試論金屬礦山采礦工程中巖石力學(xué)的應(yīng)用

柳云成

（云南瀾滄鉛礦有限公司，云南 瀾滄 665600）

0 引言

隨著金屬材料的應(yīng)用和消耗不斷增多，其需求也在日益提升，對礦山開采明確提出更高要求。巖石力學(xué)是具體指導(dǎo)采礦工程專業(yè)的設(shè)計方案的前提，也是保障開采安全、有效的基礎(chǔ)，主要應(yīng)用巖體勘察和地應(yīng)力勘測設(shè)計采掘計劃方案[1]。在實際操作中，需要了解巖層的特征，做好應(yīng)力場測繪工作，充分認(rèn)識深層采掘的危害性。

1 簡述巖石力學(xué)

巖石力學(xué)是一門科學(xué)研究環(huán)境中巖石構(gòu)成和巖石轉(zhuǎn)變因素的綜合型學(xué)科。該學(xué)科廣泛用于很多大型工程，是建筑工程設(shè)計和施工的理論依據(jù)。巖石力學(xué)理論與實際工程實踐具有緊密聯(lián)系，需要逐步完善。巖石力學(xué)以巖石為研究對象，認(rèn)為其為地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的“介質(zhì)”，具有不連續(xù)特性[2]，如圖1 所示。受板塊運動等因素影響，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成應(yīng)力場，建筑施工也會導(dǎo)致巖石地應(yīng)力釋放形變。因為巖石的不連續(xù)性，致使不確定性，而巖石力學(xué)可研究這一不確定性。

圖1 巖體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)采礦技術(shù)以工作經(jīng)驗為基礎(chǔ)，因開采欠缺技術(shù)性、不合理，所以開采效率不高。隨著科技的不斷發(fā)展，采礦技術(shù)明顯提高，基礎(chǔ)理論研究也不斷深入，牽涉到不同的內(nèi)容。巖石力學(xué)理論的明確提出為開采工作的高速發(fā)展提供了具體指導(dǎo)。巖石力學(xué)的研究方向主要包括地應(yīng)力精確測量、邊坡加固設(shè)計方案、井下圍巖穩(wěn)定性研究、開采工藝技術(shù)和設(shè)計方案、巖石爆破技術(shù)、地面沉降處理等內(nèi)容。在采礦工程專業(yè)中，可根據(jù)具體開采環(huán)境和巖層自然環(huán)境，科學(xué)設(shè)計工程內(nèi)容，處理問題。

2 巖石力學(xué)在采礦工程中應(yīng)用

2.1 地應(yīng)力測量方法

地應(yīng)力是通過板塊運動所引起的巖土形變。在工程施工過程中，受到基坑開挖的外力作用，巖石也常出現(xiàn)形變。精確測量巖石的地面地應(yīng)力，可為礦山開采基坑開挖提供具體計劃方案指導(dǎo)。在掌握基坑開挖地區(qū)地貌管理方法的前提下，能夠確立基坑開挖位置和方向，明確最后的支撐模式和結(jié)構(gòu)，保證基坑開挖環(huán)節(jié)中巖石的穩(wěn)定。

礦山開采中的基坑開挖需要根據(jù)彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論來判定巖石的橫截面結(jié)構(gòu)和形狀，以防止應(yīng)力集中。假如巖石橫截面為橢圓形，壓力均勻，基坑開挖應(yīng)該考慮巖石的主應(yīng)力方位，以保證主應(yīng)力方位與壓力方向平行，降低地應(yīng)力對巖石的損害。地應(yīng)力精確測量可使用3D 模型，如圖2 所示。

圖2 地應(yīng)力結(jié)構(gòu)

地應(yīng)力精確測量是基于彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論，開展巷道和采場斷面主應(yīng)力的比率測量。測量的根本目的是防止應(yīng)力集中，科學(xué)合理的計算和分析是采礦工程專業(yè)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。計算機模擬技術(shù)廣泛用于地應(yīng)力值精確測量中，可根據(jù)定量分析技術(shù)的有效應(yīng)用，掌握初始應(yīng)力值，并且為特定的開采設(shè)計方案提供支持。因為巖層地應(yīng)力的影響因素受地質(zhì)環(huán)境的作用比較大，應(yīng)力狀態(tài)也具有一定的多元性。現(xiàn)場測量是最準(zhǔn)確、直接的方式，項目實施前需要特別注意。

2.2 巖石力學(xué)在采礦工程中實際應(yīng)用

應(yīng)力精確測量需在基坑開挖前進(jìn)行，可通過數(shù)據(jù)信息科技仿真模擬基坑開挖巖石及周圍區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，通過好幾個點精確測量。三維模擬應(yīng)該選擇6 個點做為地應(yīng)力座標(biāo)，明確3 個主應(yīng)力，并明確尺寸和方位。因為測量點的巖石規(guī)格無法明確，大時可以達(dá)到千余立方。為了確保地應(yīng)力測量的精確性，應(yīng)該考慮巖石的環(huán)境條件，保障測量點的總數(shù)能夠滿足戰(zhàn)略需求，科學(xué)合理創(chuàng)建地應(yīng)力實體模型。

常見的運用方式主要包括水壓致裂法和應(yīng)力解除法兩種[3]。其中，水壓致裂法的實際操作不便，必須在巖石上打孔；而應(yīng)力解除法是一種相對全面的操作，使用方便、結(jié)論精確，是當(dāng)前常用地應(yīng)力測量法。操作方式主要包括：①從巖石表層向里開洞，當(dāng)孔位接觸測量點終止。直徑為15cm，深度大約為巖石區(qū)煤巷或隧道的25 倍，以保證獲取原始地應(yīng)力數(shù)據(jù)信息。②以形成的大孔為基礎(chǔ)，在底端打一個同心孔，為在孔內(nèi)安裝攝像頭作準(zhǔn)備。小圓孔的孔徑保持在3.7cm，深度大約為直徑的10 倍，以保證同心孔的中間地區(qū)處在平面應(yīng)變狀態(tài)下。③安裝探頭設(shè)備，應(yīng)用比較好的空心包體應(yīng)變計開展地應(yīng)力精確測量，并將其固定在小孔中央。④繼續(xù)延伸大孔區(qū)域，，觸碰小圓孔四周的地應(yīng)力，紀(jì)錄機器設(shè)備采集的小圓孔形變數(shù)據(jù)信息。

3 采礦工程在采礦設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 設(shè)計理念

金屬材料開采的穩(wěn)定性和安全性受地應(yīng)力的影響較大。以地應(yīng)力作為開采的基本條件，聯(lián)系工程周邊的地質(zhì)和水文條件，設(shè)定開采標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行合理布局，完成參數(shù)設(shè)計和支撐結(jié)構(gòu)加固，才能保證采礦工程專業(yè)的合理性。實際設(shè)計構(gòu)思包括：數(shù)據(jù)采集、基本設(shè)計方案、定量分析、管理決策、技術(shù)性工程施工、現(xiàn)場檢測、計劃方案改善[4]。受開采巖石環(huán)境的作用，可選用兩段基坑開挖技術(shù)實現(xiàn)定量檢測和定量分析，操作步驟為：資料收集→方案設(shè)計→定量分析→決策優(yōu)化→技術(shù)施工→現(xiàn)場檢測→完善方案。

3.2 采礦方法具體應(yīng)用

某金屬礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為斷裂帶，上層含有大量碎巖，礦體長度比較短，厚度較大。地區(qū)周圍有道路和水稻田，必須防止基坑開挖環(huán)節(jié)中地面塌陷，對采掘技術(shù)要求很高。根據(jù)以上工作原理，設(shè)計工程采掘計劃方案，控制施工成本。設(shè)計方案區(qū)域內(nèi)含22 個測量點，保持6 個水平的應(yīng)力計算，并在這個基礎(chǔ)上建設(shè)模型，應(yīng)用技術(shù)如下。

（1）在頂層設(shè)計回采填充加工工藝。該技術(shù)成本較低，可以實現(xiàn)好幾個采場間的協(xié)同工作。能夠確保整個回采過程的安全性，提升了開采效率。初步設(shè)計后，可運用信息技術(shù)構(gòu)建模型對方案開展定量分析，依據(jù)采場具體情況和巖體樣子，確立開采次序，明確結(jié)構(gòu)參數(shù)。“品”字形開采，控制采場地壓，中間地區(qū)設(shè)計“拱”字形，完成對應(yīng)力的控制，并作為主要采掘地區(qū)，保證開采安全。

（2）優(yōu)化工程爆破主要參數(shù)，提升巖石爆破效率，提高礦物資源的開采水平。為了減少工程爆破過程的成本，改進(jìn)和優(yōu)化開采自然環(huán)境。選用無軌設(shè)備進(jìn)行開采工作，實現(xiàn)全方位的機械化操作，達(dá)到控制成本、提高工作效率的目標(biāo)。

（3）現(xiàn)場監(jiān)測選用地壓實時檢測方式，不但確保對地壓的科學(xué)檢測，也確保生產(chǎn)的安全性。因此，根據(jù)巖石力學(xué)的開采設(shè)計方案，應(yīng)充分考慮地應(yīng)力對實際施工的規(guī)定，使用以上方法開展具體采礦作業(yè)。應(yīng)用以上設(shè)計內(nèi)容，預(yù)估礦山開采生產(chǎn)量至少到80%，損失率控制在45%以內(nèi)，礦產(chǎn)量提高36%。

4 巖石力學(xué)在露天礦邊坡設(shè)計中的應(yīng)用

4.1 設(shè)計重點

巖石力學(xué)理論還會用于一些露天礦山的建設(shè)與采集，邊坡應(yīng)依據(jù)巖層地應(yīng)力來設(shè)計和優(yōu)化。在我國絕大多數(shù)露天礦山已逐漸轉(zhuǎn)變成深凹采掘，采掘深度超過200m，部分邊坡垂直高度達(dá)到600mm，又高、又陡，嚴(yán)重影響礦產(chǎn)資源開采的安全。這種情況可應(yīng)用巖石力學(xué)理論，通過減少坡角剝離控制開采成本。角度越高，越需要減少剝離量，成本越少。因而，為了金屬礦成本，應(yīng)依據(jù)巖石力學(xué)理論優(yōu)化邊坡設(shè)計方案。

4.2 設(shè)計優(yōu)化方案

礦山的邊坡設(shè)計主要依據(jù)極限值平衡法。我國很多大型露天礦區(qū)邊坡視角比較緩，設(shè)計方案欠缺專業(yè)性，導(dǎo)致成本較高。極限值平衡法是一種科學(xué)合理、全面的邊坡設(shè)計方法。但是因為邊坡穩(wěn)定性也會受到巖層應(yīng)力的影響，假如礦山是深凹露天煤礦，應(yīng)用此方法不能達(dá)到最理想的效果。

邊坡設(shè)計中必須將傳統(tǒng)邊坡設(shè)計構(gòu)思與現(xiàn)階段的信息內(nèi)容技術(shù)相結(jié)合，考慮到地應(yīng)力對巖層環(huán)境和開采的影響，選用定量計算方式，實現(xiàn)邊坡的科學(xué)設(shè)計。本文以山坡露天煤礦為例，明確邊坡設(shè)計執(zhí)行線路。具體為：定量分析邊坡角度，確立邊坡方案設(shè)計，提高邊坡角度，降低剝離量。在實際操作中，應(yīng)密切關(guān)注巖石構(gòu)造。一般巖石構(gòu)造包含斷層、不連續(xù)結(jié)構(gòu)和非線性結(jié)構(gòu)。可運用三維離散元程序，合理模擬邊坡值的設(shè)計。通過三維數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性的控制。在實際操作中，應(yīng)結(jié)合多種方式，考慮到礦山開采巖石的具體情況，通過多次檢驗和比較，明確最后數(shù)據(jù)信息，為邊坡固定提供數(shù)據(jù)。具體步驟為：數(shù)值模擬→坡角明確→定量分析→三位模型→反復(fù)驗證。

5 巖石力學(xué)在災(zāi)害預(yù)測與防治中的應(yīng)用

5.1 設(shè)計重點

金屬礦山在開采中可能出現(xiàn)坍塌、沖擊、巖層爆炸等諸多問題。一旦發(fā)生災(zāi)害事故，會對周邊環(huán)境造成負(fù)面影響，導(dǎo)致巨大經(jīng)濟損失。巖層爆炸事故殺傷力較強，案例很多。盡管我國加大了對巖層爆炸事件基本原理研究力度，將巖石力學(xué)與災(zāi)難預(yù)測分析緊密結(jié)合，為礦產(chǎn)資源開采提供一定的指導(dǎo)。但目前災(zāi)難預(yù)測分析和預(yù)防技術(shù)的發(fā)展仍然存在一些問題，如何有效設(shè)計方案，利用巖石力學(xué)實現(xiàn)預(yù)測仍然是科學(xué)研究重點。

5.2 技術(shù)路線

根據(jù)礦山的具體勘察結(jié)果，在此基礎(chǔ)上搜集、整理和分析數(shù)據(jù)。首先，精確測量地應(yīng)力，科學(xué)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，開展地應(yīng)力試驗，收集和梳理現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)信息。其次，運用演化手段確立巖層爆炸的原理，分析巖層發(fā)生爆炸與地質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，定量預(yù)測巖爆炸的概率，運用信息科技梳理礦山空間強度和時間參數(shù)，模擬巖層發(fā)生爆炸參數(shù)。最后，結(jié)合預(yù)測分析和預(yù)防，綜合考核研究，保證安全生產(chǎn)。實際技術(shù)方案為：資料收集→參數(shù)設(shè)計→綜合防治。

5.3 準(zhǔn)備工作

儲存在巖石中的彈性能量可在外力作用下釋放出應(yīng)變能。本次案例運用地應(yīng)力測量法，開展巖石力學(xué)試驗，通過三維有限元模擬測算，測算巖石里的應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生爆炸標(biāo)準(zhǔn)，討論巖層發(fā)生爆炸的概率和巖層發(fā)生爆炸后殺傷力[5]。定量分析深度、能量、沖擊性等主要參數(shù)后，依據(jù)巖層的性質(zhì)、彈性和切力評價巖石的地應(yīng)力，最后分辨巖石發(fā)生爆炸的概率，防止實際礦源采掘環(huán)節(jié)中可能發(fā)生的難題。

5.4 具體應(yīng)用

地應(yīng)力相對較高的巖石中可能存在大量應(yīng)變能量。若是在采掘環(huán)節(jié)中堆砌損壞，導(dǎo)致能量釋放和巖層發(fā)生爆炸，會對周邊環(huán)境造成極其惡劣影響。項目設(shè)計選用現(xiàn)場勘察和三維模型建設(shè)，測算有限元分析值，分析巖石內(nèi)儲存的能量值和外部巖石自然環(huán)境，作為依據(jù)定量計算巖層發(fā)生爆炸的概率和抗壓強度。具體包括：①依據(jù)地應(yīng)力基本原理，明確采掘次序和采掘流程，有效運用卸壓開采技術(shù)，防止部分巖石地應(yīng)力提升，釋放出巖石彈性能量產(chǎn)生巖爆。②在確立巖層環(huán)境和巖石結(jié)構(gòu)的前提下，有效填充采空區(qū)域。填充物體必須確保抗壓強度，適用地應(yīng)力，降低空區(qū)太大所引起的巖層爆炸事件。③用噴錨網(wǎng)固定巖石，運用噴錨裝置的推動作用，確保巖石在可控范圍內(nèi)的柔性，使圍巖在移動環(huán)節(jié)中緩慢釋放能量，減少災(zāi)難釋放效果。④爆破設(shè)計應(yīng)有效，防止工程爆破所引起的巖石震動，從而產(chǎn)生巖爆反應(yīng)。⑤建立和完善監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，確立圍巖活動規(guī)律和穩(wěn)定性等主要參數(shù)，掌握具體巖石能量釋放情況，為預(yù)防災(zāi)害奠定基礎(chǔ)。

以上措施的運用能夠?qū)崿F(xiàn)圍巖的保護(hù)，減少開采環(huán)節(jié)中產(chǎn)生災(zāi)難的概率。巖石力學(xué)的實踐應(yīng)用，應(yīng)結(jié)合具體開采條件和采礦環(huán)境，以綜合性勘測、精確測量為基礎(chǔ)，確保計劃方案科學(xué)合理，充分發(fā)揮巖石力學(xué)的積極意義，減少開采成本，提升開采效率。

6 結(jié)語

綜上所述，巖石結(jié)構(gòu)是決定開采項目進(jìn)展的重要因素。為了保證采礦工程的質(zhì)量，提升開采效率，務(wù)必提前準(zhǔn)備相應(yīng)的開采工作和地質(zhì)勘探工作。以巖石力學(xué)有關(guān)基礎(chǔ)理論為原則，具體指導(dǎo)金屬礦山開采的設(shè)計工作，可有效減少開采過程的運營成本，提升開采深度和效率，具有重要的意義。