巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用

董宣

摘要： 隨著近年來我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 對于金屬材料的需求量也不斷增加， 由此， 也便對金屬礦山采礦工程提出了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求， 基于這一現(xiàn)狀下巖石力學(xué)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文主要探討了巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程當(dāng)中對于地應(yīng)力的測量， 以及礦山采礦設(shè)計優(yōu)化等方面的內(nèi)容， 希望能夠為相關(guān)的研究人員提供一些有價值的參考。

關(guān)鍵詞： 巖石力學(xué)； 金屬礦山； 采礦工程； 應(yīng)用；

巖石力學(xué)起源于較大規(guī)模的工程實踐， 在發(fā)展初期巖石力學(xué)工程基本都會與采礦工程一同開展。在采礦工程的實踐作業(yè)過程中巖石工程經(jīng)常會有著較大規(guī)模的應(yīng)用， 且所面臨的工作環(huán)境也會十分復(fù)雜。巖石力學(xué)問題始終存在于采礦工程的各個環(huán)節(jié)之中， 一方面， 采礦工程的巖體是經(jīng)過漫長的地質(zhì)演變所形成的地質(zhì)體， 在特定的地質(zhì)環(huán)境當(dāng)中巖體的力學(xué)特性往往會較為穩(wěn)定。另一方面， 因采礦工程有著動態(tài)性的特征， 巖體的力學(xué)性質(zhì)也會受到工程大小與開挖方向而產(chǎn)生相應(yīng)的改變， 并且環(huán)境因素也是一項主要影響因素。基于上述特征也便決定了采礦工程中的巖石力學(xué)有著高度的復(fù)雜性， 因此就必須采用多種手段方式來對其展開研究。

1 巖石力學(xué)概述

巖石力學(xué)是探究巖石力學(xué)性狀的一門理論與應(yīng)用科學(xué)， 是力學(xué)研究最重要的一項分支內(nèi)容。作為近代才逐漸興起的一門學(xué)科， 巖石力學(xué)的應(yīng)用范圍主要包括了公路、鐵路、地質(zhì)、土木、石油、采礦等眾多與巖石工程有關(guān)的工程領(lǐng)域。對于巖石力學(xué)所作出的定義是基于材料概念所提出的， 主要受到材料力學(xué)或是固體力學(xué)的深刻影響。伴隨著相關(guān)巖石力學(xué)理論研究以及工程實踐的持續(xù)深入開展， 人們關(guān)于巖石的了解也取得了重大突破。首先， 要盡量避免將巖石僅僅看作是固體力學(xué)中的一種材料類型， 作為一種天然型的地質(zhì)體， 因此更應(yīng)當(dāng)將其稱之為巖體， 引起具備有相對較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造與賦存條件， 因此也是一種重要的“不連續(xù)介質(zhì)”。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(jìn)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(jìn)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。

2礦山生產(chǎn)特點

（1）礦山生產(chǎn)年份相對較短。在礦山生產(chǎn)的基本條件下，礦山的使用壽命較短是礦山巖石力學(xué)分析中必須考慮的一個重要因素?？偟膩碚f，礦井的壽命在十年到幾十年之間，與其他行業(yè)的情況有一定的區(qū)別。因此，在礦山巖石力學(xué)研究中，有必要通過對其有限時間的分析，來設(shè)計安全穩(wěn)定的工作，為合理使用巖石力學(xué)提供保證，使礦山企業(yè)能夠在經(jīng)濟(jì)效益與安全穩(wěn)定運行之間取得平衡。同時，在礦山工程生產(chǎn)中應(yīng)采用巖石力學(xué)原理，并進(jìn)行巖石穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)分析。分析了時間與時間的關(guān)系，為礦山企業(yè)節(jié)約支護(hù)成本和優(yōu)化結(jié)構(gòu)資源提供依據(jù)。

（2）各類巷道的礦中的作用。在分析礦山巷道的作用過程中，不同類型的礦井巷道的重要性發(fā)生了一定的變化。因此，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會有所不同。在對巷道進(jìn)行設(shè)計時，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行提前的分析。通過對巖體穩(wěn)定方案的合理分析，對巖體的應(yīng)力和強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)整。在這種狀態(tài)下，經(jīng)過精細(xì)的處理，可以完成正常工程項目設(shè)計的內(nèi)容。同時，在工程實踐的背景下，巷道圍巖力學(xué)中存在著不穩(wěn)定現(xiàn)象。如隧道穿越等問題，需要進(jìn)一步分析論證，以調(diào)整工程設(shè)計內(nèi)容，充分實現(xiàn)巷道的功能和穩(wěn)定運行。

（3）巷道更新速度快。對于礦井巷道工程的內(nèi)容，礦井巷道不僅大，而且在不斷更新，主要是因為在礦井生產(chǎn)中，隨著新巷道的掘進(jìn)，舊巷道也會被破壞。在礦山正常生產(chǎn)過程中，巷道支付的維護(hù)成本過高，已成為制約礦山經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。因此，對礦山巖石力學(xué)分析的背景下，有必要通過對礦山生產(chǎn)特點和礦井基本需求分析構(gòu)建節(jié)約型礦山經(jīng)營模式和維護(hù)計劃，有效緩解礦山巖石力學(xué)的制約因素，為礦井結(jié)構(gòu)資源優(yōu)化和礦山工程項目發(fā)展的大力支持。

3 礦山地應(yīng)力測量

針對原始地應(yīng)力開展測量工作即為明確出存在于擬開挖巖體， 和其附近位置未遭受驚擾的立體化應(yīng)力狀態(tài)， 在實施具體的測量作業(yè)時一般是采取連續(xù)不間斷的小幅度測量來實現(xiàn)的。巖體內(nèi)的單點立體應(yīng)力狀態(tài)可通過確定出坐標(biāo)系內(nèi)的不同分量來代表， 相應(yīng)的坐標(biāo)系確立可依據(jù)實際需求亦或是遵循便捷化原則來進(jìn)行選擇， 多數(shù)情況下會采取地球坐標(biāo)系來充當(dāng)測量坐標(biāo)系?；诙鄠€應(yīng)力分量來進(jìn)一步獲得位于該點上三維主應(yīng)力程度與位置， 這是可以得到精準(zhǔn)確定的。在開展實地測量作業(yè)時， 各點所牽涉到的巖石其規(guī)模大小很有可能會是立方厘米級別到數(shù)千立方米級別中的任意一種， 其真實的數(shù)值同時還可能會受到所選用的測量方法影響。然而無論其規(guī)模是立方厘米級別的還是數(shù)千立方米級別的， 從整體巖石結(jié)構(gòu)的層面來看， 基本可將其視作為單點。因地應(yīng)力狀態(tài)存在著較為明顯的復(fù)雜性與變化性特征， 因此要想能夠較為精準(zhǔn)的測出某礦區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力大小， 便要同時選取多點來進(jìn)行測量。只有基于這一基礎(chǔ)之上， 方可憑借數(shù)值分析及數(shù)理統(tǒng)計、人工智能與模型建構(gòu)等方式， 來確定出該礦區(qū)的地應(yīng)力場模型。

目前已經(jīng)形成了一整套標(biāo)準(zhǔn)化的測量程序， 其步驟流程如下：

⑴由巖體表層， 通常是地下巷道、隧道向巖體中打孔， 指導(dǎo)孔穿透巖體中的測量位置。直徑通常為140mm左右， 深度不小于巷道或隧道的2.5倍；⑵由孔底打同心小孔， 提供安裝探頭使用， 小孔直徑通常為37mm左右， 孔深不小于孔徑的10倍；⑶采用專項設(shè)備固定到小孔中部位置；⑷采用薄壁鉆頭加深打孔， 確保小孔附近巖芯能夠消除應(yīng)力。

4 礦山采礦設(shè)計優(yōu)化

金屬礦床的形成、賦存以及開采穩(wěn)定程度都會直接受制于地應(yīng)力場控制。因此， 就必須將地應(yīng)力作為切入點來實施金屬采礦設(shè)計優(yōu)化。按照實際測量所獲得的地應(yīng)力以及工程地質(zhì)實況、水文地質(zhì)、礦巖物理力學(xué)特性等資料信息， 并再進(jìn)一步結(jié)合以具體的賦存與開采條件， 實施定量測算分析， 選取出適當(dāng)?shù)拈_采作業(yè)方式， 明確出合理化的開采布設(shè)方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采次序、支護(hù)加固、地壓控制等相關(guān)措施手段， 來實現(xiàn)對金屬礦山開采的安全保障。

具體的優(yōu)化過程為：采集基礎(chǔ)資料→確定初步方案→多方案測算分析→多目標(biāo)決策優(yōu)化→技術(shù)實施→現(xiàn)場測取與分析→改進(jìn)并完善方案。這一理論完全考慮到了采礦巖體本身的非線性特點與采礦多端行及開挖特征， 合理化的運用數(shù)值分析、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等現(xiàn)代化的技術(shù)手段， 來為保障采礦設(shè)計提供了科學(xué)化的手段方式。

結(jié)語

總而言之， 伴隨著巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中應(yīng)用范圍的日漸廣泛， 也直接促使我國在巖石力學(xué)方面的研究達(dá)到了世界領(lǐng)先地位。在本次研究中簡要闡述了巖石力學(xué)的基本特點， 并進(jìn)一步就針對巖石力學(xué)在礦山地應(yīng)力測量作業(yè)中的實際應(yīng)用情況展開了深入探究， 最終對礦山采礦提出了幾點設(shè)計優(yōu)化建議。相關(guān)的工作人員還應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合采礦工程的具體情況， 來更加深入的探究巖石力學(xué)在采礦工程當(dāng)中新的應(yīng)用內(nèi)容。

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