海下金屬礦床開采參數(shù)優(yōu)化與安全預(yù)警研究.pdf

1、海下資源綠色開采是采礦工程界中重要的發(fā)展方面。目前，有關(guān)海底煤炭資源開采已取得了豐碩的成果，然而，我國在海下金屬礦床開采方面的研究才剛剛起步。為此，本文作者在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、山東黃金集團(tuán)重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目、國家科技支撐計(jì)劃課題的資助下，以海下金屬礦床開采關(guān)鍵技術(shù)為研究課題，在巖石力學(xué)基礎(chǔ)研究的前提下對(duì)合理隔離層厚度、框架式采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、巖層監(jiān)測(cè)與預(yù)警、礦井水系統(tǒng)等問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　在海下開采巖石力學(xué)基礎(chǔ)方面，首先

2、查明所采礦床的礦體賦存條件、礦體形態(tài)、礦山工程地質(zhì)條件、地應(yīng)力規(guī)律，然后，通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)面的調(diào)查，選取RMR法的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為新立礦區(qū)海下巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，應(yīng)用Hoek-Brown準(zhǔn)則得出不同質(zhì)量等級(jí)巖體力學(xué)參數(shù)，為礦山井下工程布置、采場(chǎng)穩(wěn)定性分析及參數(shù)優(yōu)化等提供基礎(chǔ)研究。
　　在海下開采合理隔離層厚度方面，著重于隔水保護(hù)層的厚度研究，基于Mindlin厚板理論與Winkler地基理論建立了不規(guī)則形狀的

3、保護(hù)層模型，利用微分容積法求解并編制了求解程序DCFMP，以最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則作為合理保護(hù)層的判據(jù)，分別確定了三山島礦區(qū)的18個(gè)盤區(qū)的合理保護(hù)層厚度，最終建議的統(tǒng)一的保護(hù)層厚度為22.16m（安全系數(shù)1.8）。另外還發(fā)現(xiàn)了合理的保護(hù)層厚度與盤區(qū)面積的顯著相關(guān)性，并得到了回歸方程，為以后合理保護(hù)層的確定提供了更為簡(jiǎn)便的方法。
　　在框架式結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面，首先計(jì)算不同框架式采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的最大主應(yīng)力，建立應(yīng)力約束的體系應(yīng)變能最大化的目標(biāo)函

4、數(shù)，求響應(yīng)面函數(shù)后采用非線性優(yōu)化技術(shù)對(duì)響應(yīng)面函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而求得點(diǎn)柱的尺寸為4×4m、跨度為12m;然后基于Kirchhoff薄板理論建立中段間不規(guī)則頂?shù)字Ｐ停肎alerkin法和坐標(biāo)映射技術(shù)求得頂?shù)字Ｐ偷臄?shù)值解析解，建立綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素、安全因素和充填效果因素的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)三山島礦區(qū)內(nèi)的9個(gè)盤區(qū)的頂?shù)字謩e進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到統(tǒng)一的最優(yōu)厚度為7.16m。最后有限元強(qiáng)度折減法中任意點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變強(qiáng)度折減過程與莫爾-庫侖準(zhǔn)則條

5、件下安全系數(shù)法接軌對(duì)中段內(nèi)盤區(qū)間不同開采順序的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出“隔二采一”方案最優(yōu)，安全系數(shù)范圍為2.5～3.5，未達(dá)礦巖失穩(wěn)的條件。
　　在巖層監(jiān)測(cè)與預(yù)警方面，采用位于上盤圍巖內(nèi)的三個(gè)專用觀測(cè)硐室A、B、C的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在使用小波變換對(duì)巖層位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)項(xiàng)分離及平穩(wěn)化處理的基礎(chǔ)上，以時(shí)間序列AR模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，對(duì)不同的小波分解層數(shù)與預(yù)測(cè)步長得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行誤差分析，選定3～6步為最佳預(yù)測(cè)步長，預(yù)測(cè)

6、誤差可控制在1％以內(nèi)。同時(shí)，通過研究對(duì)比各個(gè)巖土工程中預(yù)警指標(biāo)的確定方法，選取單次采樣時(shí)間內(nèi)的變形速率vt與前20～80d的平均變形速率的比值作為巖層穩(wěn)定變形階段判斷預(yù)警閥值的指標(biāo)，對(duì)監(jiān)測(cè)安全狀態(tài)進(jìn)行判別，可分析海底開采巖層的變形規(guī)律，指導(dǎo)海下開采的安全作業(yè)。
　　在海下礦井的水系統(tǒng)研究方面，采集了三山島礦區(qū)內(nèi)的100個(gè)裂隙水樣和13個(gè)特征水樣（包括海水、第四系地下水、地表水和雨水），并分析了各個(gè)水樣中的13項(xiàng)化學(xué)物理指標(biāo)和2項(xiàng)同

7、位素指標(biāo)，首先利用主成分分析(PCA)獲得了四個(gè)主成分（信息貢獻(xiàn)率分別為48％、25％、10％和7％），通過深入分析各個(gè)主成分的水化學(xué)指標(biāo)的特點(diǎn)，并對(duì)照相關(guān)的地質(zhì)報(bào)告，確定了這四個(gè)主成分分別代表海水的濃縮與稀釋過程、絹英巖化與碳酸鹽化過程、鉀長石化過程和二氧化碳溶解過程。然后在主成分分析的基礎(chǔ)上利用模糊C均值聚類(FCM)對(duì)礦區(qū)的100個(gè)裂隙水樣進(jìn)行聚類分析，確定了四個(gè)空間上連續(xù)變化的聚類，并通過了密實(shí)度和分離度函數(shù)的有效性驗(yàn)證。利用圖

8、形技術(shù)直觀地展示了四個(gè)聚類的空間分布，分析了每個(gè)聚類的水化學(xué)特點(diǎn)，并與相關(guān)的水文地質(zhì)報(bào)告相互印證，確定四個(gè)聚類分別為深層咸水、淺層咸水、基巖鹵水和混合廢水。最后，深入分析PCA和FCM的結(jié)果，反演得到了礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)和演化系統(tǒng)，包括水來源、遷移路徑、混合位置、局部裂隙帶以及采礦對(duì)地下水系統(tǒng)的影響。通過礦井水系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)分析可起到海下開采礦井突水預(yù)警作用。
　　本文所做的研究工作，不僅立足于學(xué)科前沿，而且緊密聯(lián)系工程實(shí)踐，著重解