复杂地质条件下矿山地压分布规律分析

贺俊醒

（柿竹园有色金属有限责任公司，湖南 郴州 423037）

在论述地压分布规律时，地应力是必须提及并重视的一种自然力学现象。所谓的地应力，通常指长期存在于天然地层中，没有被人为或非人为因素扰动过的一种天然应力，也被成为是原岩应力或者岩体初始应力等。正是由于地应力的普遍存在，才是的岩土工程以及相关作业过程中会产生不确定的地质地压变化，破坏作业环境、威胁人员安全。只有完全掌握了工程作业区域内的地应力分布及相对规律，形成地压规律监测模型，才能有效避免灾害事件发生。

1 国内针对复杂抵制矿山地压研究方法

由于地应力在自然地质环境中的普遍存在，危机岩土工程作业的安全。因此，在开展岩土工程作业之前，应该对作业区域的地应力分布规律进行全面测量与分析，并且依照测量结果制订紧急事件处理预案，以有效保障工程作业人员的生命安全[1]。事实上，针对地表地应力的测量与分析工作是一门相当复杂的科学学问，国内外都针对这一问题提出了相当多的学科调研与研究。我国在该项目的研究上，依旧有了长足的进步，并且已经形成了相对成熟的调查与分析体系。

（1）岩石力学的基础性质研究。随着计算机数据分析技术的长足进步，模拟实验和力学实验都得到了极大的发展。人们在认识岩石力学和运用该学科的同时，也极大促进了学科的进步和实际应用的发展。目前，国内已经具备了模拟岩石性能的手段，并且能够做到对岩石应力的监测可以推演出一定时间后的性能变化，极大推动了岩土工程作业的安全发展。

（2）地压数值的虚拟模型研究。在地压数值虚拟模型的研究上，主要存在四种方法，分别是：有限单元法、有限差分法、边界元法和离散单元法。随着对岩土非线性问题的提出，又诞生了其他更为先进的研究方法。如拉格朗日元法等。

（3）岩土工程的材料模拟研究。材料试验的研究，包括材料模拟的研究，在极大程度上促进了岩土工程的发展。无论是相关水利、采矿和地质作业研究上，对材料的模拟研究能够极大推动岩土工程对客观环境条件的安全等级分析。这对于开展岩土作业，选择挖掘区域、作业空间布局以及采用的作业辅助结构和设备而言都十分重要。

（4）整体结构的非线性分析法。在传统的力学研究中，研究的受力对象通常是一整个物体。然而，在岩土工程中，岩体的受力情况却并不适宜，主要是因为岩体大多是不连续的，甚至存在大量的断层以及褶皱问题。因此，就必须引入非线性分析方法对实际岩石力学进行受力分析和学术研究。其中，影响最深远的是突变理论，主要强调稳定性理论基础。

（5）人工智能的专业数据分析。人工智能是一门新兴学科，总体包含的内容很多，但主要作用提现在利用更加具有科技含量的设备进行实际现场勘察，并且在决策上具有更为全面、客观的辅助功能，尤其是借助大数据分析的预测功能对岩土工程作业而言具有极高的现实意义[2]。

（6）损伤力学的地压研讨应用。损伤力学的研究，主要是为解决岩体出现断裂、损坏情况下，如何确定其力学性能的问题。集中体现在岩体出现损伤后的力学性能表征以及计算机虚拟模型受力分析问题上。

2 程潮铁矿工程中的地质调查与岩石力学实验

2.1 程潮铁矿矿区地质调查

程潮矿区在东西走向上达到3000m，南北走向1500m的规模，矿区面积达到4.5平方千米水平。地势上属于标准的低海拔山丘地貌，山脊部分的延伸主要受到地下地质构造的影响，其延伸的方向也基本上顺从深层地质结构的走向，由西北向东南方向伸展。地势东北高、西南低，造成山体水流方向以西出为主，大雨时节需要考虑雨水倒灌工程体的情况。

2.2 矿区东西区结合带工程地质调查

（1）结合带基本情况。在结合带区域内，岩体的整体密度偏大，并且伴随有细粒的花岗岩铺垫，对整体的节理密度影响很大。剪性节理面整体比较光滑，并且伴随有闭合节理存在。

（2）闪长岩。主要由更长石组成，附带有少许角闪石，使得整体呈现出致密、坚硬的性质，很容易被压碎。节理方位的分布相对比较零乱，尤其形态不存在规律性。

（3）花岗岩。花岗石的整体性能比较强，岩石性能以坚硬为突出特点，节理面光滑平整，部分面存在刮划痕迹但并不影响性能。

（4）矿体。矿体呈现出细微粒状结构，并且伴随着块状构造，整体结构比较细密，属于保存较好且具备相当稳定性的矿石。矿体的节理性质和周围的岩体结构颇为相似，也是剪性节理结构的代表，但是其节理的发育程度却比不上闪长岩和花岗岩。

2.3 岩石力学的参数试验

（1）试件的选择与制备。在进行岩石力学参数试验时，主要借助YE200型液压机、各种传感器来实现。除此之外，还需要有电阻应变荷重传感器等帮助进行测量。

（2）岩石力学参数实验测试系统。在岩石力学参数试验中，主要需要测量岩石眼本的密度、抗拉强度，并且通过实际参数测量的结果还原整个矿区的受力情况和施工影响。

3 程潮铁矿东西区结合带地压分布规律的数值模拟

本文重点介绍关于地下395米和地下430米情况下，程潮铁矿的地压分布情况。从实际勘察的情况来看，在地下深度达到430米后，整个地下矿体的地质结构是紧密联系成一体的，东西区域内的开采环境都需要进行连通处理。利用大型的计算机软件设备，建立起整个矿区的三维有限元地下模型。结合实际勘察得到的真实地质数据，代入到模型中进行数据分析，最终得出矿区地下的地压分布规律。

3.1 三维有限元几何模型的建立

（1）物理模型的建立。在建立模拟数据模型之前，首先要对整个矿区的基本地质情况和有关研究问题进行重点模型数据规划研究，也就是建立一个初级物理模型帮助分析。在实际地质勘察过程中，已经对不同地下深度的岩石层、矿体区以及天然或人为塌陷区进行了深度探索。整个矿区内部的三维空间关系以及相关数据已经得到充分验证，并且进行了模型比例转化。

地质勘察模型的建立是一门非常复杂的学问，物理模型只能从宏观视角下今进行粗略的还原，重点在于寻找空间结构和空间比例的统一。根据课题研究的重点，分别进行有效模型推演，尤其注重客观环境对模型参数统计的影响。

（2）有限元模型的建立。有限元模型的建立主要依靠ANSYS 12.0的强大运算能力和虚拟空间建模能力。通过整个网格空间区域划分功能，实现虚拟建模的有效数据比例还原。通过控制比例以及实际单元的具体尺寸，寻找空间关系。在物理模型的基础上，对细节部位进行有效数据填充，以帮助实现更为准确的模型还原。

（3）岩体物理力学参数的选取。要想使有限元模型的结果更有实际应用价值，就必须对模型的具体参数进行有重点的筛选，尤其是对岩层各项数据进行重点选择与使用。岩石参数的使用，必须建立在实际岩石样本的参数实验数据的基础上，塌陷区的数据采集也要有相关文献和实际理论研究作背书。

（4）边界条件以及求解。除了考虑正向作用力和岩体参数外，整个工程不同地层深度和结构的重力影响、侧应力影响也都在模型研究的考虑范围内，也就是常说的边界条件。在虚拟模型中，任何一侧的边界施加法向作用力都将是影响工程作业设备的重要因素。

3.2 程潮铁矿东西区结合带地压分布规律模拟结果

虽然从理论上来说，采用实际勘察与岩石力学实验相结合的办法进行虚拟空间建模，能够基本还原作业地质环境具有非常可靠的数据参考价值，但是由于软件系统自身承载能力有限，很多的岩石结构和矿体结构在制作模型时不得不进行简化处理，这就使得整体模型的数据测量结果可能存在一定误差，需要由相关从业人员用自身的经验弥补模型表征缺陷。

（1）矿区整体地应力分布规律。从模型的力学模拟角度上来说，整个矿区地下环境中，主应力集中在-29.6MP到1MP之间，拉应力和压应力之间的差异是非常明显的，主要表现是拉应力为主，越往深处走受到的压应力效应越明显。这在力学研究中，符合非常明显的地表浅层受力基本规律。除此之外，受地下地压规律影响最大的区域普遍在塌陷区，并且该区域底部受到的影响最大、范围最广，并且最大主应力和地处深度之间存在正相关。

（2）程潮铁矿-395米水平地压分布规律。在-395米的地层，地质受到的最大主应力和最小主应力会发生一定的变化，主要体现在应力峰值的差异上，最大拉应力能够达到12.8MP，最小则是3.60MP。地压的最大值主要存在于东部矿区的底部，并且受到重力的影响较大。

（3）程潮铁矿-430m水平地压分布规律。在该水平上，模型的最大主应力峰值相比于395m并没有发生太大变化，集中受力区域也还是在矿体的底部，但是更加偏向于东西区的结合带。

4 结语

综上所述，在矿山地压分布规律测量与分析工作上，其工程作业量之艰巨和相关学科理论之复杂程度之高都是显而易见的。尽管依托现代化科技手段，已经能够做到对工程作业区域地质情况的大部分监测与分析，能够在紧急事件发生时有完整的应对预案。但是，地质活动以及深层地面的运动情况还不在人类的掌控范围，很多可能的或者预想不到的情况依旧有很大的发生概率。因此，还需要有更加先进的科学研究以及更为全面的紧急部署，以切实保证工程作业人员的生命安全。