岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用研究

2021-11-22崔晓林吴亚君

建材与装饰 2021年33期

崔晓林，吴亚君

（湖北三鑫金铜股份有限公司，湖北黄石 435100）

0 引言

我国对金属材料的需求日益增加，对矿山采矿提出更高的要求。岩石力学是指导采矿工程的方案设计的基础，也是保障采矿过程安全性、有效性的基础，通过岩体勘察和应力勘察，设计开采方案。在具体操作过程中，需要了解岩石的特点，做好地应力测量工作，探讨深部开采的危害性。

1 岩石力学概述

岩石力学是一门综合性学科，是研究岩石构成和岩石在外界环境下变化因素的学科。该学科在很多大型工程中被广泛应用，是工程设计、工程施工的理论基础，岩石力学理论和具体工程实践相辅相成，不断完善。岩石力学将岩体作为研究对象，认为岩体是存在于地质结构中的“介质”，具有不连续属性[1]，受地壳运动等因素的影响，岩体内部产生地应力，工程施工会导致岩体地应力释放产生形变。正是由于岩体的不连续性质，导致其存在不确定性，岩石力学就是研究这种不确定性的学科。图1 是具备不连续属性的岩体结构。

图1 岩体结构

传统的采矿技术以经验为核心，采矿缺乏技术性、科学性，采矿效率较低。随着科学技术的不断进步，采矿技术逐渐完善，基础理论研究不断深入，涉及各个学科内容。岩石力学理论的提出，对采矿工作开展提供具体指导，岩石力学研究内容大致如下：地应力测量、边坡加固设计、井下围岩稳定性研究、采矿过程设计以及方案设计、岩石爆破技术、地面沉降处理等。在采矿工程中，结合具体的采矿环境以及岩体环境，科学设计工程内容，解决上述问题。

2 岩石力学在采矿工程中应用

2.1 地应力测量方法

地应力是由于地壳运动所引发的岩土形变，在工程施工过程中由于开挖外力也可能会导致岩体发生形变。对岩体地应力进行测量，为具体矿山开挖提供方案指导。在掌握开挖地区地形管理条件下，可以明确开挖位置以及开挖方向，从而确定最终的支护方式以及支护结构，确保开挖过程中岩体的稳定性。采矿开挖需要结合弹性力学理论，判断岩体的断面结构以及形状，避免产生应力集中的情况。如果岩体断面形状为椭圆，压力均等，岩体受力比较均匀，开挖需要考虑岩体主应力方向，保障主应力方向与压力方向平行，可以减少应力对岩体造成的破坏。地应力测量可以应用3D 建模技术形成地应力结构图，具体结果如图2 所示。

图2 地应力结构

地应力测量是基于弹性力学理论进行巷道以及采场断面主应力的比值测量方式。测量的最终目的是避免出现应力集中情况。科学的计算和分析是采矿工程开展的前提基础，电子计算机信息模拟技术在地应力数值测量中被普遍应用，通过定量分析技术的应用，了解原始应力数值，为具体的采矿设计提供指导。由于岩体应力形成的因素受地质环境影响比较大，地应力状态也具有一定的复杂性，现场地应力测量是最准确、直接的方法，这是在开展采矿工程之前需要格外注重的内容。

2.2 岩石力学在采矿工程中实际应用

地应力测量要在开挖之前进行，应用数据信息技术对开挖的岩体以及周围的区域进行应力状态模拟测试，经过多个点的量测计算最终的应力数据。三维模拟需要选中6 个点作为应力坐标，确定3 个主应力，对大小以及方向进行明确。由于测点的岩体大小无法准确确定，最大可以达到上千立方米。若想保障应力测量的准确性，需要考虑到岩体的地质环境，确定测点的数量可以满足实际的策略需要，科学建立应力场模型[2]。

比较常见的应用方法包括两类：①水压致裂法；②应力解除法。水压致裂法操作较为麻烦，需要在岩体上打孔。应力解除法则是比较系统的操作方法，操作简单、结果准确，是目前最常用的应力测量方法，具体的操作方法如下：

（1）从岩体表面向内部打孔，当孔位接触到测点位置时，停止打孔。孔位直径在15cm 左右，深度为岩体区域巷道或者隧道的25 倍以上，以保障可以取得最终的原始应力数据。

（2）基于大孔的形成，在底部打同心小孔，准备在孔位内安装好探头设备。小孔的直径控制在3.7cm 左右，深度为直径的10 倍左右，确保同心小孔中间区域在平面应变状态下。

（3）安装探头设备，使用效果较好的空心包体应变计，进行应力测量，用胶结的方式将其固定到小孔中央。

（4）继续延伸大孔区域，接触小孔周围应力，记录设备所采集的小孔变形数据，作为岩体应力状态判断的基础。

3 采矿工程在采矿设计中应用

3.1 设计理念

金属矿山开采稳定性、安全性受应力场影响比较大，将地应力作为采矿设计的基础，结合实际测量工程周边的地质以及水文情况设置开采条件，进行现场布局、参数设计、支护加固，确保开采工程的科学性。具体设计理念为：资料搜集、初步方案设计、定量分析、决策优化、技术施工、现场检测、方案完善[3]。受采矿岩体环境影响，使用多段性开挖技术，实现定量检测与定量分析，具体步骤如图3 所示。

图3 采矿方案设计流程

3.2 采矿方法具体应用

某金属矿山地质构造为断裂带，上层区域含有大量的碎岩，矿体长度较短，厚度较大。地表区域周围有公路以及稻田，需要避免开挖过程中使得地面沉降，对矿物资源的开采技术要求比较高。基于上述原理对工程开采方案进行设计，减少成本支出，在区域内设计22 个测点，实现6 个水平的应力计算，并以此为基础进行了建模，具体应用以下技术。

针对上述案例，在上层区域设计回采填充采矿工艺。该技术成本投入较少，可以实现多个采场之间的联合开采，适当增加采场数量。该技术以无轨作业的方式，保障了整个回采过程的安全性，采矿效率有所增加。

初步设计好方案后，利用信息技术的建模功能对方案进行定量分析，根据采场的实际情况以及岩体形状，明确采矿顺序，确定结构参数。以“品”字型为基础进行采场进路设计，控制采场的地压，在中间区域设计“拱”型的区域，实现对应力的控制，并作为主要的开采区域，确保采矿安全性[4]。

决策优化对延长爆破参数进行了优化，岩石爆破效率有所提高，矿产资源的采取能力也有极大程度提升。为了减少爆破过程中的成本投入，对采场环境进行改善、优化。

技术施工设计使用无轨设备进行采矿作业，实现全盘采矿的机械化设计，达到了降本增效的最终目标。无轨采掘设备的使用效率比较高，符合岩石的应力要求。

现场监测应用地压实时监测手段，在保障对地压进行科学监测的同时保障了生产过程中的安全性。

基于岩石力学下对矿场采矿方案设计，考虑到应力对具体施工的要求，使用上述方案进行具体的采矿工程。基于上述设计内容进行施工，预计矿区采矿生产能力提升了80%以上，损失率降低了45%左右，矿产量提高了36%，设计方案实施具有科学性。

4 岩石力学在露天矿边坡设计中应用

4.1 设计重点

将岩石力学理论应用到一些露天矿施工采集中，要根据岩石应力对边坡进行设计优化。我国大多数的露天矿山开采已经逐渐向深凹开采转化，开采深度甚至已经达到200m 以上，部分边坡的垂直高度已经达到600m 以上，高、陡是主要特点，对矿产采集的安全性造成了影响，矿资源的采取能力也有所降低。在此过程中，基于岩石力学理论的实践应用，需要通过减少坡角剥离的方式控制开采投入的成本，角度越高，可减少的剥离量就越多，成本投入就越少，因此，为了减少金属矿山采矿的成本投入，要依据岩石力学理论对边坡进行优化设计。

4.2 设计优化方案

国内外矿区的边坡设计多基于极限平衡法的实际应用开展，我国很多大型的露天矿区边坡角偏缓，边坡的设计与国外相比缺乏技术性，导致成本投入增加。长期以经验来开展边坡设计工作缺乏科学性，需要进一步对边坡的稳定性进行设计。极限平衡法是科学的系统性的边坡设计方法，若矿区为深凹的露天矿，使用此方法并不能达到理想的效果，由于边坡稳定性会受到岩体应力影响，根据土力学理论中对矿区设计的指导作用，如果为普通的边坡，则可以使用极限平衡法。

应用此方法实现对边坡的设计，须将传统的边坡设计理念与当下的信息技术融合，考虑到应力对岩体环境以及采矿的实际影响，应用定量计算方式，实现对边坡的科学设计。本文仅仅针对山坡露天矿进行设计，对实施路线进行明确。具体的实施路线为：定量分析边坡角度，对边坡设计方案进行明确，提高边坡角，减少剥离量。在具体的操作过程中，需要着重考虑岩体的结构，具体的模拟设计也要以岩体结构为基础。通常情况下，岩体结构包括断层、节理的不连续性结构和非线性结构。应用三维离散元程序实现对边坡数值的模拟设计具有科学性，辅助应用FLAC 技术也具有适应性，经过三维对比分析之后，实现对边坡稳定性的控制。在具体操作过程中，要将多种方法结合，考虑矿山岩体的实际情况，经过反复验证、比较之后，确定最终的数据，为边坡固定提供数据支撑，具体操作过程如图4 所示。

图4 极限平衡法实施路线

5 岩石力学在灾害预测与防治中应用

5.1 设计重点

金属矿山在采矿过程中可能会出现坍塌、冲击、岩爆等问题，一旦发生灾害事故，则会对周围的环境造成恶劣的影响，造成巨大的经济和财产损失。岩爆事件案例比较多，我国在20 世纪就发生过多次岩爆事件，破坏力极强。虽然我国已经加大了对岩爆事故原理的研究，并将岩石力学与灾害预测相结合，为矿产资源开采提供指导，起到了一定的效果。但就目前而言，我国采矿灾害预测和防治技术应用尚还存在一定的问题，如何合理设计，利用岩石力学实现对灾害的预测仍是研究重点。

5.2 技术路线

具体的操作需要根据矿区实际的勘察结果进行，以此为基础进行资料搜集、整理以及数据分析。首先，对地应力进行测量，科学的开展地质调查工作，开展应力实验，并搜集整理现场的检测资料。其次，使用演化手段对岩爆发生的原理以及岩爆发生与地质结构关系进行明确，对可能发生岩爆的情况进行定量预测，使用信息技术将矿区的空间强度以及时间等参数进行整理，进行岩爆参数模拟。最后，将预测和防治结合在一起，考虑周边的环境安全，开展综合评价研究工作，保障生产的安全性，具体的技术路线如图5 所示。

图5 矿区灾害预防技术路线

5.3 准备工作

岩体内储存的大量弹性能量，在受到外力的条件下会释放应变能。案例应用地应力测量方法，开展岩石力学实验，进行三维有限元模拟计算，对岩体内的应力以及应变能爆发条件等进行计算，探讨发生岩爆的可能性以及发生岩爆后的破坏力。

深部研究：深部研究基于岩体内部的水文条件以及地质条件进行开展，对岩体的质量进行综合评价，测量具体的应力条件，找到地应力的分布规律。通过对最大水平主应力、垂直主应力以及最小水平主应力测力，对测点的埋深进行控制。地应力与深度之间存在内在联系，深部开采极有可能会导致应力聚变，发生岩爆。

能量聚集分析：应用三维非线性数值模拟技术，判断岩体周围的能力聚集以及分布情况，分析开采区域煤具体的应力环境以及岩爆发生的可能性。如掩体内的弹性积变能量较多，最大弹性能达到1×105J 以上，距离在地下250m 以下，岩爆可能性增加。

冲击性分析：冲击性分析是对岩体在应变能释放情况的冲击性方向以及所产生的压力条件。判断分析冲击性是矿源开采的基础，通过对岩体单轴压缩循环加载特性的评价，对路径以及能量消耗量进行分析，按照能量参数定义冲击阶段，可以分为强烈冲击、中等冲击、若冲击三类。如果能量F 值在50 以上，则冲击较强，如果能量F 值在20~50 之间，则为中等冲击，20 则为弱等冲击。

对深度、能量、冲击性等参数进行定量分析之后，按照岩石的性质、弹性以及切力等对岩体的应力进行评价，最终对出现岩爆的概率进行判断，在具体的矿源开采过程中规避可能出现的问题。

5.4 具体应用

应力较高的岩体中可能会存在大量应变能量，如果在开采过程中堆砌损坏，导致能量释放，造成岩爆，对周边的环境造成极其恶劣的影响。项目设计应用现场勘察以及三维模型构建等方式，计算有限元数值，分析岩体内部储存的能量值以及外部的岩体环境，以此为基础定量计算岩爆的可能性以及强度。具体需要评价岩体内的能量聚集情况，对岩体弹性进行计算，控制岩体弹性参数，如果过高，在外力的作用下可能会发生岩爆事件。在判断可能出现岩爆情况的基础上，进行冲击性评价，对可能造成的后果进行评价。基于上述方案实现对岩爆灾害的预防以及控制，可以采取以下措施：

（1）确定开采顺序以及开采步骤，根据应力原理合理应用卸压开采技术，避免因外力因素导致岩体局部的应力加大，使岩体内的弹性能量释放，导致岩爆情况的产生。

（2）在对岩体环境以及岩石结构进行明确的基础上，实现对采空区域的合理填充，填充物体需要保障强度可以支持应力的作用，减少因空区面积过大而产生的岩爆事故。

（3）使用喷锚网对岩体进行固定，利用喷锚装置的支护作用，保障岩体的柔性在可控的范围内，使得围岩在移动的过程中可以慢慢释放能量，减少释放灾害效果。

（4）爆破设计应合理，避免因爆破导致岩体发生过振动，从而产生岩爆反应。

（5）建立完善的监测网络，明确围岩的活动规律以及稳定性等参数，通过监测的手段可以了解具体的岩体能量释放情况，为灾害预防奠定基础。

应用上述措施可以实现对围岩的保护，减少采矿过程中灾害发生的可能性。岩石力学的实践应用要结合具体的开采条件以及开采环境，以全面的勘察为基础、准确的测量为核心、科学的方案为保障，有效发挥岩石力学在矿源开采中的积极作用，达到降低开采成本、提高开采效率的目标。