復雜地質(zhì)條件下礦山地壓分布規(guī)律分析

賀俊醒

（柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州 423037）

在論述地壓分布規(guī)律時，地應力是必須提及并重視的一種自然力學現(xiàn)象。所謂的地應力，通常指長期存在于天然地層中，沒有被人為或非人為因素擾動過的一種天然應力，也被成為是原巖應力或者巖體初始應力等。正是由于地應力的普遍存在，才是的巖土工程以及相關(guān)作業(yè)過程中會產(chǎn)生不確定的地質(zhì)地壓變化，破壞作業(yè)環(huán)境、威脅人員安全。只有完全掌握了工程作業(yè)區(qū)域內(nèi)的地應力分布及相對規(guī)律，形成地壓規(guī)律監(jiān)測模型，才能有效避免災害事件發(fā)生。

1 國內(nèi)針對復雜抵制礦山地壓研究方法

由于地應力在自然地質(zhì)環(huán)境中的普遍存在，危機巖土工程作業(yè)的安全。因此，在開展巖土工程作業(yè)之前，應該對作業(yè)區(qū)域的地應力分布規(guī)律進行全面測量與分析，并且依照測量結(jié)果制訂緊急事件處理預案，以有效保障工程作業(yè)人員的生命安全[1]。事實上，針對地表地應力的測量與分析工作是一門相當復雜的科學學問，國內(nèi)外都針對這一問題提出了相當多的學科調(diào)研與研究。我國在該項目的研究上，依舊有了長足的進步，并且已經(jīng)形成了相對成熟的調(diào)查與分析體系。

（1）巖石力學的基礎性質(zhì)研究。隨著計算機數(shù)據(jù)分析技術(shù)的長足進步，模擬實驗和力學實驗都得到了極大的發(fā)展。人們在認識巖石力學和運用該學科的同時，也極大促進了學科的進步和實際應用的發(fā)展。目前，國內(nèi)已經(jīng)具備了模擬巖石性能的手段，并且能夠做到對巖石應力的監(jiān)測可以推演出一定時間后的性能變化，極大推動了巖土工程作業(yè)的安全發(fā)展。

（2）地壓數(shù)值的虛擬模型研究。在地壓數(shù)值虛擬模型的研究上，主要存在四種方法，分別是：有限單元法、有限差分法、邊界元法和離散單元法。隨著對巖土非線性問題的提出，又誕生了其他更為先進的研究方法。如拉格朗日元法等。

（3）巖土工程的材料模擬研究。材料試驗的研究，包括材料模擬的研究，在極大程度上促進了巖土工程的發(fā)展。無論是相關(guān)水利、采礦和地質(zhì)作業(yè)研究上，對材料的模擬研究能夠極大推動巖土工程對客觀環(huán)境條件的安全等級分析。這對于開展巖土作業(yè)，選擇挖掘區(qū)域、作業(yè)空間布局以及采用的作業(yè)輔助結(jié)構(gòu)和設備而言都十分重要。

（4）整體結(jié)構(gòu)的非線性分析法。在傳統(tǒng)的力學研究中，研究的受力對象通常是一整個物體。然而，在巖土工程中，巖體的受力情況卻并不適宜，主要是因為巖體大多是不連續(xù)的，甚至存在大量的斷層以及褶皺問題。因此，就必須引入非線性分析方法對實際巖石力學進行受力分析和學術(shù)研究。其中，影響最深遠的是突變理論，主要強調(diào)穩(wěn)定性理論基礎。

（5）人工智能的專業(yè)數(shù)據(jù)分析。人工智能是一門新興學科，總體包含的內(nèi)容很多，但主要作用提現(xiàn)在利用更加具有科技含量的設備進行實際現(xiàn)場勘察，并且在決策上具有更為全面、客觀的輔助功能，尤其是借助大數(shù)據(jù)分析的預測功能對巖土工程作業(yè)而言具有極高的現(xiàn)實意義[2]。

（6）損傷力學的地壓研討應用。損傷力學的研究，主要是為解決巖體出現(xiàn)斷裂、損壞情況下，如何確定其力學性能的問題。集中體現(xiàn)在巖體出現(xiàn)損傷后的力學性能表征以及計算機虛擬模型受力分析問題上。

2 程潮鐵礦工程中的地質(zhì)調(diào)查與巖石力學實驗

2.1 程潮鐵礦礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查

程潮礦區(qū)在東西走向上達到3000m，南北走向1500m的規(guī)模，礦區(qū)面積達到4.5平方千米水平。地勢上屬于標準的低海拔山丘地貌，山脊部分的延伸主要受到地下地質(zhì)構(gòu)造的影響，其延伸的方向也基本上順從深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的走向，由西北向東南方向伸展。地勢東北高、西南低，造成山體水流方向以西出為主，大雨時節(jié)需要考慮雨水倒灌工程體的情況。

2.2 礦區(qū)東西區(qū)結(jié)合帶工程地質(zhì)調(diào)查

（1）結(jié)合帶基本情況。在結(jié)合帶區(qū)域內(nèi)，巖體的整體密度偏大，并且伴隨有細粒的花崗巖鋪墊，對整體的節(jié)理密度影響很大。剪性節(jié)理面整體比較光滑，并且伴隨有閉合節(jié)理存在。

（2）閃長巖。主要由更長石組成，附帶有少許角閃石，使得整體呈現(xiàn)出致密、堅硬的性質(zhì)，很容易被壓碎。節(jié)理方位的分布相對比較零亂，尤其形態(tài)不存在規(guī)律性。

（3）花崗巖?；◢徥恼w性能比較強，巖石性能以堅硬為突出特點，節(jié)理面光滑平整，部分面存在刮劃痕跡但并不影響性能。

（4）礦體。礦體呈現(xiàn)出細微粒狀結(jié)構(gòu)，并且伴隨著塊狀構(gòu)造，整體結(jié)構(gòu)比較細密，屬于保存較好且具備相當穩(wěn)定性的礦石。礦體的節(jié)理性質(zhì)和周圍的巖體結(jié)構(gòu)頗為相似，也是剪性節(jié)理結(jié)構(gòu)的代表，但是其節(jié)理的發(fā)育程度卻比不上閃長巖和花崗巖。

2.3 巖石力學的參數(shù)試驗

（1）試件的選擇與制備。在進行巖石力學參數(shù)試驗時，主要借助YE200型液壓機、各種傳感器來實現(xiàn)。除此之外，還需要有電阻應變荷重傳感器等幫助進行測量。

（2）巖石力學參數(shù)實驗測試系統(tǒng)。在巖石力學參數(shù)試驗中，主要需要測量巖石眼本的密度、抗拉強度，并且通過實際參數(shù)測量的結(jié)果還原整個礦區(qū)的受力情況和施工影響。

3 程潮鐵礦東西區(qū)結(jié)合帶地壓分布規(guī)律的數(shù)值模擬

本文重點介紹關(guān)于地下395米和地下430米情況下，程潮鐵礦的地壓分布情況。從實際勘察的情況來看，在地下深度達到430米后，整個地下礦體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是緊密聯(lián)系成一體的，東西區(qū)域內(nèi)的開采環(huán)境都需要進行連通處理。利用大型的計算機軟件設備，建立起整個礦區(qū)的三維有限元地下模型。結(jié)合實際勘察得到的真實地質(zhì)數(shù)據(jù)，代入到模型中進行數(shù)據(jù)分析，最終得出礦區(qū)地下的地壓分布規(guī)律。

3.1 三維有限元幾何模型的建立

（1）物理模型的建立。在建立模擬數(shù)據(jù)模型之前，首先要對整個礦區(qū)的基本地質(zhì)情況和有關(guān)研究問題進行重點模型數(shù)據(jù)規(guī)劃研究，也就是建立一個初級物理模型幫助分析。在實際地質(zhì)勘察過程中，已經(jīng)對不同地下深度的巖石層、礦體區(qū)以及天然或人為塌陷區(qū)進行了深度探索。整個礦區(qū)內(nèi)部的三維空間關(guān)系以及相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)得到充分驗證，并且進行了模型比例轉(zhuǎn)化。

地質(zhì)勘察模型的建立是一門非常復雜的學問，物理模型只能從宏觀視角下今進行粗略的還原，重點在于尋找空間結(jié)構(gòu)和空間比例的統(tǒng)一。根據(jù)課題研究的重點，分別進行有效模型推演，尤其注重客觀環(huán)境對模型參數(shù)統(tǒng)計的影響。

（2）有限元模型的建立。有限元模型的建立主要依靠ANSYS 12.0的強大運算能力和虛擬空間建模能力。通過整個網(wǎng)格空間區(qū)域劃分功能，實現(xiàn)虛擬建模的有效數(shù)據(jù)比例還原。通過控制比例以及實際單元的具體尺寸，尋找空間關(guān)系。在物理模型的基礎上，對細節(jié)部位進行有效數(shù)據(jù)填充，以幫助實現(xiàn)更為準確的模型還原。

（3）巖體物理力學參數(shù)的選取。要想使有限元模型的結(jié)果更有實際應用價值，就必須對模型的具體參數(shù)進行有重點的篩選，尤其是對巖層各項數(shù)據(jù)進行重點選擇與使用。巖石參數(shù)的使用，必須建立在實際巖石樣本的參數(shù)實驗數(shù)據(jù)的基礎上，塌陷區(qū)的數(shù)據(jù)采集也要有相關(guān)文獻和實際理論研究作背書。

（4）邊界條件以及求解。除了考慮正向作用力和巖體參數(shù)外，整個工程不同地層深度和結(jié)構(gòu)的重力影響、側(cè)應力影響也都在模型研究的考慮范圍內(nèi)，也就是常說的邊界條件。在虛擬模型中，任何一側(cè)的邊界施加法向作用力都將是影響工程作業(yè)設備的重要因素。

3.2 程潮鐵礦東西區(qū)結(jié)合帶地壓分布規(guī)律模擬結(jié)果

雖然從理論上來說，采用實際勘察與巖石力學實驗相結(jié)合的辦法進行虛擬空間建模，能夠基本還原作業(yè)地質(zhì)環(huán)境具有非?？煽康臄?shù)據(jù)參考價值，但是由于軟件系統(tǒng)自身承載能力有限，很多的巖石結(jié)構(gòu)和礦體結(jié)構(gòu)在制作模型時不得不進行簡化處理，這就使得整體模型的數(shù)據(jù)測量結(jié)果可能存在一定誤差，需要由相關(guān)從業(yè)人員用自身的經(jīng)驗彌補模型表征缺陷。

（1）礦區(qū)整體地應力分布規(guī)律。從模型的力學模擬角度上來說，整個礦區(qū)地下環(huán)境中，主應力集中在-29.6MP到1MP之間，拉應力和壓應力之間的差異是非常明顯的，主要表現(xiàn)是拉應力為主，越往深處走受到的壓應力效應越明顯。這在力學研究中，符合非常明顯的地表淺層受力基本規(guī)律。除此之外，受地下地壓規(guī)律影響最大的區(qū)域普遍在塌陷區(qū)，并且該區(qū)域底部受到的影響最大、范圍最廣，并且最大主應力和地處深度之間存在正相關(guān)。

（2）程潮鐵礦-395米水平地壓分布規(guī)律。在-395米的地層，地質(zhì)受到的最大主應力和最小主應力會發(fā)生一定的變化，主要體現(xiàn)在應力峰值的差異上，最大拉應力能夠達到12.8MP，最小則是3.60MP。地壓的最大值主要存在于東部礦區(qū)的底部，并且受到重力的影響較大。

（3）程潮鐵礦-430m水平地壓分布規(guī)律。在該水平上，模型的最大主應力峰值相比于395m并沒有發(fā)生太大變化，集中受力區(qū)域也還是在礦體的底部，但是更加偏向于東西區(qū)的結(jié)合帶。

4 結(jié)語

綜上所述，在礦山地壓分布規(guī)律測量與分析工作上，其工程作業(yè)量之艱巨和相關(guān)學科理論之復雜程度之高都是顯而易見的。盡管依托現(xiàn)代化科技手段，已經(jīng)能夠做到對工程作業(yè)區(qū)域地質(zhì)情況的大部分監(jiān)測與分析，能夠在緊急事件發(fā)生時有完整的應對預案。但是，地質(zhì)活動以及深層地面的運動情況還不在人類的掌控范圍，很多可能的或者預想不到的情況依舊有很大的發(fā)生概率。因此，還需要有更加先進的科學研究以及更為全面的緊急部署，以切實保證工程作業(yè)人員的生命安全。