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。
【作者】彭康；
【导师】李夕兵；
【作者基本信息】中南大学，采矿工程，2014，博士
【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；

【参考文献】
[1]姜康胡龙.复杂环境下的装配路径求解与优化[J].中国机械工程,2015,05:.
[2]李香.农村幼儿园乡土课程资源开发利用研究[D].西南大学,学前教育学,2013,硕士.
[3]张文琪.股权集中度与企业投资行为[D].华中师范大学,企业管理,2014,硕士.
[4]成飞.基于动态能力的可持续竞争优势构建研究[D].重庆工商大学,企业管理,2014,硕士.
[5]代真佑.SPEEK/Na-X沸石复合质子交换膜的制备及性能研究[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[6]李姣.基于优化和离子尺寸的Poisson-Boltzmann模型分析及其数值求解[D].湖南大学,计算数学,2014,博士.
[7]吴江洲.我国旅行社分工体系调整研究[D].广西大学,旅游管理,2004,硕士.
[8]李国栋,冯海泓,黄敏燕,徐海东.海上地震勘探多缆定位技术研究[J].石油地球物理勘探,2009,04:393-398+528+379.
[9]李虹.内部控制质量对上市公司的非效率投资行为影响研究[D].首都经济贸易大学,会计学,2014,硕士.
[10]阳振峰.高强钢三维辊弯成形生产线样机机械系统动力学分析[D].北方工业大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[11]朱晓勇.论小产权房的物权归属和变动[D].宁波大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[12]夏育佳.货币政策变化、会计稳健性与企业投资效率[D].重庆大学,会计学,2014,硕士.
[13]李娜.当前我国旅行社社会责任问题研究[D].山西财经大学,马克思主义中国化研究,2014,硕士.
[14]任东雷.河南莲花味精股份有限公司带动区域发展的调查报告[D].华中师范大学,农村与区域发展,2014,硕士.
[15]郭雅丽.基于正交频分复用技术的无源光网络升级及色散补偿研究[D].浙江大学,光学工程（专业学位）,2014,硕士.
[16]吕红光.基于知识工程的产品设计支持技术研究[D].浙江工业大学,2005.
[17]王青.盆栽多头小菊株型改良的育种研究[D].北京林业大学,园林植物与观赏园艺,2013,硕士.
[18]向雪梅.纳米材料—苏云金芽胞杆菌原粉复合物杀虫剂杀虫效果的初步研究[D].华中农业大学,微生物学,2014,硕士.
[19]崔高阳,陈云明,曹扬,安淳淳.陕西省森林生态系统碳储量分布格局分析[J].植物生态学报,2015,04:333-342.
[20]卜一珊.医院药品的现代物流管理研究[D].天津大学,工商管理,2004,硕士.
[21]陈晓娜.汽轮机末级叶栅湿蒸汽非平衡凝结流动数值研究[D].哈尔滨工业大学,动力机械及工程,2013,硕士.
[22].北京交通大学土木建筑工程学院[J].土木工程学报,2014,09:2.
[23]王亚萍.礼貌原则的跨文化研究[D].广西师范大学,英语语言文学,2003,硕士.
[24]于春华.对GB50157-2003《地铁设计规范》部分条文的探讨[J].城市轨道交通研究.2005(02)
[25]刘志民,李荣平,李雪华,骆永明,王红梅,蒋德明,南寅镐.科尔沁沙地69种植物种子重量比较研究[J].植物生态学报,2004,02:225-230.
[26]霍孟.我国青少年拉丁舞选手专项技术内容体系构建研究[D].天津体育学院,体育教育训练学,2014,硕士.
[27]王军.社会发展进程中的视觉传播设计趋势研究[D].武汉理工大学,设计艺术学,2003,硕士.
[28]王越峰.中孔炭及其改性材料对水溶液中Cr~(6+)的吸附行为研究[D].华东理工大学,化学工艺,2014,硕士.
[29]程慕华.北京市金融产业集聚与经济增长的关系研究[D].首都经济贸易大学,国民经济学,2014,硕士.
[30]张雨涵.复发缓解型多发性硬化壳核功能及结构改变的MRI研究[D].南昌大学,影像医学与核医学,2014,硕士.
[31]陈冰.鸭疫里默氏杆菌单克隆抗体的制备及快速检测方法的建立[D].扬州大学,预防兽医学,2011,硕士.
[32]许威.轴流泵空化流场数值仿真研究[D].华中科技大学,车辆工程,2013,硕士.
[33]张灵子.河北省建立自然灾害救助基金的适用性研究[D].河北经贸大学,社会保障,2011,硕士.
[34]刘益成.过零地震记录的采集与恢复[J].石油地球物理勘探,1988,01:102-109+130.
[35]赵恒刚.河北北部森林鼠害的发生及防治的初步研究[D].河北农业大学,森林保护学,2004,硕士.
[36]张倩.基于S7-300PLC的模糊解耦控制对水箱液位控制的研究[D].燕山大学,化工过程机械,2014,硕士.
[37]陈建国.形状记忆聚合物及其纤维增强复合材料的粘弹性本构理论与实验验证[D].哈尔滨工业大学,固体力学,2014,硕士.
[38]雷惠.基于固有光学量的东海赤潮遥感提取算法研究[D].浙江大学,2011.
[39]郭琳.浅谈社会保险基金监督管理[J].新疆农垦经济,2004,02:61-64.
[40]张明刚.肿瘤组织来源的exosomes体内外抑制T细胞免疫反应的研究[D].浙江大学,免疫学,2004,硕士.
[41]高红,彭静,沈一飞,王颖,徐宁迎.不同物种FABP3基因编码区及蛋白生物信息学分析[J].扬州大学学报(农业与生命科学版),2014,01:31-36.
[42]郝玲君.高中作文有效教学指导策略和原则[D].河北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[43]杨燕.非优区位旅游目的地发展研究[D].安徽大学,旅游管理,2013,硕士.
[44]丁连翠.药膳益脾饮对脾气虚证大鼠血液流变学和血管内皮功能的影响研究[D].扬州大学,营养与食品卫生,2012,硕士.
[45]张洪利.联通公司客户关系管理研究[D].吉林大学,工商管理,2004,硕士.
[46]占方伟.钯基、锡基合金纳米材料的制备及其电化学性能研究[D].浙江大学,2014.
[47]刘浩.农村初中生数学学业不良的成因分析与转化策略的研究[D].山东师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[48]邱卫.风电并网协同仿真计算与分析[D].山东大学,电气工程（专业学位）,2012,硕士.
[49]黄毅.一种改进的访问控制模型在权限管理模块中的应用[D].湖南大学,计算机技术,2010,硕士.
[50]李灿飞,王耀南,刘国才.基于Chan-Vese分段平滑的分裂新模型(英文)[J].自动化学报,2008,06:659-664.