岩石力学在采矿工程中的应用

岩石力学在采矿工程中的
应用与发展
学院能源科学与工程学院
专业采矿工程
班级 2010级单招1班
学号 ************ 姓名王兵祥
岩石力学在采矿工程中的应用与发展
[摘要]简略介绍了岩石力学在采矿工程中的应用并探讨了其发展趋势。

[关键词]岩石力学；采矿工程；应用；发展
一概述
岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实用性很强的应用基础学科。

岩石力学的应用范围涉及土木工程、水利水电工程、矿山、铁路工程、地质、石油等众多领域。

早期的岩石力学工作大都是结合采矿工程进行的。

采矿工程涉及到底岩石工程往往规模巨大，而且条件极其复杂。

不论是地下采矿工程，还是露天采矿工程，都是以具有地质构造的岩石为对象，岩石力学的问题贯穿于采矿工程的各个角落。

一方面采矿工程中的岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中。

岩体的力学性质包括岩体稳定性特征，强度特征和变形特征，它会随着岩体内结构面产状的不同而变化。

另一方面，由于菜款工程是一个动态开挖过程，岩体的力学性质会随着工程尺寸和开挖方向不同而变化，同时环境因素（地应力、水、温度）也是影响其性质的一个重要方面。

由此可见，岩体力学在采矿工程中的应用是非常广泛而深入的。

采矿是一项古老的行业，采矿业为人类社会的发展做出了重要
的贡献。

传统的采矿设计采用的是经验类比法，靠“查手册”来进行开采方案的设计和确定采场的参数结构，以至于长久以来，人们习惯地认为采矿只是一门工艺而不是科学。

造成采矿设计和技术落后的组要原因是采矿是一门极为复杂的工程。

岩石力学是是采矿从工艺向科学转变的一座桥梁。

二岩石力学在采矿工程中的应用
岩石力学在菜款工程中中主要有以下几方面的应用。

1.矿山地应力场测量
地应力是存在于底层中的天然应力，它是引起采矿水利水电、土木建筑、铁道、公路和其他各种地下或露天沿途开挖工程变形和破坏的根本作用力，是实现采矿和岩土开挖设计和决策科学化的必要前提。

对于矿山设计来讲，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山的总体布置，选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸、开挖步骤、直呼形式、支护结构参数、直呼时间等，从而在保证围岩稳定性的前提下，最大限度地增加矿石产量，提高矿山经济效益，实现采矿工程的优化。

亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，造成了地应力状态的复杂性和多变性。

要了解一个地区的地应力状态，唯一的方法就是进行现场地应力测量。

目前普遍采用的地应力测量方法有应力解除法和水压致裂法两大类。

其中，套孔应力解除法是发展时间最长，技术比较成熟的映众地应力测量方法。

在测定原始应力的适用性和可靠性方面，目前还没
有那种方法可以与之相比。

据统计，在全世界已经获得的地应力测量资料中，有80%是有应力解除法测得的。

对于矿山来讲，采用应力接触法更有得天独厚的条件。

因为矿山有系列的航道、硐室可接近地下测点，而不需要向水压致裂法那样必须打专门的钻孔才能到达测点。

因而对矿山地应力测量而言，采用应力解除法是最经济和可靠的。

2.地下矿山采矿设计优化
矿床的形成过程、赋存状态和开采稳定性均受地应力场的控制。

为此，必须以地应力为切入点进行采矿设计优化。

即：根据实测地应力和扎实的工程地质、水文地质及矿岩物理力学性质等基础资料，以及实际的矿体赋存和开采条件，通过定量计算和分析，选择合理的采矿方法，确定最佳的开采总体布置、采场结构管参数、开采顺序、直呼加固和地压控制措施，实现安全高效的开采目标。

优化路线如下：基础资料采集→初选方案确定→多方案定量计算分析→多目标优化决策→工程技术实施→现场检测和反分析→修改和完善方案。

3.大型深凹露天矿边坡设计优化
我国一大批大中型露天矿山已经或即将由山坡露天开采转为深凹开采。

随着边坡的价高架豆，边坡稳定性维护的难度越来越大，边坡滑移和倾倒破坏事故的发生日益频繁，严重威胁矿山的安全生产，制约矿山生产能力的提高。

但是另一方面，对于大型露天矿山，提高边坡角有事减少剥离和生产成本的重要手段。

一个年产千万吨的矿山，边坡角没提高1°就可减少剥离量0.5-1.5亿吨，节省成本1-3亿元，经济效益极为显著。

实际情况是我国大型露天矿同国外相比，边
坡角普遍片换5°左右。

这是边坡设计长期一栏经验类比，缺乏科学计算和分析的结果。

国内外边坡稳定性分析和设计的传统方法是极限平衡法，这是一种静态的确定性分析方法，而实际的边坡状况是岁开采过程不断变化的，是动态的不确定性的；该方法是基于土力学理论提出来的，不能考虑实际的岩体条件，如断层、节理的存在，同时也不考虑地应力。

而实际上这些对边坡的稳定性和破坏起控制作用。

因而该方法度山坡露天矿设计可能是适用的，但对深凹露天矿设计并不适用。

为了克服传统的极限平衡分析方法的不足，必须采用现代的科学技术，充分考虑地应力的作用和实际的工程岩体条件，通过定量的计算分析，实现边坡设计的优化。

具体的试试路线为:采用数值模拟和极限平衡分析相结合的方法，对不同边坡角和边坡设计方案进行定量的计算和分析，在保证安全的前提下，尽可能低提高边坡角，减少剥离量，尽可能地减少生产成本，增加矿石产量和矿山效益。

其中数值模拟应优先采用能考虑岩体非线性、不连续性（断层、节理）和大变形的方法和程序，如三维FLAC和三维离散元程序，最好两种方法同时采用。

极限平衡分析也应尽可能采用三维程序，特别是对关键的边坡部位更应进行三维分析。

多宗方法的分析结果相互比较、相互补充、相互验证，就能使计算和分析结果更加准确和可靠。

4.深部开采动力灾害预测与防治
深部开采动力灾害，包括岩爆、矿震、冲击地压，是深部开采中可能遇到的突出问题。

目前世界上已有20多个国家和地区有神经
开采岩爆的记录，，南非最强烈的以此岩爆的震级达到M l5.1级。

我国东北辽宁省的红透山铜矿1999年发生了两次较大规模的岩爆，岩爆的破坏力相当500-600kg的炸药。

目前，对岩爆发生的激励、预报技术和防治措施的研究还非常浅薄。

随着越来越多的矿山进入深部开采，加强对岩爆的研究已刻不容缓。

目前的研究技术路线为：从扎实的现场地应力测量、工程地质调查、岩石力学实验和现场检测资料的采集入手，以能量聚集和演化为主线，揭示岩爆发生的机理及其与采矿过程、地质构造和岩体特性的关系，对岩爆发生的时间、空间和强度进行定量的预测；将预测和防治、地下河地面、生产安全和环境安全融为一体进行评价和研究。

三岩石力学在采矿工程中的发展趋势
岩石力学已经广泛应用到了采矿工程中的各个领域，而且其研究理论正在不断创新，研究手段也日新月异。

随着我国矿产资源的续开发，在采矿工程终将会遇到条件更复杂、拿督更大的岩石力学问题，因此，岩石力学与工程学科的理论水平和工程能力都有待进一步提高。

岩石力学在采矿工程中应用的发展趋势可以归纳如下：
1.多学科相互交叉和多种手段的综合集成
岩体工程的不确定性导致来自任何一种来源的知识都难以支持可靠的决策。

因此, 综合地质、物探、测量、力学试验、数学、物理和化学分析等学科知识和手段是目前解决该问题的最好途径。

2.多场耦合、多相运动和多尺度的综合集成随着矿井开采深度的日益加大, 采矿工程中的岩石力学问题出现了热、流、固、化多
场并存以及固、气、水、微粒多相复合运动的状况。

因此, 对多场耦合以及多相运动的研究还有待深入, 同时,随着采矿工程规模的日益扩大, 力学上均一体的尺寸效应进化为大尺度和多尺度问题, 因此不可避免地面临多尺度模型及其耦合, 即: 宏观-细观-微观的研究及其相互耦合。

3.灾害的非线性动力过程的预测和防治研究目前采矿工程中还有如下主要灾害急需深入、系统地研究: 冲击矿压; 煤与瓦斯突出; 煤层顶、底板水防治; 大型矿山的坍塌; 采动引起的巨型坡体失稳和山体滑坡。

[参考文献]
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