岩石力学在“采矿工程”中的应用与发展

河南理工大学岩石力学概论

学院：能源学院

专业：采矿工程

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岩石力学是研究地壳岩石在各种条件下的运动、变形和破坏规律的学科。从其科学思想体系、研究对象、服务领域来说基本上属于力学的一个分支 ,确切地说是地质力学的延伸和发展 ,这是一门边缘学科。这一学科的兴起 ,进一步促进了采矿、隧道建设、水电工程、国防工程及地下建筑业的发展。弹塑性理论和流变力学等基础力学理论在岩石力学中的引用 ,特别是有限元和边界元法电子计算机技术的运用 ,使岩石力学理论分析和计算获得了有效手段 ,又使这一学科逐步得到完善。岩石力学研究着重从六个方面进行:(1)岩石压力;(2)岩石抗力系数;(3)岩石强度;(4)岩石断裂力学;(5)岩石稳定性分析;(6)有限元法及数学模型。

在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。

岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。起初，由于岩体工程数量少，规模也小，人们多凭经验来解决工程中遇到的岩体力学问题。因此，岩体力学的形成和发展要比土力学晚得多。随着生产力水平及工程建筑事业的迅速发展，提出了大量的岩体力学问题。诸如高坝坝基岩体及拱坝拱座岩体的变形和稳定性；大型露天采坑边坡、库岸边坡及船闸、溢洪道等边坡的稳定性；地下洞室围岩变形

及地表塌陷；高层建筑、重型厂房和核电站等地基岩体的变形和稳定性；以及岩体性质的改善与加固技术等等。对这些问题能否做出正确的分析和评价，将会对工程建设和生产的安全性与经济性产生显著的影响，甚至带来严重的后果。

岩体力学的研究对象，不是一般的人工材料，而是在天然地质作用下形成的地质体。由于岩体中具有天然应力、地下水等，并发育有各种结构面，所以它不仅具有弹性、脆性、塑性和流变性，而且还具有非线弹性、非连续性，以及非均质和各向异性等特征。对于这样一种复杂的介质，不仅研究内容非常复杂，而且其研究方法和手段也应与连续介质力学有所不同。

今天，由于矿产资源勘探开采、能源开发及地球动力学研究等的需要，工程规模越来越大，所涉及的岩体力学问题也越来越复杂。这对岩体力学提出了更高的要求。

岩石力学理论服务于采矿活动 ,其目的有四个方面。

1、充分利用地壳内部各种应力来进行落矿、运矿以减少崩矿费用。

2、尽可能地减少工程量 ,降低采矿成本。

3、控制崩落矿石块度 ,减少二次破碎

4、最大限度地提高生产规模 ,创造矿山经济效益。

通过对岩体调查和岩石物理力学性质的测定 ,得知该岩体的各项参数:节理密度 ,节理面特性 ,节理组数、方位、倾角 ,节理的持续性;断层的规模、方位、倾角 ,断层面性质 ,断层泥物质成分及物理性质;岩体质量指标(RQD) ;岩石抗压、抗拉、抗剪强度;弹性模量、泊松比;地下水分布情况;地应力分布情况等等 ,着重两个方面的研究:岩体可崩性的研究 ,岩体质量分级研究。

岩体可崩性研究。岩体可崩性是指岩体在拉底到一定面积后能持续崩落所具

有的岩体自身特性。岩体可崩性研究是对某一岩体崩落的程度的研究 ,用定量或是半定量的方法给岩体一个定性的综合评价，评价方法国内外一般采用:

1、按岩石软硬程度评价矿体的可崩性。依据采掘过程中所揭示岩体的物理特性 ,地质特性以及金刚石钻孔岩芯资料 ,通过对岩体结构面特征、裂隙(节理)密度、岩石物理力学性质、矿化程度、风化程度、蚀变与氧化作用等把岩体分为四类:很硬的、中硬的、中等软弱的和很软弱的。它们的崩落性相对应是:岩石崩落困难 ,崩落性较好 ,崩落性好 ,极易崩落。

2、按可崩性指数评价矿体的可崩性。B. K. Mcmahon 等人按崩落由易到难把可崩性指数划分成 0～10 ,并建立了 RQD 值与可崩性指数的关系及可崩指数与二次破碎炸药单耗之间的关系。

3、按比能衰减系数确定矿体的崩落性 ,采用仪器测试 ,现场对比的方法确定地震波的比能衰减系数与岩体质量之间的关系 ,划分崩落程度的标准。

4、综合分析岩石质量评价矿体的崩落性。Laubsher 等人通过对岩体质量的分级来评价岩体的可崩性 ,是目前国内外岩石力学人员普遍采纳的评价岩体可崩性的方法。

5、崩落矿石块度也是衡量岩体可崩性的重要因素。自然崩落法生产的不同阶段可将矿石块度分为原始矿石块度、崩落矿石块度和放出矿石块度。崩落矿石块度是衡量采用自然崩落法采矿成功与否的关键 ,也是这种采矿方法的最终体现 ,如何利用地应力、利用工程、利用放矿技术来控制崩落矿石块度将是自然崩落法研究的核心。

影响岩体可崩性的因素主要有两方面:一个方面是地质因素 ,另一个方面是工程因素。地质因素包括: ①岩石强度。岩块是岩体的单元 ,岩块强度高 ,

岩体强度一般情况下也高。当岩体强度高时 ,有可能在相当大的拉底范围内形成稳定的拱 ,继续加大拉底面积 ,则矿石以很大的块度崩落 ,给出矿造成困难。岩石强度大不利于崩落 ,通常认为应用自然崩落法的岩石强度中等以下较为理想。

②岩体结构面的特征是直接影响崩落性的主要因素。节理间距 ,节理组数 ,节理的持续性 ,节理的方位、倾角 ,节理面的状态及充填物的性质等 ,都是影响崩落的直接因素。通常认为具有三组节理以上 ,有一组水平节理为好 ,节理间距越小越好 ,节理面平滑 ,充填物为软矿物且不宜胶结 ,这些条件是崩落的有利条件。

③原岩应力场的影响。矿体拉底后 ,自重、垂直应力所引起的次生应力变化是促进矿石崩落的主要动力垂直应力越大越有利于崩落。目前的矿山大都在埋藏不很深的区域内采矿 ,因此水平应力往往大于垂直应力。水平构造应力是双方的 ,对岩石的崩落有一定的夹制妨碍作用 ,因此在必要时做些边界削弱工程 ,以帮助岩体崩落。④地下水的影响。地下水对

含有遇水软化的岩层有明显的削弱稳定性作用 ,在崩落过程中对其它岩层亦有“润滑作用 ,帮助岩体的崩落。适当的地下水有利于岩体崩落 ,但对有胶结能力的矿石来说会有害于生产。工程因素是指拉底、割帮预裂等工程的尺寸、形状以及布置形式都直接影响岩体的崩落。拉底的形状很重要 ,拉底的有效面积及拉底的速度、方向都制约着岩体崩落。割帮、预裂工程的布置形式 ,割帮、预裂面积的大小和时间也都关系到崩落的成败。因此说 ,工程因素是人们掌握自然科学的实践 ,是自然崩落法应用技术的结晶。

通过对岩体可崩性和岩体质量分级的研究 ,掌握了岩体特征及各项参数 ,为设计提供了岩体数据 ,为生产计划和出矿管理提出了可靠依据。

岩体力学的研究工作有如下特点。