采空区治理技术及其适用性

长期以来,应用留矿、空场等采矿方法开采的矿山,空区没有得到及时处理,相继发生了顶板崩落和地表岩移等灾害.考虑到影响岩体移动的不同因素,空区开采引起岩层移动将显现不同特征,所带来的影响也不同.因此在了解采空区治理技术及适用性的基础上,选择合理的空区处理方法以减少引起空区岩体移动产生的危害具有实际意义.     

基于选权迭代最小二乘的地表移动盆地 边界角量参数估计

在厚松散层矿区,利用常规地表移动观测站变形观测成果无法估计松散层、岩层的边界角和移动角参数,针对此问题,文章提出了一种基于选权迭代最小二乘的地表移动盆地边界角量参数估计模型。首先将地质采矿条件相似的观测站归为一类(作为基础数据),然后以综合移动角和综合边界角为观测值,推导了以岩层移动角、岩层边界角、松散层移动角及松散层边界角为参数的观测方程,考虑到综合移动角和综合边界角中可能存在粗差,引入Hampel法和IGG法2种选权的方法,通过多次迭代求取参数最优值,并对求参结果进行精度评价。基于该模型利用Matlab软件开发了参数估计程序。顾桥矿、顾北矿的工程应用结果表明,Hampel法的参数估计精度优于4°,IGG法参数估计精度优于1°。基于IGG法选权迭代最小二乘估计的顾桥矿、顾北矿地表移动盆地边界角量参数分别为:φ_0=48.02°,φ=64.47°,β_0=48.19°,β=69.18°,γ_0=48.20°,γ=70.01°,δ_0=35.32°,δ=49.92°。     

地铁线路穿越急倾斜煤层采空塌陷区相似模型试验

地铁线路穿越煤矿采空塌陷区问题为中国首例,因此进行急倾斜煤层开采岩移基本规律和地铁荷载作用下塌陷区及侧壁围岩稳定性研究具有重要意义。运用相似模型试验方法,模拟开采两组急倾斜特厚煤层,并用数码相机记录开采及加载过程中岩层破断及移动形态。试验反映了急倾斜煤层开采中垮落带形态、裂隙带形成与发展和地表移动特征等共性;此外,分别以顶底板移动角、边界角,表土层移动角、边界角参数计算煤层开采覆岩破坏边界范围,并以此划分不稳定区、基本稳定区和稳定区;考虑地铁及建筑荷载下,塌陷区破断岩体有闭合压实现象,地表最大下沉量为4~5 cm,顶板侧壁不稳定围岩最大离层量2 cm。所得结果对指导现场地铁线路穿越煤层采空塌陷区具有一定的参考意义。     

大规模采场三维探测及回采指标可视化计算

针对我国金属矿山大规模采场回采指标难以准确获取的现状,综合运用空区激光探测系统(CMS)和大型矿床三维软件Surpac等数字化工具,结合凡口铅锌矿N3-4采场实际,研究一种新颖的大规模采场回采指标可视化计算方法.采用CMS探测三维采场空区,以宅区实测数据为基础运用Surpac构建采空区三维可视化模型,获取采场空区的三维形态和实际边界;运用采场设计资料,建立采场回采设计模型及矿岩边界模型,通过模犁间的布尔运算,计算出采场存留矿量、回采总体积、采下废石量、采下充填体最、采下纯矿石量、回采总量及回采贫化率等,从而有效地实现了大规模采场回采指标的可视化计算.研究结果表明:采用该方法计算获得的采场回采指标可靠,可用于矿山实际生产管理和同采质量评估.     

基于CMS的隐患空区三维特征信息获取

在三维激光扫描原理基础上,针对井下不同作业环境提出了相适应的隐患空区激光探测系统(CMS)现场探测方法,即空区底部探测、封闭空区探测和通过空区上部通道探测.针对探测原始数据格式及其特点,研究了CMS空区探测点云数据过滤与探测数据拼接的原理,提出了多点扫描数据的拼接方法,实现了空区探测原始点云数据格式的转换,为建立空区三维实体模型提供了数据基础.结合Delaunay三角网剖分法,提出采用矿业软件Surpac构建可视化程度更高、可编辑性更强和实用性更好的空区三维模型方法,并将该技术成功应用于广西高峰矿复杂隐患空区三维特征信息获取及其可视化中.研究表明,采用该方法获取的空区三维特征信息为矿山实施空区评价与治理、开采质量控制、资源有效回收方案制定提供了技术支持.     

厚煤层条带法开采覆岩移动和变形规律模拟

为解决厚煤层条带开采覆岩移动和变形规律问题,采用相似材料模拟试验的方法对厚煤层三维条带综放开采进行研究,分析覆岩及地表的移动与变形规律,确定岩层内部的各移动角值,地表沉降系数等.研究结果表明:地表沉降呈现出走向、倾向主断面相对称的下沉趋势,地表形成了单一均匀的下沉盆地;三维相似材料物理模型试验能够较全面地反映出原型覆岩的各种变形、移动、应力、应变的变化规律,为实际开采提供了可靠依据.     

基于地表变形预计的矿区保护煤柱留设方法

针对不同开采条件下地表移动角参数的不确定性和现有的矿区保护煤柱留设方法的局限性,将引起地表点移动的地下开采范围视为椭圆形区域,以受保护对象的临界变形指标为依据,应用随机介质理论的概率积分法确定影响椭圆的半轴长度.通过绘制受护边界各角点处的影响椭圆及相邻椭圆公共外切线的方法,确定建筑物保护煤柱边界.实例应用表明,该方法可依据受保护对象的保护等级要求和开采煤层厚度等因素,合理地确定各种地面工程的保护煤柱范围,提高了保护煤柱的安全可靠性.     

基于多项式法的地表移动变形计算模型修正

针对基于概率积分法的地表移动变形值计算结果误差较大,评价煤层开采后上覆构筑物危险性存在安全风险的难题.依据地表下沉值与其它移动变形值之间的计算原理关系,结合煤层开采后地表移动变形计算结果和实测结果,该文提出了利用多项式法对计算模型进行修正的方法,构建基于概率积分法和多项式法相叠加的地表移动变形值计算模型.以某矿已采工作面地表下沉值实测数据为例,研究结果表明：计算模型修正后得到的地表下沉值与实测结果之间的误差范围仅为0.1～0.4 m,极大的减小了计算模型的误差范围.     

公路虚拟场景智能生成

基于控制点和数字地面模型,应用群体智能算法自动生成公路的平、纵、横断面线形,基于OpenGL和VC++编程语言,编制了公路三维虚拟仿真模型智能构建平台.实例应用效果表明：所述方法能快速构建选线阶段的公路三维模型,所构建的模型与实体模型误差小,模型格式具有较好的通用性和可移植性.     

基于VTK的地下矿开采沉陷预计研究与实现

为对地表沉陷进行方便准确的预计,以大型可视化工具包VTK为开发平台,对VTK过滤器进行扩展,将开采沉陷预计算法写入VTK过滤器,实现地下矿开采沉陷预计及三维可视化.首先设计vtk Conforming Delaunay2D类,实现相容Delaunay三角化,得到高质量的地表模型;再根据沉陷预计模型,设计开采沉陷预计过滤器vtk Subsidence Filter,实现沉陷计算;然后基于VTK实现属性提取和后处理,进而实现沉陷地表的动态更新;最后建立VTK流水管线,将结果三维可视化.该方法突破了以往VTK主要用于三维可视化的局限,通过扩展VTK过滤器,拓宽了其专业应用.研究成果可用于地下煤矿与金属矿开采沉陷预计、开采沉陷的土地资源管理与复垦以及自然崩落法放矿的矿岩接触面模拟.     

露天矿数字开采过程仿真及其应用

 为了实现露天矿三维数字化虚拟开采,提出了一种基于层间组合和定位显示技术驱动开采模板、动态切割实体模型的数字开采方法。在建立露天矿数字化三维地形模型、三维地质模型的基础上,根据矿山工程发展状态及几何约束关系,定义了以台阶为单元的分层式开采模板和驱动开采模板,从而实现露天矿的开采过程仿真。以不规则实体构模技术及实体间布尔切割运算技术作为矿岩量快速分类计算的技术手段,快速形成多个开采方案,使多方案设计对比择优成为可能,提高了采矿设计的速度和质量。研究结论为露天矿进行长远规划及定制长期计划提供了技术支撑。     

复杂地质体三维数值建模方法研究

针对建立复杂三维地质体模型难度较大的问题,提出了一种有效的建模方法。该方法是以钻孔柱状图为原始资料,首先利用SURAPC软件生成岩层等高线,然后使用CAD和ARCGIS软件生成了网格点坐标,接着在ANSYS中建立实体建模并划分网格,从而建立有限元模型,再利用接口程序在FLAC3D中生成计算模型。最后,以甘肃窑街煤电集团天祝煤矿三维建模为实例,验证了该方法的可行性和有效性。     

基于VRML的采空区信息管理系统的开发

 针对矿山企业因采空区数量逐渐增多而难以对其进行有效管理的现实问题,提出了一种基于网络的采空区信息管理系统设计与开发方法。以采空区信息获取为基础,运用采空区精密探测系统(CMS)、矿业软件Surpac、数字化软件QVOL和三维模型编辑器Vrmlpad准确获取采空区的二维和三维信息,开发基于B/S模式的采空区信息管理系统。系统实现了用户管理,采空区二维信息增加、删除、修改、查询和打印,通过IE等浏览器查看采空区三维模型,三维形态信息网络传输与管理,可以满足现阶段矿山企业各部门远程对采空区信息进行管理的要求,为矿山采空区安全监管提供了一种新的技术手段。     

基于GTP的断层三维交互建模方法

在总结分析现有断层建模方法的基础上,提出一种基于广义三棱柱(GTP)的断层三维交互建模方法(岩柱体分区RPBP建模法).该方法以钻孔数据为建模主体数据源,主要步骤包括:根据钻孔孔口数据点与断层露头约束,按约束Delaunay法则生成地表不规则三角网(CD-TIN);判断地质体内断层的类型及断层构模的优先级顺序,建立岩柱体界限三角形;以界限三角形为依据建立断层实体模型.软件实验表明,该方法能便捷可靠地实现包括正、逆断层及其相互切割的各类复杂断层系的三维交互建模.     

基于Google Earth数据的Surfer三维地形建模

对于资源潜力不明的新勘查区,尤其是地形复杂区,快速获取其地形图或三维地形模型,是开展相关勘查工作的基础.以滇西北茅草坪铜多金属矿区为例,提出了利用Google Earth平台提取研究区的三维空间数据,借助Surfer软件生成等高线和三维曲面模型的一种绘制大比例尺地形图或三维地形模型的直观、便捷方法 .该方法具有低成本、高效、准确的特点,可操作性强,可在当前地质勘查工作中广泛应用.     

采空区点云数据的小波平滑方法

利用3D空区探测系统(CMS)采集矿山采空区点云数据为线扫描方式,在三维重建之前对点云数据进行平滑处理是一个必要的环节.提出了一种基于小波变换的采空区点云数据平滑方法,该方法主要分为三维扫描线的降维处理和信号平滑滤波2个步骤.对采空区的三维激光扫描线,用弧长为参数进行参数方程分解,将三维空间扫描线分解到3个方向上,利用一维信号处理方法分别进行小波平滑处理,再将平滑处理后的数据重建扫描线.通过在MATLAB环境下对某采空区的一条扫描线进行了仿真实验,证明了该方法有效的解决了采空区三维激光扫描线的不光滑问题.     

基于ArcGIS快速建立露天采场模型三维可视化法

为了解决露天矿采场模型快速建立的问题。论述了一种快速建立露天矿三维模型的方法,采用了离散点生成TIN来表达地形以及各地层界面的方法,通过对AutoCAD的二次开发来提取图形单元形成建模要素,导入到ArcGIS,进而生成三维矿模。研究结果表明,该方法不仅能达到逼真的三维动态效果,而且对于矿岩量的计算更为准确方便。研究结论初步突破了露天矿算量的传统方法,有助于露天矿的日常生产和管理。     

石膏矿采空区稳定性研究进展

针对石膏矿采空区稳定性研究的紧迫性,系统介绍了国内外采空区稳定性经典理论,以及如何利用FLAC3D﹑ANSYS等软件进行静态数值模拟.论文着重从岩石流变﹑爆破扰动﹑长期强度等多因素动态演变方面对采空区稳定性进行探讨.研究讨论认为,如何将支撑采空区稳定的顶板-矿柱-底板体系中岩石受扰动、流变作用的动态演变纳入采空区稳定性分析中,建立量化多因素耦合模型和基于常应力状态的破坏准则及动态破坏机制,将成为未来研究的重点方向.     

数字全息三维轮廓生成方法的研究

依据数字全息的光场分布公式，对数字全息三维轮廓生成的原理进行理论分析，推导出了不同的数字全息轮廓生成方法的分辨率公式，并进行计算机模拟验证．该方法克服了光学全息三维轮廓生成的困难，并且可以直接得到数值化的结果，是一种对微小物体三维形貌进行快速、高精度测量的方法．     

采空区三角网格模型边界剖面线提取方法及其应用

在分析目前常用的三角网格模型边界剖面线提取方法运用于提取复杂边界采空区边界轮廓线时存在缺陷的基础上,对传统的凸包算法进行了改进,形成了适用于复杂边界采空区三角网格模型边界剖面线提取的新方法,即凸包压入法.首先,以垂直于任意坐标轴的平面剖切复杂采空区三角网格模型得到边界剖面线的无序点集,提取无序点集的凸包线作为初始轮廓线,然后将包络于初始轮廓线内的点按张角最大的原则全部添加到轮廓线中,获得完整的剖面轮廓线,形成复杂采空区剖面线.实际应用表明,所提算法能够快速有效地提取各种形态采空区的边界剖面线,可准确获取复杂采空区剖面并能够比较分析采空区的超挖、欠挖量,具有很好的应用价值.