矿山岩石力学问题在地下开采中的研究与应用

矿山岩石力学问题在地下开采中的研究与应用

王国伟

(新疆锂盐厂　乌鲁木齐830006)

摘　要　随着矿山开采深度的加深,开采过程中的岩石力学问题越来越突出,严重制约了矿山的发展。矿山企业应重视和加强岩石力学的研究,笔者就工作过的几个矿山企业比较突出的岩石力学问题进行分析,进一步指导今后采矿工作,提出一些综合治理的控制措施。

关键词　岩石力学　地下开采　岩层控制技术

1　引　言

地下采矿过程中的岩石问题是影响矿山发展的技术难题,开采较深的矿山遇到这一问题更加突出,由于大部分有色矿山面临着资源的减少或枯竭,许多矿山逐渐转入深部矿床的开采,随着开采深度的增加,地压活动加剧,岩石力学问题也越来越突出,某些矿山已被日益加剧的地压活动所困扰,安全事故频繁,采矿效率低,甚至造成大量资源的损失。因此重视和加强岩石力学问题的研究,有待于今后指导矿山地下开采最关键的技术课题之一。

2　矿床开采的地压活动

地下开采的某些矿山矿床开采的岩石力学条件差,工程地质复杂,矿岩松软破碎,开采过程中的岩石力学问题也更加突出。

⑴采场冒顶事故频繁。地下矿床在开采时,采场顶板管理是关键,但多数采场管理效果不好,安全事故不断,致使生产条件恶化,难以进行正常采矿,甚至造成采场垮冒报废。四川金川锂矿矿区内F1～F3断层和P1、P2两条较大的破碎带,节理发育,在断层中布置采场时,在回采中经常发生冒顶事故,工人进入采场工作面,往往进行几个小时的敲帮问顶,个别采场刚刚做完切割工程,采场就发生大面积塌冒,人员无法进入矿房采矿,以致造成大量的矿量无法回收。

⑵巷道地压显现剧烈。吐鲁番某铜矿许多巷道位于宽而破碎的构造带中,围岩极不稳固,掘进过程中时常发生垮冒,有的一掘即垮,不采用超前支护手段则难以通过。

⑶区域地压增大,空区处理困难。一些采用留矿法开采的矿山,在开采过程中,由于没有及时处理采空区,遗留下一定规模的空场群,随开采范围不断扩大,空场之间矿柱逐渐失稳,空场暴露面积越来越大,使区域地压活动加剧,给相邻矿块和下部矿体的开采带来严重影响,也使大量的矿柱矿量难以回收。

⑷地表沉陷控制难度增大。四川金川李家沟锂辉石矿区是森林覆盖区,由于受国家天然林保护政策限制,地表不允许塌陷,控制采场地压活动是开采过程中的关键。

3　岩石力学问题研究的途径和方法岩石力学突出问题的显现是矿床工程地质条件及应力环境因采矿过程中不相匹配的具体反映。在每一个矿床的开采过程,都有岩石力学问题存在,只是对开采的影响程度不同而已。当采矿结构、回采工艺同开采区段的岩石力学不相适应时,岩石力学问题就会剧烈显现。为了正确分析和了解岩石力学问题产生的根源及发展趋势,需查清矿床的岩石力学条件,进行系统地岩石力学研究与探索。

⑴岩体稳定性分类。工程岩体稳定程度分类是选择采矿方法、确定采场结构参数的主要依据,也是分析岩石力学问题的基础。岩体稳定性分类方法有多种模式,应用较为广泛的有掘进质量指标Q分级法、地质力学法(RMR)、岩石质量指标和矿山开采岩体分级法。进行岩体稳定性评价和分类一般采取工程岩体结构调查和室内岩性试验相结合的方式,其中最主要的工作是现场岩体稳定条件和变化行为调查。

⑵原岩应力测量。采矿是在特定环境中进行的,矿岩介质中在开采前受到原岩应力作用而处于平衡状态,开采后矿岩平衡状态被扰动,应用重新分布,使得一部分岩体应力降低,一部分岩体应力提高。回采前应力的方向和大小直接影响采动应力的分布和集中程度,因此了解回采前应力状态,对于掌握采动

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2004年 新　疆　有　色　金　属

应力的分布规律具有极其重要的作用。

⑶采场地压分布规律研究。矿石开采过程是应力不断转移和调整过程,在特定应力环境中的分布截然不同,采场地压显现程度也有明显区别。采矿行为引起的应力重新分布规律就能对开采中的顺序调整,从而消除和减轻地压危害。采场地压研究内容包括:不同开采步骤引起的应力转移规律,承压力与水平应力集中的作用范围及影响程度;充填体作用机理,地压显现与相关因素的联系等。

⑷地表岩层移动规律。地表沉降及岩石移动规律是岩层控制的理论指导,利用它可以预测地表沉降的趋势和程度,指导地下开采过程,为采矿结构参数调整,回采顺序的确定提供依据。

⑸岩层控制技术探索。岩层控制技术是矿山开采必须具备的技术手段,岩层控制技术研究的主要内容:①应力控制技术,即通过应力调整和转移措施,控制有害的应力集中或实现卸压开采。②岩体加固技术:即通过木支护、预锚等手段提高岩体承载强度,来实现顶板、矿柱和巷道围岩的自我支撑。③围岩支护技术:即通过有效的人工矿柱,充填物料等外部支撑来调整围岩受力状态,控制围岩变形,达到工程围岩的稳定。

矿床开采条件不同,采取的控制方法也不应相同,应针对矿山出现的不同形式的岩层失控问题,研究与之相适应的控制手段。

4　岩石力学问题的控制技术

系统的岩石力学问题研究为分析和控制岩石力学问题提供了理论指导,由此人们能对开采过程中的岩石力学问题做出预测,并能主动采取措施进行控制。岩石力学问题显现程度是与采矿过程密切相关的,其控制应从采矿设计和开采工艺的各个环节着手,进行综合治理,才能取得良好的效果。

⑴选择合适的采矿方法。一个矿山的力学条件是客观存在的,如何按岩石力学的观点选择适用于矿山开采条件的采矿方法,是控制岩体力学问题显现的根本措施。

⑵优化采场结构。采场结构的几何形态和尺寸以及空间布置方式必须要与矿床的岩石力学条件相适应,并随着开采条件变化不断地进行采场结构和布置方向的优化,以最大程度地利用矿岩自身强度来保持采场稳定。在确定采场结构参数和布置方向时,应遵守下列原则:矿房尺寸小于矿岩所允许的暴露面积,其形状也应符合应力轴比关系;一些主要巷道应避开支承压力带和垂直通过此区,在水平应力集中区,巷道轴向应力与最大主应力方向平行;整个矿床开采范围内,采场的结构参数应随矿岩稳固程度和实际的应力状态的不同而变动,使其参数得到优化。

⑶优化回采顺序。回采顺序是开始回采的空间位置,推进方向以及各分层或各分段的回采配合,它对采场应力分布起着控制作用。实现合理回采顺序的一般原则是:无论是同中段或同一分段水平内,还是上下分段之间相邻采场回采都要保持一定距离的超前关系,尽量使各采场结构的应力均匀分布或使回采引起的应力集中最小,在一个采区内,要从高应力区向低应力区方向推进,避免形成弧岛式和半岛式采场,回采时先采矿体不稳定部位,由不稳定地段向稳定地段回采。

⑷强化岩层支护。支护是岩层控制最重要的技术措施,采场支护工作应根据岩石力学理论,预先对采场结构做出判断,对不稳定的岩层预先加固或及时支护,以保护和提高岩层的自身强度,使支护与岩体变为共同承载结构,把岩层的变形和位移控制在采矿所要求的稳定范围内。

⑸及时处理采空区。采空区处理是矿山开采的主要工艺之一,忽视这一环节,就会造成严重的地压危害,避免大规模地压显现的关键措施就是对采空区及时处理。

⑹监测岩层移动。地下开采活动必然引起地表岩层的变化,随时掌握岩层的变化规律是控制地表沉陷的最重要环节。

5　结　语

矿山出现的岩石力学问题已严重影响了矿山的发展,矿山采矿工作者应引起高度重视。解决这一问题的途径是进行系统的矿山岩石力学研究,用岩石力学理论指导采矿设计和开采中各处工艺环节,综合控制岩石力学问题的显现,使矿床得以安全顺利回采。

参考文献

〔1〕采矿设计手册.北京:中国建筑工业出版社,1986.

〔2〕岩体力学.东北工学院,1988.

收稿:2004-04-21

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