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摘要：大规模开发深部金属矿产资源是我国矿业发展的必然趋势, 深井开采已成为我国乃至世界矿业界特别关注的问题。与此同时很好的解决深井开采所带来的危害已刻不容缓。综述深井开采岩石力学基础科学问题和主要的深井灾害, 认识新思路, 进一步探讨深井灾害的应对策略。
关键词：金属矿山；深部开采；问题；对策
中图分类号： O741+.2文献标识码：A 文章编号：
1深井开采灾害
深井开采处于高应力、高井温、高井深、高岩溶水压、采矿扰动( 即“四高一扰动”) 的特殊环境。随着开采深度的增加, 高应力诱发的岩爆与地震灾害,严重威胁人员与设备的安全。高井温使劳动条件严重恶化, 威胁工人健康, 劳动效率大大降低。高井深则恶化了提升、排水条件, 急剧增加了采矿成本。高岩溶水压则诱发深井涌水, 严重影响人员安全。采矿扰动( 主要是指强烈的开采扰动) 则造成地震和井筒破裂, 即在浅部表现为普通坚硬的岩石, 在深部却可能表现出软岩大变形、大地压、难支护的特征, 即有各向不等压的原岩应力引起的剪应力超过岩石的强度, 造成岩石的破坏。
1.1 深部巷道变形与支护
随着开采深度的增加,地应力随之增大。因此,深部巷道与采场的维护原理与浅部有十分明显的区别,这种区别的根源在于岩石所处的应力环境的区别以及由此导致的岩体力学性质的区别。在浅部十分普通的硬岩,在深部可能表现出软岩的特征, 从而引起巷道和围岩的大变形；浅部的原岩大多处于弹性状态,而深部的原岩处于“潜塑性”状态,由各向不等压的原岩应力场引起的压、剪应力超过岩石强度,造成岩石的潜在破坏状态。
深部高应力环境下的巷道支护,除了必须考虑岩石强度性质和岩体结构外,还应重视巷道所处的应力环境。浅部中、低应力条件下的巷道支护主要考虑业己存在的地质构造等不连续面的影响,而深部高应力岩体中巷道支护必须考虑巷道围岩因掘进造成的断裂破坏带,即新生断裂结构的影响。所以,深部高应力环境下的巷道支护应强调峰后破坏岩体残余强度的利用。应合理控制岩体的峰后变形,并尽量使巷道围岩处于三向应力状态,为此,需采用先柔后刚的能保持和提高岩体强度的加固措施；深部巷道支护设计应更多地建立在能量分析的基础上,而不是简单地以应力和强度作为设计准则。
1.2 深部地压显现与开采动力灾害
从根本上讲,地应力是所有地下工程,包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。在没有开采工程扰动的情况下, 岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖, 打破地层原始平衡状态,导致地应力的释放,从而引起岩体的变形和向自由面的位移,引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏。这就是地压发生的过程和机理。它与岩体的受力状态、岩体结构和质量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。
深部地压主要有两种表现形式,即：变形地压和冲击地压。变形地压是因开挖产生的围岩位移所引起的压力,这是地压的最基本形式。在岩体条件较好的情况下,围岩的位移和变形发展到一定程度就停止了,可能不需要支护,围岩自身就能维持稳定。深部高应力条件下,围岩具有产生大变形的内外部条件,围岩的过量变形将产生微观或宏观破裂、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒顶、断面收缩、支架破坏、采场跨落等等。围岩必须通过支护才能防止过量的变形而引起的破坏。此时,变形地压的显现特征与支护方法和支护结构密切相关。在围岩与支护结合在一体的条件下,围岩与支护构成共同承载体,它们相互依存、相互制约、共同变形。只有及时采取支护措施,并且支护方法得当, 才能有效改善围岩应力分布状态,抑制围岩变形,阻止围岩的失稳和破坏。冲击地压是一种岩石动力学现象,它是围岩内聚集的大量弹性变形能在一定诱因下突然释放而表现出的一种形式。在金属矿山,冲击地压叫岩爆。产生冲击地压和岩爆主要与两方面因素有关。一是岩石的岩体的结构性质,具有在围岩内贮存高应变能的内在条件。一般来讲,坚硬完整岩体容易贮存高应变能。二是有产生高应变能的外部环境,如地应力大、围岩应力集中的地方。随着开采深度的增大,地应力不断增大,因而深部容易出现岩爆和冲击地压。
随着越来越多的矿山进入深部开采,加强对岩爆的研究己刻不容缓,研究重点在以下三个方面：①从地应力、岩体结构、矿岩物理力学性质、采矿方法、开采过程、开采顺序、围岩能量聚集和释放规律等方面综合分析和研究岩爆机理；②建立有效可靠的监测系统和手段,对岩爆发生的可能性、发生的地点和大小进行预测预报；③从防止和解除围岩高能量聚集,避免引起高能量迅速释放的外部条件出现两方面采取防治岩爆的有效措施。
1.3 地温升高引起作业环境恶化
地下岩层温度随着深度的增加而增加。据统计,常温带以下,岩层温度以3℃/l00m 的梯度增加。千米以上的深井,岩层温度将超过人体温度。如南非西部矿井,在深部3000 米处,岩层温度高达80℃；我国铜陵冬瓜山铜矿在深度1000米处,最高温度达40℃。深井开采工作面气温的升高导致工作条件的严重恶化。在持续的高温条件下,人员的健康和工作能力将会受到很大的损伤,这影响到采掘工作的正常进行,使劳动生产率大大下降。据统计资料,超过适合人体温度后, 温度每增加1℃, 工人的劳动生产率将降低7%~10%。采取经济和有效的措施,解决深井的通风和降温问题,使深井开采工作面保持人员和设备所能承受的温度和湿度,并使综合开采成本限定在可以接受的范围内,对保证深部地下开采的正常发展具有重要意义。
2应对决策
2.1 关键性应对策略
现有技术对深井开采灾害问题解决方案的形成和决策分析支持不足, 多层次知识融合技术与多智能体技术实现的关键性认知是其重点所在。有实践证明, 最好的决策结果来自于知识的有效整合。然而决策技术领域才开始认识到多层次整合的重要性, 即系统的、多角度及多层次的决策知识融合。
深井灾害的关键性应对策略在于元决策( metadecision) 的实现, 元决策是针对客观现实分析问题所在, 发现矛盾, 寻求解决矛盾的策略和技术经济方案, 并确定方案的过程。元决策是灾害应对决策中最重要、最复杂, 同时又是最活跃、最富有于创新性的阶段。具体包括现场调查、室内和室外实验、灾害测度与表征的描述、已有知识和经验的分析、专家经验和创新思维、计算机分析等子系统的创建, 对子系统综合分析后得出具有操作性的决策技术。
2.2 深井开采灾害应对决策技术
在决策过程中人作为决策者起到至关重要的作用, 完美的决策需要决策者综合利用以有的各類信息和知识, 通过创新思维, 针对目前问题形成决策概念, 进而优化成切实可行的决策方案。在决策方案的形成过程中, 关键性应对策略对于问题求解和决策方案的形成十分重要。根据关键性应对策略的思想和科学方法的基本原理, 来构造基于知识决策技术体系, 形成使用于深井开采领域的灾害等复杂应对技术框架模型, 包括深井开采领域的关键性原理模型抽取、向灾害性复杂问题求解与决策问题的转化以及相应的原理、方法和工具化改造等关键步骤,从而得到的决策技术具有较好的可操作性。
关键性问题系统的描述主要包括三个方面:(1) 关键性问题系统结构的描述; (2) 关键性问题系统行为的描述; (3) 关键性问题系统功能的描述。这些定性描述是基于本体论来完成的, 用定性的形式表示实际系统的物理量和相互作用关系。
参考文献
[1] 古德生, 李夕兵有色金属深井采矿研究现状与科学前沿[ J]矿业研究与开发, 2003, 23( 2) : 1- 51
[2] 王国伟. 矿山岩石力学问题在地下开采中的研究与应用[J]. 新疆有色金属. 2004(04)
关键词：金属矿山；深部开采；问题；对策
中图分类号： O741+.2文献标识码：A 文章编号：
1深井开采灾害
深井开采处于高应力、高井温、高井深、高岩溶水压、采矿扰动( 即“四高一扰动”) 的特殊环境。随着开采深度的增加, 高应力诱发的岩爆与地震灾害,严重威胁人员与设备的安全。高井温使劳动条件严重恶化, 威胁工人健康, 劳动效率大大降低。高井深则恶化了提升、排水条件, 急剧增加了采矿成本。高岩溶水压则诱发深井涌水, 严重影响人员安全。采矿扰动( 主要是指强烈的开采扰动) 则造成地震和井筒破裂, 即在浅部表现为普通坚硬的岩石, 在深部却可能表现出软岩大变形、大地压、难支护的特征, 即有各向不等压的原岩应力引起的剪应力超过岩石的强度, 造成岩石的破坏。
1.1 深部巷道变形与支护
随着开采深度的增加,地应力随之增大。因此,深部巷道与采场的维护原理与浅部有十分明显的区别,这种区别的根源在于岩石所处的应力环境的区别以及由此导致的岩体力学性质的区别。在浅部十分普通的硬岩,在深部可能表现出软岩的特征, 从而引起巷道和围岩的大变形；浅部的原岩大多处于弹性状态,而深部的原岩处于“潜塑性”状态,由各向不等压的原岩应力场引起的压、剪应力超过岩石强度,造成岩石的潜在破坏状态。
深部高应力环境下的巷道支护,除了必须考虑岩石强度性质和岩体结构外,还应重视巷道所处的应力环境。浅部中、低应力条件下的巷道支护主要考虑业己存在的地质构造等不连续面的影响,而深部高应力岩体中巷道支护必须考虑巷道围岩因掘进造成的断裂破坏带,即新生断裂结构的影响。所以,深部高应力环境下的巷道支护应强调峰后破坏岩体残余强度的利用。应合理控制岩体的峰后变形,并尽量使巷道围岩处于三向应力状态,为此,需采用先柔后刚的能保持和提高岩体强度的加固措施；深部巷道支护设计应更多地建立在能量分析的基础上,而不是简单地以应力和强度作为设计准则。
1.2 深部地压显现与开采动力灾害
从根本上讲,地应力是所有地下工程,包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。在没有开采工程扰动的情况下, 岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖, 打破地层原始平衡状态,导致地应力的释放,从而引起岩体的变形和向自由面的位移,引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏。这就是地压发生的过程和机理。它与岩体的受力状态、岩体结构和质量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。
深部地压主要有两种表现形式,即：变形地压和冲击地压。变形地压是因开挖产生的围岩位移所引起的压力,这是地压的最基本形式。在岩体条件较好的情况下,围岩的位移和变形发展到一定程度就停止了,可能不需要支护,围岩自身就能维持稳定。深部高应力条件下,围岩具有产生大变形的内外部条件,围岩的过量变形将产生微观或宏观破裂、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒顶、断面收缩、支架破坏、采场跨落等等。围岩必须通过支护才能防止过量的变形而引起的破坏。此时,变形地压的显现特征与支护方法和支护结构密切相关。在围岩与支护结合在一体的条件下,围岩与支护构成共同承载体,它们相互依存、相互制约、共同变形。只有及时采取支护措施,并且支护方法得当, 才能有效改善围岩应力分布状态,抑制围岩变形,阻止围岩的失稳和破坏。冲击地压是一种岩石动力学现象,它是围岩内聚集的大量弹性变形能在一定诱因下突然释放而表现出的一种形式。在金属矿山,冲击地压叫岩爆。产生冲击地压和岩爆主要与两方面因素有关。一是岩石的岩体的结构性质,具有在围岩内贮存高应变能的内在条件。一般来讲,坚硬完整岩体容易贮存高应变能。二是有产生高应变能的外部环境,如地应力大、围岩应力集中的地方。随着开采深度的增大,地应力不断增大,因而深部容易出现岩爆和冲击地压。
随着越来越多的矿山进入深部开采,加强对岩爆的研究己刻不容缓,研究重点在以下三个方面：①从地应力、岩体结构、矿岩物理力学性质、采矿方法、开采过程、开采顺序、围岩能量聚集和释放规律等方面综合分析和研究岩爆机理；②建立有效可靠的监测系统和手段,对岩爆发生的可能性、发生的地点和大小进行预测预报；③从防止和解除围岩高能量聚集,避免引起高能量迅速释放的外部条件出现两方面采取防治岩爆的有效措施。
1.3 地温升高引起作业环境恶化
地下岩层温度随着深度的增加而增加。据统计,常温带以下,岩层温度以3℃/l00m 的梯度增加。千米以上的深井,岩层温度将超过人体温度。如南非西部矿井,在深部3000 米处,岩层温度高达80℃；我国铜陵冬瓜山铜矿在深度1000米处,最高温度达40℃。深井开采工作面气温的升高导致工作条件的严重恶化。在持续的高温条件下,人员的健康和工作能力将会受到很大的损伤,这影响到采掘工作的正常进行,使劳动生产率大大下降。据统计资料,超过适合人体温度后, 温度每增加1℃, 工人的劳动生产率将降低7%~10%。采取经济和有效的措施,解决深井的通风和降温问题,使深井开采工作面保持人员和设备所能承受的温度和湿度,并使综合开采成本限定在可以接受的范围内,对保证深部地下开采的正常发展具有重要意义。
2应对决策
2.1 关键性应对策略
现有技术对深井开采灾害问题解决方案的形成和决策分析支持不足, 多层次知识融合技术与多智能体技术实现的关键性认知是其重点所在。有实践证明, 最好的决策结果来自于知识的有效整合。然而决策技术领域才开始认识到多层次整合的重要性, 即系统的、多角度及多层次的决策知识融合。
深井灾害的关键性应对策略在于元决策( metadecision) 的实现, 元决策是针对客观现实分析问题所在, 发现矛盾, 寻求解决矛盾的策略和技术经济方案, 并确定方案的过程。元决策是灾害应对决策中最重要、最复杂, 同时又是最活跃、最富有于创新性的阶段。具体包括现场调查、室内和室外实验、灾害测度与表征的描述、已有知识和经验的分析、专家经验和创新思维、计算机分析等子系统的创建, 对子系统综合分析后得出具有操作性的决策技术。
2.2 深井开采灾害应对决策技术
在决策过程中人作为决策者起到至关重要的作用, 完美的决策需要决策者综合利用以有的各類信息和知识, 通过创新思维, 针对目前问题形成决策概念, 进而优化成切实可行的决策方案。在决策方案的形成过程中, 关键性应对策略对于问题求解和决策方案的形成十分重要。根据关键性应对策略的思想和科学方法的基本原理, 来构造基于知识决策技术体系, 形成使用于深井开采领域的灾害等复杂应对技术框架模型, 包括深井开采领域的关键性原理模型抽取、向灾害性复杂问题求解与决策问题的转化以及相应的原理、方法和工具化改造等关键步骤,从而得到的决策技术具有较好的可操作性。
关键性问题系统的描述主要包括三个方面:(1) 关键性问题系统结构的描述; (2) 关键性问题系统行为的描述; (3) 关键性问题系统功能的描述。这些定性描述是基于本体论来完成的, 用定性的形式表示实际系统的物理量和相互作用关系。
参考文献
[1] 古德生, 李夕兵有色金属深井采矿研究现状与科学前沿[ J]矿业研究与开发, 2003, 23( 2) : 1- 51
[2] 王国伟. 矿山岩石力学问题在地下开采中的研究与应用[J]. 新疆有色金属. 2004(04)