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《中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)》 2010年
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露天采场内大型边缘矿开采的岩体稳定性分析

石露  
【摘要】: 我国是露天矿开采较多的国家。许多大型露天矿山始建于50至60年代,且当前约有80%以上的露天铁矿将进入中晚期。随着每年以12~20m的速度开采,部分露天矿正处于转地下开采的过渡时期,主要有以下工程特点: 1.露天开采接近晚期,产量下降,在地下开采投产之前必须开采替代矿体以满足选矿的需要。而这些多为赋存条件比较复杂的矿体,大多数为露天坑内的边缘矿。 2.边缘矿或地下开采与露天开采同时进行。 3.对于复杂边缘矿开采,通常会采用稳定结构的采矿方法,留有矿柱和保安矿柱,以防止其开采对边坡稳定性的影响。 那么,面临的主要问题有: 1.矿柱的稳定性分析。 2.由矿体采动造成应力场扰动的边坡稳定性分析。 3.塌陷区范围的确定。 本文以峨口铁矿南西西边缘矿为工程背景,采用块体理论、矢量和法以及扩展有限元法对上述三个问题进行了系统研究,核心内容如下:。 1.基于三维节理裂隙网络进行矿柱的几何稳定性和力学稳定性分析: (1)总结了目前关键块体搜索的两种主流方法,并分析了二者的优缺点。本文将二种方法结合起来,即采用砍树法找到矿柱开采自由面上的所有闭合环路,以每个闭合环路为基本单元生成闭合环路子区域,将组成该闭合环路的第一类节理和相关节理视为无限大平面切割此子区域,找到闭合环路相对应的块体。该方法既不需对复杂块体进行繁杂的判断,且避免了因视节理为无限大平面切割研究区域生成大量的块体从而造成计算量巨大,亦可以简单地实现凹面体的搜索。 (2)分析了矿柱的岩体结构特征,认为矿柱与节理裂隙是同尺度的,不能简单地将矿柱岩体视为连续介质。将节理视为无限大平面,切割矿柱区域,生成具有凸性的子块体,而后进行子块体拼装,由此生成的块体能够准确地反应矿柱节理裂隙统计特征,随后将其导入3DEC中进行块体力学分析,避免3DEC自身生成块体须将节理视为无限大切割已有块体的局限性。当节理数目较多时,可将研究区域等分成一系列子区域,相应的节理切割和块体拼装都在子区域中进行,然后将子区域组装在一起完成研究区域块体的重构,能够有效降低计算量。 2.分析了目前边坡安全系数计算的各种方法,认为基于边坡应力场的矢量和法更加适合矿体采动前后边坡安全系数的计算。改进了蚁群算法,将蚂蚁前进的关键判断量—信息素视为连续变量,使其在搜索边坡临界滑面时无需对边坡进行离散。本文还将改进的蚁群算法与遗传算法联合来搜索边坡临界滑面,较好地克服了遗传算法不利用空间信息反馈而易于陷入局部最优的缺点,同时也克服了蚁群算法在初始信息素匮乏而启动贪婪式搜索造成的求解效率低下的不足,在一定程度上达到了求解效率与时间效率相互平衡。 3.开采沉陷是岩体的破坏过程。对于大规模的矿山开采,除Ⅲ级及其以上结构面外,其余的普遍节理应视为对岩体参数的弱化而反映到岩体力学参数中。目前,常用于开采沉降计算的有限元和离散元方法均不能很好的反映上述特点。本文采用扩展有限元方法评价开采沉陷,进行了显式解法推导,并进行了程序实现,避免了裂隙扩展后需要重新组总刚。采用接触面的切向与法向刚度来反映裂隙段上高斯点跳跃的位移与力之间的关系,实现了扩展有限元接触问题。根据子结构法由尖端单元与其相邻单元形成子结构刚度矩阵,使每步的尖端加强自由度可直接由常规自由度和跳跃自由度得到,从而避免了系统收敛指标过多以及由此带来的系统振荡。通过平板不同位置裂隙的拉伸、压剪以及扩展说明了本文方法的有效性。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TD32

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