矿柱回收过程充填体与围岩稳定性及安全监控研究

发布时间：2017-10-19 03:41

  本文关键词：矿柱回收过程充填体与围岩稳定性及安全监控研究

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【摘要】：矿柱回收最关键的问题是合理控制地压,防止大规模地压活动发生,安全顺利回收矿柱。论文对矿柱回收过程充填体与围岩稳定性及安全监测监控进行了研究,根据矿柱回收过程中充填体与围岩稳定性及安全监测研究现状,采用数值模拟对矿柱体在动力扰动下的响应特征及应力场变化规律进行了分析；根据充填体抗压实验的结果,建立了尾砂胶结充填体损伤模型,并分析研究了尾砂充填体破坏规律以及充填体与岩体合理匹配关系；研究构建矿柱回收开采过程安全监测预警综合决策系统。论文以大冶铁矿矿柱回收充填为工程实例,通过收集和研读大量国内外文献资料,采用实地调查、理论和实证研究等方法,利用数值模拟方法对开采矿柱工艺方案进行比选,对大冶铁矿充填法开采矿柱安全性进行系统研究,取得的主要研究结论和成果如下：1.采用数值模拟对矿柱体在动力扰动下的响应特征进行了分析研究,发现随着矿柱模型负载的增大,动力扰动对矿柱模型的影响越来越明显,模型表现不稳定。说明随着所受应力的增大,矿柱容易出现失稳破坏现象。2.对充填体的力学作用机理进行了研究,由于尾砂胶结充填体为多相复合材料,其内部包含有各种微裂纹、微孔隙、气泡等缺陷,损伤特性明显,因此可采用损伤力学研究充填体破坏规律。论文对不同配比的尾砂胶结充填体进行抗压实验,得到了尾砂胶结充填体的力学特性。根据损伤力学的研究方法,综合现有的研究成果建立了尾砂胶结充填体损伤模型,分析了尾砂胶结充填体不同配比损伤规律；根据力学模型建立了不同配比充填体损伤本构模型,用突变理论研究了尾砂充填体破坏规律并探讨充填体与岩体的合理匹配关系,为矿山采空区充填体强度设计提供了理论依据。3.对矿柱回收开采监测方法、监测布点与监测要求,以及地下位移监测模型及矿柱回收开采安全监测预警综合决策系统进行了研究。论文在研究监测方案的基础上构建矿柱回收开采安全监测预警综合决策系统,该监测系统是基于现场工业控制总线技术构成的数字通讯网络系统。地面监测中心站通过有线通讯网络向井下工作面多道采集分站发送相关指令,井下各多道采集分站对接收到的指令进行解析、确认通信模块控制经由通信网络将数据上传,完成井下多道采集分站与中心站的数据信息交换。地面监测中心站接收的实时数据经处理后在系统计算机屏幕上实时显示、制表及存储。客户端接收到数据进行适时曲线和数据显示,并把数据导入预警模式,如果出现险情则通过声音、图像、文字等多种形式报警。此研究成果可以实现矿柱回收过程地压安全信息评估及灾害预警预报。4.以大冶铁矿矿柱回收充填为工程实例,对回采过程中矿体、围岩及充填体的变形特征、应力特征以及受力状态进行数值模拟分析比较。位移场分析表明,回采过程中矿柱及围岩变形量较小,但回采顶板时变形量相对较大。应力场分析表明,充填体有效改善了采空区的应力条件,很大程度上降低了应力集中程度,使得矿体与围岩的应力环境得到了显著改善。塑性区分析表明,充填体对回采过程中围岩、顶板的支护效果十分明显。说明充填体充分发挥了支撑作用,可以避免出现明显的应力集中现象,以保证回采过程中采空区围岩的稳定性。总之,论文对矿柱回收过程充填体与围岩稳定性及安全监控进行了研究,无论是对弥补我国目前矿柱回收及围岩稳定性安全监控理论研究的缺陷,还是对充填体与围岩应力匹配性研究及矿柱回收充填体强度设计方面,都具有十分重要的理论意义和实践意义。本文研究的主要创新点如下：1.根据尾砂胶结充填体力学实验的结果和损伤力学的研究方法,建立了尾砂胶结充填体损伤模型,用突变理论研究了尾砂充填体破坏规律并探讨充填体与岩体合理匹配关系,为充填体强度设计提供了理论依据。2.开发了一套完整的矿柱回收开采过程中采场地压、地表沉降及变形、地表岩移、地下位移监测安全监测预警综合决策系统,该系统可以明确地压监测的重点部位,实现矿柱回收过程中地压安全信息评估及灾害预警预报。3.应用数值模拟方法对回采过程中矿体、围岩及充填体的变形特征、应力特征以及受力状态进行计算分析比较。结果表明,充填体有效改善了采空区的应力条件,降低了应力集中程度,对围岩、顶板的支护效果十分明显,可以保证回采过程中采空区围岩的稳定性。研究结果对矿柱的安全回收具有实际指导作用。
【关键词】：矿柱回收 充填体稳定性 数值模拟 安全监控
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD853.34
【目录】：

• 作者简历7-9
• 摘要9-11
• ABSTRACT11-17
• 第一章 绪论17-30
• 1.1 引言17-18
• 1.2 研究现状18-26
• 1.2.1 国内外矿山矿柱回采现状18-21
• 1.2.2 岩体压力理论发展历程21-22
• 1.2.3 地压控制研究22-24
• 1.2.4 矿柱稳定性研究现状24-25
• 1.2.5 矿柱监测研究现状25-26
• 1.3 国内外的发展趋势及存在的主要问题26-28
• 1.3.1 国内外的发展趋势26-27
• 1.3.2 存在的主要问题27-28
• 1.4 主要研究内容28-30
• 第二章 矿柱回收开采力学状态及稳定性分析30-49
• 2.1 矿柱失稳破坏机理30-31
• 2.2 数值分析的矿柱体条件31-35
• 2.2.1 矿柱体概况31-34
• 2.2.2 矿柱体充填开采工艺34-35
• 2.3 数值分析方案设计35-38
• 2.3.1 数值分析模型35-37
• 2.3.2 计算方案37-38
• 2.4 数值分析结果论述38-47
• 2.4.1 矿柱体静力分析38-40
• 2.4.2 矿柱动力分析40-47
• 2.5 本章小结47-49
• 第三章 充填体和围岩应力匹配性分析49-70
• 3.1 充填体与围岩力学作用机理49-52
• 3.1.1 充填法的分类49-50
• 3.1.2 尾砂胶结充填体与围岩力学作用机理50-52
• 3.2 尾砂胶结充填体力学实验52-57
• 3.2.1 尾砂物理特性53-54
• 3.2.2 尾砂胶结充填体力学特性54-57
• 3.3 尾砂胶结充填体损伤及其模型分析57-62
• 3.3.1 充填体损伤力学理论概述57-59
• 3.3.2 充填体损伤模型分析59-62
• 3.4 尾砂胶结充填体损伤模型建立62-64
• 3.5 尾砂胶结充填体损伤规律分析64-66
• 3.5.1 不同配比充填体损伤规律64-65
• 3.5.2 充填体变形能量分析65-66
• 3.6 尾砂充填体和采空区岩体匹配分析66-69
• 3.6.1 充填体与岩体力学分析模型66
• 3.6.2 充填体破坏灾变分析66-68
• 3.6.3 充填体和采空区岩体匹配性分析68-69
• 3.7 本章小结69-70
• 第四章 矿柱回收开采安全监测监控研究70-92
• 4.1 安全监测方案70-76
• 4.1.1 监测方法简述70-73
• 4.1.2 监控布点与监测要求73-75
• 4.1.3 监测方案分析75-76
• 4.2 采场地压安全监测76-79
• 4.3 采场与地表沉降及变形监测79-83
• 4.3.1 采场岩体应力及位移监测79-80
• 4.3.2 地表岩移监测80-81
• 4.3.3 地下位移监测81-83
• 4.4 矿柱回收开采安全监测预警综合决策系统设计83-91
• 4.4.1 监测预警决策系统组成83-84
• 4.4.2 矿柱开采监测监控体系设计84-89
• 4.4.3 矿柱开采监测预警软件系统设计89-91
• 4.5 本章小节91-92
• 第五章 工程应用实例-大冶铁矿矿柱回采充填开采数值分析92-123
• 5.1 工程概况92-99
• 5.1.1 地理位置与交通92
• 5.1.2 矿区地质概况92-94
• 5.1.3 铁门坎采区开采现状与残留矿柱统计94-98
• 5.1.4 矿柱充填回收关键技术98-99
• 5.2 回收开采矿柱工艺比选分析计算99-110
• 5.2.1 顶底柱回采方案与工艺99
• 5.2.2 点柱回采方案与工艺99-110
• 5.3 充填法开采矿柱安全性验证110-121
• 5.3.1 区段开采顺序的确定110-111
• 5.3.2 数值模拟模型及参数111-113
• 5.3.3 计算结果分析113-121
• 5.4 本章小结121-123
• 第六章 结论与展望123-126
• 6.1 结论123-125
• 6.2 展望125-126
• 致谢126-127
• 参考文献127-134

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