岩石力学在自然崩落法采矿中的应用

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1、岩石力学在自然崩落法采矿中的应用中条山有色金属公司铜矿峪矿 郭存吉谭光伟提 要 自然崩落法采矿是先进的采矿技术,应用这种采矿方法的矿体必须具备一定的岩石力学条件。本文重点介绍了在自然崩落法应用中所要做的岩石力学方面的研究内容和作用。关键词 岩石力学 自然崩落法1 岩石力学与自然崩落法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

2、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。自然崩落法采矿,其原理就是利用地球内部的应力,上覆岩石的重力、 地质构造运动产生的残余应力和矿山井巷工程所引起的应力集中和分散,同时也利用岩体中裂隙,通过对岩体的拉底、 切割工程的控制而使矿石自然崩落的一种采矿方法。这种采矿方法的优点是:规模大、 产量高、 成本低、安全性好。因此被世界上许多大矿山所应用。比如美国的克莱迈克斯矿

3、、 圣曼纽尔 矿、 享德森矿,智利的特尼恩特矿、 萨尔瓦多 矿,菲律宾的菲勒克斯矿等,目前世界上有 五十多座矿山应用自然崩落法采矿。最大 生产能力的是智利的特尼恩特矿,日产量11. 2万t ,我国中条山有色金属公司铜矿峪矿年产量350万t ,是我国地下开采的金属 矿山规模最大的矿山。应用自然崩落法采 矿的矿体条件是: (1)矿体必须具有足够大 的规模;(2)矿化较均匀,矿体内夹石含量不 宜多;(3)矿体必须是易于破碎的岩体。前两项是矿体地质条件,是应用自然崩落法的 基本条件,第三项是岩体物理性质条件,是 应用自然崩落法的必要条件。如何利用岩 体自身特性,利用地应力,利用工程控制来 进行自然崩落

4、是岩石力学在采矿中的具体应用,也是自然崩落法的技术关键。 2 自然崩落法中岩石力学研究 的目的与内容2. 1 研究的目的 应用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9 郭存吉 工程师 山西垣曲 043700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。2. 2 研究工作程序 研究工作程序如图1所示。图1 研究工作程序框图2. 3 研究内容 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

5、、 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。2. 3. 1 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

6、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010 ,并建立了RQD值 与可崩性指数的关系及可崩性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

7、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: 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01下也高。当岩体强度高时,有可能在相当大

8、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。 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。 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

9、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。 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

10、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。2.3. 2 岩体质量分级研究。近些年来,工程岩体分类的研究已成为岩石力学界和工 程地质界普遍关注的问题。国内外许多工 程地质学者和岩石力学学者致力于岩体分 类工作,提出了许多分类方法,使这项研究得以迅速发展。矿业和地下工程的主要研 究对象是岩体。岩体是具有成分复杂、 构造 复杂的非均质体,它承受着复杂的各种应力 的作用,因此表现出岩体自身特性的复杂 性,想用统一的标准,定性定量地表述它的质量情况,目前还难以做到,但许多专家根 据不同用途,不同目标来划分岩体质量级别 取得了一定成果,也应用到矿山开采,地下 工程建筑中

11、。 岩体质量分级研究按应用的目的可分成两个方面,一是岩体稳定性分级,二是岩 体可崩性分级。目前公开发表的文章或规 范大都是岩体稳定性分级。 岩体稳定性分级研究方面从地质因素 与评判指标及所采用的评判方式来看,国内外具有代表性的工程岩体分类可归纳为以 下五类。 (1)单因素、 单指标的岩体分类法。如:普氏系数(t) ;Deere模压分类法(E/ Rc) ;弹 性系数分类法(EOu/ Er)。(2)多因素综合指标的分类。如: K.Terzagh的岩石载荷分类;H. lauffer的稳定 时间分类; Deere的岩体质量指标分类(RQD) ;弹性波速度分类(V体)。 (3)多因素少指标的综合评判的岩

12、体分类;我国铁路隧道围岩分类。 (4)多因素多指标的岩体质量分类。1)多因素多指标积商计分法: N.Barton的岩体质量(Q值法)Q=( RQD/ Jn) (Jr/ Ja) (Jw/ S RP) 水电部扬子文的岩体工程分级, M=KvSKyKr 谷德振等的岩体质量系数分级, Z=IfS 工程兵系统建议的稳定性系数分类中的岩体质量分类, S=RbK2C2)多因素指标的和差计分法: Wickham. G. E的岩体结构级分类(RSR) ,RS R=A+B+C11Z.T. Bieniawski的岩体等级分类 (RMR) ,RMR=Rc+RQD+节理状态+节理 间距+地下水影响+节理方位角修正参数

13、王石春等的岩体质量指标分类,RMQ=K+O+C Tesar Q隧道工程岩体分类,TS = 10?(d) + 26. 2?(d) + 6. 2?(w) + 61. 4 应用模糊理论进行工程分类。岩体可崩性分级研究在我国近几年才 开始,由中南工业大学与中条山有色金属公 司合作完成这一项目的研究。以岩石力学 性质试验、 数值分析和相似材料模拟试验为 基础,结合其它理论分析成果和现场工程经验,研究了节理岩体在崩落应力场等应力环 境下破坏崩落的规律。继而研究了影响矿 体可崩性和稳定性的各种因素,确定采用综 合节理间距、RQD值、 综合摩擦角及综合节 理组数等作为岩体质量分级评判指标,并在国内首次引入了地

14、质统计学原理与方法,研 究了各指标的变异特性,并分别建立三维数 学模型,科学地获得各单元块评判指标的推 估值。通过建立各可崩性评判指标的标准 样本库,采用均匀度函数法确定各评判指标的权重系数,然后在所建立的评判指标数学 模型的基础上,采用聚类分析和模糊识别方 法对单元块进行了可崩性评判,形成了一套 完整的,独具特色的可崩性分级的理论、 方 法和实用技术。国外D. H. laubscher提出了评价矿体可崩性的分类方法,他依据5个 地质因素评定分值:RQD指标、 岩石单轴抗 压强度、 节理间距、 节理状态和地下水。然 后以原岩应力及开挖次生应力、 节理方位、 爆破影响做为调整参数,综合评价岩体,

15、分为五级。这种方法选取的参数较多,具有代 表性,能满足采矿工程的需要,但参数的取值很难合理,计算比较繁杂,综合评价一个 矿区花费的工作量大些。3 研究成果对采矿的贡献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。具体贡献如下。3. 1 确定出矿方式3. 2 确定采矿工程参数(1)运输道间距;(2)铲运机(电耙道、 格道)间距;(3)放矿漏斗间距、 斗井规格及角度;(4)放矿溜井布置形式;(5)拉底层与出矿层高度;(6)拉底高度;(7)崩落高度;(8)割帮与预裂工程;(9)巷道支护;(10)通风系统。3. 3 确定拉底参数 (1)初始拉底部位;(2)拉底方向;(3)拉底速度;(4)拉底形态。3. 4 确定生产各个时期的产量,参与计划 编制和放矿管理4 结束语自然崩落法采矿是先进的采矿方法,产量高成本低,居所有采矿方法之首,有着强 盛的生命力,被世界上较多矿山所应用。应 用自然崩落法首先要作岩石力学方面研究, 对岩体综合评价,确定采矿参数。岩石力学 在自然崩落法应用中起着先导作用,认真做好这项工作是关系到应用自然崩落法成功 的关键。21