矿山采空区稳定性分析及其变形失稳过程可视化仿真研究

摘要

采空区是矿山的主要灾害源之一，易造成如空区坍塌、地表沉陷等灾害，严重影响矿山的安全生产，因此有关矿山采空区稳定性的研究意义重大。为了更合理、更准确地分析采空区的稳定性和全方位、生动地展示采空区变形失稳的具体过程，本文针对获各琦铜矿空区群的工程实际，综合采用岩石力学试验、理论分析、数值模拟与可视化仿真等方法，开展了矿山采空区稳定性分析及其变形失稳过程可视化仿真研究。主要研究内容如下:
　　 (1)确定了研究区域矿岩的岩体力学参数。在开展的密度试验、单轴抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验和三轴试验等室内岩石力学试验的基础上，利用新Hoek-Brown强度准则进行了岩石力学参数工程折减，得出了符合工程实际的矿岩岩体力学参数。
　　 (2)建立了采空区三维几何模型，获取了采空区信息。根据矿区采空区实测图，利用3DMINE软件建立了采空区三维几何模型，获取了采空区的空间分布状态、体积及高度等信息。
　　 (3)完成了采空区稳定性数值模型建立与计算，对采空区稳定性进行了数值分析。利用已得出的岩体力学参数与建立的采空区三维几何模型，基于3DMINE-MIDAS/GTS-FLAC3D软件耦合技术建立了采空区稳定性数值模型;根据计算结果，对各采空区围岩的顶板沉降、最大主应力、最小主应力、剪切及拉伸塑性区状态进行了分析;根据采空区围岩的位移、应力及塑性区状态与采空区信息，建立了“采空区稳定性等级分级标准”，以此标准评定了各采空区的稳定性等级。
　　 (4)建立了采空区变形失稳过程可视化仿真模型，实现了采空区变形失稳过程可视化仿真。在数值模拟的基础上，创新性的实现了软件FLAC3D与EnSight的数据耦合，并利用该技术建立了相应的可视化仿真模型;主要通过可视化仿真动画全方位、生动地展示了采空区周边地质体动态响应过程与典型采空区的变形失稳动态过程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩石力学参数工程折减研究

1．2．2 采空区稳定性研究

1．2．3 可视化仿真技术及其在矿业领域的应用研究

1．3 研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 岩石力学参数试验及其工程折减

2．1 试验制备

2．2 试验内容和结果

2．2．1 密度试验

2．2．2 单轴抗压强度试验

2．2．3 劈裂抗拉强度试验

2．2．4 三轴试验

2．3 岩石力学参数的工程折减

2．3．1 岩体质量分类RMR值

2．3．2 新Hoek-Brown强度准则

2．3．3 新Hoek-Brown准则基本参数的确定

2．3．4 参数工程折减结果

2．4 本章小结

第三章 采空区三维几何建模及其信息

3．1 获各琦铜矿空区群现状

3．2 几何模型的建立

3．2．1 建立方法

3．2．2 采空区几何模型

3．3 采空区信息

3．3．1 采空区三维分布

3．3．2 采空区体积

3．3．3 采空区高度

3．4 本章小结

第四章 采空区稳定性数值模拟分析

4．1 数值模拟方法和软件的选择

4．1．1 模拟方法

4．1．2 模拟软件

4．2 采空区三维几何模型处理

4．3 数值计算模型的建立

4．3．1 3DMINE-MIDAS／GTS-FLAC3D的耦合建模方法

4．3．2 数值模型

4．3．3 模型约束条件及开挖步骤

4．3．4 模型岩体力学参数

4．4 计算结果和稳定性分析

4．4．1 顶板沉降分析

4．4．2 应力场分析

4．4．3 塑性区分析

4．4．4 采空区稳定性等级评定

4．5 本章小结

第五章 采空区变形失稳动态过程可视化仿真

5．1 EnSight软件系统

5．2 可视化仿真模型的建立

5．2．1 FLAC3D与EnSight的耦合建模方法

5．2．2 分步数值计算

5．2．3 分步计算结果中数据的导出

5．2．4 数据转换

5．2．5 EnSight中模型生成

5．3 周边地质体动态响应过程仿真结果和分析

5．3．1 地表位移矢量的动态变化

5．3．2 地表移动速度矢量的动态变化

5．3．3 周边地质体的位移等值面动态变化

5．3．4 周边地质体的位移矢量与位移等值线动态变化

5．4 典型采空区变形失稳动态过程仿真结果和分析

5．4．1 位移矢量与等值线动态变化

5．4．2 位移等值面动态变化

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果