露天开采境界内采空区建模、稳定性分析及治理研究.pdf

分类号 U DC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 牢I 初大誓 C E N T RAI ．S o U T HU N M R S I T Y 密级 编号 硕士学位论文 论文题目⋯．霎岙五采燕界内．丞窒匿建撰壑⋯ ⋯⋯．稳室然金折露蕉墨研定⋯⋯． 学科、专业⋯⋯⋯⋯一采砬王焦⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名赵晓昕 导师姓名及 专业技术职务．奎夕基教授 ●■■■■l卜 。o■■■■■■■， ] 、■≯ 治理研究 ㈩I I I I II I l ll l fI III III II { Y 1915 7 81 密级 编号 、稳定性分析及 R e s e a r c hO n3 DM o d e l i n g ，S t a b i l i t yA n dT r e a t m e n t O f C o m p l e x C a v i t i e sU n d e r O p e n - - P i tM i n e 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 赵晓听 采矿工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期三型丝佃答辩委员会主 中南大学 2 0 11 年0 4 月 作者签名，起塑茸 日期旦年兰月皇日 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。 作者签名导师 摘要 采、民采及历史原因，在 矿区露天开采境界内存在大量末处理的采空区。这些采空区由于受 地压、岩石风化及爆破震动的影响，发生了不同程度的坍塌、破坏， 体积与高度也发生了改变，致使残留的多层采空区复杂难辨。露天 开采中，这些形态各异、大小高低不同不规则的采空区，严重威胁 着开采人员与设备的安全。因此，很有必要就目前我国露天矿山所 存在的采空区危害进行包括空区三维可视化、空区稳定性、爆破载 荷对空区稳定性的影响及其空区治理措施等方面的研究。鉴于此， 本文的主要研究内容如下 l 、收集、整理、分析大宝山矿采空区的基本资料，运用 M I D A S ．G T S 软件分别建立地表模型、各中段空区模型以及矿山整体 模型，以期直观地反映出采空区和露天边坡之间的三维空间关系。 2 、建立数值计算简化模型，对台阶动态开挖作用下的空区稳定 性进行分析。通过对空区应力、位移的分析，得出台阶动态开挖对 采空区稳定性的影响。 3 、利用数值方法研究爆破动载荷作用下空区的稳定性。分别研 究爆破载荷的大小、作用位置对空区的位移、速度、加速度的影响， 得出爆破动载荷对空区稳定性的影响规律。 4 、以露天开采境界下的空区为研究对象，根据空区赋存形态、 矿岩稳固条件、空区治理难易程度，对露天空区进行分类；从实际 生产、数值模拟、空区稳定性评判的角度对空区治理与否的标准进 行界定；确定露天采空区治理的原则和治理的有效步骤。 关键词露天开采境界，采空区，稳定性，数值模拟，爆破震动 A B S T R A C T a m o u n to f n i n gb e f o r e s u r f a c em i n i n ga n dp r i v a t em i n i n g ．B e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fg r o u n d p r e s s u r e ，r o c kw e a t h e r i n ga n db l a s t i n gv i b r a t i o n ，m o s to ft h ec a v i t i e s c o l l a p s e di nd i f f e r e n td e g r e e s ．V a r i e ds i z ea n dh e i g h to fc a v i t i e sr e s u l ti n t h ed i f f i c u l t yo ft h ed e t e r m i n a t i o no ft h el o c a t i o na n ds i z eo ft h ec a v i t i e s ． I nt h ep r o g r e s so f m i n i n gi nt h eo p e n p i t ，t h o s ei r r e g u l a rc a v i t i e sw i t h c o m p l e xs h a p eb e c a m eas e r i o u st h r e a tt ot h es a f e t yo fm i n i n gp e r s o n n e l a n de q u i p m e n t ．T h e r e f o r e ，f o rt h eo p e np i t sw i t hc o m p l e xa n d i r r e g u l a r c a v i t i e s ，s o m ek e yp r o b l e m si n c l u d i n g3 Dv i s u a l i z a t i o no fc a v i t i e s ，t h e s t a b i l i t yo fc a v i t i e s ，t h ee f f e c to ft h eb l a s tl o a do nt h ec a v i t ys t a b i l i t y , e f f e c t i v em e a s u r e s o ft h ec a v i t i e st r e a t m e n t ss h o u l db e d e e p l y i n v e s t i g a t e d ．I nt h ev i e wo ft h i s ，t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s 1 、C o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gt h eo r i g i n a ld a t ao ft h e c a v i t i e si nt h eo p e np i t so fD a b a o s h a nM i n e ．B u i l d i n g3Ds o l i dm o d e l s o ft h e s u r f a c e ，c a v i t i e s ，a n dt h em i n i n ga s aw h o l em o d e l b y M I D A S G T Ss o f t w a r e ，S Ot h a tt h et h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c er e l a t i o n s h i p b e t w e e nc a v i t i e sa n dm i n ec a nb eo b t a i n e d ． 2 、A n a l y s i s i n ga n de v a l u a t i n gt h es t a b i l i t yo fc a v i t i e su n d e rt h e a c t i o no ft h es t e pe x c a v a t i o np r o c e s sw i t hs i m p l i f i e dn u m e r i c a lm o d e l ． T h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es t r e s s ，d i s p l a c e m e n t ，p l a s t i cz o n eo ft h e c a v i t i e s ，t h ee f f e c t so fe x c a v a t i o no ft h es t e p so nt h es t a b i l i t yo fc a v i t i e s c a nb eo b t a i n e d ． Ⅱ 中南大学硕十学位论文 A B S T R A C T 3 、I n v e s t i g a t i n gt h es t a b i l i t yo fc a v i t i e su n d e rb l a s tl o a d i n gb y n u m e r i c a lm e t h o d ．T h ee f f e c t so ft h ea m p l i t u d ea n dt h el o c a t i o no fb l a s t l o a d se f f e c to nt h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o no fr o c k sm a s s a r o u n dc a v i t i e sc a nb eo b t a i n e d ． 4 、C a v i t i e su n d e rt h e o p e n p i tl i m i to f D a b a oM i n e ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fo r ea n dr o c k ，t h e d i f f i c u l t y o f t r e a t m e n t ．B y c o n s i d e r i n gt h ea n g l eo ft h ef a c t o r so fa c t u a lp r o d u c t i o n ，t h er e s u l t so f n u m e f i c M s i m u l a t i o n ，a n dt h ee v a l u a t i o no ft h ec a v i t ys t a b i l i t y , a s t a n d a r df o rj u d g i n gw h e t h e rt h ec a v i t i e sn e e dt ob et r e a t m e n ti s p r o p o s e d ．T h ep r i n c i p l e sa n dt h ee f f e c t i v es t e p so ft h ec a v i t i e st r e a t m e n t a r ec o n c l u d e d ． K e y w o r d s o p e n p i tl i m i t ，c a v i t i e s ，s t a b i l i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， b l a s t i n gv i b r a t i o n ⅡI 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．1 三维可视化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．2 采空区稳定性分析与数值模拟研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．3 动载荷对空区稳定性的影响研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 本文研究意义、研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．2 主要研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 第二章露天矿山复杂采空区三维可视化模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 研究的工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2M I D S A ．G T S 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．3 三维可视化建模优越性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．4 三维可视化模型的建立方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 ．1 资料收集和整理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．4 ．2 矿山地表模型的建立方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 ．3 各分段空区模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．5 矿山空区整体模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 第三章露天台阶动态开挖对采空区稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．1 数值计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．1 ．1 数值模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 3 ．1 ．2 模型网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 空区稳定性数值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．1 模型力学属性赋值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．2 给定模型边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．3 对模型施加荷载及设定计算方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．4 开挖方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．2 ．5 定义施工阶段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 ．6 分析工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 空区稳定性数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3 ．1 应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．3 ．2 位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 第四章爆破动载荷对空区稳定性的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．1 数值计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．1 ．1 数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．1 ．2 特征值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．3 7 4 ．1 ．3 爆破荷载动力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．2 计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．3 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．3 ．1 单次爆破作用下⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．2 不同爆破动载荷作用下⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．3 ．3 不同位置载荷作用下⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 第五章露天开采境界下的空区的治理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．1 露天开采境界下的空区的特点与分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．2 露天空区的治理与否的界限⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．3 露天开采境界下采空区的有效处理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 ．1 露天空区的处理方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 ．2 露天采空区治理的原则和要求⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 5 ．3 ．3 露天采空区的处理步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 第六章全文结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 6 ．1 本文结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 6 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．6 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．6 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 攻读硕士期间发表的学术论文及成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯7 2 大量未处理的采空区。究其原因，上个世纪，由于采矿技术和设备的局限，我 国国有矿山企业，大量使用空场法、崩落法、留矿法等采矿方法，开采后留有 大量空区，由于充填成本较高，很多矿山未能对所有空区进行有效处理。其次， 上世纪7 0 - 9 0 年代，由于国家对矿产资源的开采管理不严，民采、群采猖獗， 非法采矿者没有合理的采矿设计，胡乱开采，采后空区不予处理【1 ．5 】。 露天开采境界内的众多采空区由于受地压、岩石风化及爆破震动的影响， 空区发生不同程度的坍塌、破坏，体积与高度发生改变，加上民采留下的空区， 残留多层采空区复杂难辨。随着露天开采的进行，这些形态复杂、高低不同的 不规则的采空区，严重威胁着露天开采人员与设备的安全。 近年来，采空区的关注度正在逐年增高。关注焦点主要集中于地下空区的 研究，如三维建模、稳定性分析、处理等。关于露天采空区的研究相对较少。 采空区稳定性的研究中，相邻空区之间稳定性的影响研究较少，露天空区治理 与否没有明确的界限。因此，深入研究露天开采境界下的三维建模、稳定性分 析，露天开采过程对地下空区的影响以及露天空区的有效地治理方法，具有重 要的意义。 本文以广东省大宝山矿露天开采境界下的空区为研究对象。大宝山矿地下 采空区重大安全隐患得到了治理，井下生产也已全面停止，露天和井下出现重 大安全事故的可能性大大减少，但是原来没有全部塌实、接顶不严实的采空区， 原来没有发现的民采小空区和没有处理的小采场依然存在，随着露天开采工作 台阶的下移，对露天开采的安全生产构成一定的威胁。因此，开展露天境界里 的空区三维可视化建模、稳定性分析、治理等方面的研究，对于确保矿山露天 开采作业安全，防止采空区坍塌造成伤亡事故的发生有其重要意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 三维可视化研究现状 科学计算可视化 V i s u a l i z a t i o ni nS c i e n t i f i cC o m p u t i n g ，是运用计算机图 中南大学硕士学位论文第一章绪论 形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或 图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术，是发达国家在 8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。 科学计算可视化的应用领域十分广泛，在地质学方面，1 9 8 7 年，C a s l s o n E 键 出了地下空间结构的三维概念模型，随后，国外学者对三维地质模型的表面模 型结构、空间数据结构、三维矢量地图的数据结构、G I S 系统的三维地质模型 等方面进行了研究，提出了三维地质模型的数据结构和建模方法。 表1 ．13 D 空间数据模型及3 D 空间构模方法分类 9 0 年代以后，国内开始了对三维地质模型的理论研究。目前，国内外学者 对三维空间数据模型进行了较为深入的研究，结合各自的专业研究的特点，提 出了2 0 余种三维构模方法和相应的数据模型或数据结构。例如，三维矢量形式 化数据结构，四面体模型，矢量与栅格集成的面向对象三维空间数据模型， O C T R E E T E N 混和数据模型，三棱柱体或似三棱柱体模型等。按传统分类方 中南大学硕十学位论文第一章绪论 式，这些模型分为基于面表示的模型、基于体表示的模型和基于混合表示的模 型三大类【】。中国矿业大学吴立新教授提出按单一3 D 构模、混合3 D 构模和 集成3 D 构模进行新的分类，如表1 ．1 所示【9 】。 根据应用需求的不同，三维地学空间构模的目的依次分为4 个目标层次 三维可视化、三维查询、三维分析、工程应用四个层次。随着系统目标层次的 提高，系统的技术要求也随之提高；此外，不仅空间模型的维数由2 ．5 D 逐渐过 渡到3 D ，而且空间模型的时态也由静态、准动态逐渐过渡到动态。 随着对三维地质模型理论研究的深入，三维模拟被广泛应用于虚拟矿山系 统、石油、G I S 、地质、岩体边坡地质信息系统等领域，先后出现了一批在石油、 矿山和工程地质得到广泛应用的商业软件。 在矿业领域，西方矿业界在2 0 世纪7 0 年代初就将C A D 技术应用于地质、 矿业领域；2 0 世纪8 0 年代初期，各种采矿软件相继推出。影响较为广泛的有 基于U n i x 的L Y N X 、V u l c a n 、D a t aM i n e 、M i n c o m 、M e ds y s t e m 、P C 2 M i n e 、 S u r p a c 、M 2 KE a g l e s ；基于P C 机的M i c r om i n e 、G e mC o i n 、M i n c o m 、M i n eM a p 、 L Y N X 、V u l c a n 和基于N T 的V u l c a n 。这些软件涉及领域包括矿床模拟、开 采评估、设计规划、生产管理等。9 0 年代中后期，三维地质采矿软件逐渐成为 矿山专业软件的主流。今天采矿工业可以购买的软硬件系统的品种很多。这些 软件主要功能类似，其侧重点有所不同，有砦侧重于地质建模，有些侧重露天 开采或地下采矿等。但由于大多数软件是在矿山公司专用软件基础上发展起来 的。 1 ．2 ．2 采空区稳定性分析与数值模拟研究现状 目前，稳定性分析常预见的问题主要包括以下方面 1 采空区自身稳定 性评价。如空区上覆岩层、残留矿柱及地基的稳定性，老采空区、深部大采空 区、多阶段回采等特殊情况下采空区的稳定性。 2 采空区的开挖对影响范围 内的周边已有建筑物及构筑物的影响。在一些情况下，需要考虑到采空区对下 部矿体开采、附近边坡稳定性、地表沉陷的影响。 3 新建或已有工程及其他 因素对采空区稳定性的影响评价。如铁路隧道下、高速公路下空区的稳定性， 爆破震动、断层地质构造、节理分布规律等特殊因素对采空区的影响。 采空区稳定性的影响因素内因 1 地质构造。如断裂破碎带的分布， 发育程度，构造弱面。 2 矿体和围岩物理力学性质。如矿体倾角，矿岩中的 断裂破碎带，断层面的力学参数，原岩应力，岩石抗压强度。 3 采空区本身 的形状、尺寸，如采空区暴露面积、空区实际体积、空区高跨比、矿柱留设尺 寸。 4 采空区埋藏深度。 5 空区暴露时间。外因 1 爆破震动。 2 相 中南大学硕士学位论文第一章绪论 邻采空区影响。 3 大气降水、地下水和地面水系。 4 采矿活动及空区处理 质量。 采空区稳定性分析是一个极其复杂的过程，是矿山开采最常遇到的工程问 题。分析评价方法包括经验公式法、统计法、及数值模拟方法等。稳定性分析 评价主要是通过采空区上方顶板围岩的安全厚度，围岩受采动影响的岩层移动 过程以及开采过程中采场的地压活动规律，应力集中程度、塑性区分布等来进 行。 经验公式法，即根据大量实例统计分析结果及各因素对岩体稳定性影响的 程度，将各因素组合构造稳定性评价公式，如采空区稳定性预测公式、稳定性 系数公式、岩体基本质量指标Q B 公式、N a r o n 提出的岩体质量Q 值公式等。 、 这是一种十分重要的研究方法，但经验是对以往典型工程的总结，这些研究还 只是定性的，不能全面反映采空区力学行为的本质。 统计方法，不需要构造评价公式，而是根据单因素在稳定性级别中取值范 围或隶属程度，建立相应的采空区稳定性分析数学模型，计算因素值与稳定性 级别之间的对应关系，如模糊识别法、灰色聚类法及神经网络法等，与公式法 相比，此类方法尚处于发展阶段，尚需在实践中进一步验证。 此外，应用相似模型研究采空区处理方案，研究顶板自然垮落的最小跨度、 移动角和垮落角，不仅直观、经济，而且可以充分考虑层理、断层等岩体结构 特征，还可以考虑顶板破裂、垮塌的动态过程【l 们。 数值模拟方法，主要使用有限单元法、边界单元法、离散单元法及有限差 分法等，利用相应软件，建立采空区和围岩的三维数值模型，进行数值求解。 国外开发的相应软件有有限元分析软件A N S Y S 、M I D A S ，有限差分法软件F l a c 、 F L A C 3 D 。离散单元法软件U D E C 、3 D E C 、P F C ；国内的如岩石破裂过程分析软 件R F P A 等。该方法能快速、定量评价采空区的稳定性，改变方案和有关参数 方便、灵活，能够处理复杂的材料本构关系，从总体上判断采空区周围岩石的 应力分布规律及其变形趋势，比较全面的并能较好地反映工程实际的计算结果， 因此在工程实践中得到了广泛应用。 针对分析软件建模复杂这一问题，文献[ 1 1 ．1 3 ] 分别采用空区激光自动扫描 系统 C A L S 、空区探测系统 C M S 对复杂空区进行激光扫描，获得精准三 维点云数据并运用S u r p a c 软件模拟出空区的三维地质模型，通过耦合方法可以 在F L A C 3 D 中生成与实际空区空间分布一致的数值模型，提高复杂空区稳定性 计算的准确性和可靠性。离散元法能够很好地模拟有节理断层等地质缺陷的采 空区围岩的崩落及地表沉陷现象，可以很好地验证破碎带下矿体开采引起顶板 破坏和地表沉陷的机理。F L A C 2 D 和F L A C 3 D 特别适用于模拟大变形。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在影响采空区稳定性的因素中，开挖引起的应力重新分布和爆破动应力作 用不容忽视。因此，应用数值模拟对采空区稳定性进行研究主要集中在这两个 方面。开挖过程对采空区稳定性的影响，属于静载作用范畴，目前这方面的研 究相对较多；施工时的爆破震动对采空区的影响，属于动载作用范畴，其作用 机理较为复杂。由于爆破动载对空区作用的复杂性，目前在这方面的研究相对 较少。 单个空区的稳定性问题，已有大量学者从不同方面开展了大量的研究，多 空区系统具有极度复杂性，相应的研究资料很少见于报道。周子龙等【1 4 】针对民 窿空区群的特点，运用重整化群方法，从整体的角度对民窿空区群系统的稳定 性问题进行了研究。所建立的方法可以为民窿所在矿山空区群整体稳定性评价 提供参考，同时也为认识一般空区群系统的失稳机理开辟了一条新的途径。 1 ．2 ．3 动载荷对空区稳定性的影响研究现状 国内外学者关于爆破震动对邻近介质的影响做了大量研究，取得了许多成 果。爆破过程伴随着介质的运动和能量释放。爆炸对周围介质的作用可以看做 是波动力学过程，可视为应力波在介质中传播和对介质的扰动。正确认识爆炸 过程中产生的各种应力波，对于实际爆破工程有关现象的认识及相关问题的处 理有比较大的意义【l 5 。。 在距离爆源一定距离处，岩石中传播的应力波可视为平面波。由于爆破应 力波是多频率成分叠加而成的复杂组合，因而任何单一的波形都无法代表爆破 振动的传播特征。但各频率成分应力波的贡献却有大有小，如果选取统计意义 上贡献最大的频率成分作为参考对象，可将爆炸应力波视为简谐平面波【1 6 1 。史 太禄通过对爆破地震波传播规律经验公式的分析，提出应根据等效距离的大小 来划分爆破地震的影响区域，并认为等效距离小于1 0 的为近区，否则为中远区； 近区场地影响大，爆破地震波衰减快，中远区场地影响小，爆破地震波衰减慢。 在爆区一定范围内，当爆破引起的震动达到一定强度时就会造成各种破坏。要 确定爆破震动的破坏范围，就需确定爆破震动参量【1 7 l 。 龙源I l8 J 等研究了爆破地震波在岩石介质中传播特性及其数值计算方法，认 为爆破地震波主振相的幅值和持续时间随单段药量的增加而增加；分别研究了 深孔爆破段间微差爆破、柱形装药以及多排孔爆破对相邻段炸药爆炸引起的地 震波波形叠加结果。杨年华、刘慧【1 9 】研究了近距离爆破引起的隧道周边振动场， 认为爆破振动速度最大峰值随比例距离呈指数函数衰减爆破的夹制作用越大， 邻近隧道产生的爆破振动越大；岩体越坚硬、完整，振动波衰减越慢，而岩体 软弱破碎，振波衰减较快；一次爆破段数越多、单段爆破最大药量越少，爆破 中南大学硕t 学位论文 第一章绪论 引起质点振速越小。谭忠盛等【2 0 l 采用数值分析方法研究了复线隧道施工爆破对 既有隧道的影响，得出既有隧道最大振动点及最大反射拉应力均出现在迎爆侧 直墙中部和上部，此区为强应力波的反射拉伸区，持续时间长，影响深度大， 是最危险区域。张继春等【2 1 1 通过三峡工程基岩爆破振动特性的试验发现，用萨 道夫斯基公式估算出的质点振速大于实际值，且在近区尤为明显；爆破引起的 岩石质点振动主频率与药量、距离成反比；爆破地震波作用时间与药量成正比， 与距离成反比；爆破地震波的传播存在不可逆性，即使在同一条直线上，地震 波衰减参数也会因传播方向相反而不同。 目前我们已进行了爆破应力波中、远区破裂机理的理论研究，在爆破数值 模拟等方面进行了一些初步的研究工作，取得了一些成果，但对爆破动载作用 下围岩破碎的扩展规律的研究尚待系统和深入地研究。 特别是随着我国近年来大力发展交通和大量矿井的投入使用，越来越多的 地下工程需要研究爆破动载的影响。因此本研究具有指导工程实践意义。 1 ．3 本文研究意义、研究内容与技术路线 针对大宝山矿业有限公司地下开采和民采所形成的复杂空区群，根据已有 的空区资料，建立矿山地表、空区的三维可视化数字模型，直观反映出矿区井 下采空区和露天边坡之间的三维空间关系，实现露天生产三维信息化安全管理。 在此基础上，建立M I D A S ．G T S 数值计算模型，进行复杂空区群的稳定性分析。 研究不同的爆破震动作用下，空区群的稳定性状况。为大宝山矿业有限公司开 采境界内有复杂空区群的露天矿安全开采及空区治理综合提供安全保障。 本课题研究内容所解决的是下覆空区的露天矿山进行安全生产的共性技术 难题，研究成果对我国其它下覆空区的露天矿山的安全生产具有普遍指导意义。 1 ．3 ．1 主要研究内容 本文以广东省大宝山矿业有限公司露天矿山为背景，采用M I D A S ．G T S 软 件，建立了复杂采空区三维可视化模型，并以模型为依据，对空区进行静力下 空区稳定性分析和爆破动载荷作用下空区稳定性分析，最后，对露天空区治理 与否的标准、治理的原则以及治理的步骤进行了研究。 1 三维可视化数字模型建立 以采空区资料为基础，借助M I D A S ．G T S 软件生成复杂空区群的三维形态 实体模型，建立矿山三维可视化数字模型，直观反映出矿区井下采空区和露天 边坡之间的三维空间关系，实现露天生产三维信息化安全管理。 2 空区稳定性分析 中南大学硕士学位论文第一章绪论 根据基础模型，在M I D A S ．G T S 软件中建立数值计算简化模型，对模型进 行力学属性赋值、给定模型边界条件，进行空区静力作用下的稳定性分析，给 出空区稳定性的评价。 3 爆破动载荷对空区稳定性的影响 在M I D A S ．G T S 软件中，给建立的数值计算模型加上爆破动载荷，研究爆 破动载荷作用下，空区的稳定性情况。研究不同大小的爆破载荷作用下、不同 位置处的相同载荷作用下，根据空区的位移、速度、加速度的变化特点，研究 不同情况下爆破载荷对空区的影响。 4 露天空区的治理研究 从最小安全厚度、最大应力、最大位移、塑性区是否贯通、以及危险度等 方面研究露天空区治理与否的界限的确定。通过数值建模分析，查阅矿山空区 处理案例、设计手册等，得出露天采空区治理的原则和需达到的标准，研究露 天空区适用的处理方法及治理的完整步骤。 1 ．3 ．2 主要研究技术路线 本文的主要研究技术路线，如图1 ．1 所示。 图1 ．1 主要研究技术路线 中南大学硕} 学位论文 第二章露天矿山复杂采空区二维可视化模型的合理建立 第二章露天矿山复杂采空区三维可视化模型的建立 要对现场实际作出真实准确的反映，理想的方法就是数值建模。常用的建 模方法，有二维建模和三维建模，其中以三维建模最直观、计算最贴近实际。 为此本文采用三维数值建模与分析技术，对大宝山矿区的采空区进行模拟，以 便进行准确的数值计算分析。大宝山地下矿区开采时间长，民采开挖较多，地 下采空区复杂，为此，有必要对采空区原始资料及地质数据进行收集，以便建 立准确的地下采空区模型。 M I D A S G T S 软件，前处理功能较强，可直接导入C A D 的X ．d x f 格式的文 件，模型建立方便。因此，选用C A D 软件对矿山已有资料进行处理，在 M I D A S ．G T S 软件中直接建立大宝山矿区地表及地下空区群的三维可视化模型， 并选取典型的空区，建立有限元数值计算模型。 2 ．1 研究的工程背景 广东省大宝山矿，1 9 5 8 年建矿，1 9 6 6 年正式投产。1 9 9 5 年，经过现代企 业制度改革后更名为广东省大宝山矿业有限公司。大宝山矿是一座大型多金属 矿床，主要有铁矿、铜硫矿、钼矿等资源，矿床中还伴生有贵金属和稀有金属， 由3 0 多个矿体组成。根据矿体的开采技术条件采用空场法开采，具体采矿方案 有留不规则矿柱的全面采矿法，全面留矿采矿法，间隔矿柱的房柱采矿法， 分段矿房法【5 8 1 。 按照矿山早期规划，大宝山矿区铁、铜、铅、锌、硫主要是以大型露天的 形式开采，在露天开采结束以后，再转入井下开采。上个世纪八十年代，周边 民采对井下铜硫铅锌资源进行了掠夺式开采，为了治理民采，保护矿产资源， 1 9 9 7 年大宝山矿区铜矿露天中止采剥，转入井下开采，形成露天与井下联合开 采的格局。 大宝山矿区内井下民采现象严重，J b 力H 矿山地采超前，在露天隔离层四周 及露天坑底用空场法开采，导致大量采空区残留，留下了许多大小不一复杂的 采空区群，见图2 ．1 。 井下分为南部、中部和北部矿区。经过多年的开采，处于露采场下部的南 部、中部矿区，其主要矿体己基本开采结束，目前，已停止作业。 南部矿区，1 5 线以南，所有采空区由民采形成，其采矿深度从4 7 0 m “ - - 6 9 0 m ， 其采矿方法为单一的空场法，采空区未作任何处理，空区主要由相对独立的、 8 理建立 a 5 7 0 m 位置空区图 b 6 1 0 m 位置空区 c 6 5 0 m 位置空区图 d 7 0 0 m 位置空区图 图2 ．1 不同位置的空区图 。为 中部矿区，1 5 线～5 1 线，为民采和公司主要采矿范围，开采深度从4 3 0 m 至7 5 0 m ，主要采矿方法为空场法和干式充填法。采矿范围主要集中在1 9 线～ 4 7 线之间，包括1 9 线“ - 2 7 线的4 3 0 m “ - - 5 6 0 m 、2 7 线“ - 3 3 线的4 5 0 m - - - 6 4 0 m 、 3 7 线～4 7 线的5 4 0 m - - 7 2 0 m - - 个位置。其地表对应于铁矿境界和铜采临时边坡。 北部矿区，5 1 - - - 6 3 线，为公司开发范围，正处于开拓阶段，计划开采深度 为4 5 0 m - - 6 3 0 m ；本范围内民采破坏较小，仅在5 7 2 线“ - - 5 9 2 线5 9 1 m - - - 6 7 3 m 存 在较小的民窿。其地表处于露采境界外、北部山地之下。 南部矿区的所有采空区由民采形成，近年来，空区或自然坍塌、或封堵， 采空区资料无法收齐，只有小部