基于固液相耦合理论的矿山井下泥石流液化机理研究及无量纲分析

摘要

地下开采是一个动态变化的过程，其上部围岩和覆盖层受到频繁的采矿活动的扰动和破坏而发生崩落，上层土壤沿着塌陷产生的缝隙进入地下采场，与矿石混合在一起。这种现象在无底柱分段崩落采矿方法中表现的尤为突出。在雨季，随矿山围岩崩落的上层覆盖物和土壤吸水饱和，在爆破动载荷作用下可能产生液化并涌入采场，形成井下泥石流，给矿山的安全生产带来重大危害，如果能够及早的发现并预防，则可大大减低经济损失，并保障人员安全。本文参考国内外对地震引发的沙土液化机理分析的文献，结合矿山爆破震动的特殊性，分析了井下泥石流的形成机理，并通过无量纲分析，计算了大量的数据，目的就是为了研究在动载荷作用下饱和岩土液化的机理，分析爆破动载荷与井下泥石流的关系，对雨季中矿山的采矿及回采工作提供安全依据。本文首先分析了引起沙土液化的一般机理及影响沙土液化的因素，从数值模拟角度提出了沙土液化的判定方法，其次介绍了本文数值模拟的基本原理：基于饱和两相介质的固液耦合模拟方程及数值模拟方法，论文对引起矿山沙土液化的各个因素进行了无量纲分析，并运用OPENSEES有限元数值模拟，综合分析了在各个因素的变化下，饱和沙土的液化情况，得出了无量纲分析图。最后，结合实例，以多次发生井下泥石流的程潮铁矿为例，详细分析了井下泥石流的形成因素，计算结果表明，爆破动载荷对泥石流存在直接影响，数值模拟与程潮铁矿泥石流成因相吻合，对矿山安全生产工作提供了依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1研究意义

1.2国内外研究现状

1.3研究方法分析

1.4论文主要研究内容

第二章 矿山井下泥石流形成机理研究

2.1液化的基本原理

2.2矿山井下泥石流形成的影响因素分析

2.2.1地形条件

2.2.2地质条件

2.2.3水源条件

2.2.4矿体条件

2.2.5物理因素

2.2.6人为因素

2.3液化的判定准则

2.4爆破震动波模拟

第三章 沙土液化的数学模型

3.1孔隙介质的平衡方程

3.2饱和两相介质动力学问题的数值解法

3.2.1有限差分法

3.2.2有限元法

3.2.3混合元法

3.3基于有限元分析的液化本构模型

第四章 无量纲分析与有限元模拟

4.1无量纲分析原理

4.2液化本构模型无量纲化

4.3有限元模拟

4.3.1单个单元数值模拟

4.3.2固定弹性模量E和时间t，改变加速度a

4.3.3固定加速度a和时间t，改变弹性模量E

4.3.4固定性模量E和加速度a,改变时间t

4.3.5改变弹性模量E，加速度a,做无量纲分析

4.3.6示例

第五章 工程实例分析

5.1矿区地质及水文地质概况

5.1.1矿区地质条件

5.1.2矿区水文地质条件

5.1.3岩层的富水性

5.2影响因素

5.2.1井下泥石流的固体物质来源

5.2.2井下泥石流形成的水源条件

5.2.3泥石流的通道

5.2.4采矿活动的影响

5.3有限元计算模型及结果分析

5.4矿山井下泥石流的防治措施

第六章 总结

参考文献

附录

致谢

硕士期间发表论文