地下轉(zhuǎn)露天礦山復(fù)雜空區(qū)安全管理與控制研究.pdf

1、地下開采轉(zhuǎn)為露天開采的礦山企業(yè),其采區(qū)一般都存在形態(tài)千奇百怪、上下重疊且空間位置不詳?shù)谋姸嗟叵虏煽諈^(qū)。這些采空區(qū)的周邊圍巖尤其是頂板長期受到自重、風(fēng)化與爆破振動等影響,巖層穩(wěn)固性下降,隨時可能發(fā)生露天坑底開裂、變形與坍塌,對露天礦正常生產(chǎn)構(gòu)成了嚴重威脅,是地下轉(zhuǎn)露天型礦山企業(yè)生產(chǎn)的重大安全隱患。
　　針對地下轉(zhuǎn)露天型礦山企業(yè),現(xiàn)存的大量采空區(qū)帶來諸多安全隱患問題,本文綜合運用地質(zhì)學(xué)、計算機圖形學(xué)、三維建模技術(shù)、可視化技術(shù)、巖體穩(wěn)定

2、性分析方法以及安全系統(tǒng)工程等理論和技術(shù),開展復(fù)雜空區(qū)探測與定位、數(shù)據(jù)預(yù)處理、實體建模、采空區(qū)頂板安全隔離層穩(wěn)定性分析、隱患區(qū)地壓實時監(jiān)測以及典型采空區(qū)上部采礦作業(yè)安全管理與控制等研究工作。
　　論文取得了以下幾個方面的研究成果:
　　1、地下采空區(qū)群的定位與探測。針對露采工作臺階面下部不確定空區(qū),采用地震波反演成像方法獲取可能存在的空區(qū)位置和大致輪廓信息;針對已探明位置的采空區(qū),采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)空區(qū)探測孔位布置的遺傳優(yōu)化方法,利

3、用三維激光掃描探測空區(qū)邊界輪廓信息;基于邊界輪廓信息構(gòu)建采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)和空區(qū)邊界三維坐標點云數(shù)據(jù)庫。
　　2、空區(qū)點云數(shù)據(jù)處理。對空區(qū)周邊點云數(shù)據(jù),按設(shè)定高度選擇若干水平分層,保留所選水平分層上下小范圍內(nèi)的點云數(shù)據(jù),剔除相鄰分層間的大部分點云數(shù)據(jù);然后,針對各個分層的保留點云數(shù)據(jù),將其近似看做處于同一水平,采用最小二乘法曲線擬合,進行點云數(shù)據(jù)精簡;對表征空區(qū)底板、頂板的點云數(shù)據(jù),分別采用球面投影均勻網(wǎng)格化后,利用中值濾波精簡方法處

4、理。剔除掉大量點云數(shù)據(jù)后,可形成能夠反映采空區(qū)結(jié)構(gòu)特征的空區(qū)三維點集數(shù)據(jù)。
　　3、復(fù)雜結(jié)構(gòu)空區(qū)群三維實體模型構(gòu)建。針對精簡后的空區(qū)底板、頂板以及各個水平分層的點集數(shù)據(jù),研究基于TIN建模技術(shù)的三角剖分網(wǎng)格化方法,提出了相鄰分層輪廓線之間三角剖分和包含控制點的底板與頂板輪廓線內(nèi)部三角剖分算法,對不規(guī)則結(jié)構(gòu)的三角拼接、凹剖面線間三角拼接及復(fù)雜凹剖面內(nèi)的三角剖分提出了具體的處理方法,構(gòu)建了采空區(qū)三維包絡(luò)線框模型。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大面積空區(qū)

5、,提出了基于OBB樹(Oriented Bounding Box,有向包圍盒樹)的復(fù)雜空區(qū)群布爾運算實體建模方法。
　　4、采空區(qū)頂板安全隔離層穩(wěn)定性研究。分別針對空區(qū)上部存在重型工作設(shè)備荷載、巖體自重、上部碎石松散體自重和采礦作業(yè)爆破震動動力荷載等作用下,對復(fù)雜結(jié)構(gòu)采空區(qū)三維實體模型進行失穩(wěn)數(shù)值模擬分析,探討采空區(qū)頂板安全隔離層應(yīng)力、位移和塑性區(qū)變化,為安全生產(chǎn)提供決策依據(jù)。
　　5、安全隔離層厚度計算。對簡單結(jié)構(gòu)采空區(qū)的

6、不同頂板厚度進行傳統(tǒng)理論計算和數(shù)值分析,給出了常見空區(qū)尺寸下的無覆層頂板安全厚度速查圖表。在日常生產(chǎn)管理中,首先對空區(qū)信息進行采集,然后依據(jù)信息分析其跨度,可快速估算出安全隔離層厚度,與現(xiàn)有空區(qū)頂板巖層厚度比較,決策是否在該空區(qū)上方開采礦石還是對該空區(qū)進行治理。
　　6、采空區(qū)地壓實時監(jiān)測預(yù)警。運用全數(shù)字型多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)周邊進行地壓實時監(jiān)測,并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行小波時間序列去噪處理以及基于趨勢模型方法對累計視體積時間序列數(shù)

7、據(jù)進行趨勢預(yù)測。在此基礎(chǔ)之上,設(shè)計了采空區(qū)災(zāi)害前置預(yù)警方法,實現(xiàn)了基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動預(yù)警。
　　7、采空區(qū)安全管理任務(wù)規(guī)劃與管控技術(shù)。針對欒川鉬礦露天開采與空區(qū)管理現(xiàn)狀,提出了采空區(qū)安全管理任務(wù)規(guī)劃和管控研究框架,以三道莊露天礦為例,對露天采場按空區(qū)分布進行區(qū)域劃分。通過空區(qū)定位探測、實體建模、頂板安全厚度和穩(wěn)定性分析評價先行,實時監(jiān)測、采礦作業(yè)和空區(qū)處理并舉的系統(tǒng)方法,對地下轉(zhuǎn)露天型礦山企業(yè)進行綜合管控,取得了明顯的經(jīng)濟和社會效