礦山空區(qū)誘發(fā)的巖移特征及覆蓋層冒落效應(yīng)研究.pdf

1、采空區(qū)是采礦工程產(chǎn)生的最主要的災(zāi)害形式之一，當(dāng)暴露面積增大到一定程度時(shí)，將可能會(huì)誘發(fā)災(zāi)難性的事故。研究采空區(qū)的穩(wěn)定性及其巖層移動(dòng)冒落特征和規(guī)律意義重大。本文以作者負(fù)責(zé)的項(xiàng)目“龍橋鐵礦采空區(qū)監(jiān)測(cè)與頂板巖石冒落規(guī)律研究”為研究背景，采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與調(diào)查相結(jié)合的方法，借鑒統(tǒng)計(jì)學(xué)、多源信息融合技術(shù)的思想，研究揭示龍橋鐵礦礦體回采產(chǎn)生的開采效應(yīng)及關(guān)鍵塊體特征參數(shù)。
　　 系統(tǒng)地對(duì)現(xiàn)有的巖石力學(xué)參數(shù)取值方法存在的

2、缺陷進(jìn)行分析，給出了用穩(wěn)健回歸方法確定巖石抗剪強(qiáng)度的模型，并對(duì)各種巖體參數(shù)取值方法進(jìn)行評(píng)述。針對(duì)巖石抗剪強(qiáng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性較高的情況，不適用于數(shù)據(jù)離散并有異常值存在的情況；(2)在對(duì)試驗(yàn)法獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，傳統(tǒng)的最小二乘法由于采用殘差平方和，容易夸大試驗(yàn)數(shù)據(jù)中異常值的影響。鑒于此，提出了巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)的穩(wěn)健(Robust)回歸分析方法。該方法在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性差、數(shù)據(jù)離散

3、并有異常值存在的情況下，具備削弱數(shù)據(jù)離散和對(duì)異常值定位的能力，提高了估計(jì)參數(shù)的穩(wěn)健性和可靠性。該方法以殘差的絕對(duì)值之和代替殘差平方和，并通過復(fù)形法求得力學(xué)參數(shù)，避免了異常值的二次項(xiàng)，可以有效地減少異常值的影響。研究表明，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好時(shí)，兩種方法的計(jì)算結(jié)果相差不大，但當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性較差，存在異常值時(shí)，穩(wěn)健回歸方法的計(jì)算結(jié)果要優(yōu)于最小二乘法。另外，為方便及提高數(shù)值計(jì)算精度，測(cè)量了龍橋鐵礦的地應(yīng)力。
　　 在前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

4、、現(xiàn)場(chǎng)原巖應(yīng)力測(cè)定、室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)及巖體力學(xué)參數(shù)工程處理的研究基礎(chǔ)上，采用FLAC3D方法對(duì)龍橋鐵礦空區(qū)形成過程及采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算和預(yù)測(cè)分析，分析了空區(qū)圍巖的主應(yīng)力、正應(yīng)力、剪應(yīng)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(jié)果表明，采空區(qū)形成后，空區(qū)四周各角隅處將首先達(dá)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(kuò)大，頂板中央拉應(yīng)力分布逐漸明顯，最終可能變?yōu)槔瓚?yīng)力破壞。根據(jù)研究結(jié)論，指出該礦

5、山后續(xù)開采設(shè)計(jì)和管理中應(yīng)注意的問題，并提出了合理的開采設(shè)計(jì)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(guān)鍵塊體理論、極限平衡分析與可靠度理論相結(jié)合，研究關(guān)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(duì)基本隨機(jī)變量進(jìn)行正態(tài)變換或當(dāng)量正態(tài)化，必須已知隨機(jī)變量的概率分布，有時(shí)比較麻煩，而且這種變換也是導(dǎo)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(jì)算精度。
　　 科學(xué)準(zhǔn)確的理解關(guān)鍵塊體的特征參數(shù)，如關(guān)鍵塊體的位置、體積、滑動(dòng)方向、下滑力及抗滑力，可以有效對(duì)采礦方案進(jìn)行優(yōu)化，最大限度的提高開采效益，有效防止災(zāi)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(jié)合塊體理論、可靠度理論及矢量分析可以確定關(guān)鍵塊體的大小、移動(dòng)方向、滑動(dòng)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(jù)模

7、型的思路和數(shù)學(xué)公式編制了Matlab程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，在15個(gè)開采區(qū)域，可動(dòng)塊體有270多個(gè)，可動(dòng)塊體中安全系數(shù)小于2的關(guān)鍵塊體有48個(gè)，其中安全系數(shù)小于1.5的關(guān)鍵塊體有33個(gè)，占68.73％。并給出了每個(gè)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(fù)雜性和不確定性，很難準(zhǔn)確確定巖石力學(xué)計(jì)算參數(shù)，然而，巖體力學(xué)參數(shù)的確定直接影響著計(jì)算結(jié)果，考慮參數(shù)的隨機(jī)性

8、，引入隨機(jī)可靠度理論對(duì)其進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，用安全系數(shù)分析關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性存在很大的誤差，甚至有時(shí)候會(huì)得出完全錯(cuò)誤和相反的結(jié)論。
　　 根據(jù)2009年龍橋鐵礦回采后采空區(qū)的實(shí)際空間分布情況，結(jié)合整體穩(wěn)定性分析對(duì)幾何建模工作提出的要求，與龍橋鐵礦技術(shù)人員多次討論、分析，在確定本研究中礦體開采狀況的時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系后，對(duì)礦整個(gè)礦山開采顯現(xiàn)的規(guī)律進(jìn)行研究，主要從最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、產(chǎn)生的垂直位移及地表變形等幾個(gè)方面展開。
　　

9、 將意大利產(chǎn)的Detector新型探地雷達(dá)設(shè)備應(yīng)用到龍橋鐵礦采空區(qū)覆蓋層厚度探測(cè)中，并論述了探測(cè)原理及具體方法。該設(shè)備天線為IDSTR40MHz屏蔽天線，最大探測(cè)深度可以達(dá)到50米。探測(cè)結(jié)果表明，該礦山空區(qū)墊層厚度大于25m，滿足國(guó)家安全生產(chǎn)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(gè)分段高度。
　　 討論了三種GM(1，1)模型與最小二乘支持向量機(jī)結(jié)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(jī)預(yù)測(cè)模型。給出了巖

10、石覆蓋層冒落及碴石厚度預(yù)測(cè)的灰色最小二乘支持向量機(jī)模型的建模思路及關(guān)鍵步驟，并應(yīng)用該模型對(duì)覆蓋層冒落高度及碴石厚度進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究表明，3種灰色最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)于單一的GM(1，1)和單純的LSSVM，各項(xiàng)指標(biāo)均有所降低，體現(xiàn)了多信息融合的優(yōu)勢(shì)。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(jī)項(xiàng)是正確可靠的。在串聯(lián)型模型中，該組合預(yù)測(cè)結(jié)果要優(yōu)于單個(gè)GM(1，1)模型預(yù)測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用GM(