深部回采矿柱失稳的尖点突变理论分析及宽度优化

为正确估算矿柱承受载荷,运用普氏理论分析矿柱承载机理,指出矿柱承受载荷为上覆岩层拱形塑性区的重力,计算出矿柱体系中单个矿柱承受的平均载荷。建立矿柱失稳的尖点突变模型,推导出矿柱能量方程,分析矿柱失稳力学机制,根据矿柱失稳的充分条件和必要条件得出矿柱极限宽度值的计算方法,并分析主要因素对矿柱宽度极限值的影响规律。通过工程实例验证矿柱宽度计算方法的有效性和适用性。研究结果表明:影响矿柱宽度的主要因素包括开采深度、采场宽度和矿柱高度;以冬瓜山铜矿为例,矿柱宽度的理论计算值应大于3.63 m,数值分析选取矿柱宽度为4 m时,矿柱处于稳定状态.现场工业试验表明,宽度为4 m的矿柱稳定性较好。     

基于尖点突变理论的小浪底库区附近采空区稳定性分析

为便于利用尖点突变理论对小浪底库区附近采空区的稳定性、失稳临界条件及失稳时能量释放机制进行计算分析,将采空区顶板、煤柱、底板看成一个系统,建立简化力学模型。在研究过程中,引入水致弱化函数,确立了尖点突变理论模型,导出了小浪底库区附近采空区在库水渗透及软化作用下失稳的充要条件表达式,并根据模型对采空区失稳时的释能机制进行了分析,研究表明:采空区失稳时能量释放只与系统本身特性相关,与外部条件作用没有关系。     

机械施工荷载作用下采空区顶板稳定性研究

为保证采空区上方作业人员和采掘设备安全,采用力学分析方法,将浅埋采空区顶板概化为固支梁力学结构模型,建立地面机械施工荷载-采空区顶板系统总势能方程。基于突变理论,构建采空区顶板失稳的尖点突变模型,获得采空区顶板突变失稳判据,建立采空区顶板保持稳定情况下机械施工荷载计算模型,并进行实例验证。结果表明:采空区顶板岩梁所受侧向水平推力越大,岩梁弹性模量越小,采空区跨距越大,采空区顶板越容易发生突变失稳,其失稳的必要条件取决于顶板内部特性,与外部作用无关;地面施工荷载作用下采空区顶板失稳的充要条件取决于顶板内部特性和外部作用。     

采空区危害型石膏矿山采动损害机理及控制研究

通过对采场矿柱和顶板的稳定性影响机理研究,并采用REPA二维分析方法进行数值模拟分析,得到采场变形至最终破坏的整个过程,从而得到了采动损害的某些规律。为防止采场的破坏,需加大矿柱尤其是应力集中区的中间矿柱尺寸,并加强对矿柱顶、底部的监测。     

水溶法采盐矿区地面塌陷机理分析

为了防范钻井水溶法开采盐矿诱发卤水溢出、地面塌陷等愈发严重的地质环境和公共安全问题,本文以安徽省定远县东兴盐矿为例,对采空区地面塌陷灾害机理进行了深入研究.根据岩盐矿体的埋藏条件和采空区地面塌陷的过程,结合帕斯卡定律讨论了盐矿采空区顶板岩层保持稳定的前提,是必须保持采空区密闭为基本条件;通过尖点突变模型给出的顶板岩层大变形失稳突变条件,是采空区的封闭性遭受破坏、卤水外溢导致顶板岩层失去支撑;根据ЛротодъякоНов塌落拱理论等方法估算了采空区顶板岩层失稳对地面的影响程度,提出了对开采盐矿诱发地面塌陷灾害的防范措施,对其它地区同类矿山安全开采具有重要的指导意义.     

基于高斯过程机器学习算法的矿柱稳定性分析

矿柱是地下矿山支撑顶板围岩、维持采场稳定的关键结构要素。为迅速准确地判别矿柱稳定性,选取矿柱宽度、矿柱高度、矿柱宽高比、矿岩单轴抗压强度和矿柱承受载荷作为影响指标,利用高斯过程机器学习算法建立矿柱状态与其主要影响因素之间的非线性映射关系,进而提出一种基于高斯过程二元分类(GPC)的矿柱状态识别模型。结合工程实例,以40组样本数据进行训练,以10组样本数据对该模型进行检验,并与ANN和SVM进行对比。结果表明,矿柱状态识别的高斯过程模型是科学可行的,该模型具有参数自适应化获取、分类精度高、计算复杂度低等优点,还可对矿柱状态判别结果的不确定性或可信度进行定量化评价。     

基于数量化理论Ⅱ的地下矿山矿柱稳定性判别

矿柱是地下矿山支撑顶板围岩、维持采场稳定的关键结构要素。为迅速准确地判别矿柱稳定性,采用数量化理论II(QTII)建立了地下矿山矿柱稳定性判别模型。选取矿柱宽度、矿柱高度、矿柱宽高比、矿岩单轴抗压强度和矿柱承受载荷作为评价指标,以40组样本数据进行训练,得到了相应的判别系数矩阵,确定了各类样本在5维空间中的中心点和各样本点。利用该模型对训练样本进行回判,判别结果完全正确。用10组样本数据对该判别模型进行检验,结果表明,该模型能较好地判别预测矿柱的稳定性,可以作为一种矿柱稳定性判别工具在工程实践中应用。     

基于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹破坏模式的条带矿柱破坏宽度研究

采用条带法进行地下开采时,条带矿柱的裂纹扩展导致了矿柱的最终破坏,且裂纹多表现为Ⅰ型裂纹与Ⅱ型裂纹复合扩展破坏特征。根据采场矿柱受力条件,确定条带矿柱受两侧采场空区影响时矿柱内Ⅰ-П复合型裂纹尖端的Westergaard应力函数,采用HoekBrown强度准则计算采场作业面围岩破坏区的边界条件,建立了矿柱破坏宽度计算模型。以上横山页岩矿床为研究对象,采用物理相似模拟试验,模拟条带法回采某盘区3个试验区段,利用DIP法分析受地应力及回采扰动作用下矿柱的裂纹发育特征,验证模型的有效性。结果表明,条带及其条带矿柱均为15 m等设计参数条件下,计算模型矿柱破坏宽度理论值分别为17.66 m、15.56 m和10.28 m,试验模拟结果分别为完全大于15 m、约为15 m和10.5~11.0 m,试验结果与依据模型计算的理论值相近。     

采空区失稳的安全流变-突变理论分析

根据安全流变-突变理论,定性地描述了采空区失稳过程中的流变-突变特征,并结合采空区的实际情况建立了采空区失稳的理论数学模型,为定量分析采空区失稳提供依据.根据数学模型绘出的采空区流变加速度的变化曲线可知,系统的损伤加速度由负到正随时间变化,当加速度等于0时,系统开始突变,发生本质损伤,此时即使轻微的扰动也能导致空区失稳,且难以控制.突变点的获取对指导矿山制定安全控制措施,科学处理采空区,保障矿山安全生产具有重要的理论和现实意义.     

高阶段大跨度充填体稳定性评估

为保障矿柱安全回采,建立组合权重与可变模糊集耦合模型,评估高阶段大跨度充填体稳定性。以司家营铁矿等5座矿山为例,选取充填配比、采场结构参数、围岩地质条件、爆破冲击作用等12项主要影响因素为评估指标,评估其高阶段大跨度充填体的稳定性,并与未确知测度理论和AHP-TOPSIS综合评估模型对比。结果表明,5座矿山的综合风险等级特征值分别为2.178,2.678,2.477,2.505和2.479,与其他方法的评估结果一致。司家营高大充填体失稳坍塌风险较高(Ⅱ级),必须对其采取优化采场结构参数、降低爆破扰动、降低充填体暴露时间等预防和保障措施。     

采空区影响条件下巷道围岩应力监测与研究

金属矿采空区多以矿房-矿柱组合的复杂采空群体系构成,这种复杂的空区群结构是一种复合应力拱的承载结构,复合应力拱的成拱机制形成了采场上方覆岩发生拉压破坏模式,进而导致围岩塌陷及巷道破坏;为了监测采空区影响下巷道围岩复合应力变化,提出在巷道内利用锚杆应力计监测围岩复合压力拱应力变化方法,锚杆采用端部锚固结构,埋入深度超过围岩冒落带并施加预应力;根据监测数据分析围岩应力变化可分为递变式、突跳式、振荡式和复合式变化四种变化模式,利用多元回归及突变模型建立围岩应力变化的数学模型,以历史数据为基础,建立以围岩应力极限值、应力变化速率及突变模型势函数临界值为判据的围岩稳定性分析数学模型。     

基于突变理论的非常规突发事件下个体行为状态研究

针对非常规突发事件下个体行为状态,考虑物质环境、社会环境和个体属性等因素,建立评价影响个体行为状态的3级指标体系;在分析非常规突发事件下个体行为状态突变特征的基础上,建立非常规突发事件下个体行为状态的尖点突变模型;采用突变级数法对4类非常规突发事件进行实例分析,得到4类突发事件下个体行为状态的影响度。实例表明,不同类型非常规突发事件下个体行为状态的影响度不同;重大自然灾害和公共卫生类型突发事件中个体行为所受影响最大,社会安全事件次之,事故灾难突发事件中最小。     

基于微震监测的岩体失稳智能预报

岩体稳定性预报是微震监测工作的重要组成部分。探讨微震活动性参数变化作为岩体稳定性预测的可行性,结合用沙坝矿实际生产过程中观测到的现象,提出微震监测岩体失稳预报的一般模式。根据b值在岩体失稳前先增大后减小的趋势作为危险预警初始条件;并将能量指数、施密特数急剧下降以及累积视体积增加的时间段作为岩体失稳的预警期,将事件数的急剧下降作为危险的临界状态。用沙坝矿根据这一原理建立的岩体失稳预报模式可以达到采场失稳的智能预报,解决了人工判别预警期过程中效率低的难题,保障矿山的生产工作。     

深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区预测研

为了预测深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区范围,基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学特性,获得了基于Mohr-Coulomb理论的泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学模型及参数,构建了深部大跨度泥质巷道数值模型,提出了泥岩峰后各强度参数变化对巷道顶板剪切破坏区的影响范围。结果表明:泥岩在峰后剪切破坏过程中具有明显的黏聚力软化-内摩擦角硬化特性;基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算获得的巷道顶板剪切冒落高度小于黏聚力软化-内摩擦角软化的计算高度;巷道顶板潜在剪切破坏区位置及范围与泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算结果十分接近。     

3D Voronoi等效晶质模型在岩石破坏细观研究中的应用

基于3D Voronoi图提出一种能够反映岩石矿物晶粒结构的三维精细化建模方法,分析了晶粒排列均匀化程度及大小等微观结构的变化对模型宏观力学性质的影响程度,并进行了晶粒结构优化设计。通过模拟粉砂质板岩单轴压缩和巴西劈裂的破坏过程,以及与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石的破坏机理。研究结果表明:通过裂纹生长速率大致可以表征室内试验中弹性变形、非弹性变形和峰值后宏观破坏阶段;岩样在单轴压缩和巴西劈裂破坏过程中以拉伸断裂为主,在宏观上表现为脆性断裂;岩样宏观断裂呈现沿晶和穿晶断裂的组合形态,弹性变形阶段裂纹的萌生和扩展以沿晶断裂为主,而穿晶断裂的扩展和贯通往往导致局部失稳,表现为非弹性变形阶段。     

含瓦斯煤岩突出过程数值模拟

含瓦斯煤岩突出是煤炭开采过程中一种复杂的工程诱发灾害。根据煤岩体变形与瓦斯渗流的基本理论 ,考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性 ,建立了含瓦斯煤岩突出过程固气耦合作用的RFPA2D Flow模型。利用该模型对石门掘进诱发的含瓦斯煤岩突出进行了初步的数值模拟 ,模拟结果再现了煤岩介质在瓦斯压力、地应力和煤岩力学性质等因素综合作用下由裂纹萌生、扩展、相互作用、贯通直至失稳抛出的突出全过程 ,揭示了采动影响下煤岩介质渐进破坏诱致突变的非线性本质 ,包括含瓦斯煤岩破裂过程中应力场的演化 ,为含瓦斯煤岩突出机理研究提供一套全新的数值试验分析工具。     

软弱围岩节理性质对隧道塌方范围影响研究*

为探究节理岩体在节理扩展-节理破坏-岩体失稳过程中的力学特性变化及变形破坏规律，采用块体离散元软件3DEC进行数值模拟，对节理岩体中隧道开挖后围岩的应力变形状态进行研究。结果表明:法向刚度较小时，可能造成的塌方范围大，法向刚度较大时，造成的塌方范围小；节理剪切刚度对隧道塌方范围的影响较小；节理内摩擦角变化对断层塌落体及上覆未塌落体范围的影响较小。     

采场整体稳定性可靠度分析与风险预测

为研究金川二矿区采场整体围岩的稳定性,采用数值模拟方法研究影响采场整体围岩的稳定性的13个因素之间的关系。采取最小二乘法对试验结果进行多元线性回归,获得4个评价指标函数。利用可靠度理论进行采场稳定性可靠度分析和失稳风险预测,获得采场围岩的能量释放率(ERR)、地表沉降率(SDR)、采场围岩和充填体收敛率(DCR)和平均屈服率(AFR)4个评价指标,对应的失稳风险分别为7.5%,0.78%,3.02%和0.32%。采用4个评价指标的串联模式系统综合分析采场围岩整体稳定性,计算出采场整体失稳风险概率为11.28%,表明采场整体存在失稳风险,需要进一步监测岩体移动。     

尾矿坝边坡失稳判据研究

为避免尾矿库失稳破坏所带来的巨大损失和灾难,依据尾矿坝边坡破坏特征,将坝体边坡的破坏全过程分为连续的变形阶段和非连续的滑动阶段。建立相应的数学模型,采用蠕变理论及李雅普诺夫函数法分析尾矿坝边坡变形、滑动过程的稳定性,提出尾矿坝边坡失稳的加速度判据,得出滑动过程位移解析解。运用FLAC3D对山西某尾矿坝边坡进行计算,得到安全系数为1.67,边坡稳定;通过坝体边坡表面某点位移监测曲线可以看出ü<0,采用加速度判据可得此边坡稳定,与数值模拟结论相同。