基于精密探测的金属矿山采空区群稳定性分析

采空区群的稳定性分析是一个复杂的地质问题,而在区域内存在一种群效应。准确地掌握采空区群的三维形态和空间的相对位置是进行稳定性分析的前提。以石人沟铁矿为背景,利用空区探测系统（CMS）对采空区进行了精密探测,并对探测数据进行处理和转换,在此基础上,应用3Dmine建立了采空区群的三维空间模型,经过进一步处理实现了与FLAC3D的耦合,建立了三维数值计算模型。根据计算结果对采空区群区域的应力场、位移场进行了分析,对群区域内的群效应进行了阐述。在此基础上对群区域地表位移进行了分析,确定了地表最大位移面积和采空区水平面积的比值。研究结果表明,区域内的群效应使应力和位移较单个采空区时都有了较大增加,且增加幅度并不是单纯的叠加,这种效应加剧了采空区的危险等级,将CMS、3Dmine和FLAC3D三者的优势结合起来,为采空区群得稳定性分析提供了一个准确而有效的途径。     

复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建

复杂三维地质可视化和数值模型的构建是采矿、岩土及水利水电工程中常常遇到的关键问题。针对数值模拟软件在复杂矿区地质体模型构建及单元网格划分等前处理问题上存在的不直观、工作量大等缺点,结合矿业软件在复杂三维地质体建模的强大优势,在研究线框模型和块体模型差异的基础上,提出了基于线框模型的复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建技术。根据线框模型特点不同,以地表和采空区模型为型,分别阐述了基于Surpac的表面模型和实体模型无缝转换成MIDAS/GTS数值模型的有效方法,并将该技术成功应用于冬瓜山铜矿复杂采空区群围岩稳定性研究中。结果表明,该方法是可行、有效的,从而为矿山开采设计、安全分析及复杂地质体结构的岩土工程数值模拟分析提供了一种新的建模方法。     

金属矿采空区三维探测及可视化建模与应用

准确掌握采空区形态、大小及其边界是控制因采空区引发的灾害及优化采矿设计等的重要基础性工作。运用空区三维激光探测系统对采空区进行精密探测,获取探测数据,对原始数据处理后,运用三维建模软件Surpac精确构建复杂空区三维可视化模型,直观地表达空区的空间形态;以空区三维模型为基础,进行空区的体积、顶板面积和采场周边的超、欠挖量、存留矿量、采场塌陷区回采指标的计算及动态监测,并准确获得了采空区的实际边界等相关信息,从而为矿山进一步开展矿柱爆破设计、空区充填、贫损测定与控制,以及进行采场垮塌区处理等提供可靠的基础性依据。     

探地雷达技术在煤矿采空区探测中的应用

不明采空区对煤矿的安全生产构成潜在危害,而人工地震勘探对埋深较浅的采空区存在盲区。采用RAMAC/GPR探地雷达仪配备的超强地面耦合天线(RTA50MHz)探测采空区。由于煤层及采空区相对雷达探测的有效范围较深,综合考虑探地雷达的分辨率与探测深度的关系,选用合适的雷达参数和探测模式进行数据采集,并采用了VC++开发了三维系统进行了补充解释,实现了探测目标体的准确定位,取得较好的探测效果。      

高速公路下伏多层倾斜采空区危害性评价数值模拟

采空区的危害性评价是矿区高速公路建设技术难题之一。应用二维及三维有限单元法对某高速公路下伏一多层倾斜复杂地质条件老采空区的变形与稳定性进行了数值模拟。模拟计算结果表明,研究区多层倾斜采空区对路基的危害性严重,必须对公路路基影响范围内的采空区部位进行处治。     

主溜井冲击损伤机制分析及实测验证

为准确判断溜井受矿石冲击的损伤情况,基于影响溜井的损伤因素,构建了溜井受矿石冲击的损伤理论模型,并据此运用MATLAB计算获得矿石对溜井冲击的冲量分布。采用MADIS-FLAC3D数据耦合技术建立溜井冲击损伤数值模型,揭示了溜井冲击损伤的分布规律。综合运用空区激光探测系统（CMS）和大型矿床三维软件SURPAC,实现了对溜井垮塌三维信息的准确获取及可视化,并对所建立模型的计算分析结果进行了验证。结果表明：（1）根据溜井冲击损伤模型计算得到溜井受冲击的范围标高为-265.83～-292.28 m,冲量在此区间呈现先增大后减小的规律,在标高为-272.88 m处达到最大,为13.52 kN?S;（2）通过数值模型分析得到溜井受矿石冲击一侧在标高为-264.12～-294.88 m区间段发生了位移变化,并在相应区间段形成一定范围的塑性区,说明矿石冲击破坏了此处溜井围岩的稳定性;（3）数值分析得出的最大位移监测值出现的位置与探测模型垮塌区域的最大断面标高一致,实际探测获得的溜井垮塌最严重区域形态与数值模拟确定的塑性区相吻合。     

基于高密度电法的煤炭采空区数值模拟及应用

为进一步了解高密度电法不同装置的探测效果,有效选择高密度电法在探测煤炭采空区时的采集装置,建立典型煤炭采空区地电模型进行多种装置的正反演数模计算并进行工程应用。结果表明,高密度电法中各种装置能有效反映采空区异常,但采空区的形态易受地层不均匀影响发生畸变。其中,偶极装置在查明煤炭采空区的位置和形态应用中效果最好,温纳α装置能详细确定采空区围岩电性特征和地层分层情况,结合数值模拟计算分析结果在实际铁路工程勘察中进行煤矿采空区的勘察,取得良好的效果。     

基于两层含水采空区瞬变电磁场数值模拟的拟地震偏移成像

瞬变电磁法是探测煤田采空区的一种有效方法。瞬变电磁拟地震处理解释方法研究日渐成为电磁勘探领域的热点并且取得了突破性进展,所以可以把瞬变电磁拟地震处理解释运用到煤田采空区的探测中来提高勘探精度。文中在瞬变电磁三维时域有限差分数值模拟两层含水采空区模型的基础上,运用预条件正则化共轭梯度算法实现了瞬变电磁扩散场到虚拟波场的稳定转化,并对虚拟波场进行了脉冲压缩处理;最后通过克希霍夫积分解,对虚拟波场进行延拓成像,实现了两层含水采空区模型的三维解释。     

煤矿采空区四维地震特征分析及识别方法:以淮南煤田张集矿区为例

煤矿采空区塌陷是一个重要的地质问题,由于采空塌陷区地震、地质条件的复杂性,传统三维地震勘探探测方法难以准确查明采空区边界.本研究提出一种基于四维地震特征的煤矿采空区识别方法,并以淮南煤田张集煤矿为靶区开展采空区探测.该方法从模型驱动入手,通过建立煤层开采前、后地质模型及进行正演模拟,利用模型地震叠前时间偏移剖面回溯分析...     

“空天地”一体化技术在采空区形变监测中的应用CSCD

河北滦平县张百湾镇周台子村由于多年矿山开采遗留下大量的采空区,部分采空区未做任何处理存在塌陷隐患,严重制约当地的经济发展和社会稳定。对该地区采空区形变调查和实地监测十分有必要。文中综合应用合成孔径雷达干涉测量技术、无人机摄影测量技术、三维激光扫描技术对采空区的空间分布进行划分确定和形变监测。首先应用小基线集技术对采空区进行地表形变解算。然后应用无人机数据构建研究区的三维模型,并通过多期无人机航飞数据,计算2次航飞间地表变化,佐证InSAR技术的结果。最后应用三维激光扫描技术,对部分重点区域进行三维激光扫描,建立采空区精细化模型。研究结果表明,三种技术的联合监测结果表现出高度的一致性,其中InSAR技术探测出研究区最大形变速率-25 mm/a,结合2期无人机正射模型DEM与三维激光扫描数据差分结果确定出采空区17处的高风险区域,部分区域对居民区和道路有影响。基于“空天地”一体化技术具有较高的可靠性,可应用于矿区采空区形变调查和地面沉降监测。     

一种求解应变软化岩体中球腔问题的数值方法

均匀地应力场中球形洞室开挖问题可以简化为空间轴对称问题,为分析和评价球形洞室开挖的稳定性,采用有限差分方法对平衡方程与变形协调方程进行离散,将洞室围岩潜在塑性区划分为一系列的球壳,并考虑岩体的应变软化行为,可以得到满足线性Mohr-Coulomb（H-C）准则和非线性Hoek-Brown（H-B）屈服准则的围岩体塑性区范围及相应的应力与变形分布。计算结果表明,随着离散步的增加,数值解逐渐收敛,文中解与已有文献的结果完全吻合,且计算效率更高。对一组强度参数遵循CWFS（黏聚力弱化与摩擦角强化）规律的围岩体内塑性区范围、变形与应力的分布进行了分析,并与常规的应变软化模型的计算结果进行了对比,CWFS模型的结果更合理一些。     

顺层岩质边坡稳定性极限分析上限法

基于极限分析上限法理论,运用体积力增量法,考虑单层滑动面极限分析模型的缺陷,建立考虑含结构面的多岩层错动的任意块体模型,利用岩块体在外荷载作用下达到极限破坏时,外荷载做的功与岩体消耗的功相等为基础建立等式方程,由此推导得到此类边坡稳定系数的计算公式。在分析典型边坡算例的基础上,对比离散元数值模拟结果,验证了该方法的可行性和适用性。对云南省普宣高速公路某顺层岩质边坡进行计算,其稳定系数接近离散元数值模拟结果,数值稍有偏大,边坡稳定。其研究结果为此类边坡稳定性评价提供了一种新的计算方法。     

含单个孔洞岩盐路基稳定性的无网格分析

用无网格伽辽金法计算了孔洞边缘危险点的应力。对含单个孔洞岩盐路基的稳定性进行了分析,给出了针对不同孔洞埋深的临界载荷。数值结果表明,EFGM对于解决含有单个孔洞的应力集中问题,是有效且灵活的。     

高速铁路隧道围岩抗力系数现场试验与理论研究

以沪昆高速铁路隧道为依托,通过现场径向液压枕试验,测量各级压力下半径向变形,获取了隧道研究点处岩石抗力系数实测值。在实测数据的基础上,结合国内外相关的弹性抗力本构模型,建立了沪昆高速铁路隧道围岩抗力系数的5种理论计算模型：理想弹塑性模型、爆破裂缝弹塑性模型、塑性软化岩体模型、Lade-Duncan准则模型、统一强度理论模型,并有针对性的将所研究的20座隧道进行分类,分别计算其围岩抗力系数理论计算值。为了弥补现场试验点数目的限制,对所研究的隧道展开了数值模拟分析。通过对不同的埋深、围岩级别、地质特征下岩石抗力系数现场试验值、理论计算值、数值模拟值和规范值进行对比和综合,提出了高速铁路大断面隧道的围岩抗力系数推荐值,该推荐值突破了普通铁路隧道规范中关于抗力系数建议值仅限于弹性模型的限制,为优化隧道结构设计,充分利用围岩的自承能力提供了理论依据。     

隧道衬砌空洞探地雷达图谱正演模拟研究

探地雷达作为一种高效、先进的无损检测设备,能够对隧道衬砌实施连续扫描,实时获得雷达图谱。然而,由于探地雷达在我国的应用时间还非常短暂以及雷达图谱的复杂性,隧道衬砌空洞探地雷达图谱的辨识还存在一定的问题。据此,通过不同环境的试验得到空洞雷达图谱特征,并利用二维时域有限差分法对衬砌空洞雷达图谱进行正演模拟。采用VC++语言编写探地雷达正演模拟程序,对隧道衬砌检测中常见的几种空洞模型进行正演模拟,得出模拟波形和图谱,并与实测隧道衬砌空洞的探地雷达波形和图谱进行对比。结果表明,模拟图谱与实测结果相似,具有较明显的空洞特征。良好的结果也验证了二维时域有限差分法（2D-FDTD）正演模拟的可行性。     

椭球形空洞地基稳定性分析

为了分析地基中的椭球形空洞的稳定性,利用叠加原理得到了线弹性各向同性无限大体中在远场三轴应力作用下椭球形空洞壁上出现极值的关键点应力精确解,为此又采用Matlab程序求解当s(短、长半轴之比)趋近于1时的极限而退化成球形空洞的应力精确解。最后利用摩尔-库仑准则判定椭球洞在三轴应力作用下的稳定性。分析结果表明,在远场应力状态相同的条件下,椭球洞相对于对应的椭圆孔不易失稳,指出土洞的三维椭球洞模型要比对应的二维椭圆孔模型和球形空洞更符合实际。     

溪洛渡水电站某危岩体稳定性及加固措施研究

在现场调查分析的基础上,提出了溪洛渡水电站某危岩体的两种可能失稳模式（剪切坠落或拉裂倾倒失稳）,进而建立了相应的稳定性计算极限平衡力学模型,而且对危岩体的变形和破坏特征进行了数值模拟分析,分析结果表明,危岩体抗拉裂倾倒稳定性较差,剪切坠落失稳的稳定性系数较高。在稳定性分析的基础上,计算出危岩体倾倒失稳时,安全系数为1.5时的锚固力,进而提出了危岩体加固方案：充填凹岩腔+填充裂隙+预应力锚索＋锚杆联合加固,数值模拟表明此加固方案效果良好。