地面控制的主要目標是保持岩石和土壤的安全挖掘（術語 地層控制 斜坡管理 也分別用於地下礦山和露天礦山）。 地面控制還在土木工程項目中找到許多應用，例如隧道、水力發電廠和核廢料儲存庫。 它被定義為岩石力學在日常採礦中的實際應用。 美國岩石力學全國委員會提出瞭如下定義：“岩石力學是研究岩石和岩體力學行為的理論和應用科學； 它是力學的一個分支，研究岩石和岩體對其物理環境的力場的反應”。
岩體表現出極其複雜的行為，自 1950 年代以來，岩石力學和地面控制一直是全世界大量基礎和應用研究的主題。 在許多方面，地面控制與其說是一門科學，不如說是一門手藝。 地面控制需要了解構造地質學、岩石特性、地下水和地面應力狀態以及這些因素如何相互作用。 工具包括現場調查和岩石測試的方法、盡量減少爆破對岩體造成的破壞的措施、設計技術的應用、監測和地面支持。 近年來，岩石力學和地面控制方面發生了一些重要的發展，包括礦山設計的經驗設計和計算機分析技術的發展，各種地面監測儀器的引入和廣泛使用以及專用地面支持工具的開發和技術。 許多采礦作業都設有配備專業工程師和技術人員的地面控制部門。
地下開口比岩石或土壤斜坡更難創建和維護，因此地下礦山通常必須比露天礦山和採石場投入更多的資源和設計工作來進行地面控制。 在收縮和挖填等傳統地下採礦方法中，工人直接暴露在礦區可能不穩定的地面上。 在大批量採礦方法中，例如爆破孔回採，工人不會進入礦區。 在過去的幾十年裡，有一種從選擇性方法轉向批量方法的趨勢。
接地故障類型
岩石結構和岩石應力是礦山失穩的重要原因。
特定的岩體由完整的岩石和任意數量的岩石結構或結構不連續性組成。 岩石結構的主要類型包括層理面（分隔各個地層的分隔面）、褶皺（岩層中的彎曲）、斷層（發生運動的裂縫）、堤壩（火成岩的板狀侵入）和節理（地質斷裂）沒有可見位移的原點）。 結構不連續性的以下特性會影響岩體的工程行為：方向、間距、持久性、粗糙度、孔隙和填充材料的存在。 工程師和地質學家收集相關結構信息是採礦作業地面控製程序的重要組成部分。 現在可以使用複雜的計算機程序來分析地表或地下礦井中的結構數據以及楔形物的幾何形狀和穩定性。
岩石中的應力也會導致礦井不穩定； 了解岩體的應力-應變行為對於合理的工程設計至關重要。 對取自鑽芯的圓柱形岩石樣本進行實驗室測試可以提供有關完整岩石的有用強度和變形信息； 不同類型的岩石表現不同，從鹽的塑性行為到許多堅硬岩石的彈性、脆性行為。 節理將極大地影響整個岩體的強度和變形能力。
露天礦山和採石場有一些常見的岩石邊坡破壞類型。 滑塊破壞模式發生在沿一個或多個岩石結構發生運動的情況下（平面剪切、階梯路徑、楔形、階梯楔形或平板破壞）； 旋轉剪切破壞可能發生在土壤或軟岩體邊坡中； 其他失效模式包括由陡峭傾斜結構形成的塊體傾倒和散開（例如，塊體因凍融或雨水移動）。
主要的邊坡失穩可能是災難性的，儘管從操作的角度來看邊坡失穩並不一定意味著邊坡失穩。 個別工作台的穩定性通常是操作更直接的關注點，因為故障可能會在幾乎沒有警告的情況下發生，並可能造成人員傷亡和設備損壞。
在地下礦井中，不穩定可能是由於結構不穩定導致的岩塊移動和坍塌，由於高岩石應力條件導致開口周圍岩石破裂，應力引起的岩石破裂和結構失穩的組合以及引起的失穩由岩爆。 岩石結構可以影響地下採礦方法的選擇和採礦佈置的設計，因為它可以控制穩定的開挖跨度、支持需求能力和沈降。 深部岩石承受由上覆地層的重量和構造起源的應力產生的應力，並且水平應力通常大於垂直應力。 在採礦開始之前，可以使用儀器來確定地下的應力水平。 開挖礦洞時，洞口周圍的應力場會發生變化，並可能超過岩體的強度，從而導致失穩。
還有各種類型的故障，這些故障在地下硬岩礦山中很常見。 在低應力水平下，故障主要受結構控制，楔塊或塊從屋頂掉落或滑出開口壁。 這些楔形或塊狀結構由相交的結構間斷形成。 除非支撐鬆動的楔子或塊，否則故障會繼續發生，直到開口自然拱起。 在分層礦床中，床層分離和破壞可能沿著層理平面發生。 在高應力水平下，在具有少量節理的大塊岩體的情況下，破壞包括脆性剝落和板裂，對於重節理的岩體，破壞包括更具延展性的破壞類型。
岩爆可定義為以突然或猛烈的方式發生並與地震事件相關的開挖損壞。 已經確定了各種岩爆破壞機制，即由於開口周圍的破裂而導致的岩石膨脹或屈曲、地震引起的岩石墜落以及由於來自遠程震源的能量轉移而導致的岩石彈射。 由於高岩石應力和大量壓縮甲烷或二氧化碳，一些煤礦、鹽礦和其他礦山會發生災難性的岩石和瓦斯突出。 在採石場和露天礦山中，岩石地面的突然彎曲和起伏也時有發生。 一些國家對岩爆的成因和可能的緩解措施進行了大量研究。 減少岩爆的技術包括改變形狀、方向和提取順序，使用一種稱為去應力爆破的技術，堅硬的礦井回填以及使用專門的支撐系統。 儘管目前對岩爆的預測仍然不可靠，但先進的局部或全礦地震監測系統可以幫助識別和分析震源機制。
在加拿大安大略省，高度機械化的採礦業中近三分之一的地下致命傷害是由落石和岩爆造成的； 1986-1995 年期間，岩崩和岩爆造成的死亡頻率為每 0.014 200,000 小時地下工作 XNUMX 人。 在機械化程度較低的地下採礦業，或地面支護未廣泛使用的地方，由於地面塌陷和岩爆而造成的傷害和死亡頻率可能會高得多。 露天礦山和採石場的地面控制相關安全記錄通常優於地下礦山。
設計方法
地下基坑設計是對基坑和岩柱的位置、大小和形狀、開採順序和支護系統的應用等進行工程決策的過程。 在露天礦山中，必須為礦坑的每個部分選擇最佳傾斜角度，以及其他設計方面和斜坡支撐。 礦山設計是一個動態過程，隨著在採礦過程中通過觀察和監測獲得更多信息，該過程會不斷更新和完善。 通常使用經驗、觀察和分析設計方法。
經驗方法 通常使用岩體分類系統（已經開發了幾個這樣的方案，例如岩體系統和岩石隧道質量指數），並輔以基於公認實踐知識的設計建議。 一些經驗設計技術已被成功應用，例如用於露天採場設計的穩定性圖法。
觀察方法 依靠挖掘過程中地面運動的實際監測來檢測可測量的不穩定性，並依靠地面支撐相互作用的分析。 這種方法的例子包括新奧隧道法和收斂限制法。
分析方法 利用開口周圍的應力和變形分析。 一些最早的應力分析技術利用封閉形式的數學解決方案或光彈性模型，但由於大多數地下開挖的複雜三維形狀，它們的應用受到限制。 最近開發了許多基於計算機的數值方法。 這些方法提供了獲得礦井開口周圍岩石中的應力、位移和破壞問題的近似解的方法。
最近的改進包括引入三維模型、模擬結構不連續性和岩石支撐相互作用的能力以及用戶友好圖形界面的可用性。 儘管存在局限性，但數值模型可以提供對複雜岩石行為的真實見解。
上述三種方法應被視為地下開挖設計統一方法的重要組成部分，而不是獨立的技術。 設計工程師應準備好使用一系列工具，並在可用信息的數量和質量需要時重新評估設計策略。
鑽爆控制
對岩石爆破的一個特別關注是它對緊鄰開挖處的岩石的影響。 由於爆破設計或鑽孔程序不當，可能會在近場岩石中產生強烈的局部破裂和互鎖、連接組件的完整性破壞。 將爆破能量傳輸到遠場可能會引起更廣泛的破壞，這可能會引發礦井結構的不穩定。
爆破結果受岩石類型、應力狀態、構造地質和水的存在的影響。 盡量減少爆炸破壞的措施包括正確選擇炸藥、使用周邊爆破技術，如預裂爆破（平行、緊密間隔的孔，這將定義挖掘周界）、去耦裝藥（炸藥的直徑小於炮眼），延遲時間和緩沖孔。 鑽孔的幾何形狀會影響壁控爆破的成功率； 必須仔細控制孔圖案和對齊方式。
通常對爆破振動進行監測以優化爆破模式並避免損壞岩體。 已經制定了經驗性損傷爆炸損傷標準。 爆破監測設備包括地面安裝或井下傳感器、通向放大系統的電纜和數字記錄器。 通過開髮用於預測爆破性能的計算機模型改進了爆破設計，包括爆破性能、渣土剖面和砲孔後的裂紋穿透。 這些模型的輸入數據包括開挖、鑽孔和裝載模式的幾何形狀、炸藥的爆炸特性和岩石的動態特性。
挖掘的屋頂和牆壁的縮放
結垢是從挖掘的屋頂和牆壁上去除鬆散的岩石板。 它可以用鋼或鋁縮放棒手動執行，也可以使用機械縮放機執行。 手動縮放時，礦工通過敲擊頂部來檢查岩石的穩固性； 類似鼓聲的聲音通常表示地面鬆動，應該用欄杆固定。 礦工必須遵守嚴格的規則，以避免在縮放時受傷（例如，從良好的地面縮放到未檢查的地面，保持良好的立足點和清晰的撤退區域，並確保縮放的岩石有一個合適的地方落下）。 手動縮放需要相當大的體力，並且可能是一項高風險活動。 例如，在加拿大安大略省，三分之一的岩石墜落傷害是在攀爬時發生的。
在可伸縮吊桿上使用籃子以便礦工可以手動攀登高背會引入額外的安全隱患，例如落石可能會翻倒攀爬平台。 機械縮放鑽機現在在許多大型採礦作業中很常見。 縮放單元由安裝在旋轉臂上的重型液壓破碎錘、刮板或衝擊鎚組成，旋轉臂又連接到移動底盤上。
地面支援
地面支撐的主要目的是幫助岩體支撐自身。 在岩石加固中，錨桿安裝在岩體中。 在岩石支撐中，例如由鋼或木組提供的支撐，外部支撐被提供給岩體。 地面支撐技術尚未廣泛應用於露天採礦和採石，部分原因是最終礦坑幾何形狀的不確定性，部分原因是對腐蝕的擔憂。 世界範圍內有各種各樣的錨桿支護系統。 選擇特定係統時要考慮的因素包括地麵條件、開挖的計劃使用壽命、安裝的難易程度、可用性和成本。
機械錨固錨桿由膨脹殼（可提供多種設計以適應不同岩石類型）、鋼錨桿（螺紋或鍛造頭）和麵板組成。 膨脹殼通常由可鍛鑄鐵製成的帶齒刀片組成，在螺栓的一端帶有螺紋的錐形楔。 當螺栓在孔內旋轉時，錐體被壓入葉片並將它們壓在鑽孔壁上。 隨著螺栓上的張力增加，膨脹殼增加了對岩石的抓地力。 提供各種長度的螺栓以及一系列附件。 機械錨固錨桿相對便宜，因此最廣泛用於地下礦井的短期支護。
灌漿定位銷由一根帶肋的鋼筋組成，該鋼筋插入鑽孔中並在其全長范圍內與岩石粘合，為岩體提供長期加固。 使用了幾種類型的水泥和聚酯樹脂灌漿。 可以通過泵送或使用藥筒將灌漿放入鑽孔中，既快捷又方便。 可提供各種直徑的鋼和玻璃纖維銷釘，螺栓可以鬆開或張緊。
摩擦穩定器通常由沿其整個長度開槽的鋼管組成，當將其打入尺寸稍小的鑽孔時，會壓縮並在鋼管與岩石之間產生摩擦。 鑽孔直徑必須控制在緊密公差範圍內，該螺栓才能有效。
Swellex 錨桿由一根漸開線鋼管組成，該鋼管插入鑽孔中並使用便攜式泵通過液壓膨脹。 可提供各種類型和長度的 Swellex 管。
經常安裝灌漿錨索以控制塌方和穩定地下採場頂板和牆壁。 通常使用波特蘭水泥基灌漿，而電纜的幾何形狀和安裝程序各不相同。 在礦山中也發現了大容量鋼筋和岩石錨，以及其他螺栓類型，例如管狀可灌漿機械錨固螺栓。
由編織或焊接鋼絲製成的鋼帶或網通常安裝在洞口的頂部或牆壁上，以支撐螺栓之間的岩石。
採礦作業應制定質量控制計劃，其中可包括各種現場測試，以確保地面支持有效。 地面支撐安裝不當可能是由於設計不當（未能根據地麵條件選擇正確的地面支撐類型、長度或樣式）、不合標準的地面支撐材料（由製造商提供或在搬運過程中損壞或由於儲存條件而損壞）在礦場）、安裝缺陷（設備缺陷、安裝時間不當、岩石表面準備不充分、工作人員培訓不足或未遵循規定程序）、在設計階段無法預見的採礦引起的影響（應力變化、應力或爆炸引起的斷裂/剝落、接頭鬆弛或岩爆）或礦山設計變更（開挖幾何形狀的變化或使用壽命比最初預期的更長）。
加固或支撐岩體的行為仍未完全了解。 已經制定了經驗法則、基於岩體分類系統和計算機程序的經驗設計指南。 然而，特定設計的成功在很大程度上依賴於地面控制工程師的知識和經驗。 質量好的岩體，幾乎沒有結構不連續性和使用壽命有限的小開口，可能需要很少或不需要支撐。 然而，在這種情況下，可能需要在選定位置使用錨桿來穩定已被確定為可能不穩定的塊體。 在許多礦山，錨桿支護是在規則的網格上系統地安裝錨桿以穩定頂板或牆壁，通常指定用於所有挖掘。 在任何情況下，礦工和監管人員都必須有足夠的經驗來識別可能需要額外支持的領域。
最古老和最簡單的支撐形式是木柱； 在不穩定的地面上採礦時，有時會安裝木材支柱和支架。 鋼拱和鋼架是用於支撐隧道或道路的高承載能力元件。 在地下礦山中，礦山回填物提供額外且重要的地面支撐，回填物可由廢石、沙子或磨礦尾礦和膠結劑組成。 回填用於填充地下採礦產生的空隙。 在其眾多功能中，回填有助於防止大規模破壞、限制並從而為岩柱提供殘餘強度、允許傳遞岩石應力、幫助減少地表沉降、允許最大程度的礦石回收並在某些採礦方法中提供工作平台。
許多礦山的一項相對較新的創新是使用 噴射混凝土，這是在岩石表面噴灑的混凝土。 它可以在沒有其他形式支撐的情況下直接應用於岩石，也可以噴灑在網狀物和錨桿上，形成綜合支撐系統的一部分。 可以添加鋼纖維以及其他外加劑和混合設計以賦予特定性能。 存在兩種不同的噴射混凝土工藝，稱為乾混和濕混。 噴漿混凝土在礦山中有許多應用，包括穩定岩石表面，否則這些岩石表面會因為緊密接合而破裂。 在露天礦中，噴射混凝土也已成功用於穩定漸進式脫開故障。 其他最近的創新包括在地下礦井中使用聚氨酯噴塗襯裡。
為了在岩爆期間有效發揮作用，支撐系統必須具備某些重要特性，包括變形和能量吸收。 岩爆條件下的支撐選擇是幾個國家正在進行的研究課題，並且已經制定了新的設計建議。
在小型地下開口中，手動地面支撐安裝通常使用塞鑽來完成。 在較大的挖掘中，可以使用半機械化設備（機械化鑽孔和用於錨桿安裝的手動設備）和全機械化設備（機械化鑽孔和錨桿安裝由位於螺栓頂板下的操作員面板控制）。 手動地面支持安裝是一項高風險活動。 例如，在加拿大安大略省，1986 年至 1995 年期間岩石墜落造成的所有傷害中有三分之一發生在安裝錨桿時，而所有地下傷害中有 8% 發生在安裝錨桿時。
其他危害包括水泥漿或樹脂可能濺入眼睛、化學品溢出引起的過敏反應和疲勞。 通過使用機械化錨桿機，可以更安全、更高效地安裝大量錨桿。
地面狀況監測
可能出於多種原因對礦山地面狀況進行監測，包括獲取礦山設計所需的數據，例如岩體變形能力或岩石應力； 驗證設計數據和假設，從而允許校準計算機模型和調整採礦方法以提高穩定性； 評估現有地面支持的有效性，並可能指導安裝額外的支持； 和警告潛在的接地故障。
地面狀況的監測可以通過目測或借助專業儀器進行。 必須仔細進行地表和地下檢查，必要時在高強度檢查燈的協助下進行； 礦工、監督員、工程師和地質學家在進行定期檢查方面都可以發揮重要作用。
礦山地麵條件變化的視覺或聽覺跡象包括但不限於金剛石鑽芯的狀況、岩石類型之間的接觸、鼓狀地面、結構特徵的存在、地面支撐的明顯負載、底板隆起、新裂縫在牆壁或屋頂、地下水和柱子故障上。 礦工通常依靠簡單的儀器（例如裂縫中的木楔）來提供頂板移動發生的視覺警告。
規劃和實施監測系統涉及確定計劃的目的和要監測的變量、確定所需的測量精度、選擇和安裝設備以及確定觀察頻率和數據呈現方式。 監控設備應由有經驗的人員安裝。 儀器的簡單性、冗餘性和可靠性是重要的考慮因素。 設計者應確定什麼對安全或穩定性構成威脅。 這應包括在超過這些警告級別的情況下準備應急計劃。
監控系統的組件包括一個傳感器，它響應被監控變量的變化； 傳輸系統，使用桿、電纜、液壓線或無線電遙測線將傳感器輸出傳輸到讀出位置； 讀數裝置（例如，千分錶、壓力表、萬用表或數字顯示器）； 和記錄/處理單元（例如，錄音機、數據記錄器或微型計算機）。
存在多種儀器操作模式，即：
- 機械的： 通常提供最簡單、最便宜和最可靠的檢測、傳輸和讀出方法。 機械移動探測器使用一根鋼棒或鋼帶，一端固定在岩石上，另一端與千分錶或電氣系統接觸。 機械系統的主要缺點是它們不適合遠程讀取或連續記錄。
- 光學的： 用於建立開挖剖面、測量開挖邊界移動和監測表面沉降的常規、精確和攝影測量方法。
- 液壓和氣動： 用於測量水壓、支撐負載等的隔膜傳感器。 測量的量是作用在由金屬、橡膠或塑料製成的柔性隔膜一側的流體壓力。
- 電氣： 礦山中最常用的儀器模式，儘管機械系統仍廣泛用於位移監測。 電氣系統根據電阻應變計、振弦和自感這三個原理之一運行。
最常監測的變量包括運動（使用測量方法、地面設備，如裂縫測量儀和捲尺引伸計、鑽孔設備，如桿式引伸計或測斜儀）； 岩石應力（絕對應力或來自鑽孔裝置的應力變化）； 地面支撐裝置（例如稱重傳感器）上的壓力、負載和應變； 地震事件和爆炸振動。