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矿山开采规划为开采活动提供时间依据，以期获得最大经济效益。对于同一个矿山而言，不同采矿方法、开采顺序和开采时间，矿山的最大净现值(Net Present Value，简称NPV)也不同。一般而言，通过矿山开采规划优先获取高品位的矿石，矿山将获得更高的NPV，此外，开采规划还应受到矿井提升能力等约束条件的影响。然而，矿山实际开采过程中，采矿计划往往会受岩爆等的影响而终止或改变，因此，开采过程中矿岩的稳定性是采矿规划问题的关键[1]。地下开采进入深部以后，随着开采深度和开采强度的增加，原岩高应力及受采动影响引起的应力转移、集中将是引发岩爆、导致矿岩失稳的重要因素。地下开采是一个在开挖过程中不断形成新的工作面、时空不断变化的过程，开采过程往往是不可逆的非线性演化过程，它的最终状态与开采过程相关，或者说与应力路径或应力历史相关。这一相关性在深部开采的矿山更为明显。因此，从力学的角度考虑开挖过程中应力的转移分布规律对于深部开采规划尤为重要[2]。
笔者主要结合国内外深井开采矿山的实例，分析了深部整体规划的影响因素及采矿布局，重点介绍了岩爆的评价指标对于深部矿山的整体规划具有重要的指导意义。
战略规划是指对重大的、全局性的、基本的、未来的目标、方针、任务的谋划，战术规划是为了实施战略规划中的某一部分而制定的规划。因此，战略规划是矿山运营的长期目标，包括采矿设计与开采规划等，具有前瞻性;战术规划是短期目标，包括采场卸压、支护等。战略规划和战术规划的目标均是实现矿山的安全回采及经济利益最大化[3]。
深井矿山由于矿体埋藏深，应力大，与浅部开采有明显的不同，因此矿山整体规划需要从战略规划及战术规划两个维度分层次同时展开。
第1步战略规划是对深井矿山开采进行整体规划，从力学的角度设计开采方案，主要包括矿体开采方向、采矿方法等，实现矿山长期生产目标;与之相应的战术规划是开展短期开采设计及生产能力预测，以期实现长期战略目标。
第2步战略规划是基于岩体开挖应力的变化规律开展每个矿区资源的全生命周期生产计划，主要包括矿区的回采顺序、结构参数等，与之相应的战术规划是在至少开采6个月前完成对采矿计划的修改，目的是与长期规划保持一致的基础上增强了采矿计划的灵活性，即根据开采的应力及资源量的变化调整开采计划，实现采矿过程的动态规划。
第3步战略规划是基于矿山投资、生产年限及矿山效益的要求，根据制定的矿山整体规划方案，量化生产技术经济指标;战术规划是在至少开采6个月前规划与长期目标一致的短期开采进度，并在开采过程中进行跟踪，实现生产经济目标。
第4步战略规划是优化矿石及废石的提升运输系统，与之相应的战术规划是进一步优化，提高矿石的提升能力，尤其针对深部开采矿山，矿石的提升是制约深井矿山生产能力主要因素之一。
战略及战术规划的过程实际上是对深井矿山从整体到局部设计的过程，并通过战术规划措施响应战略规划目标，即实现矿山的安全回采及经济利益最大化。
在开展基于应力分析的深井矿山整体规划过程中，岩石强度是重要的指标之一。在岩体工程中，岩石强度表现出明显的时间效应。在一定的外界载荷作用下，岩石材料的强度会随时间不断降低，在工程上经常表现为由于岩石强度的弱化而导致岩体的突发性破坏行为以及岩体的长期强度等不同现象和问题[4]。张清照等[5]对锦屏 II 级绿片岩进行流变研究，发现长期强度约为常规强度的80%。结合深埋工程实例，岩爆大多发生在开挖面后方一定范围内，且具有滞后性，如图2所示，围岩暴露1 d内发生岩爆的概率仅为20%[6]。李忠等[7]对陆家岭隧道施工中的岩爆进行了总结，发现岩爆大多发生在距工作面6～15 m(0.5～1倍硐径)的拱角及两侧壁上，且一般在掘进工作面开挖后24 h内发生。
图1 深部开采的战略与战术规划方法
Fig.1 Strategic and tactical planning methods for deep mining
图2 围岩暴露时间与岩爆概率关系曲线[3]
Fig.2 Curve of relationship between surrounding rock exposure time and rockburst probability[3]
李夕兵等研究了屈曲型岩爆的时效性[8]，以弹性临界应力及长期稳定应力为界限，分析了高应力下的瞬时岩爆、巷道岩壁不发生岩爆及延迟岩爆现象，得到了不同侧压力系数下荷载与屈曲失稳时间的变化关系(图3)，同一垂直应力下，侧压力系数k越小，发生岩爆的时间就越推后，岩爆就越滞后发生甚至不发生。
图3 不同侧压力系数下荷载与屈曲失稳时间的变化关系[5]
Fig.3 Relationship between stresses and bulking time under different lateral stress coefficients[5]
在战略层面开展矿山全生命周期的开采规划时，往往忽视了岩石强度的时效性，正确认知深埋工程的岩爆和岩体的流变行为对于开展深井矿山整体规划具有重要的现实意义。
根据前文讨论的采矿战略规划，首先应从力学的角度设计开采方案，主要包括矿体开采方向、采矿方法等，采矿方向问题是深部矿体开采值得讨论的问题之一。国内外深井开采矿山主要以阶段空场嗣后充填采矿方法为主，此种采矿方法主要是通过二步骤回采顺序回收矿体。
(1)倒“V”型采矿顺序。加拿大LaRonde矿[9]2 500 m以下矿体开采采用了倒“V”型上向采矿设计方案，如图4(a)所示，开采顺序由1至13。通常只有一步骤采场向上开采了两个分段后(如4号采场)，二步骤采场(如7号采场)才开始开采。位于最顶部的一步骤采场顶板处于应力集中区域，不利于采场地压的管理。
图4 倒“V”型、正“V”型采矿设计方案
Fig.4 Inverse “V”,“V”and surrounding mining sequence
(2)正“V”型采矿顺序。加拿大Creighton矿深部开采采用了正“V”型下向采矿顺序[10]，如图4(b)所示，将采矿形成的诱导应力推移到临近围岩区域，不预留底柱，下分段采矿作业在上分段的充填体下进行，避免作业人员在暴露的采空区下作业，增加了开采的安全性，但该种开采顺序采矿生产能力低。
(3)四周型采矿顺序。加拿大LaRonde矿[9]提出了理想的开采顺序，如图4(c)所示，该采矿顺序可实现4个采场同时向四周扩散开采。但在实际开采过程中，工程布置及采场应力状态还需进一步探讨。
在开采优化过程中，还应结合岩体类型及不稳定地质结构等进行战术规划，在经济合理的前提下因地制宜地运用开挖和支护等手段，把有害影响及隐患控制在最低限度。
针对水平开采顺序国内外学者结合工程实例开展了大量的研究工作，采用不同的开采顺序对于改善采场的稳定性及减轻或避免深井开采诱发的岩爆灾害有重要影响[11]。有利于采场地压管理的水平开采顺序优化原则主要包括:① 采用“大间隔分散布置”方式进行回采产生的应力集中程度明显低于“隔一采一”集中布置的效果[12]。② 由中央向四周的方式能够渐进的将重分布的应力推移到相邻区域。
本节讨论了理想状态下开展采矿战略规划的方向，但针对不同工程地质条件的矿山，尤其不稳定地质结构或岩体类型需有针对性的开展矿山整体规划。
深部矿山开采整体规划最重要的影响因素之一是高地应力，规划过程中应尽量避免采矿作业活动、采矿设施等处于应力集中区域。但由于深部矿山的复杂性和矿体规模，如何准确预测开采过程中的应力变化，预测岩爆发生尤为重要[13]。
矿山开采过程中的微震监测预警技术可以为开采过程中的矿山短期规划的应力校准提供可靠的依据。新建矿山初期的整体规划，应力变化通常在地应力测试的基础上通过数值模拟方式获得，为提高计算结果的可信度，需要我们对计算模型进行校准，预测高危险区域。
COTESTA等[14]利用CIGMMA(Computer Integrated Geomechanical Mine Modelling Approach)建模方法对数值模型进行了校准，并利用偏应力法有效预测岩体破坏及岩爆发生的可能性。偏应力法由Martin等提出，应用二维和三维弹性数值模型可以估测岩体的破坏集聚区域，进而得出由于高的采矿诱导应力发生岩爆的可能性。岩体破坏与标准偏应力水平之间的关系见表1。遵循以上原则，基于Creighton 矿历史信息和经验，COTESTA等建立了应力风险限值(表2)。应用应力风险限值可以有效预测岩体破坏及岩爆发生的可能性，对于深部矿山的整体规划具有重要的指导意义。
表1 岩体破坏与标准偏应力水平之间的关系
Table 1 Rock mass damage associated with normalized deviatoric stress levels
(σ1-σ3)/σc岩体破坏应变型岩爆可能性0.35无～小无0.35～0.45小(例如:表面剥落)无0.45～0.60中等(例如:开挖空间周边岩体损伤)小0.60～0.70中等～大中等>0.70大大
注:σc为单轴抗压强度。
表2 Creighton矿的基于偏应力法风险限值
Table 2 Stress hazard limits established for Creighton Mine
应力风险(σ1-σ3)/ σc很低<0.4低0.4～0.5中等/高0.5～0.7很高≥0.7
先进的数值模拟软件可以为深部金属矿整体规划提供技术支撑。但利用有限元数值模拟软件分析深部矿山整体开采过程中应力状态，计算单元多，计算时间长。利用基于边界元算法的Map3D软件可以实现问题的自由度和原始信息量的减少，在确保计算准确度和可靠性的基础上，提高计算效率。该软件已广泛应用于加拿大、澳大利亚、智利、南非等矿山的深部开采中。通过建立深部矿床开采的地质-工程-力学一体化模型[15]，实现深部矿床开采过程全生命周期的力学演化仿真及模拟，构建岩体三维力学环境评价模型;在此基础上，开展开采过程的深部环境动态综合评价与采场浮动优化，集成并建立深部高应力条件下开采动态规划理论与方法，以此实现对深部金属矿开采的整体全过程的规划和把控。
(1)分析了深部开采的战略与战术规划方法，适用于一般深部矿山开采的全生命周期规划，但岩石强度时效性对采矿战术规划有重要的现实意义，未来有必要结合矿山实例进行相关研究。
(2)正“V”型及倒“V”型采矿顺序应用于深部均未能兼顾“改善应力状态”与“获取最大净现值”，理想的四周型开采顺序不失为一种兼顾的采矿布局，但采场应力状态及采矿工程布置方法等还需进一步探讨。
(3)整体规划中计算模型的应力预测与校准对于提高计算结果的可信度，预测高危险区域有重要意义。
(4)在深部矿山开采规划中充分考虑高应力环境的工程影响，如何将高应力环境及其随开采过程的演变规律完全融入到开采规划中，还需开展进一步研究工作。
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