綠色礦山開采綜合規(guī)劃方案探討與研究

董占祥，劉 寶

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

國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開采礦工業(yè)支持，豐富且多樣化的礦山開采資源，能夠?yàn)樯鐣l(fā)展提供強(qiáng)大能源支撐。進(jìn)入21世紀(jì)以來，環(huán)境問題不斷加劇，尤其是采礦行業(yè)在大力發(fā)展背景下，礦山周圍環(huán)境破壞極為嚴(yán)重。針對該現(xiàn)象，一些研究人員通過實(shí)地考察與技術(shù)測量，制定礦山開采綜合規(guī)劃方案，將控制開采環(huán)境質(zhì)量作為關(guān)鍵之一，加強(qiáng)礦山開采過程中，對四周環(huán)境的保護(hù)。徐荃、吳志波、陳小偉等人，將修正Mathews穩(wěn)定圖表法，與數(shù)值模擬軟件相結(jié)合，優(yōu)化采場布置形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，控制開采位置[1]。研究結(jié)合文獻(xiàn)[1]提出的觀點(diǎn)，討論與分析全新的綠色礦山開采綜合規(guī)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(hù)的環(huán)境。

1 綠色礦山開采綜合規(guī)劃方案

1.1 計(jì)算礦山原巖應(yīng)力場

為加強(qiáng)方案規(guī)劃的合理性，作出以下假設(shè)：默認(rèn)礦山的巖體是均勻且同性的連續(xù)介質(zhì)；不考慮地下水、地溫以及爆破震動(dòng)等自然因素和人為因素；默認(rèn)礦山巖體完整，不存在特殊性結(jié)構(gòu)層；假設(shè)礦體走向發(fā)生變化時(shí)，礦體厚度和傾角不會隨之改變。通過測試調(diào)查獲取巖體力學(xué)參數(shù)、翻閱大量文獻(xiàn)，以工程類比的手段獲取充填料物理力學(xué)參數(shù)，包括上盤圍巖、下盤圍巖、礦體、膠結(jié)充填體以及非膠結(jié)充填體的容重、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度以及彈性模量。已知進(jìn)路跨度、進(jìn)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(wěn)定性，結(jié)合聲發(fā)射凱澤效應(yīng)點(diǎn)測地應(yīng)力原理，采用聲發(fā)射加載的方式，獲得待開發(fā)礦山的三維地應(yīng)力場分布狀態(tài)。當(dāng)?shù)V區(qū)原巖的埋深在335m之下時(shí)，則礦區(qū)原巖應(yīng)力值的分布規(guī)律，可通過下列公式計(jì)算獲得：

公式中：qh,max、qh,min分別表示深度增幅為h時(shí)，水平主應(yīng)力的最大值和最小值；a1、a2、a3表示不同的計(jì)算常量，根據(jù)測量軟件得出；c1、c2以及c3表示制約系數(shù)；H表示超過335m的埋深；qv表示方向?yàn)関的垂直主應(yīng)力[2]。通過上述計(jì)算獲得不同深度增幅下，主應(yīng)力的水平最值和垂直數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對礦山原巖應(yīng)力場的計(jì)算，為綜合規(guī)劃提供原始數(shù)據(jù)。

1.2 選取巖體破壞準(zhǔn)則

真實(shí)準(zhǔn)確的礦山原巖應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果，是選擇合適巖體破壞準(zhǔn)則的必要條件，能夠增強(qiáng)規(guī)劃方案與礦區(qū)賦存巖性之間的關(guān)聯(lián)性。已知巖體本身具有裂隙、位移等軟弱結(jié)構(gòu)面的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)體，為此結(jié)合強(qiáng)度折減理論，根據(jù)公式（1）的計(jì)算結(jié)果，獲得整個(gè)礦山空間應(yīng)力中的最大主應(yīng)力，用參數(shù)q1來表示，該值的一般計(jì)算公式為：

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

公式中：qd表示巖體常數(shù)為d時(shí)的原位強(qiáng)度；F、θ表示礦山巖體常數(shù)；M表示礦山中包含的巖塊結(jié)構(gòu)數(shù)量。根據(jù)多次論證分析，發(fā)現(xiàn)巖體所受荷載超過極限值后，自身會出現(xiàn)裂紋以及位移等破壞現(xiàn)象，而剪切屈服函數(shù)與拉應(yīng)力屈服函數(shù)的融合，可以獲得破壞包絡(luò)線，也就是彈塑性本構(gòu)模型中，通過拉破壞和剪切破，得到材料產(chǎn)的破壞結(jié)果。所以結(jié)合屈服準(zhǔn)則的一般定義，選擇適合綠色礦山開采的巖體破壞準(zhǔn)則，該準(zhǔn)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(shù)；q1、q3根據(jù)上述兩組公式計(jì)算獲得；λ表示內(nèi)摩擦角；表示粘聚力。當(dāng)上述公式的計(jì)算結(jié)果小于0時(shí)，即存在f＜0的條件時(shí)，說明此時(shí)的礦山巖體為彈性變形；當(dāng)公式的計(jì)算結(jié)果大于0，也就是f＞0時(shí)，則說明此時(shí)的礦山巖體出現(xiàn)剪切破壞的現(xiàn)象。通過上述公式的計(jì)算結(jié)果，依靠巖體破壞準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)對礦山巖體破壞程度的評估。

1.3 基于綠色保護(hù)理念確定開采深度

綠色保護(hù)理念要求礦山開采工作，將開發(fā)產(chǎn)生的垃圾、整體開發(fā)環(huán)境以及后續(xù)的環(huán)境治理工作，控制在合理的要求之內(nèi)，將開采的礦山周圍的生態(tài)破壞控制在最低，為此結(jié)合綠色保護(hù)理念，確定礦山開采深度，實(shí)現(xiàn)開采方案的合理規(guī)劃。特殊條件提出了“三下”采礦要求，該要求需要結(jié)合巖體破壞準(zhǔn)則得到的水平與垂直主應(yīng)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(biāo)高之間，需要設(shè)置一定尺寸的保護(hù)層礦柱，加強(qiáng)開采過程中作用力的緩沖，防止開發(fā)的礦山周圍出現(xiàn)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(jié)充填的同一層開采，根據(jù)形成的采空區(qū)選擇多層次礦山開采技術(shù)。為此基于綠色保護(hù)理念的礦山開采深度，通過下列公式計(jì)算開采深度：

公式中：s表示與覆巖巖性及松散層情況相關(guān)的系數(shù)；γ表示綠色環(huán)保要求準(zhǔn)則；∑m表示按m個(gè)開采段劃分的未充填滿的空間；k表示中段數(shù)量。通過上述計(jì)算確定開采深度，為礦山開采綜合規(guī)劃方案提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

1.4 綜合規(guī)劃與布置礦山開采位置

根據(jù)開采深度建立礦山力學(xué)模型，通過設(shè)置上盤、下盤以及塌陷區(qū)域，描述礦山的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)特征。由于應(yīng)力場比較復(fù)雜，所以考慮自重應(yīng)力場的影響程度，結(jié)合公式（5）的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算自重應(yīng)力與自重應(yīng)力的水平分量，公式為：

公式中：p1、p2分別表示待求的應(yīng)力和分量；x表示巖體容重；?表示巖層泊松比。通過上述計(jì)算結(jié)果，構(gòu)建一個(gè)具有自適應(yīng)能力的礦山模型，結(jié)合模型的實(shí)際沉降和位移變化情況，綜合規(guī)劃與布置礦山開采位置。綜合上述過程，實(shí)現(xiàn)對綠色礦山開采方案的綜合規(guī)劃，為礦山開發(fā)的安全性和穩(wěn)定性，提供更加合理的方案。

2 應(yīng)用研究

為了驗(yàn)證此次提出的規(guī)劃方案，更能滿足綠色礦山開采要求，將常規(guī)設(shè)計(jì)下的規(guī)劃方案作為對照組，將文中設(shè)計(jì)的規(guī)劃方案作為實(shí)驗(yàn)組，比較兩組方案應(yīng)用下，W市Z礦山和Y礦山的不同開采位置，對整個(gè)礦山周圍生態(tài)的破壞嚴(yán)重程度。實(shí)驗(yàn)組將Z礦山作為應(yīng)用對象，對照組將Y礦山作為應(yīng)用對象，下圖1為兩組方案應(yīng)用下，礦山綠色指標(biāo)的變動(dòng)情況。

圖1 礦山綠色指標(biāo)變動(dòng)情況

根據(jù)圖1所示的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)文中方案與常規(guī)方案應(yīng)用下，礦山的綠色指標(biāo)均有下降，與實(shí)際工況一致。結(jié)合兩組指標(biāo)的差異性不難看出，同樣的測試背景中，研究方案應(yīng)用下的礦山綠色指標(biāo)，盡管呈下降趨勢，但下降幅度要緩于對照組。計(jì)算整個(gè)開采周期內(nèi)，兩組方案應(yīng)用下的礦山綠色指標(biāo)差異，結(jié)果如下表所示。

綜合表1計(jì)算得到的礦山綠色指標(biāo)差異值，可知研究的綜合規(guī)劃方案應(yīng)用下，礦山的綠色指標(biāo)更高，說明選擇的礦山開采位置，滿足綠色環(huán)保要求。而常規(guī)方案的應(yīng)用下，礦山綠色指標(biāo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果是真實(shí)可靠的，統(tǒng)計(jì)最后一個(gè)開采周期時(shí)，兩組方案應(yīng)用下的礦山綠色指標(biāo)，分別為0.8972和0.6443，根據(jù)該結(jié)果可以明顯看出，研究方案應(yīng)用下的綠色指標(biāo)，經(jīng)歷較長的開采周期后，也能控制在一個(gè)較高的范圍內(nèi)，而常規(guī)方案應(yīng)用下的綠色指標(biāo)一直遞減，沒有減緩趨勢。綜合上述實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，能夠論證文中方案綜合規(guī)劃與布置的開采位置更加合理。

表1 礦山綠色指標(biāo)差異值統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語

此次研究總結(jié)常規(guī)設(shè)計(jì)下礦山開采方案存在的不足，引入綠色環(huán)保這一理念對整體方案進(jìn)行優(yōu)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(guī)劃方案。但綜合此次提出的規(guī)劃方案不難發(fā)現(xiàn)，許多數(shù)據(jù)的來源都需要大量實(shí)地勘察，該方案的建立可能會有較大的人工成本；同時(shí)得到的勘察數(shù)據(jù)體量極大，因此數(shù)據(jù)處理過程耗時(shí)較長、計(jì)算困難。針對上述問題，利用遙感或者雷達(dá)技術(shù)實(shí)地勘察，降低人工費(fèi)用，構(gòu)建具有智能化計(jì)算效果的模型，降低數(shù)據(jù)計(jì)算難度提高數(shù)據(jù)處理速度。