不安全因素采矿工程论文提纲

论文题目：海下金属矿床开采参数优化与安全预警研究

摘要：海下资源绿色开采是采矿工程界中重要的发展方面。目前,有关海底煤炭资源开采已取得了丰硕的成果,然而,我国在海下金属矿床开采方面的研究才刚刚起步。为此,本文作者在国家重点基础研究发展计划、山东黄金集团重点科技攻关项目、国家科技支撑计划课题的资助下,以海下金属矿床开采关键技术为研究课题,在岩石力学基础研究的前提下对合理隔离层厚度、框架式采场结构参数、岩层监测与预警、矿井水系统等问题进行了系统的研究。 在海下开采岩石力学基础方面,首先查明所采矿床的矿体赋存条件、矿体形态、矿山工程地质条件、地应力规律,然后,通过室内岩石力学试验测试及现场岩体结构面的调查,选取RMR法的6个评价指标作为新立矿区海下岩体质量评价的基础,应用Hoek-Brown准则得出不同质量等级岩体力学参数,为矿山井下工程布置、采场稳定性分析及参数优化等提供基础研究。 在海下开采合理隔离层厚度方面,着重于隔水保护层的厚度研究,基于Mindlin厚板理论与Winkler地基理论建立了不规则形状的保护层模型,利用微分容积法求解并编制了求解程序DCFMP,以最大拉应力准则作为合理保护层的判据,分别确定了三山岛矿区的18个盘区的合理保护层厚度,最终建议的统一的保护层厚度为22.16m（安全系数1.8）。另外还发现了合理的保护层厚度与盘区面积的显著相关性,并得到了回归方程,为以后合理保护层的确定提供了更为简便的方法。 在框架式结构参数优化方面,首先计算不同框架式采场结构参数的最大主应力,建立应力约束的体系应变能最大化的目标函数,求响应面函数后采用非线性优化技术对响应面函数进行优化,从而求得点柱的尺寸为4x4m、跨度为12m；然后基于Kirchhoff薄板理论建立中段间不规则顶底柱模型,利用Galerkin法和坐标映射技术求得顶底柱模型的数值解析解,建立综合考虑经济因素、安全因素和充填效果因素的目标函数,对三山岛矿区内的9个盘区的顶底柱分别进行优化设计,最终得到统一的最优厚度为7.16m。最后有限元强度折减法中任意点的应力-应变强度折减过程与莫尔-库仑准则条件下安全系数法接轨对中段内盘区间不同开采顺序的围岩稳定性进行分析,得出“隔二采一"方案最优,安全系数范围为2.5～3.5,未达矿岩失稳的条件。 在岩层监测与预警方面,采用位于上盘围岩内的三个专用观测硐室A、B、C的监测数据,在使用小波变换对岩层位移监测数据进行趋势项分离及平稳化处理的基础上,以时间序列AR模型对监测数据进行短期预测,对不同的小波分解层数与预测步长得到的预测值与实测值进行误差分析,选定3-6步为最佳预测步长,预测误差可控制在1%以内。同时,通过研究对比各个岩土工程中预警指标的确定方法,选取单次采样时间内的变形速率vt与前20-80d的平均变形速率的比值作为岩层稳定变形阶段判断预警阀值的指标,对监测安全状态进行判别,可分析海底开采岩层的变形规律,指导海下开采的安全作业。 在海下矿井的水系统研究方面,采集了三山岛矿区内的100个裂隙水样和13个特征水样（包括海水、第四系地下水、地表水和雨水）,并分析了各个水样中的13项化学物理指标和2项同位素指标,首先利用主成分分析（PCA）获得了四个主成分（信息贡献率分别为48%、25%、10%和7%）,通过深入分析各个主成分的水化学指标的特点,并对照相关的地质报告,确定了这四个主成分分别代表海水的浓缩与稀释过程、绢英岩化与碳酸盐化过程、钾长石化过程和二氧化碳溶解过程。然后在主成分分析的基础上利用模糊C均值聚类（FCM）对矿区的100个裂隙水样进行聚类分析,确定了四个空间上连续变化的聚类,并通过了密实度和分离度函数的有效性验证。利用图形技术直观地展示了四个聚类的空间分布,分析了每个聚类的水化学特点,并与相关的水文地质报告相互印证,确定四个聚类分别为深层咸水、浅层咸水、基岩卤水和混合废水。最后,深入分析PCA和FCM的结果,反演得到了矿区地下水运动和演化系统,包括水来源、迁移路径、混合位置、局部裂隙带以及采矿对地下水系统的影响。通过矿井水系统实时动态观测分析可起到海下开采矿井突水预警作用。 本文所做的研究工作,不仅立足于学科前沿,而且紧密联系工程实践,着重解决海下金属矿床安全开采中的最关键问题,具有较高的应用价值和前瞻性。

关键词：海下开采;合理保护层;结构参数优化;岩层位移;矿井水系统

学科专业：采矿工程

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 海下开采安全隔离层厚度研究现状

1.2.2 框架式采场结构参数

1.2.3 海下开采岩层监测预警系统研究

1.2.4 地下水系统的水化学研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 海下开采岩石力学基础研究

2.1 引言

2.2 海下金属矿床工程地质概况

2.2.1 工程地质

2.2.2 水文地质

2.2.3 海底黏性土微观结构及渗透性能参数

2.2.4 地应力调查

2.3 基于FCM聚类和图形技术的结构面产状分析

2.3.1 模糊聚类技术

2.3.2 FCM结果处理方法

2.3.3 海下岩体节理裂隙产状调查结果分析

2.4 海下岩体不同质量等级的力学参数

2.4.1 RMR法判别岩体质量等级

2.4.2 基于Hoek-Brown的不同质量等级岩体力学参数

2.5 本章小结

第三章 基于Mindlin厚板理论的海下开采保护层厚度优化

3.1 引言

3.2 厚板理论

3.2.1 Reissner板模型

3.2.2 Mindlin板模型

3.2.3 其他厚板模型

3.3 基于Mindlin板和Winkler地基的保护层模型

3.3.1 保护层力学模型的建立

3.3.2 Winkler基床系数的确定

3.4 基于微分容积法(DCM)的保护层模型求解

3.4.1 微分容积法原理

3.4.2 保护层模型的求解

3.4.3 离散化技术

3.4.4 求解程序DCFMP编制与验证

3.5 三山岛金矿保护层厚度的确定

3.5.1 基于最大拉应力准则的保护层厚度

3.5.2 三山岛金矿保护层厚度计算

3.6 小结

第四章 海下开采框架式采场结构参数优化

4.1 引言

4.2 基于响应面法的海下采场内点柱结构参数优化

4.2.1 响应面法计算理论

4.2.2 框架式采场有限元计算模型及结果

4.3 基于Kirchhoff薄板理论的海下中段间顶底柱厚度优化

4.3.1 Galerkin法求解薄板模型原理

4.3.2 优化目标函数的建立

4.3.3 顶底柱厚度优化结果

4.4 基于安全系数法的海下矿床中段内开采顺序优选

4.4.1 安全系数法基本原理

4.4.2 动态回采有限元模型的建立

4.4.3 各盘区回采后安全系数计算结果

4.5 小结

第五章 海下开采岩层监测预警系统研究

5.1 引言

5.2 时间序列分析与小波变换理论

5.2.1 离散Daubechies小波

5.2.2 时间序列AR过程及模型参数确定

5.3 基于小波变换和AR模型的岩层位移预测

5.3.1 多点位移计监测方案

5.3.2 预测模型建立

5.3.3 岩层位移的预测及检验

5.4 海下开采岩层位移监测预警

5.4.1 位移监测预警指标比较

5.4.2 位移监测预警指标建议值的确定

5.4.3 监测安全状态判别

5.5 小结

第六章 基于水化学多元统计分析的海下矿井水系统研究

6.1 引言

6.2 三山岛环境描述及水化学概述

6.2.1 环境描述

6.2.2 采样及分析

6.2.3 描述性统计

6.3 基于PCA的矿井水成因分析

6.3.1 主成分分析(PCA)原理

6.3.2 三山岛水化学数据主成分分析

6.3.3 PC1—海水的浓缩与稀释过程

6.3.4 PC2—绢英岩化与碳酸盐化过程

6.3.5 PC3—钾长石化过程

6.3.6 PC4—二氧化碳溶解过程

6.4 基于FCM的矿井水运动分析

6.4.1 水化学模糊聚类(FCM)原理

6.4.2 FCM聚类有效性

6.4.3 三山岛水化学数据模糊聚类分析

6.4.4 C1—深层咸水

6.4.5 C2—浅层咸水

6.4.6 C3—基岩卤水

6.4.7 C4—混合废水

6.4.8 矿井水运动系统综合—水来源、迁移路径、混合、局部大裂隙、采矿影响

6.5 小结

第七章 全文结论与展望

参考文献

附录A：监测数据预测程序(以3层小波分解为例)

附录B：Winkler地基上的Mindlin板求解程序DCFMP

附录C：Galerkin法求解Kirchhoff板程序GFKP

附录D：FCM计算程序

附录E：PCA计算程序

致谢

承担或参与的科研项目