地下金屬礦開采中的地應力分布特征及利用研究

摘 要：隨著地下金屬礦開采向深部發展，地應力問題日益凸顯，成為影響采礦工程安全與效率的關鍵因素。本文深入分析了地下金屬礦開采過程中地應力的分布特征，探討了地應力對采礦工程的影響，并提出了一系列利用地應力優化采礦工程設計的策略。通過對實際案例的研究，結合地應力測量與分析技術，本文旨在為地下金屬礦的安全高效開采提供理論依據和技術支持。

關鍵詞：地下金屬礦；地應力分布；開采安全；優化設計；地應力測量

地應力是客觀存在于地層中的天然應力，其分布特征與巖石的力學性質、地質構造及開采活動密切相關[1]。在地下金屬礦開采過程中，地應力不僅影響礦巖的穩定性，還直接關系到巷道支護、采場布局及開采效率。因此，深入研究地下金屬礦開采中的地應力分布特征及其利用具有重要意義。

1.地應力分布特征

1.1地應力的基本概念

地應力是地殼巖石在漫長的地質歷史時期中，由于地殼運動、溫度變化、巖石自重等多種因素共同作用而形成的內部應力。根據成因，地應力可分為自重應力和構造應力兩大類。自重應力主要由巖石自重產生，隨深度增加而增大；構造應力則與地質構造運動有關，具有復雜多變的特點。

1.2地下金屬礦地應力分布規律

地應力的分布特征受到礦區地質構造、巖性及開采深度等多重因素的綜合影響，這些因素共同塑造了地下金屬礦地應力的復雜格局。以下為具體分析：

隨深度增加：根據多項研究，地應力隨開采深度的增加而顯著增大。以某礦區為例，每增加100米深度，水平應力平均增加2至5 MPa，垂直應力增加1至2 MPa。這種趨勢在深部開采中尤為突出，對巷道支護及采場穩定性構成挑戰。

水平應力主導：在多數地下金屬礦中，水平應力通常超過垂直應力，比例可達到2：1，甚至更高，這種現象與地殼自重分布及地質構造運動有關。水平應力的方向性較強，與主要構造線或斷層走向一致，加劇了巷道及采場的變形壓力[2]。

構造應力復雜性：地質構造復雜的礦區，地應力分布表現出更大的不確定性。如斷層、褶皺等地質構造可導致局部應力集中，形成應力“熱點”，增加采礦安全風險。因此，對這些區域的地應力分布進行精確預測和動態監測至關重要。

為了更直觀地展示地應力分布規律，表1列出了某典型地下金屬礦的地應力隨深度變化的數據：

數據顯示，隨深度增加，地應力的增大幅度雖有所減緩，但水平應力仍占據主導地位，對地下金屬礦的開采工程設計和安全管理提出了更高要求。

2.地應力對采礦工程的影響

地應力對采礦工程的影響深遠而具體，主要體現在以下幾個關鍵層面：

巷道支護：在高地應力環境中，巷道支護面臨著嚴峻挑戰，支護結構的設計需要更加復雜和強化，以抵抗更大的壓力，巷道的變形和破壞風險顯著增加。巷道維護成本升高，頻繁的維修作業可能導致工程進度延遲，同時對工作人員的安全構成直接威脅。

采場穩定性：地應力對采場圍巖穩定性的影響不容忽視。高應力可能導致巖體產生非線性變形，增加垮塌和巖爆的可能性，這些情況不僅破壞采礦設備，延誤生產，還可能對礦工的生命安全構成威脅。

開采效率：地應力分布的不均勻性直接影響采礦作業的難易程度。在應力集中區域，爆破和挖掘效率降低，可能導致礦石損失增加和貧化率上升。為應對高應力，可能需要采用更保守的開采方法，如分步開采或局部應力釋放，這些都會降低整體開采效率，增加運營成本。

誘發其他地質問題：高地應力還可能誘發其他地質問題，如地下水位變化、地裂縫產生等，這些因素進一步惡化采礦環境，增加環境治理和修復的難度。

設備耐久性：持續的高應力作用會降低采礦設備的使用壽命，增加設備故障率，需要頻繁的維護和更換，從而增加運營成本。

理解和應對地應力對采礦工程的影響至關重要，它涉及到工程安全、生產效率、成本控制以及環境保護等多個方面。通過科學的地應力分析和合理的工程設計，可以有效減輕其負面影響，保障采礦作業的順利進行[3]。

3. 地應力分布特征的實測與分析

3.1 地應力測量方法

地應力測量方法的選取是地質工程中的關鍵技術環節，旨在準確評估地下環境中各向應力的狀態。應力解除法，通過鉆孔卸壓后測量鉆孔周圍巖石的回彈變形，來推算原巖應力，適用于較硬巖體，但可能受測量誤差和巖體非線性變形影響；水壓致裂法，通過注入高壓水，誘導巖石裂隙擴展，測量裂隙張開壓力以確定應力，適用于多裂隙巖體，但可能受到地下水和溫度的影響；聲發射法，利用巖石在應力作用下產生聲波信號的原理，通過監測和分析信號特征來估算應力，這種方法實時性強，適用于動態監測，但信號識別和解釋較為復雜。每種方法都有其適用范圍和局限性，實際應用中需結合地質條件、工程需求和測量精度，綜合選擇或組合運用這些方法，以確保地應力測量的準確性和可靠性。

3.2 實測案例分析

以某地下金屬礦為例，該礦地處復雜地質構造帶，其地應力的準確評估對采礦作業至關重要。運用先進的水壓致裂技術，對礦區進行詳盡的地應力實測，結果顯示，該區域的地應力分布主要表現為顯著的水平分量，這種應力狀態在垂直方向上隨深度增加而線性增強，反映出地殼壓力的典型特征。在深度較淺的表層，水平應力相對較低，而隨著開采深度的增加，水平應力逐漸增大，對巷道穩定性和礦體開采構成挑戰。

實測數據揭示了地質構造復雜區域的地應力分布異常現象，這些區域的地應力呈現出非均勻性，可能存在局部應力集中或異常釋放，對采礦工程的安全構成潛在威脅。對這些區域進行針對性的地質勘查和應力監測，采取適應性的開采策略，是保證采礦作業安全和效率的關鍵。在未來的采礦規劃中，應充分考慮這些地應力特征，實施精細化管理，降低潛在風險，確保地下金屬礦的可持續和安全開采[4]。

4. 地應力的利用與優化策略

4.1 巷道布置優化

巷道布置優化應充分考慮地應力的水平和垂直分量，確保巷道設計與地應力場的協調。通過精準測繪與地質力學分析，確定巷道的最優走向，盡量使巷道軸線與最大水平主應力方向平行或形成較小的夾角，以減少巷道受力的不均勻性。這樣不僅能夠提高巷道的穩定性，減少因應力集中導致的巷道變形，同時也能有效降低支護結構的負載，從而節約支護材料和施工成本。對復雜應力環境下的巷道，可采用多級支護設計，動態適應地應力的變化，進一步提升巷道的安全性和經濟性。

4.2 采場結構設計

在采場結構設計中，地應力分布的精細考量至關重要。依據地應力的水平與垂直分量，科學規劃采場的幾何形態和尺寸，以適應地應力場，降低應力集中效應。采用預裂爆破、定向鉆孔等先進技術，預先釋放應力，增強采場穩定性。靈活調整開采順序，避免激發潛在的地質災害，確保采礦作業安全高效。

4.3 支護技術創新

研發創新支護技術，應對高地應力挑戰，這包括但不限于應用智能監測系統，實時評估支護結構的應力狀態；開發新型高韌性錨桿和錨索，確保在極端應力條件下保持穩定性；探索先進注漿材料與工藝，提升圍巖加固效果，同時兼顧環保與經濟效益；研究動態調適支護設計，適應地應力變化，增強礦井安全與耐久性[5]。

5. 結論

地應力問題在地下金屬礦開采中扮演著決定性角色，其復雜性與多變性對采礦工程的安全性和經濟性帶來嚴峻挑戰。本文通過綜合分析地應力分布規律及實證研究，提出了結合地應力進行巷道設計、采場結構優化及支護技術創新的策略，旨在最大限度地降低地應力對采礦作業的影響，提高資源回收率和礦井穩定性。

隨著科技的飛速發展和對地應力科學的深入探究，未來有望實現更精確的地應力預測與監測，進一步提升采礦工程設計的精細化程度。例如，運用大數據和人工智能技術，建立動態地應力模型，實時評估和預測開采過程中的地應力變化，為決策提供強有力的數據支持。此外，新型支護材料和智能支護系統的研發，將使礦井在面對高應力環境時更具適應性和韌性，降低事故風險，確保采礦作業的安全。

綜上所述，地應力問題的研究與應用將不斷深化，為地下金屬礦的可持續開采提供更高效、安全的解決方案，推動礦業行業的科技進步和綠色發展。

參考文獻

1.陳學華， 孫守增， 張寶安。評估巖體應力狀態防治沖擊地壓[J]. 遼寧工程技術大學學報， 2002， 04： 34-38.

2.劉玉增， 王德才。錨桿對圍巖控制效果分析[J]. 煤礦開采， 2001， 04： 12-15.

3.申昭。基于礦開采的地應力特點及應用分析[J]. 河南科技， 2013， 17： 89-91.

4.方文會， 廖引。高瓦斯礦井區域瓦斯分級治理方法及其在潞安礦區的應用研究[J]. 中州煤炭， 2021， 01： 56-59.

5.朱柳。霍爾辛赫礦井地應力場特征研究[J]. 煤， 2018， 03： 45-48.

作者單位：河鋼集團礦業公司石人溝鐵礦