罗河铁矿充填开采覆岩稳定性及地表沉降研究

发布时间：2017-10-28 17:11

  本文关键词：罗河铁矿充填开采覆岩稳定性及地表沉降研究

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【摘要】：本文以“罗河铁矿一期充填法开采地表稳定性监测与研究”科研项目为依托,针对地下矿床充填开采过程中引起的地表沉降和覆岩稳定性的问题,用理论分析、试验研究及数值模拟手段对开采充填过程中矿山的安全进行了深入研究。研究的内容、研究方法及取得的研究成果主要包括以下几个部分：(1)尾砂充填体强度决定了尾砂充填入采场后的支撑能力,对覆岩的稳定性有很大的影响。针对罗河铁矿胶结尾砂充填料的特点,利用理论分析和试验方法对尾砂充填体强度进行了研究,通过对比试验和理论的分析结果,得出充填体强度的影响因素及在载荷作用下的破坏过程。(2)针对矿房内的胶结尾砂充填料,建立充填矿房内尾砂充填料一维区域非均质渗流解析模型,通过添加初始边界条件,得到了该模型的解析解。在此基础上,分析和研究了矿房内尾砂充填料的渗流特点及其影响因素。(3)根据该矿山开采方法,建立了盘区顶板沉降力学模型,用Navier法解析得到了顶板沉降曲面公式。研究了不同的地基系数、采场埋深、盘区的长宽比、顶板厚度和顶板岩石弹性模量对顶板最大沉降量的影响,并分析了盘区顶板应力的分布情况。(4)结合罗河铁矿地质资料和岩石力学参数,利用3DEC离散元模拟软件建立了罗河铁矿13#地质剖面线的数值模型。按照该矿山的开采设计,模拟了该剖面矿体的开采过程,分析了地表沉降和覆岩应力的变化情况。并且利用物理相似模拟手段模拟了开采过程中覆岩的位移及采场顶底板应力的变化。在现场,建立了GPS监测网监测矿山开采引起的地表沉降。(5)介绍了傅里叶和HHT变换在分析爆破振动信号中的应用,利用该方法分析了地表和地下避难硐室垂向的爆破振动信号,得到了爆破引起地表和避难硐室振动的特点。并且建立了地下开采爆破数值模型,利用LS-DYNA计算并分析了爆破过程中凿岩硐室、掏槽区、巷道附近围岩及覆岩的稳定性,得出爆破地震波在覆岩中的传播规律。计算和分析了单段最大药量增加一倍的情况下,凿岩硐室、巷道围岩等位置处振动速度和有效应力增加幅度。
【关键词】：充填采矿法 地表沉降 覆岩稳定性 数值模型 爆破振动信号分析
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD325
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 引言12-18
• 1.1 研究背景12
• 1.2 研究目的及意义12-14
• 1.3 研究内容14-15
• 1.4 罗河铁矿水文工程地质介绍15-16
• 1.5 研究方法及技术路线16-18
• 1.5.1 研究方法介绍16-17
• 1.5.2 技术路线简略图17-18
• 2 文献综述18-28
• 2.1 充填采矿技术的发展状况18-20
• 2.1.1 国外充填采矿技术的发展概述18-19
• 2.1.2 国内充填采矿技术的发展概述19-20
• 2.2 充填体强度特性的研究现状20-24
• 2.2.1 国内充填体强度特性研究概况21-22
• 2.2.2 国外充填体强度特性研究概况22-24
• 2.3 爆破振动对岩体扰动作用的研究现状24-25
• 2.4 地下开采覆岩沉降的研究现状25-28
• 2.4.1 国外关于上覆岩层沉降的研究现状25-26
• 2.4.2 国内关于地表沉降研究的概述26
• 2.4.3 地表建筑物损坏等级26-28
• 3 尾砂充填体力学性能及渗流特性研究28-50
• 3.1 充填体的强度特性28-37
• 3.1.1 充填体损伤力学模型28-30
• 3.1.2 充填体强度特性试验研究30-31
• 3.1.3 充填体单轴抗压强度影响因素31-32
• 3.1.4 充填体应力-应变曲线32-34
• 3.1.5 损伤因子的影响因素34-37
• 3.2 充填体初期渗流特性研究37-49
• 3.2.1 充填料-岩石双层渗流模型38-41
• 3.2.2 充填料岩石区域非均质模型一维解析解41-44
• 3.2.3 影响充填料中渗流的因素研究44-48
• 3.2.4 影响岩石中渗流的因素分析48-49
• 3.3 本章小结49-50
• 4 充填采矿盘区顶板沉降机理的研究50-66
• 4.1 罗河铁矿单个盘区物理模型描述50-51
• 4.2 固体力学模型基本方程51-54
• 4.3 弹性薄板理论54-56
• 4.4 顶板沉降力学模型求解56-58
• 4.5 影响顶板沉降的因素研究58-62
• 4.5.1 不同的地基系数对顶板沉降的影响59-60
• 4.5.2 开采深度对顶板沉降的影响60
• 4.5.3 盘区的长宽比对顶板沉降的影响60-61
• 4.5.4 盘区顶板厚度对顶板沉降的影响61-62
• 4.5.5 顶板岩石弹性模量对顶板沉降的影响62
• 4.6 应力分析62-65
• 4.7 本章小结65-66
• 5 充填开采地表沉降及采场稳定性数值模拟研究66-89
• 5.1 矿区描述及岩土工程参数66-74
• 5.1.1 岩性及岩层厚度68-69
• 5.1.2 岩体力学参数69-71
• 5.1.3 岩层界面力学参数71-72
• 5.1.4 矿床断层走向及力学参数72-73
• 5.1.5 地应力测量结果73-74
• 5.1.6 充填体力学参数74
• 5.2 数值计算模型及模拟方案74-76
• 5.2.1 模型的建立74-75
• 5.2.2 边界条件75
• 5.2.3 模拟方案及步骤75-76
• 5.3 模拟计算结果分析76-85
• 5.3.1 第1盘区开采后应力和位移分析76-78
• 5.3.2 第1盘区充填后应力和位移分析78-79
• 5.3.3 上层矿体开采充填后应力和位移分析79-81
• 5.3.4 全部矿体开采充填后应力和位移分析81-83
• 5.3.5 地表沉降分析83-85
• 5.3.6 采空区未充填的模拟结果85
• 5.4 覆岩稳定性影响因素研究85-88
• 5.4.1 顶板最大沉降量影响因素的模拟结果86-88
• 5.4.2 数学模型计算和数值模拟结果对比分析88
• 5.5 本章小结88-89
• 6 充填开采覆岩移动规律相似模拟试验研究89-108
• 6.1 相似定理及相似条件89-92
• 6.2 物理相似模型92-94
• 6.2.1 相似模型及分层示意图92
• 6.2.2 相似材料强度92-93
• 6.2.3 试验模型及监测示意图93-94
• 6.2.4 试验监测项目94
• 6.3 试验过程说明94-95
• 6.4 充填开采过程记录95-96
• 6.5 覆岩沉降过程及规律96-100
• 6.5.1 上层盘区采充过程中覆岩沉降过程97-98
• 6.5.2 下层盘区采充过程中覆岩沉降过程98-99
• 6.5.3 不同开采时段地表沉降量99-100
• 6.5.4 不同开采时段盘区顶板沉降量100
• 6.6 采充过程中采场顶底板应力变化100-103
• 6.6.1 顶板压力变化过程100-102
• 6.6.2 底板应力变化过程102-103
• 6.7 罗河铁矿地表沉降监测系统设计103-107
• 6.7.1 地表沉降观测技术-RTK103-104
• 6.7.2 罗河铁矿地表沉降GPS监测网设计104-107
• 6.8 本章小结107-108
• 7 爆破振动作用对覆岩的稳定性影响研究108-139
• 7.1 概述108-109
• 7.2 爆破地震波在岩石中传播分析109-112
• 7.2.1 振动作用下岩石介质中的平衡微分方程109-110
• 7.2.2 三维介质中平面波传播的微分方程110-111
• 7.2.3 微分方程的通解形式111-112
• 7.3 爆破振动监测112-117
• 7.3.1 爆破振动监测点选点原则112-113
• 7.3.2 爆破条件113-114
• 7.3.3 爆破振动监测结果114-117
• 7.4 爆破振动信号分析117-125
• 7.4.1 傅里叶变换和HHT分析原理117-120
• 7.4.2 地表爆破振动信号分析120-123
• 7.4.3 地下硐室爆破振动信号分析123-125
• 7.5 爆破对覆岩稳定性影响的数值模拟研究125-138
• 7.5.1 地下开采爆破数值模型126-128
• 7.5.2 爆破模拟结果分析128-135
• 7.5.3 单段最大药量对硐室及覆岩稳定性的影响135-138
• 7.6 本章小结138-139
• 8 结论139-142
• 8.1 主要结论139-140
• 8.2 创新点140-141
• 8.3 研究展望141-142
• 参考文献142-154
• 作者简历及在学研究成果154-157
• 学位论文数据集157

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