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