大水矿山隔水关键层再造及其安全可靠性研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯ UDC 密级 编号 十- 初大誓 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目 杰鲞臻．出隔杰美德属矗蕊孤熹 ⋯⋯。2 ．塞全要靠丝研窥⋯⋯⋯． 学科、专业⋯⋯⋯⋯囊全拣搌孤王撵⋯⋯⋯。 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯嚣⋯．明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯孤终黑副熬撬⋯⋯⋯⋯。 U DC编号 L l l l lI l l lI l l l l l l l l mI Il i bU l 硕士学位论文 Y 2 4 2 2 3 3 3 大水矿山隔水关键层再造及其安全可靠性研究 R e c y c l i n gW a t e r - r e s i s t i n gK e y - - s t r a t u mf o rM i n e w i t h G r e a tW a t e ra n dR e s e a r c h i n go fI t sS a f e t yR e l i a b i l i t y 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期 贾明贝明 安全技术及工程 资源与安全工程学院 邓红卫副教授 砂协，，『．∽／ 答辩委员会主席垂．堑三少 中南大学 2 0 12 年11 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 整里旦日期2 叟1 1 年j L 月监日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 地下矿山防治水技术研究是一项系统工程，更是大水矿山开采的 难点，如何采取有效措施，实现大水矿山的安全开采是国内外研究的 重点。开展对大水矿山安全开采技术的研究，将有助于提高我国大水 矿山开采技术水平，有效保护区域地下水资源。 本文以新桥矿业公司露天转地下工程为研究对象，以采矿环境再 造理论为指导，综合运用理论分析、数值模拟等方法，对大水矿山防 治水技术进行深入研究。主要研究内容如下 1 在对我国大水矿山防治水技术进行深入分析的基础上，提 出了再造隔水关键层的基本思路；同时，对隔水关键层的原理、概念 模型，隔水关键层再造的基本原则、技术体系等进行了深入探讨。 2 基于抗压强度对隔水关键层的力学模型进行分析，讨论在 开采扰动条件下关键层的破坏模式，并对关键层的合理厚度进行理论 预测，得到一个最优理论值。 3 利用3 D M I N E 、M I D A S ／G T S 等软件建立三维地质模型， 并利用F L A C 3 D 软件进行流固耦合数值分析，模拟隔水关键层在分 层开挖、填充条件下的损伤及整体稳定性情况。分析结果表明隔水 关键层最大塑性破坏深度为1 9 ．8 m ，即隔水关键层在开采扰动条件下 是稳定性的，能够起到有效的阻隔地下水的作用。 4 在分析影响隔水关键层安全可靠性因素的基础上，利用 M a t l a b 软件进行编程，分别采用J C 法、最优化法及基于最优化原理 的蒙特卡罗法来计算隔水关键层的安全可靠度、失效概率等，进一步 验证隔水关键层的安全可靠性。基于特尔菲．理想点法建立隔水关键 层安全评价模型，对其安全稳定性进行评判。 关键词大水矿山，隔水关键层，采矿环境再造，特尔菲法，安全可 靠性 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T H o wt ot a k ee r i e c t i v em e a s u r e st oa c h i e v es a f e t ym i n i n gi nm i n e w i t hg r e a tw a t e ri St h ef o c u so fr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a df o rt h a t u n d e r g r o u n dm i n ew a t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o li sn o to n l yas y s t e m a t i c p r o je c t ，b u ta l s oad i f f i c u l t yi nm i n ew i t hg r e a tw a t e r ．I tw i l lc o n t r i b u t et o i m p r o v i n go u rf l o o dm i n i n gt e c h n i c a ll e v e l ，a n dt h ee f f e c t i v ep r o t e c t i o n o fr e g i o n a lg r o u n d w a t e rr e s o u r c e st oc a r r yo u tr e s e a r c ho nm i n ew i t h g r e a tw a t e rs a f e t ym i n i n gt e c h n o l o g y ． A ni n - d e p t hs t u d yo ft h et e c h n o l o g yo fu n d e r g r o u n dm i n ew a t e r p r e v e n t i o na n dc o n t r o l i sc a r r i e do u tb a s e do nt h es u b je c tt h a tt h e t r a n s i t i o nf r o mo p e np i tt ou n d e r g r o u n dm i n i n go fX i n q i a oM i n i n g I n d u s t r yC o r p o r a t i o nw i t ht h eg u i d a n c eo fr e e n g i n e e r i n gt h e o r yt o t h e m i n i n ge n v i r o n m e n t ，a n dt h ei n t e g r a t e du s eo ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ．A n da sf o l l o w sa r et h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t s 1 O nt h eb a s i so fi n d e p t ha n a l y s i so fC h i n a ’Sm i n ew a t e r p r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi nm i n ew i t hg r e a tw a t e r , t h eb a s i c i d e ao fr e c y c l i n gw a t e r - - r e s i s t i n gk e y - s t r a t u mi sp r o p o s e d ；a tt h es a m e t i m e ，t h ep r i n c i p l ea n dc o n c e p t u a lm o d e lo fw a t e r ．r e s i s t i n gk e y - s t r a t u mi s d i s c u s s e di nd e t a i l ，a sw e l la st h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g ys y s t e m o f w a t e r - r e s i s t i n gk e y s t r a t u mr e c y c l i n g ． 2 B a s e do nt h et h e o r yo fc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t h em e c h a n i c a l m o d e lo fw a t e r - r e s i s t i n gk e y - s t r a t u ma n a l y z e df i r s t ，a n dn e x tt h ef a i l u r e m o d eo fw a t e r - r e s i s t i n gk e y - s t r a t u mo nt h em i n i n gd i s t u r b a n c ec o n d i t i o n s ， a n dt h e nt h er e a s o n a b l et h i c k n e s so ft h ew a t e r - r e s i s t i n gk e y - s t r a t u mi S t h e o r e t i c a l l yp r e d i c t e dt oa c h i e v e t h et h e o r e t i c a lm i n i m u mv a l u e ． 3 T h ei n j u r ya n dt h eo v e r a l ls t a b i l i t yo ft h ew a t e r - r e s i s t i n g k e y ．s t r a t u mu n d e rt h el a y e r e de x c a v a t i o n ，t h e n f i l l e dc o n d i t i o n si S s i m u l a t e db a s e do nt h e3 Dg e o l o g i c a lm o d e lw h i c hi se s t a b l i s h e db y 3 D M I N E ．M I D A S ／G T Ss o f t w a r e a n dt h en u m e r i c a l a n a l y s i s o f f l u i d ．s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nb yF L A C 3 Ds o f t w a r e ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a t T h e m a x i m u mo h , t i cf a i l u r ed e o t ho fw a t e r - r e s i s t i nk e y s t r a t u m p l a s t i c c t e p t l aw a t e r - r e s i s t i n gK e ys t r a t u m - i s l 9 ．8 m ，w h i c hm e a n st h ew a t e r - r e s i s t i n gk e y s t r a t u mi ss t a b l ei nm i n i n g I I 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T d i s t u r b a n c ec o n d i t i o n s ，a n di ti Sa ne f f e c t i v e b a r r i e rt ou n d e r g r o u n dw a t e r ． 4 B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es a f e t ya n d r e l i a b i l i , yo ft h e , ，r - r e s i s t i n gk e y ．，t h es a f e t yr e l i a b i l i t y , f a i l u r e r e l i a b i l i t y o ft h ew a t e r - r e s i s t i n gk e ys t r a t u mt h es a f e t yr e l i a b i l i t y , f a i l u r e - ， p r o b a b i l i t y o fw a t e r - r e s i s t i n gk e y ．s t r a t u m i S c a l c u l a t e df o rf u r t h e r v e r i f i c a t i o no ft h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fw a t e r - r e s i s t i n gk e y ．s t r a t u m w i t ht h eJ Cm e t h o da n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o da n dM o n t eC a d o M e t h o db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fo p t i m a l i t yt a k i n ga d v a n t a g eo fM a t l a b s o t R w a r ep r o g r a m m i n g ．A ne v a l u a t i o nm o d e lb a s e do nD e l p h im e t h o da n d i d e a lp o i n tm e t h o di Se s t a b l i s h e d ，b yw h i c hw ec a nc l a s s i f yt h eS a f ．e t y r e l i a b i l i t yo ft h ew a t e r - r e s i s t i n gk e y ．s t r a t u m ． K E YW O R D S M i n ew i t h g r e a tw a t e r , W a t e r - r e s i s t i n gk e y - s t r a t u m ， M i n i n gE n v i r o n m e n tR e c o n s t r u c t ，D e l p h im e t h o d ，S a f e t yr e l i a b i l i t y I I I 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 课题来源与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 国内外研究现状综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 ．1 矿山防治水技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．2 覆岩厚度理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．3 人工构筑物安全可靠性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．4 研究内容及思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．4 ．1 研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 ．2 研究思路及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 第二章大水矿山隔水关键层再造技术体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 大水矿山隔水关键层再造的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 隔水关键层原理及概念模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．1 隔水关键层原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．2 隔水关键层水文地质概念模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 隔水关键层再造的基本原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．4 隔水关键层再造技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 ．1 破碎岩土体注浆理论模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 ．2 浆液在裂隙中的扩散机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 ．3 注浆材料选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 ．4 注浆工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 第三章隔水关键层厚度的预测及优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．2 矿区工程地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．3 矿区水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 顶板岩层非线性特性及其破坏模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 中南大学硕士学位论文目录 3 ．2 ．1 顶板岩层的非线性特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．2 顶板岩层破坏模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 基于抗渗标准的隔水关键层厚度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 ．1 隔水关键层厚度理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 ．2 参数选值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 基于抗压强度的隔水关键层厚度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．1 隔水关键层厚度理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．2 隔水关键层厚度理论预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 ．3 隔水关键层厚度的优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 第四章隔水关键层稳定性数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 数值模拟方法与软件的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．1 模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．2 流固耦合计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 岩土体失稳判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．1 围岩力学判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．2 容许或极限位移量判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2 ．3 塑性区贯通法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．4 收敛位移及收敛L L 笋, J 据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．5 失稳判据的综合应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 本构模型及力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．4 3 4 ．3 ．1 模型基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 - 3 ．2 矿岩及充填体力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．3 模型边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．4 几何模型及网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．4 计算结果及稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4 ．1 自然条件下的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4 ．2 第一分层开挖充填模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4 ．3 其他分层开挖、充填模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．4 ．4 顶板关键层应力、位移及塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．4 ．5 孔隙水压力模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 第五章隔水关键层突水安全可靠性分析及评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 I I 中南大学硕士学位论文目录 5 ．2 人工构筑物的可靠性特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．2 ．1 地下岩体特征的不确定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．2 ．2 注浆充填体强度的不确定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．2 ．3 阻水性能的不确定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．3 安全可靠性分析的意义及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．3 ．1 结构可靠度的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．3 ．2 可靠度分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．4 隔水关键层突水安全可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．4 ．1 隔水关键层极限状态方程的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．4 ．2 基于J C 法的可靠度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．4 ．3 基于最优化方法的可靠度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．4 ．4 基于最优化原理的M o n t eC a r l oM e t h o d 法J O．OOllOIQ t ．．．．．i ．．．．7 4 5 ．4 ．5 可靠度指标的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．5 基于特尔菲．理想点法的阻水可靠性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 5 ．5 ．1 特尔菲．理想点法的基本原理及评价步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 5 ．5 ．2 隔水关键层隔水性能评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 第六章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 6 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 6 ．2 主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 8 I I I 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 引言 据有关资料显示，我国九成以上的能源和八成左右的工业原料都来自于矿产 资源。矿业的重要性是不言而喻的，任何离开矿产资源供需的国家发展计划和规 划，都将是“空中楼阁”，即使是知识经济时代也是如此。古德生院士也曾经说 过，矿业是国民经济的基础产业，由此可见作为国民经济重要的组成部分，矿业 在我国经济建设中有着不可替代的作用。然而，由于前期的发展没有科学的规划， 使得矿业的开发对我国的环境造成了严重的破坏。 从目前科学技术水平与宏观调控机制来看，矿业开采与矿区水资源保护是相 悖的。一方面，矿业的开发会对矿区及流域水资源造成严重损耗，采矿对水资源 的损耗主要表现在1 、开采之前，为保证安全开采，需要预先进行矿井排水， 主要包括地表水体、地下含水层、岩溶水等；2 、采动沉降影响及采动裂隙带会 对上覆含水层产生自然疏干。可见，矿业开发需要损耗大量的水资源。 另一方面，矿业开发还会对矿区及流域水资源造成严重污染，这主要是由于 矿井污水未经处理就直接排掉，而其中含有大量的重金属粒子。统计表明，地下 水占到全国水资源总量的1 ／3 ，全国有近7 0 ％的人口饮用地下水，然而全国将近 9 0 ％的地下水都遭受了不同程度的污染，其中6 0 ％污染严重。 矿业开发与地下水资源保护之间的矛盾是普遍存在的，而水口山铅锌矿、张 马屯铁矿、新桥硫铁矿、铜录山铜矿、湖北大红山矿、业庄铁矿、俄罗斯霍布拉 克煤矿等矿山，由于其矿床水文地质条件复杂、涌水量大，因此，矿床开采与地 下水资源保护之间的矛盾更加突出。 大水矿床主要是指赋存于含水岩系中，涌水量大于l m 3 ／s 、或静水压力达2 ～ 3 M P a 以上的矿体。水口山铅锌矿1 1 1 、新桥硫铁矿等就属于这种典型意义上的大 水矿床。该类矿床具有水文地质条件复杂、矿坑涌水量大、破坏后果严重、波及 范围广等特点。其开采往往存在着一系列问题，诸如损耗地下水资源、引发环境 地质灾害、产生地表塌陷、矿井突水、矿产资源损失严重等。以非煤矿山为例， 预计到2 0 1 0 年我国4 6 ％的主要有色金属矿山将因资源枯竭而关闭，到2 0 2 0 年仅 有不足2 0 ％的矿山能够维持生产猛J 。 一方面，经济的不断发展，使得人类对矿产资源、水资源的需求量日益增大； 另一方面，矿产资源、水资源均为稀缺资源，不可再生。为解决这种矛盾，改变 这种状况，我国已于2 0 1 1 年将“发展绿色矿业”上升为国家战略，这足以说明 国家对“发展绿色矿业”的坚定决心。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本文在前人已有研究的基础之上，尝试着将矿业开采与地下水资源保护有机 结合起来，走发展绿色矿业之路。针对大水矿床水文地质条件复杂、涌水量大、 开采难的特点，提出人工再造隔水关键层这一构想。从而在隔水关键层的保护之 下，进行矿床开采活动，确保其能够安全、顺利地进行，并可以有效地保护矿区 地下水资源。 1 ．2 课题来源与研究意义 本文的研究内容主要来源于校企合作科研课题“区域多水源缓倾斜矿体露天 转地下产能转换与生态重建综合技术研究”。以新桥矿业公司露天转地下工程为 研究对象，开展大水矿床隔水关键层再造及其安全可靠性的研究。本文的研究工 作具有以下几方面的意义 1 本文内容作为新桥矿业公司防治水方案的一部分，完善了其防治水方案， 文中初步确定的隔水关键层厚度，为新桥硫铁矿工程实践提供了技术及设计依 据； 2 文中提出通过对顶板破碎岩体进行注浆以形成隔水关键层，为类似大水 矿山的防治水工作提供了一种新的思路，并提出了隔水关键层厚度的理论预测公 式，对其他大水矿山确定隔水关键层的厚度具有参考意义； 3 隔水关键层再造即采取以堵为主的防治水方案，有效地保护了区域地下 水资源，实现保水采矿，为我国发展绿色矿业提供了些许思路。 1 ．3 国内外研究现状综述 大水矿床充水来源均较为多样化，大多是几种水源共同补给地下采坑，主要 包括地表水系、大气降水、孔隙水、裂隙水、岩溶水。但也有部分矿床在一般季 节以岩溶水为最主要的充水来源，在雨季则以大气降水、地表水等为主要的充水 来源。但总的来说，可以将大水矿床分为两类，一是以孔隙水为主要充水来源的 矿床，二是以岩溶水为主要充水来源的矿床。 目前，国内外关于大水矿床的防治水技术研究，主要包括以下几个方面 1 ．3 ．1 矿山防治水技术研究 大水矿床在我国分布广泛，崩落法、空场法、充填采矿法等三大类采矿方法 在大水矿床开采中都有所应用，但是所占比例各有所不同，其中以充填采矿法占 比最高。由于不同矿山的水文地质条件及采矿方法的选择均有所不同，因而防治 水措施的制定及实施必须因地制宜，防治水措施也因矿山而异，但总的来说，主 要分为以下几种 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 “以疏为主’’早期，由于人们认知的局限性及环境保护理念的淡薄， 大多认为地下水是矿山水灾害 如涌水、透水事故 的罪魁祸首，往往忽略了地 下水的资源属性，常把大气降水、地表水、地下水等作为防治的对象。因此，多 数大水矿山采用“以疏为主”的防治水措施，对地下水进行疏干排放，甚至深降 强排，如凡口铅锌矿、水口山铅锌矿等等。 矿床疏干排水技术虽然可以解决矿山水患问题，进而使得一些矿山得以投 产，但由此也出现了一系列的地质环境问题，给矿山生产带来了许多问题①矿 井突水事故；②地面塌陷，影响地面建构筑物、交通运输以及农田耕作和灌溉等； ③导致海水入侵，破坏当地淡水资源；④土地石化和沙化，生态环境遭到破坏； ⑤导致矿山周边地区缺水，触发工农矛盾；⑥矿山排水费用高居不下；⑦引起水 资源枯竭等。 随着经济社会发展水平的不断提高，对资源的需求量也越来越大，矿山开采 的深度也在不断加深；此外，矿山安全法律法规也日益完善、环境保护工作不断 深入等。由以上分析可知“以疏为主”的防治水方案的局限性也越来越强，适 用范围日趋缩小，在大水矿山已难以实施。 2 “疏堵结合，以堵为主”随着人们认知水平的提高、生态保护意识的 增强，以及水资源短缺问题的日益突出，人们逐渐认识到地下水也是一种重要的 资源，且极其稀缺。在这种思想的指引下，矿山防治水理念也有了新的发展。防 治水方法也有了很大发展，如帷幕注浆堵水、放水降压、超前探放水等等，其中 帷幕注浆堵水技术又是其中最为重要的技术。 近年来，国内外众学者对帷幕注浆堵水开展了一系列的研究工作①辛小毛 1 3 1 等认为帷幕注浆堵水技术是大水矿山防治水的一个重要发展方向；②黄炳仁1 4 1 等综合考虑岩体力学、弹塑性力学等理论，创新性地将注浆帷幕体的厚度分为有 效厚度和无效厚度两部分，通过确定注浆堵水帷幕体的允许抗压强度，计算确定 注浆堵水帷幕的厚度，并结合山东莱芜业庄铁矿，进行工程实践③高建军| 5 1 等论述了依据注浆材料所容许的渗透比降和帷幕所承受的最大水头日来确定堵 水帷幕厚度的原则和方法；④王亮| 6 1 等通过理论分析对井下近矿体注浆帷幕的厚 度进行了理论计算，并通过数值分析方法对帷幕厚度的合理性进行了验证。 3 “保水采煤”1 9 9 0 年之后“保水采煤”思想的提出，2 0 0 3 年钱鸣高院 士提出了绿色开采的概念和技术体系，保水采煤成为绿色开采的重要组成部分。 1 ．3 ．2 覆岩厚度理论研究 李廷春【7 1 等通过选取隧道典型剖面，应用数值分析研究，根据其分析结果得 到厦门海底隧道的最小顶板厚度，然后根据应力区分布、洞周位移、塑性区分布、 中南大学硕士学位论文第一章绪论 损伤区等，评判隧道开挖时的稳定性。张明平1 8 1 等则通过工程类比手段初步确定 海底隧道顶板厚度的取值范围，并综合考虑经济因素、安全因素，对其进行经济 经济评价，然后通过工程优化手段，决策得到最优的海底隧道最小顶板厚度。李 术才1 9 , 1 0 ] 等通过大量的数值分析、理论计算研究，得到如下的结论最小覆盖层 厚度主要取决于海水深度、岩体特性、软土层厚度、施工方法等。王丽霞【1 1 】等采 用数值分析及多元回归分析法对水体下隧道上覆土的安全厚度进行了深入研究， 建立了其最小安全厚度的预测模型。 挪威至今已修建1 0 0 多千米的海底隧道，在海底隧道最小顶板厚度方面的研 究经验较为丰富，挪威海底隧道最小覆岩的厚度均不到5 0 m ，最小的仅为2 3 m l l2 | 。 Z ．D ．E i s e n s t e i n l l 3 l 通过对不同岩性的岩石进行对比，分别针对较好、较差的岩石， 对海底隧道的相关资料进行统计分析，得出了相应的覆盖层最小厚度经验曲线， 进而确定水体下上覆岩层厚度和水体深度的关系。 水体下采矿和修建隧道有着相似之处，主要体现在以下几点1 、项板均承 受一定的静水压力，突水的危险性较大；2 、开采的力学扰动会在顶板中形成一 定深度的导通裂隙带，可能贯通上部水体。 鉴于水体下采矿与水下修建隧道存在着相通之处，在确定水体下采矿隔水关 键层最小安全厚度时，可借鉴确定水下隧道最小覆盖层厚度方面的经验。已有研 究主要是通过工程类比、或经验法来确定上覆岩体最小安全厚度。本文在此基础 之上，通过理论分析推导出最小安全厚度的理论公式，然后根据得到的最小安全 厚度值建立数值分析模型，应用软件进行流固耦合分析，判断隔水关键层是否会 发生破坏。 1 ．3 ．3 人工构筑物安全可靠性研究 2 0 世纪5 0 年代，弗洛伊登撒尔 A ．M ．F r e u d e n t h a l 1 1 4 ] 首先研究了传统设计 法中的安全系数和结构破坏概率之间的内在关系，建立了结构可靠性分析的理想 数学模型，并于1 9 4 7 年发表了“结构安全度’’一文，据此奠定了结构可靠性的 理论基础。缪协兴I ”1 等提出了保水开采隔水关键层的基本概念，建立了复合隔 水关键层的基本力学模型，并对复合隔水关键层的强度、刚度等相关力学性能进 行了分析，进一步对复合隔水关键层的不同组合的隔水能力进行了判定，为绿色 矿山理论提供了新的思路和技术途径。 郝哲，王英刚l l6 J 等基于可靠性理论，并结合工程实践，对注浆帷幕体的静 态可靠性进行了分析，构建了一整套较为完善的注浆帷幕体可靠性分析系统。王 杰【1 7 1 等人将可靠度理论引入注浆帷幕体的可靠性评价中，并给出了注浆帷幕体 的可靠性的概念、可靠性指标等等，对于研究注浆帷幕体的安全可靠度具有一定 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的指导意义。 朱和玲1 1 8 J 9 l 等借助于F L A C 3 D 及N E S S U S 软件，对井下人工构筑物进行了 可靠度分析，根据可靠度计算结果，设计人员得以更好地分配各参数的误差，从 工艺、选材等方面寻求提高可靠性的有效途径，得到优化设计的目的。郝哲，何 修仁‘2 0 1 等建立了岩体注浆堵水可靠性分析体系，对注浆形成的帷幕体的可靠性 进行评价，为评价注浆帷幕的堵水效果提供了思路。张后全1 2 1 1 ，马广明‘2 2 l 等对 煤层顶板因井下开采而引起的突水过程进行了数值模拟分析，比较好地揭示了煤 层顶板的突水过程。可以通过该方法来判断隔水关键层在开采扰动下是否会发生 突水事故，评价其安全可靠性。 隔水关键层上部是具有一定承压水头的含水层，在其下开采时，常常发生顶 板突水事故，引起底板突水的因素很多，存在不确定性。本文采用可靠度理论， 并利用M a t l a b 软件进行编程，基于可靠度分析方法来评判隔水关键层的安全可 靠性。 1 ．4 研究内容及思路 1 ．4 ．1 研究的主要内容 本文针对大水矿床水文地质条件复杂、涌水量