董宣

摘要： 隨著近年來(lái)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 對(duì)于金屬材料的需求量也不斷增加， 由此， 也便對(duì)金屬礦山采礦工程提出了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求， 基于這一現(xiàn)狀下巖石力學(xué)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文主要探討了巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程當(dāng)中對(duì)于地應(yīng)力的測(cè)量， 以及礦山采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面的內(nèi)容， 希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)的研究人員提供一些有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞： 巖石力學(xué)； 金屬礦山； 采礦工程； 應(yīng)用；

巖石力學(xué)起源于較大規(guī)模的工程實(shí)踐， 在發(fā)展初期巖石力學(xué)工程基本都會(huì)與采礦工程一同開(kāi)展。在采礦工程的實(shí)踐作業(yè)過(guò)程中巖石工程經(jīng)常會(huì)有著較大規(guī)模的應(yīng)用， 且所面臨的工作環(huán)境也會(huì)十分復(fù)雜。巖石力學(xué)問(wèn)題始終存在于采礦工程的各個(gè)環(huán)節(jié)之中， 一方面， 采礦工程的巖體是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)演變所形成的地質(zhì)體， 在特定的地質(zhì)環(huán)境當(dāng)中巖體的力學(xué)特性往往會(huì)較為穩(wěn)定。另一方面， 因采礦工程有著動(dòng)態(tài)性的特征， 巖體的力學(xué)性質(zhì)也會(huì)受到工程大小與開(kāi)挖方向而產(chǎn)生相應(yīng)的改變， 并且環(huán)境因素也是一項(xiàng)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(xué)有著高度的復(fù)雜性， 因此就必須采用多種手段方式來(lái)對(duì)其展開(kāi)研究。

1 巖石力學(xué)概述

巖石力學(xué)是探究巖石力學(xué)性狀的一門(mén)理論與應(yīng)用科學(xué)， 是力學(xué)研究最重要的一項(xiàng)分支內(nèi)容。作為近代才逐漸興起的一門(mén)學(xué)科， 巖石力學(xué)的應(yīng)用范圍主要包括了公路、鐵路、地質(zhì)、土木、石油、采礦等眾多與巖石工程有關(guān)的工程領(lǐng)域。對(duì)于巖石力學(xué)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(xué)或是固體力學(xué)的深刻影響。伴隨著相關(guān)巖石力學(xué)理論研究以及工程實(shí)踐的持續(xù)深入開(kāi)展， 人們關(guān)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(xué)中的一種材料類(lèi)型， 作為一種天然型的地質(zhì)體， 因此更應(yīng)當(dāng)將其稱(chēng)之為巖體， 引起具備有相對(duì)較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造與賦存條件， 因此也是一種重要的“不連續(xù)介質(zhì)”。巖石力學(xué)作為實(shí)踐性與應(yīng)用性兼具的新興學(xué)科，其應(yīng)用范圍涵蓋采礦、建筑、水利、鐵路、公路、石油、地質(zhì)、地震、海洋工程、地下工程等多種涉及巖石工程的工程領(lǐng)域。巖石力學(xué)不僅是上述工程的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也由上述工程的發(fā)展帶動(dòng)了巖石力學(xué)的進(jìn)步。最早對(duì)巖石力學(xué)的定義是基于材料概念的，并且?guī)в泄腆w力學(xué)和材料力學(xué)的印記。然而隨著工程實(shí)踐的進(jìn)步發(fā)展，以及巖石力學(xué)理論研究的深化完善，人們對(duì)巖石及巖石力學(xué)又有了新的認(rèn)識(shí)。

2礦山生產(chǎn)特點(diǎn)

（1）礦山生產(chǎn)年份相對(duì)較短。在礦山生產(chǎn)的基本條件下，礦山的使用壽命較短是礦山巖石力學(xué)分析中必須考慮的一個(gè)重要因素。總的來(lái)說(shuō)，礦井的壽命在十年到幾十年之間，與其他行業(yè)的情況有一定的區(qū)別。因此，在礦山巖石力學(xué)研究中，有必要通過(guò)對(duì)其有限時(shí)間的分析，來(lái)設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定的工作，為合理使用巖石力學(xué)提供保證，使礦山企業(yè)能夠在經(jīng)濟(jì)效益與安全穩(wěn)定運(yùn)行之間取得平衡。同時(shí)，在礦山工程生產(chǎn)中應(yīng)采用巖石力學(xué)原理，并進(jìn)行巖石穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)分析。分析了時(shí)間與時(shí)間的關(guān)系，為礦山企業(yè)節(jié)約支護(hù)成本和優(yōu)化結(jié)構(gòu)資源提供依據(jù)。

（2）各類(lèi)巷道的礦中的作用。在分析礦山巷道的作用過(guò)程中，不同類(lèi)型的礦井巷道的重要性發(fā)生了一定的變化。因此，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)有所不同。在對(duì)巷道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行提前的分析。通過(guò)對(duì)巖體穩(wěn)定方案的合理分析，對(duì)巖體的應(yīng)力和強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)整。在這種狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)精細(xì)的處理，可以完成正常工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的內(nèi)容。同時(shí)，在工程實(shí)踐的背景下，巷道圍巖力學(xué)中存在著不穩(wěn)定現(xiàn)象。如隧道穿越等問(wèn)題，需要進(jìn)一步分析論證，以調(diào)整工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，充分實(shí)現(xiàn)巷道的功能和穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）巷道更新速度快。對(duì)于礦井巷道工程的內(nèi)容，礦井巷道不僅大，而且在不斷更新，主要是因?yàn)樵诘V井生產(chǎn)中，隨著新巷道的掘進(jìn)，舊巷道也會(huì)被破壞。在礦山正常生產(chǎn)過(guò)程中，巷道支付的維護(hù)成本過(guò)高，已成為制約礦山經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。因此，對(duì)礦山巖石力學(xué)分析的背景下，有必要通過(guò)對(duì)礦山生產(chǎn)特點(diǎn)和礦井基本需求分析構(gòu)建節(jié)約型礦山經(jīng)營(yíng)模式和維護(hù)計(jì)劃，有效緩解礦山巖石力學(xué)的制約因素，為礦井結(jié)構(gòu)資源優(yōu)化和礦山工程項(xiàng)目發(fā)展的大力支持。

3 礦山地應(yīng)力測(cè)量

針對(duì)原始地應(yīng)力開(kāi)展測(cè)量工作即為明確出存在于擬開(kāi)挖巖體， 和其附近位置未遭受驚擾的立體化應(yīng)力狀態(tài)， 在實(shí)施具體的測(cè)量作業(yè)時(shí)一般是采取連續(xù)不間斷的小幅度測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。巖體內(nèi)的單點(diǎn)立體應(yīng)力狀態(tài)可通過(guò)確定出坐標(biāo)系內(nèi)的不同分量來(lái)代表， 相應(yīng)的坐標(biāo)系確立可依據(jù)實(shí)際需求亦或是遵循便捷化原則來(lái)進(jìn)行選擇， 多數(shù)情況下會(huì)采取地球坐標(biāo)系來(lái)充當(dāng)測(cè)量坐標(biāo)系。基于多個(gè)應(yīng)力分量來(lái)進(jìn)一步獲得位于該點(diǎn)上三維主應(yīng)力程度與位置， 這是可以得到精準(zhǔn)確定的。在開(kāi)展實(shí)地測(cè)量作業(yè)時(shí)， 各點(diǎn)所牽涉到的巖石其規(guī)模大小很有可能會(huì)是立方厘米級(jí)別到數(shù)千立方米級(jí)別中的任意一種， 其真實(shí)的數(shù)值同時(shí)還可能會(huì)受到所選用的測(cè)量方法影響。然而無(wú)論其規(guī)模是立方厘米級(jí)別的還是數(shù)千立方米級(jí)別的， 從整體巖石結(jié)構(gòu)的層面來(lái)看， 基本可將其視作為單點(diǎn)。因地應(yīng)力狀態(tài)存在著較為明顯的復(fù)雜性與變化性特征， 因此要想能夠較為精準(zhǔn)的測(cè)出某礦區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力大小， 便要同時(shí)選取多點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。只有基于這一基礎(chǔ)之上， 方可憑借數(shù)值分析及數(shù)理統(tǒng)計(jì)、人工智能與模型建構(gòu)等方式， 來(lái)確定出該礦區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)模型。

目前已經(jīng)形成了一整套標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)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(dǎo)孔穿透巖體中的測(cè)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(zhuān)項(xiàng)設(shè)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(yīng)力。

4 礦山采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化

金屬礦床的形成、賦存以及開(kāi)采穩(wěn)定程度都會(huì)直接受制于地應(yīng)力場(chǎng)控制。因此， 就必須將地應(yīng)力作為切入點(diǎn)來(lái)實(shí)施金屬采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化。按照實(shí)際測(cè)量所獲得的地應(yīng)力以及工程地質(zhì)實(shí)況、水文地質(zhì)、礦巖物理力學(xué)特性等資料信息， 并再進(jìn)一步結(jié)合以具體的賦存與開(kāi)采條件， 實(shí)施定量測(cè)算分析， 選取出適當(dāng)?shù)拈_(kāi)采作業(yè)方式， 明確出合理化的開(kāi)采布設(shè)方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、開(kāi)采次序、支護(hù)加固、地壓控制等相關(guān)措施手段， 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬礦山開(kāi)采的安全保障。

具體的優(yōu)化過(guò)程為：采集基礎(chǔ)資料→確定初步方案→多方案測(cè)算分析→多目標(biāo)決策優(yōu)化→技術(shù)實(shí)施→現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取與分析→改進(jìn)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(diǎn)與采礦多端行及開(kāi)挖特征， 合理化的運(yùn)用數(shù)值分析、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等現(xiàn)代化的技術(shù)手段， 來(lái)為保障采礦設(shè)計(jì)提供了科學(xué)化的手段方式。

結(jié)語(yǔ)

總而言之， 伴隨著巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中應(yīng)用范圍的日漸廣泛， 也直接促使我國(guó)在巖石力學(xué)方面的研究達(dá)到了世界領(lǐng)先地位。在本次研究中簡(jiǎn)要闡述了巖石力學(xué)的基本特點(diǎn)， 并進(jìn)一步就針對(duì)巖石力學(xué)在礦山地應(yīng)力測(cè)量作業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用情況展開(kāi)了深入探究， 最終對(duì)礦山采礦提出了幾點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。相關(guān)的工作人員還應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合采礦工程的具體情況， 來(lái)更加深入的探究巖石力學(xué)在采礦工程當(dāng)中新的應(yīng)用內(nèi)容。

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