金屬礦隱患空區(qū)三維信息獲取及其動力失穩(wěn)數(shù)值分析技術(shù)研究.pdf

1、金屬礦產(chǎn)資源地下開采形成的隱患空區(qū)不僅危及礦山的安全，而且對資源的充分回收造成困難，隱患空區(qū)業(yè)已成為我國礦山安全、高效開采過程中迫切需要解決的難題之一。開展金屬礦隱患空區(qū)三維信息動態(tài)獲取、隱患空區(qū)動力失穩(wěn)數(shù)值分析與仿真等相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用，是我國金屬礦山安全生產(chǎn)所面臨的重要研究課題之一。
　　 運用理論分析、現(xiàn)場探測、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，采用空區(qū)激光探測系統(tǒng)(CMS)、礦業(yè)軟件Surpac及數(shù)值分析軟件Flac3D、RFPA

2、等數(shù)字化工具，緊密結(jié)合國家“十一五”科技支撐項目專題“金屬礦大范圍隱患空區(qū)調(diào)查及事故辯識關(guān)鍵技術(shù)研究(2007BAK22B04-12)”，針對冬瓜山銅礦、凡口鉛鋅礦及銅坑礦隱患空區(qū)的具體工程實際，開展金屬礦隱患空區(qū)三維信息獲取及其動力失穩(wěn)數(shù)值分析與仿真技術(shù)研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)針對井下不同作業(yè)環(huán)境提出了相適應(yīng)的隱患空區(qū)CMS現(xiàn)場探測方法。研究了CMS空區(qū)探測點云數(shù)據(jù)過濾與探測數(shù)據(jù)拼接的原理，實現(xiàn)了空區(qū)探測原始點云

3、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換；研究了隱患空區(qū)三維空間模型構(gòu)建的Delaunay三角剖分法，提出采用礦業(yè)軟件Surpac構(gòu)建可視化程度更高、可編輯性更強和實用性更好的空區(qū)三維模型技術(shù)，并將該技術(shù)成功應(yīng)用于礦山空區(qū)三維實體模型的構(gòu)建。
　　 (2)探索了井下高溫、高濕度、多粉塵、多煙霧等多相多場復(fù)雜環(huán)境對空區(qū)激光探測精度的影響規(guī)律；利用多項式擬合法獲得CMS探測掃描頭調(diào)零參數(shù)與支撐桿傾角及旋轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系；建立了用于掃描頭傾角誤差修正的公式，精確

4、計算出掃描頭的實際傾角，并據(jù)此對探測原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，準(zhǔn)確獲取空區(qū)空間位置；提出了修改掃描點數(shù)據(jù)和模型編輯兩種對空區(qū)模型進(jìn)行修正的方法，形成運用激光探測手段精確獲取地下空區(qū)的空間位置形態(tài)、面積和體積大小、坍塌程度等相關(guān)信息的可視化技術(shù)。
　　 (3)針對銅坑礦、凡口鉛鋅礦和冬瓜山銅礦的具體工程實際，開展了金屬礦空區(qū)三維信息精確獲取及可視化應(yīng)用研究，實現(xiàn)了隱患空區(qū)群三維探查及危險性可視化分級、基于空區(qū)實測與采場塊體建模的回采指標(biāo)可

5、視化計算及深井采場空區(qū)垮塌三維動態(tài)探測，為礦山實施空區(qū)評價與治理、開采質(zhì)量控制、資源有效回收方案制定提供了技術(shù)支持。
　　 (4)在綜合研究地學(xué)模擬軟件和數(shù)值模擬軟件文件數(shù)據(jù)格式的基礎(chǔ)上，采用文件格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口編程兩種方式開展地學(xué)模擬與數(shù)值模擬耦合研究，實現(xiàn)了地學(xué)模擬軟件Surpac與數(shù)值模擬軟件Phase2、MIDAS/GTS、Ansys和Flac3D的耦合，為進(jìn)行復(fù)雜空區(qū)動力失穩(wěn)數(shù)值分析與仿真前處理模型的構(gòu)建奠定了基

6、礎(chǔ)。
　　 (5)構(gòu)建了冬瓜山銅礦用于垮塌空區(qū)動力失穩(wěn)分析的三維地質(zhì)模型，利用CMS實測數(shù)據(jù)建立了垮塌空區(qū)的三維實體模型，以實體模型為基礎(chǔ)通過約束賦值生成塊體模型；利用地學(xué)模擬與數(shù)值模擬耦合方法，采用編寫的“Surpac-Flac3D”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序，實現(xiàn)了復(fù)雜垮塌空區(qū)動力失穩(wěn)Flac3D數(shù)值分析前處理模型的構(gòu)建。開展了垮塌空區(qū)動力失穩(wěn)三維數(shù)值模擬研究，形成了金屬礦隱患空區(qū)動力失穩(wěn)數(shù)值分析方法。
　　 (6)在對銅坑礦

7、隱患空區(qū)現(xiàn)場實測并準(zhǔn)確獲取相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合隱患空區(qū)危險性可視化分級結(jié)果，運用巖石破裂過程分析軟件RFPA開展隱患空區(qū)動力失穩(wěn)過程模擬仿真研究，形成了金屬礦隱患空區(qū)動力失穩(wěn)過程模擬仿真方法，為我國大范圍隱患空區(qū)災(zāi)害預(yù)測和控制提供技術(shù)支持。
　　 本文緊密結(jié)合工程實踐，綜合運用巖石力學(xué)、三維建模技術(shù)、空區(qū)精密探測技術(shù)以及數(shù)值分析軟件工具，對金屬礦隱患空區(qū)三維信息獲取及其動力失穩(wěn)數(shù)值模擬分析與仿真技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，對金屬礦隱