露天开采隐患空区激光三维探测、可视化研究及其稳定性分析.pdf

分类号U D C 博士学位论文 密级 露天开采隐患空区激光三维探测、可视化研究 及其稳定性分析 S T U D YO F3 DL A S E RS CA N N I N GV I S U A L I Z A T I O NA N D A N A IY S I SO FT H ES T A B I L I T YO FH A Z A R D O U SC A ⅥT Y U N D E RO P E N ．P I T Ⅳ咖 者姓名 科专业 院 导教师 合导师口可岁‘I o 刘科伟 采矿工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 郝洪教授 澳大利亚西澳大学 论文答辩日期至 三墨r 答辩委员会主席 中南大学 2o12 年3 月 作学学指联 S T U D YO F3 DL A S E RS C A N N I N G , V I S U 札I Z A T I O NA N D A N A I Y S I SO FT H ES T A B I L I T YO FH A Z A R D O U SC A V I T Y U N D E RO P E N ．P I T ⅣⅡN E Ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e mo ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do ft h ed e g r e e D O C T O R0 FP H I L O S O P H Y f r o m C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I 竹 b y L I UK E W E I s u p e r v i s e db y P r o f e s s o rL I ⅪB I N G H A 0H O N G S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ， C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a410 0 8 3 ，R R ．C h i n a M a r c h ，2 0 1 2 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已在论文中作了明确的说明。 作者签名蜱 吼醴年』月卫日 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。 作者签名脚师 期坦年二月正日 博士学位论文 摘要 摘要 隐患采空区是目前影响多空区矿山，尤其是地下转露天开采矿山 安全生产的主要危害源之一。随着台阶开采的不断剥离，露天开采境 界内各台阶与地下空区群的隔离层厚度越来越薄，随时有可能发生采 空区项板坍塌事故，特别是在台阶爆破荷载作用下，采空区顶板极易 发生动态失稳而危及采场工作人员和大型采掘及运输设备的安全。因 此，对露天开采境界内地下采空区进行精确探测，以采空区可视化数 据为基础合理规划矿区开采，并在探明采空区的基础上对其在地压和 台阶爆破荷载作用下的稳定性进行安全评估，已成为当前多空区露天 矿山生产中厄待解决的问题。 本文针对多空区露天矿山开采境界内采空区赋存的特点和条件， 综合考虑矿山地质、采空区围岩稳固性等，运用现场探测、试验、可 视化建模、数值模拟等方法，采用先进的空区自动激光扫描系统 C ．A L S 、多模块可视化矿业软件S u r p a c 、岩土软件F L A C 3 D 和 A N A S Y S 、动力学数值模拟软件L S ．D Y N A 等一系列数字化工具，紧 密结合“十一五”国家科技支撑计划专题项目“矿井老空区探测与水害 防治关键技术及装备“ ，以河南洛钼集团栾川三道庄露天矿区内下覆 隐患采空区为工程背景，开展了露天开采境界下采空区激光三维探 测、空区群三维可视化、基于C ．A L S 及S u r p a c ．F L A C 3 D 耦合技术的 复杂采空区静力稳定性分析以及露天矿台阶爆破作业下采空区稳定 性数值分析等一系列深入研究，主要研究内容如下 1 针对露天开采境界下隐患采空区对矿区安全生产所形成的威 胁，引进先进的空区激光自动扫描系统 C a v i t yA u t o s c a n n i n gL a s e r S y s t e m ，简称C ．A L S ，对其工作原理进行探究，通过扫描生成高精 度点云数据定位采空区的空间位置，并运用数据处理软件 M o d e l a c e 和V o i d w o r k 生成与采空区实际空间形态一致的采空区三维表面模 型。 2 研究以不规则三角网 T r i a n g u l a rI r r e g u l a rN e t w o r k ，简称T I N 为基础的复杂地质体三维可视化建模技术，并以S u r p a c 软件为平台 制定相应的复杂采空区群露天开采境界三维可视化实施方案。将该方 案应用于三道庄露天矿矿区，建立该矿区内露天开采境界地表、地下 矿体以及复杂采空区群的三维可视化模型，并重点对采空区群内部错 博士学位论文 摘要 综复杂的通透关系进行三维描述。 3 在采用空区激光自动扫描系统 C ．A L S 对复杂采空区进行 激光扫描获得不规则采空区实际空间边界的基础上，运用S u r p a c 软 件进行三维块体模拟，研究S u r p a c 与F L A C 3 D 模型耦合技术，将三维 块体模型数据导入F L A C 3 D 软件中，生成与实际采空区空间分布一致 的数值计算模型，并结合现场实际勘测的围岩物理力学参数，对采空 区进行静力计算，分析采空区的稳定性，提高复杂采空区稳定性计算 的准确性和可靠性。 4 采用现场爆破试验所得数据，通过回归分析，得出应力波质 点震动峰值速度 p e a kp a r t i c l ev e l o c i t y ，简称P P V 及主频的经验衰 减公式，在所得经验衰减公式的基础上发展相应的动力学数值计算模 型用来模拟台阶爆破诱导的应力波传播，并利用实测数据对该模型进 行有效性和准确性验证。随后，进行一系列的数值模拟，同时，结合 目前国外普遍采用的P P V 岩体爆破损伤判据，利用计算所得数值结 果对采空区顶板及围岩在邻近上部台阶爆破作用下的稳定性进行评 估。 关键词露天开采，采空区，空区激光三维探测，三维可视化，数值 模拟，台阶爆破，采空区稳定性分析 I I 博士学位论文 A BS T R A C T H a z a r d o u sc a v i t yc r e a t e db yp r e v i o u su n d e r g r o u n dm i n i n ga c t i v i t i e s u n d e ro p e n ．p i tm i n ec o n s t i t u t e sap o t e n t i a lh a z a r dt oa c t i v em i n i n g o p e r a t i o n s ；e s p e c i a l l yi no p e n p i tm i n ec o n v e r t e df r o mu n d e r g r o u n d m i n e ． D u r i n gt h ep r o c e s so fp e e l i n g o f fo fo v e r l y i n gs t r a t a ，t h et h i c k n e s s b e t w e e np i tb o R o ma n dr o o f so ft h ec a v i t i e si Sb e c o m i n gt h i n n e ra n d t h “A d d i t i o n a l ‘o a d i n g ‘a l s o ‘p o s e db ye n g “ w o r k sd i r e c t l , t h i n n e r ．A d d i t i o n a l l o a d i n gl Sa l s ol m p o s e OO ye n g i n e e r i n gw o r k sm r e c u y o v e rt h ec a v i t i e s ．M o r e o v e r , g r o u n dv i b r a t i o n sa r i s i n gf r o me x c a v m i o n w i t hb e n c hb l a s t i n gc o u l d1 0 0 s e nt h es u p p o r to ft h ew a l l sa n dr o o f so ft h e c a v i t i e s ．T h es t r e s sb yb e n c hb l a s t i n gm a ye x c e e dt h es t r e n g t ho fr o c k m a t e r i a l ，t h u sr e s u l t si nc o v e rc o l l a p s e ．C o l l a p s eo f t h e s ec a v i t i e si m p o s e s ap o t e n t i a lh a z a r dt ow o r k e r sa n dh e a v ye q u i p m e n ti nt h eo p e n p i tm i n e ． T h e r e f o r e ，a c c u r a t es u r v e y so ft h e s ec a v i t i e s ，r e a s o n a b l ep l a n n i n g f o r o p e n ．p i tm i n i n gb a s e do nv i s u a l i z a t i o nd a t aa n de s t i m a t i o no f t h es t a b i l i t y o fu n d e r g r o u n dc a v i t i e su n d e rg r o u n dp r e s s u r eo ri nt h ev i c i n i t yo ft h e b e n c hb l a s t i n ga r ef o r m i d a b l ep r o b l e m s ． B yc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r g r o u n dc a v i t yi no p e n - p i t m i n e ，g e o t e c h n i c a l c o n d i t i o n sa n ds t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k ，t h e m e t h o d ss u c ha sf i e l ds u r v e y , f i e l dt e s t s ，3 Dv i s u a l i z a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dS Of o r t ha r eu s e ds y n t h e t i c a l l yi nt h ep a p e r ．1 1 1 eC a v i t y A u t o ．1 a s e rS c a n n i n gS y s t e m C - h L S ，m i n i n gs o f t w a r eS u r p a c ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o nF l a c 3 D ，A N A S Y Sa n dL S ．D Y N Aa r eu s e df o ri n v e s t i g a t i n g a n de v a l u a t i n gt h es t a b i l i t yo ft h ec a v i t i e si nS a n d a o z h u a n go p e n p i tm i n e s u p p o r t e db yt h ep r o je c t “d e t e c t i o n o fo l dm i n e d - o u ta r e aa n dk e y t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n to fp r e v e n t i o na n dc o n t r o lo f w a t e rd i s a s t e r s ’’ u n d e rt h en a t i o n a l1 1 恤F i v e ．Y e a rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yS u p p o r t i n g P l a no fC h i n a ．C a v i t y3 Dl a s e rs a n n i n g ，3 Dv i s u a l i z a t i o no fc o m p l i c a t e d c a v i t yg r o u pu n d e ro p e n ．p i tm i n e ，n u m e r i c a la n a l y s i so f t h es t a b i l i t yo f c o m p l i c a t e dc a v i t y b a s e do nC ．A L Sa n dc o u p l e dS u r p a c F L A C 川 t e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a la n a l y s i so f t h es t a b i l i t yo fa b a n d o n e dc a v i t i e s i nb e n c hb l a s t i n ga r ec a r r i e do u t ，a n dt h em a i ns t u d yc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ． I I I 博士学位论文A B S T R A C T 1 T h ee x i s t e n c eo fa b a n d o n e dc a v i t i e sc r e a t e db ym i n i n ga c t i v i t i e s c o n s t i t u t e sap o t e n t i a lh a z a r dt oa c t i v ea b o v e g r o u n dm i n i n go p e r a t i o n s ， t h es a f e t yo fw o r k e r sa n dh e a v ye q u i p m e n t ．I nr e s p o n s et ot h i ss i t u a t i o n ， 3 Dl a s e rs c a n n i n gf o rc o m p l i c a t e dc a v i t yw i t hC a v i t yA u t o s c a n n i n g L a s e rS y s t e m C - A L S i sp u tf o r w a r da n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ei sa l s o i n t r o d u c e d ．C a v i t yu n d e ro p e n p i tm i n eC a nb ee x a c t l yl o c a t e db yu s i n g C A L S ，a n dt h ed a t ao ft h ec a v i t yc a nb ep r o c e s s e da n da c c u r a t e l y g e n e r a t e d3 Dg e o l o g i c a lm o d e lo ft h ec a v i t yi nM o d e l a c ea n dV o i d w o r k s o f t w a r e ． 2 3 Dv i s u a l i z a t i o nm o d e l i n gt e c h n o l o g yo f c o m p l i c a t e dg e o l o g i c a l b o d i e sw h i c hi sb a s e do nT r i a n g u l a r I r r e g u l a rN e t w o r k T I N w a s i n t r o d u c e d ，a n dc o r r e s p o n d i n gi m p l e m e n t i n gs c h e m eo f3 Dv i s u a l i z a t i o n o fc o m p l i c a t e dc a v i t yg r o u pu n d e ro p e n p i tl i m i to np l a t f o r mo fS u r p a c s o f t w a r ew a sm a d eo u t ．O nt h ef o u n d a t i o no ff i e l ds u r v e y s ，c o l l e c t i n ga n d s o r t i n gd a t a ，t h e3 Dv i s u a l i z a t i o nm o d e l so fD i g i t a lT e r r a i nM o d e l s D 聊 o f o p e n - p i ts u r f a c e ，o c c u r r e n c es t a t eo fo r eb o d ya n dc o m p l i c a t e dg r a v i t y g r o u p o fS a n d a o z h u a n g o p e n p i tm i n ew e r eg e n e r a t e d ，e s p e c i a l l y , i n t r i c a t et r a n s f i x i o n r e l a t i o n s h i p i n c a v i t yg r o u pw a se m p h a t i c a l l y d e s c r i b e di n3 Dw h i c hC a nb eu s e dt ol o g i c a l l ya n a l y z e j o i n t l yd e s t r u c t i v e e f f e c t ． 3 R e a ls p a c eb o u n d a r yo ft h ei r r e g u l a r l yc a v i t yw a so b t a i n e db y l a s e rs c a n n i n ga n d3 Db l o c km o d e lo ft h es u r r o u n d i n gr o c kw a sm o d e l l e d i nS u r p a cs o f t w a r eb a s e do nt h e3D p o i n tc l o u dd a t ao ft h ec a v i t y ．T h e c o u p l e dS u r p a c - F L A C 儿’t e c h n o l o g yh a sb e e ns t u d i e da n d3 Dm o d e ld a t a w a ss u c c e s s f u l l yc o n v e r t e di n t oF L A C Ⅲs o f t w a r e ．N u m e r i c a la n a l y s i s m o d e lw i t hr e a ls p a c es h a p eo ft h ec a v i t yw a sc r e a t e di nF L A C 3 D ， c o m b i n i n gp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fs u r r o u n d i n gr o c k b a s e do nf i e l dt e s t sa n do t h e rg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，s t a t i cc a l c u l a t i o nW a s p e r f o r m e d ．A c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a lr e s u l t s ，t h es t a b i l i t yo ft h ec a v i t y w a s a n a l y s e dt h r o u g hr e f e r r i n g t Ot h e n e p h o g r a m o fs t r e s sa n d d i s p l a c e m e n to ft h es u r r o u n d i n gr o c k ，a n dt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo f a n a l y s i sr e s u l t sw e r eg r e a t l yi m p r o v e d ． 4 B a s e do nt h ed a t ao fs t r e s sw a v e sm e a s u r e df r o mb e n c h b l a s t i n g t e s t s ，t h es i t e - s p e c i f i ca t t e n u a t i o nr e l a t i o n so fP P Va n d p r i n c i p a l I V 博士学位论文A B S T R A C T 丘e q u e n c yo fs t r e s sw a v e sw e r eo b t a i n e d ．An u m e r i c a lm o d e li st h e n d e v e l o p e d b a s e do nt h e s er e l a t i o n st os i m u l a t et h es t r e s sw a v e p r o p a g a t i o ni n d u c e db yb e n c hb l a s t i n g ．T h ea c c u r a c yo ft h en u m e r i c a l p r e d i c t i o ni sv e r i f i e db yt h ef i e l dm e a s u r e dd a t a ．T h ev e i l f l e dn u m e r i c a l m o d e li Sf u r t h e r m o r eu s e dt op e r f o r l nas e r i e so fs i m u l a t i o n s ．T h e ya r e t h e nu s e dt oa s s e s st h er o o fs t a b i l i t yo fc a v i t i e si na d ja c e n tu p p e rb e n c h b l a s t i n gt o g e t h e rw i t hP P Vd a m a g ec r i t e r i o n ． K e y w o r d s M i n i n gi no p e n p i t ，u n d e r g r o u n dc a v i t Nc a v i t y3Dl a s e r s c a n n i n g ，3 Dv i s u l i z a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，b e n c h b l a s t i n g ，a n a l y s i so f t h es t a b i l i t yo fa b a n d o n e dc a v i t i e s V 博士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．1 露天开采境界下不明采空区探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 露天开采境界下采空区群三维可视化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 1 ．2 ．3 露天开采境界下复杂采空区静力稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 1 ．2 ．4 露天矿台阶爆破作用下采空区稳定性数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 1 ．3 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 第二章露天开采境界下复杂采空区激光三维探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 。l 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．2 空区自动激光扫描系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．2 ．1 空区自动激光扫描系统 C ．A L S 的硬件系统元件⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．2 ．2 空区自动激光扫描系统 C ．A L S 的软件系统元件⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 2 ．3 空区自动激光扫描系统的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 2 ．3 ．1 空区激光三维测量原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 2 ．3 ．2 空区自动激光扫描系统的探测过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 2 ．4 空区自动激光扫描系统在栾川三道庄矿区的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 2 ．4 ．1 矿区背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 2 ．4 ．2 采空区探测成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 2 。5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 第三章露天开采境界下采空区群三维可视化及其应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 3 ．2 矿山地质体三维可视化技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．2 ．1 地质体三维可视化的优越性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 3 ．2 ．2 不规则三角网 T I N 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．2 ．3 基于T I N 的三维表面构模技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 3 ．2 ．4 三维可视化实施流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 3 ．2 ．5S u r p a e 三维实体建模简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 3 - 3 复杂空区群露天开采境界三维可视化应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 博士学位论文目录 3 ．3 ．1 地表模型的生成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 3 ．3 ．2 矿体模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 3 ．3 ．3 空区群模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 3 ．3 ．4 空区群内部通透关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 第四章露天开采境界下复杂采空区静力稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 4 ．2 分析模型的构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 4 ．2 ．1 构模思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 4 ．2 ．2C ．A L S 探测结果与S u r p a c 耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 4 ．2 ．3S u r p a c 与F L A C 3 D 耦合技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 4 ．2 ．4F L A C 3 D 软件及三维拉格朗日快速差分分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 4 ．3 采空区稳定性分析实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 4 ．3 ．1 采空区概况及模型转换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 4 ．3 ．2 围岩力学参数及模型边界条件设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 4 ．3 ．3 初始平衡状态计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 4 ．3 ．4 位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 4 ．3 ．5 应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 第五章下覆采空区露天矿台阶爆破反演设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 5 ．2 台阶爆破试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 5 ．2 ．1 实验设计及岩体力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 5 ．2 ．2 爆破试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 4 5 ．3 台阶爆破反演设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 5 ．3 ．1 几何模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 8 5 ．3 ．2 爆破荷载输入方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 9 5 ．3 ．3 数值计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 4 5 ．4 数值计算模型验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 6 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 7 第六章露天矿台阶爆破作业下采空区稳定性数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 8 6 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 8 6 ．2P P V 破坏准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 8 6 ．3 采空区稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 9 博士学位论文 目录 6 ．3 ．1 岩体表面应力波传播⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 9 6 ．3 ．2 采空区稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 4 6 ．3 ．3 最小安全距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 9 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 1 第七章全文结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 7 ．1 全文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 2 7 ．2 下一步研究工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 6 致谓十⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 0 公开发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 引言 在矿产资源开采过程中，应用房柱法、全面法及留矿法等空场类方法采矿， 通常会形成大量的地下采空区【l J ，此外，由于历史原因，我国矿产资源在开发过 程中一度较为混乱，特别是自2 0 世纪8 0 年代，曾出现集体、个人进入矿区大肆 掠夺资源的现象，为节省成本，只采富矿，采后亦不回填，不但浪费了宝贵的矿 产资源，而且在矿山周边留下了大量的不明采空区。随着矿产品需求的不断增加， 目前浅部矿产资源日趋枯竭，矿山不断向深部开采，而上述由于历史原因所遗留 下来的采空区多年来由于受自重、风化及爆破振动等作用，矿柱变形破坏，岩层 稳固性逐渐下降，致使矿山开采条件恶化，在强大的地压作用下，由采空区顶板 坍塌、冒落引发的事故时有发生。例如，2 0 0 1 年5 月1 8 日凌晨3 时3 0 分，广 西合浦县恒大石膏矿发生重大冒顶事故，造成2 9 人死亡，该矿曾于1 9 9 9 年9 月 1 日至2 0 0 1 年4 月2 1 日发生过4 次冒顶事故，造成5 人死亡；2 0 0 1 年7 月1 7 日，广西南丹拉甲坡矿发生采空区透水事故，造成8 1 人死亡，广西自治区“7 ．1 7 ” 调查组抢险队员下井进行搜索时，发现地底矿脉处已被打得千疮百孔，各条矿道 纵横交错，“像蜂窝一样”。2 0 0 5 年1 1 月6 日1 9 时3 6 分许，河北省邢台县尚汪 庄矿区的康立、林旺、太行石膏矿发生特大坍塌事故，大面积采空区顶板冒落， 地表塌陷，造成3 3 人死亡，3 8 人受伤，井下4 人失踪，直接经济损失达7 7 4 万 元，本次事故发生的原因除违规开采外，主要是由于尚汪庄矿区历经十多年的地 下开采，积累了大量未经处理的采空区，形成极大的安全隐患。2 0 0 6 年8 月1 9 日18 时3 0 分左右，湖南省石门县蒙泉镇天子岗村天德石膏矿老采空区突然发生 大面积整体垮塌 如图1