矿山岩石力学问题在地下开采中的研究与应用.pdf

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 122004年 新 疆 有 色 金 属 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 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 22王国伟矿山岩石力学问题在地下开采中的研究与应用 第4期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.