采场围岩稳定性预测数值技术

介绍井下开采过程中采场围岩稳定性分析及预测技术的回归分析，神经网络及灰色系统等数值技术。     

应用岩体声发射技术监测采场顶板稳定性的研究

该矿南矿带自１９９２年采用上向水平分层进路式充填法开采以来,由于采场顶板的矿岩裸露,易发生冒顶事故,为了寻求对顶板的监测预报的手段,１９９４年冶金工业部安全环保研究院和我矿共同开展岩体声发射技术应用研究,在此基础上,我矿利用ＹＳＳ型岩体声发射监测仪对南矿带上向采场的岩体声发射参数进行监测收集,整理分析,并结合现场情况判断采场顶板的稳定性,对有冒落可能的作出预报,进而采取措施避免事故发生。     

夹层对盐岩储气库注采运行稳定性影响研究

为保证含夹层盐岩储气库长期注采过程的安全稳定,开展夹层几何特征对盐岩储气库注采运行稳定性影响的研究。通过FLAC^3D开展数值模拟,研究单一夹层厚度、位置及夹层数量等几何特征对储气库围岩应力、变形的影响规律,并分析盐腔的稳定性和可用性对夹层几何参数的敏感性特征。结果表明:随夹层厚度、数量的增加,盐腔围岩所受压应力增大,收缩变形减小,体积收缩率增大;随夹层到腔体顶板距离减小,盐腔围岩所受压应力先减小后增大,收缩变形增大,体积收缩率减小。各夹层参数的敏感度系数排序为:夹层厚度、夹层数量、夹层位置。该结论可为层状盐岩储气库先导工程的可行性分析与稳定性评价提供参考。     

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。     

采场瓦斯运移的三维LBM仿真

地下煤矿工作面上隅角瓦斯积聚并超限是煤矿生产的重大安全隐患.为了解瓦斯积聚规律及瓦斯积聚量,构建了采场统一的三维LBM仿真模型,并开发采场瓦斯运移的三维LBM仿真软件.采场由工作面和采空区2个流场组成,其中,瓦斯与大气混合气体在工作面流场中的运动为紊流运动,而在采空区内的运动为非均质多孔介质的渗流运动.采场统一的LBM仿真模型通过采用不同的松弛时间和平衡分布函数来体现2个流场的特征.由于采场结构复杂,为了提高运算效率,采用分块耦合算法将采场划分成多个块,各块独立并行计算,块与块之间通过耦合交换数据,最终实现整个采场瓦斯运移仿真.模拟实例表明,该方法可以模拟和分析采场瓦斯运移状况,并得到采场瓦斯运移的相关数据.同时也可以得到采场流线分布规律、速度变化规律和采空区瓦斯运移规律.     

新桥硫铁矿机械化采场结构参数优化研究

针对新桥硫铁矿深部矿体的开采条件和矿体的特征,利用三维有限元分析软件ANSYS数值模拟分析方法,对地下深部采场结构参数进行了优化研究,并对模拟结果进行了详细分析,最终确定了合理的矿房跨度、间柱宽度等参数,可有效地防止地压灾害和提高生产效率,保证生产安全进行,具有良好的经济效益和社会效益.     

"11.6"特别重大坍塌事故矿区采场稳定性三维数值模拟分析

本文采用岩土力学数值计算有限差分方法,建立了"11.6"矿难塌陷区采场的三维数学模型,反演了该采区的开采历史和围岩破坏、围岩应力分布、地表沉陷、监测点位移变化等情况,从力学角度阐述本次事故发生发展的过程,对地下采场的安全稳定性给出了客观的评价.为事故处理责任的认定和避免同类事故的发生提出了参考性意见.     

“11.6”特别重大坍塌事故矿区采场稳定性三维数值模拟分析

本文采用岩土力学数值计算有限差分方法，建立了“11．6”矿难塌陷区采场的三维数学模型，反演了该采区的开采历史和围岩破坏、围岩应力分布、地表沉陷、监测点位移变化等情况，从力学角度阐述本次事故发生发展的过程，对地下采场的安全稳定性给出了客观的评价。为事故处理责任的认定和避免同类事故的发生提出了参考性意见。     

采动底板力学特征及其对回采巷道稳定性影响

应用理论分析、计算机模拟和现场实测,分析了采动底板应力传播规律及其对底板巷道稳定性影响规律。研究表明:煤壁前方应力增高区附近底板压应力分布呈现"球根"状,随着埋深的增加,垂直应力先增加后减小,剪应力浅部采场边界高度集中,是引起层状底板剪切滑移的根本原因。张集矿1113(1)工作面回采过程,活化了已回采稳定的两工作面层间似连续-非连续-散体结构,导致非连续结构的剪切滑移失稳,和散体冲破相互咬合摩擦力的移动,引起了1113(1)工作面轨道巷广距离失稳。相邻采区开采顺序由上下煤层间隔同采调整为上下煤层顺序开采后,巷道表面位移显著降低,技术经济效益显著。研究成果可为煤层群开采采区设计、底板巷道稳定性控制提供理论基础。     

应用岩体声发射技术监测采场顶板稳定性的研究

该矿南矿带自1992年采用上向水平分层进路式充填法开采以来,由于采场顶板的矿岩裸露,易发生冒顶事故,为了寻求对顶板的监测预报的手段,1994年冶金工业部安全环保研究院和我矿共同开展岩体声发射技术应用研究。在此基础上,我矿利用YSS型岩体声发射监测仪对南矿带上向采场的岩体声发射参数进行监测收集、整理分析,并结合现场情况判断采场顶板的稳定性,对有冒落可能的作出预报,进而采取措施避免事故发生。     

露井联采逆倾边坡稳定性数值模拟

为最大限度回收资源,倾斜矿体开发时常采用露天与井工联合开采方式,形成露井联采逆倾边坡,由于受到双重采动效应影响,其变形破坏机理及稳定性问题变得极为复杂,是采矿工程领域研究的难题之一。以平庄西露天矿顶帮边坡为研究对象,同时考虑拉伸和剪切两种破坏判据,应用RFPA强度折减法对露井联采逆倾边坡岩移规律及稳定性进行了数值模拟。通过对比分析单一露天开采和露井联采条件下边坡岩体变形破坏规律、位移演化规律及应力分布特征的差异,揭示了地下开采对露天矿逆倾边坡岩移规律及稳定性的影响和原因。结果表明:单一露天开采时边坡发生滑移型破坏,而露井联采条件下边坡发生滑移-塌陷复合型破坏;受两种采动效应叠加的影响,地下采空区上方岩体以下沉为主,同时上山一侧岩体向露天采空区方向发生明显位移;受地下采动影响时,逆倾边坡稳定性下降,其根本原因是坡体内剪应力的大范围叠加升高,造成上部一定范围的岩体在边坡发生滑移前就遭到破坏,从而加剧了滑坡的发展。     

边坡爆破高度对边坡稳定性的影响

为了解爆破后由急倾斜且具有水平裂隙发育岩体组成的边坡稳定性及其内部破坏规律,最终总结出爆破高度对边坡稳定性的影响特征,使用基于颗粒流理论的PFC3D进行该工况模拟。利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟非连续和连续性的岩体构造形式,以对实际的岩体中岩块和裂隙发育进行模拟。针对存在该类型构造发育边坡的实际工况,设置了13个爆破点的6个爆破方案进行模拟。研究了模拟结果表现出的边坡内部裂隙和位移随爆破高度的变化规律。其表明了对于同时起爆各爆破点而言,爆破高度越高爆破后边坡越稳定的结论,并分析了出现该现象的原因。说明了结论的普适性,同时该边坡实际的爆破情况也支持了该结论。     

直边坡参数对边坡稳定性的影响

采用量纲分析的方法给出直边坡几何参数和物理力学参数决定边坡稳定系数的通式。首先,边坡高度H和边坡角α被确定为直边坡的几何参数,抗拉强度σt、黏聚力C、内摩擦角和岩土比重γ被确定为直边坡的物理力学参数;其次,采用量纲分析的方法,形式上给出边坡稳定系数F的通式,F=qαpα(C/Hγ)pcφpφ(σt/Hγ)pσ;再次,为了得到待定系数q和待定指数pα、pc、pφ、pσ,通过最小二乘法对数万个计算结果进行回归分析(每个结果都是通过FLAC计算将确定的直边坡参数与它的稳定系数形成对应)。结果表明,在一定的取值范围内,边坡稳定系数的表达式为F=4.63/α(C/Hγ)0.17φ0.83。可见,受MohrCoulomb和拉应力两个强度准则控制的岩土材料形成的直边坡的稳定性受无量纲的黏聚力、边坡角(角度)、内摩擦角(角度)的控制,与抗拉强度关系不大。无量纲黏聚力是黏聚力除以边坡高度和岩土比重。     

围岩稳定性评价的改进物元可拓模型与应用

为弥补现有地下工程围岩稳定性评价方法的不足,建立了改进的物元可拓模型。通过构造一种新的关联函数,解决了因传统的物元可拓模型的关联函数是一个分段函数而存在的不便于计算的缺陷,以及评价指标间的互不相容性问题,拓宽了物元可拓法的应用范围。将改进的物元可拓模型应用于某地下工程围岩的稳定性评价,结果表明,样本1、2、5属于Ⅱ级(较稳定),样本3、4属于Ⅰ级(稳定)。通过将其评价结果与传统可拓法及模糊数学综合评判结果进行比较分析,证明该评价方法的正确性。研究表明,改进的物元可拓模型的评价结果与实际工程地质情况更为吻合,准确度更高,能够反映各因素对围岩稳定性的影响,其合理性和可行性得到了验证。     

应用数值模拟技术评价矿山地压灾害

在国内外矿山安全评价领域内,主要以矿山概率风险评价为基础的评价技术,把矿井生产系统中隐患导致事故的概率与隐患造成的损害乘积作为系统状态危险度。隐患发生的概率和造成的损害是通过数据统计获得。该评价方法对隐患发生的概率和损害统计不够规范,缺乏实用性,且只讨论了采用数据的模糊性问题[1]。近年来兴起的数值模拟技术是基于可视化计算软件的一种岩石破裂过程分析方法。笔者提出了用计算机模拟技术进行矿山开采过程中的安全评价新方法,该方法应用材料相似性原理,通过计算机数值模拟,解决针对矿山开采过程中采场结构参数优化、矿柱受力破坏形式、部位、范围及合理性评价等有关地压危害方面的难题。     

高窄型充填采场内的拱效应及应力分布状态研究

以地下矿山充填采场为研究对象,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对高 窄型垂直和倾斜充填采场内的拱效应及应力分布状态进行了研究。研究结果表明:实例 中高窄型采场内充填体的自重应力为1.06 MPa,经拱效应转移后,底板处的垂直应力仅 为0.35 MPa ;改进的马斯顿理论计算倾角小于80°的充填采场应力分布情况时结果偏 大;采场倾角越大,高窄型充填体内拱效应越明显,靠近围岩两帮处的应力值也越大, 而采场中线处的水平应力几乎不受影响。对高窄型采场内充填体的目标强度进行设计时 ,应考虑拱效应对其自重应力的转移作用,以降低相关经济技术指标。     

深部采场进路开采顶板稳定性分析与支护设计

为降低深部矿体开采中冒顶事故的发生概率,确保井下安全开采,采用Q系统分级法、RMR岩体分类和BQ分级法对矿区岩体进行质量评价,结合块体理论和三维有限元分析进路开挖后顶板的稳定性。研究表明:部分岩体在进路开挖后顶板处出现较大拉应力集中,抗拉稳定性降低,极有可能出现冒顶事故。针对这类不稳定岩体,提出永久巷道采用锚喷支护,临时巷道采用锚杆穿带支护;并运用悬吊理论、组合梁理论、屈服强度理论和安全系数法分析支护条件下进路顶板的稳定性,优化支护结构参数。通过振弦式锚杆应力计收集现场未支护巷道与支护巷道轴向力,得出该支护设计对开挖后岩体变形起到了明显改善作用。     

基于流固耦合的充气滑梯安全稳定性研究

大型充气式滑梯的主要失效原因为风载作用下的倾覆。通过分析充气式滑梯在典型风载工况下的受力情况,应用ANSYS软件对充气式滑梯的几种锚固方案进行流固耦合仿真模拟。对仿真结果进行分析,得出该工况下的最佳锚固方案。提出一个校核锚固角度的公式,并计算出锚固绳与地面的角度须在30°~60°。依据分析结果,提出锚固点设置的具体措施,设施的整体高度超过3 m时,须在其主承风面高处位置增设辅助锚固点,以降低倾覆力矩和设施主体变形。     

基于地电场数值模拟的边坡软弱层稳定性评价

为解决露天采场边坡失稳带来的巨大安全隐患问题,以鞍本地区铁矿露天采场为例,在分析高密度电阻率法基本原理、探测系统和正反演原理的基础上,测定了研究区内主要岩矿体电阻率,据此建立了基于地电场数值模拟的层间软弱层稳定性评价模型。温纳和偶极装置工作下,设定的地电模型正演模拟和反演计算结果表明,电阻率异常特征准确地反映了软弱层的稳定性状态,地电场分布特征与模型设定结果基本吻合。评价实例和钻探验证结果表明,模型可准确评价层间软弱层的稳定状态,取得了良好的实际效果。     

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。