数值计算与模拟技术学习报告

昆明理工大学数值计算与模拟技术学习报告数值计算与模拟技术学习报告通过对数值计算与模拟技术这门课程的学习，针对大红山铁矿多采区大规模开采地压监测方面的问题做简要介绍。一、国内外地压监测技术现状与发展趋势1、国外技术与发展趋势上世纪下半叶后期以来，国外矿山地压监测就已经开始采用先进的、高科技的全天候实时监测技术，如多通道微震监测技术、激光位移实时监测预警技术等，克服了常规地压监测的不足，大大提高地压监测效果，同时也改善了常规地压监测的劳动强度。多通道微震监测技术作为最重要的实时全天候监测技术，是目前国际上先进的矿山地压灾害监测技术，它实现了对地压灾害的空间定位、连续和自动监测、信息远传输送，以及监测结果的计算机可视化处理等功能，为地压监测的高技术手段。在国外，该方法已成为大规模机械化开采、复杂开采、高地应力矿山地压灾害监测的主要地压监测手段，南非的深井金矿、美国、加拿大、俄罗斯和澳大利亚等国的金属矿山普遍地得到使用。微震监测技术在国外作为一种先进的地压监测技术，在矿山地压监测、灾害预警、安全生产和地压管理方面起到了良好的效果，已成为国外矿山地压监测、灾害预警的基本手段。在一些发达的采矿大国，如澳大利亚、加拿大等国家，矿山行业已经提出了“零死亡”的安全目标。也正是严格的矿山安全管理、大量先进的地压监测手段的采用，使得发达采矿国家达到了这个安全生产目标。从总体上讲，国外微震监测技术正朝着大通道数、数据高速采集、信号的智能化自动处理、地压灾害预警等方向发展。2、国内技术与发展现状长期以来，我国金属矿山在安全生产方面大多采用人工地压管理方式，也结合了一些常规的地压监测方法和手段，如压力（应力）、位移、电法等的监测。虽然这种管理方式在确保矿山安全生产方面取得了一定的作用，但由于这些监测手段都不能实现全天候实时监测，对矿山的主要地压灾害的防治没有实质性的作用。特别是近年来一些矿山开采深度的加大、开采环境恶化、多采区同时作业等，导致矿山地压现象日趋复杂化，矿山安全生产的形式严峻，仅仅采用常规的人工地压管理与监测方式已经并且将不适应复杂多变的矿山地压灾害防治工作的需要。在国内，上世纪80年代中后期开始微震监测技术方面的研究，当时也主要是引进国外模拟信号型的监测设备。我国在自主研发方面，无论是从仪器设备的开发、设备性能、功能和质量，还是数据处理与分析、可视化等方面与国外相比还存在很大的差距。本世纪以来，国内开始从国外直接引进多通道微震（声发射）监测技术，等先进的高科技监测手段开始在国内矿山地压监测中得到应用，并取得了较好的效果。如长沙矿山研究院从2001年开始就在国内第一个引进全数字型微震监测系统，并在凡口铅锌矿得到应用；之后，又先后在柿竹园又饿金属公司、香炉山钨矿等成功开展了微震监测技术的应用研究。国内其他一些大专院校和科研单位也在张马屯铁矿、冬瓜山铜矿、会泽铅锌矿等金属矿山引进国外先进的微震监测技术，开展了微震监测技术的应用研究。另外，在水电隧道、高陡边坡的安全监测中，通过引进国外先进的微震监测设备，也开展了一些应用研究。由于国内在设备开发、信号分析与处理、理论分析方法和可视化技术方面与国外的产品还存在很大的差距，目前国内矿山在地压微震监测技术方面主要是引进国外的先进仪器设备，开展地压的应用研究工作。通过近十年的应用研究，国内在地压微震技术应用研究方面已经取得了可喜的成就，在微震监测应用技术研究方面积累了宝贵的经验，在指导矿山安全生产、矿山地压灾害预警方面起到了积极的作用。二、大红山铁矿地压监测实施的意义和必要性大红山铁矿位于云南省玉溪市新平彝族、傣族自治县嘠洒镇，大红山铁矿矿床规模巨大，共有矿石量4.5亿吨。大红山铁矿隶属昆明钢铁集团总公司，是该公司的主要资源供给矿山。大红山铁矿可分为浅部铁矿、深部铁矿、曼岗河北岸铁矿、哈姆白祖铁矿和Ⅰ号铁铜矿带五个地段，矿段划分如下图所示。由于大红山铁矿床的多矿段分布特点，在以往的矿山开采生产中已经形成了主采空区、中部Ⅰ#采空区和中部Ⅱ#采空区三个较大的采空区，其暴露面积与空间立体交错，在目前国内铁矿山中是最大也是最复杂的，见图2所示。在大红山铁矿的开采规划中，于2011年底将开采Ⅱ主矿体主采区上部Ⅲ、Ⅳ号矿体和下部的Ⅰ号铜矿带，介时将形成地下深部主采区、Ⅲ、Ⅳ号矿体、Ⅰ号铜矿带和地表露天开采四个采区。在井下三个不同采区，分别采用不同的采矿方法开采，主采区为无底柱分段崩落法，Ⅲ、Ⅳ号矿体根据不同的产状和厚度将分别采用小分段空场嗣后废石加尾砂充填法、分段空场嗣后全尾砂充填法、无轨运输浅孔房柱法，Ⅰ号铜矿带将采用点柱向上充填法开采，地表露天采场采用15m高台阶开采。由此可见，大红山铁矿是一座多区段开采、露天-地下开采、地下多种采矿方法开采的特大型矿山，这种复杂的开采方式在空间上将形成露天、地下、浅部、深部、多矿段、多区段立体联合开采的局面，其引发的地压活动极为复杂，必然导致各采矿方法自身的安全性、各采区之间的相互影响等重大技术难题，将对安全生产管理工作带来巨大挑战。它将成为国内开采规模最大、开采方式最复杂、地压管理极为复杂、在国内国际上也是无先例的矿山。以往的生产中，由于已有的三大采空区的影响，已经造成地压活动十分活跃，主要表现在380m、400m、420m、440m、560m、590m分段发生了剧烈的片帮冒顶、断裂及岩爆等地压显现现象。可以预见，随着Ⅲ、Ⅳ号矿体和Ⅰ号铜矿带的相继投入生产，以及主采区向深部开采，地压问题将更加突出。结合以往的生产历史、地压显现现象以及将来的Ⅲ、Ⅳ号矿体和Ⅰ号铜矿带开采，可知大红山铁矿已经存在和将要出现以下地压问题：（1）主采区无底柱分段崩落法上覆岩层塌陷区的范围不清楚，主采空区与塌陷区周边围岩体的塑性区影响范围不清，使得对周边矿体开采程度不清楚，影响到对周边矿体开采设计与规划。（2）主采空区上覆岩层的稳定性、崩塌特点等不清楚，主采空区上方的覆盖岩层不能及时冒落形成覆盖层，将直接威胁深部采矿场的安全生产。（3）地下开采与露天边坡的影响问题，已完成的两个地压与岩石力学研究项目所得的结果不一致，一些研究结论与实际发生的地压显现情况也不相符合，影响到进一步的矿山总体开发设计。（4）露天采区的边帮及采场内存在民采空区，总体上对这些空区的实际掌控程度不是很可靠，这在很大程度上会影响到露天开采的安全性和边坡的稳定性。（5）地表与上覆岩层岩移特点不清楚，上覆岩层厚度、与采空区之间的空间关系不清楚（在1090m巷道内产生的地压显现现象难以解释），上覆岩层的稳定性问题和可能产生的地压灾害令人堪忧。（6）在420、480m分段巷道的东、东北段产生了较为严重的片帮/冒顶等地压显现，巷道产生了严重的破坏现象；560m、590m中Ⅱ采区分段巷道中有轻度到中度的片帮/冒顶现象发生；480m的沿脉干线出现冒顶片帮现象，必须进行喷锚网支护等。这些地压问题都在很大程度上影响了矿山的正常生产秩序和安全生产。（7）主采区南翼矿体的开采，其采空区将与主采空区贯通，这种采空区的贯通将突然扩大采空区的暴露面积，由此可能造成什么样的地压灾害问题将是矿山必须关注与预防控制的。（8）在将来的生产中，四大采区之间的相互影响关系、影响程度、应力重分布特点等问题，将直接影响到矿山的安全生产。由此可见，这种地表露天开采、地下开采、地下多采区同时大规模开采的复杂开采方式，以及由此导致的复杂地压问题在国内还没有先例，其问题之复杂、难度之大国内外罕见。大红山铁矿目前面临的地压问题十分突出，不仅严重影响正常的生产、大大增加支护成本，而且存在严重的灾难性地压灾害，矿山安全形势严峻。大红山铁矿是昆钢的主要资源供应矿山，矿山安全生产、高效生产对于确保昆钢公司的经济效益、企业的可持续发展具有至关重要的意义。大红山铁矿在以往的岩石力学研究和地压监测研究中取得了一些有价值的成果，但还没有从根本上解决大红山铁矿的主要地压问题，如采空区高度、顶板稳定性与致灾性、地压灾害预警等，一些研究没有得到量化的确定性结论。因此，针对上述地压问题和目前的生产现状，大红山铁矿必须尽快开展系统的综合地压研究工作，建立将各个采区联系起来的综合地压监测系统。通过地压研究，及时掌握主采区无底柱分段崩落法上覆岩层中的地压显现特点、围岩体的稳定性与塑性区范围，掌握主采空区顶板冒落、开裂与岩移特点，掌握采空区顶板冒落高度；针对各采矿方法特点，开展不同采矿方法的地压研究，分析露天边坡的稳定性；研究地下开采对地表露天开采稳定性影响，掌握各采区之间的相互影响关系；建立先进且完善的地压监测手段，开展长期有效的地压监测，通过监测主要掌握无底柱分段崩落法上覆岩层的崩落与岩移规律、监测充填体效果、监测各采区之间的相互影响的应力重分布特征，监测露天边坡的稳定性。掌握多区段、露天-地下开采过程中的地压规律，确保大红山铁矿安全、高效开采和可持续发展。同时，充分利用微震监测技术对微震源有很好的空间定位效果，该项目中的微震监测技术还能对矿山井下生产作业、开采边界的管理有非常好的定时、空间定位效果，这对于与云铜大红山铜矿在开采边界的管理方面有很好的监控作用。三、项目开发研究内容和研究目标1、技术开发的主要内容针对大红山铁矿多区域开采、不同采矿方法的综合应用，以及地下与露天联合开采并举的开采方式，大红山铁矿综合地压研究将从开展矿山岩体工程稳定性评价、地压多通道微震监测技术、常规地压监测技术、数值模拟技术和地压处理措施的研究等五个方面进行开发与研究工作。矿山岩体工程稳定性评价与室内试验研究；大范围地压多通道微震监测技术研究；常规地压监测技术研究；大范围应力重分布三维数值模拟技术研究；地压灾害预警、控制与处理措施研究。2、综合研究项目目标与主要技术指标1）研究目标①建立一套国内通道数最大、技术含量高、达到国际先进水平的全数字型多通道微震监测系统，形成以微震监测技术为主、常规监测（应力、应变）为辅的地压综合监测系统，实现对整个矿区地压的全天候实时监测。②通过岩石力学研究和监测分析，揭示矿山开采围岩的移动规律和崩落区矿岩崩落状态及过程，掌握采空区顶板和上覆岩层的高度。③通过长期监测分析，掌握各采区采场开采安全性、各采区开采过程中相互影响程度。④掌握露天-地下开采、多去多开采中地压规律，指导矿山开采设计；确定围岩中应力集中区的位置和范围，为采矿设计提供依据。⑤实现对大规模地压灾害的预测与预警。⑥整体研究水平达到国际先进，在行业内成为地压监测与研究的示范基地。2）主要技术指标①建立一套全数字型多通道微震监测系统，实现对全矿矿区地压重分布与地压显现的全天候实时监测；②针对不同的监测对象和监测区域微震监测定位误差10-30m：其中充填采矿法定位误差不大于10m，空场嗣后充填采矿法定位误差不大于15m，无底柱分段崩落法采空区围岩中定位误差不大于30m。③建立激光围岩体变形监测系统，该系统的测量精度可以达到1毫米，分辨率达到0.1毫米，最大测程150m。④实现激光围岩体变形监测系统的自动报警，数据远传到地表监测站点和手机中。⑤通过综合监测研究，确定采空区崩塌顶板的发展过程、崩塌基本高度，误差不大于20m。⑥给出采场围岩内的应力分布规律，确定开采影响范围和安全范围。