（安全技术及工程专业论文）汤丹铜矿采空区的精密探测及其稳定性的分析研究.pdf

中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t d 耐n g 吐1 el o n g t e mm i n i n ge x c a v a t i o n ，h u i l d r e d so fa b a n d o n e ds t o p e s h a v ef o m l e d 证m a r l ym i n e s e s p e c i a l l y m a r l ya _ b a n d o n e ds t o p e sl e rb yf o l l ( p l u n d e m g “n i l l ga r ei i ld i 恐r e n ts i z ea n dd i 妤b u t e dc o m p l i c a t e d l y 1 1 1 e a c c i d e n tc a u s e db ya b a n d o n e ds t o p e so 舭no c c u r e a s 、a l lk n o w t h ea c t u a l3 一dm o 叩h o l o 舒a n da c c u r a t es p a c ep o s i t i o n o fa b a n d o n e ds t o p e sa r em ek e yf a c t o r st 0t h ea c c u r a c yo f 虹b i l 毋n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i t s 锄i m p o r 胁tf o u n d a t i o n a lw o r kf o ru st oc o m r o la b a l l d o n e d s t o p e ss h a p ea n ds i z ea c c u r a t e l yb e f o r ec a r 巧i n go u ti t ss a f e t ym a n a g e m e n t a n dd i s a s t e rc o n 们1 nh a sh i 曲e 伍c i e n c ya n d9 0 0 dv i s u a l i z a t i o nf o ru st 0 u s ec m s s y s t e mt od e t e c tt l l ea b a l l d o n e ds t o p e s d l l et 0m ec o m p l e x i t ) ro fm i n i n gg e o l o g ya n dc o n d i t i o n s ，i t sv e 巧 d i f f i c u l tt 0 锄a l y z ea n d 电r e a tt 量l es t a b i l i 够o fa b a n d o n e ds t o p e s b yc o m p u t e r a r l dm o d e md e t e c t i n gt e c h n 0 1 0 9 y ，t h ea c t u a la _ b a n d o n e ds t o p e s3 一dm o d e l c 锄b ee s t a b l i s h e d ，a n dt 1 1 ee 虢c to na b a n d o n e ds t o p e ss 切b i l i t yw h i c h c a u s e db yr e l a t i v ep o s i t i o n 觚ds i z ec a i lb ea l s od i s c u s s e d m e a n w 蛐e ，w e m u s tc o n s i d e r ei t sp r o c e s s i l l gp 血c i p l e ，a c b j e v es t a n d a r d ，i i l f l u e n c es c o p e a 舭r b e i n gd i s p o s e d ，s a f e t ym e a s u r e sa n ds o0 n ，w m c ha r eb a s e d o na l ll ( i n d s o ff a c t o r si na b a n d o n e d s c o p e s 硼1 ep a p 惯m a i l l l yf o c u s e so nt 1 1 ep r e s e n tu i l s t a b l ef a c t o r se x i s t i n gi i lm i n e a b a n d o n e ds t o p e ，c o m b i i l e sw i mm ep r o j e c tp r o c e s s i n ga n ds e c u r i 劬h i g l l l y e 虢c t i v em i n i n go fa b a n d o n e ds t o p ei i l gd a l lc o p p e rm i n e ，a n du s e s t h em s 伽】m e n tc m sa i l dd i m d 厄，f l a c 3 ds o 肌a r ea r l ds 0o n i ts t u d i e so n s 切b l en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa b a n d o n e ds t o p e ，w h i c hi sb 嬲e do ni t sa c t u a l 3 一dc o n f i g u m t i o na | 1 ds p a c ep o s i t i o nb yt h ep r e c i s ed e t e c t i o n ，a n d 印p l i e s m i st e c h 0 1 0 科0 nm ep r o j e c tt 0c o n f i mi t sa c c w a c ya 1 1 dr e l i a b i l i 够1 1 1 e m a i nr e s e a r c hw ( ) r k sa sf 0 1 1 0 w s ： ( 1 ) o i n t t l em a s t e rd a t 弱o fm ea b a l l d o n e ds t o p eo ft h gd a nc o p p e r m i n ew i t hc m s d e t e c t i l l gi n s 叽l l n e n t ； ( 2 ) d yh o w t 0d e a lw i t l lt h ed a 乞弱s oa st ob ea d v a n t a g e o u st oe s t a b l i s h t h ea b a n d o n e ds t o p em o d e l ，a n dd e s c 曲em ea b a l l d o n e ds t o p e sr e a l3 一d c o n f i g 棚- a t i o na c c u r a t e l y ； ( 3 ) e s 讪l i s h3 - dm o d e l ，w 曲t h ea b a n d o n e ds t 叩eo fi 觚gd a i lc o p p e r h 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t m i n e ，t h er o a d w a y ，t h eo r eb o d y t 1 1 es u r f a c ea n dt 量l es t o p ep r o j e c ti n c l u d e d ， b yd i m i n e ，c a l c u l a t em ea b a n d o n e ds t i 叩e sv o l u m e ，r o o fa n df l o o ra r e a ，a i l d a 1 1 a l y z ei t sp r e s e n ts a f b t ys i t u a t i o n ； ( 4 ) d i s c u s sm e s t r e s so nm er o c k ，a n a l y z et h es n e s so nm ea b a n d o n e d s t 叩em o d e lb yf l a c 3 d ，a n dd i s c u s st h ea b a n d o n e ds t o p e ss 汕i l i t ya 1 1 di t s i n f l u e n c eo nt h es u | a c e ； ( 5 ) a c c o r d i n gt 03 一dm o d e la n dm e c h a n i c sa n a l y s i sr e s u l t ，f o r e c a s t i n g m ea p p r o x i m a t em g eo fs u r f a c es u b s i d e n c ea r e ai nt h gd a i lc o p p e rm i n e a r e ri t sa b a l l d o n e ds t 叩eb e i n g 船a t e dw i 吐la n dm a k i n g 廿1 er e s u l ta st h eb a s i s t op r o c e s st h ea b a n d o n e ds t o p ea n ds e tt h e s a f 宅t yw a m i n gl i n el a t e r k e yw o r d sa b a n d o n e d s t o p e ，p r e c i s ed e t e c t i o n ，3 一dm o d e l ，s t a l b i l i 够 a n a l y s i s ，s u r f - a c es u b s i d e n c e 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 在长期的采掘生产过程中，许多矿山形成了数以百计的采空区。特别是民间掠夺 式采矿留下的群采空区，更是大小不一，形态各异，层位复杂。另外，一些老空区， 由于设计资料不全、丢失或不足造成无法确定其位置和边界。这些地下空区，给矿 山生产和工程建设，带来了极大的安全隐患。主要表现在：矿山开采由露天转入地 下时，井下生产安全受到采空区的严重威胁；某些矿山扩建工程，受到采空区的限 制；地下防水帷幕注浆工程，必须考虑采空区的影响：采空区的陷落坍塌，给矿区 建筑物造成不同程度的危害；公路下伏采空区的存在，给施工增加了难度i l 】。 由空区引起的事故也多有发生，例如：1 9 6 0 年南非c o a l b r o c kn o r t l l 煤矿顶板大规 模突然冒落，井下破坏面积达3 0 0 万m 2 ，死亡4 3 2 人。这是目前顶板冲击地压最大的 一次灾难【2 】。我国矿山安全事故频发，矿山特大安全事故时有发生。在矿山特大事 故中，主要诱因有2 个：一个是瓦斯，另一个就是采空区。目前我国大多数矿山，譬 如广西大厂矿务局、栾川钼矿、厂坝铅锌矿、广东大宝山矿、秦岭金矿、贵州开阳 磷矿等，经十余年的民间掠夺式开采，留下大量未处理的采空区，严重影响了矿山 的安全生产。我国由于地下采空区造成地表塌陷的面积超过11 5 0k l n 2 。因此，探明 采空区的赋存位置、形态和边界，已成为矿山工程建筑和交通领域的迫切需要，采 空区探测与定位具有重要的现实意义【3 j 。 c m s ( c a v i t ) rm o 幽r i n gs y s t e m ) 空区监测系统是九十年代初由加拿大n o 捌1 d a 技术中心和o p t e c h 系统公司共同研制开发的，在国外已有十几年的应用历史，已成 为矿业发达国家地下采场和空区测量的主要手段，尤其是在危险和人员无法进入的 空区探测中，c m s 是一种有效的探测手段。c m s 主要适用于井下采场及空区的探测 和精密测量，采用c m s 系统探测空区效率高，探测结果可视化效果好，探测成果可 直接用于计算空区体积和顶板面积、建立空区三维模型、确定矿柱实际边界、沿任 意方向和位置切剖面，从而可进一步用于指导空区充填、矿柱爆破设计、回采贫损 指标测定及采场回采过程数值模拟分析等相关采矿管理和控制过程，可为矿山创造 显著的经济和安全效益j 。 在矿业领域，西方矿业界在2 0 世纪7 0 年代初就将c a d 技术应用于地质、矿业 领域；2 0 世纪8 0 年代末三维地质建模和可视化理论和技术的发展，推动了矿山计算 机辅助地质建模技术。一大批具有三维地质建模功能的地质采矿软件被开发应用。 9 0 年代中后期，三维地质采矿软件逐渐成为矿山专业软件的主流。国际著名的地质 采矿软件公司相继开发了专业三维软件，主要有m i e m i n c 、s u 平，d 魂l m i n e 、 v m e 觚、m i 鹏s c a ：p e 、g e o c o m 、m i n e s o f i 、m e d s y s t e 删m i n e s i g m 、g o c a d 、w h i t t l e 等。 近年来，国内矿山企业从国外引进了m i e r o m i n e 、s u r p a c ，d a 切m i n e 等软件，推动了 矿山企业的信息化和数字化建设【汜】。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 国外矿业软件的研究和开发始于上个世纪7 0 年代，经过近四十年的发展，今 天的采矿软件己经形成了相当的规模。从历届a p c o m 会议资料来看，以矿床模型 为代表的矿业软件发展迅速，西方采矿大国相继推出用于地质资料处理、矿床建模、 采矿设计、计划编制、测绘图形处理等方面的矿用商品化软件，如：d a t a m i n e 、s u 印a c 、 m i c r o m i n e 、m i n t e c 、伽x 、m i n c o m 、v u l e a n 、m i n e m a p 等，装备了许多矿山，特 别是澳大利亚、北美和南非的一些矿山，取得了很好的经济效益。今天采矿工业可 以购买的软硬件系统的数量和品种很多。这些软件主要功能类似，但由于大多数软 件是在矿山公司专用软件基础上发展起来的，其侧重点有所不同，有些侧重于地质 建模，有些侧重露天开采或地下采矿等田讲j 。 d i m i n e 是长沙迪迈信息科技公司自主研发的一款专业的矿山应用软件，是我国 比较成功的一个矿业软件。它可应用于地质，勘探，资源估计，储量计算，露天采 矿和地下采矿设计。它能与多数同类矿山软件接口，实现数据的共享和交换，如 m i c r o i i l i n e 、d 舭吼i i 圮和s u r p 等，是现代数字化矿山高级软件之一。d 蹦i n e 作为 一套完整而且全面的软件系统，它极大的改进了从测量工程师、采矿工程师、地质 工程师到生成管理过程中的技术信息交流。d i m 玳e 软件适合应用于所有矿物资源， 如铁，有色金属，煤炭，砂矿，金刚石，贵金属等矿种的露天和地下采矿设计。它 集中了m i c r o l l l i n e 、d 疵吼i n e 和s u 印a c 等数字矿山软件的优点，并有a u t o c a d 的一 些基本功能，使其更适合我国矿山的三维设计。 由于矿山地质及采矿条件的复杂性，致使采空区的危害性分析和处理较为困难。 借助计算机和现代探测技术，可以建立采空区的三维模型，探讨采空区空间相对位 置和大小对其稳定性的影响。同时从矿山中各种因素考虑采空区治理的原则和需要 达到的标准，处理后的影响范围、应该采取的安全措施等【2 5 】。 1 1 课题的由来和研究意义 云南金沙矿业股份有限公司汤丹铜矿位于云南省昆明市东川区汤丹镇，东川铜 矿区的东南部。地理坐标为北纬2 6 度0 8 ，东经1 0 3 度0 4 。矿区海拔标高1 2 0 0 2 6 0 0 米。矿区现有两条三级公路通昆明，一条经东川区政府所在地新村至昆明，公路里 程2 2 8 公里；另一条由汤丹经寻甸县马街( 铜矿公路) 至昆明，公路里程2 6 1 公里。 汤丹矿区处于康滇地轴中段东缘“东川块状隆起”中，在东川块状隆起的东南端。小 江断裂和宝九断层的西北侧。区内分布的地层主要是震旦系和元古界昆阳群地层， 均为含水层。由于多次构造运动，震旦系和昆阳群地层中褶皱断裂发育，造成空隙， 是地下水的储存空间和迁移通道，使含水层间有水力联系，成为含水最丰富的地段。 东川铜矿区在大地构造位置上处于杨子板块西缘，康滇地轴的中段东缘一东川块状 隆起上，其东、南、西三面被断裂包围，北部与会理昆阳群相连。区域构造形态分 为基底构造、表层构造、弧形构造。其中基底构造表现为宽缓的复式向斜与紧密的 同斜背斜及倒转背斜。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 汤丹矿区交通位置图 汤丹矿产资源丰富，汤丹铜矿床主要由似层状、扁豆状矿体和少数品位高而形 态极不稳定与似层状矿体呈大角度交切的脉状矿体组成。矿体走向北东，倾向北西， 倾角7 0 0 8 5 0 。其规模形态为：矿体沿走向及倾向均有分枝、复合、膨缩现象，厚 度以中部最大，向东西两侧逐渐变薄。 汤丹矿矿物组成简单，铜矿物以氧化铜矿物为主，其相对含量约占8 7 ，主要 为孔雀石和硅孔雀石。硫化铜主要为斑铜矿和黄铜矿，脉石主要为白云石和石英。 汤丹矿业公司为“关破”矿山重组而成的矿业公司，自从明朝开始，汤丹矿区已 有铜矿的开采，特别是建国以后开采加速，时至今日，已形成了大小近3 0 0 个空区。 目前矿山处于生产后期，在当前矿产资源日益短缺的情况下，及时合理地回收矿柱、 处理空区、消除安全隐患，已是公司面临的亟待解决的重要课题，其生产的延续对 云南金沙矿业有限公司实现可持续发展具有重要的意义。 然而，汤丹矿业公司的可持续生产面临着巨大的挑战。主要原因有： ( 1 ) 汤丹公司所在的东川铜矿区本身处于泥石流灾害多发区，其地形错综复杂、 沟谷纵横、山石磅礴，为中高山区，区内构造地貌特征显著，常呈单斜山、猪背脊、 背斜谷、断层崖形态； 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 汤丹矿区的资源开发经历了露天开采和地下开采2 个阶段，地表及深部岩层 均经受了较大的扰动，且地下开采区上方的地表目前存在大量的工业场地，局部地 段被用作排渣场； ( 3 ) 矿区内存在众多民采矿点，各民采矿点的生产，在井下形成了许多大大小小 的采空区； ( 4 ) 经调查和监测，矿区井下许多中段的空区已经上下联通、跨落，并延至地表， 地表沉降现象较为普遍。 为了解决上述问题及研究矿产资源的高效利用，中南大学与云南金沙矿业公司合 作“汤丹铜矿采空区处理与矿架安全、高效开采”的项目，2 0 0 8 年1 1 月7 日到2 0 0 8 年1 2 月2 0 日，借助c m s 空区探测仪器，作者和几位师兄一起对汤丹矿区1 6 5 0 、 1 7 7 0 、1 9 0 0 、1 9 7 5 、2 0 3 8 、2 0 9 8 、2 1 5 9 中段采空区进行了探测，共获得5 0 几个采空 区的资料。借助d i m i n e 软件，可以得出空区的三维形态、实际边界、顶板面积和 体积大小，取得了理想的空区探测及其成果的实际应用效果。 众所周知，采空区的实际三维形态和准确的空间位置是影响空区稳定性数值模 拟结果准确性的关键因素。过去，在对空区稳定性进行数值模拟时，往往将采空区 的形态视为空区形成之前进行采场设计时确定的规则形态，部分则是依据传统的测 量方法测定的简化空区形态进行模拟计算。然而，采空区的实际形态往往在实际开 采过程中，因测量、爆破等因素的影响而呈不规则状，加之采空区形成后受爆破震 动的影响，以及空区围岩的冒落、片帮，致使空区的实际形态和开采设计中确定的 相差甚远。这就势必严重影响空区稳定性数值模拟结果的精度和可靠性。因此，如 何精确地确定空区的实际形态和空间位置，并以此为基础建立空区稳定性数值模拟 模型进行数值模拟计算分析，是空区稳定性数值模拟研究中应加以解决的一个重要 问题【2 6 】。 本文针对上述问题，开展以精密探测获得的空区实际三维形态和空间位置为基础 的空区稳定性数值模拟研究，结合大型工程项目汤丹铜矿采空区处理与矿架安全、 高效开采，将所形成的技术应用于汤丹铜矿采空区处理与矿架安全、高效开采，以 验证其正确性和可靠性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 采空区探测研究现状 由于采空区探测条件复杂，目前在地下采空区精细探测方面，国内外均处于起 步和探索阶段，常规的采空区探测方法有：地震法、电阻率法、电磁法、常规电法 等，近年来又相继出现了精度更高的三维地震探测技术、地震c t 探测技术、瑞雷波 探测技术、探地雷达( g p r ) 探测法和激光3 d 探测技术。随着计算机技术的不断进步， 计算机层析成像技术( c t ) 得到了飞跃发展，把c t 技术应用到地球物理学，使得采空 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 区的精细探测尽可能准确。从探测原理上，可把空区探测技术分为：电法、电磁法、 地震法、微重力法和射气法。下面具体介绍几种常用的方法【2 7 训。各种探测方法如 表1 1 1 3 所示。 表1 1 电磁法空区探测技术评述表 种类瞬变电磁法探地雷达法井间电磁波透视法 物理机理 解释方式 系统特点 电磁性差异 纵线剖面剖面 鎏菱耋耆勃势毳图像直恐解释容蓊誓蓊警囊套釜雪量 释难度大 ” 理容易 测试深度 5 0 0 m3 0 m 等效钻孔深度 分辨率精度 1 0 、一1 5 5 5 干扰因素电线、地下水管、铁管、杂散电流、电磁干扰 适用条件及效果 各鬣鬈带高阻鬻麓b 低各种形状空区、冒落带 分辨率较高 高高 表1 3 电法空区探测技术评述表 种类 高密度电法电测深法电剖面法 物理机理 解释方式 系统特点 测试深度 分辨率精度 干扰因素 适用条件及效果 分辨率 电性差异 剖面纵线 横线 任何燃好的瓣辫羹蒌驿袭票 1 0 0 m 1 0 0 0 m2 0 0 m 1 0 2 0 l o q 0 l o q 0 电线、地下水管、铁管、杂散电流、电磁干扰 各憾，曼季带，高阻毫警孝羹) ，低 各种形状空区、冒落带 低阻效果好阻效果差 “”一一81 较高高高 5 中南大学硕f ：学位论文第一章绪论 f 1 ) 高密度电阻率法 高密度电阻率法的基本原理与常规电阻率法完全相同，它是以常规直流电阻率 法为基础，在探测剖面上同时布置多个电极，由人工向地下发送电流，使地下形成 稳定的电流场，通过自动控制转换装置对所布设的剖面进行自动观测和记录的一种 物探方法，可用于探测地下构造、岩溶、洞穴、埋设物、采空区、渗漏带等。该方 法相对于常规电法，具有测点密度大、信息量大、成本低、工作效率高等特点，野 外的数据采集和收录实现了自动化、智能化，可以方便地测量到大量的数据，避免 了人工操作带来的误差。目前应用高密度电阻率法探测采空区的工程应用实例较多。 如图1 2 所示。 图1 2 新型分布式高密度电法仪工作示意图 ( 2 ) 地震映像法 地震映像( s e i s m i c t o m o g r a p h y ) 法，又称高密度地震勘探法或地震多波勘探法，是 基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的方法。这种方法可以利用多种地震波 作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的地震波作为有 效波。其主要特点是数据采集速度比较快，显示较为直观，适用范围广，同时受场 地限制小，在资料处理过程中不需要另外进行校正处理，这大大节省了资料处理时 间。但该方法抗干扰能力较弱，勘探深度有限。利用地震映像法可以在探测水域下 地形分布及地貌情况，也可以用于探测矿山地下采空区、岩溶等地下洞穴。该方法 也已被成功的用于地下采空区和地质异常体的探测，显示了较好的应用价值。如图 1 3 所示。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 0 然 一一 u 二、：一 0 ) ：二，：= 、一 ，- 、 、 、一 ? j 二、 ，l 、 o j 、 一 、 1 ， 、一、一一 ， 。 、_ 一 、 ，、 、：一 一 _ ，7 1 _ ， 、 二 。，j 。、。， o 、 x 7、，一 一、 笑， 。，、， ，v o ， 、-二j ， 一 、，、 7 二义 ， 、 t ：二一，二一 、一 0 7 ，一 、 一 ( = = = = = = = = ) 眨八l、) ) 彦霸n 一彪翎掣溯缪罗，l i 厶 、 瓣粼 蒸 、 葜 忍 r j 绝? 攀巍雾 绉一 _ 、 勰“岔p 代一裔、 飞避彩j 一 、 。商舻。， 、 j 。包= 一 滇 j 猢嚣数：衫髫 一j 、之汐等舄、i 、 ，一 l 心凌 彳职尹蕊。：沪、 、 一 o 孓q 铆参z 孓 幽 雾气| 彩、户芝石 = 个 ，把j i 、。】 图6 9 塌陷区和汤丹矿井上、井下综合图 有图6 9 可见，地表的民营采场，如老明槽民营采矿区、白脸岩民营采区等，地 表的民营选场，如东海选厂、聪俊选厂、东俊选厂( 湿法厂) 等都在塌陷区内。在处理 下部空区和回采矿柱之前，要停止陷落区内地表采场的作业，地表民营选场应尽早 取缔和搬迁。 6 3 本章小结 本章应用d i m i n e 矿山软件及建立的三维模型，依据岩体错动角圈定了塌陷区 范围，上盘错动角取6 0 0 ，下盘错动角取6 8 0 ，走向错动角取7 4 0 。 圈定放入陷落区和昆明汤丹矿业有限责任公司井上、井下综合图比较发现，地 表的民营采场和民营选场落在陷落区范围内，在处理下部空区和回采矿柱之前，要 停止陷落区内地表采场的作业，地表民营选场及陷落区内村民应搬迁出去。 7 1 中南大学硕士学位论文第七章结论与展望 第七章结论与展望 7 1 结论 随着计算机技术的飞速发展，数值模拟技术也取得了长足的进步，己被证明解 决相关的复杂岩体力学问题的一种十分有效的手段。数值模拟也成为目前进行采空 区稳定性分析研究和应用最多的方法之一。由于模拟运算具有可重复性，即可通过 改变模拟参数的选取得到不同情况下的结果，因此可进行多方案比较，或利用现场 试验结果进行反分析、验证等，从而达到优化控制的目的。 在阅读大量有关采空区处理方法、地质建模技术、数值模拟方法、岩体力学稳 定性分析等方面的文献的基础上，本文阐述了通过准确获取采空区的三维模型，并 采用数值模拟手段进行复杂条件下采空区的稳定性研究。本文认为可以通过地质软 件与数值模拟软件的耦合，将地质软件在三维地质建模方面的优势和数值模拟分析 结合起来，以解决数值模拟软件的建模困难的问题，为以后矿山采空区的研究探索 新的途径。 本文针对目前我国金属矿山采空区存在的不稳定因素，结合“汤丹铜矿采空区处 理与矿架安全、高效开采”的项目，借助于c m s 仪器和d i m i n e 、f l a c 3 d 等软件， 开展以精密探测获得的空区实际三维形态和空间位置为基础的空区稳定性数值模拟 研究，将所形成的技术应用于汤丹铜矿采空区处理与矿架安全、高效开采，以验证 其正确性和可靠性。主要研究工作及成果如下： ( 1 ) 借助c m s 空区探测仪器取得汤丹铜矿采空区的基本数据，包括5 0 个实测 采空区；研究如何处理数据使其便于空区模型的建立，并能准确描述空区的实际三 维形态； ( 2 ) 应用d i m i n e 软件建立丹铜矿采空区、巷道、矿体、断层、地表及采场工 程在内的三维空间模型，并能计算空区体积，顶底板面积等参数，分析采空区安全 现状； ( 3 ) 探讨岩石受力情况，并用f l a c 3 d 对空区模型进行受力分析，探讨空区的稳 定性及其对地表的影响。介绍了f l a p d 软件的基本原理及d i m i n e 与f l a c 3 d 数据 文件的格式转换，在此基础上应用f l a c 3 d 软件对汤丹铜矿1 6 5 0 中段以上采空区的稳 定性做了力学模拟，得出了应力和位移分布规律。 由以上研究成果和分析，可以得出如下结论： ( 1 ) 经过数十年的露天及地下大规模工业开采，汤丹矿区的开采形成8 0 0 余万 立方米的采空区集群( 含已通地表或被已崩落矿岩充填的采空) ，且许多早期、浅部 空区已经发生垮塌，多个中段上下相邻或同一水平相邻的空区发生贯通，甚至部分 已经贯通地表，对地表各种工业和社会活动，以及生态环境造成一定的威胁，存在 7 2 中南大学硕士学位论文 第七章结论与展望 较大的隐患； ( 2 ) 随着开采深度的增加，汤丹铜矿浅部中段采场开采后，空区周边主要发生 拉伸破坏；深部中段开采后，周边围岩破坏以剪切破坏为主。而且，随着深部中段 采场的开采，上部中段已经形成的采空区周边塑性破坏区存在扩张现象，出现了一 定的剪切破坏区； ( 3 ) 2 0 3 8 及以下中段采空区，暴露面积超过8 0 0i n 2 的空区，占空区总数的7 8 ， 暴露面积超过8 0 0m 2 的原因主要为空区间矿柱垮塌，导致空区相互贯通，因此为避 免进一步发生非控制条件下大规模垮塌产生的冲击对井下生产的影响以及地表的破 坏，空区处理已经成为紧迫的任务； ( 4 ) 汤丹铜矿正在开采的中段的空区周边出现一定的拉应力和塑性区，虽暂时 不会影响空区的稳定性，但必须引起重视，建立相应的监测系统，加强对矿柱和顶 板应力、应变的监测； ( 5 )圈定放入陷落区和昆明汤丹矿业有限责任公司井上、井下综合图比较发 现，地表的民营采场和民营选场落在陷落区范围内，在处理下部空区和回采矿柱之 前，要停止陷落区内地表采场的作业，地表民营选场及陷落区内村民应搬迁出去。 7 2 展望 本文在汤丹铜矿采空区探测、模型构建及稳定性分析研究中取得了一些成果， 但鉴于矿山地质现象的复杂性，后期研究还有许多工作要做，主要有以下几个方面： ( 1 ) 由于条件的限制，没有把汤丹铜矿所有采空区实测，用测层图生成的空区 模型与实际存在偏差，需要在以后的生产中修改； ( 2 ) 矿山地质体的空间形态变化大，形象表达地质体需要的数据量也相对较大。 目前于数据的采集多采用数字化扫描仪或人工输入进行，不仅耗时巨大，而且容易 出错，于大型矿山工程而言，这种问题尤为严重，需要探讨先进的数据采集技术； ( 3 ) 本文顾及到计算规模和网格数目的庞大，没有模拟整个汤丹矿区，研究结 果具有一定的局限性。在后期的研究中，可考虑更全面可行的模拟技术与方法。对 建模耦合技术的理论研究不够深入，对其他方式的耦合方法未进行更深入的讨论和 研究，其他耦合方法可能是进一步研究的方向； ( 4 ) 鉴于时间和项目进度，本文没有做汤丹铜矿采空区处理方法的研究，有待 以后做出完善的空区处理方案。 中南大学硕士学位论文 参考文献 参考文献 【l 】 闫长斌，徐国元复杂地下空区综合探测技术研究及其应用川辽宁工程技术大学学 报，2 0 0 5 ，( 8 ) 【2 】潘一山冲击地压发生和破坏过程研究【d 】北京：清华大学，1 9 9 9 【3 】李俊平，钱新明，郑兆强采空场处理的研究进展【j 丁冲国钼业，2 0 0 2 2 6l o 1 5 【4 】c a v 时m o n i t o m gs y 咖mu s e rm 龃u a i ( v e r s i o i l 2 3 ) 【m 】c 锄a d a ：o p t e e hs y s 钯mc o r i ) 0 r a t i 伽 1 9 9 6 【5 】过江，罗周全，邓建，等三维动态空区监测系统c m s 在矿山的应用 j 】地下空间与工程学 报，2 0 0 5 ，( 6 ) ：9 9 4 9 9 6 【6 】周思孟复杂岩体若干岩石力学问题r m 】北京：中国水利水电出版社1 9 9 8 年 【7 】 罗周全，刘晓明，苏家红等基于s u 印的矿床三维模型构建们金属矿山，2 0 0 6 ，( 4 ) ：3 3 3 6 8 】 陈爱兵，秦德先，张学书等基于m i c r o 册呃矿床三维立体模型的应用叨地质与勘 探，2 0 0 4 ，4 0 ( 5 ) ：7 7 8 0 【9 】李海华，张瑞新应用s 岬孔软件进行露天矿采矿过程的可视化叨中国矿业，2 0 0 4 l3 ( i ) ：6 3 6 5 【l o 】g o n 妙y c h e n gp q w 抽酣d 1 1 e - d i m e 眦i o n a lm o d e l i n g 觚da p p l i e a t i o n i i l g e o l o g i e a l e x p l o r a l i o ne n 西n r i n g 【j 】c o m p u l e 撒钇g e o s e i e m e s ，2 0 0 4 ，3 0 ( 4 ) ：3 9l 4 0 4 【1l 】 w uq i 柚吕x u h u a a na p p m a e ht oc o m p u t e 咖0 d e l i n ga n dv i s u a l i 刎o no f g e o l o 西c a lf a u l t s i i l3 d 【j 】c o m p u t e r s & g e o i e n s ，2 0 0 3 ，2 9 ( 4 ) ：5 0 7 5l3 【1 2 】潘炜，刘大安，钟辉亚等三维地质建模以及在边坡工程中的应用明岩石力学与工程学 报，2 0 0 4 ，2 3 ( 4 ) ：5 9 7 巧0 2 【l3 】 b 他m l i l l gm a n 印p m ht ot h ei n t e 孕a t i 鲫o fs p a t i a ld a ：t a 柚ds y s t e mf o r3 dg e 0 - i l l f 0 咖a t i o n s y s t e m m c o 舭r & g e o i e n c e s ，1 9 9 9 ，2 5 ( i ) ：3 9 4 8 【1 4 】柴贺军，黄地龙，黄润秋等岩体结构三维可视化模型研究进展【j 】地球科学进展， 2 0 0 1 ，l “1 ) ：5 5 ，5 9 【1 5 】李培军层状地质体的三维模拟与可视化【j 】地学前缘2 0 0 0 ，7 ：2 7 l 2 7 7 【1 6 】王英杰，袁勘省，余卓渊多维动态地学信息可视化m ) 北京：科学出版社2 0 0 3 ，l o 【1 7 】曹代勇，王占刚三维地质模型可视化中直接三维交互的实现叨中国矿业大学学报， 2 0 0 4 ，3 3 ( 5 ) ：3 8 4 3 8 7 【1 8 】朱众辉，朱培民，金丹从a r c g i s 平面栅格图形到g 0 c a d 三维图像转换的开发探讨叨工程地 球物理学报，2 0 0 4 ，i ( 5 ) ：4 3 5 4 6 0 【1 9 】陈佩佩，叶勇，张守仁矿山工程软件s u 叩v i s i 伽在煤矿中的应用忉煤炭科学技 7 4 中南大学硕士学位论文 参考文献 术，2 0 0 2 ，3 0 ( 3 ) ：2 9 31 贾明涛，潘长良集成可视化矿床建模软件d m s 在某矿山的应用【j 】中南工业大学学报， 2 0 0 0 ，3l ( 5 ) ：3 9 6 0 9 9 c h a i b i n g ，q i nd e 一垴n ，z h 锄gx u - s h u 1 1 h ea p p l i e a t i o no f ( 1 e p o s i t3 dm o d e lb 笛e do n m i c r o m i i l e 叨g l 舭p m s p e c t 2 0 0 4 ，4 0 ( 5 ) ：7 7 8 0 e 瑚s i a i i k 锄p 均c t i e a la p p r 0 h 蚤”3 dm o d e l i l l go fo 俺b o d i e s 柚d 吐圮d c s i 髓o fd e v e l o p m e n t f o r 咖d e 理删脚o f m i 懈【j 】m i n e r a jr e 9 0 u r c e se r 唱i m e r i r i g ，j u l 2 0 0 0 ，9 ( 3 ) ：1 2 一1 6 蔡美峰金属矿山采矿设计优化与地压控制理论与实践m j 北京：科学出版社，2 0 0 l ：7 胡 x u 孙g - h e ，x ux i 玲h e ac u s pc a 】：a s 昀p h e ，p r e e 骶饼sp a 戗e n l 鳓de v o l m i 帆p r o e e 路0 f m e k b u s to fc o a lp i l l 缸岫d 盯ah a r d r o e ks u b j e e tt oe l a s l i cs u p p o r t 川j o 明1 a 10 fc o a l s c i e n c e & e n 西n r i i i g 19 9 6 ，6 ：2 4 31 罗周全，鹿浩，袁节平，杨彪，张保。金属矿采空区精密探测与三维建模技术湖南科技大学学报 ( 自然科学版) ，2 0 0 8 9 ，8 3 8 6 王继光岩体工程地质分析( m 】重庆：西南交通大学出版社，1 9 8 8 年 王超凡，赵永贵，靳洪晓，等地震c t 及其在采空区探测中的应用叨地球物理学报，1 9 9 8 ，4 l ( 增 刊) ：3 6 7 3 7 5 常锁亮，张淑婷，李贵山，等多道瞬态瑞雷波法在探测煤矿采空区中的应用阴中国煤田地质 2 0 0 2 ，1 4 ( 3 ) ：7 d v 7 2 段鸿杰，唐岱茂，曹为民测氛技术圈定采空区影响边界的应用叨华北地质矿产杂志， 19 9 9 ，1 4 ( 1 ) ：71 ，7 6 祁生文，孙进忠，万志清瞬态瑞雷波勘探方法的一点改进阴辽宁工程技术大学学 报，2 0 0 l ，2 0 ( 4 ) ：4 6 6 4 6 7 阎长斌，徐国元，黄仁东探地雷达技术在隧道工程质量验收中的应用田地质灾害与环境保 护，2 0 0 3 ，1 4 ( 4 ) ：8 l 8 4 徐国元，黄仁东，门长斌，等地下空区形态层位探测技术验收报告【l l 】，长沙：中南大学，2 0 0 4 j 鲫) s z a l s h ep h e r d c a v n ym o l l i t o r i n gs y s c e m ( c m s ) s u n ，e yf a t o i 锄dc a l i b r a t i n 鲥o n a l m h 砖s u r v e y i n gc 彻f e | 饥，d i n j i ，i f 蚺u s 舡锄i a j u l y2 0 0 2 龚健雅，夏宗国矢量与栅格集成的三维数据模型【j 】武汉测绘科技大学学报，1 9 9 7 ，2 2 ( 1 ) ：7 1 5 毛方儒，王磊三维激光扫描测量技术川宇航计测技术，2 0 0 5 ，2 5 ( 2 ) ：l 一6 s y i i l p 0 s i 姗c i l ls 觚匆 s c i e n c e 锄d1 碗1 1 i l o l o 科( 2 0 0 2 l s s s d 【c 】b e i j i n g n e 吣： s e i e n e e p r 懿s ，2 0 0 2 2 5 3 2 5 5 马立广地面三维激光扫描仪的分类与应用u 】地理空间信息，2 0 0 5 ，3 ( 3 ) ：6 0 “2 刘敦文，徐国元，黄仁东等金属矿空区探测新技术【j 】中国矿业2 0 0 0 9 ( 4 ) ：3 4 3 7 隋旺华，沈文浅部采空区岩层移动的工程地质分析及有限元模拟【j 】煤炭学 7 5 川 u 刁 习q 习 q 刀 研 观 口 口 口 口口 口 口口 口 口 川 u 习 卅习q 刀跚明 p p p p p p p 口口口 中南大学硕士学位论文 参考文献 报1 9 9 1 1 5 ( 3 ) ：7 2 5 2 李新强，高延法，张庆松开采沉陷动态数值仿真研究【j 】岩石力学与工程学报，2 0 0 4 ， 2 3 ( 4 ) ：8 6 9 0 朱维申，何满潮复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学【m 】北京：科学出版社，1 9 9 5 年 杨柯，张立翔，李仲奎地下洞室群有限元分析的地应力场计算方法【j 】岩石力学与工程学 报，2 0 0 2 ，2 1 ( 11 ) ：1 6 3 虬1 6 4 4 齐安文基于三棱柱的三维地质模拟与三维拓扑研究中国矿业大学博士论文，2 0 0 2 吴立新，史文中地理信息系统原理与算法【m 】北京：科学出版社，2 0 0 3 ，l o 吴立新，史文中，c m s t o p h e rg o l d 3 d g i s 与3 d g m s 中的空间构模技术田地理与地理信息 系统，2 0 0 3 ，1 9 ( 1 ) ：5 1 1 张新宇地学空间三维可视化储量计算辅助分析系统关键技术的研究吉林大学博士论 文，2 0 0 6 冯兴隆，王李管，毕林，贾明涛，曾庆田基于l 棚b s c h e r 崩落图的矿体可崩性研究川，煤炭学 报，2 0 0 8 ，( 3 ) 王家