基于AHP的采矿方法模糊评价优选及开采动态模拟研究

摘要

地下矿体的开采有着悠久的历史，进入二十一世纪以来，地下采矿面临着许多新的挑战，如采矿深度增加，难采矿床增多，安全、环境问题日趋严重等。因此，地下采矿必须以现代科学技术为武器，开辟新的道路。地下矿体开采是一个相当复杂的系统工程，从矿区地质勘察、开采方法的选择到具体施工设计，都既要保证地下空间的安全与稳定，又要使整个回采过程经济、高效、环保及可持续发展。必须用系统论的原则、多目标决策理论、数值模拟方法才能解决地下开采围岩稳定性定量评价及采矿设计优化问题。本文以某铁矿地下开采采矿方法选择及开采对地下空间稳定性影响为研究背景，首先采用层次分析法进行了开采沉陷影响因素模糊评价分析及开采方案模糊评价优选，进而详细阐述了各种围岩稳定性分析方法、三维弹塑性非线性有限元数值模拟的相关强度理论和地下开采动态模拟的ANSYS实现方法。采用弹塑性应力-应变关系和Drucker-Prager屈服准则建立三维有限元模型，通过大型通用有限元软件ANSYS对地下矿体阶段中矿块回采顺序进行了优化研究，得出了有利于围岩稳定的回采顺序。在此基础上，基于围岩稳定性对矿体顶板厚度50m以上房柱法矿体回采、矿体顶板厚度30m以下充填法矿体回采和薄顶板矿体充填法回采进行了系统的数值模拟优化研究和论证，得出了有利于施工和动态回采的多个结论，对于矿山采矿施工设计具有重要的指导作用。主要研究工作如下： 1、阐述了各种围岩稳定性分析方法、围岩稳定性判据和岩体强度准则，在此基础上，根据莫尔一库仑强度理论并结合有关数学知识，推导并引入SF1和SF2两个安全系数，分别代表了围岩受剪和受压破坏的可能性，与模拟计算所得到的位移量、塑性区、主应力及拉应力大小及分布等强度判据和变形量判据一起作为评价围岩稳定性指标更加直观实用、全面可靠。 2、介绍了Drucker-Prager准则换算成莫尔一库仑等面积圆DP准则的具体方法和意义，通过变换c、ψ值，使采用DP模型计算结果与使用莫尔一库仑等面积圆DP准则计算结果相等，也就和采用莫尔一库仑准则计算结果相近，从而提高数值模拟准确性，以便有效判断围岩稳定性，定量上指导开采设计与施工。 3、论述了用层次分析法(AHP)进行开采沉陷影响因素分析及采矿方法模糊评价和优选的基本模型，评价因素的选取与指标体系的构建，着重介绍了模糊评价中权重、隶属度的确定方法，为开采沉陷主要影响因素的确定及采矿方法的评价优选提供了一种比较符合实际、更科学可靠的方法。 4、地下开采中地压分布与转移随开采空间变动而变动，不同的开采顺序会带来不同的围岩稳定性。本文从围岩稳定性出发，结合安全系数，对三种阶段中矿块开采顺序(从中央到两翼、从两翼到中央、从一翼到另一翼)进行了数值模拟分析研究，寻找到最有利于围岩稳定的阶段矿块开采顺序，从而使地下开采顺序选择从传统经验法上升到有限元数值模拟定量分析及优化阶段。 5、地下开采实施过程复杂，仅优选了采矿方法还远远不够，地下开采施工及动态模拟的目的是进一步优化初步设计参数及指导采矿方案的实施。为此，基于围岩稳定性，对房柱法中锚固连续矿柱及改进采场断面形状进行了模拟优化分析；对充填法中矿房、矿柱二步采的初步设计参数进行了模拟分析，同时对采场不同充填程度进行了全面系统的对比研究；对薄顶板矿体回采，考虑对顶板锚固并进行了模拟研究论证。所有这些研究对维护采场围岩稳定性，有效进行地压管理及提高回采率等提供理论依据。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

第2章地下工程围岩稳定性分析方法及围岩稳定性判据

第3章三维弹塑性非线性有限元分析及地下开采动态模拟ANSYS实现

第4章基于层次分析法的开采沉陷影响因素分析及开采方案模糊评价优选

第5章基于围岩稳定性的阶段中矿块开采顺序优化

第6章地下矿体回采动态模拟优化研究

第7章结论与展望

参考文献

攻读学位期间的科研成果

致谢

附录