岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用

【摘 要】 岩体力学是介质于力学和地质学之间的边缘学科，多运用于采矿工程之中。文章在阐述现代岩石力学特点的基础上，结合岩石力学内容，对岩石力学在金属矿山采矿中的应用做具体探讨，深入介绍采矿工程中的优化设计方案。

【关键词】 岩石力学 金属矿山 采矿工程

岩石力学作为实践性与应用性兼具的新兴学科，其应用范围涵盖采矿、建筑、水利、铁路、公路、石油、地质、地震、海洋工程、地下工程等多种涉及岩石工程的工程领域。岩石力学不仅是上述工程的理论基础，同时也由上述工程的发展带动了岩石力学的进步。最早对岩石力学的定义是基于材料概念的，并且带有固体力学和材料力学的印记。然而随着工程实践的进步发展，以及岩石力学理论研究的深化完善，人们对岩石及岩石力学又有了新的认识。第一，不能简单的将“岩石”看做岩石工程中的一种固体材料，岩石工程中的岩石应是天然地质体，具有繁杂的地质结构及存储条件，属基本的“不连续介质”。第二，岩体中有地应力，这种地应力是在地质条件和重力作用下逐渐形成的内应力，在岩石工程的施工开挖中这种地应力被释放，在“释放荷载”的作用力下导致岩石工程逐渐变形甚至被破坏。因而研究岩石力学与以“外荷载作用”为主要特征的结构力学、材料力学的研究有明显不同。研究发现，岩石在岩体结构、赋存条件及其状况中均存在很多不确定性，所以，对岩石力学的研究应改变传统的确定性研究方法，立足于“系统概念”，以不确定研究方法为其主要研究形式。上述分析表明：岩石力学属于认识并控制岩石系统工程功能和力学行为的科学。长期以来，采矿业均运用经验类比法及“查手册”的形式设计开采方案，没有科学的采矿技术和采矿方案，采矿工程的复杂性显而易见，并成为束缚采矿工程发展的重要因素。采矿工程是一门繁杂系统的科学性工程，并不是传统观念中的工艺技术，而岩石力学是将采矿从工艺转向科学的重要桥梁。

1 矿山地应力场测量

1.1 测量重要性

地应力是底层中的天然内应力，是引起各种岩石工程变化破坏的根本作用力，是岩石工程和采矿工程实现科学开挖设计的必要前提。矿山设计中，只有充分掌握工程区的地应力条件，才能更加准确的确定矿山的具体布置，选择与之相适应的采矿方法，明确采场、巷道断面的最佳形状，开挖步骤、支护结构、形状及其时间，进而更好的保证围岩稳定性，最大化的增加矿石产量，优化采矿工程、提高经济效益。从弹性力学理论上看，采场、巷道的最佳形状由断面内的主应力比值决定，为减少采场周边及巷道应力集中现象，断面最理想形状应为椭圆，该椭圆在垂直方向及水平方向的两个半轴的长度之比与断面内垂直主应力和水平主应力之比相等。基于此，采场周边及巷道将处于均匀等压状态，这种受力状态最为稳定。采场、巷道在确定走向时，也应结合地应力状态，使其走向与最大主应力方向平行，继而达到理想走向。

1.2 测量方法

原始地应力测量是确定拟开挖岩体与周围未受扰动的三维应力状态，经过一点一点的测量后完成。其中一点的三维力度状态用六个分量（σx，σy，σz，τxy，τyz，τyz）表示，其中的坐标系按照需要自行选择，一般来说，以地球坐标系为测量坐标系。实际测量时，测点的岩石可能是几方厘米，也可能是几千方米，有选取的测量方法决定。但不管大小是多少，对于整个岩石来说，都可视为一点。地应力的复杂多变，要求在对某一矿区的地应力进行测定时应进行充分的“点”测量。基于此，才能利用数理统计和数值分析、人工智能、建模等方法，创建地应力场模型。当前地应力测量多采用的方法有水压致裂法和应力解除法。其中技术最为成熟、发展时间最长的为套孔应力解除法。在原始应力测定的可靠性上，相较于其他方法，应力解除法占有绝对优势。在矿山中运用应力解除法更是具备得天独厚的优势。因为矿山的硐室、巷道等能与地下测点接近，不用像水压致裂法那样专门钻孔后才能进入测点，所以在矿山地应力测量上，利用应力解除法最为可靠经济。

2 地下矿山采矿的优化设计

金属矿床的形成、赋存及开采稳定性都会受到地应力场的影响和控制。因此，应以地应力为基点，对金属矿采矿进行优化设计。按照实际测得的地应力及水文地质、工程地质、矿岩力学性质等，结合矿体开采条件，利用定量分析与计算，选择适宜科学的采矿方法，明确最合理的开采总体布置、开采顺序、地压控制及支护加固措施，达成矿山开采的安全高效目标。具体的优化路线为：资料收集→确定初选方案→多方案计算分析→多目标决策优化→工程实施→现场检测与分析→修改优化最终方案。

3 深凹露天矿边坡优化设计

3.1 现状

现如今，我国多数大中型露天矿山即将由原先的山坡露天开采转化为深凹露天矿边坡开采。随着开采力度的加大，边坡逐渐加高加陡，对其的稳定性维护越来越难，边坡倾倒滑移破坏事故频繁发生，严重威胁矿山的生产安全，阻碍了其生产能力的增强。就大型露天款山而言，提高边坡角可有效减少剥离，降低生产成本。另外，与国外相比，我国露天矿边坡角均缓5°左右，造成这种情况的主要原因是长期以来边坡设计过分依赖于经验类比，没有进行科学的分析计算。

3.2 对边坡稳定性的优化设计

国内对边坡稳定性的设计为极限平衡法这种传统设计方法属于静态的确定性的方法，但是实际的边坡状态在开采过程中总是不断变化的，动态性及不确定性较强。这种方法在土力学理论上提出，未能考虑到岩体的断层、节理及地应力。这些都是对边坡稳定性其控制性作用的因素。因此，这种方法可能适于山坡露天矿的优化设计，但不适用于深凹露天矿的设计。针对极限平衡法的问题及不足，我们应采取科学的现代化技术，综合考虑岩体条件及地应力作用，借助定量计算分析，对深凹露天边坡进行优化设计。实施路线为：用极限分析方法结合数值模拟，对不同边坡设计方案及边坡角进行定量的分析计算，在保证安全的基础上，尽可能的减少剥离量，提高边坡角，降低生产成本，提高矿石产量，增加矿山生产效益。路线中的数值模拟应首先考虑岩体的不连续性和非线性程序，例如，三维离散元程序或三维FLAC，两种方法相结合为最好。其中的极限平衡最好也运用三维程序，尤其是对边坡关键部位的三维分析。将多种方法进行综合的比较分析，相互验证补充，使计算分析更加可靠准确。

4 结语

岩石力学的应用是一项复杂科学的工程，应运用科学的方法及技术进行深入研究。相信随着我国科学技术的不断进步，以及岩石力学研究者的不懈努力，采矿工程中的边坡滑移、破坏及地应力问题定会得到更加完善的解决，促使我国岩石力学及采矿工程步入更高的发展层次，促进我国采矿事业健康持续的发展。

参考文献：

[1]曹旭.岩石力学在采矿工程中的应用探讨[J].河南科技，2013（18）.

[2]杨仕俊.采矿工程中岩石力学专业应用的探析[J].内蒙古煤炭经济，2014（08）.

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