崔曉林,吳亞君
(湖北三鑫金銅股份有限公司,湖北黃石 435100)
我國對(duì)金屬材料的需求日益增加,對(duì)礦山采礦提出更高的要求。巖石力學(xué)是指導(dǎo)采礦工程的方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是保障采礦過程安全性、有效性的基礎(chǔ),通過巖體勘察和應(yīng)力勘察,設(shè)計(jì)開采方案。在具體操作過程中,需要了解巖石的特點(diǎn),做好地應(yīng)力測(cè)量工作,探討深部開采的危害性。
巖石力學(xué)是一門綜合性學(xué)科,是研究巖石構(gòu)成和巖石在外界環(huán)境下變化因素的學(xué)科。該學(xué)科在很多大型工程中被廣泛應(yīng)用,是工程設(shè)計(jì)、工程施工的理論基礎(chǔ),巖石力學(xué)理論和具體工程實(shí)踐相輔相成,不斷完善。巖石力學(xué)將巖體作為研究對(duì)象,認(rèn)為巖體是存在于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的“介質(zhì)”,具有不連續(xù)屬性[1],受地殼運(yùn)動(dòng)等因素的影響,巖體內(nèi)部產(chǎn)生地應(yīng)力,工程施工會(huì)導(dǎo)致巖體地應(yīng)力釋放產(chǎn)生形變。正是由于巖體的不連續(xù)性質(zhì),導(dǎo)致其存在不確定性,巖石力學(xué)就是研究這種不確定性的學(xué)科。圖1 是具備不連續(xù)屬性的巖體結(jié)構(gòu)。
圖1 巖體結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的采礦技術(shù)以經(jīng)驗(yàn)為核心,采礦缺乏技術(shù)性、科學(xué)性,采礦效率較低。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,采礦技術(shù)逐漸完善,基礎(chǔ)理論研究不斷深入,涉及各個(gè)學(xué)科內(nèi)容。巖石力學(xué)理論的提出,對(duì)采礦工作開展提供具體指導(dǎo),巖石力學(xué)研究?jī)?nèi)容大致如下:地應(yīng)力測(cè)量、邊坡加固設(shè)計(jì)、井下圍巖穩(wěn)定性研究、采礦過程設(shè)計(jì)以及方案設(shè)計(jì)、巖石爆破技術(shù)、地面沉降處理等。在采礦工程中,結(jié)合具體的采礦環(huán)境以及巖體環(huán)境,科學(xué)設(shè)計(jì)工程內(nèi)容,解決上述問題。
地應(yīng)力是由于地殼運(yùn)動(dòng)所引發(fā)的巖土形變,在工程施工過程中由于開挖外力也可能會(huì)導(dǎo)致巖體發(fā)生形變。對(duì)巖體地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量,為具體礦山開挖提供方案指導(dǎo)。在掌握開挖地區(qū)地形管理?xiàng)l件下,可以明確開挖位置以及開挖方向,從而確定最終的支護(hù)方式以及支護(hù)結(jié)構(gòu),確保開挖過程中巖體的穩(wěn)定性。采礦開挖需要結(jié)合彈性力學(xué)理論,判斷巖體的斷面結(jié)構(gòu)以及形狀,避免產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況。如果巖體斷面形狀為橢圓,壓力均等,巖體受力比較均勻,開挖需要考慮巖體主應(yīng)力方向,保障主應(yīng)力方向與壓力方向平行,可以減少應(yīng)力對(duì)巖體造成的破壞。地應(yīng)力測(cè)量可以應(yīng)用3D 建模技術(shù)形成地應(yīng)力結(jié)構(gòu)圖,具體結(jié)果如圖2 所示。
圖2 地應(yīng)力結(jié)構(gòu)
地應(yīng)力測(cè)量是基于彈性力學(xué)理論進(jìn)行巷道以及采場(chǎng)斷面主應(yīng)力的比值測(cè)量方式。測(cè)量的最終目的是避免出現(xiàn)應(yīng)力集中情況。科學(xué)的計(jì)算和分析是采礦工程開展的前提基礎(chǔ),電子計(jì)算機(jī)信息模擬技術(shù)在地應(yīng)力數(shù)值測(cè)量中被普遍應(yīng)用,通過定量分析技術(shù)的應(yīng)用,了解原始應(yīng)力數(shù)值,為具體的采礦設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。由于巖體應(yīng)力形成的因素受地質(zhì)環(huán)境影響比較大,地應(yīng)力狀態(tài)也具有一定的復(fù)雜性,現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量是最準(zhǔn)確、直接的方法,這是在開展采礦工程之前需要格外注重的內(nèi)容。
地應(yīng)力測(cè)量要在開挖之前進(jìn)行,應(yīng)用數(shù)據(jù)信息技術(shù)對(duì)開挖的巖體以及周圍的區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)模擬測(cè)試,經(jīng)過多個(gè)點(diǎn)的量測(cè)計(jì)算最終的應(yīng)力數(shù)據(jù)。三維模擬需要選中6 個(gè)點(diǎn)作為應(yīng)力坐標(biāo),確定3 個(gè)主應(yīng)力,對(duì)大小以及方向進(jìn)行明確。由于測(cè)點(diǎn)的巖體大小無法準(zhǔn)確確定,最大可以達(dá)到上千立方米。若想保障應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確性,需要考慮到巖體的地質(zhì)環(huán)境,確定測(cè)點(diǎn)的數(shù)量可以滿足實(shí)際的策略需要,科學(xué)建立應(yīng)力場(chǎng)模型[2]。
比較常見的應(yīng)用方法包括兩類:①水壓致裂法;②應(yīng)力解除法。水壓致裂法操作較為麻煩,需要在巖體上打孔。應(yīng)力解除法則是比較系統(tǒng)的操作方法,操作簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確,是目前最常用的應(yīng)力測(cè)量方法,具體的操作方法如下:
(1)從巖體表面向內(nèi)部打孔,當(dāng)孔位接觸到測(cè)點(diǎn)位置時(shí),停止打孔??孜恢睆皆?5cm 左右,深度為巖體區(qū)域巷道或者隧道的25 倍以上,以保障可以取得最終的原始應(yīng)力數(shù)據(jù)。
(2)基于大孔的形成,在底部打同心小孔,準(zhǔn)備在孔位內(nèi)安裝好探頭設(shè)備。小孔的直徑控制在3.7cm 左右,深度為直徑的10 倍左右,確保同心小孔中間區(qū)域在平面應(yīng)變狀態(tài)下。
(3)安裝探頭設(shè)備,使用效果較好的空心包體應(yīng)變計(jì),進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量,用膠結(jié)的方式將其固定到小孔中央。
(4)繼續(xù)延伸大孔區(qū)域,接觸小孔周圍應(yīng)力,記錄設(shè)備所采集的小孔變形數(shù)據(jù),作為巖體應(yīng)力狀態(tài)判斷的基礎(chǔ)。
金屬礦山開采穩(wěn)定性、安全性受應(yīng)力場(chǎng)影響比較大,將地應(yīng)力作為采礦設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)際測(cè)量工程周邊的地質(zhì)以及水文情況設(shè)置開采條件,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布局、參數(shù)設(shè)計(jì)、支護(hù)加固,確保開采工程的科學(xué)性。具體設(shè)計(jì)理念為:資料搜集、初步方案設(shè)計(jì)、定量分析、決策優(yōu)化、技術(shù)施工、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、方案完善[3]。受采礦巖體環(huán)境影響,使用多段性開挖技術(shù),實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)與定量分析,具體步驟如圖3 所示。
圖3 采礦方案設(shè)計(jì)流程
某金屬礦山地質(zhì)構(gòu)造為斷裂帶,上層區(qū)域含有大量的碎巖,礦體長(zhǎng)度較短,厚度較大。地表區(qū)域周圍有公路以及稻田,需要避免開挖過程中使得地面沉降,對(duì)礦物資源的開采技術(shù)要求比較高?;谏鲜鲈韺?duì)工程開采方案進(jìn)行設(shè)計(jì),減少成本支出,在區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)22 個(gè)測(cè)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)6 個(gè)水平的應(yīng)力計(jì)算,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了建模,具體應(yīng)用以下技術(shù)。
針對(duì)上述案例,在上層區(qū)域設(shè)計(jì)回采填充采礦工藝。該技術(shù)成本投入較少,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)采場(chǎng)之間的聯(lián)合開采,適當(dāng)增加采場(chǎng)數(shù)量。該技術(shù)以無軌作業(yè)的方式,保障了整個(gè)回采過程的安全性,采礦效率有所增加。
初步設(shè)計(jì)好方案后,利用信息技術(shù)的建模功能對(duì)方案進(jìn)行定量分析,根據(jù)采場(chǎng)的實(shí)際情況以及巖體形狀,明確采礦順序,確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。以“品”字型為基礎(chǔ)進(jìn)行采場(chǎng)進(jìn)路設(shè)計(jì),控制采場(chǎng)的地壓,在中間區(qū)域設(shè)計(jì)“拱”型的區(qū)域,實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的控制,并作為主要的開采區(qū)域,確保采礦安全性[4]。
決策優(yōu)化對(duì)延長(zhǎng)爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,巖石爆破效率有所提高,礦產(chǎn)資源的采取能力也有極大程度提升。為了減少爆破過程中的成本投入,對(duì)采場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行改善、優(yōu)化。
技術(shù)施工設(shè)計(jì)使用無軌設(shè)備進(jìn)行采礦作業(yè),實(shí)現(xiàn)全盤采礦的機(jī)械化設(shè)計(jì),達(dá)到了降本增效的最終目標(biāo)。無軌采掘設(shè)備的使用效率比較高,符合巖石的應(yīng)力要求。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段,在保障對(duì)地壓進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)的同時(shí)保障了生產(chǎn)過程中的安全性。
基于巖石力學(xué)下對(duì)礦場(chǎng)采礦方案設(shè)計(jì),考慮到應(yīng)力對(duì)具體施工的要求,使用上述方案進(jìn)行具體的采礦工程?;谏鲜鲈O(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行施工,預(yù)計(jì)礦區(qū)采礦生產(chǎn)能力提升了80%以上,損失率降低了45%左右,礦產(chǎn)量提高了36%,設(shè)計(jì)方案實(shí)施具有科學(xué)性。
將巖石力學(xué)理論應(yīng)用到一些露天礦施工采集中,要根據(jù)巖石應(yīng)力對(duì)邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。我國大多數(shù)的露天礦山開采已經(jīng)逐漸向深凹開采轉(zhuǎn)化,開采深度甚至已經(jīng)達(dá)到200m 以上,部分邊坡的垂直高度已經(jīng)達(dá)到600m 以上,高、陡是主要特點(diǎn),對(duì)礦產(chǎn)采集的安全性造成了影響,礦資源的采取能力也有所降低。在此過程中,基于巖石力學(xué)理論的實(shí)踐應(yīng)用,需要通過減少坡角剝離的方式控制開采投入的成本,角度越高,可減少的剝離量就越多,成本投入就越少,因此,為了減少金屬礦山采礦的成本投入,要依據(jù)巖石力學(xué)理論對(duì)邊坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
國內(nèi)外礦區(qū)的邊坡設(shè)計(jì)多基于極限平衡法的實(shí)際應(yīng)用開展,我國很多大型的露天礦區(qū)邊坡角偏緩,邊坡的設(shè)計(jì)與國外相比缺乏技術(shù)性,導(dǎo)致成本投入增加。長(zhǎng)期以經(jīng)驗(yàn)來開展邊坡設(shè)計(jì)工作缺乏科學(xué)性,需要進(jìn)一步對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)。極限平衡法是科學(xué)的系統(tǒng)性的邊坡設(shè)計(jì)方法,若礦區(qū)為深凹的露天礦,使用此方法并不能達(dá)到理想的效果,由于邊坡穩(wěn)定性會(huì)受到巖體應(yīng)力影響,根據(jù)土力學(xué)理論中對(duì)礦區(qū)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用,如果為普通的邊坡,則可以使用極限平衡法。
應(yīng)用此方法實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的設(shè)計(jì),須將傳統(tǒng)的邊坡設(shè)計(jì)理念與當(dāng)下的信息技術(shù)融合,考慮到應(yīng)力對(duì)巖體環(huán)境以及采礦的實(shí)際影響,應(yīng)用定量計(jì)算方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的科學(xué)設(shè)計(jì)。本文僅僅針對(duì)山坡露天礦進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)實(shí)施路線進(jìn)行明確。具體的實(shí)施路線為:定量分析邊坡角度,對(duì)邊坡設(shè)計(jì)方案進(jìn)行明確,提高邊坡角,減少剝離量。在具體的操作過程中,需要著重考慮巖體的結(jié)構(gòu),具體的模擬設(shè)計(jì)也要以巖體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。通常情況下,巖體結(jié)構(gòu)包括斷層、節(jié)理的不連續(xù)性結(jié)構(gòu)和非線性結(jié)構(gòu)。應(yīng)用三維離散元程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)邊坡數(shù)值的模擬設(shè)計(jì)具有科學(xué)性,輔助應(yīng)用FLAC 技術(shù)也具有適應(yīng)性,經(jīng)過三維對(duì)比分析之后,實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的控制。在具體操作過程中,要將多種方法結(jié)合,考慮礦山巖體的實(shí)際情況,經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證、比較之后,確定最終的數(shù)據(jù),為邊坡固定提供數(shù)據(jù)支撐,具體操作過程如圖4 所示。
圖4 極限平衡法實(shí)施路線
金屬礦山在采礦過程中可能會(huì)出現(xiàn)坍塌、沖擊、巖爆等問題,一旦發(fā)生災(zāi)害事故,則會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成惡劣的影響,造成巨大的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失。巖爆事件案例比較多,我國在20 世紀(jì)就發(fā)生過多次巖爆事件,破壞力極強(qiáng)。雖然我國已經(jīng)加大了對(duì)巖爆事故原理的研究,并將巖石力學(xué)與災(zāi)害預(yù)測(cè)相結(jié)合,為礦產(chǎn)資源開采提供指導(dǎo),起到了一定的效果。但就目前而言,我國采礦災(zāi)害預(yù)測(cè)和防治技術(shù)應(yīng)用尚還存在一定的問題,如何合理設(shè)計(jì),利用巖石力學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)仍是研究重點(diǎn)。
具體的操作需要根據(jù)礦區(qū)實(shí)際的勘察結(jié)果進(jìn)行,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行資料搜集、整理以及數(shù)據(jù)分析。首先,對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量,科學(xué)的開展地質(zhì)調(diào)查工作,開展應(yīng)力實(shí)驗(yàn),并搜集整理現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)資料。其次,使用演化手段對(duì)巖爆發(fā)生的原理以及巖爆發(fā)生與地質(zhì)結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行明確,對(duì)可能發(fā)生巖爆的情況進(jìn)行定量預(yù)測(cè),使用信息技術(shù)將礦區(qū)的空間強(qiáng)度以及時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行整理,進(jìn)行巖爆參數(shù)模擬。最后,將預(yù)測(cè)和防治結(jié)合在一起,考慮周邊的環(huán)境安全,開展綜合評(píng)價(jià)研究工作,保障生產(chǎn)的安全性,具體的技術(shù)路線如圖5 所示。
圖5 礦區(qū)災(zāi)害預(yù)防技術(shù)路線
巖體內(nèi)儲(chǔ)存的大量彈性能量,在受到外力的條件下會(huì)釋放應(yīng)變能。案例應(yīng)用地應(yīng)力測(cè)量方法,開展巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn),進(jìn)行三維有限元模擬計(jì)算,對(duì)巖體內(nèi)的應(yīng)力以及應(yīng)變能爆發(fā)條件等進(jìn)行計(jì)算,探討發(fā)生巖爆的可能性以及發(fā)生巖爆后的破壞力。
深部研究:深部研究基于巖體內(nèi)部的水文條件以及地質(zhì)條件進(jìn)行開展,對(duì)巖體的質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),測(cè)量具體的應(yīng)力條件,找到地應(yīng)力的分布規(guī)律。通過對(duì)最大水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力以及最小水平主應(yīng)力測(cè)力,對(duì)測(cè)點(diǎn)的埋深進(jìn)行控制。地應(yīng)力與深度之間存在內(nèi)在聯(lián)系,深部開采極有可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力聚變,發(fā)生巖爆。
能量聚集分析:應(yīng)用三維非線性數(shù)值模擬技術(shù),判斷巖體周圍的能力聚集以及分布情況,分析開采區(qū)域煤具體的應(yīng)力環(huán)境以及巖爆發(fā)生的可能性。如掩體內(nèi)的彈性積變能量較多,最大彈性能達(dá)到1×105J 以上,距離在地下250m 以下,巖爆可能性增加。
沖擊性分析:沖擊性分析是對(duì)巖體在應(yīng)變能釋放情況的沖擊性方向以及所產(chǎn)生的壓力條件。判斷分析沖擊性是礦源開采的基礎(chǔ),通過對(duì)巖體單軸壓縮循環(huán)加載特性的評(píng)價(jià),對(duì)路徑以及能量消耗量進(jìn)行分析,按照能量參數(shù)定義沖擊階段,可以分為強(qiáng)烈沖擊、中等沖擊、若沖擊三類。如果能量F 值在50 以上,則沖擊較強(qiáng),如果能量F 值在20~50 之間,則為中等沖擊,20 則為弱等沖擊。
對(duì)深度、能量、沖擊性等參數(shù)進(jìn)行定量分析之后,按照巖石的性質(zhì)、彈性以及切力等對(duì)巖體的應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià),最終對(duì)出現(xiàn)巖爆的概率進(jìn)行判斷,在具體的礦源開采過程中規(guī)避可能出現(xiàn)的問題。
應(yīng)力較高的巖體中可能會(huì)存在大量應(yīng)變能量,如果在開采過程中堆砌損壞,導(dǎo)致能量釋放,造成巖爆,對(duì)周邊的環(huán)境造成極其惡劣的影響。項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)勘察以及三維模型構(gòu)建等方式,計(jì)算有限元數(shù)值,分析巖體內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量值以及外部的巖體環(huán)境,以此為基礎(chǔ)定量計(jì)算巖爆的可能性以及強(qiáng)度。具體需要評(píng)價(jià)巖體內(nèi)的能量聚集情況,對(duì)巖體彈性進(jìn)行計(jì)算,控制巖體彈性參數(shù),如果過高,在外力的作用下可能會(huì)發(fā)生巖爆事件。在判斷可能出現(xiàn)巖爆情況的基礎(chǔ)上,進(jìn)行沖擊性評(píng)價(jià),對(duì)可能造成的后果進(jìn)行評(píng)價(jià)?;谏鲜龇桨笇?shí)現(xiàn)對(duì)巖爆災(zāi)害的預(yù)防以及控制,可以采取以下措施:
(1)確定開采順序以及開采步驟,根據(jù)應(yīng)力原理合理應(yīng)用卸壓開采技術(shù),避免因外力因素導(dǎo)致巖體局部的應(yīng)力加大,使巖體內(nèi)的彈性能量釋放,導(dǎo)致巖爆情況的產(chǎn)生。
(2)在對(duì)巖體環(huán)境以及巖石結(jié)構(gòu)進(jìn)行明確的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)域的合理填充,填充物體需要保障強(qiáng)度可以支持應(yīng)力的作用,減少因空區(qū)面積過大而產(chǎn)生的巖爆事故。
(3)使用噴錨網(wǎng)對(duì)巖體進(jìn)行固定,利用噴錨裝置的支護(hù)作用,保障巖體的柔性在可控的范圍內(nèi),使得圍巖在移動(dòng)的過程中可以慢慢釋放能量,減少釋放災(zāi)害效果。
(4)爆破設(shè)計(jì)應(yīng)合理,避免因爆破導(dǎo)致巖體發(fā)生過振動(dòng),從而產(chǎn)生巖爆反應(yīng)。
(5)建立完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),明確圍巖的活動(dòng)規(guī)律以及穩(wěn)定性等參數(shù),通過監(jiān)測(cè)的手段可以了解具體的巖體能量釋放情況,為災(zāi)害預(yù)防奠定基礎(chǔ)。
應(yīng)用上述措施可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的保護(hù),減少采礦過程中災(zāi)害發(fā)生的可能性。巖石力學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用要結(jié)合具體的開采條件以及開采環(huán)境,以全面的勘察為基礎(chǔ)、準(zhǔn)確的測(cè)量為核心、科學(xué)的方案為保障,有效發(fā)揮巖石力學(xué)在礦源開采中的積極作用,達(dá)到降低開采成本、提高開采效率的目標(biāo)。
總而言之,復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)是影響采礦工程進(jìn)度的主要因素,為了提高采礦工程質(zhì)量,推動(dòng)采礦效率,須提前做好相應(yīng)的采礦工作的設(shè)計(jì)工作,做好地質(zhì)勘察工作。以巖石力學(xué)相關(guān)理論作為原理,指導(dǎo)具體的設(shè)計(jì)工作和開采工作,降低后續(xù)采礦過程中投入的成本,增加開采深度和提高開采效率。