金属矿隐覆采空区探测及其稳定性预测理论研究

摘要

矿业对国民经济的增长可谓居功至伟，但是在持续开采地下资源、为工业提供原料的同时，留下了的大量采空区，对人类生产和生活造成严重危害。因此，迫切需要研究采空区探测技术、采空区岩层移动规律、矿柱安全性及采空区稳定时限等基础理论，确保采空区治理和人民生命财产安全。为此，本文以金属矿隐覆采空区探测及稳定性预测的理论研究为题，开展了如下内容的研究：
　　 在全面分析当代采空区探测技术的基础上，从金属矿隐覆采空区特征出发，提出了高密度电法与地震映像法相结合辅以钻孔验证的金属矿隐覆采空区探测方法。采用分形理论对采空区进行了研究，用分形盒维数分析了金属矿采空区复杂程度或不规则程度。利用神经网络的学习和记忆功能，建立了采空区边界的智能预测模型，用以预测未知或仪器测量不到的采空区边界，弥补了测量仪器或工程场地的局限性，为隐覆采空区探测分析提供了极大的便利，同时节省了采空区探测成本，提高了探测效率。
　　 分析了影响金属矿采空区稳定性的内在和外在因素，用物质描述有限元方法对采空区稳定性及其岩层移动特征进行了数值模拟分析，揭示了不同采空区面积、不同顶板高度时岩层应力、应变演化规律。
　　 分析了岩石破坏能量，建立了岩层破坏的能量准则，用数值模拟方法探索了采空区岩层能量释放规律。研究结果显示，随着开挖体积的增加，采空区岩层能量释放率逐渐增大，且岩层能量释放率随采空区体积增加呈二次曲线增长。采空区充填后围岩应力集中得到一定程度的缓解，采空区充填对于减小岩层能量释放率效果显著。
　　 选取影响岩层移动的7个主要因素（矿体上、下盘围岩普氏系数、稳固程度、开采深度、开采厚度、矿体倾角、矿体走向长度和采矿方法）作为输入，上下盘岩层移动角为输出，建立了采空区岩层移动角的神经网络预测模型。工程实例验证结果表明，模型选取的因素合理，预测精度高。应用该模型预测了三山岛金矿开采岩层移动角和大宝山矿27线采空区失稳影响范围，为保障矿山安全提供了理论依据。
　　 采空区形成是岩体多次开挖扰动的结果，岩层变形表现出复杂的非线性力学特性，用混沌理论揭示了采空区岩层变形的复杂过程。根据大宝山矿采空区岩层变形监测数据，建立了采空区稳定时限的灰色预测模型，预测了采空区岩层稳定时限。
　　 根据地下开采设计方法，对采空区中矿柱进行了分类，探讨了垂直矿柱、人工矿柱和和顶板矿柱的安全理论。研究了单排线状垂直矿柱和顶板矿柱强度设计理论，并用矿柱间距与矿柱大小之比R为参数分析了垂直矿柱结构及其合理布置形式（最佳R值宜控制在2.0～3.0之间），同时探讨了金属矿开采人工点柱力学机制，研究了人工点柱强度设计理论。