巖石力學在金屬礦山采礦工程中的應用

董宣

摘要： 隨著近年來我國社會經濟的快速發展， 對于金屬材料的需求量也不斷增加， 由此， 也便對金屬礦山采礦工程提出了更加嚴格的標準要求， 基于這一現狀下巖石力學得到了越來越廣泛的應用。本文主要探討了巖石力學在金屬礦山采礦工程當中對于地應力的測量， 以及礦山采礦設計優化等方面的內容， 希望能夠為相關的研究人員提供一些有價值的參考。

關鍵詞： 巖石力學； 金屬礦山； 采礦工程； 應用；

巖石力學起源于較大規模的工程實踐， 在發展初期巖石力學工程基本都會與采礦工程一同開展。在采礦工程的實踐作業過程中巖石工程經常會有著較大規模的應用， 且所面臨的工作環境也會十分復雜。巖石力學問題始終存在于采礦工程的各個環節之中， 一方面， 采礦工程的巖體是經過漫長的地質演變所形成的地質體， 在特定的地質環境當中巖體的力學特性往往會較為穩定。另一方面， 因采礦工程有著動態性的特征， 巖體的力學性質也會受到工程大小與開挖方向而產生相應的改變， 并且環境因素也是一項主要影響因素?；谏鲜鎏卣饕脖銢Q定了采礦工程中的巖石力學有著高度的復雜性， 因此就必須采用多種手段方式來對其展開研究。

1 巖石力學概述

巖石力學是探究巖石力學性狀的一門理論與應用科學， 是力學研究最重要的一項分支內容。作為近代才逐漸興起的一門學科， 巖石力學的應用范圍主要包括了公路、鐵路、地質、土木、石油、采礦等眾多與巖石工程有關的工程領域。對于巖石力學所作出的定義是基于材料概念所提出的， 主要受到材料力學或是固體力學的深刻影響。伴隨著相關巖石力學理論研究以及工程實踐的持續深入開展， 人們關于巖石的了解也取得了重大突破。首先， 要盡量避免將巖石僅僅看作是固體力學中的一種材料類型， 作為一種天然型的地質體， 因此更應當將其稱之為巖體， 引起具備有相對較為復雜的地質構造與賦存條件， 因此也是一種重要的“不連續介質”。巖石力學作為實踐性與應用性兼具的新興學科，其應用范圍涵蓋采礦、建筑、水利、鐵路、公路、石油、地質、地震、海洋工程、地下工程等多種涉及巖石工程的工程領域。巖石力學不僅是上述工程的理論基礎，同時也由上述工程的發展帶動了巖石力學的進步。最早對巖石力學的定義是基于材料概念的，并且帶有固體力學和材料力學的印記。然而隨著工程實踐的進步發展，以及巖石力學理論研究的深化完善，人們對巖石及巖石力學又有了新的認識。

2礦山生產特點

（1）礦山生產年份相對較短。在礦山生產的基本條件下，礦山的使用壽命較短是礦山巖石力學分析中必須考慮的一個重要因素?？偟膩碚f，礦井的壽命在十年到幾十年之間，與其他行業的情況有一定的區別。因此，在礦山巖石力學研究中，有必要通過對其有限時間的分析，來設計安全穩定的工作，為合理使用巖石力學提供保證，使礦山企業能夠在經濟效益與安全穩定運行之間取得平衡。同時，在礦山工程生產中應采用巖石力學原理，并進行巖石穩定性結構分析。分析了時間與時間的關系，為礦山企業節約支護成本和優化結構資源提供依據。

（2）各類巷道的礦中的作用。在分析礦山巷道的作用過程中，不同類型的礦井巷道的重要性發生了一定的變化。因此，其結構的穩定性會有所不同。在對巷道進行設計時，對其結構進行提前的分析。通過對巖體穩定方案的合理分析，對巖體的應力和強度進行了系統的調整。在這種狀態下，經過精細的處理，可以完成正常工程項目設計的內容。同時，在工程實踐的背景下，巷道圍巖力學中存在著不穩定現象。如隧道穿越等問題，需要進一步分析論證，以調整工程設計內容，充分實現巷道的功能和穩定運行。

（3）巷道更新速度快。對于礦井巷道工程的內容，礦井巷道不僅大，而且在不斷更新，主要是因為在礦井生產中，隨著新巷道的掘進，舊巷道也會被破壞。在礦山正常生產過程中，巷道支付的維護成本過高，已成為制約礦山經濟效益的重要因素。因此，對礦山巖石力學分析的背景下，有必要通過對礦山生產特點和礦井基本需求分析構建節約型礦山經營模式和維護計劃，有效緩解礦山巖石力學的制約因素，為礦井結構資源優化和礦山工程項目發展的大力支持。

3 礦山地應力測量

針對原始地應力開展測量工作即為明確出存在于擬開挖巖體， 和其附近位置未遭受驚擾的立體化應力狀態， 在實施具體的測量作業時一般是采取連續不間斷的小幅度測量來實現的。巖體內的單點立體應力狀態可通過確定出坐標系內的不同分量來代表， 相應的坐標系確立可依據實際需求亦或是遵循便捷化原則來進行選擇， 多數情況下會采取地球坐標系來充當測量坐標系。基于多個應力分量來進一步獲得位于該點上三維主應力程度與位置， 這是可以得到精準確定的。在開展實地測量作業時， 各點所牽涉到的巖石其規模大小很有可能會是立方厘米級別到數千立方米級別中的任意一種， 其真實的數值同時還可能會受到所選用的測量方法影響。然而無論其規模是立方厘米級別的還是數千立方米級別的， 從整體巖石結構的層面來看， 基本可將其視作為單點。因地應力狀態存在著較為明顯的復雜性與變化性特征， 因此要想能夠較為精準的測出某礦區內的地應力大小， 便要同時選取多點來進行測量。只有基于這一基礎之上， 方可憑借數值分析及數理統計、人工智能與模型建構等方式， 來確定出該礦區的地應力場模型。

目前已經形成了一整套標準化的測量程序， 其步驟流程如下：

⑴由巖體表層， 通常是地下巷道、隧道向巖體中打孔， 指導孔穿透巖體中的測量位置。直徑通常為140mm左右， 深度不小于巷道或隧道的2.5倍；⑵由孔底打同心小孔， 提供安裝探頭使用， 小孔直徑通常為37mm左右， 孔深不小于孔徑的10倍；⑶采用專項設備固定到小孔中部位置；⑷采用薄壁鉆頭加深打孔， 確保小孔附近巖芯能夠消除應力。

4 礦山采礦設計優化

金屬礦床的形成、賦存以及開采穩定程度都會直接受制于地應力場控制。因此， 就必須將地應力作為切入點來實施金屬采礦設計優化。按照實際測量所獲得的地應力以及工程地質實況、水文地質、礦巖物理力學特性等資料信息， 并再進一步結合以具體的賦存與開采條件， 實施定量測算分析， 選取出適當的開采作業方式， 明確出合理化的開采布設方式、結構參數、開采次序、支護加固、地壓控制等相關措施手段， 來實現對金屬礦山開采的安全保障。

具體的優化過程為：采集基礎資料→確定初步方案→多方案測算分析→多目標決策優化→技術實施→現場測取與分析→改進并完善方案。這一理論完全考慮到了采礦巖體本身的非線性特點與采礦多端行及開挖特征， 合理化的運用數值分析、大數據統計分析等現代化的技術手段， 來為保障采礦設計提供了科學化的手段方式。

結語

總而言之， 伴隨著巖石力學在金屬礦山采礦工程中應用范圍的日漸廣泛， 也直接促使我國在巖石力學方面的研究達到了世界領先地位。在本次研究中簡要闡述了巖石力學的基本特點， 并進一步就針對巖石力學在礦山地應力測量作業中的實際應用情況展開了深入探究， 最終對礦山采礦提出了幾點設計優化建議。相關的工作人員還應當充分結合采礦工程的具體情況， 來更加深入的探究巖石力學在采礦工程當中新的應用內容。

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