基于矿山3D数据库的采场贫损与稳定性研究

论文摘要

我国地下矿山深孔、中深孔采空场的基础数据一直难以获取,采场的损失贫化、大块率及对周围充填体或围岩的破坏也一直难于控制,因此也相应制约了深孔、中深孔等高效率采矿方法在我国地下矿山的应用,与发达国家相比,我国深孔、中深孔采矿方法的应用比率明显偏低。另外,群体采空场和充填条件下采空场的稳定性问题缺乏较系统的研究,在理论和试验方面均有待于进一步探索,过去数值模拟的结果很难得到实际的验证,其参考价值存有一定的疑问。针对上述问题,结合国家“十一五”科技支撑计划项目“多灾源矿床高效率采矿与安全环境控制综合技术”（2006BAB02B04-1）和中南大学理科发展基金项目“采空场三维空间数据获取与可视化方法研究”（07SDF09）,对深孔、中深孔采场的空间数据获取、损失贫化和稳定性进行了深入研究,主要研究内容如下:第一,研究基于三维激光扫描技术的采空场探测方法。对三维空间数据获取原理、三维激光扫描技术原理进行理论的探索;研究激光扫描数据预处理、三维可视化模型的构建方法。第二,研究激光在井下空气中的传播规律及扫描点云数据的误差影响因素。依据测量的误差理论,系统分析其误差的来源、误差的影响因素,最终推算出其点云数据单点精度的评价指标;研究激光光束在井下空气介质中的传播规律,从理论和实践上探索和分析井下激光能量衰减的主要原因。第三,对构建的采空场三维可视化模型及矿山3D空间数据库进行系统的可视化挖掘。从采空场几何信息、空间关系信息、属性信息以及空间要素和非空间要素联合的可视化挖掘中,研究矿山空间信息可视化挖掘的理论、技术和方法,发现数据背后隐藏的有价值的深层信息,为更好地应用这些数据和信息奠定基础。第四,从理论和技术上探索基于矿山3D数据库的采场贫损控制新方法。研究连续开采的采场贫损控制新模式,探索三维空间数据精确获取与高效率连续开采方法的良性互动与结合点;研究采矿环境再造的采场贫损控制新模式,探索减少人工框架的破坏,降低矿石损失贫化的新方法;研究基于矿山3D数据库的矿柱回采方法,解决两步骤回采的矿柱资源回收困难的问题;研究基于矿山3D数据库实际采矿过程中损失贫化的精确计算方法。第五,从理论上系统地探索和研究了采空场失稳机理及采空场失稳的主要影响因素。通过数值模拟分析研究群体采空场、不同充填程度采空场的围岩稳定状态及其失稳破坏规律,并采用CMS扫描对模拟结果进行检验;通过系统的区域地质岩层调查与实验室测试分析,获取准确的数值模拟基础参数,并研究参数变化对模拟结果的影响;研究采空场安全控制与处理的技术、理论和方法,采用CMS扫描的方法研究采空场项板破坏的演化规律。本文立足于学科前沿,紧密结合地下矿山实践,综合运用数学、力学、图形学、采矿学的基本知识,采用先进的试验手段和技术方法,对采空场空间数据获取、贫损控制与稳定性分析进行了深入细致的研究,为最终实现经济、安全、高效的回采奠定了理论和技术基础,具有重要的理论意义和工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究课题来源与意义
• 1.3 国内外研究现状与评述
• 1.3.1 矿山空间数据获取技术研究现状
• 1.3.2 矿山三维可视化技术研究现状
• 1.3.3 采场贫损控制技术研究现状
• 1.3.4 采空场稳定性与安全控制研究现状
• 1.4 本文主要研究内容与研究方法
• 第二章 采空场空间数据获取与三维模型构建
• 2.1 概述
• 2.2 三维空间数据获取的基本原理
• 2.2.1 空间前方交会法
• 2.2.2 空间极坐标法
• 2.2.3 空间坐标转换
• 2.3 三维激光扫描技术的基本原理
• 2.3.1 三维激光扫描原理
• 2.3.2 飞行时间法测距
• 2.3.3 步进电机
• 2.4 基于激光扫描的采空场三维空间数据获取技术
• 2.4.1 空区监测系统CMS
• 2.4.2 采空场三维空间数据获取
• 2.5 采空场三维可视化模型构建
• 2.5.1 三维空间数据可视化原理
• 2.5.2 探测数据预处理
• 2.5.3 采空场三维模型构建
• 2.6 井下三维激光扫描精度影响因素分析
• 2.6.1 井下三维激光扫描的误差来源
• 2.6.2 误差对点云数据精度的影响分析
• 2.7 本章结论
• 第三章 采空场空间信息可视化挖掘
• 3.1 概述
• 3.2 空间信息可视化挖掘的方法与原理
• 3.2.1 数据挖掘理论
• 3.2.2 可视化数据挖掘技术
• 3.2.3 矿山空间信息可视化挖掘的基本原理
• 3.3 矿山3D空间数据库
• 3.3.1 矿山3D空间数据库的数据结构
• 3.3.2 矿山3D空间数据库的数据特征
• 3.3.3 矿山3D空间数据库的功能
• 3.4 采空场几何信息可视化挖掘
• 3.4.1 采空场边界可视化表达
• 3.4.2 采空场顶板暴露面积计算
• 3.4.3 采空场体积计算
• 3.4.4 缓冲垫层厚度与顶板高度调查
• 3.5 采空场空间关系可视化挖掘
• 3.5.1 采空场群三维空间分布
• 3.5.2 采空场连通状况
• 3.5.3 采空场模型与原设计的对比
• 3.5.4 采空场群的空间剖面揭示
• 3.6 矿山非空间要素信息可视化挖掘
• 3.6.1 矿石品位特征的可视化
• 3.6.2 岩石力学特征的可视化
• 3.7 矿山空间与非空间联合信息的可视化挖掘
• 3.7.1 采空场微震监测信息的可视化
• 3.7.2 采空场危险区域的可视化标识
• 3.8 本章结论
• 第四章 基于矿山3D数据库的采场贫损控制研究
• 4.1 概述
• 4.2 基于矿山3D数据库的采场贫损控制基本原理
• 4.2.1 基本原理
• 4.2.2 技术基础
• 4.3 基于连续开采的采场贫损控制研究
• 4.3.1 金属矿连续开采理念
• 4.3.2 连续开采的采场贫损控制模式
• 4.3.3 深孔合采连续采矿法的贫损控制研究
• 4.4 基于采矿环境再造的采场贫损控制研究
• 4.4.1 采矿环境再造的新思路
• 4.4.2 采矿环境再造的采场贫损控制模式
• 4.4.3 采矿环境再造深孔诱导落矿充填法的贫损控制研究
• 4.4.4 采矿环境再造分段空场嗣后充填法的贫损控制研究
• 4.5 基于矿山3D数据库的矿柱回采研究
• 4.5.1 矿柱三维模型创建
• 4.5.2 基于CMS的矿柱回采优化设计
• 4.5.3 矿柱回采方案实施要点
• 4.5.4 矿柱回采综合评价
• 4.6 基于矿山3D数据库的采矿损失贫化计算
• 4.6.1 计算方法
• 4.6.2 采场超、欠挖量计算
• 4.6.3 采场损失贫化率计算
• 4.7 本章结论
• 第五章 采空场稳定性与安全控制研究
• 5.1 概述
• 5.2 采空场失稳机理及其影响因素分析
• 5.2.1 采空场失稳的基本形式
• 5.2.2 采空场失稳的力学机理
• 5.2.3 采空场围岩失稳的影响因素
• 3D分析'>5.3 采空场稳定性的FLAC^3D分析
• 5.3.1 物理力学参数
• 5.3.2 破坏准则
• 5.3.3 计算模型
• 5.3.4 初始条件与边界条件
• 5.3.5 计算方案设计
• 5.3.6 结果分析
• 3D模拟与CMS扫描的结果对比分析'>5.3.7 FLAC^3D模拟与CMS扫描的结果对比分析
• 5.4 充填条件下采空场稳定性数值模拟分析
• 5.4.1 充填体的作用
• 2D分析'>5.4.2 充填条件下采空场稳.定性的Phase^2D分析
• 2D模拟与CMS扫描结果对比分析'>5.4.3 Phase^2D模拟与CMS扫描结果对比分析
• 5.5 顶板诱导崩落的采空场安全控制研究
• 5.5.1 地压监测
• 5.5.2 顶板变化观测
• 5.5.3 顶板诱导崩落的空区处理
• 5.6 本章结论
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要研究成果