（采矿工程专业论文）基于灰色关联层次分析的点柱稳定性研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 在采用点柱采矿法开采的地下矿山，随着开采活动的不断进行， 采场的稳定安全问题变得突出，而矿柱尤其点柱是决定采场稳定状态 的重要结构单元，对采场起支撑作用，不但维护着采场顶板及围岩的 稳定性，而且稳定的点柱对采场矿石回收率的提高有极大的潜在作 用，因此点柱稳定性日益成为影响采场安全、制约生产的重要问题。 但由于点柱稳定性影响因素复杂众多，辨别这些因素以及判断它们的 重要性也就成为点柱稳定性研究的难点之一。点柱法采场的关键之一 就是保证点柱结构体系安全稳定，这是采用点柱法矿山必须解决的重 大技术问题。本文以三山岛金矿为实例，对点柱式充填法采场点柱稳 定性问题进行了研究，主要研究内容及成果包括： ( 1 ) 对影响矿柱稳定性因素进行了详细分析，采用层次分析法 ( a h p ) 建立影响矿柱稳定性因素重要性分析层次模型，从地质因素、 设计因素和施工因素等方面考虑，指出影响点柱稳定性的因素主要 有：开采方法、点柱截面大小与形式、点柱跨度、点柱高度、矿体特 征及赋存条件、矿岩理化性质、原岩应力及天然地震、开采深度、水 文地质条件、爆破条件、支护条件、充填及出矿作业影响等，之后运 用该模型对影响三山岛金矿点柱法采场点柱稳定性因素的重要性进 行了评价，结果表明：点柱的截面大小、原岩应力状态、多次重复的 采场爆破、点柱的跨度是影响点柱稳定性的四个主要因素。 ( 2 ) 在对影响三山岛金矿点柱法采场点柱稳定性因素的重要性进 行分析之后，选取三山岛金矿井下不同的点柱法采场中的比较有代表 性的四个点柱样本2 4 0 1 5 # 五分层二区d z 2 0 1 # 点柱( 样本s ) 、3 2 0 0 0 # 三分层d z 3 0 3 # 点柱( 样本墨) 、2 4 0 7 9 # 二分层3 # d z 2 0 1 # 点柱( 样本s ) 和2 4 0 6 3 # 三分层二区d z 3 0 2 # 点柱( 样本墨) ，在层次分析法确定点柱 稳定性影响因素权重( 重要性) 的基础上，采用灰色关联度分析法， 分析了四个在不同工况条件下的点柱的危险性问题，并且与矿山实际 生产过程中的点柱的安全性进行对比验证，结果表明，该法评价结论 基本符合点柱工作的实际情况。 ( 3 ) 根据灰色关联层次分析法对不同工矿条件下的点柱样本进行 分析后，结合现场所安设的多点位移计和钻孔应力计的测量结果，通 过分析验证了采用灰色关联层次分析法分析点柱的稳定性是合理、安 全、可靠的，与现场吻合得很好，符合工程实际情况，同时针对不同 硕士学位论文 摘要 工况条件下的点柱稳定性的分析结论，对评价结论为相对不稳定的点 柱样本，提出了一些改进方法和途径。 本文借助于成熟的层次分析法和灰色关联度理论，对点柱法矿山 采场当中的核心问题点柱稳定性进行研究，立足于解决采矿生产 的实际问题，所做的研究工作对地下矿产资源安全、经济、合理的开 采具有较为重要的理论意义和工程应用价值。 关键词点柱稳定性，层次分析法( a h p ) ，层次模型，灰色关联度， 灰色层次分析( g a h p ) 1 1 硕士学位论文 a b s t r a ( 了 a bs t r a c t i nu n d e r g r o u n dm i n e se x p l o i t e db yp o i n t p i l l a rm i n i n gm e t h o d ，t h e s t a b i l i t ya n ds a f e t yo fs t o p e s a r e i n c r e a s i n g l yo u t s t a n d i n gw i t ht h e c a r r y i n go no fm i n i n ga c t i v i t i e s t h eo r ep i l l a r , e s p e c i a l l yf o rt h ep o i n t p i l l a r , w h i c hi st h ei m p o r t a n ts t r u c t u r ee l e m e n td e t e r m i n i n gt h es t a b l e s t a t eo fs t o p e ，p l a y sas u p p o r t i v er o l ei ns t o p e i tn o to n l ym a i n t a i n st h e s t a b i l i t yo fs t o p er o o fa n ds u r r o u n d i n gr o c k , a n ds t a b l ep o i n ta l s oh a s g r e a tp o t e n t i a le f f e c t o nt h ei m p r o v e m e n to fo r er e c o v e r yr a t e s ot h e s t a b i l i t yo fp o i n tp i ll a ri si n c r e a s i n g l yb e c o m i n gt h ei m p o r t a n ti s s u eo f s t o p es a f e t yi m p a c ta n dp r o d u c t i o nl i m i t a t i o n h o w e v e r , a st h ef a c t o r so f p o i n tp i l l a rs t a b i l i t ya r ec o m p l e xa n dn u m e r o u s ，i d e n t i f y i n gt h ef a c t o r s a n dd e t e r m i n i n gt h e i ri m p o r t a n c eh a v eb e c o m eo n eo ft h er e s e a r c h d i f f i c u l t i e so np o i n tp i l l a rs t a b i l i t y t h es a f e t ys t a b i l i t yo fp o i n t - p i l l a r s t r u c t u r es y s t e mi so n eo ft h ek e yp o i n t sf o rp o i n t - p i l l a rm i n i n gm e t h o d ， a n di sa l s ot h em a j o rt e c h n i c a lp r o b l e mt h a ts h o u l db es o l v e db ym i n e s u s i n gp o i n t - p i l l a rm i n i n gm e t h o d t h ep r o b l e mo fs t o p es t a b i l i t y o f p o i n t p i l l a rf i l l i n gm e t h o di ss t u d i e db a s e do nt h ec a s eo fs a n s h a n d a o g o l dm i n e t h em a i nr e s e a r c ht o p i c sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo fp i l l a rw e r ea n a l y z e di nd e t a i l ， a n dt h eh i e r a r c h i c a lm o d e lf o rt h ei m p o r t a n c ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c i n g f a c t o r sf o rp i l l a rs t a b i l i t yw a se s t a b l i s h e du s i n gt h ea n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s ( a h p ) t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo fp o i n tp i l l a rw e r e d i s c u s s e df r o mt h ea s p e c t so fg e o l o g y , d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，w h i c h m a i n l yi n c l u d e dm i n i n gm e t h o d s ，s e c t i o ns i z ea n df o r mo fp o i n tp i l l a r , p o i n tp i l l a rs p a n ，p o i n tp i l l a rh e i g h t ，o r e b o d y c h a r a c t e r i s t i c sa n d o c c u r r e n c ec o n d i t i o n s ，o r ea n dr o c kp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，i n s i t us t r e s sa n dn a t u r a l e a r t h q u a k e s ，m i n i n gd e p t h ，h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，b l a s t i n gc o n d i t i o n s ，s u p p o r t i n gc o n d i t i o n s ，i m p a c to ff i l l i n g a n dm i n i n go p e r a t i o n sa n ds oo n t h e nt h ei m p o r t a n c eo ft h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h es t o p es t a b i l i t y i ns a n s h a n d a og o l dm i n ef a r t h e rw a s e v a l u a t e du s i n gt h ep r o p o s e dm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a ts e c t i o ns i z eo f p o i n tp i l l a r , i n s i t us t r e s ss t a t e ，m u l t i p l i c a t i n gs t o p eb l a s t i n ga n dp o i n t p i l l a rs p a na r et h ec o n t r o l l i n gf a c t o r so fp o i n tp i l l a rs t a b i l i t y i i i 硕士学位论文 a b s t r a c t ( 2 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ei m p o r t a n c eo ft h ef a c t o r sa f f e c t i n g t h es t a b i l i t yo ft h ep o i n t - p i l l a rm e t h o di ns a n s h a n d a og o l dm i n e ，f o u r r e p r e s e n t a t i v ep o i n tp i l l a rs a m p l e so fd i f f e r e n tp o i n t - p i l l a rs t o p e si n s a n s h a n d a og o l dm i n ew e r es e l e c t e d w h i c hw e r et h ed z 2 0 1 撑p o i n t p i l l a ri n t h es e c o n ds u b a r e at h ef i f t hl a y e r2 4 015j 6 ( s a m p l ej 1 ) ，t h e d z 3 0 3 # p o i n tp i l l a ri nt h et h i r dl a y e r3 2 0 0 0 # ( s a m p l ej 2 ) ，t h e 3 # d z 2 01 # p o i n tp i l l a ri nt h es e c o n dl a y e r2 4 0 7 9 # ( s a m p l e0 3 ) a n dt h ed z 3 0 2 # p o i n tp i l l a ri nt h es e c o n ds u b a r e at h et h i r dl a y e r2 4 0 6 3 # ( s a m p l e5 4 ) o n t h eb a s i so ft h ew e i g h t ( i m p o r t a n c e ) d e t e r m i n a t i o no ft h ef a c t o r so f p o i n t p i l l a rs t a b i l i t yb yt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，t h er i s ko fp o i n t p i l l a ri n s t a b i l i t ya s s o c i a t e dw i t ht h ef o u r d i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r e a n a l y z e du s i n gt h eg r e yc o r r e l a t i o ng r a d em e t h o d ，w h i c hw e r ea l s o v e r i f l e di nc o n t r a s tt ot h ep i l l a rs t a b i l i t y d u r i n gp r a c t i c a lp r o d u c t i o n p r o c e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee v a l u a t i o nr e s u l t so ft h em e t h o d a c c o r d sw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no fp o i n tp i l l a r ( 3 ) a f t e rt h ea n a l y s i so ft h ep o i n tp i l l a rs a m p l e si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n su s i n gt h eg r e yc o r r e l a t i o na n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( g a h p ) ， t h er e s u l t so ft h eg r e yc o r r e l a t i o na n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s su s e di nt h e s t a b i l i t ya n a l y s i so fp o i n tp i l l a ra c c o r d e dw i t ht h ep r a c t i c a lr e s u l t s a s s o c i a t e dw i t ht h em e a s u r e m e n tr e s u l t so ff i e l dm u l t i p o i n te x t e n s o m e t e r a n db o r e h o l es t r e s s m e t e r , w h i c hw e r ep r o v e dt ob er e a s o n a b l e ，s a f ea n d r e l i a b l e m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h es t a b i l i t yo f p o i n tp i l l a ra s s o c i a t e dw i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，i m p r o v e m e n ta n di t s a p p r o a c hw e r ep r o p o s e df o rr e l a t i v e l yi n s t a b l ep o i n tp i l l a r s a st h ek e yi s s u e si n s t o p e sm i n e db yp o i n t - p i l l a rm e t h o d ，t h e s t a b i l i t yo fp o i n tp i l l a ri s s t u d i e du s i n gt h et h e o r i e so ft h ea n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s sa n dg r e yc o r r e l a t i o nd e g r e et h e o r y a i m i n ga ts o l v i n g t h ep r a c t i c a lp r o b l e m si nm i n i n go p e r a t i o n s ，t h er e s e a r c hw o r ki so f t h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u ef o rt h es a f e ，e c o n o m i ca n d r e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o no f u n d e r g r o u n d r e s o u r c e s k e y w o r d sp o i n tp i l l a rs t a b i l i t y ；a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ； h i e r a r c h i c a lm o d e l ；g r e yc o r r e l a t i o nd e g r e e ；g r e ya n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s ( g a h p ) i v 硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 地下矿山保证开采稳定性的关键是采场，在采场中矿( 点) 柱是反映及决定采 场稳定状态的重要结构单元。矿山工程实践表明，对些用非崩落采矿法，尤其 是采用点柱法的矿山来说，矿( 点) 柱支撑着整个矿层，稳定的采场必须具备完整 的矿柱，而矿柱结构的破坏，必然恶化采场围岩的力学状态及采场的稳定条件， 会引起剧烈的地压活动，严重威胁生产的正常进行及人身安全。在这种条件下， 显然可以认为，不存在矿柱结构大量破坏的稳定采场，亦很少存在矿柱结构保持 良好状态而采场却总体失稳的情况1 、2 。l ，矿柱的完好程度是衡量采场稳定性的一 个重要标志 2 - s ，图卜l 为采场( 采空区) 构成要素的相互关系 2 1 ，由图可知：坚 硬岩体的采场( 采空区) 稳定性取决于顶板与矿( 点) 柱，当顶板岩体较完整，暴露 面积不大时，采场( 采空区) 稳定性则主要取决于矿( 点) 柱，对矿( 点) 柱稳定性进 行研究具有重要的意义，因此对矿( 点) 柱的稳定性必须引起足够的重视，研究矿 ( 点) 柱稳定性具有非常重要的理论和现实意义。 图1 - 1 采场( 采空区) 构成要素的相互关系 由于采场矿( 点) 柱的破坏模式受地质因素、工程因素和生产因素影响，矿( 点) 柱破坏影响因素的判断过程存在大量的不确定性推理，用确定性的计算或理论分 析方法常常不能获得令人满意的效果，矿( 点) 柱破坏影响因素及其影响大小的识 硕士学位论文第一章绪论 别确定目前还主要依赖采矿工程师的经验类比，而这种方法一般是不太严谨、不 太完整、也带有较大主观意愿的，因此有必要提出针对矿( 点) 柱破坏影响因素及 其影响大小识别确定的科学方法。 点柱是在多重因素共同作用下对采场顶板起支撑作用的。开展点柱稳定性研 究的深层次目的就是要研究不同工况条件点柱的危险性问题。不同因素影响点柱 稳定性的重要性程度是点柱稳定性研究的一个先决问题，但是由于不同工况条件 下，如不同深度、不同地应力、不同跨度、不同高度、不同截面等，点柱的工作 性能不同，这些因素对点柱稳定性影响的贡献也不相同，因此研究不同工况条件 下不同因素对点柱稳定性的影响甚为重要。 近几年来，一方面随着矿山开采深度不断增加，难采矿体增多，导致矿柱失 稳现象迅速增多；另一方面，采用矿( 点) 柱法或者矿( 点) 柱加充填体支撑空区在 大量矿山得到应用1 6 - 1 0 ，但是对其稳定性影响因素及不同工矿条件下的稳定性问 题却研究甚少，而在矿山实际过程中却相当关注其安全性、稳定性，因此，加强 对矿( 点) 柱采场稳定性分析研究，为矿井开采设计及安全生产提供可靠的理论依 据具有很重要的意义。 鉴于开展矿( 点) 柱失稳原因及其影响失稳因素重要性分析，并在此基础上考 察不同工况条件下点柱的稳定性问题研究的重要性，因此，本文以山东黄金集团 三山岛金矿海底基岩矿床开采为背景，采用层次分析法，根掘硬岩点柱的特点， 充分考虑点柱岩体稳定性的影响因素，对这些影响因素进行综合比较，考察不同 影响因素的重要性即权重问题；同时在层次分析法确定点柱稳定性影响因素权重 基础上，采用灰色关联分析，即灰色层次分析法，对不同工况条件下的点柱稳定 性问题进行了分析研究，并与现场实际监测进行比较检验。本文所做工作为保障 点柱法采场点柱的安全稳定，进而保证采场的作业安全，为充分配置矿山有限资 源、保障作业的正常进行，实现矿山持续生产和发展都具有重要的理论和现实意 义。 1 2 国内外研究现状及进展 到目前为止，国内外研究矿柱稳定性的方法很多，诸如：安全系数法 1 1 , 1 2 】、 可靠性分析法 1 3 , 1 4 1 和数值模拟0 5 1 6 】、物理模拟法【1 7 】、现场监7 , 4 【1 8 1 等等。其中可 靠性分析方法必须首先确定矿柱有关参数的随机特征，因此该方法主要应用于个 2 硕十学位论文 第一章绪论 别主要矿柱稳定性分析中，而数值、物理模拟法则对单个矿柱破坏机理研究较为 有效，所以，当前现场广泛使用的方法仍是传统的安全系数法。所谓安全系数法 是指将矿柱体强度与作用于矿柱上的应力比值作为安全系数，根据安全系数的大 小进行矿柱设计或稳定性评价。 ( 1 ) 矿( 点) 柱稳定性影响因素研究现状 彭加强、王金安等【1 8 1 根据煤柱强度理论和限差分计算分析了尺寸效应对异 形煤柱的影响，得出当煤柱宽度为5 m l o m 时，煤柱虽已破坏，但处于低应力区， 只要采取一定的加固措施，使其为一整体，就基本能保证其稳定性；当煤柱宽度 为l o m 2 0 m 时，煤柱内塑性区己贯通，同时应力峰值未能发生转移，使煤柱一 直承受较高应力，对煤柱稳定极为不利；当煤柱宽度为2 0 m 以上时，虽然应力峰 值不发生转移，但煤柱内塑性区不贯通，煤柱中形成弹性核区，能很好抵抗峰值 压力，但从资源角度考虑，2 0 m 以上煤柱不适宜做护巷煤柱；当煤柱宽度超过2 3 m 时，煤柱强度基本不增大的结论，对以后煤柱设计具有一定的参考价值。 吕学清等【1 9 】研究发现由于爆破对矿柱岩体的破坏，使矿柱分成了两个区， 靠近表面的破损区和矿柱芯部的完好岩体区。矿柱在两区域所受应力不同、强度 也不同，要衡量一个矿柱的安全稳定性，需要根据上述两区宕体所受的应力和强 度进行综合分析、比较确定。这是矿柱设计中一个值得注意的问题。 杨伟忠、王勋业等 1 7 , 2 0 , 2 1 针对广西大厂矿务局铜坑锡矿细脉带分段空场法采 场，在掌握了爆破动载损害矿柱的特征基础上，从爆破动载作用角度提出了保护 矿柱的技术措施；利用波的干涉效应降低爆破震动强度来减轻矿柱受损程度，采 用v 形或大孔距小抵抗线布孔方式降震以保护矿柱，选择孔底空气间隙装药方式 使矿柱壁破坏最小；用模拟试验方法研究和分析了爆破动载对该矿柱稳定性的影 响，并用现场验证结果修正了动载安全系数。指出爆破动载作用是影响矿柱稳定 性的主要方面，从爆破动载的角度提出了设计安全、可靠矿柱的具体要求，建议 在设计地下采场矿柱时，不但要考虑静载的作用，而且要考虑爆破动载的作用， 相应地提出了与所研究的现场矿柱岩性相适应的具体矿柱设计经验公式。 李夕兵、李地元等【9 l 】对深部矿柱在承受高静载应力时的动力扰动力学模型 进行应力波传播力学响应分析，采用f l a c 3 d 有限差分程序对深部开采圆形矿柱 进行高应力下动力扰动数值计算。研究高径比为4 的圆形矿柱在承受不同静载作 用时对动力扰动的力学响应特性，通过改变矿柱所受静载应力的大小，来考察承 压不同的矿柱对外界动力扰动的响应情况；通过改变扰动应力波峰值的大小，来 3 硕士学位论文 第一章绪论 考察动力扰动强度的变化对承受高应力矿柱稳定性的影响。矿柱的数值分析结果 表明：承受高应力的岩体，随着所受初始静载应力的增大，外界的动力扰动对其 影响就越明显；承受高静载应力的矿柱，较小的动力扰动可能会使其发生塑性破 坏而导致深部开采时的“多米诺骨牌 效应。 郭学彬、李显寅、肖正学等1 2 2 , 2 3 1 在南京石膏矿中深孔房柱法的崩矿爆破中， 对矿柱进行了声波测试；分析了爆破作用对矿柱损伤的特征，研究了中深孔落矿 爆破的作用机理，为优化爆破设计提供了依据。中深孔落矿对矿柱各部位的影响 深度不同。顶角处影响较深。但由于爆破结果使矿房实际形成了拱形断面，顶角 处矿柱的实际宽度大于设计宽度( 6 m ) 。炮孔排面处的爆破影响深度大于排面间的 爆破影响深度，研究矿柱稳定性时应综合考虑。 张连新、宁革等【2 4 1 针对空场采矿法在深部开采时矿柱的不稳固情况，提出 应用优化设计、波的干涉效应、不耦合装药技术等措施来保护矿柱，实践证明以 上措施是行之有效的。 龙凌霄【2 5 1 在分析了普通爆震作用的危害之后，提出了用控制爆破提高采场 矿柱的稳定性的方法。 凌荣华、丁恩保【s 1 基于三山岛金矿工程地质条件，针对设计所提出的采场和 矿柱的尺寸，提出了分析矿柱稳定性的一种新的方法，并应用该方法分析了矿柱 的稳定性；同时，提出了提高矿柱承载能力的一种有效途径。另外，还详细讨论 了矿柱顶点的深度与长度之间存在的关系。 赵奎、万林海等【2 6 】分析了矿柱波速变化与载荷之间的关系以及矿柱破裂区 分布与波速分布的对应关系，讨论了矿柱波速与其稳定性之间的模糊不确定性的 特点，在此基础上，应用模糊数学理论建立了以完整系数为输入变量、矿柱稳定 程度及局部破坏可能性为输出变量的模糊推理系统。将该推理系统应用于浙江遂 昌金矿矿柱稳定性声波测试工程实践中，得到的推理结果与现场实际情况基本一 致，即使在声波测点较少的情况下，系统仍具有良好的推理效果。 ( 2 ) 矿( 点) 柱稳定性数值模拟研究现状 南非m u 奥兹贝1 2 7 分析了在峰值后曲线段的岩层负载一变形关系曲线斜率 比矿柱的负载一变形关系曲线斜率陡时，假定矿住以稳定方式卸载的情况下，分 析了矿柱的稳定性，论述了局部刚度、矿山结构刚度和临界刚度的概念。文中描 述了用现有边界元计算机程序确定不同矿柱布置时的岩层刚度的方法。根据与峰 值后负载一变形关系和宽高比有关的数据，评价了矿柱的峰值后刚度。用岩层刚 4 硕士学位论文第一章绪论 度与峰值后矿柱刚度的比较法进行了稳定性分析。分析表明，当跨度超过约5 倍深度时，对于稳定的让压矿柱布置来说，岩层刚度变得太小。随着跨度与深度 之比的减小以及矿柱个数和回采率的减小，岩层的刚度增大，从而提高稳定性。 同时还发现，当某种布置的所有矿柱处在其峰值后负载一变形曲线的下降线段 时，让压矿柱很难维持稳定。 郭建军、窦源东【2 8 】以夏甸金矿七号矿区工程地质、开采技术条件为背景， 采用三维非线性有限差分法进行开采对矿柱、围岩扰动破坏规律的数值模拟研 究，分析在不同丌采方案下，矿柱、围岩应力及位移分布规律，进行矿柱、围岩 稳定性分析，为优化开采方法和技术参数，进行合理的采矿工程设计提供理论基 础和科学依据。研究成果在类似地质和开采条件下的推广与运用具有一定的参考 价值和指导意义。 赵奎、蔡美峰等【1 0 1 采用工程地质调查、现场应力变化监测、声波测试结合 三维有限元数值分析方法，对某金矿残留矿柱回采方案进行研究及稳定性分析， 确定回采区优势结构面、主要承载矿柱以及矿柱临近破坏的声速值。 王学滨( 2 9 】采用拉格朗日元法，模拟了具有粗糙端面的屈服矿柱的宏观力学 行为、曲线剪切带图案及渐进破坏特征。矿体在弹性阶段的本构关系取为线弹性； 峰值强度后的本构模型取为莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算 表明，矿柱的宽度越窄、强度越低。矿柱的破坏是逐渐发生的，剪切带从矿柱的 四角开始启动，向矿柱的内部传播，最终形成了由曲线剪切带构成的剪切破裂网 络。该网络与塑性力学中的曲线滑移线网非常类似。矿柱中心弹性区两侧的软化 区的压缩应力由表至里波动上升，反映了矿柱内部条带状的局部剪切破坏。软化 区厚度随时间步( 或轴向应变) 的变化率为常量。矿柱弹性区的应力水平及软化区 的应力分布不受矿柱宽度的影响，前者与矿柱的轴向应变有关。 赵其祯，郭慧高等 3 0 l 介绍了金j i i - 矿区采用多中段大面积连续回采工艺， 水平矿柱开采稳定性是关系到二矿区乃至整个金川集团公司能否持续稳步发展 的关键技术问题。采用f l a c 三维有限元数值分析方法对此进行了研究，研究表 明，在多中段回采过程中，水平矿柱的开采是个平稳回采过程，今后水平矿柱回 采不会出现应力过大集中，也不可能出现水平矿柱灾变失稳。 都增长【3 l 】应用有限单元法分析了不同宽高比、不同顶底板老性条带煤柱中 的应力分布，并根据计算结果给出了条带煤柱强度计算公式，以及煤柱保持长期 德定的条件。 5 硕士学位论文第一章绪论 印度矿业学院采矿工程系教授u k 辛格等 3 2 1 采用伪三维边界元技术和二 维有限元技术做了数值模拟。以位移不连续法为依据的伪三维边界元程序被用来 模拟矿柱和矿房。由于这个模型不能估算封闭应力的量值，矿柱也用二维有限元 法模拟。用沿脉平巷和辅助井井筒保安矿柱内岩石的渐进断裂以及应力计的观测 成果，对该模型做了校准。由这两种技术获得的成果，使得有可能靠分析应力的 增长来预测辅助井井筒保安矿柱的稳定性。根据这项研究得出的结论是：这两种 数值技术的综合应用，为更逼真地预测矿山巷道周围岩体的受力现象缔造了适宜 的工具。 ( 3 ) 矿( 点) 柱设计方法研究现状 李成生，胡菊南等1 3 3 1 论述了几种常见的矩形矿柱及其优点，对矩形矿柱的 规律性能进行了岩石力学评价。理论分析说明。随矿柱长度的增加，其单位强度 减小，当矿柱宽度较小时，其减小程度更剧烈。虽然，随矿柱长度的增加，矿柱 所承受的垂直应力减少，但矿柱的安全系数还是呈下降趋势。故矿柱长度过大时， 将使矿柱易于破坏，不利于地压管理。而短的矿柱一矩形矿柱会更有利于控制矿 山地压。研究结果表明。当矿往长宽比为1 5 2 时，矿柱最为稳定。 李俊平、冯长根等【圳将采场顶板假设为简支梁，应用材料力学理论，根据 岩梁的假说，推导了计算顶板最大允许跨度公式，据此确定矿柱间距，并借助确 定的硬岩矿柱强度的新方法设计矿柱参数。实践证明，该矿柱设计方法简便、可 行，适用于开采缓倾斜及水平的坚硬矿体，可有效地防止采场顶板冒落。 ( 4 ) 矿( 点) 柱强度、现场监测及可靠度问题研究现状 张飞、郑德超等【3 5 1 提出了在缓倾斜、倾斜、急倾斜矿体与矿柱不垂直时的 矿柱强度的计算方法，用等效宽度代替实际宽度，考虑了矿柱与矿体不垂直时对 矿柱强度削弱的影响这一重要因素。 加拿大p j 伦德尔r c 帕卡尼斯【3 6 】介绍了为开发确定硬岩矿山矿柱强度 新方法所取得的研究成果。地下矿山所留矿柱的形状和大小各异。要使矿柱达到 要求，必须进行严格的工程设计确定矿柱强度和应力。作者用详细的矿柱稳定性 分析与公开的矿柱实测( 1 7 8 例) 数据库相结合，推导出一种新的复合矿柱强度计 算公式。式中考虑了经典的岩体强度方法与经验方法，采用由矿柱中心平均最小 最大主应力比计算出的矿柱摩擦系数。据统计，新的公式比目前采用的经验公 式预计矿柱强度的结果更好，其可信度更高。 刘沐宇、徐长佑、郑泽岱等 3 7 - 4 1 l 针对某地下采空区矿柱稳定性问题，在现 6 硕士学位论文第一章绪论 场工程地质调查的基础上，按照n g i 岩体质量分类法对该矿区岩体质量进行了分 类，并由此对其岩体强度作出了估算。采用蒙特卡洛法对矿柱的可靠度进行了分 析计算。根据莫尔强度理论建立了矿柱在多向应力状态下的极限状态方程。据矿 柱应力的实测结果，采用柯尔莫哥洛夫法拟合检验了矿柱应力的变量分布类型和 参数估计。运用点安全系数法和可靠度分析法分别计算了矿柱的点安全系数和可 靠指标。采用孔径变形应力解除法，测量了某大型磷矿采空区中矿柱结构的应力 分布规律：分析了矿柱结构的承载能力，对其稳定性作出了评价。而且针对某地 下采空区矿柱稳定性问题，在现场工程地质调查的基础上，按照n g i 岩体质量分 类法对该矿区岩体质量进行了分类，并由此对其岩体强度作出了估算。运用点安 全系数法和可靠度分析法分别计算了矿柱的点安全系数和可靠指标，结果表明采 空区矿柱处于稳定状态，所得结论与工程实际比较吻合。又结合王集磷矿岩体控 制研究，提出一种新的矿柱安全系数计算方法一点安全系数计算法。该法把安全 系数的计算推广n - 维( 或三维) 受力状态，使安全系数的计算包含了强度准则的 内容。 李江腾，曹平【4 2 卅1 基于能量原理，应用尖点突变理论对矿柱成为非稳定系 统进行了探讨，指出系统的失稳不仅与其所受载荷有关，而且与其内部刚度分配 有关，根据他们分析矿柱失稳时内部裂纹问相互作用引起裂纹的失稳扩展，从而 相互连接形成层状结构，矿柱发生失稳与分裂岩层的屈曲破坏有关，而岩层的屈 曲除与岩石的材料参数有关外，还与分裂后的厚度即裂纹的分布有关。 刘学增、翟德元等0 3 针对矿柱设计中传统的安全系数法忽略岩体固有的节 理、裂隙特性的影响，提出了可靠度设计法，以充分考虑岩体的非均匀性和不连 续性，克服了安全系数法的诸多弊端，具有较大的推广应用价值。 丁光文【4 5 】用有限元法，块体理论及刚度法相结合，对樟村坪磷矿采场的稳 定性进行了研究。研究结果表明：采场在结构面不太发育时是稳定的，结构面发 育时则存在塌滑体；矿柱在其载荷超过强度时，仍具有一定承载能力。这与现场 实际情次基本相符。 郭文兵、邓喀中等【舶1 分析了条带开采煤柱的稳定与否是条带开采成败的关 键。其破坏失稳是典型的偏离平衡态的非线性过程。应用突变理论建立了条带煤 柱突变破坏失稳的尖点突变模型，导出了条带煤柱破坏失稳的充要条件表达式。 并根据模型对条带煤柱破坏失稳的机理进行了分析，认为条带煤柱核区率l l 。 9 2 时，满足了条带煤柱突变失稳的必要条件，存在突变破坏失稳的可能性。 7 硕士学位论文 第一章绪论 江文武等 4 7 1 为了便于分析，对矿房矿柱系统进行了简化，简化后变为简支 梁一矿柱力学系统，同时建立了它们的力学模型。根据力学系统的本构关系，确 立了尖点突变理论模型。通过分析表明矿柱失稳只跟矿房矿柱自身的内部条件有 关，而与外界的作用无关。同时还研究了矿柱突跳失稳的释能机制，研究表明， 失稳所释放的能量也仅跟矿房矿柱系统自身有关。最终得出结论，合理优化矿房 矿柱自身系统的力学一几何特性参数，破坏产生矿柱突变失稳的充要条件，是控 制矿柱稳定性、保证安全生产的有效手段。 王连国，徐金海、缪协兴等 4 8 , 4 9 对建立在力学分析基础上的条带开采煤柱 失稳条件进行拓扑变换，得到煤柱失稳的势函数，它符合尖点突变模式。结果表 明：煤柱失稳具有突变、缓慢2 条路径，相应地形成了煤柱失稳的突然猛烈破坏 和较缓慢的“瘫软 破坏；在失稳临界点附近煤柱失稳具有发散性，即控制变量 有微小的变化就会引起煤柱失稳；煤柱一旦失稳，如要使其恢复到稳定状态，需 要的煤柱强度要比煤柱破坏时的强度大的多；煤柱失稳还具有模态软化特性，可 以对失稳的可能性进行估计。根据这些特性，可通过调控煤柱失稳条件使之不失 稳，达到控制煤柱稳定的目的。利用最小势能原理，在分析了煤柱与顶板的相互 关系以及煤柱受力状况后，建立了考虑顶板刚度及煤柱软化与流变特性的煤柱时 间相关稳定性分析模型，引入煤岩体的蠕变本构关系，对煤柱的长期变形和稳定 性进行了分析，得到了煤柱保持长期稳定的必要条件以及煤柱保持稳定的最小时 间计算公式。在利用短壁开采方法控制地表沉陷的工程中，对煤柱变形与稳定性 进行了预测，其结果与现场实测一致。 b i e n i a w s k i 【5 0 1 指出矿柱强度主要取决于下面三个方面：尺寸效应，矿柱宽 高比和矿柱岩体性质( 材料性质、岩体结构特性) 。一般而言，矿柱体积越大，其 包含的结构弱面增多，是造成矿柱强度降低的主要原因；由于泊松效应使矿柱内 存在横向约束应力，导致矿柱强度与矿柱宽度正相关。 此外，由于目前矿柱强度公式多为经验性公式，其中参数由实验确定，并且 矿柱强度公式均有其特定的适用条件和范围，因此工程实际中正确选择矿柱强度 公式并非易事，同时，常用的经验公式还存在没有考虑节理等岩体结构特性的不 足之处f 3 j ，因此，g a b r i e le s e r h u i z e n l 5 1 详细研究了节理对矿柱强度的影响并 提出了相应的计算公式；z h a n gy u z h u o 、w a n gm i n g l if 5 2 1 根据断裂力学原理和模 糊集合理论建立了矿柱模糊断裂强度理论；张玉卓、郭汉荣 5 2 5 3 1 等根据矿柱破坏 的现场实际观测结果，经统计分析确定矿柱强度及稳定状况，对于存留大量矿柱 8 硕士学位论文 第一章绪论 而又不能进行大型现场原位试验的矿山，该方法有着明显的优越性。 综观以上内容，尽管采用物理模拟、数值分析、现场监测等多种手段，矿( 点) 柱稳定性分析方法与理论获得了较大的进步 5 4 - 6 2 1 ，突变【4 2 4 3 4 p 4 引、损伤 3 , 6 3 6 4 、 非线性 6 3 - s s 、断裂力学f 6 4 6 7 】等理论在矿( 点) 柱稳定性分析获得了较广的应用， 也取得了令人瞩目的成就，但矿( 点) 柱稳定性研究方法相对其他结构的分析方法 来说，其研究程度还是相对比较低的。由于岩石具有其自身的复杂性和特殊性， 这就导致了矿( 点) 柱的特殊性和复杂性，并且矿( 点) 柱本身的初始条件和环境影 响因素的不确定性，如：矿柱的几何形状、初始缺陷、外界扰动尤其是爆破扰动 的影响等，其失稳的发生影响因素相当多而复杂，其中尤以动力失稳为最甚，因 此关于矿( 点) 柱失稳影响因素及爆破等条件下的动力失稳现象还有许多工作需 要继续深入研究。 1 3 本文主要研究方法与研究内容 本文通过对其他相关点柱稳定性影响因素研究分析，采用层次分析法，对点 柱稳定性影响因素进行重要性评价，在层次分析法确定不同影响因素权重的基础 上，结合灰色关联度理论，对三山岛会矿不同的点柱法采场中不同工况条件下点 柱的相对危险性进行分析，并且与矿山生产实际过程中的点柱运行情况进行对比 检验。本文的研究，为充分合理配置利用矿山资源，保障矿区安全作业，实现矿 山持续生产和发展提供依据。 全文主要研究方法及研究内容如下： ( 1 ) 对点柱失稳破坏形式进行详细分析，提出点柱失稳的主要原因可以归纳 为三类，即地质因素、设计因素、施工因素。其中设计因素主要有开采方法、点 柱截面大小与形式、点柱跨度、点柱高度等；地质因素主要有矿体特征及赋存条 件、矿岩理化性质、原岩应力及天然地震、开采深度、水文地质条件等；施工因 素主要有爆破条件、支护条件、充填及出矿作业影响等。 ( 2 ) 通过全面分析影响点柱稳定性的因素，对其进行整理归类，并基于地质 因素、设计因素、施工因素，提出了点柱稳定性影响因素重要性评价层次模型， 并且根据该模型对点柱稳定性影响因素的重要性进行了评价，得出了相关影响因 素的重要程度排序，为矿山有重点的进行点柱稳定性维护工作提供了理论支撑。 ( 3 ) 在层次分析法确定点柱稳定性影响因素权重基础上，结合灰色关联度理 9 硕士学位论文第一章绪论 论，针对三山岛金矿点柱法采场中实际不同工况条件下的四个点柱样本的相对危 险性问题进行了评价，对该四个不同点柱的相对危险性评价结果进行了分析，并 与矿山井下生产实际当中的点柱运行情况及相对危险性进行了对比检验，提出了 一些意见和建议。 ( 4 ) 根据采用灰色关联层次分析法对三山岛金矿点柱法采场若干代表性点柱 样本分析评价的结果，提出综合考虑地质条件、设计