礦山空區(qū)誘發(fā)的巖移特征及覆蓋層冒落效應研究.pdf

1、采空區(qū)是采礦工程產生的最主要的災害形式之一，當暴露面積增大到一定程度時，將可能會誘發(fā)災難性的事故。研究采空區(qū)的穩(wěn)定性及其巖層移動冒落特征和規(guī)律意義重大。本文以作者負責的項目“龍橋鐵礦采空區(qū)監(jiān)測與頂板巖石冒落規(guī)律研究”為研究背景，采用室內試驗、數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測與調查相結合的方法，借鑒統(tǒng)計學、多源信息融合技術的思想，研究揭示龍橋鐵礦礦體回采產生的開采效應及關鍵塊體特征參數(shù)。
　　 系統(tǒng)地對現(xiàn)有的巖石力學參數(shù)取值方法存在的

2、缺陷進行分析，給出了用穩(wěn)健回歸方法確定巖石抗剪強度的模型，并對各種巖體參數(shù)取值方法進行評述。針對巖石抗剪強度確定中圖解法和最小二乘法(LS)存在的問題：(1)只適用于實驗數(shù)據相關性較高的情況，不適用于數(shù)據離散并有異常值存在的情況；(2)在對試驗法獲得的試驗數(shù)據進行處理時，傳統(tǒng)的最小二乘法由于采用殘差平方和，容易夸大試驗數(shù)據中異常值的影響。鑒于此，提出了巖石抗剪強度參數(shù)的穩(wěn)健(Robust)回歸分析方法。該方法在實驗數(shù)據相關性差、數(shù)據離散

3、并有異常值存在的情況下，具備削弱數(shù)據離散和對異常值定位的能力，提高了估計參數(shù)的穩(wěn)健性和可靠性。該方法以殘差的絕對值之和代替殘差平方和，并通過復形法求得力學參數(shù)，避免了異常值的二次項，可以有效地減少異常值的影響。研究表明，在試驗數(shù)據的相關性較好時，兩種方法的計算結果相差不大，但當試驗數(shù)據的相關性較差，存在異常值時，穩(wěn)健回歸方法的計算結果要優(yōu)于最小二乘法。另外，為方便及提高數(shù)值計算精度，測量了龍橋鐵礦的地應力。
　　 在前期現(xiàn)場調查

4、、現(xiàn)場原巖應力測定、室內力學試驗及巖體力學參數(shù)工程處理的研究基礎上，采用FLAC3D方法對龍橋鐵礦空區(qū)形成過程及采空區(qū)穩(wěn)定性進行模擬計算和預測分析，分析了空區(qū)圍巖的主應力、正應力、剪應力及變形情況，初步得到了圍巖體變形和失穩(wěn)的規(guī)律。采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結果表明，采空區(qū)形成后，空區(qū)四周各角隅處將首先達到極限剪切破壞狀態(tài)。隨著采空區(qū)的增大，角隅處破壞區(qū)域逐步延深擴大，頂板中央拉應力分布逐漸明顯，最終可能變?yōu)槔瓚ζ茐?。根據研究結論，指出該礦

5、山后續(xù)開采設計和管理中應注意的問題，并提出了合理的開采設計建議。
　　 傳統(tǒng)的有限元分析方法很難分析巖體大變形及塊體的跨落情況，系統(tǒng)地將關鍵塊體理論、極限平衡分析與可靠度理論相結合，研究關鍵塊體跨落的可能性。在常規(guī)可靠度分析理論一次二階矩方法和二次二階矩方法中，需要對基本隨機變量進行正態(tài)變換或當量正態(tài)化，必須已知隨機變量的概率分布，有時比較麻煩，而且這種變換也是導致功能函數(shù)非線性從而成為誤差的一種來源。為消除這些誤差，本文引入一

6、次漸近積分方法與二次次漸近積分方法，很好的解決了該問題，不再需將變量正態(tài)化，提高了計算精度。
　　 科學準確的理解關鍵塊體的特征參數(shù)，如關鍵塊體的位置、體積、滑動方向、下滑力及抗滑力，可以有效對采礦方案進行優(yōu)化，最大限度的提高開采效益，有效防止災害事故的發(fā)生。建立空區(qū)上塊狀巖體的特征分析方法，該方法結合塊體理論、可靠度理論及矢量分析可以確定關鍵塊體的大小、移動方向、滑動模式、塊體的可靠性及其失效概率等。通過本文建立的模型，根據模

7、型的思路和數(shù)學公式編制了Matlab程序進行計算，計算結果顯示，在15個開采區(qū)域，可動塊體有270多個，可動塊體中安全系數(shù)小于2的關鍵塊體有48個，其中安全系數(shù)小于1.5的關鍵塊體有33個，占68.73％。并給出了每個塊體特征參數(shù)、可靠度及可靠概率。
　　 將安全系數(shù)與可靠度比較指出了安全系數(shù)在分析中存在的缺陷，由于巖體的復雜性和不確定性，很難準確確定巖石力學計算參數(shù)，然而，巖體力學參數(shù)的確定直接影響著計算結果，考慮參數(shù)的隨機性

8、，引入隨機可靠度理論對其進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，用安全系數(shù)分析關鍵塊體的穩(wěn)定性存在很大的誤差，甚至有時候會得出完全錯誤和相反的結論。
　　 根據2009年龍橋鐵礦回采后采空區(qū)的實際空間分布情況，結合整體穩(wěn)定性分析對幾何建模工作提出的要求，與龍橋鐵礦技術人員多次討論、分析，在確定本研究中礦體開采狀況的時空對應關系后，對礦整個礦山開采顯現(xiàn)的規(guī)律進行研究，主要從最大主應力、最小主應力、產生的垂直位移及地表變形等幾個方面展開。
　　

9、 將意大利產的Detector新型探地雷達設備應用到龍橋鐵礦采空區(qū)覆蓋層厚度探測中，并論述了探測原理及具體方法。該設備天線為IDSTR40MHz屏蔽天線，最大探測深度可以達到50米。探測結果表明，該礦山空區(qū)墊層厚度大于25m，滿足國家安全生產規(guī)程規(guī)定的無底柱分段崩落法空區(qū)墊層厚度必須超過2個分段高度。
　　 討論了三種GM(1，1)模型與最小二乘支持向量機結合的方法：并聯(lián)型、串聯(lián)型和殘差型灰色最小二乘支持向量機預測模型。給出了巖

10、石覆蓋層冒落及碴石厚度預測的灰色最小二乘支持向量機模型的建模思路及關鍵步驟，并應用該模型對覆蓋層冒落高度及碴石厚度進行預測，研究表明，3種灰色最小二乘支持向量機的預測結果優(yōu)于單一的GM(1，1)和單純的LSSVM，各項指標均有所降低，體現(xiàn)了多信息融合的優(yōu)勢。殘差型模型要優(yōu)于并聯(lián)型和串聯(lián)型模型，表明用LSSVM來描述覆蓋巖層及碴石厚度序列的隨機項是正確可靠的。在串聯(lián)型模型中，該組合預測結果要優(yōu)于單個GM(1，1)模型預測，在實際應用GM(