金屬礦山采礦工程中巖石力學(xué)的運用

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摘要：在我國經(jīng)濟和科技發(fā)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(zhì)量也有很大程度上的提升。特別是現(xiàn)代巖石力學(xué)的發(fā)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(yīng)用優(yōu)勢，要實現(xiàn)采礦行業(yè)良好的發(fā)展，還需要不斷提高對巖石力學(xué)應(yīng)用的認知，達到降低生產(chǎn)成本的目的。

關(guān)鍵詞：金屬礦山；采礦工程；巖石力學(xué)；具體應(yīng)用；優(yōu)化建議

1巖石力學(xué)概述

在美國科學(xué)院巖石力學(xué)委員會最初的定義中，巖石力學(xué)指的是研究巖石力學(xué)性狀的一門理論和應(yīng)用科學(xué)，是力學(xué)中的一個分支，主要探討巖石對周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)。這一定義中，巖石力學(xué)帶上了很深的材料力學(xué)、固體力學(xué)烙印，之后隨著人們的認識加強，對巖石力學(xué)的認知有了進一步突破。在新近研究中發(fā)現(xiàn)，巖體結(jié)構(gòu)、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(xué)的研究也要改變傳統(tǒng)固體留學(xué)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(tǒng)力學(xué)行為和工程功能的科學(xué)。在金屬礦山采礦工程中應(yīng)用巖石力學(xué)，其相關(guān)問題主要是以下幾方面，礦山地應(yīng)力測量、露天采礦邊坡設(shè)計和穩(wěn)定加固技術(shù)、采場圍巖穩(wěn)定性問題、礦井突水預(yù)測和采礦設(shè)計優(yōu)化等。

2巖石力學(xué)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(zhì)構(gòu)造的巖石。因此，在采礦工程中需將巖石力學(xué)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(zhì)體，在反復(fù)的地質(zhì)作用影響下會出現(xiàn)變形和破壞，并形成一種具有巖石成分和結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體，且在特定地質(zhì)環(huán)境中賦存；第二，采礦工程需要不定勞作開挖，是一項動態(tài)的生產(chǎn)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(xué)性質(zhì)也會發(fā)生相應(yīng)變化，并且其巖體性質(zhì)還會受到地應(yīng)力和水等環(huán)境因素的影響，比如地應(yīng)力中的高地應(yīng)力就可能引發(fā)煤與瓦斯突出，以及沖擊礦壓等問題。

3巖石力學(xué)在采礦工程中的具體應(yīng)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(dāng)高的風(fēng)險系數(shù)的，實際情況中更是容易出現(xiàn)礦山震動、巖石爆炸等危險情況，并且此類安全事故發(fā)生的幾率也相對較高。特別是發(fā)生較大震級的巖爆時，其破壞力極強，也會產(chǎn)生很大的殺傷力。而當(dāng)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(guān)問題重視度不夠。特別是近年來，經(jīng)濟發(fā)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(yīng)用巖石力學(xué)相關(guān)知識，對一些必要的信息進行檢測，根據(jù)能量聚集和變化了解產(chǎn)生巖爆的原因等，有助于施工企業(yè)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(yīng)力存在，在其地層深部巖體內(nèi)儲存著彈性應(yīng)變能，開采中圍巖破壞會突然釋放，并導(dǎo)致巖爆等動力學(xué)現(xiàn)象。因此需對其進行地應(yīng)力現(xiàn)場實測、巖石力學(xué)實驗、三維有限元數(shù)值模擬計算等，了解其巖體本身出差呢能力和外部環(huán)境條件。在測量中，得到其礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)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(yīng)力、最小水平應(yīng)力和垂直主應(yīng)力，H為測點埋深。地應(yīng)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(yīng)力作用表達，高低應(yīng)力的存在則導(dǎo)致其中聚集著高能量，可能會發(fā)生巖爆現(xiàn)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(shù)值模擬方法，對開采中圍巖應(yīng)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(nèi)部彈性能達到1.0×105J/m³時，會出現(xiàn)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(xiàn)巖爆現(xiàn)象.

3.2測量分析礦山地應(yīng)力

地應(yīng)力是一種存儲在地質(zhì)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(zhì)狀況的重要力量，在開采和挖掘作業(yè)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(nèi)部打大孔，使其達到內(nèi)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(yīng)力區(qū)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(yīng)變的狀態(tài)，在其中央部位安裝測量探頭；最后將大孔用鉆頭繼續(xù)延深大孔，接觸小孔周圍巖芯應(yīng)力。而測量探頭可以測定應(yīng)力解除引起的小孔變形，并通過儀器將其記錄效率，根據(jù)變形情況可通過公式得到小孔中外巖體原巖應(yīng)力的狀態(tài)。在對新城金礦實地考察研究時發(fā)現(xiàn)，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(zhì)組成，礦層穩(wěn)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(xiàn)差異性變化，同時對礦山生產(chǎn)造成一定限制，所以將采礦設(shè)計進行改進，將新城金礦內(nèi)分為5個區(qū)域，設(shè)立17個測量點，對礦區(qū)內(nèi)部進行應(yīng)力測量，依照測量結(jié)果構(gòu)建礦區(qū)應(yīng)力模型，通過運用數(shù)值模擬對礦區(qū)采場的開采次序及采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行精確計算，有效控制了采場地壓。

3.3在礦場邊坡設(shè)計優(yōu)化分析中的應(yīng)用

在優(yōu)化地下礦山采礦設(shè)計過程中，金屬礦床的形成、賦存狀況等都會都受到地應(yīng)力場的影響，因此地應(yīng)力是重要的切入點。第一，應(yīng)用盤區(qū)上向高分層連續(xù)回采充填采礦工程，可以使采場的生產(chǎn)能力、采礦強度有效提升，并降低采準工作量和生產(chǎn)成本。實現(xiàn)連續(xù)開采，可以加大盤區(qū)中回采的采場數(shù)目而提升盤區(qū)生產(chǎn)能力，得以將機械化無軌作業(yè)的優(yōu)勢充分發(fā)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(chǎn)生的損失率、貧化率；第二，在采礦設(shè)計中，可應(yīng)用數(shù)值模擬方法進行定量計算和分析，優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采順序等。采用品字型采場布置方式，并應(yīng)用免壓拱開采技術(shù)進行開采，在采場中其圍巖的應(yīng)力分布更加合理，可有效控制采場的地壓，部分區(qū)域的應(yīng)力降低開采，可以增強其安全性；第三是優(yōu)化采場的鑿巖爆破參數(shù)，達到節(jié)約爆破成本的目的；第四，要優(yōu)化配置采礦工程的無軌采掘設(shè)計，并實現(xiàn)其全盤機械化，實現(xiàn)機械化作業(yè)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(chǎn)安全。

4結(jié)語

在我國經(jīng)濟發(fā)展和科技進步中，巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中應(yīng)用更加廣泛，但在充分應(yīng)用其優(yōu)勢時，也要認識到其不足和缺點，積極克服其中地應(yīng)力和邊坡滑移等問題，發(fā)展新的技術(shù)手段，使采礦事業(yè)更好地發(fā)展。

作者：趙鉞 單位：蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司