基于实测的采空区三维建模及其衍生技术的研究与应用

摘要

金属矿床地下开采形成的大量采空区不仅危及矿山的安全，而且对资源的充分回收造成严重的困难。因此，以先进的空区探测系统为手段，开展以空区精密探测为基础的相关技术的研究与应用，已经成为我国金属矿山安全生产所面临的重大前沿研究课题。 本文综合运用理论分析、现场探测、数值模拟等方法，采用采空区精密探测系统(CMS)、矿业软件Surpac、Datamine、Gocad及数值模拟软件Phase<'2>等工具，紧密结合《采空区激光精密探测技术应用研究》和《基于空区精密探测矿床开采贫损控制与矿柱回采中深孔优化设计技术研究》科研课题，针对冬瓜山铜矿及铜坑矿的具体工程实际，开展基于CMS探测的采空区三维模型构建技术的研究，并以此为基础，开展采场边界超欠挖量计算方法、基于空区实测的采矿贫损测定技术、基于空区实测的复杂边界矿柱回采Surpac爆破设计方法及基于实测采空区回采过程数值模拟分析等相关衍生技术的研究。 针对CMS系统后处理软件构建空区三维模型可视化程度低、可编辑能力差等弱点，研究提出了基于实际探测数据的采空区三维实体模型构建技术。在采用CMS数据预处理软件CMSPosProcess对探测数据进行处理的基础上，运用CAD、Surpac、Datamine及Gocad等软件实现了采空区三维模型的构建。 结合冬瓜山矿山工程实际，以实测空区模型为基础，研究形成了一种精确计算采场周边超欠挖量的方法。 研究形成了一种适合冬瓜山矿实际情况的准确测定采场贫损指标的方法，完成了冬瓜山矿52-2<'＃>、52-6<'＃>、52-8<'＃>和52-10<'＃>采场的开采贫损指标的精确测定； 结合铜坑矿开采实际，研究形成了基于空区实测的具有复杂边界矿柱回采Surpac中深孔爆破设计技术，并在Surpac软件中完成了铜坑矿 T505-T506矿柱回采中深孔爆破设计； 研究提出了基于实测的空区回采过程数值模拟分析Surpac与Phase<'2>耦合方法，并成功地应用于冬瓜山矿采场回采过程的数值模拟分析中。 研究成果已经在有关矿山的工程实践中获得了良好的应用效果。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1课题的由来、研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1三维地质模型构建技术研究现状

1.2.2采空区探测技术研究现状

1.2.3数值模拟分析技术研究现状

1.3本文研究的内容、方法及技术路线

1.3.1研究内容和方法

1.3.2研究技术路线

1.4本章小结

第二章基于CMS探测的采空区三维模型构建技术

2.1采空区CMS精密探测技术

2.1.1 CMS基本构成

2.1.2 CMS探测工作原理

2.2采空区CMS现场探测

2.2.1 CMS空区现场探测方法

2.2.2探测采空区及其分布

2.2.3测点基本数据

2.3采空区三维模型构建

2.3.1原始探测数据预处理

2.3.2采空区三维模型Surpac生成

2.3.3采空区三维模型Datamine生成

2.3.4采空区三维模型Gocad生成

2.4采空区体积计算及剖面生成

2.4.1采空区体积计算

2.4.2采空区剖面生成

2.5本章小结

第三章采场边界超欠挖量计算方法

3.1采场探测边界与设计边界平面对比

3.2采场探测边界与设计边界三维对比

3.2.1回采设计单元模型构建

3.2.2采场边界三维对比

3.3采场周边超欠挖量计算

3.3.1采场周边超挖量计算

3.3.2采场周边欠挖量计算

3.4本章小结

第四章基于空区实测的采矿贫损测定技术

4.1基本技术思路

4.2采场底部结构模型构建

4.3回采设计单元纯矿体模型构建

4.4采场内存留矿量计算

4.5贫化率计算

4.6损失率计算

4.7本章小结

第五章基于空区实测的复杂边界矿柱回采Surpac爆破设计

5.1基本技术思路

5.2复杂边界矿柱三维模型构建

5.2.1矿柱概况

5.2.2矿房空区三维模型的构建

5.2.3有关巷道三维模型的构建

5.2.4矿柱三维模型的构建

5.3复杂边界矿柱回采Surpac爆破设计

5.3.1孔网参数的确定

5.3.2矿柱剖面的生成

5.3.3中深孔爆破设计Surpac数据库创建

5.3.4采场和巷道剖面编辑

5.3.5钻机选择及钻机位置确定

5.3.6定义炮孔及装药参数

5.3.7钻孔位置确定

5.3.8钻孔及爆破信息报告生成

5.4本章小结

第六章基于空区实测的采场回采过程数值模拟

6.1数值模拟模型的Surpac与Phase2耦合构建技术

6.1.1耦合模式

6.1.2耦合方法

6.2力学模型与参数

6.2.1计算模型

6.2.2本构模型

6.2.3力学参数

6.3边界条件与初始应力

6.4模拟结果及分析

6.4.1分步模拟及应力分析

6.4.2分步模拟及位移分析

6.5本章小结

第七章全文总结及工作展望

7.1本文主要研究成果

7.2本文的主要创新之处

7.3下一步研究工作展望

参考文献

附录：52-2#采场空区CMS探测部分原始数据

致 谢

攻读学位期间的主要科研成果