巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用

曹雨

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)(葫蘆島校區(qū)),遼寧葫蘆島 125100)

巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用

曹雨

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)(葫蘆島校區(qū)),遼寧葫蘆島 125100)

巖體力學(xué)是介質(zhì)于力學(xué)和地質(zhì)學(xué)之間的邊緣學(xué)科,多運用于采礦工程之中。文章在闡述現(xiàn)代巖石力學(xué)特點的基礎(chǔ)上,結(jié)合巖石力學(xué)內(nèi)容,對巖石力學(xué)在金屬礦山采礦中的應(yīng)用做具體探討,深入介紹采礦工程中的優(yōu)化設(shè)計方案。

巖石力學(xué) 金屬礦山 采礦工程

巖石力學(xué)作為實踐性與應(yīng)用性兼具的新興學(xué)科,其應(yīng)用范圍涵蓋采礦、建筑、水利、鐵路、公路、石油、地質(zhì)、地震、海洋工程、地下工程等多種涉及巖石工程的工程領(lǐng)域。巖石力學(xué)不僅是上述工程的理論基礎(chǔ),同時也由上述工程的發(fā)展帶動了巖石力學(xué)的進步。最早對巖石力學(xué)的定義是基于材料概念的,并且?guī)в泄腆w力學(xué)和材料力學(xué)的印記。然而隨著工程實踐的進步發(fā)展,以及巖石力學(xué)理論研究的深化完善,人們對巖石及巖石力學(xué)又有了新的認(rèn)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(yīng)是天然地質(zhì)體,具有繁雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及存儲條件,屬基本的“不連續(xù)介質(zhì)”。第二,巖體中有地應(yīng)力,這種地應(yīng)力是在地質(zhì)條件和重力作用下逐漸形成的內(nèi)應(yīng)力,在巖石工程的施工開挖中這種地應(yīng)力被釋放,在“釋放荷載”的作用力下導(dǎo)致巖石工程逐漸變形甚至被破壞。因而研究巖石力學(xué)與以“外荷載作用”為主要特征的結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)的研究有明顯不同。研究發(fā)現(xiàn),巖石在巖體結(jié)構(gòu)、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(xué)的研究應(yīng)改變傳統(tǒng)的確定性研究方法,立足于“系統(tǒng)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(xué)屬于認(rèn)識并控制巖石系統(tǒng)工程功能和力學(xué)行為的科學(xué)。長期以來,采礦業(yè)均運用經(jīng)驗類比法及“查手冊”的形式設(shè)計開采方案,沒有科學(xué)的采礦技術(shù)和采礦方案,采礦工程的復(fù)雜性顯而易見,并成為束縛采礦工程發(fā)展的重要因素。采礦工程是一門繁雜系統(tǒng)的科學(xué)性工程,并不是傳統(tǒng)觀念中的工藝技術(shù),而巖石力學(xué)是將采礦從工藝轉(zhuǎn)向科學(xué)的重要橋梁。

1 礦山地應(yīng)力場測量

1.1 測量重要性

地應(yīng)力是底層中的天然內(nèi)應(yīng)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(xiàn)科學(xué)開挖設(shè)計的必要前提。礦山設(shè)計中,只有充分掌握工程區(qū)的地應(yīng)力條件,才能更加準(zhǔn)確的確定礦山的具體布置,選擇與之相適應(yīng)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(jié)構(gòu)、形狀及其時間,進而更好的保證圍巖穩(wěn)定性,最大化的增加礦石產(chǎn)量,優(yōu)化采礦工程、提高經(jīng)濟效益。從彈性力學(xué)理論上看,采場、巷道的最佳形狀由斷面內(nèi)的主應(yīng)力比值決定,為減少采場周邊及巷道應(yīng)力集中現(xiàn)象,斷面最理想形狀應(yīng)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(nèi)垂直主應(yīng)力和水平主應(yīng)力之比相等。基于此,采場周邊及巷道將處于均勻等壓狀態(tài),這種受力狀態(tài)最為穩(wěn)定。采場、巷道在確定走向時,也應(yīng)結(jié)合地應(yīng)力狀態(tài),使其走向與最大主應(yīng)力方向平行,繼而達到理想走向。

1.2 測量方法

原始地應(yīng)力測量是確定擬開挖巖體與周圍未受擾動的三維應(yīng)力狀態(tài),經(jīng)過一點一點的測量后完成。其中一點的三維力度狀態(tài)用六個分量(σx,σy,σz,τxy,τyz,τyz)表示,其中的坐標(biāo)系按照需要自行選擇,一般來說,以地球坐標(biāo)系為測量坐標(biāo)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(yīng)力的復(fù)雜多變,要求在對某一礦區(qū)的地應(yīng)力進行測定時應(yīng)進行充分的“點”測量?；诖?才能利用數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)值分析、人工智能、建模等方法,創(chuàng)建地應(yīng)力場模型。當(dāng)前地應(yīng)力測量多采用的方法有水壓致裂法和應(yīng)力解除法。其中技術(shù)最為成熟、發(fā)展時間最長的為套孔應(yīng)力解除法。在原始應(yīng)力測定的可靠性上,相較于其他方法,應(yīng)力解除法占有絕對優(yōu)勢。在礦山中運用應(yīng)力解除法更是具備得天獨厚的優(yōu)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(yīng)力測量上,利用應(yīng)力解除法最為可靠經(jīng)濟。

2 地下礦山采礦的優(yōu)化設(shè)計

金屬礦床的形成、賦存及開采穩(wěn)定性都會受到地應(yīng)力場的影響和控制。因此,應(yīng)以地應(yīng)力為基點,對金屬礦采礦進行優(yōu)化設(shè)計。按照實際測得的地應(yīng)力及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、礦巖力學(xué)性質(zhì)等,結(jié)合礦體開采條件,利用定量分析與計算,選擇適宜科學(xué)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(biāo)。具體的優(yōu)化路線為:資料收集→確定初選方案→多方案計算分析→多目標(biāo)決策優(yōu)化→工程實施→現(xiàn)場檢測與分析→修改優(yōu)化最終方案。

3 深凹露天礦邊坡優(yōu)化設(shè)計

3.1 現(xiàn)狀

現(xiàn)如今,我國多數(shù)大中型露天礦山即將由原先的山坡露天開采轉(zhuǎn)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(wěn)定性維護越來越難,邊坡傾倒滑移破壞事故頻繁發(fā)生,嚴(yán)重威脅礦山的生產(chǎn)安全,阻礙了其生產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計過分依賴于經(jīng)驗類比,沒有進行科學(xué)的分析計算。

3.2 對邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)化設(shè)計

國內(nèi)對邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計為極限平衡法這種傳統(tǒng)設(shè)計方法屬于靜態(tài)的確定性的方法,但是實際的邊坡狀態(tài)在開采過程中總是不斷變化的,動態(tài)性及不確定性較強。這種方法在土力學(xué)理論上提出,未能考慮到巖體的斷層、節(jié)理及地應(yīng)力。這些都是對邊坡穩(wěn)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(yōu)化設(shè)計,但不適用于深凹露天礦的設(shè)計。針對極限平衡法的問題及不足,我們應(yīng)采取科學(xué)的現(xiàn)代化技術(shù),綜合考慮巖體條件及地應(yīng)力作用,借助定量計算分析,對深凹露天邊坡進行優(yōu)化設(shè)計。實施路線為:用極限分析方法結(jié)合數(shù)值模擬,對不同邊坡設(shè)計方案及邊坡角進行定量的分析計算,在保證安全的基礎(chǔ)上,盡可能的減少剝離量,提高邊坡角,降低生產(chǎn)成本,提高礦石產(chǎn)量,增加礦山生產(chǎn)效益。路線中的數(shù)值模擬應(yīng)首先考慮巖體的不連續(xù)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(jié)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(guān)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(zhǔn)確。

4 結(jié)語

巖石力學(xué)的應(yīng)用是一項復(fù)雜科學(xué)的工程,應(yīng)運用科學(xué)的方法及技術(shù)進行深入研究。相信隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進步,以及巖石力學(xué)研究者的不懈努力,采礦工程中的邊坡滑移、破壞及地應(yīng)力問題定會得到更加完善的解決,促使我國巖石力學(xué)及采礦工程步入更高的發(fā)展層次,促進我國采礦事業(yè)健康持續(xù)的發(fā)展。

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

[2] 楊仕俊.采礦工程中巖石力學(xué)專業(yè)應(yīng)用的探析[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟,2014(08).

曹雨(1992—),男,遼寧阜新人,本科,12級采礦一班的學(xué)生。