（采矿工程专业论文）无底柱分段崩落法采动地压规律分析及控制方法研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 地压问题是困扰采矿正常生产的主要问题之一，由于其形成机理复杂，地压理论研究 的学术进展与具体的工程实践指导还相距较远。因此，有必要对在实际工程中地压形成的 规律及其控制技术做进一步的研究。 本文是为了解决程潮铁矿一4 3 0 i i l 水平东西区贯通所带来的地压显现问题而提出的。 针对无底柱分段崩落法采矿方法地压显现严重、回采困难等问题，主要开展了如下研究工 作： 首先，根据东西区矿床工程地质环境调查，采用r m r 岩体分类方法和高地应力条件 下适应性较好的q 系统，对深部围岩进行工程分类。调查与分析东西区相邻部位开采过程 中地压宏观规律。其次以程潮铁矿矿区为研究对象，采用f l a c 3 0 对一4 3 0 m 水平的地压分布 规律进行分析得出，当东西区在一4 3 0 m 水平合二为一时，东西区结合带将出现应力集中 的情况。为避免应力集中现象的产生，运用f l a c 5 0 对三种回采方案进行优对比模拟。结 果表明，从中部开始，向东西区同时掘进，同时回 采能有效地避免地压应力集中。并提出了一系列如巷道维护、回采方案、支护方案等 行之有效的地压综合控制方法。 本文在复杂矿体模型的建立、计算、后处理，以及地压的综合控制技术方面作了一些 探索性工作。研究方法和许多成果对其它类似矿山具有有一定的指导作用和参考价值。 关键词：无底柱分段崩落法；岩体分级；数值模拟；应力集中；地压控制方法 a b s t r a c t m i n eu n d e r g r o u n dp r e s s u r ei so n eo ft h em a j o rd i s a s t e ro b s s e s s i n gn o r m a ld e e pp r o d l l c t l o n a tm em i n e s d u et oi t si n t r i c a t ed e v e l o p i n gm e c h a n i s m ，i th a ss e v e r a le x t e n tb e t w e e n m i n e 鲫眦dp r e s s u r es c i e n c ea n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a s ar e s u l t ，i ti sn e c e s s a r yt on l n l l e rm s c u s s m i n eg r o u n dp r e s s u r e sf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o lt e c h n o l o g y n i st o p i ci sp u tf o r w a r dt os o l v i n gt h eu n d e r g r o u n dp r e s s u r ep r o b l e m so f 一4 3 咖l e v e l j u n c t i o nb e l ti nc h e n g c h a oi r o nm i n e a c c o r d i n gt ou n d e r g r o u n dp r e s s u r ep r o b l e ma n dh a r d e x t r a c t i o no fs u b l e v e lc a v i n gm e t h o d ，p r i m a r yw o r kd o n e i ss e tf o r t ha sf o l l o w s ： f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs y s t e m a t i c a le n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u r v e y , qs y s t e m w l l i c hi sw e l la p p l i c a b l et ot h ec o n d i t i o n so fh i g hs t r e s sf i e l da n dr m r m e t h o da r ea p p l i e dt o r o c ke i l 西n e e r i n gc l a s s i f i c a t i o n r e s e a r c ho b j e c ti s 一4 3 0 ml e v e ls p e c i m e n s - w h e nt h e w e s ta e r a c o 埘i b i i lw i t he a s ta e r aa t - - 4 3 0l e v e l ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ns t a t ew i l la p p e a r i nj u n c t i o nb e l t t ba v o i ds 勺r e s sc o n c e n t r a t i o n ，t h r e ee x t r a c t i o ns c h e m ew e r es i m u l a t e db yf l a c 5 0 t h e r e s u l t s s h o wt h a t m i n ei se x t r a c tf r o mc e n t r et ob o t hs i d e sa tt h es a n l et i m ec a ne f f e c t i v e l ya v o i d t h e s t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dp r e s s u r e s o m eu n d e r g r o u n dp r e s s u r ec o n t r o lm e t h o d sa r ep r o p o s e d s u c ha s e x t i a c t i o ns c h e m e ， s u p p o r t i n gs c h e m e i t i si n n o v a t i v ei nm o d e l i n g ,s i m u l a t i o r t , 口o s t p r o c e s s i n gf o rc o m p l e xd e p o s i t sa n du n d e r g r o u n dp r e s s u r ec o n t r o lt e c h n o l o g y , r e s e a r c h m e t h o d sa n da c h i e v e m e n t sh a v eg u i d i n gr o l ea n dr e f e r e n c ev a l u e f o rs i m i l a rm i n e k e yw o r d s ：s u b l e v e lc a v i n gm e t h o d ；r o c km a s sc l a s s i f i c a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ；u n d e r g r o u n dp r e s s u r ec o n t r o lm e t h o d s 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：囊趁日期：丝窆垒：三 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 无底柱分段崩落采矿法“q 1 ，如图1 1 ，因其回采安全，结构简单、标准，机械化程度 高采准工作量小，回采强度大，出矿效率高等突出优点，自上世纪6 0 年代从瑞典引入我 国以来，在盒属矿山，特别是大储量、厚矿体，不很贵重的铁矿开采中得到广泛应用。为 使这一采矿方法更好地适合我国国情，提高采矿强度，降低生产成本，减少损失贫化，高 校、矿山、设计研究单位的科研人员开展了一系列研究丁作，使这一方法逐步成为铁矿开 采的主力方法，占了矿石产量的8 0 。无底柱分段崩落采矿法因为是在进路中凿岩、爆破 和出矿，相对空场法等其他大面积暴露的采矿方法而言，对矿石的稳固性要求要低些。但 在地压较大，矿石稳定性差的条件下应用仍较困难。由于原先对无底柱分段崩落法适应条 件及相关配套措施要求的准备不足，随着开采水平的不断下降。许多矿山己不同程度的出 现了地压问题，影响采掘计划的完成。甚至造成采掘失调，矿石损失贫化严重，生产成本 加大。如国内的张家沣、玉石洼、金山店等铁矿都不同程度地出现了地压问题。所以， 在地质条件复杂，矿山压力严重的矿t h ，如何保证无底柱分段崩落采矿法的顺利实施己 成为采矿工程面临的严重课题。 图1 1 无底柱分段崩落法 1 2 国内外研究现状 1 2 1 无底柱分段崩落法研究现状 无底柱分段崩落法是二十世纪五十年代以来随着新的采矿工艺和设备的出现而逐渐 发展起来的一种高效率、高度机械化、结构简单、生产安全、成本鞍低廉的采矿方法。这 种方法自六十年代咀柬，在国内外得到了广泛的应用、该采矿方法以分段巷道将阶段划分 为分段后，自上而下地进行分段回采，随着矿石的放出，采空区随即被覆盖岩石所充填。 它的特点是分段下部没有漏斗放矿的底柱。 无底柱分段崩落法是在松散岩石的覆盖条件下进行放矿、落矿等回采工作的。所以损 磷萝 *#* n 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 失贫化大是这种采矿方法存在的主要问题之一。废石与矿石直接接触是损失和贫化的根 源。为此，应当把降低矿石损失、贫化作为改进矿山工作及提高经济效益的重要环节，从 采用先进开采技术和加强科学管理两方面，寻求降低矿石损失贫化的有效措施。 矿石爆破是放矿的前提，因此许多专家学者对爆破参数优化进行了研究，主要集中在 爆破理论与扇形中深孔挤压爆破，扇形中深孔孔底起爆技术研究，微差爆破技术研究，等 等。 以上研究工作对爆破理论和爆破技术均进行了较为深入的研究，但研究属于针对改善 爆破效果的局部优化，缺乏对回采系统的系统研究，如果控制不好甚至会造放爆破性损失 贫化问题。 现阶段，国内无底柱分段崩落法的技术水平和技术参数情况为：阶段高6 0 , - - 1 2 0 m ，矿 块长度为5 0 - 9 0 m ；分段高度8 1 5 m ，进路间距1 0 1 5 m ，崩矿步距为1 8 3 0 m 。回采进 路在分段间菱形布置、巷道断面为( 3 4 5 ) m x ( 3 3 5 ) m ，垂直扇形中深孔落矿，一般为 低端壁放矿。主要采掘设备有：气腿式凿岩机、液压凿岩台车、电动铲运机、柴油铲运机、 风动装药器等。 国外无底柱分段崩落法正朝着“两大一高一减少”的方向发展，即采用天结构参数、 装备大型高效设备、高强度开采、减少采准工程量。其结构参数由( 8 1 2 ) m x1 0 m 发展为 2 0 x 2 5 m 、2 5 x 3 0 m 。代表性矿山有：瑞典的l k a b 公司的k i r u n a 铁矿和m a l m b e r g e t 铁矿 等。 我国采用无底柱分段崩落法的矿山也正朝着增大结构参数的方向发展。代表性矿山 有：程潮铁矿、梅山铁矿、镜铁山铁矿、北铭河铁矿等。 国内外都认识到加大结构参数的重要性和优越性，都做了这方面的研究工作。国外是 向大间距方向发展。大间距、高分段两种结构形式均具有节省采准工程量、一次崩矿量大、 采矿强度高等优点，但在具体操作过程中却有很大不同，相比之下，大间距是一种较好的 结构形式，便于在国内推广。 有关崩落矿岩的流动特性与移动规律研究方面的研究较多，代表性研究成果有：放矿 椭球体理论、随机介质放矿理论、振动出矿技术、结构参数优化研究、计算机数值模拟研 究、松散介质力学理论在放矿中的应用研究圈以及低贫化或无贫化放矿研究，等等。 波兰j e r z yl i t w i n i s z y n 、前苏联b b 库里柯夫、我国的王永嘉、任凤玉等人，将概率论 方法用于分析散体的运动过程，建立了散体运动的随机介质放矿理论。散体运动的随机介 质理论最早由波兰j e r z y l i tl i n i s z y n 教授于19 5 6 年提出，他应用概率论方法给出了散体运 动的微分方程圈；1 9 6 2 年，我国东北工学院王泳嘉教授给出了放矿平面问题的理论方程， 1 9 7 2 年，前苏联b b 库里柯夫又将平面问题扩展为空间问题。在上述随机介质理论中， 放出体形状为下粗上细与实际不相符合。随后东北大学任凤玉教授将随机介质方法与散体 流动的实际物理过程相结合，对各种边界条件的散体运动过程建立了系统的理论方程，引 入两个反映散体流动特性的参数，使放出体形态与实际相符，完善和发展了该理论体系， 使该理论在实际应用方面向前跨进了一大步。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 古德生、李觉新、吴爱祥等人在振动出矿技术研究方面；d 撕dj o l l e y 、熊国华、王泳 嘉、李晓枫、刘兴国、任风玉、董振民、王昌汉等人以及马鞍山矿山研究院地采室等单位 在放矿计算机模拟研究方面；前苏联的x a 巴尔哈夫、我国的王昌汉、吴爱祥等人在放矿 松散介质力学研究方面；刘兴国、任凤玉、张志贵等人在无贫化或低贫化放矿研究方面； 董振民、刘兴国、鞠玉忠、任风玉、张国联等人以及马鞍山矿山研究院地采室等单位在结 构参数优化研究，尤其是大结构参数优化研究方面均进行了大量研究工作，取得了突破性 进展。 崩落矿石流动性等方面的研究比较系统，形成了指导采场结构参数优化和放矿工艺方 法的放矿理论。但该理论研究工作处于对问题的局部优化，基本上以崩落矿岩流动的几何 形态变化和放矿运动学为特征的规律研究为主，采场结构参数的优化考虑放出椭球体空间 几何关系较多，缺乏对崩落体及其回采系统的内在联系与相互影响研究，理论与实际存在 一定差距，损失贫化问题解决得仍不够理想。该理论需要在回采系统整体研究和将崩落体 实际形态对放矿效果的影响等两个方面进一步完善。 随着人们对管理工作的认识逐渐加深，有关回采过程管理方面的工作也逐步展开。相 关的工作主要集中在放矿控制和计算机辅助技术管理两个方面，开发了适用于无底柱分段 崩落法的计算机辅助技术管理专家系统，能够处理和储存回采技术信息及矿量信息，并依 据这些信息给出最合理的出矿方案。 刘兴国、苏宏志等人在出矿管理方面，开展了大量研究工作，提出了均匀出矿，按截 止品位进行放矿管理的出矿方式。在此基础上刘兴国、任凤玉等人又提出了“无贫化、低 贫化 放矿方式，推动了我国出矿管理研究的进展。 刘景秀、许德明等人对计算机辅助技术管理和辅助设计进行了研究，促进了无底柱分 段崩落法科学化管理。 借助先进的计算机辅助采矿过程中的技术管理，可以显著提高矿山技术管理水平。一 种适用无底柱分段崩落法的计算机辅助技术管理专家系统，能够处理和储存回采技术信息 及矿量信息，并依据这些信息给出最合理的出矿方案。该系统向回采过程智能化迈进了一 步。 回采系统是个系统工程，信息化管理前景广阔。整体优化的实现，离不开以计算机技 术为依托的信息技术，以适应回采过程的动态管理。 在放矿工艺方面，：在截正品位放矿管理的基础上，提出了无贫化或低贫化方矿方式。 过去，人们在确定结构参数和制定出矿管理措施时，总是设法减少甚至试图避免矿石残留 体的产生。现在，设法利用矿石残留体达到降低损失贫化的目的，使研究工作不断深化， 对端部放矿矿岩移动规律有了新的认识。 目前，我国无底柱分段崩落法放矿，普遍单一使用截止品位出矿方式。除截止品位外， 还有几种具有代表性的出矿方式，如无贫化放矿、矿石垫层下放矿、截止品位组合放矿等。 有关崩落体研究，是无底柱分段崩落法研究的新方向。在这一方面，张国建、郭连军 等进行了开创性工作，不仅首次提出了崩落体的概念，而且进行了水泥沙浆模型实验，还 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 分析了崩落体对整个回采过程的影响，为回采过程系统优化和研究提供了新思路。从爆破 入手，对放矿对象一崩落矿石的形态及其对矿石，损失贫化的影响进行了理论分析、小型 试验和工业试验。提出了矿石崩落体的概念，确定了崩落体的形态，指出放出体一松动体 一崩落体是相互联系的整体，研究放矿问题应把放矿和爆破崩矿进行综合研究。 该研究方向正处于逐步完善阶段，但具有极高的理论意义和现实意义。 1 2 2 地压形成机理 很长一段时间人们习惯地把围岩作用于支架上的压力称为地压，这是传统的“狭义地 压 的概念嵋一1 ，这个概念是不完整的。从根本上来讲，地应力是所有地下工程，包括地 下采场、巷道地压显现的根源。地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力口1 。在 没有开挖工程扰动的情况下，岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖，打破了原 始平衡状态，导致地应力的释放，从而引起岩体的变形和向自由面的位移，引起围岩应力 的重新分布。围岩的过量位移和应力的集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏这就是 地压产生的过程和机理。因此从本质意义上来定义，地压就是岩体因受开挖扰动而产生的 力学效应。它与岩体的受力状态、岩体结构和质量、岩体物理力学性质、工程地质条件以 及时间等因素有关。“地压显现”可以表现为各种不同的形式，如岩体变形、微观或宏观 破裂、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒顶断面收缩、支架破坏、采场垮落等等。地压显现 的形式和程度由上面所述的各个因素所控制和决定。 1 2 3 地压控制技术 地压控制是采矿设计和采矿过程中的重要问题之一，其核心是采取一切手段保持和提 高围岩的强度，以确保开采系统的稳定性。目前对地压控制技术的研究主要包括下述几个 方面。 1 ) 岩石力学基本性质的研究 重点解决岩体不均匀性、不连续性和随时间变化的特性带来的问题。岩石力学试验的 对象从岩块到岩体、从常规的岩石力学参数试验到研究岩体的应力应变关系和变形一破 坏机理。如利用各向等压或各向不等压的高精度伺服控制的刚性试验机来进行三轴试验， 以研究岩石的强度和应力一应变全过程阳1 ；野外利用承压板变形试验、水压法变形试验； 利用统计学的方法来研究岩体的几何特性；岩石在长期载荷作用下以及反复载荷作用下的 强度和变形性质，以及大范围岩体及天然结构面的几何特性与本构方程、岩体强度变形等 尺度效应的试验、声波探测技术和声发射技术测定力学参数和地应力等方面的研究。 2 ) 地下岩体工程数值模拟的研究 用数值模拟方法呻1 对岩石开挖工程进行计算分析始于2 0 世纪6 0 7 0 。年代，最初应用 比较广泛的是有限单元法和边界单元法，随着人们对岩体的非连续性认识的不断深入，以 后又相继推出了离散单元法、拉格朗日元法、非连续变形分析和流形元法等数值模拟分析 方法。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 有限单元法n 们是由m j t u m 卿r w c l o u g h 于1 9 5 6 年提出的。1 9 6 5 年，o d z i e n k i e w i c z 将有限单元法用于以变分原理为基础的问题n 1 1 2 1 ，从而使有限单元法有了坚实的数学基础。 2 0 世纪6 0 年代以后，随着电子计算机的飞速发展和广泛应用，有限单元法得到了迅速的发 展和完善，并用于处理各种复杂的工程问题。 在有限单元法出现之前，有限差分法n 3 1 是工程应用的主要方法，但主要用于解决弹性 平面问题。近年来基于有限差分法显式算法的快速拉格朗日分析程序f l a cn 4 慷1 ( f a s t l a r g r a n g a na n a l y s i so f c o n t i n u a s ) 在采矿和岩土工程中得到了较为广泛的应用。 边界元法n 力是上世纪7 0 年代兴起的一种数值方法。也是连续介质的分析方法，但和有 限单元法及有限差分法不同，它属于连续介质积分法。j m c r o t t y f f 【l l j w a r d l e 于1 9 8 5 年提 出了能分析含有连续弱面的非均匀介质的边界元程序，但也只能考虑少数几条控制性不连 续面和几种规则划分的不同介质。边界元法在采矿工程的设计计算中，尤其是充填体 岩体工程设计计算中，效果不太理想。 离散单元法n8 憎1 是一般散体单元法的一个分支，是不连续介质的分析方法，是由c u n d a l l 等人于1 9 7 1 年首先提出来的。目前，应用最为广泛的三维离散元程序是由i t a s c a ( 1 9 9 4 ) 开发的3 d e c ( t h et h r e e d i m e n s i o n a ld i s c r e t ee l e m e n tm e t h o dc o d e ) ，相应的二维程序为 u d e c ( u n i v e r s a ld i s t i n c te l e m e n tc o d e ) ，它们均已成功地应用于边坡、地下矿山及地震过 程、核废料处理等的研究。 另外还有不连续变形分析方法、无界元法、刚体节理元法等数值分析方法，在此不一 一介绍。 如表1 1 所示，上述各种数值分析方法无论从基本原理、求解方式及离散方式都各有其 特点，适用情况也各有不同。 表1 1 常见几种数值模拟方法 我国岩土工程应用有限元计算分析起步较晚，最初由刘怀恒利用有限元方法计算采矿 问题( 1 9 7 9 年) ，并开发了一套考虑弹性、弹塑性、断层、开挖等因素的二维有限元程序n c a p - - 2 d ，后来北京大学王仁、殷有泉开发了一套可以用于岩土工程的n o l m 8 3 软件；同济大 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 学孙钧也提出了考虑流变性态的有限元方法、但这些软件都是平面的。后来国内有的单位 开发了三维有限元程序，如中国科学院武汉岩土力学研究所以葛修润为代表开发了三维非 线性有限元程序，西安矿业学院的刘怀恒开发了三维有限元程序n c a p 一3 d ，华北水利学院、 中国科学院地质研究所、清华大学水电系都相继开发了适合于工程的三维有限元程序。近 年来，东北大学唐春安等也开发了岩层断破过程分析程序( s f p a 3 d ) 。 表1 2 列出了目前国际上已开发的有关岩土的大、中型软件，其中f l a c 是美国明尼苏 达i t a s c a 咨询集团开发的数值分析软件，它包括f l a c 2 d 软件和f l a c 3 d 软件，它是一种 显示有限差分程序，同以往的差分分析相比，它不但能处理一般的大变形，而且能模拟沿 某一弱面产生的滑动变形，对不同的材料特性，使用相应的本构方程来比较真实的反映实 际材料的动态行为，较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性 流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳。f l a c 软件问世以来，得到广大岩土工程计算者 的推崇。 3 ) 地下岩体工程相似材料模拟的研究 相似材料模拟啪 2 羽是以相似理论、量纲分析作为依据的实验室研究方法，广泛应用于 水利、采矿、地质、铁道等部门。 表1 2 各种数值模拟软件功能对比表 国外一些国家对相似材料模拟试验方法在生产、科研中的应用十分重视，前苏联、德 国、澳大利亚、波兰等国在矿山压力现象的研究中大量采用相似材料模拟方法，对发展此 法起了重要作用，如德国埃森岩石力学研究中心在面积为2 m 2 m 的巷道模型及长达1 0 m 的 采场平面应变模拟试验台上，施加千余吨的外载，取得了支架与围岩相互作用关系的情况。 前苏联矿山测量研究院应用相似模拟方法研究采动后的岩移情况，结果与实地极为相似， 另外意大利使用砌块粘合成的拱坝所展开的实验研究也获得了成功。 我国许多高等院校，如中国矿业大学、河北建筑科技学院、淮南上学院、重庆大学、 辽宁工程技术大学、山东科技大学、中国科学院地质研究所等均各有侧重的发展了矿山压 力模拟研究，从相似材料力学性质的研究至建立各种平面、立体的模拟试验台，以及实验 数据的计算机收集及处理方面均有长足的进展。比如中国矿业大学建立了平面和三维相似 材料模拟模型，平面模型体尺寸3 2 m 0 4 m 1 6 m ，采用液压加载系统加载，数据的采集 采用7 v 1 4 数据巡回检测仪采集和记录试验数据，可进行平面应变实验和平面应力实验。河 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 北建筑科技学院的平面应变试验台尺寸为5 2 8 m 2 5 m 0 3 m ，顶部和侧面安装有油缸，可 同时提供三组不同的顶压与侧压，能够在岩层移动后长时间稳压和保压，以利于模拟各类 复杂条件下的工程问题。中国科学院地质研究所的三维模型实验台尺寸为2 7 m 2 7 m 2 0 i i l ，大二维模型实验台尺寸为2 4 m x 2 o i l l ，采用千斤顶组成的液压式机械加压系统加载， 采用7 v 0 7 数据巡回检测仪采集监测信息，采用白光散斑干涉仪无接触测量模型表面位移。 相似材料模拟试验自1 9 5 6 年开始在我国应用，目前己发展了半个世纪，近年来，相似 材料模拟试验在矿山地压研究中更加焕发出了勃勃生机，并取得了十分可喜的研究成果， 比如黎良杰等对采场底板突水进行的相似材料模拟研究，探索了采场底板突水机理 ( 1 9 9 6 ) ；潘一山等根据地下硐室岩爆问题的模拟研究，提出了模拟不同类型岩爆的相似系 数( 1 9 9 7 ) ；邓喀中等通过对采动岩体破裂规律的相似材料模拟实验研究，获得了岩体破裂、 离层裂缝发育及采动岩体碎胀的规律( 1 9 9 8 ) ；张俊英通过对多煤层条带开采的相似材料模 拟研究，揭示了多煤层条带开采的移动变形规律( 2 0 0 0 ) ；谭志样等通过对放顶煤开采时地 表及基岩面移动规律进行的相似材料模拟研究，获得了放顶煤开采条件下地表及基岩面的 移动变形规律和主要参数( 2 0 0 0 ) 。于广明对地层沉陷进行了相似材料模拟，发现了地层沉 陷中的突变规律( 2 0 0 1 ) 。分别对山区地表移动、冲击矿压、特厚煤层放项煤规律等进行了 相似材料模拟研究，另外，我国对长江三峡船闸高边坡、二滩电站、长江链子崖高陡边坡、 三山岛金矿、峨口铁矿、抚顺西露天矿边坡等都进行过大型相似材料模拟试验研究。 尽管相似材料模拟实验在我国矿山的应用比较广泛，但也存在不少问题，虽然建立了 一些平面应变模型实验台，但平面应变模型实验在测量位移方面存在不少困难，同时也不 便于在其中进行开挖、充填作业；采用三维相似材料模拟实验时，模型内部开挖问题并没 有得到很好的解决；相似材料模拟实验的整体试验精度有待于进一步提高；预埋传感器数量 少，能提取的模型内部信息极为有限。今后的发展趋势之一是采用地质探地雷达等测试技 术用于大型三维相似材料模型试验。但无庸质疑，相似材料模拟实验在地压控制研究中的 重要地位是非常显著的。 4 ) 非线性分析方法 与非线性复杂现象有关的非线性科学( 包括耗散结构理论、协同论、突变论、混饨学、 分形几何等) 己不同程度地渗入到岩石力学领域。 其中突变理论瞳3 2 4 1 是法国数学家r e l l e n o m 创立于上世纪六十年代，上世纪七十年代 中期，“突变热 席卷世界学术界，不仅波及数学界，也波及物理、化学、工程界，更在 生物学界和社会科学界掀起了一场轩然大波。 突变理论的实质就是揭示事物的质变方式是如何依据条件变化的。突变理论的主要方 法是将各现象归纳到不同类别的拓扑结构中，讨论各类i 临界点附近的非连续性态特征，从 而比较有效地解决光滑系统中可能出现的突变问题。突变理论特别适合于内部作用尚属未 知系统的研究。 突变理论的创立虽然时间不长，但在许多学科中都有成功的应用先例。例如c u l l i t t 和 s h a w ( 1 9 7 6 ) 用突变理论定性地解释了地层沉积过程；h e n l e y ( 1 9 7 9 ) 研究地壳中断层运动问 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 题，并提出了一个定性的突变模型；f o t i e r - f e r r y ( 1 9 8 5 ) 用突变理论解释了一些线弹性断裂 力学和塑性力学中失稳的现象，指出保守系统仅有的几种失稳的方式；a l b e r t oc a r p i n t e r i ( 1 9 9 0 ) 将突变理论方法应用于断裂力学的研究。 我国学者康仲远( 1 9 8 4 ) 分析了板状岩体在水平力和垂直力共同作用下欧拉失稳问题， 解释了某些地震现象：殷有泉、郑顾团( 1 9 8 8 ) 将突变理论应用于地震研究，建立了断层地震 的尖点突变模型：唐春安、徐小荷对岩石在加载系统作用下破裂过程的非稳定性问题进行了 研究，得到了突变前后岩样的变形突跳量和能量释放量的表达式，并出版了专著；尹光志、 李贺、鲜学福等( 1 9 9 4 ) 建立了煤岩体失稳的突变理论模型，得出了垂直应力和垂直应力控 制空间使系统失稳的分叉集，并分析了由于它们的变化而导致岩体状态突变的过程；秦四 清、何怀锋( 1 9 9 5 ) 用突变理论研究了狭窄煤柱冲击地压失稳的机制，导出了失稳的充要力 学条件判据；白晨光、黎良杰、于学馥( 1 9 9 7 ) 建立了承压水底板关键层失稳的尖点突变模 型，分析了承压水底板关键层失稳的力学机制；邵爱军、彭建萍、刘唐生( 2 0 0 1 ) 通过研究 煤矿底板系统能量的失稳，建立了预测矿坑底板突水的尖点突变模型，导出了系统失稳时 受力的临界值及失稳时底板变形和能量释放的表达式，为矿山突水预报提供了新的理论方 法：刘保县、鲜学福、姜德义( 2 0 0 2 ) 针对煤与瓦斯延期突出机理及其预测预报展开了研究， 认为延期突出的滞后时间是由地应力、煤体中的瓦斯、煤的物理力学特性及外力等的共同 作用所产生的，并依此提出延期突出的预测预报方法；刘军、谢哗、张悼元等建立了某巨 型水电站地下厂房顶拱岩体的安全埋高尖点突变模型，对地下厂房顶拱岩体的变形破坏和 安全埋问题进行了探讨。 当然，突变理论并不是万能的，它有其自身的局限性一方面，它仅适用于研究具有突 变性质的岩石力学问题：另一方面，岩石力学领域中的非线性现象是极其复杂的，突变理论 虽然能解释许多复杂的非线性现象，并己经做出了一定的贡献，但目前突变理论一般仅用 于处理一些简单的岩石力学模型，对于较复杂的岩石力学模型，尚有待于进一步探讨。同 时应用突变理论进行定量计算岩体工程的相关问题方面，还需要做大量的研究工作。 5 ) 人工智能及专家系统 人工智能瞳5 卅7 1 是研究机器智能和智能机器的新兴学科，近期目标是研究如何用计算机 去做目前只有靠人的大脑才能完成的事情，诸如推理、思考、分析、决策、预测、理解、 规划、设计和学习等各种高级思维活动。专家系统是基于知识的智能系统，它拥有领域权 威专家的知识和经验，借助于推理方法解决那些需要专家才能解决的难题，并试图达到专 家的水平。目前解决特定岩体工程问题的专家系统很多，如围岩分类、围岩稳定与巷道支 护选型优化、边坡稳定性评估、采矿方法选择、顶板稳定性控制等。这些专家系统将专家 经验、工程经验、理论分析和现场实测资料结合起来，从而变革了若干找不到合适的数学 模型而不得不采用简化模型来代替的传统方法。 人工神经网络删技术在上世纪9 0 年代得到迅速发展，已进入了空前活跃的时期，在世 界范围内形成了信息科学、脑神经科学和数理科学的研究热潮。它以多个非常简单的处理 单元彼此按某种方式相互连接，依据系统本身的状态对外部输入信息的动态响应来处理信 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 息。具有自组织、自学习和非线性动态处理等特征。目前，神经网络技术己用于岩体力学 参数的选择、巷道围岩位移量预测、支护参数选择和矿山压力预测、地下采矿方法选择等 方面的研究。 1 3 论文研究内容 本文主要结合现场工程地质调查、实验数据和三维有限差分分析结果对程潮铁矿 地压规律进行定性和定量分析，并提出相应的地压防治措施。具体研究内容和方法如 下： 1 ) 东西区相邻部分开采过程中地压规律的宏观调查与分析，深部矿岩物理力学性 质调查； 2 ) 区域间地压变化规律的模拟计算研究，采用f l a c 3 d ，对两采区贯通带的采场 地压进行计算机模拟分析，找出应力集中和可能的地压显现地带； 3 ) 运用f l a c 5 0 对- - 4 3 0 水平回采顺序的数值模拟，找出程潮铁矿因东西区结合 造成的对- - 4 3 0 水平回采顺序的影响，根据模拟结果制定最合理的回采顺序。 4 ) 根据应力集中情况和可能发生的地压显现，制定相应的地压控制方法。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章程潮铁矿地质条件 由于东、西区工程地质条件和水文地质条件较复杂，给东西区贯通工程带来了较大得 困难。因此，必须对东、西区的工程地质和水文地质条件进行认真的调查研究，找出其分 布规律，以便制定更加符合现场实际得得贯通方案，保证贯通工程的安全、顺利进行。 2 1 区域地质概况 程潮矿区位于下扬子凹陷的西端，介于淮阳地盾与江南古陆之间，淮阳“山 字型构 造前弧西翼，南临以幕阜山为主体的东西向构造带，西依新华夏构造的梁子湖凹陷，北靠 南淮阳大断裂。 地层自上古生界到新生界较为齐全，其中，三迭系地层分布广泛，并常为岩浆侵入体 之围岩。本地区自古生代以来，经历了多次构造运动，褶皱、断裂均较发育，且具有明显 的继承性活动为其特征。 鄂城地区内主要发育有两个构造体系，一为淮阳山字型构造( 前弧西翼东南段) ，另 一为新华夏构造。其中，山字型构造事本地区得主干构造，它决定了区内构造得总轮廓和 侵入体、铁矿床分布得总方向。 2 2 矿区及矿床地质 2 2 1 矿区地质 矿区内出露地层较单一，构造复杂，岩浆活动强烈，变质作用和围岩蚀变显著。 2 2 1 1 地层 矿区内出露地层仅有中生界三叠系和侏罗系下统，均分布于矿区南部，此外尚有零星 分布的第四系堆积物。 1 ) 三叠系 三叠系地层在矿区内较为发育，自下而上分别为下统大冶群( 墨d y ) 、中上统蒲圻群 ( 互一，p q ) 、上统鸡公山组( 互j ) ，其中中上统蒲圻群最为发育，分布广泛。矿区主要铁矿体 多赋存于大冶群六段( 矸d y ) 岩层之中。 大冶群( zd y ) 大冶群在矿区内仅见五至七段，分布在矿区中部的花岗岩与闪长岩和花岗岩与蒲圻群 地层之间，地表出露较少。五至七段地层受岩浆热液作用，已全部变质为大理岩、白云质 大理岩和白云石大理岩，而后又受接触交代作用，使之部分岩石又转变各种矽卡岩。 大冶群五段( 彳d y ) 仅见于3 5 线以西地带，在垂直方向分布于一3 0 0 一9 0 0 m 标高 之间，主要为富c a 岩石，以灰岩为主，夹少量的白云质灰岩，厚7 0 - - - - 1 3 0 m ； 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 大冶群六段( 矸d y ) 在3 l 线以东多分布在一5 0 0 m 标高以上，3 1 线以西地段由于岩 层倾角在一5 0 0 m 标高左右增至6 0 0 7 5 0 而使本段岩层陡然下延至一l 0 0 0 m 标高。本段主 要为富m g 岩石，上部为灰色白云质灰岩夹白云岩具条纹状构造而略显微薄层理，中部为 浅灰色厚层灰岩夹白云质灰岩和白云岩，具波状缝合线构造，下部为灰色中厚层白云质灰 岩夹灰岩，有时具黑白条带状构造。本段岩层岩相变化较大，白云质灰岩及白云岩等富 m g 岩石在走向上和倾向上均不稳定，总的相变趋势是4 3 线以东白云质灰岩、白云岩较多， 以西则以灰岩为主，仅夹少量的白云质灰岩或白云岩。本段沉积厚度较稳定，变化不大， 一般在1 7 0 2 0 0 m 之间，由东向西厚度从小变大： 大冶群七段( 五7d y ) 主要分布在- - 2 0 0 m 以上的近地表处，岩性以灰岩、白云质灰岩 为主，夹少量白云岩，层厚4 0 1 1 0 m ，东薄西厚。 鸡公山组( 互j ) 主要分布在石粒山以东大王冲和5 5 线以西程潮村一带，岩石以泥质粉砂岩为主，夹 少量泥岩和页岩，层厚6 8 8 4 m 。 2 ) 侏罗系 矿区侏罗系仅见下统武昌组( j l w ) ，分布于矿区南缘山岭及南坡。武昌组在区内分二 段，一段( j l w l ) 自下而上，主要由粗粒石英砂粉砂岩、粉砂质粘土岩夹炭质页岩组成。 厚度不稳定，由东向西变薄，在大王冲厚1 7 1 m ，向西至程潮村厚1 2 6 m ；二段( j l 舻) 主 要由灰绿色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和细粒含泥质石英砂岩组成。厚度由西向东变薄，程 潮村厚1 3 5 m ，至大王冲厚9 3 m 。 3 ) 第四系 第四系中更新统( q 2 ) 主要分布于槽形洼地内，地表很少出露，多为全新统堆积物所 覆盖。下部为灰红色及砖红色蠕虫状粘土，上部为棕黄色、砖红色砂质粘土，有时含少量 铁锰质结核。层厚o 1 2 m ；全新统( q 4 ) 主要分布于洼地、冲沟、山坡、山麓地带，不 整合覆盖于中更新统和其它岩石之上，为黄褐色、黄灰色亚粘土和亚砂土，有时央大小不 一的岩石碎块或碎粒，层厚o 1 5 m 。 2 212 构造 矿区内构造较为复杂，主要为断裂构造，褶皱不发育，仅有一单斜层构造。 1 ) 断层 断层构造是本矿区构造的主要表现形式，无论是山字型构造体系的断层还是新华夏构 造体系的断层均发育。区内断层详见表2 1 所示。 2 ) 节理 本矿区经历多次构造运动，主应力方向也多次发生变更，次级和更次级应力方向错综 交织，所产生的节理极为复杂，矿区节理呈发育方向多、密度大、性质以剪节理为主，张 节理少见、节理发育程度受岩性控制明显的特点。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 2 1 3 岩浆岩 本区岩浆活动较为强烈而频繁，属燕山晚期。在空间上自南而北，其侵入时间由老到 新，活动规模由小到大，岩浆酸度由高到低。主要岩体有黑云母辉石闪长岩体、闪长岩体、 石英长石岩体、花岗岩体等。 表2 1 矿区内主要断层 2 2 1 4 变质作用及围岩蚀变 矿区变质作用主要是接触变质作用，接触变质作用分热液变质作用和接触交代变质作 用，前者发生在闪长岩、花岗岩等的围岩中，后者发生在花岗岩内外接触带中，接触交代变 质作用与矿床关系密切；热液变质主要形成两类岩石，近岩体处为大理岩类，远岩体处为 角岩带。 矿区内岩浆活动频繁，围岩蚀变种类多，主要有矽卡岩化、绿泥石化、碳酸盐化、硬 石膏化、黄铁矿化、绢云母化及钾、钠长石化等。其中矽卡岩化最为重要，与矿床的形成 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 有着密切的关系。 2 3 水文地质 2 3 1 矿区自然地理条件 矿区位于鄂东南低丘陵地貌地带。气候特征为冬冷夏热，四季分明，潮湿多雨。降水 量年变化为7 8 4 3 - 1 8 2 1 2 m m ，多年平均为1 2 1 8 7 3 m m 。雨季在4 7 月，降水量月平均在 1 4 1 9 9 - - 2 2 3 0 8 m m 之间，占全年降水总量的5 6 ，一次最大暴雨量为5 7 4 6 m m ，最大暴雨 量为2 1 6 6 m m d 。最长连续降雨可达l l d ，降水强度为2 4 0 5 m m 。平均蒸发量为1 5 1 0 6 8 m m a ， 相对湿度平均为7 7 。 矿区地形为低山丘陵地貌，山脊的延伸方向受地质构造的控制，山脊的延伸方向基本 与地质构造的走向一致，呈北西西一南东东向延伸。地势总的趋势是东北高，西南低。东 部最高的山为大洪山，其标高为2 2 5 5 8 m ；西部最高的山为松应弯山，其标高为1 4 6 8 m 。 一般标高3 0 - - l o o m 。相对高差5 0 - - l o o m 左右。 矿区内地表水系不发育，仅有程潮溪和工人村溪两条。流量的补给主要为大气降水； 其次为第四系松散层地下水渗出或以泉水的形式补给。 2 3 2 岩层( 体) 的富水性 矿区位于淮阳山字型构造的前弧西翼，鄂城背斜的南翼，鄂城杂岩体的南缘中段，程 潮一李村逆断层带上。矿区地下水的形成分布主要受此构造控制。沿断裂带北侧分布的花 岗岩，浅部风化裂隙发育，风化深度一般为l o - 4 0 m ，含风化裂隙水，其泉流量一般为0 0 1 0 2 5 l s ，属富水性微弱的岩体；深部岩性一般较完整，为相对隔水的岩体。沿断裂带南侧 分布的闪长岩、角页岩亦属富水性微弱的地层，地表很少有泉水出露。沿断裂带北侧分布 的花岗岩与沿南侧分布的闪长岩、角页岩组成近直线状隔水边界。夹在其中的三迭系下统 大冶群第五至七段灰岩，因受热力变质作用而成大理岩。大理岩与铁矿接触带组成裂隙溶 洞综合含水带( 以下称含水带) 。含水带在平面上呈条带状分布，走向北西西，倾向南南 西。东起细王冲，西至吕十八，东西长约4 k m ，南北宽约6 0 - - - 8 0 m 。剖面上呈囊状分布， 最深标高一5 0 0 m ( 东部) 至一8 0 0 m ( 西部) 。在细王冲以东，北侧花岗岩与南侧闪长岩、 角页岩直接接触，在吕十八附近f 1 5 断层错开，构成四周均被隔水岩层( 体) 封闭的含水 构造带。 在2 3 3 7 线之间有巨大的闪长岩墙自西向东倾伏插入深部，地表大理岩在此地段收 敛，花岗岩与南侧角页岩直接接触，起到一定的隔水作用，最直接的证明是：东部由于地 下开采坑道排水，地下水位已下降至l j - - 2 2 0 m 水平高度，而西部的地下水位还保持着自然 状态。 由于闪长岩墙的存在，将东西隔成次一级的小型封闭式含水构造带，3 3