壓碎。節理方位的分布相對比較零亂，尤其形態不存在規律性。

（3）花崗巖。花崗石的整體性能比較強，巖石性能以堅硬為突出特點，節理面光滑平整，部分面存在刮劃痕跡但并不影響性能。

（4）礦體。礦體呈現出細微粒狀結構，并且伴隨著塊狀構造，整體結構比較細密，屬于保存較好且具備相當穩定性的礦石。礦體的節理性質和周圍的巖體結構頗為相似，也是剪性節理結構的代表，但是其節理的發育程度卻比不上閃長巖和花崗巖。

2.3 巖石力學的參數試驗

（1）試件的選擇與制備。在進行巖石力學參數試驗時，主要借助YE200型液壓機、各種傳感器來實現。除此之外，還需要有電阻應變荷重傳感器等幫助進行測量。

（2）巖石力學參數實驗測試系統。在巖石力學參數試驗中，主要需要測量巖石眼本的密度、抗拉強度，并且通過實際參數測量的結果還原整個礦區的受力情況和施工影響。

3 程潮鐵礦東西區結合帶地壓分布規律的數值模擬

本文重點介紹關于地下395米和地下430米情況下，程潮鐵礦的地壓分布情況。從實際勘察的情況來看，在地下深度達到430米后，整個地下礦體的地質結構是緊密聯系成一體的，東西區域內的開采環境都需要進行連通處理。利用大型的計算機軟件設備，建立起整個礦區的三維有限元地下模型。結合實際勘察得到的真實地質數據，代入到模型中進行數據分析，最終得出礦區地下的地壓分布規律。

3.1 三維有限元幾何模型的建立

（1）物理模型的建立。在建立模擬數據模型之前，首先要對整個礦區的基本地質情況和有關研究問題進行重點模型數據規劃研究，也就是建立一個初級物理模型幫助分析。在實際地質勘察過程中，已經對不同地下深度的巖石層、礦體區以及天然或人為塌陷區進行了深度探索。整個礦區內部的三維空間關系以及相關數據已經得到充分驗證，并且進行了模型比例轉化。

地質勘察模型的建立是一門非常復雜的學問，物理模型只能從宏觀視角下今進行粗略的還原，重點在于尋找空間結構和空間比例的統一。根據課題研究的重點，分別進行有效模型推演，尤其注重客觀環境對模型參數統計的影響。

（2）有限元模型的建立。有限元模型的建立主要依靠ANSYS 12.0的強大運算能力和虛擬空間建模能力。通過整個網格空間區域劃分功能，實現虛擬建模的有效數據比例還原。通過控制比例以及實際單元的具體尺寸，尋找空間關系。在物理模型的基礎上，對細節部位進行有效數據填充，以幫助實現更為準確的模型還原。

（3）巖體物理力學參數的選取。要想使有限元模型的結果更有實際應用價值，就必須對模型的具體參數進行有重點的篩選，尤其是對巖層各項數據進行重點選擇與使用。巖石參數的使用，必須建立在實際巖石樣本的參數實驗數據的基礎上，塌陷區的數據采集也要有相關文獻和實際理論研究作背書。

（4）邊界條件以及求解。除了考慮正向作用力和巖體參數外，整個工程不同地層深度和結構的重力影響、側應力影響也都在模型研究的考慮范圍內，也就是常說的邊界條件。在虛擬模型中，任何一側的邊界施加法向作用力都將是影響工程作業設備的重要因素。

3.2 程潮鐵礦東西區結合帶地壓分布規律模擬結果

雖然從理論上來說，采用實際勘察與巖石力學實驗相結合的辦法進行虛擬空間建模，能夠基本還原作業地質環境具有非?？煽康臄祿⒖純r值，但是由于軟件系統自身承載能力有限，很多的巖石結構和礦體結構在制作模型時不得不進行簡化處理，這就使得整體模型的數據測量結果可能存在一定誤差，需要由相關從業人員用自身的經驗彌補模型表征缺陷。

（1）礦區整體地應力分布規律。從模型的力學模擬角度上來說，整個礦區地下環境中，主應力集中在-29.6MP到1MP之間，拉應力和壓應力之間的差異是非常明顯的，主要表現是拉應力為主，越往深處走受到的壓應力效應越明顯。這在力學研究中，符合非常明顯的地表淺層受力基本規律。除此之外，受地下地壓規律影響最大的區域普遍在塌陷區，并且該區域底部受到的影響最大、范圍最廣，并且最大主應力和地處深度之間存在正相關。

（2）程潮鐵礦-395米水平地壓分布規律。在-395米的地層，地質受到的最大主應力和最小主應力會發生一定的變化，主要體現在應力峰值的差異上，最大拉應力能夠達到12.8MP，最小則是3.60MP。地壓的最大值主要存在于東部礦區的底部，并且受到重力的影響較大。

（3）程潮鐵礦-430m水平地壓分布規律。在該水平上，模型的最大主應力峰值相比于395m并沒有發生太大變化，集中受力區域也還是在礦體的底部，但是更加偏向于東西區的結合帶。

4 結語

綜上所述，在礦山地壓分布規律測量與分析工作上，其工程作業量之艱巨和相關學科理論之復雜程度之高都是顯而易見的。盡管依托現代化科技手段，已經能夠做到對工程作業區域地質情況的大部分監測與分析，能夠在緊急事件發生時有完整的應對預案。但是，地質活動以及深層地面的運動情況還不在人類的掌控范圍，很多可能的或者預想不到的情況依舊有很大的發生概率。因此，還需要有更加先進的科學研究以及更為全面的緊急部署，以切實保證工程作業人員的生命安全。