基于CMS实测的采空区群稳定性数值模拟研究

摘要

岩体开挖将导致地应力释放，可能会造成围岩失稳和破坏。由于岩体具有非线性特征，不同的加载路径和岩石力学参数，将使岩体产生不同的力学响应。数值模拟方法在研究地下采空区围岩稳定性方面具有十分明显的优势，已逐渐成为空区稳定性定量评价不可或缺的重要方法。在进行空区稳定分析时必须对空区围岩的地质状况、赋存状况，岩体的开挖形态、空区的空间位置有清楚的认识和准确的了解，建立“可信”的，可供计算分析使用的地质模型，这是进行空区稳定性数值模拟稳定分析的前提。 准确建立力学计算模型是岩土工程稳定性数值模拟研究的基础。采空区的实际三维形态和准确的空间位置是影响采空区稳定性数值模拟可靠性的重要因素。然而，在传统的采空区稳定性数值模拟中，往往将采空区的形态视为空区开挖设计时确定的规则形态，或者是利用人工的简化模型进行模拟，严重影响了数值模拟结果的可靠性。本文应用空区激光三维精密探测系统(Cavity Monitoring System，简称CMS)，精确地获取了空区的三维形态和准确的空间位置，并借助于大型三维矿床软件SURPAC建立起了空区的三维形态模型，研究提出了一种空区稳定性数值模拟建模的SURPAC和FLAC<'3D>耦合方法，形成了基于实测的采空区稳定性数值模拟耦合新技术，有效地提高了采空区稳定性数值模拟结果的准确性和可靠性。该技术已在铜坑矿西南采区的采空区群稳定性数值模拟研究中成功应用，验证了该技术的有效性和可靠性，从而为采空区群稳定性数值模拟研究开辟了一条新的有效途径。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2课题的由来、研究目的和意义

1.3国内外研究现状

1.3.1采空区探测研究现状

1.3.2采空区稳定性数值模拟研究现状

1.3.3初始地应力研究进展

1.4本文研究的内容及技术路线

1.5本章小结

第二章采空区三维精密探测

2.1采空区三维探测工具CMS简介

2.1.1 CMS系统基本组成

2.1.2 CMS工作基本原理

2.1.3 CMS系统工作数据流

2.2采空区CMS现场探测

2.3 CMS原始探测数据预处理

2.4本章小结

第三章基于实测的采空区群稳定性数值模拟基础模型的构建

3.1三维矿床建模软件SURPAC简介

3.1.1 SURPAC实体模型及其构建特点

3.1.2 SURPAC块体模型及其构建特点

3.2基于SURPAC的基础模型构建

3.2.1地表实体模型的建立

3.2.2基于CMS探测的采空区SURPAC实体模型的构建

3.2.3岩层实体模型的建立

3.2.4块体模型的建立

3.2.5建立约束文件对块体模型单元块属性赋值

3.3本章小结

第四章基于基础模型的FLAC3D数值计算模型的构建

4.1三维建模软件与数值模拟软件的耦合方式

4.2 SURPAC软件可视化网格与FLAC3D软件数值计算网格

4.2.1 SURPAC软件可视化网格

4.2.2 FLAC3D软件数值计算网格

4.3 SURPAC与FLAC3D数据文件格式及转换程序的研制

4.3.1 SURPAC与FLAC3D数据文件的格式

4.3.2模型转换程序的研制

4.4基础模型导入FLAC3D

4.5本章小节

第五章基于快速应力边界法的初始应力场模拟研究

5.1初始应力场研究理论

5.2初始应力场模拟方法

5.2.1常用数值计算软件初始应力场模拟方法

5.2.2快速应力边界法(S-B法)地应力场拟合法

5.3铜坑矿初始应力场模拟

5.3.1模拟方案

5.3.2计算参数及约束条件

5.3.3 Mohr-Coulomb本构模型

5.4初始应力场模拟结果

5.5本章小结

第六章采空区群稳定性数值模拟分析

6.1采空区群稳定性模拟计算

6.2模拟结果分析

6.2.1位移场分析

6.2.2应力场分析

6.2.3塑性区分析

6.3采空区稳定性评价

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1全文结论

7.2主要创新点

7.3下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要科研成果