岩土结构设计与有色金属矿山开采安全

引言

有色金属作为现代工业的重要基础材料，其开采规模与日俱增。复杂地质条件下的深部开采引发诸多安全隐患，合理的岩土结构设计是规避灾害风险、保障作业安全的关键，但现有设计方案常因对岩土特性认知不足、动态适应性差而失效。因此深入研究岩土结构设计与开采安全的内在关联，对提升矿山安全水平、减少经济损失具有重要现实意义。

一、有色金属矿岩土工程特性分析

1.1 岩土体物理力学性质

有色金属矿山岩土体的物理力学性质是影响开采安全的基础因素。常见的砂岩、页岩及矿体围岩等，其密度、强度、弹性模量与泊松比等参数差异显著，直接决定岩土结构的承载能力与变形特征。例如，砂岩类岩土体弹性模量较高，在应力作用下变形相对较小，但脆性特征明显，易发生突发性破坏。页岩的抗剪强度低、遇水软化特性突出，在地下水作用下易导致巷道底鼓或边坡失稳。岩土体的孔隙率与渗透性参数影响地下水渗流规律，孔隙率大、渗透性强的岩土体易引发涌水灾害，威胁开采安全。通过原位试验与室内测试获取精准的物理力学参数，是科学设计岩土结构、预防灾害的前提。

1.2 地质构造对岩土结构的影响

地质构造重塑了岩土体的完整性与应力分布，显著增加开采风险。断层作为典型的导水与导压构造，不仅破坏岩土体连续性，还可能成为地下水涌入矿井的通道，同时断层两侧岩性差异易导致应力集中，引发巷道围岩失稳。褶皱构造则通过改变地层产状，形成向斜储水构造或背斜应力拱，如向斜区域常因地下水积聚增加突水隐患，而背斜顶部的张裂隙发育区易发生岩体坍塌。节理发育程度直接影响岩土体的破碎程度，密集节理削弱岩体整体性，降低其抗剪强度，使得支护结构设计需考虑节理面的滑动效应。地质构造的精细勘察与力学效应分析，是岩土结构设计中规避风险的关键环节。

1.3 开采活动对岩土体的扰动效应

开采活动打破了岩土体的原始应力平衡，引发应力重分布与变形破坏。地下开采中，采空区的形成导致上覆岩层失去支撑，产生弯曲下沉与断裂，形成 “三带”（垮落带、裂隙带、弯曲带），若裂隙带发育至含水层，将引发突水事故。巷道开挖改变围岩应力状态，出现应力集中与塑性区扩展，导致围岩变形、片帮甚至坍塌。露天开采的大规模剥离作业，则通过改变边坡几何形态与应力路径，增加滑坡风险，如台阶高度与坡度设计不当，易诱发顺层滑动或圆弧滑动。爆破振动、机械开挖等扰动会加剧岩土体破碎，降低其力学性能。

二、岩土结构设计理论与方法

2.1 岩土力学基础理论

岩土力学是岩土结构设计的核心理论基石，为理解岩土体的力学行为提供了科学依据。弹性力学理论通过胡克定律描述岩土体在弹性变形阶段的应力 - 应变关系，适用于分析巷道开挖初期围岩的小变形状态。而塑性力学理论则针对岩土体进入塑性变形后的复杂力学特性，通过屈服准则判断岩土体的破坏条件，为支护结构的承载能力设计提供关键参数。

2.2 岩土结构设计关键要素

有色金属矿山岩土结构设计需综合考虑巷道、边坡和采空区等不同场景的关键要素。在巷道设计中，断面形状与尺寸需根据围岩稳定性和使用功能确定，如拱形断面适用于高应力软岩巷道，可有效分散围岩压力。支护结构选型则依赖于岩土体强度，对于破碎围岩，常采用锚杆、锚索联合支护增强岩体整体性，配合喷混凝土及时封闭岩面，防止风化与剥落。边坡设计时，坡度与台阶高度直接影响稳定性，需结合岩土体抗剪强度参数进行稳定性验算。加固措施如挡土墙、抗滑桩等的布置需考虑地质构造的影响，避免结构失效。

2.3 数值模拟技术在设计中的应用

数值模拟方法能够形象地反映岩土体力学过程。基于有限元、离散元等方法数值模拟能够直观反映岩土力学过程中复杂的受力变形，对于支护设计，基于有限元法，可以直观地模拟支护过程中不同支护参数下围岩的变形情况，可以优化不同锚杆长、间距等支护参数；对于离散元方法，可以适用于具有大变形的岩土体破裂过程分析，对于露天开采边坡岩体滑坡模拟，可以动态显示滑体岩体颗粒体的运动轨迹，可以比较不同的加固方案、方法。借助现场监测数据，可以通过数值模拟的反分析进一步确定岩土体力学参数，使得数值模拟更加贴近实际工程实际情况。

三、有色金属矿山岩土结构设计优化策略

3.1 基于监测数据的动态设计优化

施工期实时监测数据是进行围岩与结构设计调整的基础。有色金属地下开采通过布置位移计、应变计和水压力计等测点，能够得到采矿巷道周边围岩收敛、边坡位移、采矿采空区应力、水压力等施工期间动态信息，结合反演确定岩土体力学参数，调整设计模型使设计方案更符合施工现场状况；通过数据挖掘技术和机器学习等技术，能够对岩土结构的后续运行发展做出预判，改变跟着问题走转变为向问题寻求，设计适应性和安全性效果会明显提高。

3.2 新材料与新技术的应用

新材料、新技术的开发利用为岩土结构设计提供新动力。支护材料方面，出现了高延性混凝土、纳米复合注浆材料等。高延性混凝土具备高韧性、多缝开裂的特征，可极大提高巷道支护结构的抗变形能力。纳米复合注浆材料能够填充微小裂隙，使破碎岩体整体性更强。施工技术方面，出现了定向钻进支护技术，在锚杆植入过程中能准确控制植入角度及深度，便于对锚杆插入的重点部位进行靶式支护；3D 打印技术根据岩土结构复杂形态，能够快速成型个性化支护构件。

3.3 多学科交叉与智能化设计趋势

设计智能化、交叉复合化将会是未来岩土结构设计的发展趋势。岩土结构设计实现深度复合交叉，结合 GIS 实现地质勘测资料的集成，基于数值模拟建立三维可视化的模型，展示岩土结构的三维特点和受力特征；基于深度神经网络技术对海量设计结果进行学习，自动生成工程设计方案，专家系统进行反复判断和确认；对结构的及时变更提出建议是人工智能实现设计的重要表现形式之一，可结合监测数据与设计结果的交互，能够自动生成结构调整设计方案。

结语

本研究系统揭示了岩土结构设计与有色金属矿山开采安全的内在联系，通过剖析岩土工程特性、创新设计理论与方法，构建了动态优化的安全设计体系。研究成果有效提升了矿山灾害防控能力，为行业安全开采提供了科学路径。未来需进一步深化智能化技术在岩土结构设计中的应用，加强深部复杂地质条件下的设计理论研究，推动有色金属矿山开采向更安全、高效、绿色的方向发展。

参考文献

[1]曹其光,黄广黎,曾霄祥,等.有色金属矿山采矿施工中不安全因素分析及对策措施 [J].世界有色金属,2020,(09):195-196+199.

[2] 李玉 文. 金属 矿山 地质 勘探 安全 生产 的标 准化 建设 研究 [J]. 西部 资源,2020,(01):169-170+173.