地质条件对矿山压力的影响及其控制方法.pdf

第 4 期地质条件对矿山压力的影响及其控制方法郭猛，陈刚（黑龙江科技大学（矿业工程学院），黑龙江 哈尔滨150022）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 4 期2024 年 4 月Vol.44 No.4Apr.2024摘要：随着现代矿山开采规模不断扩大和复杂化，矿山压力管理成为影响矿山安全与生产的关键问题。地质条件对围岩稳定性和矿山压力的影响备受瞩目，如何有效应对和控制地质条件带来的挑战成为当前矿山工程领域所面临的重要任务。优化矿山布局、加强巷道预支护、合理设计支护措施等成为控制地质条件影响的重要手段。未来研究将进一步深化多尺度多场耦合研究、智能化监测与预警系统及绿色环保压力管理等方面，为提高矿山压力管理水平、推动矿山行业可持续发展提供更科学的理论支撑和实践指导。关键词：地质条件；矿山压力影响；控制方法；稳定性；可持续发展作者简介：郭猛（1996），男，贵州印江土家族苗族自治县人，主要研究方向：矿山压力与岩层控制。矿山是勘探资源、促进经济发展的重要领域，然而地质条件对矿山压力的影响往往导致安全隐患。如何有效控制地质条件对矿山的影响，提高开采效率和安全性成为当前矿山工程领域的重点任务。优化矿山布局、加强巷道预支护、合理设计支护措施等方法被广泛应用于矿山开采中。未来研究方向应更加多元化，包括智能监测系统、绿色环保技术等，以推动矿山产业迈向更加安全、高效、可持续的发展道路。1矿山压力概述及意义1.1矿山压力概述矿山压力是指在矿山开采、挖掘或爆破过程中，由于岩石应力的重新分布导致的围岩变形和产生的内力。主要表现为围岩的收缩、变形、破裂以及矿体的下沉、顶板的垮落等现象。矿山压力是矿山开采中一个重要的工程问题，对矿山的安全生产、经济效益和环境保护都有着深远的影响。在矿山开采过程中，由于岩石质量、地应力、断裂带、地下水等因素的变化，围绕矿井的岩体会发生不可避免的变形和重新分配应力的过程，从而形成矿山压力。这种压力会对矿井支护结构、巷道稳定性、矿石回收率以及矿山环境等方面产生重要影响。矿山压力可以通过多种指标来描述，如压力密度、压力强度、压力变形等。通常情况下，矿山压力随着开采深度的增加而增大，对矿山的稳定性和支护措施提出更高的要求。另外，矿山压力还与地质条件、岩石性质、开采方法等因素密切相关咱1暂。1.2矿山压力的重要性和意义矿山压力对于矿山的安全生产、经济效益和环境保护都起着至关重要的作用。首先，矿山压力容易引起支护结构的损坏、巷道的塌方以及孔洞顶板的垮塌等问题，给矿工的生命安全带来严重的威胁。通过对矿山压力进行准确地控制，可以降低事故的发生概率，保护矿工的人身安全。同时，合理控制矿山压力有助于提高矿石的回收率和矿山的经济效益。其次，过高的矿山压力会导致矿石的片帮率增加，影响回收率。通过合理的压力控制和支护设计，可以减少矿石的溢漏损失，提高开采效益。此外，矿山压力的控制还能够减少环境污染和资源浪费。再次，矿山压力极易导致矿石的坍塌和漏失，进而造成浪费和环境污染。通过合理控制矿山压力，可以减少矿石的浪费，降低对周边环境的破坏，实现矿山开采与环境保护的平衡。最后，了解和掌握矿山压力变化的规律，对预防和应对自然灾害具有重要作用。地震活动和地下水位变化等自然因素会对矿山压力产生影响，因此，研究矿山压力变化与自然灾害之间的关系，可以为灾害的预警和防范提供科学依据，减少灾害对矿山和周边地区的危害咱2暂。2地质条件对矿山压力的影响2.1岩层结构对压力分布的影响地质条件是影响矿山压力的重要因素之一，其中岩层结构对矿山压力的分布和变化起着至关重要的作用。岩层结构指不同岩层之间的分布、接触关系、厚度、岩性等特征，这些差异会直接影响围岩的稳定性、预应力状态和变形变化规律，进而影响矿山压力的产生和分布。岩层结构的不均匀性和变化性会影响矿山压力的分布。在矿山中存在不同类型的岩层，如硬软交替的岩石层、断裂带、褶皱等，这些不同性质岩层之间的相互作用会导致矿山压力的不均匀分布。例如，当硬岩和软岩夹杂分布时，在采空区域内由于硬软岩的抵抗差异，容易出现局部应力集中现象，增加了围岩破坏和塌方的风险。岩层结构的倾角和走向会影响矿山压力的传递路径。在地质构造的作用下，不同倾角和走向的岩169冶金与材料第 44 卷层相互叠加，会改变围岩受力状态，使得矿山压力沿特定方向传播并积累。例如，在倾斜的地层中，由于重力和倾斜作用，压力会更容易向下移动并集中，增加矿山深部的承压程度，从而引发支护结构破坏和巷道失稳。此外，岩层结构还会影响围岩的变形和破裂特征，进而影响矿山压力的演化过程。不同岩层的强度、变形模量和收缩性质不同，围岩在受到压力作用时会表现出不同的应力应变关系，可能出现弯曲、折断或剪切等变形现象。这些变形行为会影响围岩的内部应力分布和形变规律，在一定程度上决定了矿山压力的大小和分布形式咱3暂。2.2断裂带对压力集中的影响断裂带是地质中常见的一种构造形态，对矿山压力的影响具有重要性。断裂带可能会在矿山压力传递过程中引起压力的集中和局部扰动，进而影响矿山围岩稳定性和支护结构的安全性。断裂带本身的几何形态和物理性质会对矿山压力产生影响。断裂带通常是在地质过程中形成的裂隙带状结构，由于断裂带内部的裂隙、岩体破碎和应力特征不同，使得断裂带成为矿山压力传递中的特殊通道。一旦矿山压力传递到断裂带，会因为裂隙集中、裂缝扩展等特点而造成压力的聚集和非均匀分布，增加了岩体的变形和破坏风险。断裂带的发育演化过程也会对压力的传递和分布产生影响。随着矿山开采的深入，断裂带的活化和变形可能会加剧，导致矿山压力信号被断裂带传播和放大，从而影响周围围岩的稳定性。当断裂带受到应力作用时，可能发生位移滑动、胶结破裂等现象，进一步增加了矿山围岩的不稳定性。2.3地下水对围岩稳定性的影响地下水是矿山开采中普遍存在的一种重要因素，对围岩稳定性和矿山压力有着显著的影响。地下水与岩石之间的相互作用会导致岩石的物理性质和力学特性发生变化，进而影响围岩的稳定性和矿山压力的产生。地下水的存在会改变岩石的饱和度和孔隙水压力，进而影响围岩的强度和刚度。当地下水对围岩进行渗流时，孔隙水的入侵会降低岩石的内部摩擦角、粘聚力和抗剪强度，使岩石表面颗粒之间的结合变弱。此外，孔隙水所产生的渗流压力和孔隙水与矿石颗粒之间的有效应力也会对矿山压力的分布和演变产生影响。地下水的渗流还会引起围岩的膨胀和收缩现象，进而影响矿山压力的产生和传递。当围岩中含有可吸水性较强的岩石，地下水的渗流会导致岩石的吸湿膨胀，从而增加围岩的体积和应力状态，进一步加剧围岩的变形和破坏风险；相反，当地下水逐渐减少或流失时，围岩则可能出现干缩现象，使得矿山产生额外的压力和变形。此外，地下水的存在还会影响岩石的化学结构和荷载传递，进而影响矿山围岩的稳定性。地下水中溶解的溶质会与围岩中的矿物发生化学反应，使含水岩石的结构和强度发生变化。同时，地下水的存在也会引起对岩石的荷载传递机制发生改变，使得矿山压力的传递和分布受到一定程度的限制和扰动咱4-5暂。3地质条件对矿山压力影响的控制方法3.1合理设计支护措施地质条件对矿山压力的影响在矿山开采过程中至关重要，为了有效控制地质条件对矿山压力的影响，必须采取一系列合理有效的控制措施。首先，合理设计支护措施是一种重要方法，能够在一定程度上减轻围岩变形和压力集中，保障矿山开采安全与效率。合理设计支护结构是控制地质条件影响的重要手段。在矿山开采过程中，应根据不同地质条件下围岩的稳定性特点，设计相应的支护结构，如锚杆网、钢拱架、砌体支墙等。通过设置合理的支护结构，可以提高矿井的整体稳定性，减少围岩的变形和破裂，从而控制矿山压力的发生和传播。其次，加强围岩预支护是减少地质条件对矿山压力影响的关键措施之一。在计划开采的区域，提前采取预支护措施，如注浆加固、加筋支护等，增加围岩的承载能力和稳定性，预防因地质条件导致的围岩位移和破坏。该方法可以有效降低矿山开采过程中所受到的地质影响，保证矿山设施和人员的安全。此外，及时修补和维护支护结构也是控制地质条件影响的重要环节。随着时间的推移，围岩和支护结构会因受到压力和水流等因素作用而发生损坏和磨损，导致支护结构的稳定性和可靠性降低。因此，在日常矿山管理中，应定期进行支护结构的检修和加固，及时修复受损部位，确保支护结构的有效性和持久性，以应对地质条件可能带来的压力影响咱6暂。3.2加强巷道预支巷道是矿山内最主要的开工区域之一，作为连接各个工作面和运输渠道的重要通道，其稳定性对整个矿山的安全性和生产效率具有至关重要的影响。加强巷道预支护是一项重要的措施，可以有效减轻地质条件对矿山压力的影响，保障巷道的安全稳定运行。巷道预支护可通过提前加固巷道围岩来减小地质条件带来的不稳定性。根据不同地质条件和围岩稳定性需求，巷道预支护包括注浆加固、锚杆支护、钢拱架设置等多种方法。通过提前进行预支护工作，使得巷道围岩具备更好的承载能力和抗压性，能够有效抵御地质条件可能带来的应力和变形。巷道预支护还可以加强围岩与支护结构的耦合作用，提高整体的稳定性。在巷道工程中设置合理的支护结构，并与围岩形成协调统一的系统，可以使得围岩和支护结构相互配合、相互支撑，形成一170第 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期个整体稳定的结构体系，不仅可以减小支护结构受力，延长使用寿命，还能有效减少因地质条件造成的压力集中现象。此外，巷道预支护还能够提前发现围岩变形的迹象，及时采取措施遏制并预防进一步的破坏。通过安装监测设备、定期进行围岩的变形观测，可以实时掌握围岩变形情况，判断地质条件对巷道稳定性的影响程度。一旦发现异常情况，及时采取应急措施，进行补强支护，避免事故发生。加强巷道预支护是一项至关重要的工作，可以有效控制地质条件对矿山压力的影响，保障巷道的安全稳定运行。通过科学合理的预支护设计和监测管理，可以实现对地质条件的有效应对，降低巷道塌方、坍塌等意外事件的风险，确保矿山的安全生产和持续发展咱7暂。3.3优化矿山布局优化矿山布局是一种重要的控制地质条件对矿山压力影响的方法。通过科学合理地规划和设计，可以最大程度减少地质条件对矿山稳定性和生产安全的不利影响，提高整个矿山系统的效率和稳定性。首先，合理选择矿体开采方式和采矿进度是优化矿山布局的基础。在考虑矿体形态、围岩情况和矿物质量的基础上，选择适合的采矿方法，如露天开采、块状开采、深部开采等，并合理安排采矿进度。通过科学合理的选矿方法和进度规划，可以有效减少地质条件对矿山压力的影响，降低围岩变形和塌方风险。其次，优化矿山巷道、通风系统和水文工程布局是提高矿山稳定性的重要手段。巷道布局要考虑地质条件对巷道稳定性的影响，避免穿越易崩塌或易涌水地质结构；通风系统布局要根据矿体开采情况和围岩稳定状况，合理配置通风设备和通风道路，保障矿山内空气质量和工作人员安全；水文工程布局要考虑地下水对矿山稳定性的影响，合理设置泄水井、抽水系统等设施，有效控制地下水位，减小地下水对矿山运行的不利影响。再次，合理规划矿山设施布局和生产区域划分也是优化矿山布局的重要内容。矿山设施包括办公楼、仓储设施、生活区等，其布局应该有利于人员流动和作业协调，同时要与矿山地质条件相适应，避免建筑物因地质灾害而受损；生产区域划分则应该根据矿体开采面积、设备安放位置等因素，确保整个矿山生产组织有序、高效。这些措施能够减少地质条件对矿山稳定性的干扰，保证矿山正常运转。优化矿山布局是提高矿山整体稳定性和生产效率的重要环节。合理选择开采方式和进度、科学规划巷道、通风系统和水文工程布局，以及合理规划矿山设施和生产区域，都有助于减少地质条件对矿山压力的影响，为矿山安全生产提供更可靠的保障。4未来矿山压力研究方向展望首先，多尺度多场耦合研究，结合地质、地下水、岩石力学等多个领域，开展多尺度、多场耦合的研究，深入探讨地质条件对矿山压力的影响机制。其次，智能化监测与预警系统，利用物联网、人工智能等技术，建立矿山压力监测预警系统，实现对矿山压力变化的实时监测和预测，提高矿山灾害防范能力。再次，绿色环保压力管理，探究绿色环保的矿山开采方法及绿色压力管理技术，推动矿山可持续发展，减少对环境的影响。再次，新型支护材料与技术，研发新型支护材料，改善现有支护结构，提高围岩稳定性，在减轻矿山压力的同时降低生产成本。通过不断探索以上方向，未来研究将有望促进矿山压力管理技术的进步，提高矿山安全生产水平，推动矿山行业的可持续发展咱8暂。5结束语综上所述，矿山工程领域中对于矿山压力的研究至关重要。通过科学研究和创新技术应用，可以更好地控制地质条件对矿山的影响，确保矿山安全运营，实现高效产出。期待未来的研究能够深入探讨矿山压力管理领域的挑战与机遇，引领矿业向着更加安全、智能、可持续的方向迈进。参考文献1 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