試論金屬礦山采礦工程中巖石力學的應用

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。巖石力學是具體指導采礦工程專業(yè)的設計方案的前提，也是保障開采安全、有效的基礎，主要應用巖體勘察和地應力勘測設計采掘計劃方案[1]。在實際操作中，需要了解巖層的特征，做好應力場測繪工作，充分認識深層采掘的危害性。

1 簡述巖石力學

巖石力學是一門科學研究環(huán)境中巖石構成和巖石轉變因素的綜合型學科。該學科廣泛用于很多大型工程，是建筑工程設計和施工的理論依據。巖石力學理論與實際工程實踐具有緊密聯系，需要逐步完善。巖石力學以巖石為研究對象，認為其為地質結構中的“介質”，具有不連續(xù)特性[2]，如圖1 所示。受板塊運動等因素影響，巖石內部結構形成應力場，建筑施工也會導致巖石地應力釋放形變。因為巖石的不連續(xù)性，致使不確定性，而巖石力學可研究這一不確定性。

圖1 巖體結構

傳統(tǒng)采礦技術以工作經驗為基礎，因開采欠缺技術性、不合理，所以開采效率不高。隨著科技的不斷發(fā)展，采礦技術明顯提高，基礎理論研究也不斷深入，牽涉到不同的內容。巖石力學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。巖石力學的研究方向主要包括地應力精確測量、邊坡加固設計方案、井下圍巖穩(wěn)定性研究、開采工藝技術和設計方案、巖石爆破技術、地面沉降處理等內容。在采礦工程專業(yè)中，可根據具體開采環(huán)境和巖層自然環(huán)境，科學設計工程內容，處理問題。

2 巖石力學在采礦工程中應用

2.1 地應力測量方法

地應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，巖石也常出現形變。精確測量巖石的地面地應力，可為礦山開采基坑開挖提供具體計劃方案指導。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構，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彈性力學基礎理論來判定巖石的橫截面結構和形狀，以防止應力集中。假如巖石橫截面為橢圓形，壓力均勻，基坑開挖應該考慮巖石的主應力方位，以保證主應力方位與壓力方向平行，降低地應力對巖石的損害。地應力精確測量可使用3D 模型，如圖2 所示。

圖2 地應力結構

地應力精確測量是基于彈性力學基礎理論，開展巷道和采場斷面主應力的比率測量。測量的根本目的是防止應力集中，科學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。計算機模擬技術廣泛用于地應力值精確測量中，可根據定量分析技術的有效應用，掌握初始應力值，并且為特定的開采設計方案提供支持。因為巖層地應力的影響因素受地質環(huán)境的作用比較大，應力狀態(tài)也具有一定的多元性?，F場測量是最準確、直接的方式，項目實施前需要特別注意。

2.2 巖石力學在采礦工程中實際應用

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

常見的運用方式主要包括水壓致裂法和應力解除法兩種[3]。其中，水壓致裂法的實際操作不便，必須在巖石上打孔；而應力解除法是一種相對全面的操作，使用方便、結論精確，是當前常用地應力測量法。操作方式主要包括：①從巖石表層向里開洞，當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力數據信息。②以形成的大孔為基礎，在底端打一個同心孔，為在孔內安裝攝像頭作準備。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)處在平面應變狀態(tài)下。③安裝探頭設備，應用比較好的空心包體應變計開展地應力精確測量，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力，紀錄機器設備采集的小圓孔形變數據信息。

3 采礦工程在采礦設計中的應用

3.1 設計理念

金屬材料開采的穩(wěn)定性和安全性受地應力的影響較大。以地應力作為開采的基本條件，聯系工程周邊的地質和水文條件，設定開采標準，進行合理布局，完成參數設計和支撐結構加固，才能保證采礦工程專業(yè)的合理性。實際設計構思包括：數據采集、基本設計方案、定量分析、管理決策、技術性工程施工、現場檢測、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實現定量檢測和定量分析，操作步驟為：資料收集→方案設計→定量分析→決策優(yōu)化→技術施工→現場檢測→完善方案。

3.2 采礦方法具體應用

某金屬礦山的地質結構為斷裂帶，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，對采掘技術要求很高。根據以上工作原理，設計工程采掘計劃方案，控制施工成本。設計方案區(qū)域內含22 個測量點，保持6 個水平的應力計算，并在這個基礎上建設模型，應用技術如下。

（1）在頂層設計回采填充加工工藝。該技術成本較低，可以實現好幾個采場間的協(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。初步設計后，可運用信息技術構建模型對方案開展定量分析，依據采場具體情況和巖體樣子，確立開采次序，明確結構參數?！捌贰弊中伍_采，控制采場地壓，中間地區(qū)設計“拱”字形，完成對應力的控制，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，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，改進和優(yōu)化開采自然環(huán)境。選用無軌設備進行開采工作，實現全方位的機械化操作，達到控制成本、提高工作效率的目標。

（3）現場監(jiān)測選用地壓實時檢測方式，不但確保對地壓的科學檢測，也確保生產的安全性。因此，根據巖石力學的開采設計方案，應充分考慮地應力對實際施工的規(guī)定，使用以上方法開展具體采礦作業(yè)。應用以上設計內容，預估礦山開采生產量至少到80%，損失率控制在45%以內，礦產量提高36%。

4 巖石力學在露天礦邊坡設計中的應用

4.1 設計重點

巖石力學理論還會用于一些露天礦山的建設與采集，邊坡應依據巖層地應力來設計和優(yōu)化。在我國絕大多數露天礦山已逐漸轉變成深凹采掘，采掘深度超過200m，部分邊坡垂直高度達到600mm，又高、又陡，嚴重影響礦產資源開采的安全。這種情況可應用巖石力學理論，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，應依據巖石力學理論優(yōu)化邊坡設計方案。

4.2 設計優(yōu)化方案

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

邊坡設計中必須將傳統(tǒng)邊坡設計構思與現階段的信息內容技術相結合，考慮到地應力對巖層環(huán)境和開采的影響，選用定量計算方式，實現邊坡的科學設計。本文以山坡露天煤礦為例，明確邊坡設計執(zhí)行線路。具體為：定量分析邊坡角度，確立邊坡方案設計，提高邊坡角度，降低剝離量。在實際操作中，應密切關注巖石構造。一般巖石構造包含斷層、不連續(xù)結構和非線性結構?？蛇\用三維離散元程序，合理模擬邊坡值的設計。通過三維數據分析，實現對邊坡穩(wěn)定性的控制。在實際操作中，應結合多種方式，考慮到礦山開采巖石的具體情況，通過多次檢驗和比較，明確最后數據信息，為邊坡固定提供數據。具體步驟為：數值模擬→坡角明確→定量分析→三位模型→反復驗證。

5 巖石力學在災害預測與防治中的應用

5.1 設計重點

金屬礦山在開采中可能出現坍塌、沖擊、巖層爆炸等諸多問題。一旦發(fā)生災害事故，會對周邊環(huán)境造成負面影響，導致巨大經濟損失。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，將巖石力學與災難預測分析緊密結合，為礦產資源開采提供一定的指導。但目前災難預測分析和預防技術的發(fā)展仍然存在一些問題，如何有效設計方案，利用巖石力學實現預測仍然是科學研究重點。

5.2 技術路線

根據礦山的具體勘察結果，在此基礎上搜集、整理和分析數據。首先，精確測量地應力，科學進行地質調查，開展地應力試驗，收集和梳理現場檢測數據信息。其次，運用演化手段確立巖層爆炸的原理，分析巖層發(fā)生爆炸與地質結構之間的關系，定量預測巖爆炸的概率，運用信息科技梳理礦山空間強度和時間參數，模擬巖層發(fā)生爆炸參數。最后，結合預測分析和預防，綜合考核研究，保證安全生產。實際技術方案為：資料收集→參數設計→綜合防治。

5.3 準備工作

儲存在巖石中的彈性能量可在外力作用下釋放出應變能。本次案例運用地應力測量法，開展巖石力學試驗，通過三維有限元模擬測算，測算巖石里的應力和應變發(fā)生爆炸標準，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、沖擊性等主要參數后，依據巖層的性質、彈性和切力評價巖石的地應力，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 具體應用

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

以上措施的運用能夠實現圍巖的保護，減少開采環(huán)節(jié)中產生災難的概率。巖石力學的實踐應用，應結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，確保計劃方案科學合理，充分發(fā)揮巖石力學的積極意義，減少開采成本，提升開采效率。

6 結語

綜上所述，巖石結構是決定開采項目進展的重要因素。為了保證采礦工程的質量，提升開采效率，務必提前準備相應的開采工作和地質勘探工作。以巖石力學有關基礎理論為原則，具體指導金屬礦山開采的設計工作，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。