金属矿山采矿工程中岩石力学的应用探析

赵 钺

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 岩石力学概述

在美国科学院岩石力学委员会最初的定义中，岩石力学指的是研究岩石力学性状的一门理论和应用科学，是力学中的一个分支，主要探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。这一定义中，岩石力学带上了很深的材料力学、固体力学烙印，之后随着人们的认识加强，对岩石力学的认知有了进一步突破。在新近研究中发现，岩体结构、赋存情况和赋存条件等都具备较大的不确定性，对岩石力学的研究也要改变传统固体留学确定性研究方法。对其可重新定义为，是认识和控制岩石系统力学行为和工程功能的科学。在金属矿山采矿工程中应用岩石力学，其相关问题主要是以下几方面，矿山地应力测量、露天采矿边坡设计和稳定加固技术、采场围岩稳定性问题、矿井突水预测和采矿设计优化等。

2 岩石力学在采矿工程中的重要性

在金属矿山采矿工程中，不管是地下采矿工程，还是露天采矿工程，其对象都是具有地质构造的岩石。因此，在采矿工程中需将岩石力学问题贯彻到方方面面。第一，在金属矿山采矿工程中，岩体是一种地质体，在反复的地质作用影响下会出现变形和破坏，并形成一种具有岩石成分和结构的地质体，且在特定地质环境中赋存；第二，采矿工程需要不定劳作开挖，是一项动态的生产活动。在开挖过程中，随着工程尺寸和延伸方向变化，岩体的力学性质也会发生相应变化，并且其岩体性质还会受到地应力和水等环境因素的影响，比如地应力中的高地应力就可能引发煤与瓦斯突出，以及冲击矿压等问题。

3 岩石力学在采矿工程中的具体应用

3.1 对深度开采危害性的分析

在采矿工程进行中，对矿山的深度开挖是具有相当高的风险系数的，实际情况中更是容易出现矿山震动、岩石爆炸等危险情况，并且此类安全事故发生的几率也相对较高。特别是发生较大震级的岩爆时，其破坏力极强，也会产生很大的杀伤力。而当前在很多采矿工程中对此采取的安全防范措施不足，对相关问题重视度不够。特别是近年来，经济发展下对金属矿的需求加大，对矿山的深入开挖危险性也在加大。因此，在金属矿山的采矿工程中，必须要加强对安全问题的认知，重视安全防范措施的采用。在其开采过程中应用岩石力学相关知识，对一些必要的信息进行检测，根据能量聚集和变化了解产生岩爆的原因等，有助于施工企业采取有效的安全措施进行防范。

山东省玲珑金矿开采中，由于高山应力存在，在其地层深部岩体内储存着弹性应变能，开采中围岩破坏会突然释放，并导致岩爆等动力学现象。因此需对其进行地应力现场实测、岩石力学实验、三维有限元数值模拟计算等，了解其岩体本身出差呢能力和外部环境条件。在测量中，得到其矿区地应力分布规律，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分别指的是最大水平应力、最小水平应力和垂直主应力，H为测点埋深。

地应力值会随着深度增加而增加，因此在其深部开采过程中，遇到的地应力作用表达，高低应力的存在则导致其中聚集着高能量，可能会发生岩爆现象。

在其岩体能量聚集分析研究中，采用了大型三维非线性有限元数值模拟方法，对开采中围岩应力集中、能量聚集分布进行计算分析。其最大弹性能分布为：

-270m水平，最大弹性能=（1.14×105～1.48×105）J/m³；

-110m水平，最大弹性能=0.25×105J/m³.

在岩体内部弹性能达到1.0×105J/m³时，会出现岩爆和冲击低压问题。因此，在玲珑金矿的开采过程中，-270m水平以下开采中很有可能出现岩爆现象。

3.2 测量分析矿山地应力

地应力是一种存储在地质地层中的天然力量，也是岩石挖掘和开采中一种会改变地质状况的重要力量，在开采和挖掘作业进行之前，要对其进行充分的研究分析。

具体测量中，首先从岩体表面向其内部打大孔，使其达到内部测点位置，大孔直径一般控制在130mm～150mm范围，深度在巷道或隧道跨度2.5倍之上，确保测点所处原岩应力区没有受岩石开挖扰动；接着从大孔底打同心小孔来安装探头，小孔的中央部位处于平面应变的状态，在其中央部位安装测量探头；最后将大孔用钻头继续延深大孔，接触小孔周围岩芯应力。而测量探头可以测定应力解除引起的小孔变形，并通过仪器将其记录效率，根据变形情况可通过公式得到小孔中外岩体原岩应力的状态。

在对新城金矿实地考察研究时发现，因该矿体出露在较宽大的断裂带上，上部为断层泥与破碎矿物质组成，矿层稳定性较差。受矿体走向的限制延伸长度比较短，矿层厚度会出现差异性变化，同时对矿山生产造成一定限制，所以将采矿设计进行改进，将新城金矿内分为5个区域，设立17个测量点，对矿区内部进行应力测量，依照测量结果构建矿区应力模型，通过运用数值模拟对矿区采场的开采次序及采场的结构参数进行精确计算，有效控制了采场地压。

3.3 在矿场边坡设计优化分析中的应用

在优化地下矿山采矿设计过程中，金属矿床的形成、赋存状况等都会都受到地应力场的影响，因此地应力是重要的切入点。第一，应用盘区上向高分层连续回采充填采矿工程，可以使采场的生产能力、采矿强度有效提升，并降低采准工作量和生产成本。实现连续开采，可以加大盘区中回采的采场数目而提升盘区生产能力，得以将机械化无轨作业的优势充分发挥。同时这样一来也可加大采场的安全性，减少采矿工程中产生的损失率、贫化率；第二，在采矿设计中，可应用数值模拟方法进行定量计算和分析，优化采场结构参数、开采顺序等。采用品字型采场布置方式，并应用免压拱开采技术进行开采，在采场中其围岩的应力分布更加合理，可有效控制采场的地压，部分区域的应力降低开采，可以增强其安全性；第三是优化采场的凿岩爆破参数，达到节约爆破成本的目的；第四，要优化配置采矿工程的无轨采掘设计，并实现其全盘机械化，实现机械化作业效率的提升；第五，要加强对采场地压的实时检测，以保障地压控制和生产安全。

4 结语

在我国经济发展和科技进步中，岩石力学在金属矿山采矿工程中应用更加广泛，但在充分应用其优势时，也要认识到其不足和缺点，积极克服其中地应力和边坡滑移等问题，发展新的技术手段，使采矿事业更好地发展。