基于多自由度模型法的采空区群残采动态失稳响应及控制

发布时间：2020-10-19 22:28

　　 采空区是矿山重要危险源,残矿回采是提高资源回收率的有效途径。在对残矿资源进行二次开采的过程中,采空区群的岩体应力超过其极限强度达到动态失稳状态时,容易引发围岩破碎、顶板冒落、地表塌陷等灾害事故。因此,开展采空区群动态失稳响应及控制研究,对于金属矿山残矿资源的安全残采具有十分重要的意义。论文以某大型金矿山采空区群为研究对象,在现场踏勘的基础上,借助振动力学和结构动力学理论以及数值模拟法,开展了残采过程中采空区群动态失稳响应和控制研究。论文的主要工作与成果如下:(1)在对某大型金矿地下采空区群调查的基础上,研究了结构动力响应基本理论和方法,主要包括动力分析理论、动力分析模型法、动力响应方程分析方法等,进而分析了单一水平和纵向采空区群动态失稳响应。(2)提出采空区群多自由度动力响应模型法,通过算例和监测结果验证了多自由度模型法的合理性,分析了采空区群的动力响应规律。利用弹簧模块和阻尼模块处理空区群内部顶板与间柱之间的交叉链接问题,分析结果更加贴近工程体本质特征;采用Newmark-β法和Matlab自编程序解决了采空区群动力响应计算效率低、精度差的难题;与数值模拟法和现场位移沉降结果相对比,多自由度模型法可直观地揭示采空区群的动力响应规律。(3)根据某金矿山空区群可能存在的16种残采技术方案,结合多自由度模型法和MIDAS/GTS数值模拟法,对采空区群的动力响应特征进行了分析,提出了最优回采方案。综合分析结果可知,多中段空区顶板残采中方案3最为合适;多中段空区间柱残采中方案9最为合适;多中段空区顶板和间柱组合残采中方案12最为合适。(4)分别构建静力特征和动力特征模型,分析了采空区群在充填后的静力特征和动力特征参数,并综合评估了充填后的效果。静力特征参数分析结果表明,拉应力和压应力分布范围整体左移和上移,剪切应力完全由间柱转移到充填体内;动力特征参数分析结果表明,充填后采空区群内部的应力集中发生了转移,采空区群岩体的位移及速度响应大幅下降;综合分析可知,充填后采空区群具有良好的动态稳定性,研究成果为采空区群残矿过程中动态失稳工程控制提供了理论指导。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD325.3
【部分图文】：

目前我国 92%以上的一次性能源、80%以上的工业原料取自矿产资源，产资源的开发利用已成为我国社会经济发展的重要保障[1]。但是，由于矿产资源长时的开采，导致其储量不断下降，为了保证矿产资源使用的持续性，在寻找新的矿产资的同时，可对矿山矿床开采后遗留的残矿资源进行二次开采。因此，残矿资源的综合用就成为了人们关注的焦点。地下金属矿山开采过程中形成了密集的采空区群，遗留下大量的残矿资源。由于期受到爆破动荷载振动效应的作用，破坏了矿山初始应力平衡，在岩体中形成了二次力分布而产生次生应力场，在次生应力场作用下，采空区群岩体发生变形、非连续破和移动，一直达到新的平衡为止。在对残矿资源进行二次开采的过程中，采空区群的体应力超过了其极限强度达到某一临界失稳状态时，就会引发围岩破碎（图 1-1）、板冒落、地表塌陷（图 1-2）等一系列的采空区灾害事故，危害了矿山的地面形态，坏地貌自然景观，影响了耕地质量，并造成巨大的经济损失和人员伤亡。

目前我国 92%以上的一次性能源、80%以上的工业原料取自矿产资源，产资源的开发利用已成为我国社会经济发展的重要保障[1]。但是，由于矿产资源长时的开采，导致其储量不断下降，为了保证矿产资源使用的持续性，在寻找新的矿产资的同时，可对矿山矿床开采后遗留的残矿资源进行二次开采。因此，残矿资源的综合用就成为了人们关注的焦点。地下金属矿山开采过程中形成了密集的采空区群，遗留下大量的残矿资源。由于期受到爆破动荷载振动效应的作用，破坏了矿山初始应力平衡，在岩体中形成了二次力分布而产生次生应力场，在次生应力场作用下，采空区群岩体发生变形、非连续破和移动，一直达到新的平衡为止。在对残矿资源进行二次开采的过程中，采空区群的体应力超过了其极限强度达到某一临界失稳状态时，就会引发围岩破碎（图 1-1）、板冒落、地表塌陷（图 1-2）等一系列的采空区灾害事故，危害了矿山的地面形态，坏地貌自然景观，影响了耕地质量，并造成巨大的经济损失和人员伤亡。

华南理工大学硕士学位论文型进行研究如图 1-3 所示,然而实际中建立真实的数学模型分析该采空区的稳定性比较困难，但是考虑到小规模的顶板冒落一般都是从某一部分的顶板开始，然后扩展到周围岩体，最终发生大规模冒落这一事实，可以将其简化为顶板一矿柱系统如图 1-4 所示
【参考文献】

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本文编号：2847802