（安全技术及工程专业论文）基于CMS实测的采空区群稳定性数值模拟研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee x c a v a t i o no ft h er o c kw i l lc a u s et h er e l e a s eo ft h ec r u s t a ls t r e s s m a yc a u s et h ec o u n t r yr o c kt ol o s es t e a d i l ya n dd e s t r o y i n g b e c a u s et h e r o c kh a sn o n - l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s ，d i f f e r e n t f r o m r o c km e c h a n i c s p a r a m e t e ri nd i f f e r e n tl o a d i n gr o u t e s ，b es h o w na sd i f f e r e n tm e c h a n i c sw i l l b er e s p o n d e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i si sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yr e s e a r c hf i e l d f o rs t a b i l i t ya n a l y s i s ，w em u s t c l e a r l yu n d e r s t a n dt h eo b j e c to fa n a l y s i sa n du n d e r s t a n d i n go ft h e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n da c c u r a t ee x c a v a t i o no ft h er o c k e s t a b l i s h m e n t o fa c r e d i b l e g e o l o g i c a lm o d e lf o rt h eu s eo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s t h ep r e m i s eo fs t a b i l i t ya n a l y s i s i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tf o rt h er o c k p r o j e c ti nm u l t i m e d i ac o m p l e xc o n d i t i o n s a c c u r a t eb u i l d i n go fm e c h a n i c a lm o d e l i st h ef o u n d a t i o no fn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns t u d yo nr o c ka n ds o i l e n g i n e e r i n gs t a b i l 毋t h ea c t u a l3 d s h a p ea n de x a c ts p a t i a lp o s i t i o no fa b a n d o n e ds t o p ea r et h ei m p o r t a n t f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e r e l i a b i l i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f a b a n d o n e ds t o p es t a b i l i t y h o w e v e r , i nt h ep a s t ，t h es h a p eo ft h ec a v i 锣 w a su s u a l l yt a k e na st ob ear e g u l a ro n ew h i c hi sc o n f i r m e db yt h es t o p e m i n i n gd e s i g n ，o re v e nu s e das i m p l em a n u a lm o d e li nt h ep r o c e s so ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w h i c hd e p r e s s e dt l l er e l i a b i l i t yo ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t ss e r i o u s l y i nt h i sp a p e r , t h e3 ds h a p ea n dt h es p a t i a l l o c a t i o na r eo b t a i n e da c c u r a t e l yb yu s i n gc a v i t ym o n i t o r i n gs y s t e m , a n d t h e3 ds h a p em o d e lo ft h ec a v i t yi se s t a b l i s h e dp r e c i s e l yb yu s i n gt h e s u r p a cs o f t w a r e ak i n do fm o d e l i n gm e t h o df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o na b a n d o n e ds t o p es t a b i l i t yb yc o u p l i n gs u r p a ca n df l a c ”i sp u t f o r w a r d s o ，an e wc o u p l i n gt e c h n i q u eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no n a b a n d o n e ds t o p es t a b i l i t yb a s e do nc a v i t ym o n i t o r i n gi sf o r m e d , w h i c h i m p r o v et h ea v a i l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s e f f e c t i v e l y n 呛n e wt e c h n i q u ei s u s e ds u c e e s s f u l l vi nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ns t u d yo nt h es t a b i l i t yo ft h ea b a n d o n e ds t o p eg r o u po ft h e t o n g k e nm i n es o u t h w e s t e r nm i n i n gd i s t r i c t i ti sp r o v e dt h a tt h en e w t e c h n i q u ei sf e a s i b l ea n dr e l i a b l e 。a n dp r o v i d e san e ww a yf o ra b a n d o n e d s t o p eg r o u ps t a b i l i t yn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d y 硕士学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d ：a b a n d o n e ds t o p e ；s t a b i l i t y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c a v i t y m o n i t o r i n g h i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：羞壅氩日期：j 咀年月j 生日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：喜垩斌导师签日期：月业日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国社会、经济的迅猛发展，矿产资源开发在国民经济中起到越来越举足 轻重的作用。然而，资源需求的大规模增长，以及矿产资源的不可再生性、储量耗 竭性、供给稀缺性与人类对矿产资源需求的无限性形成尖锐的矛盾。与此同时，伴 随着大量矿产资源的开采留下的重大安全隐患给也给人类生命和生态环境带来了 严重威胁【1 1 。其中，采空区是最大的安全隐患之一，它直接威胁到矿山的安全生产， 主要表现为空区围岩在地下施工的爆炸冲击下容易跨落、能量累积效应可能引起大 面积空区坍塌事件的发生等等。因此，采空区问题是矿山安全高效开采所面临的重 大研究课题之一删。 迄今为止，国内外对采空区问题做了大量的研究，主要集中在以下几个方面： 采空区探测、采空区稳定性评价以及采空区处理技术。 在对采空区稳定性进行科学评价的基础上，采取合理的工程措施对其进行有效 处理，是采矿工程实践中常需要解决的问题。由于矿山地质及采矿条件的复杂性， 致使采空区的危害性定量评价较为困难。目前，关于采空区的危害性研究最主要的 是预测采空区在一定年限内的剩余位移变形量或发生突然塌陷的可能性。评价方法 虽然很多，但尚需解决一些关键问题，主要包括地质力学模型的合理建立、工程动 态施工过程的模拟，采空区空间相对位置的影响、时间效应的考虑，采空区稳定性 和容许变形界限值的确定( 即处治与否的界限) ，采空区治理的原则和需达到的标准， 施工后可能变形值的预测等。因此，深入研究空区的流变特性，需要准确建立采空 区形态和包含实际岩层的力学分析模型，合理地确定采动破裂岩体物理力学参数， 对空区稳定性进行动态预测。由此看来，合理的力学计算模型的建立和准确的开采 范围和空间位置的探测和应用是空区稳定性评价的基础例。 1 2 课题的由来、研究目的和意义 柳州华锡集团铜坑矿在长期的开采中形成了大量的采空区，局部地段空区的冒 落或坍塌已构成威胁矿山生产的重大安全隐患。为能有效地控制因空区引发的地质 灾害，急需对现有空区进行彻底探查和分析，以弄清空区空间分布、实际边界、体 积大小等基本情况，并在此基础上对其稳定性进行分析，为空区综合治理提供技术 支撑。 在2 0 0 6 年5 月2 4 日至6 月5 日及2 0 0 6 年7 月2 5 日至8 月1 2 日期间，铜坑 硕士学位论文第一章绪论 矿与中南大学合作，以“铜坑矿9 2 号矿体西南采区空区形态精密探测及数字模拟与 监测技术研究”课题为依托，在国内首次采用国际先进的地下矿采空区探测系统 c m s 完成了铜坑矿西南采区的采空区的探测工作，并借助大型矿山工程软件 s u r p a c 等工具，精确地获得了空区的三维形态、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。本文就是在此研究工作的基础 上，结合大型工程项目“铜坑矿9 2 号矿体西南采区空区形态精密探铡及数字模拟与 监测技术研究”的内容要求，开展基于实测的铜坑矿西南采区的空区群稳定性数值 模拟分析研究。 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( 即开采前) 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( 群) 稳定性数值模拟模型进行数值模拟计算分析，是空区( 群) 稳定性数值模拟研究中 应加以解决的一个重要问题 4 1 。 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( 群) 稳定性数值模拟研究，形成一种新型的基于空区实际三维形态精密 探测的空区( 群) 稳定性数值模拟技术，以提高数值模拟结果的精度和可靠性，并 结合大型工程项目“铜坑矿9 2 号矿体西南采区空区形态精密探测及数字模拟与监测 技术研究”，将所形成的技术应用于铜坑矿西南采区采空区群稳定性数值模拟分析 中，以验证其可靠性和可行性。 1 3 国内外研究现状 1 3 1采空区探测研究现状 由于采空区探测条件复杂，耳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： 2 硕士学位论文第一章绪论 电法、电磁法、地震法、微重力法和射气法，其中电磁法、地震波法和电法空区探 测技术情况见表1 1 至表1 3 5 。埘。 表1 - 1 电磁法空区探测技术评迷一览表 种类瞬变电磁法探地雷达法井间电磁波透视法 物理前提 成果解释 应用条件 有效深度 精度范围 干扰因素 适用于较复杂地形测 试容易，数据采集处理 自动化，解释难度大 l o 1 5 电磁性差异 剖面 剖面 适用于高阻地质体，不 受地形影响，图像直观 解释容易 3 0 m 5 前期t 作难度大，后 期测试容易，数据资 料整理容易 等效钻孔深度 5 电线、地下水管、铁管、游散电流、电磁干扰 解决问题及效果 蓄霎磊，翟蔷萎奏辱、 适用于高阻空区( 充各种形状空区、冒落 气) ，低阻效果差带 分辨率较高高 高 3 硕士学位论文第一章绪论 表1 - 3 电法空区探测技术一览表 种类高密度电法电测深法电剖面法 物理前提 成果解释 电性前提 有效深度 精度范围 干扰因素 剖面 电性差异 纵线横线 任何地层及产状、良岩层倾角小于2 0 。、地接地条件好、干扰水 好的接地条件形坡度小于3 0 。、表层平低、沿测线地形起 电性均匀伏不大 s 1 0 0 m l o 2 0 1 0 0 0 m 1 0 - 3 0 2 0 0 m l o 0 3 0 电线、地下水管、铁管、游散电流、电磁干扰 解决问题及效果耋，主鼎糕蠢嚣纛怒麓漉薯种形状空区、髂 果好 分辨率较高低低 除上述方法外，目前最新的空区探测方法3 d 激光探测法，是利用激光的高度 精确性对地下采空区的形态大小和位置进行三维探测的新型方法。激光3 d 扫描仪 能迅速记录与所观测对象有关的大量三维数据信息，其探头具有较好的伸展柔韧 性，它的装置采用不锈钢制作，可以在水平和竖直方向进行3 6 0 0 旋转测量。数据遥 感勘测系统可以将所有的测量数据送回外部的主控装置，同时利用计算机获取并管 理数据，通过软件处理、观察和编辑数据，可以建立采空区的空间立体形态模型， 并进行数据分析 i i - d l 。 上述所有探测方法中，除3 d 激光探测法外，其余方法均不同程度地存在着抗 干扰能力较弱，勘探深度有限，探测结果不够精确，完成探测后需要对探测结果( 图 形) 解释，过程繁琐，可视化程度低。3 d 激光探测法是目前国际上一种新型空区 探测方法，该方法能快速而准确的探测出了空区的三维形态及空区空间位置，探测 结果可视化程度高，后处理系统功能强大，具有良好地应用效果【1 4 j 。 1 3 2采空区稳定性数值模拟研究现状 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，己被证明是 4 硕士学位论文 第一章绪论 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唧。综观国内外相关文 献及技术资料，目前对地下采空区迸行数值模拟研究的基本特点可以归纳为以下几 个方面： ( 1 ) 目前所使用的数值模拟方法主要有：有限差分方法、有限元法、边界元法、 离散元法、流形元和无界元法等。也有学者提出将多种方法进行综合进行数值模拟， 如将有限单元、边界单元和离散单元三种数值模拟方法结合起来，进行耦合分析， 将采动区破碎岩体划分为离散元，而较远处完整度较好的岩体视为连续体，则用边 界单元或有限单元来进行模拟分析l l 捌。 ( 2 ) 影响采空区稳定性的因素众多，其中开挖引起的应力重新分布和爆破动应 力作用不容忽视。因此，应用数值模拟方法对采空区稳定性进行研究主要集中在两 个方面。一是开挖过程对采空区稳定性的影响，属于静载作用范畴，目前这方面的 研究相对较多；二是施工时的爆破震动对采空区的影响，属于动载作用范畴，其作 用机理较为复杂。由于爆破动载对空区作用的复杂性，目前在这方面的研究相对较 少。此外，目前对单个空区稳定性进行数值模拟研究相对较多，而对空区群进行整 体数值模拟研究的相对较岁。 ( 3 ) 目前进行空区( 群) 稳定性数值模拟研究过程中存在的主要难题有两个： 一是数值模拟模型的三维建模问题。二维建模相对简单，因此应用的较为广泛，但 毕竟空区问题是属于三维问题。而三维建模过程相对复杂，在实际应用中存在较大 的困难，因此本来应该采用三维建模才能予以较好解决的问题由于建模原因而不能 得到很好的解决。另一个难题是模型所需的岩体力学参数选取较为困难，也是目前 数值模拟计算存在的普遍问题。如果参数选取不合理，获得的模拟结果与实际情况 无疑会有较大的出入【1 ”。 ( 4 ) 数值模拟的初始地应力场是否与实际地应力场一致，是决定地下工程数值 模拟是否成功的基本条件。大多数数值模拟对于初始应力场的计算仅考虑重力，有 部分计算采用实际测量应力值反演初始应力场。对于深部采矿初始地应力中构造应 力大于重力，因此，必须在有大量际测量应力值的基础上，研究如何准确拟合初始 应力场的问题【l 卅。 ( 5 ) 如前所述，采空区的实际三维形态是影响空区稳定性数值模拟结果准确性 的关键因素之一。目前，对采空区稳定性进行数值模拟往往是将采空区的形态视为 空区形成之前( 即开采前) 进行采场设计时确定的规则形态。而采空区的实际形态 往往因在实际开采过程中测量、爆破等因素的影响而呈不规则状，加之采空区形成 5 硕士学位论文 第一章绪论 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。这就势必严重地影响空区稳定性数值模拟结果的可信度。因 此，如何精确地测定采空区的三维实际形态，并以此为基础建立空区( 群) 稳定性 数值模拟模型是解决这一问题的关键。 1 3 3初始地应力研究进展 岩体的初始地应力值是地下工程设计中的重要参数。地应力对地下建筑物的受 力和稳定影响很大。地应力是引起采矿工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程 岩土体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必 要前提。 初始地应力状态研究对于合理进行地下工程的设计与施工具有很大的现实意 义。在地下洞室开挖工程中，随着岩体初始地应力的释放而引起卸荷，造成地应力 扰动与洞室围岩变化。地下工程的失稳主要是由于开挖过程中引起的岩体应力重分 布超过围岩强度或因其围岩过分变形而造成的，因此初始地应力是影响地下洞室工 程稳定最主要的基本因素之- - 1 9 1 。 瑞士地质学家h e i m ( 1 9 1 2 ) 首次提出了地应力的概念，并假定地应力处于一种静 水应力状态，等于单位面积上覆盖层的重量。苏联学者金尼克( 1 9 2 6 ) 修正了海姆的 静水压力假定，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力( 水平 应力) 是泊松效应的结果，认为单位面积上覆盖层的重量乘以一个修正系数，但根据 实际的量测结果，海姆假设和金尼克的弹性理论计算法仅仅适应一定的场合，而不 是初始地应力场分布状态的普遍规律。如断裂、褶皱等地质现象均表明地壳中水平 应力的存在。早在本世纪加年代，李四光就指出：“在构造应力的作用下影响地壳上 层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。2 0 世纪5 0 年代，瑞典的哈斯特限h a s t ) 首先在地应力测量工作中发现最大水平主应力一般为 垂直应力的l - 2 倍，甚至更多，在某些地表处，测得的最大水平应力高达7 m p a 。 重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地 应力的形成贡献最大口川。 由于初始地应力场的分布规律比较复杂，已有经验不能为大范围内进行初始地 应力场的分析计算建立比较合理的力学模型。可供工程应用的初始地应力值，主要 靠实测资料来获取，但少数测点又难以满足工程建设的需要，这就提出了如何利用 少数实测点来反演出工程区的初始地应力场问题。当局限在较小范围内进行初始地 应力场的数值分析时，计算区域的边界应力通常简单地假设为均布应力或只是线性 规律变化的应力等。陶振宇，曾庆义等提出边界水平荷载调整法，用有限元方法求 在这一水平分布荷载及重力场作用下的应力场。肖明提出了采用三维有限元反演三 6 硕士学位论文第一章绪论 维初始地应力场，并用三维正交多项式拟合三维应力函数。朱焕春等提出了“河谷 地应力场的数值模拟”方法，该方法以河谷地应力场的成因为基础，采用三维弹塑 性有限元和正交设计理论相结合的手段来分析评价。冯紫良提出了初始地应力位移 反分析计算的有限元计算原理，包括弹性问题计算的基本关系式，以及弹塑性问题 计算的数值处理技术等。郭怀志、马启超等采用了三维空间的力学模型为基础的理 论应力拟合方法，并在计算过程中引入数理统计中的多元回归分析原理，取得了较 好的结果。朱伯芳院士在郭怀志教授研究的基础上做了改进，把自重应力作为己知 值，只反演构造应力，从理论上做了解释。于波、蔡美峰、乔兰根据地应力实测数 据，使用灰色建模理论建立了矿区地应力分布规律的模型，具有良好的一致性。日 本的樱井春辅提出了位移应变反馈方法来确定初始地应力与地层弹性参数的有限 元法【2 l l 。 1 4 本文研究的内容及技术路线 本文针对目前国内外对采空区稳定性进行数值模拟研究中存在的问题，结合大 型工程项目“铜坑矿9 2 号矿体西南采区空区形态精密探测及数字模拟与监测技术研 究”，综合运用岩石力学、空区精密探测系统c m s 、大型矿床三维建模软件s u r p a c 及大型岩土工程数值模拟分析软件f l a c 3 d 等手段，开展基于空区形态精密探测的 空区稳定性数值模拟多手段耦合技术的研究和应用，主要研究内容和方法如下： ( 1 ) 以铜坑矿西南采区的采空区群为具体研究对象，运用c m s 系统对采空区 群进行精密探测，获取空区实际的三维形态和空间位置； ( 2 ) 研究c m s 探测数据的表述形式，采用能与c m s 直接对接的大型三维建模 软件s u r p a c ，探索如何应用c m s 探测数据在s u r p a c 软件中建立准确表达空区 实际三维形态的三维实体模型； ( 3 ) 运用s u r p a c 软件建立空区群稳定性数值模拟基础模型。考虑构成模型的 基本单元块大小对模拟计算速度和计算结果精度的影响，研究确定合理的单元尺 寸；为识别每个单元的岩性、及辨别该单元是否是空区内单元，研究给单元赋值辨 别的方法，因此需要寻求一种快速单元赋值方法。实现复杂地质体模拟计算基础模 型在s u r p a c 软件中快速、准确建立； ( 4 ) 在研究s u r p a c 块体模型导出数据格式的基础上，研制接口程序，实现将 在s u r p a c 中已经建立起来的空区稳定性数值模拟基础模型导入大型数值计算分 析软件f l a c ”的方法； ( 5 ) 数值模拟计算成功的关键不仅仅需要建立准确的计算模型，数值模拟的初 始地应力场是否与实际地应力场一致，也是决定地下工程数值模拟是否成功的基本 7 硕士学位论文第一章绪论 条件。因此，本文还将开展在f l a c 3 d 中准确模拟初始应力场的研究； ( 6 ) 在前述研究的基础上，运用f l a c 3 d 软件对铜坑矿西南采区实际开采过程 ( 即空区形成过程) 进行数值模拟计算研究，并根据计算结果对空区群稳定性进行 分析； ( 7 ) 在总结本文研究工作的基础上，就后续研究工作进行了展望。 本文拟采用的技术路线如图1 - 1 所示。 图1 - 1 研究技术路线图 8 硕士学位论文 第一章绪论 1 5 本章小结 采空区是危及矿山安全的重要隐患，它直接威胁到矿山的安全生产。当前，采 空区问题已经成为我国矿山安全高效开采所面临的重大研究课题之一。本章在详细 阐明本文研究课题的由来、研究目的和意义的基础上，对国内外相关研究的现状进 行了综合评述，提出了本文研究的主要内容，并确定了研究技术路线。 9 硕士学位论文第二章采空区三维精密探测 第二章采空区三维精密探测 2 1 采空区三维探测工具c m s 简介 三维激光空区监测系统( c a v i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ，c m s ) 是基于激光扫描 原理开发的可用于地下矿山的空区激光探测系统。该系统2 0 世纪9 0 年代初由加 拿大n o r 粕d a 技术中心和o p t e c h 系统公司的共同研制成功，迄今已有1 6 0 多套在全 球应用，如加拿大n o r a n d a 公司、瑞典的z i n k g r u v a n 公司等。目前，该系统已成 为矿业发达国家地下采场和空区探测的重要手段，尤其是在对危险和人员无法 进入的空区探测中。该系统还可用于井下硐室、充填体位移、巷道断面、露天 矿采场测量等工作田】。 2 1 1c m s 系统基本组成 1 ) 硬件 c m s 系统基本硬件配置包括：激光扫描头、坚固轻便的碳素支撑杆、手持 式控制器和带有内藏式数据记录器与c p u 和电池的控制箱，如图2 - 1 所示。 圈2 1c m s 系统硬件组成 2 ) 软件 c m s 软件q v o l 专门为c m s 数据处理而设计，可在l l r m d o w s t m 或w i n d o w s n f l m 操作系统下工作，经过它的处理，空区的三维图形立刻展现在在眼前。该 软件具有以下主要功能： ( 1 ) 能快速准确地在任何方向通过3 d 网格获得任意空区剖面，如图2 - 2 ； 1 0 硕十学位论文第二章采空区三维精密探测 理。 ( 2 ) 能自动计算各剖面的面积和空区体积； ( 3 ) 能输出多个d x f 剖面以传输至a u t o c a d 和其它采矿软件等系统进行处 图2 - 2c m s 空区q v o l 模型剖面 2 1 2 c m s 工作基本原理 c m s 系统采用的是一种激光测距仪的扫描头。激光扫描头伸入空区后作 3 6 0 0 旋转并连续收集距离和角度数据。每完成一次3 6 0 0 的扫描后，扫描头将自动 地按照操作人员事先设定的角度抬高其仰角进行新一轮的扫描，收集更大旋转 环上的点的数据。如此反复，直至完成全部的探测工作。c m s 探测工作原理如 图2 3 所示。 c m s 激光测距仪采用的激光二极管几乎可以实现对任何材料物体的非接触 测距，可以在黑暗或光照强的环境下使用而不需采用其它反射体或反射镜。扫 描头发射的细小激光束不会产生错误的回波荠可对远距离的小物体进行测距。 激光束从粗糙的物体表面反射回来仍可被接收单元接收并实现距离测量。 为了计算距离，扫描头中的高精度计时器将测定激光束到达并从被测物体 表面返回的时间，然后微处理器再利用该时间自动计算出距离。系统采用高速 发射的激光和平均的方法来减少系统的随机误差，使激光测距仪测定的距离精 度与所测定的距离大小无关。 硕士学位论文第二章采空区三维精密探测 图2 - 3c m s 探测工作原理 c m s 三维激光扫描对确定目标的整体或局部进行完整的三维坐标数据探 测，在三维空间进行从左到右，从上到下的全自动高精度步进扫描，从而真实 地描述出目标的整体结构及形态特性。通过扫描探测点编织出的“外皮”来逼近目 标的完整原形及矢量化数据结构，可进行目标的三维重建。然后由全面的后处 理可获取复杂的几何内容，如长度、距离、体积、面积、目标结构形变、结构 位移及变化关系等。 c m s 三维激光扫描技术的主要特点是大范围的扫描幅度和高精度的小角度 扫描间隔。系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制激光扫描头的转动，使脉 冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。如图2 - 4 所示，通过数据采集获得测 距观测值s ，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值 和纵向扫描角度观测值0 。激光扫描三维探测一般使用仪器内部坐标系统，x 轴 在横向扫描面内，y 轴在横向扫描面内与x 轴垂直，z 轴与横向扫描面垂直， 由此可得到三维激光测点坐标的计算公式： i x = s c o s o c o s a iy = s c o s o s i n 口( 2 1 ) i z = s s i n o 硕士学位论文第二章采空区三维精密探测 特点圆。 2 1 3 c m s 系统工作数据流 图2 43 d 激光扫描原理 c m s 系统工作数据流程如图2 5 所示意，主要包括如下过程凹： ( 1 )c m s 扫描头进行扫描并获取数据； ( 2 ) 控制箱接收扫描数据： ( 3 ) 扫描数据以无线方式发送到手持式控制器； ( 4 ) 扫描数据从控制器下载到计算机； ( 5 ) 进行数据处理、计算、输出。 图2 - 5c m s 工作数据流图 硕士学位论文 第二章采空区三维精密探测 2 2 采空区c m s 现场探测 采用c m s 对铜坑矿西南采区的空区进行探测，探测的空区分别为：t 1 1 0 ， t 1 1 1 、t l l 3 、t 2 0 9 、t 2 l o 、t 2 1 1 、t 2 1 2 、t 2 1 3 、t 2 1 4 、1 2 1 5 、m 1 、m 2 、t 3 1 0 、 1 3 1 1 、1 r 3 1 2 、t 3 1 4 、”1 5 、t 3 1 6 、r 3 、t 5 0 3 、t 5 0 5 、t 5 0 6 、s 1 ，共2 3 个空区。 探测空区的平面分布如图2 - 6 所示。 图2 - 6c m s 探测空区平面分布图 2 3c m s 原始探测数据预处理 运用c m s 探测空区获得的原始探测数据为“t k t ”格式文件，其纪录的是两个 角度和一个距离值。在对原始数据进行q v o l ( c m s 系统软件) 、c a d 或s u r p a c 应用之前，必须对原始探测数据进行预处理，将“o ( t 格式的原始数据文件转换 成 d x f 格式的文件。采用c m s 自带的处理软件c m s p o s p r o c e s s 对原始探测数 据进行预处理的处理窗口如图2 7 所示。 1 4 硕士学位论文第二章采空区三维精密探测 图2 7c m s 原始探测数据转换窗口 铜坑矿西南采区空区探测原始数据预处理结果见表2 - 1 。 表2 - 1 铜坑矿西南采区空区探测原始数据预处理结果 1 5 硕士学位论文第二章采空区三维精密探测 2 4 本章小结 阐明了c m s 系统的基本组成和工作原理，运用c m s 完成了铜坑矿西南采区 的采空区群的探测，并对探测原始数据进行了处理，从而为后续的采空区群稳 定性数值模拟分析研究奠定了基础。 硕士学位论文第三章基于实测的采空区群稳定性数值模拟基础模型的构建 第三章基于实测的采空区群稳定性数值模拟基础模型的构建 大型三维矿山设计软件s u r p a c 具有强大的三维地质建模能力，用它能够 进行复杂地质体的三维可视化建模，且在空间剖分方面与数值模拟软件具有一 定的相似性脚j 。针对f l a c 3 0 软件在复杂地质体模型构建及单元网格划分等前处 理问题上存在的不直观、工作量大等不足 2 6 1 ，为形成一种新型的基于s u r p a c 软件的直观、快速的f l a c 3 d 模型生成技术，本章开展基于实测的采空区群稳定 性数值模拟基础模型的构建方法研究。这里所谓的基础模型，是指用s u r p a c 建立地质体的块体模型后，应用直接赋值的方法进行单元块岩层属性和空区与 非空区属性赋值后形成的模型。 3 1 三维矿床建模软件s u r p a c 简介 s u r p a cv i s i o n 是由澳大利i f l ；s s i 公司开发的s u r p a c 系列大型软件系统的 最新版本，广泛应用于资源评估、矿山规划、生产计划管理乃至矿山闭坑后的 复垦设计的整个矿山生命期的所有阶段。它具有一整套三维立体的建模工具， 可与c m s 接口，将探测空区数据处理后导入形成空区的实体模型【2 7 1 。本文需要 应用s u r p a c 软件的三维实体建模和块体建模的功能，因此下面简要阐明 s u r p a c 实体模型和块体模型及其构建的特点。 3 1 1s u r p a c 实体模型及其构建特点 实体建模是在表面模型的基础上，增加了实体存在于面的哪一侧的信息。 具体做法是确定各个面的方向，面的正向为物体内部指向外部的方向。依照右 手法则，各线段按逆时针方向排列，大拇指所指方向即为面的正向。实体模型 具有关于物体的全部信息，因而易于实现物体空间结构分析、体积运算、立体 显示等，适合于对矿体进行结构分析网。 s u r p a c 实体模型是一个三维的数据三角网。如：一张3 d m 就是通过用包 裹一个d t m ( 数字化地形图) 的方式而形成的一种实体形式，用线条描述了通过 实体的剖面。实体模型与d t m 具有同样的原理。实体模型用多边形联结来定义 一个实体或空心体，所产生的形体可用于可视化、体积计算、在任意方向上产生 剖面以及与来自地质数据库的数据相交。3 d m 是用于定义一个表面的。在 s u r p a c 中，d t m 的创建是自动的。三角网的创建是通过计算将大批的三维空 间点计算n x - y 平面上联结形成的。这种模型的不足之处在于不能建立一种具有 折叠和悬垂结构的模型。如地质结构、采矿场和放矿点。实体模型是将线中所 1 7 硕士学位论文第三章基于实测的采空区群稳定性数值模拟基础模型的构建 含的点联结为一系列三角形建立起来的。这些三角形在平面上看可能是重叠的， 但实际上在三维空间里就不是重叠或相交的了。实体模型的三角形网可以很彻 底她闭合为一个空间结构。尽管在s u r p a c 中有很多工具能自动地完成很多过 程，但是创建一个实体模型要比创建一个d t m 需要更多的交互过程。在 s u r p a c 中，有多种不同的方式建立实体模型，包括：1 ) 联结切面，在不同的剖 面日j 联结三角网。2 ) 使用中线和剖面，利用剖面沿着中线联结三角网。3 ) 使用控 制线来定义剖面，进而产生三角网。4 ) 切面内联结，在一个选中的切面内自动完 成三角网的联结。5 ) 手动选点，手动定义三角网约束，在切面间联结三角网。6 ) 单三角形，通过选定三角形顶点来定义每一个三角形。7 ) 切面到点的联结，自动 在所选切面和点之间联结三角网。8 ) 从一个切面到两个切面，在个闭合的母切 面和两个子切面或点间用联合概念来控制分支线进而产生三角网。9 ) 从一个面到 多个切面，在一个母切面和多个子切面间联结三角网。l o ) 多个切面间，自动在 一系列线和切面间联结三角网( 如图3 1 ) 2 9 3 “。 图3 - 1 实体模型三角网 3 1 2s u r p a c 块体模型及其构建特点 块体模型的研究和应用始于上个世纪6 0 年代初，是由美国k e n n e c o t t 铜矿 公司首先提出来的，其实质是用一系列大小相同的正方体( 或长方体) 来表示矿 体，每一块体的品位通过克立格法、距离反比法或其他估值方法确定，并认为 其品位为一常数。块体模型主要用于描述浸染状金属矿床的空间分布，到目前 为止，该技术仍被认为是描述在三维空间成渐变的品位或质量的空间分布的最 佳技术。它的主要特点是形态简单，规律性强，编程容易，特别利于品位和储 量的估算；它明显的缺点是描述矿体形态的能力差，矿体边界误差大，尤其对 于复杂矿体的描述，其误差有时大得让人难以接受。要减小块体模型在边界处 的误差，就必须减小块体尺寸。然而，用地质统计学方法估值时，块体的大小 与信息样品间距有关，一般取最小信息样品间距的o 5 倍。当样品稀疏时，描述 硕士学位论文 第二章基于实测的采空区群稳定性数值模拟基础模型的构建 的矿体边界十分粗糙。a x e l s o n 等人在第四届a p c o m 会议上提出了一个可变尺 寸的三维块体模型，即变块模型。s u r p a c 块体模型是采用变块模型，所谓变 块模型是指在某一方向上块体的尺寸可以变化，这样在构模时，可以使模型中 部块体尺寸较大，边界块体尺寸较小，从而增加了边界模拟的精度。该系统的 特点是可以在矿体的边界和内部变换块体大小，可以处理较复杂的地质结构。 为了更精确地模拟矿体边界，可以把边界部分的块体划分得更小。s i 瓜p a c 块 体模型采用变块模型如图3 2 所示 3 2 - 3 5 1 。 图3 - 2s u r p a c 块体模型 3 2 基于s u r p a c 的基础模型构建 采空区群稳定性数值模拟基础模型是在s u r p a c 块体模型基础上形成。 s u r p a c 块体模型的构成单元为规则六面体。根据在s u r p a c 中块体模型的构 建方法以及本文对基础模型的要求，确定基础模型构建步骤如图3 3 所示。 釜釜 匪 釜 萎萋釜 羹 岩 奁 蠢 。 鳘 性 件 羹区 性 耋 黎 约 束 耋耋耋容 文 件 单元块赋值过程 图3 - 3 块体模型构建步骤 3 2 1 地表实体模型的建立 将铜坑矿矿区地形图调入a u t o c a d 中，隐藏一些无关的层仅留下等高线 1 9 硕士学位论文第三章基于实测的采空区群稳定性数值模拟基础模型的构建 层，然后对等高线按高程分层，对同一高程的线拔高相同高度，处理后保存为 d x f 文件，其三维显示如图3 - 4 所示。将此文件调入s u r p a c 后清楚重复点， 跨接后生成地表实体模型。按高程显示地表模型如图3 5 所示。 图3 4 地形图在c a d 中的三维显示 图3 - 5 在s u r p a c 中按高程显示地表模型 3 2 2 基于c m s 探测的采空区s u r p a c 实体模型的构建 运用c m s 探测空区获得的原始探测数据为“臼一格式文件。在对原始数据 进行s u r p a c 应用之前，必须对原始数据进行处理，即采用c m s 自带的处理 软件c m s p o s p r o c 七s s 将“b 【t 格式的原始数据文件转换成“d x f ， 格式的文件。在完 成原始探测数据的处理后，用s u r p a c 软件专用的c m s 数据接口读入转换后 探测数据的“d x f 格式文件，形成空区三维形态。形成空区实体模型如图3 - 6 。 按上述方法完成西南区9 2 号矿体空区c m s 探测数据的导入，建立的实体模型 如图3 7 。 硕士学位论文第三章基于实测的采空区群稳定性数值模拟基础模型的构建 图3 _ 6s u r p a c 软件形成空区三维实体模型 图3 79 2 # 8 体西南采区空区群的s u r p a c 实体模型 3 2 3 岩层实体模型的建立 铜坑矿开采区域有1 0 个地层，分别为：d 2 2 a 、d 2 2 b 、d 3 1 、d 3 a 、d 3 2 b 、d 3 2 c 、 d 3 2 d 、d 3 抽、d 3 3 b 、d 3 知。在对空区进行数值计算时，如果只考虑几个地层，则计 算出来的结果可能会偏差较大。因此，必须先把所有地层线形成实体模型，以 便进行赋值约束。 在c a d 中打开岩层线图，隐藏地层和矿体外的其它图层，然后将地层和矿 体复制到一张新图，删除所有冗余的点和字后保存为d x f 格式。将d x f 文件 调入s u r p a c 后保存为s t r 文件，并对各线段重新编号，合并线串中所有线段， 清理重复点、跨接以及聚结点，将属于一个地层的线串分离出来。分别形成如 图3 - 8 每个岩层的d t m 。 硕士学位论文第三章基于实测的采空区群稳定性数值模拟基础模型的构建 3 ，2 4 块体模型的建立 圈3 - 8s u r p a c 中岩性实体模型 i ) 块体模型参数的确定 确定块体模型的主要参数包括： ( 1 ) 原点。可以是方位、倾角、插入的参照点等参数； ( 2 ) 范围。包括了x 、y 、z 三个方向的范围； ( 3 ) 方位角。是指模型主轴与水平方向的角度； 一 ( 4 ) 倾角。是指垂直方向的角