冲击荷载作用下采场底部结构损伤机理研究及应用.pdf

分类号⋯⋯ UDC 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 十南大学 C E N T R A I 。S O U T HI 心『] n 砸R S I T Y 硕士学位论文 论文题目．⋯⋯业毒箍裁雏用．王采扬底部⋯⋯⋯⋯ 结构损伤机理研究及应用 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯采矿王猩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 研究生姓名朱栗宝 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯⋯呈周全一多燃⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ I 吣咖咖咖洲眦咖Ⅲ帆咖 Y 2 19 5 4 17 密级 硕士学位论文 冲击荷载作用下采场底部结构损伤机理研究及应用 T h eD 锄a g eM e c h 趾i s mR e s e a r C ha n dA p p l i c a t i o no f S t o p eB o t t o mS 缸u c t u r eU n d e rI m p a c tL o a d s 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 朱栗宝 采矿工程 资源与安全工程学院 罗周全教授 论文答辩日期一心答辩委员会主席盆边 中南大学 2 0 1 1 年1 1 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签 0 霭c 囊乇 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签 易 霎支多 ≮7 ∑髟么2 导师签 硕士学位论文 摘要 摘要 采场底部结构是地下矿山采场的重要受矿、出矿工程，直接关系 到采场资源的安全、经济和高效回收。本文紧密结合“冬瓜山采空区 激光精密探测技术应用研究”科研课题，综合运用现场探测、理论分 析和数值模拟等手段，探寻冬瓜山铜矿采场底部结构在冲击荷载作用 下损伤破坏机理并提出了相应的防损技术措施，主要研究内容如下 1 针对冬瓜山铜矿因采场底部结构损伤较严重致使大量矿量 残留在采场内难以充分回收的工程实际，采用C M S 和S u r p a c 等数字 化手段，在获取底部结构的损伤信息，构建底部结构损伤的可视化三 维模型的基础上，实现对底部结构损伤的可视化分析，获得了底部结 构损伤的主要类型，完成对采场由于底部结构损伤而导致的难以回收 存留矿量的统计计算。 2 在分析冲击波在岩体中的传播特性的基础上，开展爆落矿 石对采场底部结构主要受矿面的冲击斜入射研究，得出了底部结构的 损伤程度与受矿斜面角取值有关，当角度取值在4 5 。左右时，底部 结构所受到的压剪耦合损伤最大；通过对底部结构动力扰动的力学模 型进行分析，初步揭示了塑性应变能的累积导致底部结构损伤破坏的 冲击动力学机理。 3 运用损伤力学原理，开展了冲击荷载作用下各向异性的弹 塑性岩体损伤演化规律研究，从细观角度揭示了冲击荷载作用下底部 结构岩体损伤演化的机理；运用断裂力学理论，对频繁冲击荷载作用 下岩体的损伤累积及裂纹扩展进行研究，从宏观角度揭示了底部结构 岩体在爆落矿石频繁冲击作用下的动态损伤累积及破坏机理。 4 在冲击荷载作用下采场底部结构损伤机理研究的基础上， 研究提出优化底部结构斜面角和进行锚杆支护的底部结构防损技术 措施，并对防损效果进行了数值模拟验证。结果表明，增大底部结构 斜面角和对底部结构进行锚杆支护可以在一定的程度上减小其所受 的压剪耦合损伤。 本文率先开展采场底部结构的冲击损伤机理研究，初步揭示了采 场底部结构在冲击荷载作用下的损伤规律，提出了采场底部结构防损 技术措施，研究成果对矿山减少采场残留矿量，提高资源回收率，实 现安全、高效资源回收具有重要的现实意义。 硕士学位论文 摘要 关键词采场底部结构，冲击荷载，冲击动力学，损伤断裂，数 值模拟 I I 硕士学位论文 A BS T R A C T 髓eb o 仕o ms t r u 孤鹏o fu n d e r g r o u n ds t o p ei sa l li I l l p o 渤n tp r o j e C t f o ro r e sa C c 印t 访ga n do r e - d r a w 证g ，w h i C hd i r e C t l ya 髓C t st l l eo r e s r e c o V e 巧i 1 1t e m so fs a f ．e 吼e c o n o n l ya n de 硒c i e n c y ．C l o s e l yc o m b i l l e d w i 吐lm ep r o j e C tn 锄e d 砌P 哪矽，泐“D 疗口刀ds 玩咖矿D D 璀r { 弘脚J i z 绷 C D 印e ，．施加c 洲渺小D ，2 泐廊咨纪幽拧D 厶切，，a d o p tt I l ef i e l dm o n i t o 血g ， m e o r e t i c a l 孤a l y s i s 趾dm 腿耐c a ls i I n u l a t i o nc o n l p r e h e n s i V em e 孤st od o r e s e a r C ho nm ed a m a g em e c h a n i s mo fb o t t o ms 协l c t u r e ，a n dt 叮t of ．m d t l l ed 锄a g er e d u c i I 玛m e a s u r e s ．T h em a i l lC o m ∞t sa r ea sf o l l o w s 1 F o rt 1 1 ee n g i l l e e r i l l gp r a c t i c e Ⅱl a ts u b s t a I 】t i a l 锄o u n to fr e s i d u a l o r e sc a u s e db y 吐l es e r i o u sd 锄a g e db o t t o ms 仃u c t u | ．ea r ed i 伍c u nt ob e 允l l yr e C o V e r e d ，a d o p tm ed i g i t a lm e 姐s C M S 孤dS u 印a Ce t C ． t og e tm e d 锄a g ei 1 1 f o 肌a t i o no fb o t t o ms t n J c t u r ea n dc o n s t r u C tt 1 1 r e e ．d i I l l e n s i o n a l V i s u a lm o d e l ；B ya n a l y z i n gm ed 锄a g eo fb o t t o ms t m c t u r e ，m em a i l l d 锄a g e 够p e so fb o t t o ms 勺n J c t u r ew e r eo b t a i l l e d ；D os t a t i s t i c so fr e s i d l l a l O r ．e S ． 2 O nm eb a s i so fa n a l y z m gm es h o C kw a v ep r o p a g a t i o ni I lr o C k m a s s ，c a r 巧o u tt l l er e s e a r C ho nt h ep r o p a g a t i o no fo b l i q u e 洫c i d e n c e c a u s e db yo r e s ，a n dt h e ng e t Ⅱl ec o n c l u s i o nm a t Ⅱl ed 锄a g eo fb o t t o m s t n l c t u r eh a u sr e l a t e dt om e s l o p ea n g l e ，a I l dw h e nm ea n g l ei sa _ b o u t4 5 。， t h ec o I n p r e s s i o n - s h e a rc o u p l m gd 锄a g eg e t sm o s t ；B ya n a l y z i n g 廿l e d y n 锄i cm o d e lo fb o t t o m 蛐m c t u r e ，p r e l i m i I l a 巧r e v e a l e dm ed 锄a g e m e C h a n i s mm a tm ea c c u m u l a t e dp l a s t i cs t r a mc a u s e sm eb o t t o ms 仇J c t u r e d 锄a g e ． 3 U s 访gt h ed 锄a g em e c h a n i c sp r i n c i p l et oc a r 巧o u tt 1 1 er e s e a r c h o nm ed 锄a g ee V o l u t i o no fa n i s o n ．o p i ce l a S t o - p l a S t i cr o c km a s sw h e n u n d e r 证l p a c tl o a d s ，盘．o mm em i c r o s c o p i cV i e wr e V e a l sd 锄a g ee v o l u t i o n l a w o fb o 怕ms 协J c t u r e ；U s i n g 仔a C t u r em e c h a n i c st h e o 巧t od o 廿1 e r e s e a r C ho nm ed a m a g ea c c u m u l a t i o na n dc r a c l 【sd e v e l o p m e n to fr o c k m a L s sw h e nu n d e r6 ．e q u e n ti m p a c tl o a d s ，f b ma m a C r o s c o p i cp e r s p e C t i V e ， r e V e a l st h ed y n 觚l i cd 锄a g ea c c u m u l a t i o na n df a i l u r em e c h a l l i s mo f b o t t o ms t n J c t u r er o c km a S ss u 切e c t e dt o 行e q u e n ti m p a C tl o a d sc a u S e db y b l a s t e do r e s ． I Ⅱ 硕士学位论文 A B S T RA C T 4 B a s e do nt h ea b o V ed 锄a g em e c h a n i s ma n a l y s i so fb o t t o m s t m c t l l r e ，t l l ed 锄a g er e d u c m gm e a s u r e s o p t i m i z e ds l o p ea n g l e ，a J l c h o r s s u p p o r t i l l g w e r ep r o p o s e d ．T h e n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ed o n et o V e r i 矽t h o s em e a s u r e s ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti I l c r e a s em es l o p ea n g l eo f b o t t o ms t m c t u r ea 1 1 du s eb o l t st os u p p o r tt h eb o t t o ms t n J c t u r ec a nr e d u c e t h ec o I n p r e s s i o n s h e a rc o u p l i n gd 锄a g eo fi t ． T h i sm e s i st a k e st 1 1 el e a d 访t h es t o p eb o t t o ms 缸u c t u r ei m p a c t d 锄a g em e c h a n i s ms t u d 弘p r e l i m m a 巧r e V e a l e d 也ed 锄a g em l eo fs t 叩e b o t t o ms t m c t u r ew h i c hs u 巧e c t e dt ot h ei n l p a c tl o a d sa n dp r o p o s e dm e t e d m i c a lm e a s u r e st or e d u c es t o p eb o t t o ms t n l c t u r ed 锄a g e ．R e s e a r c h r e s u l t sf o rr e d u c i n gm i n es t o p er e m n a mo r e ，i m p r o V i n gr e c o V e 巧r a t eo f r e s o u r c e s ，a n da c h i e v i l l gs a f e ，e 伍c i e n tr e s o u r c er e C y c l i I l gh a V ei I l l p o r r t a n t r e a l i s t i cs i 盟i f i c a l l c e ． K E YW O R D S b o t t o ms t I u c t u r eo fs t o p e ，i r n p a c tl o a d s ，硫p a C t d y n 锄i c s ，d 锄a g ea n d 触咖r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n I V 硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。l 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题的由来、研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 冲击动力学及其在岩体中的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 采场底部结构的相关研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．2 ．3 材料损伤破坏的力学研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 第二章采场底部结构实测损伤模型的构建及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．1 ．1 矿床地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．1 ．2 开采技术方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 底部结构受冲击损伤实测模型的建构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．1 数据的采集及处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．2 底部结构受损三维实体模型的构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 基于实测模型的底部结构损伤分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 第三章采场底部结构损伤的冲击动力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．1 岩体的结构特点及力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．1 ．1 岩石的结构特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．1 ．2 岩石的力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．3 岩体的结构特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 硕士学位论文目录 3 ．1 ．4 岩体的力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 冲击波在岩体中的传播特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．1 冲击荷载及应力波⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．2 冲击波在结构体中的传播⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．3 冲击波在缺陷处的传播⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．2 ．3 冲击波在张开裂隙处的传播⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 冲击波斜入射研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．4 冲击过程的能量研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．5 底部结构动力扰动的力学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 9 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 第四章采场底部结构岩体受损的损伤断裂力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．1 基于损伤力学的细观损伤研究⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．1 ．1 损伤的基本物理量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．1 ．2 各向异性的弹塑性损伤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．3 损伤演变与破坏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 基于断裂力学的宏观破坏研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．2 ．1 岩体裂纹的扩展与裂纹群的演化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．2 底部结构的动态损伤累积⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．2 ．3 底部结构的岩体破碎研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 第五章采场底部结构防损措施及其数值验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．s 2 5 ．1 基于冲击波传播理论的底部结构斜面角优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 5 ．1 ．1 采场底部结构斜面角设计影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 ．2 斜面角优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 基于岩体损伤断裂力学的底部结构锚杆防损措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．2 ．1 锚杆支护基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．2 ．2 采场底部锚杆支护的防损分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．2 ．3 锚杆支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 数值模拟验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 1 1 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 课题的由来、研究目的及意义 目前，我国正致力于国民经济建设，而国民经济持续稳定增长在很大程度上 依赖于资源的充足供应。众所周知，矿业是我国国民经济的基础，其为国民经济 各部门提供了大量的原材料 9 5 ％的能源、8 0 ％以上的工业原料和7 0 ％以上的农 业生产资料都来自矿产资源 【} j 。进入2 l 世纪以来，我国工业化进程加快，各部 门对矿产资源的需求强度进入高峰期。尽管国家相关部门已经投入大量的资金用 于矿产行业的相关技术攻关，以提高矿产资源的开采效率，确保生产建设所需要 的原料得到充足供应，然而，我国很多的资源供应仍显不足。例如，我国是全球 铁矿石进口的第一大国，每年进口铁矿石占全球贸易量的4 8 ％，对进口铁矿石的 依存度已达5 1 ．6 6 ％1 2 j 。我国的铁矿石主要来自于巴西淡水河谷公司 C a l e ，澳大 利亚力拓矿业集团 砌o T i n t o 和必和必拓公司 B H PB i l l i t o nL t d 。我国对有色金属 的需求也很大，有色金属原料供应严重不足，尤其是铜、铝、镍的缺口较大，而 且从总体上来讲，对资源进口的依赖程度越来越高【3 】。以有色金属中的钛为例， 据国家海关统计，2 0 0 7 年我国共进口钛矿砂及精矿l2 2 42 9 9 ．0 5 3t ，出口1 47 8 8 ．5 0 8 t ，净进口12 0 95 l O ．5 4 5t ，比2 0 0 6 年的净进口量7 0 2 4 3 0 ．7 5 5t 增长了7 2 ．2 ％州。 矿产资源的进口无疑会给我国经济建设带来一系列问题，例如，矿产资源在 运输过程中的费用问题；过度依赖于进口，一旦国外相关的矿业公司在价格等方 面做出调整将会给我国经济带来巨大的冲击。为此，如何提高我国矿产资源的供 应能力，确保国民经济持续、稳定、快速发展势在必行。 由于长期大规模开采，浅部矿产将近枯竭，现已有9 0 ％的矿山属于地下矿 山，且其中大部分的地下矿山正转向深部开采。地下开采的研究将是我国未来矿 山开采的主要研究方向。然而，地下开采却存在着很多的工程灾害，尤其是深部 开采处于高地压、高地温和高孔隙压力的“三高”问题，以及强烈的采掘扰动使受 采动影响的巷道围岩应力增加数倍的扰动效应等这样的复杂环境。 地下开采采场较露天开采采场布置有了很大的变化，尤其是地下开采中存在 着底部结构的设计。采场底部结构是地下矿山开采的采场重要受矿、出矿工程， 直接关系到采场资源的安全、经济和高效回收。对底部结构的设计需考虑的因素 包括矿床的工程技术条件、矿体产状、矿岩稳固性，资源储量和品位，选用采矿 方法，铲装运输设备，开拓系统等。 当前，地下矿山采场采用的底部结构在实际生产中存在如下问题 硕士学位论文第一章绪论 1 底部结构斜面角设计不合理，导致矿岩不易滑落，残留大量矿石，残 留的矿石不易回收，造成资源损失。图1 ．1 为某堑沟式底部结构由于斜面角设计 不合理而导致存留矿量的示意图。 图1 - 1 存留矿量示意图 2 底部结构斜面在爆落的矿岩频繁冲击下易发生破裂损伤形成凹坑，斜 面的凹坑阻挡了爆落矿岩滑落，从而加大了存留矿量。 3 当底部结构构建在废石中时，底部结构的破坏部分混入矿石中，加大 了矿石的贫化率。 ． 针对如何选用合适的底部结构以及对底部结构参数的研究较多。但是，国内 外对于如何优化底部结构，减小斜面受爆落矿岩冲击损伤和提高出矿效率方面的 研究较少，本论文针对上述问题进行了探索性研究。 安徽铜陵冬瓜山铜矿是我国典型的深井开采矿山 其开采深度达1 0 0 0 m 以 上 ，采用暂留隔离矿柱阶段空场嗣后充填大规模落矿的采矿方法。采场底部结 构为堑沟式底部结构，采场规模大，且底部结构处于矿体之中，由于考虑到经济 和安全问题，矿山不对底部结构三角底柱的矿石进行回收。矿石从采场崩落下来 时对底部结构形成很大的冲击，而矿山的矿体以石英散长岩为主，岩性较脆，也 就是说，底部结构很容易受损破碎并形成凹坑，致使难以回收的残余矿量增多， 造成资源浪费。作者所在课题组在冬瓜山开展的科研项目“冬瓜山空区激光精密 探测技术应用研究’’所获得的实测数据表明，冬瓜山矿因采场底部结构在采矿过 程中受损而导致较多的难以回收的残留矿量。由于底部结构设计不合理或底部结 构破坏造成矿石存留形成的采下损失不容忽视，表1 ．1 为该矿山部分采场因底部 结构存留矿石而造成的矿石损失统计表。 表1 一l 矿山部分采场底部结构存留矿石损失统计表 2 硕士学位论文第一章绪论 从表1 ．1 可以看出，存留矿石损失率最大的高达2 2 ．0 7 ％，其他的也在8 ％以 上。由此可见，造成了很大的资源浪费。因此，对采场底部结构进行优化设计和 研究，最大程度减少采场底部结构存留矿石量，充分回收矿产资源十分必要。 本文针对冬瓜山的具体工程实际，运用C M S c a V 时m o n i t o r i n gs y s t c m 和 s u 印a c 工程软件工具获取采场空区实测模型，构建采场底部结构受损的三维可视 化模型。采用冲击动力学以及损伤断裂力学的理论开展底部结构的损伤机理研 究。在此基础上提出底部结构的防损技术措施，并对其进行数值模拟验证。研究 成果将对矿山采场底部结构设计具有指导意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 冲击动力学及其在岩体中的研究现状 当物体受到的外载荷随着时间迅速变化时称物体受到冲击荷载。当物体某一 局部受到外界物体的冲击时，该部位就会产生一种相应的被迫扰动，而这种扰动 并不只是固定地存在于该部位，其将通过应力波的形式逐渐传播到物体的其它部 位中去。当载荷的作用时间较短且变化较快，而物体的加载方向的尺寸又足够大 时，材料对于外载荷的动态响应就应该通过应力波来研究。实际上，冲击荷载存 在于很多的领域，机械制造中对材料的加工，矿石开采过程中的钻井与爆破，飞 机起飞与下落时对场地的冲击，运行中的火车对路基的冲击以及国防建设的种种 领域等等。由此可见，对物体受冲击荷载而产生的动态响应进行研究具有重大的 实际意义。 实验表明，材料的力学性能与外荷载的应变率有很大的相关性。当应变率提 高时，一般来讲，材料的屈服极限和强度极限会有相应的提高；相反，延伸率会 下降，屈服与断裂将会滞后。通常所说的准静态实验是指应变率在1 0 ～～1 0 。S 。1 量级的实验。一般认为，冲击实验的应变率范围是1 0 2 ～1 0 4S ～，有时候甚至达到 1 0 6S ～。 材料的动态响应和静态响应是不同的，其中一个很重要的不能忽视的因素就 是本构关系和应变率具有很大的相关性。当只考虑材料响应而忽略一些结构的响 应时，可分为弹性的、塑性的、流体力学的这几个范围。当外载荷较强，应力已 经超过了材料强度的几个数量级时可以应用流体动力学的方法，把固体当作可压 缩流体来处理当外载荷应力低于材料屈服点，材料服从胡克定律，表现为线弹 性行为，把物体当作弹性体来处理；当施加的荷载强度增加到一定的程度时，材 料就进入了塑性范围，此时变形与断裂等都变得复杂。材料的响应范围见于表 1 ．2 ． 硕士学位论文第一章绪论冲击动力学的研究始于碰撞问题，并随着力学的发展而逐步发展起来。刚开始研究物体的碰撞时，物体被当作刚体来处理，修正以能量损失的相关因子。应力波理论也是产生于碰撞问题，R a y l e i 曲蝤】在研究圆杆纵向运动中首次考虑了横向惯性效应。最早研究塑性波传播的是H o p k i l l s o n 【引，他以弹塑性波理论为基础设计了霍普金森压杆，这个压杆后来被广泛应用到了测试材料的动态性能。K o l s k 矿q在压杆的基础上加以改进，得到了分离式压杆，随后又有了扭杆装置。二战后，受军事工业的刺激，塑性动力学有了很大的发展。V 0 n _ k a 咖a n 、T a y l o r 和P a 煳匆J 1 H 建立了杆中一维塑性波理论。M a l v e m i 8 j 研究了一维塑性波与应变率相关的模型。在我国，也有一大批学者对动力学进行了比较深入的研究，王礼立p 1系统的介绍了应力波的基础知识，杨桂通【l o l 对塑性动力学进行了深入的探讨，段祝平等【】研究了金属在高应变率下的动力学响应。1 9 6 3 年后，高速弹体力学有了较大的发展，流体动力学理论，超高速撞击动力学等先后创立起来了。随着计算机的发展，动力学的数据计算也有了很大的发展引。人类生活在地球上层的岩石圈，人类的很多活动 例如，矿业生产、交通运输、水利建设等 都给岩石相应的动荷载。尽管关于岩石在静载荷下的特性研究较多，但是关于岩石在冲击荷载下的动态响应研究尚且显得相对不足。目前，对于岩石动态特性的研究主要有三种手段，即实验的方法 主要有霍普金森压杆实验等 、理论分析。 主要结合断裂力学、损伤力学、分形学等理论 、数值模拟 主要有有限差分法、有限元法、离散元法、边界元法、流形元法 o在国外已有的岩石动态特性研究实验中，较为著名的有B o h l o l i 和H o v e n 3 j的巴西盘实验，L u n d b e r g 【1 4 】等研究者的分离式霍普金森压杆实验，1 ’a V a r e s I 巧，璩】的冲击荷载单元实验，酬d i s h ，S t a c e 删，和W h i t t l e s ，K i n g m a I l l l l ；j 落锤实验。近年来；尤其是近二十几年来，我国在岩体受冲击载荷方面的研究上取得了一定的成就。闫长斌等【l9 J 利用F L A C 3 D 数值模拟软件分析了爆破震动对采空区稳定性影响，并根据分析结果提出了避免爆破诱发失稳塌陷的建议。李夕兵l 王堙l J等分析了岩石动静组合加载力学特性和矿山深部高应力矿柱受动力扰动的力学响应，得出了岩体受动力扰动的大小与其所受的初始静载荷有很大的关系。葛涛，王明洋【2 2 】对坚硬岩石在强冲击荷载作用近区的性状进行了研究，得出了侵彻区 硕士学位论文 第一章绪论 近区的速度场表达式，给出了近区应力波的衰减规律。林大能，陈寿如P 3 】对岩 石受循环冲击荷载下的损伤规律进行了研究，得出了岩石受损程度与其受到的围 压大小、冲击次数、荷载冲量存在一定的关系。刘红岩，王贵和【2 4 】利用数值流 形方法讨论了不同节理分布对岩体破坏模式的影响规律，得出了岩体节理的分布 规律对冲击荷载的传播途径有十分重要的影响。许金金，吕晓聪，张军瞄】对岩 石在围压条件下受到循环冲击荷载的能量特性进行了研究，得出了围压条件下岩 石损伤度与累积比能量吸收值的关系式。李廷，席道瑛，徐松林【’6 3 对岩石在动 荷载作用下的非线性弹性响应进行了研究，详细分析了冲击荷载比较低的阶段， 岩石内部应力波的衰减和弥散规律。 1 ．2 ．2 采场底部结构的相关研究现状 目前，采场底部结构的受矿巷道主要采用漏斗式、堑沟式和平底式三种形式。 漏斗式受矿巷道是当前应用最为广泛的受矿巷道，其适用于各种矿石条件，且对 底柱切割较少，稳固性较好。底柱高度取值为8 ～1 5m ，底柱矿石量约占全部矿块 的1 6 ％之O ％。漏斗的形状有方形和圆形，这对于受矿条件没有影响。漏斗间距 为5 ～7 m ，每一个漏斗担负的放矿面积为3 0 ～5 0 m 2 ，漏斗斜面角4 5 。～5 5 。。堑 沟式受矿巷道是将各漏斗沿纵向连通，最终形成一个V 形槽结构，其适用于中 等稳固以上的矿石条件。这种受矿巷道的放矿口宽度约为2 ～3 ．5 m ，漏斗较不易 堵塞，漏斗多为单侧布置。堑沟式受矿巷道的优点是把拉底和扩漏两项作业紧密 结合在一起，这就使得可用上向中深孔同时开凿，从而提高切割工作效率。但是 由于堑沟对底柱的切割较多，导致底柱的稳固性降低。平底式受矿巷道适用于矿 石稳固的条件。其特点是拉底水平与电耙巷道在同一高度，采下的矿石在拉底水 平处形成三角矿堆，、上面矿石借自重经放矿口流入耙道中。放矿口尺寸约为 2 ．5 ～3 m ，通常布置在电耙巷道一侧。当矿石极稳固时，也可以双侧布置放矿口。 这种受矿巷道具有结构简单，采准工作较少，切割工作效率较高，放矿条件好， 底柱矿量小等优点。但采场残留矿堆回收需待下一个阶段回采，且矿石损失与贫 化较大} 2 刀。表1 ．3 为不同底部结构形式的技术经济比较。 现在关于底部结构的研究有很多。周彩【1 鄙对某矿山留矿采矿法的采场底部 结构进行了优选，以减少采切工程，提高回采率、底部装矿效率。王宁，韩志型 E 9 】采用数值模拟的方法，分析了应用自然崩落法开采时某矿区底部结构的稳定 性，得出了矿岩崩落开采时崩落区下方岩层有大范围的拉破坏区和塑性破坏区， 提出了多次让压支护以提高底部结构稳定性的措施。胡小林【 o 】对某矿山底部结 构的设计和应用作了综合评述，指出底部结构的设计应该适应采矿方法。于峰， 张平发，苏金财p l j 通过对某矿山底部结构的设计进行研究，指出了底部结构的 硕士学位论文 第一章绪论 设计对放矿工作的安全和生产成本、矿石的损失与贫化、劳动生产率、采矿工程 量、采矿方法的效率等有较大的影响。阳雨平} 3 2 J 根据某矿山底部结构实际存在 的问题，对漏斗底部结构和堑沟底部结构进行了对比，然后选择了适合该矿山的 底部结构，且运用相关理论对底部结构的参数进行了优化。夏倩【3 习根据安庆铜 矿采场的具体情况对底部结构施工工艺技术作了探讨，最后选择了合理的底部结 构，节约了采矿成本。魏明浩，宋文志，李秋涛等1 3 4 】现场调查了某矿区底部结 构中控制出矿穿脉节理的情况，应用相关的数值模拟软件分析了节理对巷道稳定 性的影响，有效指导了现场的相关支护工作。孟稳权【3 5 】针对某矿山的具体开采 技术条件与采矿方法，比较了堑沟式和平底式两种底部结构，优化选择了适合该 矿山的底部结构，进而为该矿山安全、经济、高效的开采提供了保障。而国外学 者在底部结构的研究也主要是基于放矿理论和相关模拟而对其参数进行相关的 优化选取㈣。 表1 ．3 不同底部结构形式的技术经济比较 f J 综观国内外相关文献，目前关于采场底部结构的研究主要是集中在底部结构 形式及参数的选取等方面，而对于底部结构在采矿中冲击受损致使大量存留矿量 的研究很少。 1 ．2 ．3 材料损伤破坏的力学研究现状 在研究材料的损伤破坏时，一般假设材料内部存在着缺陷，正是这些缺陷的 存在使得材料在受到外界作用的情况下产生损伤破坏。描述材料破坏力学过程的 力学理论主要有两个。一个是损伤力学理论，另一个是断裂力学理论。虽然两个 理论都是研究材料的损伤破坏，但各有侧重。损伤力学侧重于研究微观缺陷对材 料性能的影响以及缺陷的演化规律，断裂力学侧重于研究宏观裂纹的演化和生长 至材料结构破坏的这一个阶段。 1 损伤力学 6 硕士学位论文 第一章绪论 损伤指的是材料或结构等由于本身缺陷的存在，在外载和环境的作用下劣化 的过程。损伤力学是近4 0 年发展起来的连续体力学的一个分支。k a c h 锄o v 在 1 9 5 8 年提出连续度这一概念，紧接着损伤因子为r a I o t I l o v 在1 9 6 3 年提出【3 7 1 。损 伤力学的正式提出是在1 9 7 7 年，由J a I l s o n 与H u l t 等人【3 8 1 。损伤力学是一门研 究含损伤介质材料的性质，以及材料破坏力学过程中的损伤演化规律。材料损伤 的类型有很多，例如弹性损伤、疲劳损伤、蠕变损伤、弹塑性损伤、辐照损伤、 腐蚀损伤等等。 损伤力学有较多分支，其中两个较为主要的分支是连续损伤力学和细观损伤 力学。前者主要是利用连续介质力