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1 概述1

1.1 采空区稳定性研究的重要意义1

1.2 金属矿山采空区研究现状2

1.2.1 采空区稳定性分析与研究5

1.2.2 深部硬岩矿山采空区稳定性研究现状7

1.2.3 采空区失稳机制及模式研究现状8

1.2.4 深部硬岩卸荷力学特性及本构模型研究现状10

1.2.5 采空区稳定性控制及处理技术12

1.3 采空区失稳机制与稳定性控制研究面临的主要问题14

1.3.1 采空区形态复杂程度定量表征及其与稳定性的相关性14

1.3.2 单一采空区稳定性敏感特征与多采空区耦合结构效应15

1.3.3 高应力复杂路径下岩石力学性质15

1.3.4 深部矿山嗣后充填法采空区失稳机制及稳定性特征16

1.3.5 采空区失稳灾变模式与控制技术16

2 金属矿山采空区形成及特征18

2.1 采空区概念及基本特征18

2.2 采空区分类及特性18

2.2.1 根据不同的开采方法分类19

2.2.2 根据采空区存在时间分类21

2.2.3 根据采空区空间形态分类22

2.2.4 根据采空区规模大小分类22

3 高应力复杂条件下岩石损伤演化规律及数学模型24

3.1 引言24

3.2 试验设备及试验应力路径25

3.2.1 实验设备25

3.2.2 试验方案25

3.3 岩石常规三轴加载试验力学响应27

3.3.1 应力应变规律分析27

3.3.2 围岩强度分析29

3.3.3 岩石变形规律分析30

3.3.4 岩石破裂特征分析30

3.4 轴向压力恒定的匀速卸载围压试验32

3.5 轴向压力增加的匀速卸载围压试验34

3.6 不同应力路径下的岩石力学响应特征对比36

3.6.1 不同应力路径下的岩石强度特性36

3.6.2 不同应力路径下的岩石破裂特征37

3.6.3 声发射计数率变化规律40

3.6.4 声发射能量特征变化规律42

3.7 复杂应力路径下岩石损伤演化规律44

3.7.1 高应力复杂条件下岩石损伤能量耗散分析44

3.7.2 常规三轴加载44

3.7.3 轴压恒定的卸围压应力路径45

3.8 基于最小耗能原理的损伤演化分析46

3.9 本章小结48

4 采空区空间形态分形特性及边界模拟预测50

4.1 引言50

4.2 计盒维数与矿体分形特性50

4.2.1 计盒维数50

4.2.2 矿体分形特性52

4.3 采空区三维精细模型及空间信息的获取53

4.3.1 金属矿山采空区基本特征53

4.3.2 采空区三维精细模型及信息获取53

4.4 采空区分形特征研究55

4.4.1 采空区边界线一维分形特性55

4.4.2 采空区平面区域二维分形特性60

4.4.3 采空区顶板三维分形特性64

4.4.4 采空区分维值的物理意义69

4.5 基于分形插值理论的采空区边界模拟与预测70

4.5.1 分形插值基本理论70

4.5.2 工程实际应用71

4.6 本章小结74

5 金属矿山采空区稳定性敏感特征分析76

5.1 引言76

5.2 金属矿山采空区稳定性影响因素分析76

5.2.1 采空区结构因素76

5.2.2 采空区赋存环境77

5.3 单一采空区稳定性敏感分析78

5.3.1 单一采空区稳定特征的结构效应78

5.3.2 采空区分维值与采空区稳定性关系87

5.3.3 赋存环境对单一采空区稳定性的影响规律89

5.4 多采空区耦合结构作用效应95

5.4.1 相似材料试验研究95

5.4.2 多采空区耦合效应的数值模拟分析100

5.5 结构面对采空区稳定性的影响104

5.5.1 单组结构面对采空区稳定性的影响104

5.5.2 可产生滑塌锥的结构面对采空区的影响112

5.6 本章小结121

6 不同空间形态采空区围岩扰动规律与顶板力学模型123

6.1 引言123

6.2 立方型采空区形成过程围岩扰动规律123

6.2.1 工程背景123

6.2.2 围岩扰动规律现场监测布置124

6.2.3 围岩扰动规律及稳定特征分析125

6.3 狭长型采空区形成过程围岩扰动规律126

6.3.1 工程背景126

6.3.2 围岩扰动规律现场监测及分析127

6.3.3 基于精细探测的采空区围岩稳定状态分析128

6.4 不同类型采空区顶板力学模型构建132

6.4.1 基于弹性厚板理论的立方型采空区顶板稳定研究132

6.4.2 基于弹塑性理论的狭长型采空区顶板稳定研究138

6.5 本章小结144

7 渗流-应力场耦合下采空区稳定性研究145

7.1 经典节理渗流模型简介145

7.1.1 单一裂隙渗流模型145

7.1.2 粗糙节理水力学模型146

7.1.3 单裂隙渗流与应力耦合147

7.1.4 裂隙网络渗流模型148

7.2 数值模拟与结果分析150

7.2.1 节理剪切本构模型的选择150

7.2.2 模型的建立与参数选择150

7.2.3 数值模拟分析152

7.3 本章小结163

8 深部嗣后充填法采场采空区围岩卸荷失稳机制164

8.1 引言164

8.2 开采卸荷数值模拟仿真原理164

8.2.1 采空区形成过程围岩应力状态164

8.2.2 采空区岩体卸荷荷载算法及步骤165

8.3 采空区形成过程中围岩能量释放规律167

8.4 基于尖点突变理论的采空区失稳局部能量突变判别准则169

8.4.1 采空区系统失稳的能量失稳准则基础169

8.4.2 岩石单元局部能量突变准则169

8.5 工程背景概述171

8.5.1 工程地质条件171

8.5.2 围岩物理力学特征172

8.5.3 深部地应力实测及分析172

8.5.4 模拟开采方案173

8.6 嗣后充填法采场采空区卸荷数值模型构建及实现174

8.6.1 数值分析模型构建174

8.6.2 边界条件174

8.6.3 物理力学参数175

8.6.4 开采卸荷扰动区确定原则175

8.6.5 卸荷数值计算过程的实现176

8.6.6 能量释放指标的数值解算及可视化实现176

8.6.7 深部采空区围岩稳定状态分析指标176

8.7 分段空场嗣后充填法围岩卸荷失稳机制177

8.7.1 采空区围岩应力场演化规律分析177

8.7.2 采空区围岩位移场演化规律分析183

8.7.3 采空区围岩塑性区扩展规律分析185

8.7.4 采空区围岩能量演化规律分析188

8.7.5 基于局部弹性释放能突变的稳定性判别191

8.8 本章小结192

9 基于能量链式效应机理的采空区稳定性控制技术194

9.1 引言194

9.2 采空区失稳灾变链式特性194

9.2.1 采空区系统基本特点194

9.2.2 采空区失稳灾变链式特征195

9.2.3 采空区失稳灾变链演化过程与规律196

9.3 采空区失稳灾变能量链式效应机理199

9.3.1 采空区周围岩体能量分析199

9.3.2 围岩能量链式效应耗散结构理论分析200

9.3.3 采空区能量链式演化规律202

9.4 能量链式演化数学模型203

9.4.1 能量链式关系结构分析204

9.4.2 能量链式效应演化的数学模型205

9.4.3 采空区失稳灾变能量链式启动判据205

9.5 基于能量链式效应的采空区稳定性控制206

9.5.1 采空区失稳灾变能量链断链控制机制206

9.5.2 采空区失稳灾变能量链断链措施208

9.6 深部采空区稳定性控制工程实例210

9.6.1 大尹格庄金矿概述210

9.6.2 矿区工程地质与开采技术条件210

9.6.3 开采现状概述与调查211

9.6.4 采空区稳定性控制技术213

9.7 本章小结217

10 金属矿山采空区稳定性分析工程实例218

10.1 空场法房柱式采空区稳定性分析218

10.1.1 工程背景218

10.1.2 石人沟铁矿采空区CMS三维激光扫描及分析220

10.1.3 基于CMS实测的采空区稳定性数值模拟分析229

10.1.4 采空区稳定性分析模糊综合评判235

10.2 充填法狭长型采空区稳定性分析239

10.2.1 工程背景239

10.2.2 果洛龙洼金矿采空区CMS三维激光探测及分析241

10.2.3 基于CMS实测的采空区稳定性数值模拟分析244

10.2.4 基于现场调查及Mathews稳定性图法采空区最大跨度计算248

10.3 崩落法隐覆型采空区稳定性分析251

10.3.1 工程背景251

10.3.2 岩石力学参数和地应力场253

10.3.3 边界条件和初始平衡255

10.3.4 模拟分析方案256

10.3.5 计算结果分析258

参考文献267