基于激光三维探测的空区稳定性分析及安全预警的研究

论文摘要

我国金属矿山安全事故频发,由于地压导致的空区特大事故严重危害矿山生产。尤其是一些露天开采矿山,由于历史原因,在矿山现有露天开采境界内,存在大量以往常规开采留下的空区和无规则的民采空区,严重威胁着露天开采作业人员和设备的安全。此外,一些地面建筑物如高速公路下覆空区也是这些地面建筑极大的隐患。因此,准确探测空区三维形状以直观指导空区评判和处理意义重大;如何根据探测所得模型准确的了解这些下覆空区的应力分布状况及稳定性,是保证矿山安全生产和地面人员设备安全的必要手段;同时,在此基础上如何实时、准确的监控空区以预防事故发生也是矿山安全生产所必需的。鉴于此,本文主要研究内容如下:运用先进的激光探测系统,对露天开采境界内下覆不明空区进行激光三维探测,给出空区三维模型和详细的信息,为矿山安全开采提供可靠的信息。基于所测三维数据对露天开采境界下覆空区的稳定性进行分析。把激光探测所得空区的三维模型导入SURPAC建立空区块体模型,研究SURPAC和数值模拟软件FLAC3D的数据转换方法,编制相应的程序将SURPAC中空区三维块体模型嵌入FLAC3D,以取代以往数值模拟建模所用的虚拟模型进行数值计算,以此来了解露天开采境界下覆空区更真实的地压分布和稳定性状况。通过对岩石在动载下的声发射特性进行实验研究,得到岩石在动载下的声发射规律;与静载下岩石声发射特性进行比较分析,总结动载下岩石的声发射特性,为合理解释爆破、冲击等动载作用下声发射监测数据提供理论支持,由此为频繁爆破和大型机械作业的露天开采境界下覆空区稳定性声发射监控提出指导性的意见。以空区三维精确探测、稳定性分析、岩石动载下声发射实验为基础,研究以声发射监测为主,其他监测手段为辅的监测系统在开采境界下有空区的露天矿山安全预警中的实施方案,并对现场监测数据进行科学、合理的分析,保障矿山安全生产。

论文目录

• 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 空区探测技术
• 1.2.2 空区稳定性分析
• 1.2.3 岩石声发射技术和微震监测
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 露天开采境界下覆空区激光三维探测
• 2.1 研究区工程背景
• 2.2 激光测距原理
• 2.2.1 脉冲测距
• 2.2.2 相位测距
• 2.2.3 空区激光三维探测原理
• 2.3 空区激光三维探测系统
• 2.3.1 空区自动激光扫描系统的应用范围
• 2.3.2 空区自动激光扫描系统的组成
• 2.3.3 空区自动激光扫描系统探测过程
• 2.4 露天开采境界下覆空区激光三维探测
• 2.4.1 空区探测结果
• 2.4.2 特殊空区分析
• 2.5 小结
• 第三章 露天开采境界下覆空区稳定性分析
• 3.1 空区围岩失稳机理
• 3.1.1 岩石失稳机理
• 3.1.2 岩体破坏机理
• 3.1.3 空区失稳的机理
• 3.2 空区稳定性分析方法
• 3.2.1 弹性理论应力分析空区
• 3.2.2 手册所用方法
• 3.2.3 定性评价
• 3.2.4 半定量评价
• 3.3 露天开采境界下覆空区顶板稳定性的理论分析
• 3.3.1 水平顶板空区的稳定性分析
• 3.3.2 拱形顶板空区的稳定性分析
• 3D分析'>3.4 基于激光三维探测数据的空区顶板稳定性FLAC^3D分析
• 3D软件'>3.4.1 Surpac和FLAC^3D软件
• 3D计算模型的耦合'>3.4.2 Surpac块体和FLAC^3D计算模型的耦合
• 3.4.3 探测的大型复杂空区的稳定性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 冲击荷载下岩石声发射特性研究
• 4.1 声发射技术概论
• 4.1.1 声发射技术的概念和特点
• 4.1.2 AE理论
• 4.1.3 声发射检测原理及信号的采集和处理
• 4.2 冲击荷载下岩石声发射试验系统及方案设计
• 4.2.1 试验系统
• 4.2.2 试验方案设计
• 4.3 冲击荷载下岩石声发射试验结果及分析
• 4.3.1 采集的声发射信号参数分析
• 4.3.2 出现大值的波击计数处原始信号的频谱分析
• 4.3.3 出现大值的波击计数处原始信号的相关性分析
• 4.3.4 冲击荷载下岩石的声发射特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 露天开采境界下覆空区安全预警的研究
• 5.1 空区顶板的声发射监测
• 5.1.1 空区顶板声发射监测结果
• 5.1.2 空区顶板声发射监测结果分析
• 5.2 不稳定空区声发射事件能率的GM（1，1）预测
• 5.2.1 GM（1，1）建模
• 5.2.2 声发射能率的GM（1，1）预测
• 5.2.3 声发射能率突变时间的预测
• 5.3 其他可行监测方法的实施方案
• 5.3.1 监测手段的选择
• 5.3.2 空区上方地表变形监测点的确定
• 5.3.3 GPS变形监测基准点的选择及稳定性检验
• 5.3.4 监测结果的数据处理和变形分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 参加的科研项目、获得奖励