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复杂采空区稳定性及近区开采安全性研究

作　者: 彭欣
导　师: 李夕兵
学　校: 中南大学
专　业: 采矿工程
关键词: 采空区稳定性近区开采安全预警
分类号: TD32
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

大宝山矿采空区体积大、数量多且形状复杂,严重威胁了矿区生产安全。为实现大宝山矿采空区近区安全开采,有必要研究采空区探测技术,对采空区群环境下的关键岩体结构(空区顶板和矿柱)稳定性进行分析,探讨采用何种强度的充填体处理采空区,如何实现采空区近区安全开采,并建立采空区近区开采的岩体稳定性安全预警系统。本文主要研究内容如下:针对大宝山矿采空区特征,采用激发极化电法和激光探测技术对大宝山矿区采空区群进行地表宏观识别和地下精确成像,共计探测地下采空区体积180多万m~3,这些探测结果为采空区稳定性分析和空区充填处理提供了基础数据。综合采用结构力学、鲁佩涅伊特法、荷载传递线交汇法、厚跨比法、长宽比梁板法、有限元数值模拟法等对采空区顶板安全性和合理厚度进行了分析,确定了采空区顶板的安全厚度。利用数值方法分析了爆破震动等动载荷扰动下的空区矿柱动力响应特征,为认识空区矿柱的力学规律和破坏防护提供了理论依据。建立了塌陷区废石与围岩耦合作用力学模型,对大宝山矿区塌陷区域稳定性进行了研究。通过对尾砂胶结充填体强度试验得出了不同配比的胶结充填体损伤破坏规律,首次采用突变理论研究了充填体与岩体的合理匹配,研究结果表明,大宝山矿采空区充填时,最低充填体强度确定为0.5MPa比较合理。对塌陷区近区安全开采建立了力学分析模型,用可靠性理论研究了合理矿柱尺寸,根据研究结果并结合大宝山矿井下开拓情况,对于大宝山矿576采空区以北矿体的安全开采,开采中段高度在70m的条件下,矿柱宽度为12m比较合理。采用极限平衡分析法,建立了胶结充填体力学计算模型,对于不同开采技术条件下充填体力学规律进行了深入研究。研究结果显示,大宝山矿采空区用配比1:10的充填体能满足近区安全开采技术要求,充填体暴露面积宜控制在3500m~2以内。对大宝山矿岩石试件加载及破坏过程的声发射进行了试验,采用混沌理论研究了岩体声发射活动规律。研究结果表明,岩体破坏之前AE出现反常,声发射能率、大事件率急剧减少,混沌吸引子D值减小,岩体出现破坏的前兆特征。采用混沌与神经网络相结合的方法建立了大宝山矿采空区近区开采岩体稳定性智能预警系统。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 引言  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-18
    1.2.1 采空区探测  13-14
    1.2.2 采空区稳定性分析与治理研究  14-16
    1.2.3 采空区近区安全开采与力学机理研究  16-18
  1.3 本文主要研究内容  18-19
第二章大范围采空区群探测与成像  19-38
  2.1 地下采空区群的形成过程与特点  19-23
    2.1.1 采空区(群)的形成过程  19-20
    2.1.2 采空区的分类  20-22
    2.1.3 采空区(群)的特点  22-23
  2.2 采空区群的电法地表探测与宏观识别  23-30
    2.2.1 工作原理与程序  24-25
    2.2.2 工作装置与工程布置  25-27
    2.2.3 典型探测结果与空区识别  27-30
  2.3 重要采空区激光扫描与三维成像  30-34
    2.3.1 激光探测技术  30-31
    2.3.2 空区信息的扫描收集  31-32
    2.3.3 空区三维形态的立体成像  32-34
  2.4 大宝山矿区采空区群统计  34-37
  2.5 本章小结  37-38
第三章空区群环境下关键岩体稳定性分析  38-74
  3.1 采空区顶板稳定性分析  38-54
    3.1.1 结构力学法  39-41
    3.1.2 鲁佩涅依特理论计算法  41-46
    3.1.3 荷载传递交汇线法  46-47
    3.1.4 厚跨比法  47-48
    3.1.5 普氏拱法  48-50
    3.1.6 长宽比梁板法  50-51
    3.1.7 有限元数值模拟法  51-53
    3.1.8 采空区顶板稳定的综合评判与合理厚度的确定  53-54
  3.2 空区中矿柱的动力响应  54-70
    3.2.1 数值模型与参数  54-55
    3.2.2 计算方案  55
    3.2.3 数值计算结果及分析  55-70
  3.3 塌陷区废石对邻近结构的影响分析  70-73
    3.3.1 塌陷区废石对邻近结构的力学作用  71
    3.3.2 塌陷区废石与围岩的祸合稳定分析  71-73
  3.4 本章小结  73-74
第四章胶结充填强度试验及与采空区岩体的匹配研究  74-90
  4.1 前言  74-75
  4.2 尾砂胶结充填体力学试验  75-76
    4.2.1 尾砂物理力学参数测试  75
    4.2.2 尾砂胶结充填体力学试验  75-76
  4.3 尾砂胶结充填体损伤模型建立  76-83
    4.3.1 损伤力学的研究方法  76-77
    4.3.2 充填体损伤模型探讨  77-80
    4.3.3 尾砂胶结充填体损伤模型建立  80-83
  4.4 尾砂胶结充填体损伤规律分析  83-85
    4.4.1 不同配比充填体损伤规律  83-84
    4.4.2 损伤特性下充填体变形的能量分析  84-85
  4.5 尾砂充填体损伤灾变及与采空区岩体匹配分析  85-89
    4.5.1 力学模型  85
    4.5.2 充填体破坏灾变分析  85-87
    4.5.3 充填体与采空区岩体匹配分析  87-88
    4.5.4 大宝山矿采空区充填强度设计  88-89
  4.6 本章小结  89-90
第五章充填体环境下采空区近区安全开采可靠性研究  90-108
  5.1 前言  90
  5.2 塌陷区近区安全开采可靠性力学分析  90-101
    5.2.1 塌陷区近区开采力学模型  90-91
    5.2.2 矿柱顶部受力分析  91
    5.2.3 矿柱力学分析模型  91-94
    5.2.4 塌陷区近区开采矿柱力学分析  94-97
    5.2.5 塌陷区近区开采矿柱可靠性分析  97-100
    5.2.6 塌陷区近区开采矿柱合理尺寸研究  100-101
  5.3 充填区域近区安全开采可靠性分析  101-107
    5.3.1 充填体与岩体相互作用力学分析  101-103
    5.3.2 充填体极限平衡力学分析  103-105
    5.3.3 充填区域近区开采胶结充填体可靠性分析  105-107
  5.4 本章小结  107-108
第六章采空区近区开采岩体声发射智能预警系统研究  108-124
  6.1 前言  108
  6.2 岩体声发射规律混沌研究原理  108-112
    6.2.1 声发射特征参数相空间重构  108-110
    6.2.2 岩体声发射特征参数动力系统维数  110-111
    6.2.3 岩体声发射特征参数混沌识别  111-112
  6.3 岩体声发射神经网络智能辨识和预测模型  112-114
    6.3.1 BP神经网络智能辨识模型  112-113
    6.3.2 径向基函数混沌神经网络预测模型  113-114
  6.4 大宝山矿岩体声发射监测及稳定性预警系统研究  114-123
    6.4.1 大宝山矿岩体声发射监测  114-115
    6.4.2 大宝山矿岩体声发射混沌演化规律  115-117
    6.4.3 岩石声发射模拟试验  117-118
    6.4.4 大宝山矿岩体声发射分形维数变化规律  118-119
    6.4.5 大宝山矿岩体声发射神经网络预测  119-121
    6.4.6 岩体稳定性智能辨识  121-122
    6.4.7 大宝山矿岩体稳定性智能预警系统建立  122-123
  6.5 本章小结  123-124
第七章全文结论与展望  124-126
  7.1 全文结论  124-125
  7.2 进一步研究展望  125-126
参考文献  126-141
致谢  141-142
攻读博士学位期间发表的学术论文  142

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