地下金屬礦開采中的地應(yīng)力分布特征及利用研究

摘 要：隨著地下金屬礦開采向深部發(fā)展，地應(yīng)力問題日益凸顯，成為影響采礦工程安全與效率的關(guān)鍵因素。本文深入分析了地下金屬礦開采過程中地應(yīng)力的分布特征，探討了地應(yīng)力對采礦工程的影響，并提出了一系列利用地應(yīng)力優(yōu)化采礦工程設(shè)計(jì)的策略。通過對實(shí)際案例的研究，結(jié)合地應(yīng)力測量與分析技術(shù)，本文旨在為地下金屬礦的安全高效開采提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：地下金屬礦；地應(yīng)力分布；開采安全；優(yōu)化設(shè)計(jì)；地應(yīng)力測量

地應(yīng)力是客觀存在于地層中的天然應(yīng)力，其分布特征與巖石的力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造及開采活動密切相關(guān)[1]。在地下金屬礦開采過程中，地應(yīng)力不僅影響礦巖的穩(wěn)定性，還直接關(guān)系到巷道支護(hù)、采場布局及開采效率。因此，深入研究地下金屬礦開采中的地應(yīng)力分布特征及其利用具有重要意義。

1.地應(yīng)力分布特征

1.1地應(yīng)力的基本概念

地應(yīng)力是地殼巖石在漫長的地質(zhì)歷史時期中，由于地殼運(yùn)動、溫度變化、巖石自重等多種因素共同作用而形成的內(nèi)部應(yīng)力。根據(jù)成因，地應(yīng)力可分為自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力兩大類。自重應(yīng)力主要由巖石自重產(chǎn)生，隨深度增加而增大；構(gòu)造應(yīng)力則與地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動有關(guān)，具有復(fù)雜多變的特點(diǎn)。

1.2地下金屬礦地應(yīng)力分布規(guī)律

地應(yīng)力的分布特征受到礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、巖性及開采深度等多重因素的綜合影響，這些因素共同塑造了地下金屬礦地應(yīng)力的復(fù)雜格局。以下為具體分析：

隨深度增加：根據(jù)多項(xiàng)研究，地應(yīng)力隨開采深度的增加而顯著增大。以某礦區(qū)為例，每增加100米深度，水平應(yīng)力平均增加2至5 MPa，垂直應(yīng)力增加1至2 MPa。這種趨勢在深部開采中尤為突出，對巷道支護(hù)及采場穩(wěn)定性構(gòu)成挑戰(zhàn)。

水平應(yīng)力主導(dǎo)：在多數(shù)地下金屬礦中，水平應(yīng)力通常超過垂直應(yīng)力，比例可達(dá)到2：1，甚至更高，這種現(xiàn)象與地殼自重分布及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動有關(guān)。水平應(yīng)力的方向性較強(qiáng)，與主要構(gòu)造線或斷層走向一致，加劇了巷道及采場的變形壓力[2]。

構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜性：地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的礦區(qū)，地應(yīng)力分布表現(xiàn)出更大的不確定性。如斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造可導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，形成應(yīng)力“熱點(diǎn)”，增加采礦安全風(fēng)險。因此，對這些區(qū)域的地應(yīng)力分布進(jìn)行精確預(yù)測和動態(tài)監(jiān)測至關(guān)重要。

為了更直觀地展示地應(yīng)力分布規(guī)律，表1列出了某典型地下金屬礦的地應(yīng)力隨深度變化的數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)顯示，隨深度增加，地應(yīng)力的增大幅度雖有所減緩，但水平應(yīng)力仍占據(jù)主導(dǎo)地位，對地下金屬礦的開采工程設(shè)計(jì)和安全管理提出了更高要求。

2.地應(yīng)力對采礦工程的影響

地應(yīng)力對采礦工程的影響深遠(yuǎn)而具體，主要體現(xiàn)在以下幾個關(guān)鍵層面：

巷道支護(hù)：在高地應(yīng)力環(huán)境中，巷道支護(hù)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要更加復(fù)雜和強(qiáng)化，以抵抗更大的壓力，巷道的變形和破壞風(fēng)險顯著增加。巷道維護(hù)成本升高，頻繁的維修作業(yè)可能導(dǎo)致工程進(jìn)度延遲，同時對工作人員的安全構(gòu)成直接威脅。

采場穩(wěn)定性：地應(yīng)力對采場圍巖穩(wěn)定性的影響不容忽視。高應(yīng)力可能導(dǎo)致巖體產(chǎn)生非線性變形，增加垮塌和巖爆的可能性，這些情況不僅破壞采礦設(shè)備，延誤生產(chǎn)，還可能對礦工的生命安全構(gòu)成威脅。

開采效率：地應(yīng)力分布的不均勻性直接影響采礦作業(yè)的難易程度。在應(yīng)力集中區(qū)域，爆破和挖掘效率降低，可能導(dǎo)致礦石損失增加和貧化率上升。為應(yīng)對高應(yīng)力，可能需要采用更保守的開采方法，如分步開采或局部應(yīng)力釋放，這些都會降低整體開采效率，增加運(yùn)營成本。

誘發(fā)其他地質(zhì)問題：高地應(yīng)力還可能誘發(fā)其他地質(zhì)問題，如地下水位變化、地裂縫產(chǎn)生等，這些因素進(jìn)一步惡化采礦環(huán)境，增加環(huán)境治理和修復(fù)的難度。

設(shè)備耐久性：持續(xù)的高應(yīng)力作用會降低采礦設(shè)備的使用壽命，增加設(shè)備故障率，需要頻繁的維護(hù)和更換，從而增加運(yùn)營成本。

理解和應(yīng)對地應(yīng)力對采礦工程的影響至關(guān)重要，它涉及到工程安全、生產(chǎn)效率、成本控制以及環(huán)境保護(hù)等多個方面。通過科學(xué)的地應(yīng)力分析和合理的工程設(shè)計(jì)，可以有效減輕其負(fù)面影響，保障采礦作業(yè)的順利進(jìn)行[3]。

3. 地應(yīng)力分布特征的實(shí)測與分析

3.1 地應(yīng)力測量方法

地應(yīng)力測量方法的選取是地質(zhì)工程中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，旨在準(zhǔn)確評估地下環(huán)境中各向應(yīng)力的狀態(tài)。應(yīng)力解除法，通過鉆孔卸壓后測量鉆孔周圍巖石的回彈變形，來推算原巖應(yīng)力，適用于較硬巖體，但可能受測量誤差和巖體非線性變形影響；水壓致裂法，通過注入高壓水，誘導(dǎo)巖石裂隙擴(kuò)展，測量裂隙張開壓力以確定應(yīng)力，適用于多裂隙巖體，但可能受到地下水和溫度的影響；聲發(fā)射法，利用巖石在應(yīng)力作用下產(chǎn)生聲波信號的原理，通過監(jiān)測和分析信號特征來估算應(yīng)力，這種方法實(shí)時性強(qiáng)，適用于動態(tài)監(jiān)測，但信號識別和解釋較為復(fù)雜。每種方法都有其適用范圍和局限性，實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合地質(zhì)條件、工程需求和測量精度，綜合選擇或組合運(yùn)用這些方法，以確保地應(yīng)力測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 實(shí)測案例分析

以某地下金屬礦為例，該礦地處復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶，其地應(yīng)力的準(zhǔn)確評估對采礦作業(yè)至關(guān)重要。運(yùn)用先進(jìn)的水壓致裂技術(shù)，對礦區(qū)進(jìn)行詳盡的地應(yīng)力實(shí)測，結(jié)果顯示，該區(qū)域的地應(yīng)力分布主要表現(xiàn)為顯著的水平分量，這種應(yīng)力狀態(tài)在垂直方向上隨深度增加而線性增強(qiáng)，反映出地殼壓力的典型特征。在深度較淺的表層，水平應(yīng)力相對較低，而隨著開采深度的增加，水平應(yīng)力逐漸增大，對巷道穩(wěn)定性和礦體開采構(gòu)成挑戰(zhàn)。

實(shí)測數(shù)據(jù)揭示了地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域的地應(yīng)力分布異常現(xiàn)象，這些區(qū)域的地應(yīng)力呈現(xiàn)出非均勻性，可能存在局部應(yīng)力集中或異常釋放，對采礦工程的安全構(gòu)成潛在威脅。對這些區(qū)域進(jìn)行針對性的地質(zhì)勘查和應(yīng)力監(jiān)測，采取適應(yīng)性的開采策略，是保證采礦作業(yè)安全和效率的關(guān)鍵。在未來的采礦規(guī)劃中，應(yīng)充分考慮這些地應(yīng)力特征，實(shí)施精細(xì)化管理，降低潛在風(fēng)險，確保地下金屬礦的可持續(xù)和安全開采[4]。

4. 地應(yīng)力的利用與優(yōu)化策略

4.1 巷道布置優(yōu)化

巷道布置優(yōu)化應(yīng)充分考慮地應(yīng)力的水平和垂直分量，確保巷道設(shè)計(jì)與地應(yīng)力場的協(xié)調(diào)。通過精準(zhǔn)測繪與地質(zhì)力學(xué)分析，確定巷道的最優(yōu)走向，盡量使巷道軸線與最大水平主應(yīng)力方向平行或形成較小的夾角，以減少巷道受力的不均勻性。這樣不僅能夠提高巷道的穩(wěn)定性，減少因應(yīng)力集中導(dǎo)致的巷道變形，同時也能有效降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)載，從而節(jié)約支護(hù)材料和施工成本。對復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的巷道，可采用多級支護(hù)設(shè)計(jì)，動態(tài)適應(yīng)地應(yīng)力的變化，進(jìn)一步提升巷道的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4.2 采場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在采場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，地應(yīng)力分布的精細(xì)考量至關(guān)重要。依據(jù)地應(yīng)力的水平與垂直分量，科學(xué)規(guī)劃采場的幾何形態(tài)和尺寸，以適應(yīng)地應(yīng)力場，降低應(yīng)力集中效應(yīng)。采用預(yù)裂爆破、定向鉆孔等先進(jìn)技術(shù)，預(yù)先釋放應(yīng)力，增強(qiáng)采場穩(wěn)定性。靈活調(diào)整開采順序，避免激發(fā)潛在的地質(zhì)災(zāi)害，確保采礦作業(yè)安全高效。

4.3 支護(hù)技術(shù)創(chuàng)新

研發(fā)創(chuàng)新支護(hù)技術(shù)，應(yīng)對高地應(yīng)力挑戰(zhàn)，這包括但不限于應(yīng)用智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時評估支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)；開發(fā)新型高韌性錨桿和錨索，確保在極端應(yīng)力條件下保持穩(wěn)定性；探索先進(jìn)注漿材料與工藝，提升圍巖加固效果，同時兼顧環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益；研究動態(tài)調(diào)適支護(hù)設(shè)計(jì)，適應(yīng)地應(yīng)力變化，增強(qiáng)礦井安全與耐久性[5]。

5. 結(jié)論

地應(yīng)力問題在地下金屬礦開采中扮演著決定性角色，其復(fù)雜性與多變性對采礦工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文通過綜合分析地應(yīng)力分布規(guī)律及實(shí)證研究，提出了結(jié)合地應(yīng)力進(jìn)行巷道設(shè)計(jì)、采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化及支護(hù)技術(shù)創(chuàng)新的策略，旨在最大限度地降低地應(yīng)力對采礦作業(yè)的影響，提高資源回收率和礦井穩(wěn)定性。

隨著科技的飛速發(fā)展和對地應(yīng)力科學(xué)的深入探究，未來有望實(shí)現(xiàn)更精確的地應(yīng)力預(yù)測與監(jiān)測，進(jìn)一步提升采礦工程設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度。例如，運(yùn)用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，建立動態(tài)地應(yīng)力模型，實(shí)時評估和預(yù)測開采過程中的地應(yīng)力變化，為決策提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。此外，新型支護(hù)材料和智能支護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)，將使礦井在面對高應(yīng)力環(huán)境時更具適應(yīng)性和韌性，降低事故風(fēng)險，確保采礦作業(yè)的安全。

綜上所述，地應(yīng)力問題的研究與應(yīng)用將不斷深化，為地下金屬礦的可持續(xù)開采提供更高效、安全的解決方案，推動礦業(yè)行業(yè)的科技進(jìn)步和綠色發(fā)展。

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作者單位：河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司石人溝鐵礦