关键词：
复杂条件
破碎岩体
地应力场
采空区群
蠕变突变
摘要：
宜昌磷矿由于构造断裂和节理裂隙发育、地形结构复杂多样、矿岩破碎且稳定性差等特点,传统的采矿工艺开采后引发了一系列的地质灾害、安全隐患、环境污染等问题,主要表现为:顶板垮塌、边帮垮落灾害频发;空区塌陷、地表开裂现象不断出现;山峰崩塌、山体滑坡时有发生;采空区引起较强烈的地压活动日益频繁。大量矿井废水携带含有磷的悬浮物排入地表水体,引起水体富养化,带来严重的环境污染。为此,本文针对上述问题,通过现场调查、理论分析、室内试验、数值模拟、现场试验、综合评价等技术手段开展研究工作。(1)系统分析了宜昌地区破碎磷矿体节理裂隙、三轴压缩力学性质,建立了三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下岩体损伤特性,揭示了破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度相互影响关系。针对破碎岩体参数对采场稳定性的敏感性大的问题,采用正交-灰关联评价模型(OED-GRA),研究岩体参数与采场稳定性之间的影响程度,并获得Hoek-Brown准则岩体性质参数与Mohr-Coulumb准则岩体力学参数之间的关联度,避免因岩体参数取值偏差而造成采场稳定性分析结果的偏离。(2)针对宜昌地区复杂地质条件下地应力反演数据精准度差的问题,提出一种函数叠加的多元回归分析法,反演数据更贴近工程实际,避免了单一类型函数回归的拟合度差、偏离度大等问题。基于3Dmine-MIDAS-FLAC3D软件耦合建立复杂地质条件下的矿区整体模型,利用Fish编制多元函数回归方程应力加载程序,实现了对随深度非线性变化的应力加载。在复杂地形结构和应力环境下,模拟分析空场法、充填法不同推进顺序下变形及应力分布特征,揭示复杂地形下采动影响模式、覆岩移动、破坏形式等规律,优化开采方案、回采顺序。(3)基于宜昌磷矿采空区群特点,系统构建了顶板和矿柱为一体的三维空间力学模型,引入弹性力学、结构力学相关理论,推导出三种边界条件下顶板中心下沉挠度的曲线方程。综合运用突变和蠕变理论,从能量转化角度阐明采空区群系统发生突变发生机理,建立了采空区群系统突变失稳计算流程,导出了采空区群顶板蠕变微分方程,实现了对采空区群系统突变失稳规律和稳定时限的精确预测,通过实例计算和数值模拟分析,验证了其有效性。此外,全面分析了影响采空区群系统稳定性的主控因子,通过调节影响因子参数,可预测控制采空区群系统稳定性,为优化采场参数、寻找最佳充填时机、采空区群系统稳定性控制及安全隐患管理等方面提供了可靠依据。(4)针对复杂条件下采矿方案多属性决策中指标集所具有的关联度多样性、区间模糊性等特点,提出了一种新的IVIFE-SPA-TOPSIS综合评价模型。该评价模型基于区间模糊熵和集对分析理论,运用对立与统一的观点对评价集的确定性和不确定性因素进行系统分析,量化了评价集同、异、反三个角度之间的关联度,引入博弈论对权重确定方法进行了优化,兼顾了主观权重和客观权重。此外,该模型还将灰色关联理论与改进的TOPSIS模型结合起来,既能反映数据序列之间的位置逼近关系,又可反映数据序列间形态的差异关系。通过实例分析,统筹考虑采场结构参数决策因素的区间性、模糊性、不确定性,实现了评价决策的定性与定量研究相结合、统计数据与经验理论相结合、系统思维与层次结构相结合,确定了采场结构参数多属性方案的等级,求得评价指标与正理想解的贴近度,获得最优的采场参数方案。(5)为了解决在开采过程中顶板垮落、采空区垮塌、含水层破坏、水环境污染、资源回采率低等问题,提出一种双向分层条式嗣后充填采矿法,对上采、控顶、护帮、下采、充填、接顶六大工序进行改进和优化。采场回采和支护之后,采用分层级、多介质、多方式耦合充填技术,优化充填、接顶、挡墙等施工工艺,提高充填效果、效率、效益。在块石充填工艺环节,为解决充填施工耗时、耗资,且安全性差等系列问题,提出采用模袋式充填、点柱式接顶等措施,实现安全、高效、经济开采。此外,对宜昌磷矿采矿方法对含水层破坏影响分析,提出开采对水文环境影响的综合控制措施,减轻矿区环境压力,增加磷矿开采经济效益、环境效益、社会效益。
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