1、岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用【摘要】本文详细的讲述了岩石力学的中心内容以及基础特点，并且深入的研究了岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用。其中包括了岩石力学与地质学的结合，国内外工程采矿工程的现状，工程实例等。 【关键词】岩石力学，金属矿山，采矿工程 中图分类号： TD1 文献标识码： A 前言 伴随着人类文明的前进，越来越多的新型学术不断出现。而岩石力学是一门就目前来说比较边缘的学科之一。而且其实践性非常强，适用的范围非常的广泛。例如建筑类、铁道通路类、石油、地下工程、海洋等等。岩石力学领域已经与我们的日常生活愈发的息息相关。 二、岩石力学与地质学的结合 1.岩石力学与地质学的学科关系
2、岩石力学将力学理论作为学科发展的研究目标，而岩石则是岩石力学研究的对象。岩石是一种地质产物，也可称地质体。广义上讲，岩石力学应是力学与地质学相结合的交叉学科，若更有针对性地来看，岩石力学侧重于固体力学与岩石地质学的结合。岩石力学属于应用基础学科，它的研究任务是以岩石工程建设为己任，也包括地质资源的开发工程。更广更深的力学、地质学，与工程学科的结合势在必行。因此，地质学必然成为岩石力学与岩石工程学科的支柱性基础学科之一。 那么，岩石力学与岩石工程学科从地质学中究竟能有何得益，地质学在哪些领域对岩石力学与岩石工程学科的研究和发展可能做出贡献，这就是本文所试图回答的主要问题。地质学是地球科学的一个分
3、支学科。地球科学包括大气、海洋、地理和固体地球科学等固体地球科学则包含地质学、地球物理学和地球化学。 从广义和实用的角度看，地质学同其他地球科学的分支有着密切的交叉，因而也含有与它们相关的研究内容。地质学的研究对象是地球，尤其是地壳，重点在于研究它的物质组成和结构，以及其形成、演化的地质动力作用和过程。地质学的核心研究思路是地质历史的时空重建，在层序和构造分析的基础上，地质学家采用了许多现代数理化科学和技术方法，从而使传统的地质学科步入现代科学行列。 岩石力学与地质学结合的知识通道 岩石力学家大多认识到地质学是岩石力学的重要基础学科，在岩石力学的本构建模及岩石工程分析计算中试图尽可能地考虑岩石
4、特性及地质条件，但是地质科学涵盖着大量分支学科，从何入手仍是很大的问题。地质学家也很热心于为岩石工程建设做出自己的贡献，然而难于确定适当的切入点和深入的方向。显然，构建一条地质学和岩石力学间相互沟通的知识通道是必要的。事实上，岩石力学及土力学同地质学的结合从一开始就被认为是学科发展的要点之一。 Terzaghi 和 Muller 教授皆为后人做出了楷模。进入 2l 世纪以来，国际岩石力学学会、土力学与岩土工程学会及工程地质与环境学会合作构建了国际地质岩土工程学会联合会(FederationofInternationalGeoengineeringSocieties，FIGS)。联合会约定的分工
5、如下：工程地质做出地质建模，岩土力学进行计算分析，岩土工程开展设计和施工。这一方案思路简洁可行，但要融合成为整体尚有很大空间，需做大量工作。 国内外深部工程现状 据不完全统计，国外开采超千米深的金属矿山有 80 多座，其中最多为南非。南非绝大多数金矿的开采深度大都在 l000m 以下。其中，Anglogold 有限公司的西部深井金矿，采矿深度达3700m，WestDriefovten 金矿矿体赋存于地下 600m，并一直延伸至 6000m以下。印度的 Kolar 金矿区，己有三座金矿采深超 2400m，其中钱皮恩里夫金矿共开拓 ll2 个阶段，总深 3260m。俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，已有捷
6、尔任斯基、基洛夫、共产国际等 8 座矿山采准深度达 910m，开拓深度到 1570m，预计将来达到 2000-2500m。 另外，加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦超过l000m。国外一些主要产煤国家从 20 世纪 60 年代就开始进入深井开采。1960 年前，西德平均开采深度已经达 650m，1987 年己将近达 900m；原苏联在 20 世纪 8O 年代末就有一半以上产量来自 600m 以下深部。根据目前资源开采状况，我国金属矿山开采深度以每年 812m 的速度增加，东部矿井正以 100t250m(1Oa)的速度发展。近年己有一批矿山进入深部开采。 其中，在金属开采方面，沈阳采
7、屯矿开采深度为 l197m、开滦赵各庄矿开采深度为 l159m、徐州张小楼矿开采深度为 l100m、北票冠山矿开采深度为 l059m、新汶孙村矿开采深度为 l055m、北京门头沟开采深度为l008m、长广矿开采深度为 l000m。在金属矿开采方面，红透山铜矿目前开采己进入 900 到 l100m 深度，冬瓜山铜矿现已建成 2 条超 l000m 竖井来进行深部开采，弓长岭铁矿设计开拓水平 750m，距地表达 l000m，夹皮沟金矿二道沟坑口矿体延深至 l050m，湘西金矿开拓 38 个中段，垂深超过 850m。此外，还有寿王坟铜矿、凡口铅钵矿、金川镍矿、乳山金矿等许多矿山都将进行深部开采。可以预
8、计在未来 20 年我国很多金属矿山将进入到 l000l500m 的深度。 四、金属矿山开采工程今后的研究重点 虽然目前对于金属矿山开采工程研究己取得了一部分成果，总的来看，侧重技术、注重个案，深层次的基础研究重视不够，因此，根据我国金属矿山资源开采情况，要保证我国主体后备资源供给，深入开展 100一 1500m 矿山开采基础理论研究迫在眉睫。 金属矿山开采工程中的岩石力学问题由于处于“三高一扰动”的复杂力学环境，使得金属矿山岩石力学行为以及深部灾害特征与浅部明显不同，基于浅部开采建立起来的传统理论己不再适合于深部开采，主要表现在： 1、强度确定在浅部开采条件下，由于所处的地应力水平比较低，其工
9、程岩体强度一般采用岩块的强度即可，即在实验室对岩块进行加载直至破坏所确定的强度。而在金属矿山开采条件下，由于地应力水平比较高，工程开挖后，工程岩体在高围压作用下，一个或两个方向上应力状态的改变所表现出的强度变化，并不是简单的表现在受拉或受压，而是复杂的拉压复合状态，即径向产生卸载，而切向产生加载，因此，其工程岩体强度就不能简单的用岩块强度来确定，必须建立符合金属矿山开采特点的工程岩体拉压复合强度确定理论。 2、稳定性控制理论在浅部开采条件下，由于所处的地应力水平比较低，工程开挖后，围岩一般不会产生破坏，因此，采用一次支护即可实现工程的稳定性。而深部开采条件下，工程开挖后，在高于工程围岩强度的围
10、压作用下，工程围岩就会产生破坏，此时采用简单的一次支护就不能满足工程稳定要求，必须采用二次支护或多次支护才能实现工程的稳定性。因此，由浅部建立起来的稳定性控制理论己不再适合，必须建立适合金属矿山开采工程的二次(支护)稳定性控制理论。 3、设计理论在浅部开采条件下，由于工程围岩所处的力学环境比较简单，因此，在进行稳定性控制设计时，采用传统的线性设计理论即可奏效。而金属矿山开采环境下，由于工程围岩所表现出的非线性力学特性，使得在进行稳定性控制设计时，就不能简单的采用一次线性设计，而必须考虑采用二次以至更复杂的多次非线性大变形力学稳定性控制设计理论。 今后研究重点针对金属矿山开采工程中存在的岩石力学
11、问题，今后主要研究方向集中在深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、金属矿山开采地表环境损伤控制等方面。 深部岩石力学基本特性研究深部“三高一扰动”的复杂环境，使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应均发生根本性变化，也是导致深部开采中灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所在。因此，金属矿山岩体长期处于“三高”环境下，由于采掘扰动所表现出的特殊力学行为是金属矿山资源开采所面临的核心科学问题。其中，金属矿山高应力场成因及多个应力场的藕合作用状态研究、深部复杂应力状态下岩体拉压复合强度确定方法及其灾变机理将是今后研究的重点。 金属矿山开采工程稳定性研究与一般地表工程不允许进入塑性破坏状态
12、不同，金属矿山开采工程稳定性问题是研究开采围岩破坏后与支护系统相互作用达到二次稳定的复杂力学问题，包括金属矿山矿层采动引起顶板破断后，采场局部顶板结构与支架相互作用，达到二次稳定的作用机理以及与采场相配套的巷道围岩产生塑性大变形后与支护体系相互作用达到二次稳定的作用机理。同时，由于金属矿山采动条件下工作面回采所形成的采动应力场与巷道掘进形成的开挖应力场相互藕合叠加，形成了复杂的三维应力场，其采动应力分布及其与回采空间多维、动态的时空规律以及支承压力区范围及峰值应力等也将产生很大变化，因此，应在深入分析金属矿山采场及巷道围岩采动应力时空分布规律的基础上，结合金属矿山岩体非线性力学特性的研究，探讨
13、金属矿山开采采场及巷道一体化稳定性非线性力学控制对策。 金属矿山开采与地表环境损伤控制对策研究金属矿山条件下，由于岩体的结构、力学特性及破碎断裂规律都将发生较大变化，因此，采动过程中岩体的变形、破断、移动规律也会产生明显的不同。如何建立描述金属矿山采动覆岩变形一破断一移动全过程的结构运动力学模型，分析其结构运动全过程对采场矿压、巷道矿压、岩层内部裂隙分布、岩层移动与地表沉陷的动态影响，是控制深部开采对地表环境影响最小化的关键。 五、结束语 如果岩石力学的研究者能够更加的考虑岩石的本身独特特征，那么必将会更加有益与未来的采矿发展。让岩石力学在采矿事业中更多的广泛利用起来。 参考文献： 1王思敬 作为现代学科的岩石力学研究与实践中国科学技术出版社-2010 年 2蔡美峰 金属矿山采矿设计优化与地压控制一理论与实践科学出版社-2011 年 3蔡美峰 地应力测量原理和技术科学出版社-2004 年 4蔡美峰，何满潮，刘东燕 岩石力学与工程科学出版社-2002 年
