基于熵理论的采空区失稳分析及稳定性评价.pdf

中图分类号X 丝互 U D C 互2 2 墨 硕士学位论文 学校代码 篮曼三 密级 公珏 基于熵理论的采空区失稳分析及稳定性评价 A n a l y s i so fG o a fI n s t a b i l i t ya n d E v a l u a t i o no fG o a f S t a b i l i t y B a s e do nE n t r o p yT h e o r y 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 陈娇 安全工程 安全工程 资源与安全工程学院 罗周全教授 黄沛生教授级高工 答辩委员会主席麴丝垄二一 中南大学 2 0 1 4 年0 5 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，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 中南大学或其他教育机构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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名卫＆缉_日期蝉年上月卫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全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并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 遂堑 日期卫咝L 年上月卫日 导师签 日期 日 万方数据 中南大学硕士学位论文摘要 基于熵理论的采空区失稳分析及稳定性评价 摘要影响地下金属矿采空区稳定性的因素众多且相互之间关系复杂。本 文依托国家“十二五”科技支撑计划课题采空区三维激光扫描空间信息 建模与动态监测技术研究[ 2 0 1 2 B A K 0 9 8 0 2 ．0 5 】及横向课题“大爆破采 场三维边界探测获取及贫损控制技术研究”，结合凡口铅锌矿工程实际， 综合运用熵理论和数值分析等方法及手段，开展采空区失稳分析及稳定性 评价研究，旨在从一个新的角度出发揭示采空区的失稳，研究形成适合矿 山采空区稳定性评价及分级的方法，为矿山开展采空区安全管理及其失稳 控制提供技术支持。论文的主要研究内容及成果如下 1 开展了基于熵理论的地下金属矿山采空区失稳研究，揭示了采空 区失稳过程的耗散结构机制，明确了系统熵等于安全熵与安全负熵之和的 关系，得出了系统熵与采空稳定性的关系。 2 在机理分析的基础上，建立采空区稳定性评价体系，针对凡口铅 锌矿实际，运用A H P 对采空区稳定性影响因子进行了权重分析，得出采 空区的稳定性评价和分级所需的各因素权重。 3 根据相关指标分级范围，结合因素权重，利用联系熵方法确定了 采空区稳定性分级标准。在获取待评价采空区S h ．2 8 0 m N 3 - 4 、 S h ．3 6 0 m S 2 、S h ．3 6 0 m S 5 、．S h ．6 0 0 m N 4 ．5 撑和S h ．6 0 0 m S 3 N 各稳定性评 价指标值的基础上，计算得到待评价采空区的联系熵值，通过与采空区稳 定性分级标准的比对，确定了待评价采空区稳定性等级。 4 为了验证联系熵对采空区稳定性评价结果的有效性，先后采用数 值模拟方法和C M S 实测分析的方法，分别从理论分析和实测的角度对其 进行了验证。结果表明将联系熵用于采空区稳定性的评价是可靠的，且 该方法具有原理简单和便于应用的优点。 关键词采空区；耗散结构；安全熵；F l a c 3 D ；层次分析法；联系熵 分类号X 9 3 6 Ⅱ 万方数据 中南大学硕士学位论文A b s t r a c t A n a l y s i so fG o a fI n s t a b i l i t ya n dE v a l u a t i o no fG o a fS t a b i l i t y B a s e do nE n t r o p yT h e o r y A b s t r a c t T h eg o a fs t a b i l i t yi si n f l u e n c e db ym a n yk i n d so ff a c t o r s ．a n dt h e i r r e l a t i o n s h i p s a r eq u i t ec o m p l e x ．B a s e do nt h en a t i o n a l “1 2 t hF i v e ．Y ．e a r ’ t e c h n o l o g i c a ls u p p o r tp r o g r a ma b o u tm i n e d o u t3 Dl a s e rs c a n n i n gs p a t i M i n f o r m a t i o n m o d e l i n g a n d d y n a m i cm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c h 2 012 B A K 0 9 8 0 2 - - 0 5 a n dt h eb i gt h r e e ．．d i m e n s i o n a lb o u n d a r yd e t e c t i o na n d d i l u t i o na n dl o s sc o n t r o lt e c h n o l o g yo fl a r g e s c a l e b l a s t i n gs t o p er e s e a r c h p r o j e c t s ，g o a fi n s t a b i l i t yi sa n a l y z e db a s e do nt h ee n t r o p yt h e o r ya n dg o a l s t a b i l i t y i se v a l u a t e db yn u m e r i c a la n a l y s i sw i t hr e f e r e n c et ot 1 1 e a c t u a l o p e r a t i o no fF a n k o uL e a d - Z i n cM i n e ，T h es t u d yi sa i m e dt or e v e a lt h eg o a f i n s t a b i l i t yi nan e ww a ya n dd e v e l o pam e t h o df i tf o rt h em i l l eg o a fs t a b i l i t y c l a s s i f i c a t i o na n de v a l u a t i o n ．A n dp r o v i d et e c h n i c a lb a c k - u pf o rt h em i l l eg o a f s a f e t ym a n a g e m e n ta n dg o a fi n s t a b i l i t yc o n t r 0 1 ． 肠em a i nr e s e a r c hr e s u l t so b t a i n e db yt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s 1 T h ed i s s i p a t i v es t r u c t u r eo f t h ei n s t a b i l i t yp r o c e s si sr e v e a l e d ．T h er u l e t h a ts y s t e me n t r o p yi se q u a lt ot h es u mo fs a f e t ye n t r o p ya n d n e g a t i v ee n t r o p y i sf o u n d ．1 1 1 er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es y s t e me n t r o p ya n dt h eg o a f s t a b i l i t yi s s u m m a r i z e d ． 2 O nt h eb a s i so fr e v e a l i n gt h em e c h a n i s mo fi n s t a b i l i t yo fm i n e d ．o u t a r e a ，g o a ls t a b i l i t ye v a l u a t i o ns y s t e m i s e s t a b l i s h e d ．A i m i n g a tf a n k o u l c a d - z i n cm i l l e ，i no r d e rt od e t e r m i n et h ew e i g h to fe a c hf a c t o r , A n a l y t i c a l H i e r a r c h yP r o c e s si sa p p l i e d ． 3 T h eg o a fs t a b i l i t y c l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r di sc a l c u l a t e d b yu s i n g c o n n e c t i o ne n t r o p ym e t h o d ，b a s e do nt h ew e i g h ta n dc l a s s i f i c a t i o no fe a c h f a c t o r ．T h eS h 一2 8 0 m N 0 一1 ．S h - 4 0 0 m S l 2a n dS h 一6 0 0 m N 6 撑Sa r et ob e e v a l u a t e dg o ba r e a s ．A f t e ra c q u i r i n gt h e i rp a r a m e t e rv a l u e s ，t h e i rc o n n e c t i o n e n t r o p y s a r ec a l c u l a t e d ．T h e i r g r a d e s a r ej u d g e d b Yc o m p a r i n gt h e i r c o n n e c t i o ne n t r o p y sw i t ht h eg o a fs t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r d ． 4 I no r d e r t ov e r i f yt h ee v a l u a t i o nr e s u l t sw h e t h e rm a t c ha c t u a l c o n d i t i o n ，F a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i so fC o n t i n u ai n3d i m e n s i o n ss o f t w a r ea n d C a v i t yM o n i t o r i n gS y s t e ma r eu s e d ．T h e yr e s p e c t i v e l yf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f I I l 万方数据 中南大学硕士学位论文 A b s t r a o t t h e o r e t i e a la n a l y s i sa n da c t u a lm e a s u r e m e n td e m o n s t r a t et h ee v a l u a t i o nr e s u l t s ． V e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o n n e c t i o ne n t r o p ym e t h o di se f f e c t i v et o e v a l u a t es t a b i l i t yo fg o a f ．B e s i d e s ，t h em e t h o di ss i m p l ea n de a s yt oo p e r a t e ． K e y w o r d s M i n e o u ta r e a ，d i s s i p a t i v es y s t e m ，e n t r o p yo fs a f e t y , F 1 a c 3 D ， c o n n e c t i o ne n t r o p y C l a s s i f i c a t i o n X 9 3 6 I V 万方数据 中南大学硕士学位论文目录 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅱ A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅲ 目j j 乏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 ， l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 课题由来及研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 课题由来⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．2 研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 10 3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．1 采空区失稳的研究现状⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 1 ．3 ．2 采空区稳定性分析与评价方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 10 4 研究内容、方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 基于熵理论的地下金属矿采空区失稳分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 采空区失稳的基本形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 采空区失稳过程的耗散结构机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 5 2 ．2 ．1 熵理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．2 ．2 耗散结构和熵变⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．3 采空区失稳过程的耗散结构机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 采空区失稳过程的熵描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 9 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 采空区失稳影响因子分析及稳定性评价体系构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 0 1 采空区稳定性影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．1 地质水文因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．2 采空区赋存结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．3 其他因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 采空区稳定性因索权重分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．1 层次分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．2 采空区失稳因素权重分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 V 万方数据 中南大学硕士学位论文目录 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 基于联系熵的采空区稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．1 联系熵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．1 ．1 集对分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．1 ．2 联系熵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．3 联系熵的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．2 采空区稳定性的联系熵评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．1 指标分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．2 确定各等级熵值范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．3 待评采空区评价指标值获取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 5 基于数值模拟与C M S 实测的稳定性评价结果验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 数值模拟验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 ．1 数值分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．1 ．2 数值模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．1 ．3F L A C 3 D 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～5 2 5 ．1 ．4 矿岩物理力学参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 ．5 初始应力和边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 ．6 结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．2C M S 实测验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．2 ．1 采空区实测模型的获取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．2 ．2 实测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～7 1 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．1 本文主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 6 ．2 下一步工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 攻读学位期间主要科研成果及获奖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 v I 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 引言 采矿工业是现代工业的基础，大力发展采矿工业是实现国家工业、农业、国防和 科学技术现代化的需要[ 1 1 。我国的采矿工业历史悠久且成就巨大，尤其是在新中国成 立后的六十多年，采矿工业获得了迅猛的发展。但在采矿工业迅猛发展大力推动我国 经济发展的同时，也为人民的生命财产安全埋下了各种隐患，因采空区失稳而导致的 各类灾害就是其最主要的表现之一。 在早期的地下金属矿开采过程中，空场采矿法被广泛使用，以致产生了大量采空 区。1 9 7 8 年时，空场法在我国地下金属矿的使用率曾达到5 5 ．7 ％。由于我国金属矿品 位普遍偏低，受经济利益的驱使，很多矿山企业，特别是小型私营矿山企业未对采空 区进行处理。因此随着采矿活动的进行，采空区的数量一直在增加。 据悉，我国有三分之二的省、区内曾发生过近两百处比较严重的采空区灾害。因 此而造成的损失也相当惊人经济方面损失有五百多亿元；对人民居住环境的影响就 更大了，单从土地塌陷面积来说就达七十万公顷[ 2 l 。从近年来的一些报道也能看出采 空区灾害的严重性。 2 0 1 3 年6 月2 3 日凌晨三点，湖北省随州市某矿业公司的老采空区发生坍塌，导 致留宿附近的六人死亡。该矿在1 9 6 0 ．1 9 6 9 年间由于开挖后未充填形成了大量的采空 区，至今未采取任何相关的防治措施，甚至连安全警戒标志也没有。最终导致了6 月 2 3 日的惨剧发生。 2 0 1 3 年6 月9 日0 1 3 0 ，中十冶有限公司在辉南县金鼎矿业二矿进行勘探作业 时，老采空区塌陷，造成2 人死亡。 2 0 0 8 年6 月1 7 日2 1 3 0 ，由于采空区塌陷，导致位于其上的包头市固阳县某矿 业公司的五间房屋倒坍，7 名矿工被埋。 2 0 0 8 年4 月2 2 日山东蓬莱发生的一起由未探明空区塌陷致使整个金矿塌陷的事 件，导致8 名矿工被困井下。 2 0 0 7 年8 月2 9 日0 3 o o ，由于神木县某矿的采空区塌陷引发3 ．3 级地震。而就 在该县，两年前同样由于采空区的塌陷引发3 ．1 级地震。 1 ．2 课题由来及研究目的和意义 1 ．2 ．1 课题由来 综上所述，采空区的治理已刻不容缓。但如果在没有一个明确地、科学地指导的 情况下，盲目地对所有采空区进行治理，那将耗费大量的人力、物力以及财力。那怎 样才能获得一个明确地、科学地采空区治理方案呢 解决此问题的前提是要对导致采 空区失稳的因素和致灾机理有一个正确地认识和掌握，在此前提条件下才能对各种各 样的采空区按危险程度进行合理评价分门别类，按轻重缓急、有序地、有针对性地进 万方数据 中南大学硕士学位论文l 绪论 行治理，从而达到保证矿区人民的生命财产安全的目的。 与此同时，国家计划在“十二五”期间，要使非煤矿山安全生产水平迈上新台阶 的目标和严峻的矿山安全形势都时刻警醒和鞭策着每一位矿山安全工作者。 为改善我国矿山作业环境，加强采空区灾害控制，减少伤亡事故，响应国家号召， 本文依托国家“十二五”科技支撑计划课题“采空区三维激光扫描空间信息建模与动 态监测技术研究[ 2 0 1 2 B A K 0 9 8 0 2 ．0 5 】”及横向课题“大爆破采场三维边界探测获取 及贫损控制技术研究”，结合凡口铅锌矿工程实际，对采空区的失稳进行探讨研究， 并在此基础上寻找更加科学、简便易行的采空区稳定性评价方法。 1 ．2 ．2 研究目的和意义 我国学者已从多个角度对采空区进行了大量研究，并取得了巨大成就，但也还存 在很多不足之处。一是由于导致采空区失稳的因素众多且相互关系复杂，至今对采空 区的失稳还未有一个普遍认同的解释；二是由于这个根本问题未能解决，所以对采空 区稳定性的评价、分级也是说法不一。 为了进一步研究采空区失稳，寻找更加科学合理的采空区稳定性评价指标和方 法，本文以凡口铅锌矿为研究背景，对采用大爆破高效采矿方法回采后形成的采空区 的失稳和稳定性评价方法展开研究，期望研究成果能为矿山井下各种采空区的治理和 采空区周边采矿工程设计提供科学的依据，为有效地防止各类人员伤亡、财产损失事 故的发生提供技术支持。 传统的采空区失稳分析主要是从力学的角度考虑，但由于采空区过于复杂，很多 问题只能简化处理，从而使研究模型与实际情况相差甚远。本文拟从系统的角度出发， 将采空区看成一个复杂的开放系统，以熵理论、耗散结构理论为手段对其失稳进行研 究，在此基础上运用层次分析法对采空区稳定性影响因素进行分析，并采用联系熵法 对其稳定性进行评价分级。希望通过对采空区稳定性的研究能达到以下目的 1 从一个新的角度进一步揭示采空区失稳，分析归纳影响采空区稳定性的因素， 为采空区的稳定性评价和失稳防治提供科学依据。 2 形成一个新的采空区稳定性评价方法，获得采空区稳定性分级结果，为采空 区周边开采设计和相关安全管理提供基础资料。 1 ．3 国内外研究现状 随着采空区灾害的频发以及国家对矿山安全工作的重视，国内外研究者们对“采 空区稳定性”课题的研究也从未停止过。图1 ．1 为在万方学术数据库输入关键词“采 空区稳定性”后得到的搜索结果逐年统计图，可以看出近年来学者们对采空区稳定性 的研究热情有增无减。总的研究方向可归纳为两个，分别为采空区失稳分析和采空区 稳定性评价，两个研究方向之问联系非常紧密，合理的采空区失稳分析是采空区稳定 性准确评价的基础，反过来，采空区稳定性评价理论和方法研究的进步又能进一步促 2 万方数据 中南大学硕士学位论文 l 绪论 进采空区失稳分析的发展。 图l - 1 采空区稳定性研究趋势图 1 ．3 ．1 采空区失稳的研究现状 1 基于围岩压力理论的采空区失稳研究现状 随着矿业的发展，坚硬岩层围岩稳定性和围岩压力理论的研究已有一百余年历 史，采空区失稳研究也伴随而生，其经历了古典压力理论、散体压力理论、“轴变论” 和共同作用理论等阶段。 古典压力理论是以海姆 H a i m ．A 、朗金 R a n k i n e ，W ．J ．M 和金尼克 且删陬， A ．H ． 理论为代表的，他们认为上覆岩层的重量是作用在支护结构上压力的来源。 但是随着矿业的发展，地下工程开挖深度不断增大，研究表明古典的压力理论存在一 定的问题。 因此，出现了新的理论散体压力理论。该理论认为对于埋藏深度较大的构 筑物，如采空区，只有围岩塌落范围内的松动岩体重量是支护结构上的压力的来源。 这与古典压力理论有所不同。代表理论有太沙基 T c r z a h i ，K ． 和普氏 ．1 I p o r o m , m O H O B ， M ．M ． 理论。该理论与当时的采矿技术水平相匹配，但没意识到围岩压力并不只是由 围岩的塌落造成的，即不是每个地下空间都会出现坍落拱，更没意识到围岩自身的抗 塌落能力，且散体压力理论也未能科学、合理地解释塌落拱的形成过程。 随后出现的“轴变论”弥补了散体压力理论的不足。“轴变论”认为弹性理论 可以很好的解释采空区塌落后自行稳定的现象，采空区围岩破坏的实质是因为应力集 中而导致的局部应力超过岩体承受极限引起的能量释放，坍落的实质是采空区通过自 身结构的调整来改变应力的分布，从而达到向没有拉应力和应力均匀分布的稳定状态 发展。但该理论对于受结构面控制的弹性体围岩难有实际指导意义。 自2 0 世纪5 0 年代，随着实践经验的逐渐积累，人们逐渐将弹塑性理论引入到采 空区稳定性研究中。6 0 年代后半段，采空区围岩压力理论又有了长足的发展，在考虑 万方数据 中南大学硕士学位论文l 绪论 支护和围岩共同作用的弹塑性理论解问世的同时，也有考虑围岩节理和裂隙的计算解 的出现。但采用共同作用理论解决工程问题的首要条件是获得原岩应力，如果在假设 的外载荷条件下进行计算，其计算结果有失真实性，当然也无从谈起其科学价值和实 用意义。目前应用共同作用理论解决工程问题，仍存在诸如计算所需数据难以获取 如 岩石力学参数等 ，对围岩破坏机理认识仍比较初浅，且完善的围岩破坏、失稳的判 断准则还未形成等问题。 为了弄清采空区的失稳，国内外学者进行了诸多的研究，其研究方法手段有理论 分析、室内试验、模型研究和现场实测等多种，如吴绵拔【3 】在进行地质调查、振动测 量、岩石力学试验、三维空间边界元分析及光弹性试验、动力模型试验的基础上，对 失稳进行分析并判断采空区的稳定性。主要研究角度有以下几种 1 从采空区稳定性影响因素着手。对各因素进行对比分析，以期寻找到影响 采空区稳定性的主要因素，进而达到控制采空区失稳的目的。如赵庆和为研究采空区 的失稳，将影响采空区稳定性的因素分为可变因素和不可变因素； 2 从采空区失稳的形式入手。如罗一忠【4 】将采空区围岩失稳分为切冒型、拱冒 型、冒落型等类，并从力学角度分别对其失稳进行分析； 3 根据采矿方法的不同，分类探讨采空区失稳。如黄英华【5 吲等对房柱法开采 矿山的采空区失稳进行了探讨，认为房柱法开采矿山采空区是否失稳的关键在于矿柱 是否破坏。 除了从传统的岩石、岩体力学角度对采空区失稳进行研究外，近年来还出现了一 些新的观点，如任青文[ 7 1 提出运用参数较少的块体单元法对地质结构面岩体进行稳 定分析，这样可大幅度提高计算精度与速度；李新平[ s 】等根据断裂力学和损伤力学的 理论和方法，分析讨论了岩石性质、裂隙面断裂、变形以及裂隙体方位与数量对采空 区稳定性的影响；刘艳红[ 9 】提出了对采空区失稳进行定量分析的采空区失稳流变．突变 理论模型；彭欣【10 】提出关键岩体的概念，认为采空区中的顶板和间柱结构是影响采空 区稳定性的关键岩体。 当前，虽然采空区失稳研究有了很大的发展，但仍然是初浅的，各种理论还正处 于验证和发展阶段。但有一点是大家所公认的，企图采用一种理论，解决各种不同地 质条件下和不同目的的采空区稳定问题是不现实的。为此，还需要对采空区失稳进行 深入研究，以使资源开采活动更安全可靠、经济合理。为此有人提出从新的角度 采用安全系统工程的原理和熵理论来解释采空区失稳的规律【1 1 1 。 2 基于安全系统工程和熵的采空区失稳研究现状 安全系统工程是一门应用系统工程的原理和方法提高工作效率和投入产出比，保 证劳动者生命安全和健康的科掣1 2 。3 1 。安全系统工程的内容包括系统安全分析、系统 安全评价、系统安全控制等。目前安全系统工程已被推广应用于多个领域，如应用于 4 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 隧洞工程的决策问题【】4 】，用于建立港口和物流系统的安全管理体系‘睁1 6 1 ，用于煤矿通 风系统㈣危险、有害因素的辨识和危害程度的预测等。 熵是克劳修斯在1 8 6 5 年基于热力学第二定律提出的概念。伴随着玻尔兹曼、普 朗克、W e i n e r N 等人的努力，熵的概念被逐渐延伸与丰富，出现了“熵”是分子运动 的无序程度和混乱程度的概念，以及后来的信息熵等，从而使“熵”的概念以焕然一 新的面貌出现在决策分析、人工智能等领域【I 妣1 1 。 1 9 2 3 年，“熵”在物理学家I ．＆普朗克和胡刚复教授的努力下引入了中国，而熵 理论在国内的迅速发展则应归功于钱三强，因为正是他将耗散结构理论引入中国才促 进了熵理论在国内的迅速发展。在李习彬瞄】、蔡天副2 3 】等众多学者的努力下，熵理论 与安全系统工程逐渐的进行了融合，人们将“熵”应用于系统的安全状况、稳定性程 度的描述中。 熵理论与安全系统工程在采空区的稳定性研究中有一定的应用，但主要应用于采 空区的稳定性评价。目前对于采空区失稳方面的分析主要还是应用岩石力学的手段与 方法，很少有从安全系统和熵理论的角度进行探讨的。 1 ．3 ．2 采空区稳定性分析与评价方法研究现状 根据对相关文献的分析和研究[ 2 4 - 2 5 1 ，目前采空区稳定性分析方法【2 6 】主要包括预测 法、解析法和数值模拟法三种。 1 预测法 采空区稳定性评价的预测法主要是通过建立影响采空区稳定性的评价指标体系， 根据一定数量的样本确定采空区稳定性各等级的值或范围，计算出待评采空区相应的 值或范围，经比较找出与待评采空区状态类似或相同的已知采空区的状态参数，通过 类比达到预测目的。 预测方法包括灰色预测方法、模糊数学方法，B P 神经网络法以及突变级数法等 方法。具体应用实例如程爱宝，古德生，刘洪强等将层次分析法与粗糙集理论相结 合，以主客观相结合的方式，更加科学合理的确定采空区稳定性影响因素权重，为采 空区稳定性预测奠定良好基础【2 7 】模糊物元法和可拓理论在采空区稳定性预测上有相 似之处，均需确定各指标在各等级的范围，这两种理论分别被唐硕等口8 1 和李克钢掣2 9 1 运用于采空区的稳定性评价和采空区的危险性分级上；除了应用可拓理论对采空区的 危险性进行评价分级外，李夕兵，董陇军等[ 3 0 】还采用未确知测度理论对采空区的危险 性进行评价，该理论根据每一个被评价采空区的实际情况来确定计算所用的权重，该 理论在权重确定方面更加的切合实际，但这样会使计算量急剧增加。对采空区稳定性 进行评价预测的方法还有二级模糊综合评判法1 3 1 - 3 2 】、突变级数法【3 3 1 、B P 神经网纠3 4 】 法等，突变级数法和B P 神经网络法的相似之处在于评价之前均需要一定量的样本进 行训练，只有当训练样本达到一定数量后其评价结果才能趋于准确合理。这些方法近 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 年来发展迅速，但其科学性、实用性仍需进一步的实践验证。 以上方法在采空区稳定性评价中都具有各自优势，但同时也存在诸多不足。模糊 理论存在着隶属度、权重难以确定等缺陷；灰色理论的准确性和使用的简便性不够好； 专家系统则因专家知识的获取和表达的繁重、困难，导致其应用出现诸多问题；B P 神经网络方法常面临陷入局部极小点和收敛速度慢等问题而运用突变级数法，模糊 物元法、可拓理论对采空区稳定性进行评价之前均需要预先有一个科学的等级划分， 等级划分的正确与否严重制约着评价结果。 2 解析法 解析法是指将各种工程体，按特定的方式简化成已有的、便于计算的物理或数学 模型，并进行求解的方法。如为了计算采空区稳定性而采用的结构力学方法就是一种 典型的解析方法。 3 数值模拟法 目前，有限差分方法、有限元法、边界元法、离散元法是在有关采空区稳定性模 拟中比较常用的数值模拟方法。其中的有限元方法由于其具有十几种本构关系可以选 用，单元灵活多变，发展较成熟等众多的优点而被广泛使用，特别是在复杂的大变形 问题的解决上尤为突出，如回采过程模拟、沉陷预测等。国内外许多比较成熟的有限 元计算软件已广泛的用于岩土工程的分析，如刘晓吲3 5 】等应用P h a s e 2 对采空区稳定性 进行数值模拟分析；李金风【3 6 1 、李超亮‘3 7 】应用l 疆P A 软件分别对采空区地压和顶板安 全厚度进行数值模拟分析等。也有学者提出将多种方法耦合进行数值模拟的。 数值模拟方法在采空区稳定性研究方面的应用众多，主要可分为静载荷模拟分析 和动载荷模拟分析两大方面。二者的前期工作是一样的，都需要进行建模，设置边界 条件，进行开挖模拟；不同的是动载荷模拟分析还需要另外加上研究所需的动载荷 如 以震动波的形式 。静载荷模拟分析是研究开挖过程对采空区稳定性的影响。动载荷 模拟分析是研究开挖过程中爆破震动对采空区稳定性的影响。 用得较多的数值模拟软件有F L A C 3 D 【3 s - 3 9 1 ，P h a s e 2 等数值模拟软件，为了加快建 模过程或使模型与实际情况更接近，许多学者还将这些数值模拟软件与其它具有强大 前处理功能的建模软件进行结合，如刘晓明【柏】等为了使数值模拟所使用的模型更加 的接近实际情况，采用C M S 和S u