【畢業(yè)學(xué)位論文】欒川三道莊礦三維模型的建立與地下空區(qū)可視化研究-工程力學(xué)

分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 士學(xué)位論文 論文題目： 欒川三道莊礦三維模型的建立 與地下空區(qū)可視化研究 學(xué)科、專業(yè)： 工程力學(xué) 研究生姓名： 曾 凌 方 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職務(wù) ： 李夕兵 教授 1 分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 碩士學(xué)位論文 欒川三道莊礦三維模型的建立與地下 空區(qū)可視化研究 者姓名： 曾 凌 方 學(xué)科專業(yè)： 工程力學(xué) 學(xué)院 （系、 所） ： 資源與安全工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 李夕兵 教授 論文答辯日期 答辯委員會(huì)主席 中 南 大 學(xué) 年 月 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 礦床三維模型是“數(shù)字礦山”的基礎(chǔ)，是礦床的數(shù)字表征。隨著“數(shù)字礦山”的提出，三維模型越來(lái)越被從事礦山管理和研究的人員所重視。 金屬礦床地下開(kāi)采形成的大量采空區(qū)不僅危及礦山的安全， 而且對(duì)資源的充分回收造成嚴(yán)重的困難。因此，以先進(jìn)的空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)為手段，開(kāi)展以空區(qū)精密探測(cè)為基礎(chǔ)的相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用， 己經(jīng)成為我國(guó)金屬礦山安全生產(chǎn)所面臨的重大前沿研究課題。 河南三道莊鉬礦是大型礦床，不僅有可觀的鉬儲(chǔ)量，而且在礦區(qū)范圍內(nèi)還有一定量的金、銀等伴生金屬。由于礦山原先采用的空?qǐng)龇ú傻V所留下的采場(chǎng)、硐室以及巷道成為露天開(kāi)采時(shí)的地下空區(qū)，地下空區(qū)對(duì)礦山的生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。因此，地下空區(qū)的可視化對(duì)露天臺(tái)階的穩(wěn)定性分析是至關(guān)重要的。 本文通過(guò)對(duì)不同類型的三維建模軟件的對(duì)比，選擇澳大利亞 發(fā)的 軟件作為三道莊礦三維建模平臺(tái)。利用礦山提供的鉆孔資料， 選擇 000 數(shù)據(jù)庫(kù)類型， 運(yùn)用 件系統(tǒng)，建立了礦體模型、露天坑模型、地表模型等。 準(zhǔn)確建立力學(xué)計(jì)算模型是巖土工程穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)。 采空區(qū)的實(shí)際三維形態(tài)和準(zhǔn)確的空間位置是影響采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬可靠性的重要因素。然而，在傳統(tǒng)的采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬中，往往將采空區(qū)的形態(tài)視為空區(qū)開(kāi)挖設(shè)計(jì)時(shí)確定的規(guī)則形態(tài)，或者是利用人工的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行模擬，嚴(yán)重影響了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。本文應(yīng)用空區(qū)全自動(dòng)激光探測(cè)系統(tǒng) (稱 精確地獲取了空區(qū)的三維形態(tài)和準(zhǔn)確的空間位置，借助于 立起的地質(zhì)模型，使空區(qū)模型和礦山整體模型耦合起來(lái)，并提出了一種空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬建模的 成了基于實(shí)測(cè)的采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬耦合新技術(shù)， 有效地提高了采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。 關(guān)鍵詞： 三維地質(zhì)模型， 件，空區(qū)探測(cè)， 值計(jì)算 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 of of to A of by in s to on in of is a in is a of u g. by So it is to of of At I as of on by by 000 An of is is of on D of of of in of as to be a is by or a in of of In 南大學(xué)碩士學(xué)位論文 by of is by of by a of on by a of on e on is of 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 錄 摘 要 . I . 錄 .一章 緒論 .言 .內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀 . 采空區(qū)探測(cè)研究現(xiàn)狀 . 采空區(qū)數(shù)值模擬現(xiàn)狀 .題研究的目的和意義 .要研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線 . 研究?jī)?nèi)容 . 主要研究技術(shù)路線 .二章 礦山地質(zhì) .況 . 地理交通位置 . 地質(zhì)資源 . 水、電供應(yīng)狀況 . 氣象條件及地震烈度 .區(qū)及礦床地質(zhì)特征 .床水文地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件簡(jiǎn)述 .場(chǎng)構(gòu)成要素與采礦方法 .三章 礦山三維建模的建立與礦量計(jì)算 .維模型可視化的優(yōu)勢(shì) .山地表模型的研究與建立 . 地形建模研究與欒川三道莊礦地形模型的建立 .天坑模型的研究與建立 . 露天坑三維模型的轉(zhuǎn)換 . 露天坑三維數(shù)據(jù)的檢查 . 露天坑三維模型的建立 .體模型的研究與建立 . 鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及可視化 . 原始鉆孔數(shù)據(jù)表 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建 . 鉆孔的三維可視化 . 三維礦體模型的建立 .個(gè)礦山模型的研究與建立 .體估值和品位的分布 .體礦量計(jì)算 .章小結(jié) .四章 采空區(qū)探測(cè)與三維模型的建立 .空區(qū)的形成 .空區(qū)的探測(cè)與可視化 . 測(cè)系統(tǒng)的介紹 .測(cè)系統(tǒng)在欒川三道莊礦的應(yīng)用 . 1438區(qū)水平實(shí)測(cè)情況 . 1330 水平空區(qū)的實(shí)測(cè)情況 . 1414 水平空區(qū)實(shí)測(cè)情況 . 1438平大型空區(qū)實(shí)測(cè)情況 .空區(qū)在整個(gè)礦山模型中的耦合 .章小結(jié) .五章 采空區(qū)的數(shù)值模擬與力學(xué)分析 .算模型的選擇 .算模型力學(xué)參數(shù)的確定 .天臺(tái)階開(kāi)挖前后圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析 . 開(kāi)挖前初始的應(yīng)力場(chǎng)分析 . 露天臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布 .天臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖位移場(chǎng)分析 .章小結(jié) .六章 結(jié)論和展望 .文的主要研究成果和結(jié)論 .進(jìn)一步工作的展望 .考文獻(xiàn) . 謝 .讀碩士學(xué)位期間主要研究成果 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1第一章 緒論 言 金屬礦床地下開(kāi)采形成的大量采空區(qū)是危及礦山安全的主要災(zāi)源之一。 在我國(guó)許多大型地下開(kāi)采金屬礦山，如廣西大廠礦區(qū)、甘肅廠壩鉛鋅礦、銅陵獅子山銅礦、云南蘭坪鉛鋅礦、廣東大寶山礦、郴州柿竹園多金屬礦等都存在著大量采空區(qū)1。大量采空區(qū)的存在使礦山開(kāi)采條件惡化，造成礦柱變形破壞，相鄰作業(yè)區(qū)采場(chǎng)和巷道維護(hù)困難；更嚴(yán)重的是因空區(qū)引發(fā)的井下大面積冒落、巖移、地表塌陷和突水等，將造成嚴(yán)重的人員傷亡和設(shè)備破壞。大量災(zāi)害空區(qū)的存在己經(jīng)對(duì)我國(guó)礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。 針對(duì)礦山采空區(qū)隱患，我國(guó)采礦工作者做了大量的工作，如采用探地雷達(dá)及高密度電法、地震映象法等地球物理方法開(kāi)展空區(qū)探測(cè)工作25。但這些方法對(duì)地下礦山、尤其是地下金屬礦山的空區(qū)信息的獲取能力不足，尤其是對(duì)獲取到的探測(cè)信號(hào)的處理和解釋都存在明顯的弱點(diǎn)， 嚴(yán)重影響對(duì)后續(xù)空區(qū)安全性評(píng)價(jià)的可靠性。由于過(guò)去國(guó)內(nèi)對(duì)于空區(qū)缺乏有效的精確探測(cè)手段，對(duì)地下空區(qū)形態(tài)及相關(guān)信息掌握的準(zhǔn)確程度明顯不足， 建立的空區(qū)模型往往因缺乏必要和精確的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)而致使其應(yīng)用效果不佳等各種因素的影響， 所以對(duì)空區(qū)安全性評(píng)價(jià)和災(zāi)害預(yù)警，以及空區(qū)治理方案的科學(xué)制訂也就缺乏必要的基礎(chǔ)性依據(jù)。因此，以先進(jìn)的空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)為手段，開(kāi)展以空區(qū)精密探測(cè)為基礎(chǔ)及其衍生技術(shù)的研究與應(yīng)用，己經(jīng)成為我國(guó)礦山安全生產(chǎn)所面臨的重大前沿研究課題。 在對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上， 采取合理的工程措施對(duì)其進(jìn)行有效處理，是采礦工程實(shí)踐中常需要解決的問(wèn)題。由于礦山地質(zhì)及采礦條件的復(fù)雜性，致使采空區(qū)的危害性定量評(píng)價(jià)較為困難。目前，關(guān)于采空區(qū)的危害性研究最主要的是預(yù)測(cè)采空區(qū)在一定年限內(nèi)的剩余位移變形量或發(fā)生突然塌陷的可能性。評(píng)價(jià)方法雖然很多，但尚需解決一些關(guān)鍵問(wèn)題，主要包括地質(zhì)力學(xué)模型的合理建立，工程動(dòng)態(tài)施工過(guò)程的模擬，采空區(qū)空間相對(duì)位置的影響、時(shí)間效應(yīng)的考慮，采空區(qū)穩(wěn)定性和容許變形界限值的確定即處治與否的界限， 采空區(qū)治理的原則和需達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)，施工后可能變形值的預(yù)測(cè)等。因此、深入研究空區(qū)的位置、大小和體積，并且對(duì)空區(qū)所在的實(shí)際位置進(jìn)行數(shù)值模擬，得出采空區(qū)所在位置的圍巖應(yīng)力應(yīng)變以及位移情況是現(xiàn)在人們治理采空區(qū)的主要手段， 也是當(dāng)今社會(huì)研究采空區(qū)的趨勢(shì)。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀 所謂三維地質(zhì)模型， 是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)， 在三維環(huán)境下， 將空間信息管理、地質(zhì)解析、空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來(lái)，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)6。它是由地質(zhì)勘探、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、礦山測(cè)量、礦山地質(zhì)、 形圖像和科學(xué)計(jì)算可視化等學(xué)科交叉而形成的一門新興學(xué)科。三維地質(zhì)建模問(wèn)題必須解決以下問(wèn)題：一是開(kāi)采環(huán)境 (如地形、巖層、巖體、 礦體、 工程 )的空間位置與幾何形態(tài)， 二是反映開(kāi)采環(huán)境特征的相關(guān)參數(shù) (如礦石的品位、巖體強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指標(biāo)等 )的推估問(wèn)題。 1987 年從地質(zhì)學(xué)的角度提出了地下空間結(jié)構(gòu)的三維概念模型，開(kāi)辟了地下三維數(shù)據(jù)模型的先河6。隨后，國(guó)外的 F、 k、 三維地質(zhì)模型的表面模型結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、三維矢量地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、 提出了三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和建模方法79。國(guó)內(nèi)對(duì)三維地質(zhì)建模的研究較晚，進(jìn)入 90 年代以后才開(kāi)始對(duì)三維地質(zhì)模型的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，李清泉提出了基于混合結(jié)構(gòu)的三維 據(jù)模型10，牛雪峰提出了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式， 龔健雅提出了矢量與柵格繼承的三維數(shù)據(jù)模型，白世偉提出了基于三棱柱體體元的三維地層建模方法及應(yīng)用11，張菊明對(duì)三維地質(zhì)模型的設(shè)計(jì)和顯示進(jìn)行了研究，采用空間平面、單值曲面和多值曲面建立三維數(shù)學(xué)模型，對(duì)各種地質(zhì)信息的空間分布進(jìn)行描述12。 隨著對(duì)三維地質(zhì)模型理論研究的深入， 三維地學(xué)模擬被廣泛應(yīng)用于虛擬礦山系統(tǒng)、石油、 質(zhì)、巖體邊坡地質(zhì)信息系統(tǒng)等領(lǐng)域1315，出現(xiàn)了一批在石油、礦山和工程地質(zhì)得到廣泛應(yīng)用的商業(yè)軟件。由美國(guó) 司開(kāi)發(fā)的用格狀模型 (集合形體表示模型，成功解決了多維曲面交叉計(jì)算及與此相關(guān)的問(wèn)題，由加拿大 司開(kāi)發(fā)的 用一種棱柱的體元表示法建模，可以對(duì)鉆孔、測(cè)井記錄、 型等進(jìn)行綜合管理；法國(guó)研制的 件，基于表面內(nèi)插技術(shù) 以考慮不確定數(shù)據(jù)；由美國(guó) 司研制的 在模型上使用規(guī)則三維柵格空間模型，在每個(gè)柵格接點(diǎn)都有可計(jì)算的特性信息， 其主要優(yōu)點(diǎn)是具有對(duì)連續(xù)空間中的各種現(xiàn)象進(jìn)行建模、實(shí)現(xiàn)、分析的能力，但該系統(tǒng)對(duì)屬性不連續(xù)變化的對(duì)象，如礦石類型的表示和處理有一定的困難； 司的地球可視模擬系統(tǒng)軟件包所生成的三維空間立體圖形較為清楚地反映了地層與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間分布及其相互關(guān)系。 在礦業(yè)領(lǐng)域，西方礦業(yè)界在 20 世紀(jì) 70 年代初就將 術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)、礦業(yè)領(lǐng)域； 20 世紀(jì) 80 年代末三維地質(zhì)建模和可視化理論及技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了礦山計(jì)算機(jī)輔助地質(zhì)建模技術(shù)。 一大批具有三維地質(zhì)建模功能的地質(zhì)采礦軟件被中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 90 年代中后期，三維地質(zhì)采礦軟件逐漸成為礦山專業(yè)軟件的主流。國(guó)際著名的地質(zhì)采礦軟件公司相繼 開(kāi)發(fā)了專業(yè)三維軟件，主要有 ，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)礦山企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)了 軟件，推動(dòng)了礦山企業(yè)的信息化和數(shù)字化建設(shè)1621。 經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，今天的采礦軟 件己經(jīng)形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。從歷屆議資料來(lái)看，以礦床模型為代表的礦業(yè)軟件發(fā)展迅速，西方采礦大國(guó)相繼推出用于地質(zhì)資料處理、礦床建模、采礦設(shè)計(jì)、計(jì)劃編制、測(cè)繪圖形處理等方面的礦用商品化軟件，如： ，應(yīng)用于許多礦山，特別是澳大利亞、北美和南非的一些礦山，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。今天采礦工業(yè)可以購(gòu)買的軟硬件系統(tǒng)的數(shù)量和品種很多。這些軟件主要功能類似，但由于大多數(shù)軟件是在礦山公司專用軟件基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其側(cè)重點(diǎn)有所不同，有些側(cè)重于地質(zhì)建模，有些側(cè)重于露天開(kāi)采或地下采礦等。 澳大利亞 際軟件公司 (稱 發(fā)的 件是一套三維交互式圖形軟件系統(tǒng)，具有地表測(cè)量數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)分析和采礦設(shè)計(jì)等功能。其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括勘探和地質(zhì)模型、資源評(píng)估、 露天和地下采礦設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)計(jì)劃和開(kāi)采進(jìn)度計(jì)劃編制以及尾礦和復(fù)墾設(shè)計(jì)等。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，該公司已成為全球最大的礦業(yè)軟件公司之一。目前，在全球 90 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)擁有 4000 多個(gè)用戶，在我國(guó)亦有包括金川集團(tuán)有限公司、首鋼礦業(yè)公司在內(nèi)的 30 多個(gè)授權(quán)用戶22。 英國(guó)的礦山計(jì)算有限公司 (稱 發(fā)的 礦軟件系統(tǒng)，包括地質(zhì)信息處理、礦床模型構(gòu)造、采礦設(shè)計(jì)、礦山調(diào)度與計(jì)劃等模塊。它最大的特點(diǎn)是屏幕上的作圖功能，可以將露天或地下礦山設(shè)計(jì)所需要的各種圖形，包括鉆孔及巖芯分布、礦體及主要開(kāi)拓巷道位置或露天礦坑等，以三維和彩色的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)。該軟件的核心是一個(gè)包含許多 點(diǎn)的交互式作圖平臺(tái)，能夠方便地顯示并調(diào)整鉆孔、礦床模型、地表模型等。其應(yīng)用主要在地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)處理、露天或地下礦設(shè)計(jì)、礦山調(diào)度以及生產(chǎn)計(jì)劃編排等四個(gè)方面2327。 此外，還有澳大利亞 公司開(kāi)發(fā)的礦業(yè)軟件系統(tǒng)，具有地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、礦體造型和采礦設(shè)計(jì)等功能，在很多國(guó)家的礦山中得到廣泛的推廣和應(yīng)用2847。 經(jīng)過(guò)對(duì)上述軟件的功能和操作的方便性對(duì)比，發(fā)現(xiàn) 有強(qiáng)大的建模功能，該軟件在國(guó)內(nèi)礦山應(yīng)用比較廣泛，得到了礦山管理者的一致好評(píng)。 采空區(qū)探測(cè)研究現(xiàn)狀 由于地下采空區(qū)形狀復(fù)雜，目前在地下采空區(qū)精細(xì)探測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外均處于中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4起步和探索階段，常規(guī)的采空區(qū)探測(cè)方法有：地震法、電阻率法、電磁法、常規(guī)電法等， 近年來(lái)又相繼出現(xiàn)了精度更高的三維地震探測(cè)技術(shù)、 地震 測(cè)技術(shù)、瑞雷波探測(cè)技術(shù)、探地雷達(dá) (測(cè)法和激光 3D 探測(cè)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù) (到了飛躍發(fā)展，把 術(shù)應(yīng)用到地球物理學(xué)，使得采空區(qū)的精細(xì)探測(cè)盡可能準(zhǔn)確。從探測(cè)原理上，可把空區(qū)探測(cè)技術(shù)分為：電法、電磁法、地震法、微重力法和射氣法，其中電磁法、地震波法和電法空區(qū)探測(cè)技術(shù)情況4852見(jiàn)表 1表 1 表 1電磁法空區(qū)探測(cè)技術(shù)對(duì)比表 種類 瞬變電磁法 探地雷達(dá)法 井間電磁波透視法物理前提 電磁性差異 成果解釋 縱線 剖面 剖面 應(yīng)用條件 適用于較復(fù)雜地形，測(cè)試容易，數(shù)據(jù)采集處理自動(dòng)化，解釋難度大 適用于高阻地質(zhì)體，不受地形影響 ,圖像直觀解釋容易 前期工作難度大，后期測(cè)試容易，數(shù)據(jù)資料整理容易 有效深度 500m 30m 等效鉆孔深度 精度范圍 10%5% 5% 干擾因素 電線、地下水管、電磁干擾等 解決問(wèn)題及效果 適用于各種形狀空區(qū)、冒落帶、低阻效果好 適用于高阻空區(qū)，低阻效果差 各種形狀空區(qū)、冒落帶 分辨率 較高 高 高 表 1地震波法探測(cè)空區(qū)技術(shù)對(duì)比表 種類 反射波法 瑞雷波法 物理前提 波阻抗差異 成果解釋 縱線 剖面 剖面 有效深度 500m 等效鉆孔深度 有效深度 精度范圍 10% 7% H/D 10， 5% 干擾因素 各種噪聲干擾 解決問(wèn)題及效果 適用于各種形狀空區(qū) 適用于各種形狀空區(qū)適用于各種形狀空區(qū) 分辨率 較高 高 低 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5表 1電法空區(qū)探測(cè)技術(shù)對(duì)比表 種類 高密度法 電磁探法 電剖面法 物理前提 電性差異 成果解釋 剖面 縱線 橫線 應(yīng)用條件 適用于任何地層產(chǎn)狀，良好的接地條件巖層傾角小于 200 地形坡度小于 300，表層電性均勻 接地條件好、受干擾低、沿測(cè)線地形起伏不大 有效深度 100m 1000m 200 10%10%10%干擾因素 電線、地下水管、電磁干擾、電流等 解決問(wèn)題及效果 適用于各種形狀空區(qū)、冒落帶、低阻效果好 適用于高阻空區(qū)，低阻效果差 各種形狀空區(qū)、冒落帶 分辨率 較高 低 低 除上述方法外，目前最新的空區(qū)探測(cè)方法 3D 激光探測(cè)法，是利用激光的高度精確性對(duì)地下采空區(qū)的形態(tài)大小和位置進(jìn)行三維探測(cè)的新型方法。激光 3D 掃描儀能迅速記錄與所觀測(cè)對(duì)象有關(guān)的大量三維數(shù)據(jù)信息， 其探頭具有較好的伸展柔韌性，它的裝置采用不銹鋼制作，可以在水平和豎直方向進(jìn)行 3600旋轉(zhuǎn)測(cè)量。數(shù)據(jù)遙感勘測(cè)系統(tǒng)可以將所有的測(cè)量數(shù)據(jù)送回外部的主控裝置， 同時(shí)利用計(jì)算機(jī)獲取并管理數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件處理、觀察和編輯數(shù)據(jù)，可以建立采空區(qū)的空間立體形態(tài)模型，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析5356。 上述所有探測(cè)方法中，除 3D 激光探測(cè)法外，其余方法均不同程度地存在著抗干擾能力較弱，勘探深度有限，探測(cè)結(jié)果不夠精確，完成探測(cè)后需要對(duì)探測(cè)結(jié)果 (圖形 )解釋，過(guò)程繁瑣，可視化程度低，且測(cè)量精度低等缺點(diǎn)。 3D 激光探測(cè)法是目前國(guó)際上一種新型空區(qū)探測(cè)方法， 該方法能快速而準(zhǔn)確的探測(cè)出空區(qū)的三維形態(tài)及空區(qū)空間位置，探測(cè)結(jié)果可視化程度高，后處理系統(tǒng)功能強(qiáng)大，具有很好地應(yīng)用效果，具有探測(cè)方便、操作簡(jiǎn)單、后處理強(qiáng)、探測(cè)精度高等特點(diǎn)。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)還剛剛處于起步階段，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。 采空區(qū)數(shù)值模擬現(xiàn)狀 數(shù)值模擬以地表移動(dòng)為研究對(duì)象，計(jì)算中的參數(shù)物理意義不明確，所以不能很好的解釋巖層地表移動(dòng)的內(nèi)在力學(xué)本質(zhì)57。而且當(dāng)上覆巖層地質(zhì)條件比較復(fù)雜時(shí)（如存在巖石節(jié)理、裂隙、斷層等） ，這種巖層移動(dòng)預(yù)測(cè)理論和技術(shù)一般并不適用； 另一方面力學(xué)研究方法雖然可以從力學(xué)本質(zhì)上對(duì)巖層與地表的移動(dòng)作出解釋。但是，由于實(shí)際的開(kāi)采過(guò)程中地質(zhì)條件復(fù)雜性以及其它眾多工程因素的影響，目前還沒(méi)有一種計(jì)算巖層移動(dòng)性態(tài)的完善的力學(xué)模型。在這樣一種情況下，研究人員想到了用數(shù)值模擬的辦法來(lái)解決這一問(wèn)題58,59。隨著大容量、高速度計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，尤其是功能強(qiáng)、速度快的工程數(shù)值分析軟件的開(kāi)發(fā)，數(shù)值分析方法中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6已經(jīng)用于地下巖層移動(dòng)的數(shù)值模擬和地表變形的預(yù)測(cè)60，使得數(shù)值分析已經(jīng)成為研究復(fù)雜地質(zhì)條件下，巖層移動(dòng)機(jī)理模擬與移動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)的一種重要手段。在開(kāi)采塌陷研究領(lǐng)域，常用的數(shù)值分析方法有：有限單元法、邊界單元法、離散單元法以及有限差分法等61。有限元法在開(kāi)采沉陷領(lǐng)域應(yīng)用較廣，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，有很多成熟的計(jì)算軟件，如 是加拿大學(xué)者研究出的一種較好的應(yīng)用于二維開(kāi)采塌陷計(jì)算的有限元程序系統(tǒng)6264。 出了適用于求解巖石力學(xué)平面問(wèn)題的非線性分析程序 5,66。 國(guó)內(nèi)西安礦業(yè)學(xué)院針對(duì)采礦工程開(kāi)發(fā)了 列程序67。 2、 3分析軟件是由日本軟腦株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的有限元分析軟件，此系統(tǒng)尤其適用 于復(fù)雜的土木和礦山分析問(wèn)題 (如階段施工、挖掘、開(kāi)采、支護(hù)等 )。 司開(kāi)發(fā)的世界最著名的大型通用有限元分析軟件，以其極高的性價(jià)比和無(wú)以比擬的解題廣度和深度，廣泛應(yīng)用于土木工程、航天、地礦、水利等各個(gè)領(lǐng)域，極強(qiáng)的分析功能覆蓋幾乎所有的工程問(wèn)題68。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，己被證明是解決相關(guān)的復(fù)雜巖體力學(xué)問(wèn)題的一種十分有效的手段， 數(shù)值模擬也成為目前進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性分析研究和應(yīng)用最多的方法之一6973。 題研究的目的和意義 欒川鉬礦是全國(guó)最大的鉬礦生產(chǎn)基地之一，國(guó)家曾投巨資進(jìn)行了重點(diǎn)建設(shè)。但是，由于以前該礦山采用地下開(kāi)采的方式，現(xiàn)以地下開(kāi)采轉(zhuǎn)為露天開(kāi)采，由于地下開(kāi)采留下很多空區(qū)沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行處理， 導(dǎo)致地下空區(qū)對(duì)露天開(kāi)采帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。因此、欒川三道莊礦地下空區(qū)的處理是礦山管理人員的一件大事，本文針對(duì)礦山的實(shí)際情況對(duì)空區(qū)進(jìn)行可視化研究， 研究結(jié)果給礦山處理空區(qū)提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。 從 2007 年 3 月至今，河南省洛鉬集團(tuán)有限公司和中南大學(xué)合作，以“復(fù)雜采空區(qū)激光三維探測(cè)技術(shù)”課題為依據(jù)，在國(guó)內(nèi)首次采用國(guó)際先進(jìn)的地下礦采空區(qū)探測(cè)系統(tǒng) ( 稱 ，完成了欒川鉬礦地下采空區(qū)的探測(cè)工作，并借助大型礦山工程軟件 工具，精確地獲得了空區(qū)的三維形態(tài)、實(shí)際邊界、頂板面積和體積大小，取得了理想的空區(qū)探測(cè)及其成果的實(shí)際應(yīng)用效果。本文就是在此研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合大型工程三道莊礦地下采空區(qū)形態(tài)精密探測(cè)、礦山三維建模和數(shù)值模擬，開(kāi)展基于實(shí)測(cè)的地下采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析研究。 眾所周知， 采空區(qū)的實(shí)際三維形態(tài)和準(zhǔn)確的空間位置是影響空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。目前，在對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，往往將采空區(qū)的形態(tài)視為空區(qū)形成之前即開(kāi)采前進(jìn)行采場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)確定的規(guī)則形態(tài)， 部分則中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 7是依據(jù)傳統(tǒng)的測(cè)量方法測(cè)定的簡(jiǎn)化空區(qū)形態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算。然而，采空區(qū)的實(shí)際形態(tài)往往在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，因爆破等因素的影響而呈不規(guī)則狀，加之采空區(qū)形成后受爆破震動(dòng)的影響，以及空區(qū)圍巖的冒落、片幫，致使空區(qū)的實(shí)際形態(tài)和開(kāi)采設(shè)計(jì)中確定的相差甚遠(yuǎn)。 這就勢(shì)必嚴(yán)重影響空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果的精度和可靠性。因此，如何精確地確定空區(qū)的實(shí)際形態(tài)和空間位置，并以此為基礎(chǔ)建立準(zhǔn)確的空區(qū)計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析， 是空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究中應(yīng)加以解決的一個(gè)重要問(wèn)題。 本文針對(duì)上述問(wèn)題， 開(kāi)展以精密探測(cè)獲得的空區(qū)實(shí)際三維形態(tài)和空間位置為基礎(chǔ)的空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究， 形成一種新型的基于空區(qū)實(shí)際三維形態(tài)精密探測(cè)的空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬技術(shù)，以提高數(shù)值模擬結(jié)果的精度和可靠性，并結(jié)合工程項(xiàng)目，將所形成的技術(shù)應(yīng)用于欒川鉬礦采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析中，以驗(yàn)證其可靠性和可行性。 要