济南燕翅山山体变形机理及治理研究
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摘要
在我国,采矿工业有着悠久的历史,而早期浅部的无序开采形成大量的采空区,随着时间的推移使地表产生开裂、塌陷等地质灾害,不但破坏土地资源,更使人们的生产生活安全受到严重的威胁。
本文针对济南燕翅山业已出现的采空塌陷、山体崩塌、不稳定斜坡等地质灾害,对燕翅山山体变形机理进行了深入研究,并提出了具体的治理方案。论文在广泛查阅与采空区相关的研究的基础上,利用有限元数值分析方法,对燕翅山山体及采空区进行了数值模拟,研究采空区及空区中的矿柱对周围岩体产生的力学效应。同时依据断裂损伤力学理论对矿柱裂隙扩展机理及变形规律进行了探讨,以此提出通过对原有矿柱进行加固和新增人工矿柱的综合治理方案。利用数值模拟分析了该方案的可靠性,采用强度折减有限元法计算了加固治理方案的安全系数,通过与其它采空区处理方案的对比,验证了本文提出的治理方案的可行性与合理性。本课题为采空区的治理研究提供了新的思路,对治理由于采空区而引起的地质灾害提供一定的参考。
The mining industry has a long history in China, nevertheless, lots of gob areas left by early immethodical exploitation in the shallow part cause the ground surface to crack and collapse or other geological disasters with the growth of time, which not only destroys the land resources, but also threatens people's production and living safety r seriously.
Aimed at the geological disasters such as mining collapse, rock-avalanche, unstable slope that have emerged in YanChi Mountain in JiNan, further study on the deformation mechanism of YanChi Mountain was carried out and specific treatment scheme was proposed. On the basis of extensive reading with the research on mined-out area, YanChi Mountain and its mined-out area were simulated numerically by the finite element numerical analysis method and the mechanical effect of goaf and its ore pillar on surrounding rocks was studied. The ore pillars'mechanism of crack propagation and deformation rule was discussed simultaneously based on theory of fracture and damage mechanics, based on which comprehensive treatment scheme by the reinforcement of the original pillar and new increase of artificial pillars was proposed. The reliability of the program was analyzed by numerical simulation and the safety factor of strengthening governance programs was calculated by strength reduction finite element method. Through the comparison with other mined-out areas'treatment options, the feasibility and rationality of the treatment scheme that proposed in this article was verified. The topic has provided a new way for the treatment research of mined-out area and some reference on governing the geological disaster that caused by mined-out area.
本文针对济南燕翅山业已出现的采空塌陷、山体崩塌、不稳定斜坡等地质灾害,对燕翅山山体变形机理进行了深入研究,并提出了具体的治理方案。论文在广泛查阅与采空区相关的研究的基础上,利用有限元数值分析方法,对燕翅山山体及采空区进行了数值模拟,研究采空区及空区中的矿柱对周围岩体产生的力学效应。同时依据断裂损伤力学理论对矿柱裂隙扩展机理及变形规律进行了探讨,以此提出通过对原有矿柱进行加固和新增人工矿柱的综合治理方案。利用数值模拟分析了该方案的可靠性,采用强度折减有限元法计算了加固治理方案的安全系数,通过与其它采空区处理方案的对比,验证了本文提出的治理方案的可行性与合理性。本课题为采空区的治理研究提供了新的思路,对治理由于采空区而引起的地质灾害提供一定的参考。
The mining industry has a long history in China, nevertheless, lots of gob areas left by early immethodical exploitation in the shallow part cause the ground surface to crack and collapse or other geological disasters with the growth of time, which not only destroys the land resources, but also threatens people's production and living safety r seriously.
Aimed at the geological disasters such as mining collapse, rock-avalanche, unstable slope that have emerged in YanChi Mountain in JiNan, further study on the deformation mechanism of YanChi Mountain was carried out and specific treatment scheme was proposed. On the basis of extensive reading with the research on mined-out area, YanChi Mountain and its mined-out area were simulated numerically by the finite element numerical analysis method and the mechanical effect of goaf and its ore pillar on surrounding rocks was studied. The ore pillars'mechanism of crack propagation and deformation rule was discussed simultaneously based on theory of fracture and damage mechanics, based on which comprehensive treatment scheme by the reinforcement of the original pillar and new increase of artificial pillars was proposed. The reliability of the program was analyzed by numerical simulation and the safety factor of strengthening governance programs was calculated by strength reduction finite element method. Through the comparison with other mined-out areas'treatment options, the feasibility and rationality of the treatment scheme that proposed in this article was verified. The topic has provided a new way for the treatment research of mined-out area and some reference on governing the geological disaster that caused by mined-out area.
引文
1.傅文学.矿井开采沉陷影响土地利用系统的GIS分析方法[D],合肥：合肥工业大学,2004
2.山东省地质环境监测总站.山东省济南市燕翅山地质灾害详细勘查报告[R], 济南,2004
3.林韵梅等.岩石分级的理论与实践[M],北京：冶金工业出版社,1996
4.郑永学.矿山岩体力学[M],北京：冶金工业出版社,1995
5.于学馥等.地下工程围岩稳定性分析[M],煤炭工业出版社,1983
6.寥国华.矿山岩体力学[M],北京：北京科技大学,1981
7.李兆权.应用岩石力学[M],冶金工业出版社,1994
8.汪吉林,姜波.煤矿采空区稳定性的模糊综合评判[J],矿山压力与顶板管理,2005,2(22)：9-31,34
9.蒋卫东,李夕兵等.基于灰色定权聚类的采空区上部地表稳定性分析[J],矿冶工程,2002,4(22)：15-17
10.慎乃齐,郑惜平等,基于神经网络的采空塌陷预测[J],煤田地质与勘探,2001,3(29)：42-44.
11. Sirivardance and Amanda. Displacement Based Approach for Prediction of Subsidence Cause by Long wall Mining Using Numerical Method, Proc. Th, INT, Conf on computer. Method,1991
12. X. L. Yao and D. J. Reddish. Nonlinear Finite Element Analysis of Surface Subsidence Arsing From Indined Sean INT. I. ROOK, Meeh. & Mining Extraction, SCI.,1993(4).
13. Wood. Lamach Drum Constitutive Modeling and Finite Element Analysis of Ground Subsidence due to Mining, University of Oklahoma,1990
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评价-实例研究(二)
34.南非M.F.罕德雷.深部板状矿体走向稳定矿柱和保护矿柱设计指南.技术论文
35.俄罗斯：S. Kpvae.层状倾斜矿体的最佳房间矿柱的确定,技术论文
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63. Nmat-Nasser S and Horii H, Compression-induced Nonplanar Crack Extension with Application to Splitting, Exfloation, and Rockburst [J], Geophys, Res,1982,87:805-821
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68.郦正能,何庆芝.工程断裂力学[M],北京航空航天大学出版社,1993
69. Baud P, Reusehle T, Charlez P, Technical Note:An Improved Wing Crack Model for The Deformation and Failure of Rock in Compression, Int, J, Rock Mesh, Sci, and
Geomech, Abstr,1996,33:539-542
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2.山东省地质环境监测总站.山东省济南市燕翅山地质灾害详细勘查报告[R], 济南,2004
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8.汪吉林,姜波.煤矿采空区稳定性的模糊综合评判[J],矿山压力与顶板管理,2005,2(22)：9-31,34
9.蒋卫东,李夕兵等.基于灰色定权聚类的采空区上部地表稳定性分析[J],矿冶工程,2002,4(22)：15-17
10.慎乃齐,郑惜平等,基于神经网络的采空塌陷预测[J],煤田地质与勘探,2001,3(29)：42-44.
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评价-实例研究(二)
34.南非M.F.罕德雷.深部板状矿体走向稳定矿柱和保护矿柱设计指南.技术论文
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36.印度矿业学院采矿工程系教授U-K,用数值模拟法估量井筒保安矿柱稳定性的案例研究,岩力与边坡,1995
37. Malan D F, Spottiwoode S M. Time-dependent fracture zone behavior and seismicity surrounding deep level stopping operations[A]. In:Rock burst and Seismicity in Mines[C]. Rotterdam:A. A. Balkema,1997.173-177
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46.孙世国.复合采动对边坡岩体变形与稳定性影响的研究[博士学位论文][D].北京：中国科学院地质研究所,1998
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48.李建林,胡兴娥,熊俊华等.三峡地下电站进水口边坡稳定分析及加固优化[J].岩石力学与工程学报,2001,20(5)：76-79
49.祁生文,伍法权,兰恒星.盘石头水库泄洪洞、导流洞进出口高边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2002,21(3)：353-359
50.朱合华,李新星,蔡永昌等.隧道施工中洞口边仰坡稳定性三维有限元分析[J].公
路交通科技,2005,22(6)：119-122
51.蒋树屏,刘元雪,黄伦海等.隧道出口段环保型结构稳定性分析[J].岩土工程学报,2005,27(5)：577-581
52.黄振鹤.隧道洞口滑坡、高边坡治理技术[J].公路工程与运输,2005,9：78-80
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56.刘跃伟.采用酮室爆破处理德兴铜矿采空区[J].工程爆破,1998,3(4)：55-57
57.张楚灵,姜建明.用深孔爆破法处理采空区[J].化工矿物与加工,1999,5(28)：26-28
58.黄琴灿.浅谈河台金矿高村矿床采空区处理方法[J].黄金,2000,7(21)：14-16
59.马莉英,苏明,金英玉.弹性力学.吉林大学出版社,1999.12
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66.何峰.岩石结构的蠕变稳定性理论研究[硕士学位论文],辽宁：辽宁工程技术大学,2005
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