海下金屬礦床開采參數(shù)優(yōu)化與安全預警研究.pdf

1、海下資源綠色開采是采礦工程界中重要的發(fā)展方面。目前，有關海底煤炭資源開采已取得了豐碩的成果，然而，我國在海下金屬礦床開采方面的研究才剛剛起步。為此，本文作者在國家重點基礎研究發(fā)展計劃、山東黃金集團重點科技攻關項目、國家科技支撐計劃課題的資助下，以海下金屬礦床開采關鍵技術為研究課題，在巖石力學基礎研究的前提下對合理隔離層厚度、框架式采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、巖層監(jiān)測與預警、礦井水系統(tǒng)等問題進行了系統(tǒng)的研究。
　　在海下開采巖石力學基礎方面，首先

2、查明所采礦床的礦體賦存條件、礦體形態(tài)、礦山工程地質(zhì)條件、地應力規(guī)律，然后，通過室內(nèi)巖石力學試驗測試及現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)面的調(diào)查，選取RMR法的6個評價指標作為新立礦區(qū)海下巖體質(zhì)量評價的基礎，應用Hoek-Brown準則得出不同質(zhì)量等級巖體力學參數(shù)，為礦山井下工程布置、采場穩(wěn)定性分析及參數(shù)優(yōu)化等提供基礎研究。
　　在海下開采合理隔離層厚度方面，著重于隔水保護層的厚度研究，基于Mindlin厚板理論與Winkler地基理論建立了不規(guī)則形狀的

3、保護層模型，利用微分容積法求解并編制了求解程序DCFMP，以最大拉應力準則作為合理保護層的判據(jù)，分別確定了三山島礦區(qū)的18個盤區(qū)的合理保護層厚度，最終建議的統(tǒng)一的保護層厚度為22.16m（安全系數(shù)1.8）。另外還發(fā)現(xiàn)了合理的保護層厚度與盤區(qū)面積的顯著相關性，并得到了回歸方程，為以后合理保護層的確定提供了更為簡便的方法。
　　在框架式結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面，首先計算不同框架式采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的最大主應力，建立應力約束的體系應變能最大化的目標函

4、數(shù)，求響應面函數(shù)后采用非線性優(yōu)化技術對響應面函數(shù)進行優(yōu)化，從而求得點柱的尺寸為4×4m、跨度為12m;然后基于Kirchhoff薄板理論建立中段間不規(guī)則頂?shù)字Ｐ?，利用Galerkin法和坐標映射技術求得頂?shù)字Ｐ偷臄?shù)值解析解，建立綜合考慮經(jīng)濟因素、安全因素和充填效果因素的目標函數(shù)，對三山島礦區(qū)內(nèi)的9個盤區(qū)的頂?shù)字謩e進行優(yōu)化設計，最終得到統(tǒng)一的最優(yōu)厚度為7.16m。最后有限元強度折減法中任意點的應力-應變強度折減過程與莫爾-庫侖準則條

5、件下安全系數(shù)法接軌對中段內(nèi)盤區(qū)間不同開采順序的圍巖穩(wěn)定性進行分析，得出“隔二采一”方案最優(yōu)，安全系數(shù)范圍為2.5～3.5，未達礦巖失穩(wěn)的條件。
　　在巖層監(jiān)測與預警方面，采用位于上盤圍巖內(nèi)的三個專用觀測硐室A、B、C的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在使用小波變換對巖層位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行趨勢項分離及平穩(wěn)化處理的基礎上，以時間序列AR模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行短期預測，對不同的小波分解層數(shù)與預測步長得到的預測值與實測值進行誤差分析，選定3～6步為最佳預測步長，預測

6、誤差可控制在1％以內(nèi)。同時，通過研究對比各個巖土工程中預警指標的確定方法，選取單次采樣時間內(nèi)的變形速率vt與前20～80d的平均變形速率的比值作為巖層穩(wěn)定變形階段判斷預警閥值的指標，對監(jiān)測安全狀態(tài)進行判別，可分析海底開采巖層的變形規(guī)律，指導海下開采的安全作業(yè)。
　　在海下礦井的水系統(tǒng)研究方面，采集了三山島礦區(qū)內(nèi)的100個裂隙水樣和13個特征水樣（包括海水、第四系地下水、地表水和雨水），并分析了各個水樣中的13項化學物理指標和2項同

7、位素指標，首先利用主成分分析(PCA)獲得了四個主成分（信息貢獻率分別為48％、25％、10％和7％），通過深入分析各個主成分的水化學指標的特點，并對照相關的地質(zhì)報告，確定了這四個主成分分別代表海水的濃縮與稀釋過程、絹英巖化與碳酸鹽化過程、鉀長石化過程和二氧化碳溶解過程。然后在主成分分析的基礎上利用模糊C均值聚類(FCM)對礦區(qū)的100個裂隙水樣進行聚類分析，確定了四個空間上連續(xù)變化的聚類，并通過了密實度和分離度函數(shù)的有效性驗證。利用圖

8、形技術直觀地展示了四個聚類的空間分布，分析了每個聚類的水化學特點，并與相關的水文地質(zhì)報告相互印證，確定四個聚類分別為深層咸水、淺層咸水、基巖鹵水和混合廢水。最后，深入分析PCA和FCM的結(jié)果，反演得到了礦區(qū)地下水運動和演化系統(tǒng)，包括水來源、遷移路徑、混合位置、局部裂隙帶以及采礦對地下水系統(tǒng)的影響。通過礦井水系統(tǒng)實時動態(tài)觀測分析可起到海下開采礦井突水預警作用。
　　本文所做的研究工作，不僅立足于學科前沿，而且緊密聯(lián)系工程實踐，著重解