基于空间句法的矿井应急疏散研究与应用

地下矿井作业危险,空间拓扑结构复杂,因而矿山安全事故时有发生,合理的应急疏散路线规划以及疏散指示布置,能够有效提高井下人员的逃生效率,降低人员伤亡与财产损失。结合某地下矿井实例,基于空间句法和GIS网络分析搭建地下矿井巷道网络模型,从逃生人员的空间认知角度出发,利用标准化角度选择度值选取巷道网络模型中的前景网络和背景网络作为主要避险通道,为应急疏散指示标志布置提供参考;考虑巷道宽度、巷道类型、巷道坡度等巷道基础属性信息,并结合空间句法指标——标准化角度整合度,构建巷道网络应急脆弱模型,顾及巷道空间单元的稳定性,规划井下人员的最优认知路径,进而实现了多目标的地下矿井紧急疏散路线规划。该研究不仅能够为地下矿井的巷道布局设计提供建议,还可为地下矿井的应急疏散路线规划辅助决策、应急预案制定提供理论依据,同时为紧急避险系统的建设与完善提供新的思路。

晒旗河磷矿掘进巷道工作面钻孔卸压参数优化

岩爆是困扰晒旗河磷矿安全开采的主要技术难题,该矿钻孔卸压参数与围岩应力分布不匹配,卸压效果有待提高。以该矿+80 m工作面为研究对象,采用数值模拟对掘进巷道工作面不同钻孔卸压参数下巷道围岩的应力和弹性能变化情况进行分析,探寻最优的卸压钻孔参数方案。引入谷-陶岩爆判据,计算最大主应力和单轴抗压强度的比值,评价卸压钻孔参数优化前后的岩爆等级,验证钻孔卸压效果。研究结果表明:随着钻孔深度的增加,巷道围岩应力先减小后增大,当钻孔深度为10 m时,围岩应力和弹性能最小;在保持钻孔数量不变的情况下,钻孔间距过小,钻孔周围形成的卸压区域重叠,整体卸压范围受限,钻孔间距过大,每个钻孔间形成的卸压区域无法起到协同卸压作用。卸压钻孔参数优化后最大主应力下降了14 MPa,岩爆风险等级由中等岩爆降为无岩爆。研究结果可为鄂西地区类似矿山卸压钻孔参数的选用提供参考。

资源枯竭型城市复合系统协同转型演化机制研究:以黄石市为例

资源枯竭型城市的转型呈现阶段性演进特征,复合系统协同演进是其转型发展向高级阶段演变的基础。为探究资源枯竭型城市的转型内生动力,以典型的资源枯竭型城市黄石市为例,从资源附禀、生态环境、经济发展、社会建设4个维度构建评价指标体系,分别对2001—2010年和2010—2019年2个阶段构建哈肯模型识别黄石市复合系统协同转型发展的驱动参序量,动态分析不同时间阶段内复合系统协同转型的驱动机制。研究结果表明:在2001—2019年期间,黄石市复合系统转型力表现为波动上升趋势,其转型过程分为2001—2010年平稳转型期和2010—2019年加速转型期2个阶段。分阶段复合系统协同过程实证结果表明,黄石市由资源转型驱动模式转变为环境转型驱动模式,进入了更加高效的转型驱动过程。转型发展逐渐脱离传统的资源依赖型向着“社会建设-环境保护”的驱动主导模式转变,步入良性的转型协同状态。随着资源枯竭型城市的发展,其内生转型驱动机制也会随之发生改变,应切实把握住城市转型的关键转型路径,为促进黄石市协同转型发展提供建议。

基于模糊统计法的采空区稳定性评价

针对采空区稳定性评价指标权重计算的主观随意性和指标分级标准的模糊不确定性问题,采用文献调研法收集近10年60余篇采空区稳定性评价的研究成果,统计分析采空区稳定性评价指标的频次,建立基于指标统计频次的采空区稳定性评价指标体系;根据采空区稳定性评价指标相对频次的分布信息特征,采用1-9位标度法描述18个相对频次等长分布区间的相对关系,提出基于指标相对频次的权重计算方法,减少主观随意性对指标权重计算的影响;通过对各评价指标各等级划分边界信息的统计法分析,建立采空区稳定性评价指标各等级的隶属度函数,并采用30个采空区样本数据验证隶属度函数的可靠性,进而构建基于指标相对频次权重算法和评价指标各等级隶属度函数的采空区稳定性评价模型,并将其应用于肖家河磷矿采空区稳定性评价分析中。结果表明:该磷矿的某采空区稳定性等级为Ⅰ等级,评价结果与实际情况相符,验证了该采空区稳定性评价模型的有效性。

基于役龄回退模型的露天矿卡车周期预防性维护策略

针对露天矿生产运输中卡车维护成本较高的问题,对卡车采用周期预防性维护和小修相结合的维护方式,考虑露天矿卡车周期预防维护后故障率的变化规律,基于役龄回退模型研究了露天矿卡车周期预防维护策略。针对露天矿卡车故障率函数服从威布尔分布特点,引入役龄回退因子反应露天矿卡车在每次周期预防维护后的故障率变化,建立露天矿卡车每次周期预防维护后的故障率函数。基于露天矿卡车的故障率函数,建立包括露天矿卡车周期预防维护成本和小修成本的预防维护总成本模型,为求取露天矿卡车最优的周期预防维护策略设计了求解算法。研究结果表明:当露天矿卡车运行时间确定时,预防维护成本随着预防维护次数增加先减小后增大,随着预防维护周期变长先变小再变大;随着露天矿卡车运行时间的变长,最优预防维护次数呈增长趋势;露天矿卡车采用最优的周期预防维护策略比常用的维修策略的所需成本更小且随着露天矿卡车运行时间的变长差值变大。基于役龄回退模型构建露天矿卡车每次周期预防维护后的故障率函数,研究卡车在不同运行时间的最优周期预防维护策略,可为矿山设备预防维护管理提供有效的解决方案。

含断层采场顶板膨胀型浆体注浆加固效果研究

为研究某矿含断层采场顶板处采用膨胀型浆体注浆加固效果,开展了由膨胀型浆体和普通型浆体注浆加固相似模拟试验,对比分析了不同浆体注浆加固后含断层采场顶板沉降和围岩应力变化情况。研究结果表明:相较于普通型浆体,膨胀型浆体注浆加固含断层采场顶板能够进一步减小顶板沉降及其上下盘围岩应力增量,使加固后的含断层采场顶板稳定性更高;膨胀型浆体通过先挤后黏增加了浆—岩接触面的粘结强度和摩擦强度,提升了复合顶板整体力学强度和承载力,减小了上覆岩层自重应力向矿柱围岩中底部转移;膨胀型浆体产生的膨胀应力分别向上支撑和向下挤压断层两侧岩体,缓解了上覆岩层对上盘岩体矿柱围岩的挤压,略微增大了下盘矿柱的围岩应力。

肖家河磷矿碎石胶结充填体强度及变形破坏特征试验研究

为实现宜昌市肖家河磷矿规模化碎石胶结充填,开展碎石胶结充填体单轴抗压试验,研究不同灰砂比、料浆质量浓度和养护龄期下充填体的抗压强度、变形特性以及破坏特征。研究结果表明:养护龄期相同时,随着灰砂比和料浆质量浓度增加,碎石颗粒之间的胶结效果更好,充填体的抗压强度也更高;当灰砂比相同时,随着料浆质量浓度的增大,充填体试样的弹性模量增大,峰值应力对应的应变率降低,充填体的抗变形能力增强;当料浆质量浓度相同时,随着灰砂比的减小,胶结效果减弱,充填体的形变量增大;随着养护龄期的增加,充填体试样的破坏形态由拉伸破坏逐渐转变为剪切破坏,且养护龄期越长,充填体表面的裂纹数量和块体剥落面积均减少,破坏程度也越小。通过试验研究确定了肖家河磷矿碎石胶结充填体强度灰砂比的最佳配比为1∶8、料浆质量浓度为86%、养护龄期为28 d,可满足矿山充填方案的技术经济要求。

不同倾角层状岩体巷道围岩变形破坏特征及机制研究

利用UDEC软件对不同层理面倾角层状岩体巷道围岩的变形位移情况进行了模拟,分析了围岩的内部应力分布,提出了不同层理面倾角巷道围岩的变形破坏机制。研究结果表明:相比于均质岩体,层状岩体由于层理面的存在致使围岩的变形破坏特征更加复杂,层理面倾角大小对围岩的破坏失稳模式有显著影响,随着层理面倾角的增大,围岩变形破坏的非对称性逐渐增强。具体表现为沿层理面的垂直方向变形位移最大,当层理面倾角大于60°时,边墙的变形位移显著增大。当巷道开挖后,在地应力诱导和层理面影响的叠加作用下,先是层理面的剪切滑移、离层破坏,逐渐演化成穿过层理面的剪切—拉伸破坏,并最终过渡成基质的拉伸破坏。研究成果对深部层状岩体巷道围岩如何采取有效的加固措施具有理论和现实指导意义。

切割拉槽中深孔孔内分段爆破数值模拟

针对大冶铁矿切割井上部难以施工至设计高度从而影响立槽高度问题,考虑在切割巷的拉槽中深孔采用孔内分段爆破方案,以使得切割立槽高度达到设计高度,并解决悬顶的安全问题。为分析切割拉槽中深孔孔内分段爆破效果,基于ANSYS/LS-DYNA有限元数值模拟软件,对孔内分段装药和不分段装药两种不同装药结构下中深孔爆破切割立槽处应力变化、损伤区域进行模拟计算研究。结果表明:越靠近模型中部,应力波的叠加作用越强,其有效应力更加集中,所产生的损伤破碎面积更大。在矽卡岩区域内,两种不同装药结构的爆破方式在切割立槽处产生的有效应力大小高于矽卡岩的破坏强度,均能在切割立槽处造成较大面积的损伤破碎。在磁铁矿区域内,分段装药爆破后产生的爆破高度更高,在切割立槽处所产生的有效应力更大,产生的破碎面积更广。结合大冶铁矿现场实际爆破试验,孔内分段爆破后可顺利将悬顶安全处理,使得切割立槽达到设计高度,解决了后期施工生产的难题。

基于统计模糊权重和模糊区间评价的采矿方法优选模型

针对采矿方法优选过程中评价指标及其权重值较难确定的问题,提出了基于统计方法的指标权重值计算方法。通过对大量采矿方法优选学术论文的统计和分析,综合分析了大量采矿行业专家在采矿方法优选过程中评价指标模型,确定了以基于被选次数统计的指标权重值和带权重统计的指标权重值为区间边界、二者综合计算的加权指标权重值为最大可能值的评价指标模糊区间权重值。根据模糊评价原理建立了模糊区间评价模型,建立了一种计算简便的区间数概率密度函数,并设计了一种区间数排序方法,利用模糊区间评价方法对评价方案进行了最大可能值排序和区间数排序,并综合考虑两种排序结果确定了最终排序。采用基于统计模糊权重和模糊区间评价的采矿方法优选模型进行了某多层矿床采矿方法优选,应用案例表明,用模糊区间数表示评价指标权重值更加准确、合理,评价过程较好地模拟了优选过程中的模糊性和不确定性,对采矿方法优选具有一定参考意义。

基于量纲分析的缓倾斜空区顶板稳定性的影响规律研究

缓倾斜薄-中厚矿床开采过程中,影响空区顶板稳定性的因素较多,多因素影响条件下的影响规律较为复杂且难以定量化。针对以上问题,以上横山矿为研究对象,根据单因素试验数值模拟结果确定了缓倾斜空区顶板拉应力最大值3max?和沉降量最大值maxZDISP的影响因素并分析了其影响特征,基于各影响因素的物理含义分别构建了3max?量纲模型和maxZDISP量纲模型;在此基础上,设计了缓倾斜空区顶板稳定性影响因素的数值模拟均匀试验,根据试验结果定义了顶板3max?和maxZDISP的无量纲函数关系式;选取了缓倾斜矿床空区顶板沉降的实例对maxZDISP无量纲函数关系式进行了验证,验证结果与实测值基本吻合,平均误差为9.68%,具有较好的应用价值。该成果可为缓倾斜矿床采矿参数的选取、空区顶板的管理等提供参考。

低强度胶结充填体相似材料配比试验研究

针对采用物理相似模拟试验模拟充填采矿法时,低强度胶结充填体相似材料配比参数选取问题,以石灰、高岭土、石膏、水和尾砂等作为相似材料,采用回归正交设计试验方法进行了充填体相似材料配比试验,开展了单轴压缩试验,获得了不同配比试样的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学试验指标。在此基础上总结了单轴抗压强度、弹性模量和泊松比3个试验指标关于石灰、高岭土、石膏和水4因素的回归方程,并分析了各因素对各试验指标的影响特征。通过物理相似模拟试验的实际应用证明了采用该配比方案总结的回归方程的有效性及相似充填体的良好相似性,该成果对胶结充填体相似材料配比的选取具有一定的参考价值和指导意义。

缓倾斜层状岩体单轴压缩力学行为的颗粒流数值模拟

针对不同层理面强度的缓倾斜层状岩体在单轴压缩试验中产生不同破坏形式的问题,以室内原岩单轴压缩试验结果为依据,采用颗粒流程序建立了缓倾斜层状岩体单轴压缩数值模型,研究了不同层理面强度条件下的缓倾斜层状岩体强度及破坏形式变化特征,并分析了不同工况时缓倾斜层状岩体微裂纹发育及演化规律和细观颗粒的位移演化规律,研究表明:当层理面强度远小于层理面间完整岩体强度时,层理面在一定程度上降低了层状岩体的整体强度,宏观破断面为沿层理面和贯穿层理面的折线型破断面;当层理面强度与层理面间完整岩体强度相近时,宏观破断面主要为光滑单斜面;当层理面强度远大于层理面间完整岩体强度时,层状岩体的强度由层理面间完整岩体的强度决定,宏观破断面主要为X型共轭破坏面。

复杂地形下缓倾斜磷矿床条带充填分区协同开采技术

如何实现复杂地形下缓倾斜矿体安全高效开采是目前亟待解决的关键问题。以宜昌某磷矿为工程背景,根据地应力不均匀分布特征构建分区采场结构,基于“协同开采”理念,提出了与其相适应的条带充填分区协同开采技术,实现了同一盘区回采与充填协同作业。运用物理相似模拟试验方法,研究了分区协同回采过程中顶板及围岩矿柱的受力变形特征及其变化规律,探讨了分区充填过程中采场矿柱的承载机制。结果表明:采区之间相互干扰程度较弱,围岩应力转移程度受埋深和开采步骤的影响较大;随着开采与充填的协同进行,不同采区条带上方顶板受拉与受压交错性分布;分区协同回采过程中,围岩及充填体矿柱并未发生明显破坏,其中一步骤充填体和围岩矿柱是采场内的主要承载体,二步骤充填体的承载作用相对较弱;盘区矿柱之间及隔离间柱发生了非对称性变形。为了进一步降低充填成本,在原有协同充填模式的基础上适当降低二步骤充填体的力学强度,并通过数值模拟方法验证了优化后采场充填模式的可行性。条带充填分区协同开采技术有助于实现复杂地形下缓倾斜矿床安全、高效、经济开采。

吴集铁矿(北段)二步骤矿柱回采方案的探讨

吴集铁矿(北段)-200 m中段以上采场采用浅孔留矿嗣后充填法开采。一步骤采场充填后,根据实际开采条件,提出适合的3种二步骤矿柱回采的方案,从如何安全、经济、高效且最大程度地回收资源等方面考虑,探讨适合吴集铁矿(北段)矿柱回采的采矿方法和采矿工艺技术参数。对类似开采条件矿山的矿柱回采具有一定的借鉴意义。

上横山多层页岩矿床低强度相似材料试验模型研究

通过相似配比试验,研制不同砂胶比的低强度相似材料,分析了砂胶比和胶结材料中水泥含量对其物理和力学性质的影响及其变化规律。根据上横山多层页岩矿床赋存条件和相似模拟试验要求,确定了3个可行的、有效的相似材料配比,结合相似模拟条件构筑了多层页岩矿床相似材料模型。试验结果表明,相同砂胶比的低强度相似材料的密度、抗压强度、弹性模量和泊松比均随胶结材料中水泥含量的增加而增大;密度、孔隙率、弹性模量和泊松比在低砂胶比条件下具有更小的波动性。进一步研究发现,选择的低强度页岩相似材料实际相似常数与设计相似常数误差≤1.77%;利用数值模拟回采矿床矿柱的变形特征与相似模拟试验基本相似,应变变化幅度≤8.76%,试验模型在多层页岩矿床模型试验研究上具有一定的合理性。研究结果为有效的进行多层页岩矿床地下开采研究提供科学依据和试验基础。

基于未确知测度理论的巷道稳定性评价

评价指标的不确定性是影响巷道稳定性评价的关键。为提高巷道稳定性评价的针对性,建立科学合理的评价模型,从地质条件和工程实际出发,运用未确知测度理论,选取影响巷道稳定性的岩体结构、顶板岩性、岩层倾角、开采深度、施工质量、断面形状、断面面积、支护效果、顶板控制方法、顶板位移量、巷道使用时间等11项因素。根据实测数据建立各影响因素的未确知测度函数,构建矿山巷道的稳定性等级评价和排序模型。采用定性、定量方法分析巷道稳定性评价中的不确定性影响因素,利用熵计算各影响因素的指标权重。依照置信度识别准则进行等级判定,得出巷道稳定性评价结果,并进行稳定程度排序。将该方法应用于某矿8条回采巷道的稳定性评价中。岩层倾角、开采深度、顶板位移量等3个评价指标权重比值差异较大,属于敏感性评价指标。较巷道R_(03)而言,巷道R_(08)的岩层倾角和开采深度2个评价指标的敏感性尤为明显,比值分别达77.43%、-46.72%。置信度取值的增加对评价结果没有显著影响,评价结果的可靠度较高。研究表明,将未确知测度理论应用于巷道稳定性评价是可行的。

基于量纲分析的岩石相似材料抗压强度计算模型

物理相似模型试验是复杂、难采矿技术研究的有效手段,而岩石相似材料物理力学特性的研究是试验有效进行的前提。根据相似原理和岩石的力学特性,论证了岩石相似材料单轴抗压强度的力学代表性。统计并分析了影响岩石相似材料单轴抗压强度的一系列因素,基于量纲分析的方法构建了岩石相似材料单轴抗压强度与砂粒径、配比材料总量、充填材料(砂)用量、水用量、养护方式等重要因素间的无量纲计算模型,结合岩石相似材料配比试验得到了定量关系式。选取3组具有代表性的岩石相似材料配比试验对所建立的单轴抗压强度计算关系式进行验证,其计算结果与实验室实测结果相吻合,平均误差为4.20%,定量关系式在岩石相似材料参数的研究上具有一定的合理性。研究结果可以为相似材料物理力学参数的预测及岩土工程物理模型试验相似材料的高效选取提供参考。

组合赋权-属性区间识别模型法优选采矿方法

针对采矿方法综合评价指标体系的模糊性与不确定性,根据矿山生产实际经验与评价指标选取原则,选取损失率、贫化率、生产能力、采切比、采矿工效、采矿成本、安全性、通风条件、工艺复杂性、适应性、炸药单耗、施工难易性、机械化程度、劳动强度等14项指标作为评价指标。以属性区间识别理论为基础,建立了采矿方法综合评价的属性区间识别模型,采用均化系数将属性测度区间转化为综合属性测度;然后采用乘法合成法将主客观权有机结合得到了理想的组合权重;最后分别根据置信度准则、灰色接近度和评分准则进行采矿方法等级识别和比较排序分析。将该方法应用于某矿采矿方法选择中,应用案例计算的各采矿方案的采矿方法综合优越度分别为1.766 3、2.125 9、2.506 1、1.662 8、1.503 0,确定多层条带开采嗣后充填法为最优的开采方案实例。研究表明,该模型简单方便、合理有效,为采矿方法优选提供了一种新方法。

采用区间数排序的采矿方法优选模型及其应用

针对采矿方法优选多属性决策中评价指标权重值难以确定和区间数排序难的问题,通过统计分析大量专家评价指标及其权重值,提出了基于专家经验统计的评价指标区间数权重值确定法;定义了有限个区间数排序时的目标区间数,解析了基于高斯平面直角坐标系的区间数与目标区间数二维关系.在此基础上,基于平面几何和极限的原理,定义了可实现对有限个区间数及同中轴区间数排序的区间数优势度函数,进而给出了该基于二维信息的区间数排序方法在多属性决策中的应用步骤.最后,通过采矿方法优选多属性决策实例验证了该方法的可行性和有效性.