金屬礦山采礦工程中巖石力學的運用

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摘要：在我國經濟和科技發展的過程中，對金屬礦的需求在不斷加大，而采礦工程的效率和質量也有很大程度上的提升。特別是現代巖石力學的發展，其較強的實踐性使得在金屬礦山采礦工程有著良好的應用優勢，要實現采礦行業良好的發展，還需要不斷提高對巖石力學應用的認知，達到降低生產成本的目的。

關鍵詞：金屬礦山；采礦工程；巖石力學；具體應用；優化建議

1巖石力學概述

在美國科學院巖石力學委員會最初的定義中，巖石力學指的是研究巖石力學性狀的一門理論和應用科學，是力學中的一個分支，主要探討巖石對周圍物理環境中力場的反應。這一定義中，巖石力學帶上了很深的材料力學、固體力學烙印，之后隨著人們的認識加強，對巖石力學的認知有了進一步突破。在新近研究中發現，巖體結構、賦存情況和賦存條件等都具備較大的不確定性，對巖石力學的研究也要改變傳統固體留學確定性研究方法。對其可重新定義為，是認識和控制巖石系統力學行為和工程功能的科學。在金屬礦山采礦工程中應用巖石力學，其相關問題主要是以下幾方面，礦山地應力測量、露天采礦邊坡設計和穩定加固技術、采場圍巖穩定性問題、礦井突水預測和采礦設計優化等。

2巖石力學在采礦工程中的重要性

在金屬礦山采礦工程中，不管是地下采礦工程，還是露天采礦工程，其對象都是具有地質構造的巖石。因此，在采礦工程中需將巖石力學問題貫徹到方方面面。第一，在金屬礦山采礦工程中，巖體是一種地質體，在反復的地質作用影響下會出現變形和破壞，并形成一種具有巖石成分和結構的地質體，且在特定地質環境中賦存；第二，采礦工程需要不定勞作開挖，是一項動態的生產活動。在開挖過程中，隨著工程尺寸和延伸方向變化，巖體的力學性質也會發生相應變化，并且其巖體性質還會受到地應力和水等環境因素的影響，比如地應力中的高地應力就可能引發煤與瓦斯突出，以及沖擊礦壓等問題。

3巖石力學在采礦工程中的具體應用

3.1對深度開采危害性的分析

在采礦工程進行中，對礦山的深度開挖是具有相當高的風險系數的，實際情況中更是容易出現礦山震動、巖石爆炸等危險情況，并且此類安全事故發生的幾率也相對較高。特別是發生較大震級的巖爆時，其破壞力極強，也會產生很大的殺傷力。而當前在很多采礦工程中對此采取的安全防范措施不足，對相關問題重視度不夠。特別是近年來，經濟發展下對金屬礦的需求加大，對礦山的深入開挖危險性也在加大。因此，在金屬礦山的采礦工程中，必須要加強對安全問題的認知，重視安全防范措施的采用。在其開采過程中應用巖石力學相關知識，對一些必要的信息進行檢測，根據能量聚集和變化了解產生巖爆的原因等，有助于施工企業采取有效的安全措施進行防范。山東省玲瓏金礦開采中，由于高山應力存在，在其地層深部巖體內儲存著彈性應變能，開采中圍巖破壞會突然釋放，并導致巖爆等動力學現象。因此需對其進行地應力現場實測、巖石力學實驗、三維有限元數值模擬計算等，了解其巖體本身出差呢能力和外部環境條件。在測量中，得到其礦區地應力分布規律，如下所示：σn-max=0.72+0.0559H，σn-min=0.80+0.0234H；σv=0.32＋0.0280H；其中σn-max、σn-min、σv分別指的是最大水平應力、最小水平應力和垂直主應力，H為測點埋深。地應力值會隨著深度增加而增加，因此在其深部開采過程中，遇到的地應力作用表達，高低應力的存在則導致其中聚集著高能量，可能會發生巖爆現象。在其巖體能量聚集分析研究中，采用了大型三維非線性有限元數值模擬方法，對開采中圍巖應力集中、能量聚集分布進行計算分析。其最大彈性能分布為：-270m水平，最大彈性能=（1.14×105~1.48×105）J/m³；-110m水平，最大彈性能=0.25×105J/m³.在巖體內部彈性能達到1.0×105J/m³時，會出現巖爆和沖擊低壓問題。因此，在玲瓏金礦的開采過程中，-270m水平以下開采中很有可能出現巖爆現象.

3.2測量分析礦山地應力

地應力是一種存儲在地質地層中的天然力量，也是巖石挖掘和開采中一種會改變地質狀況的重要力量，在開采和挖掘作業進行之前，要對其進行充分的研究分析。具體測量中，首先從巖體表面向其內部打大孔，使其達到內部測點位置，大孔直徑一般控制在130mm~150mm范圍，深度在巷道或隧道跨度2.5倍之上，確保測點所處原巖應力區沒有受巖石開挖擾動；接著從大孔底打同心小孔來安裝探頭，小孔的中央部位處于平面應變的狀態，在其中央部位安裝測量探頭；最后將大孔用鉆頭繼續延深大孔，接觸小孔周圍巖芯應力。而測量探頭可以測定應力解除引起的小孔變形，并通過儀器將其記錄效率，根據變形情況可通過公式得到小孔中外巖體原巖應力的狀態。在對新城金礦實地考察研究時發現，因該礦體出露在較寬大的斷裂帶上，上部為斷層泥與破碎礦物質組成，礦層穩定性較差。受礦體走向的限制延伸長度比較短，礦層厚度會出現差異性變化，同時對礦山生產造成一定限制，所以將采礦設計進行改進，將新城金礦內分為5個區域，設立17個測量點，對礦區內部進行應力測量，依照測量結果構建礦區應力模型，通過運用數值模擬對礦區采場的開采次序及采場的結構參數進行精確計算，有效控制了采場地壓。

3.3在礦場邊坡設計優化分析中的應用

在優化地下礦山采礦設計過程中，金屬礦床的形成、賦存狀況等都會都受到地應力場的影響，因此地應力是重要的切入點。第一，應用盤區上向高分層連續回采充填采礦工程，可以使采場的生產能力、采礦強度有效提升，并降低采準工作量和生產成本。實現連續開采，可以加大盤區中回采的采場數目而提升盤區生產能力，得以將機械化無軌作業的優勢充分發揮。同時這樣一來也可加大采場的安全性，減少采礦工程中產生的損失率、貧化率；第二，在采礦設計中，可應用數值模擬方法進行定量計算和分析，優化采場結構參數、開采順序等。采用品字型采場布置方式，并應用免壓拱開采技術進行開采，在采場中其圍巖的應力分布更加合理，可有效控制采場的地壓，部分區域的應力降低開采，可以增強其安全性；第三是優化采場的鑿巖爆破參數，達到節約爆破成本的目的；第四，要優化配置采礦工程的無軌采掘設計，并實現其全盤機械化，實現機械化作業效率的提升；第五，要加強對采場地壓的實時檢測，以保障地壓控制和生產安全。

4結語

在我國經濟發展和科技進步中，巖石力學在金屬礦山采礦工程中應用更加廣泛，但在充分應用其優勢時，也要認識到其不足和缺點，積極克服其中地應力和邊坡滑移等問題，發展新的技術手段，使采礦事業更好地發展。

作者：趙鉞 單位：蘭州有色冶金設計研究院有限公司