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1 海底开采概述1

1.1 矿产资源的基本概念1

1.1.1 矿产资源定义1

1.1.2 我国矿产资源概况及开发利用现状1

1.1.3 开发利用海洋资源的必然趋势3

1.2 海洋资源开发技术及开发现状3

1.2.1 海洋资源及其分类3

1.2.2 海洋资源开发技术5

1.2.3 我国海洋资源开发现状9

1.3 典型的海洋矿产资源10

1.3.1 海底基岩中的矿产资源10

1.3.2 浅海底矿产资源11

1.3.3 深海底矿产资源11

1.4 海洋采矿的特殊性与基本方法、基本工艺13

1.4.1 海洋采矿的特殊性13

1.4.2 海洋采矿方法的基本分类19

1.4.3 海洋采矿的基本工艺21

1.5 海底基岩矿床开发利用的意义、现状及关键技术27

1.5.1 海底基岩矿床开发利用的意义27

1.5.2 海底基岩矿床开发利用的现状29

1.5.3 海底基岩矿床开采面对的挑战31

1.5.4 海底基岩金属矿床开采技术难题33

1.5.5 海底基岩金属矿床开采关键技术33

参考文献34

2 三山岛金矿海底开采技术特征35

2.1 三山岛金矿矿床地质概述35

2.1.1 区域地质35

2.1.2 矿区地质42

2.1.3 矿床地质45

2.2 矿区水文地质与环境地质条件53

2.2.1 水文地质53

2.2.2 环境地质57

2.3 矿山工程地质条件与矿岩力学性质测试58

2.3.1 矿山工程地质58

2.3.2 矿岩物理力学性质测试60

2.4 海底黏性土微观结构及渗透性能参数71

2.4.1 黏性土环境条件与取样位置71

2.4.2 黏性土微观结构及成分含量SEM分析72

2.4.3 三山岛黏性土基本力学性能80

2.4.4 黏性土隔水性能宏观研究81

参考文献81

3 海底矿床地应力测量方法与分布规律84

3.1 地应力测量在矿山开采中的作用84

3.1.1 地应力测量在采矿与岩土工程中的作用84

3.1.2 地应力测量在海底安全高效开采中的重要意义84

3.2 国内外地应力测量的研究现状85

3.2.1 影响地应力的主要因素86

3.2.2 地应力测量的基本原则87

3.2.3 地应力测量方法的分类88

3.2.4 世界各国地应力测量与研究的进展90

3.3 矿区地应力测点的选择94

3.3.1 地应力测点选择的基本原则94

3.3.2 地应力测点的确定94

3.4 地应力测量过程96

3.4.1 测量原理及方法96

3.4.2 地应力测量主要设备98

3.4.3 现场测量98

3.5 三维地应力测量结果及数据处理104

3.5.1 专用三维地应力计算程序104

3.5.2 输入数据105

3.5.3 三维地应力的计算105

3.6 结果与分析106

3.6.1 各测点应力分量的计算结果与分析106

3.6.2 各测点主应力计算结果与分析107

3.7 海底地应力分布规律与开采建议107

3.7.1 矿区地应力场分布规律107

3.7.2 几点建议109

参考文献109

4 海底矿床岩体质量分级与评价111

4.1 岩体质量分级理论与方法111

4.1.1 岩体质量分级理论的发展111

4.1.2 岩体质量和稳定性评价一般步骤113

4.1.3 岩体工程质量分级方法114

4.2 三山岛金矿现场节理裂隙调查分析115

4.2.1 现场节理裂隙调查思路115

4.2.2 现场节理裂隙调查一般方法116

4.2.3 现场测线位置确定与测线布置原则117

4.2.4 现场节理裂隙调查网布置118

4.2.5 节理裂隙调查数据与统计分析119

4.2.6 节理裂隙分布对岩体质量与稳定性的影响分析123

4.2.7 节理裂隙调查小结123

4.3 三山岛金矿岩体质量评价124

4.3.1 岩体质量与稳定性的影响因素分析124

4.3.2 岩体质量与稳定性评价体系建立128

4.3.3 岩体质量与稳定性M-IRMR评价体系应用136

4.3.4 不同质量等级矿岩物理力学参数的选取148

4.3.5 岩体工程质量评价结果分析152

4.4 基于SURPAC建模的岩体质量分级三维可视化152

参考文献154

5 海底矿床开采的相似模拟试验156

5.1 相似物理模拟试验156

5.1.1 相似物理模拟试验的意义156

5.1.2 相似物理模型试验的原理157

5.1.3 相似物理模型试验的方法158

5.2 海底开采相似物理模拟试验平台开发158

5.2.1 海底开采相似模拟试验思路158

5.2.2 相似物理模拟装置研发159

5.2.3 模拟试验功能与试验流程162

5.2.4 相似物理模拟初步试验163

5.3 三山岛金矿海底开采相似模拟试验164

5.3.1 相似材料的研制164

5.3.2 海底开采模拟试验过程及结果分析169

参考文献179

6 海底矿床开采的安全隔离层厚度181

6.1 海下开采相关力学分析181

6.1.1 “三下”开采基本理论181

6.1.2 “三下”开采地表变形计算方法182

6.1.3 海底矿床安全开采合理隔离层厚度相关研究183

6.2 三山岛金矿海底安全开采隔离层厚度预估185

6.2.1 力学模型与力学参数185

6.2.2 材料力学法185

6.2.3 荷载传递交汇线法187

6.2.4 厚跨比法188

6.2.5 普氏拱法189

6.2.6 结构力学梁理论计算法190

6.2.7 鲁佩涅伊特理论计算法191

6.2.8 不同计算结果综合分析195

6.3 三山岛金矿海底安全开采隔离层厚度数值模拟研究196

6.3.1 数值模拟力学分析方法196

6.3.2 数值模拟的地质及力学模型198

6.3.3 数值模拟方案214

6.3.4 数值模拟结果及分析214

6.4 海底开采安全隔离层厚度及安全措施217

参考文献217

7 海底矿床开采方法选择与优化219

7.1 采矿方法选择原则与备选方案219

7.1.1 采矿方法选择原则219

7.1.2 房柱交替式盘区上向分层充填采矿法219

7.1.3 分矿房矿柱充填采矿法225

7.1.4 应力拱式上向分层水平充填采矿法230

7.1.5 高进路充填采矿法232

7.1.6 脉外采准点柱式分层充填采矿法236

7.2 未确知测度理论下的采矿方案优选240

7.2.1 确定待优化对象的分类模式系统240

7.2.2 单指标测度240

7.2.3 指标权重的确定240

7.2.4 多指标综合测度评价向量240

7.2.5 优化结果识别和排序241

7.2.6 采矿方案优选综合评价指标体系构建241

7.2.7 构造单指标测度函数242

7.2.8 优化结果识别244

7.3 新的采矿方法工业试验245

7.3.1 试验采场选择245

7.3.2 试验采场采准设计方案245

7.3.3 试验采场回采工艺247

7.3.4 试验采场回采顺序248

7.3.5 试验采场劳动组织与作业249

7.3.6 工业试验技术经济分析249

7.4 基于响应面法的海下框架式采场结构参数优化选择250

7.4.1 响应面法计算理论250

7.4.2 框架式采场有限元计算模型及结果252

7.5 海底矿床中段内开采顺序优化255

7.5.1 安全系数法基本原理255

7.5.2 动态回采有限元模型的建立256

7.5.3 不同方案不同回采步骤最大主应力分析比较258

7.5.4 不同方案不同回采步骤围岩位移分析比较260

7.5.5 各盘区回采后安全系数计算结果261

7.5.6 不同方案不同步骤地面沉降266

参考文献267

8 海底矿床开采地表沉降规律数值分析270

8.1 国内外开采沉陷研究动态270

8.1.1 国外开采沉陷预测理论研究动态270

8.1.2 国内开采沉陷预测理论研究动态270

8.1.3 山区开采沉陷研究现状271

8.2 矿床开采岩层移动规律272

8.2.1 矿床开采岩层移动特征272

8.2.2 金属矿开采引起的地表移动273

8.2.3 地表移动角及其影响因素分析274

8.2.4 开采沉陷与建筑损坏的理论分析278

8.3 基于BP神经网络的海底开采地表移动角预测281

8.3.1 人工神经网络的基本原理281

8.3.2 基于Matlab的神经网络设计与分析284

8.3.3 网络学习样本的生成286

8.3.4 创建神经网络预测模型289

8.3.5 三山岛金矿新立矿区海底开采岩层移动角预测296

8.3.6 三山岛金矿新立矿区开采竖井保护措施297

8.4 海底开采沉陷的力学计算298

8.4.1 数值计算模型的建立298

8.4.2 数值计算结果300

8.4.3 沉陷数据的处理300

8.4.4 海下开采沉陷对矿区周边建筑的影响评价303

8.5 深部取消点柱对地表沉陷的数值模拟305

8.5.1 基本假设305

8.5.2 数值模拟模型305

8.5.3 模拟参数的选取306

8.5.4 计算结果分析307

8.5.5 地表沉降对矿区建筑群的影响评价310

参考文献311

9 海底矿床开采安全监测技术313

9.1 岩层移动与巷道变形监测313

9.1.1 岩层移动监测313

9.1.2 巷道变形监测322

9.2 海岸地表变形监测332

9.2.1 测试区域333

9.2.2 测试仪器与测定方法333

9.2.3 海岸地表监测数据分析333

9.3 海底开采微地震监测336

9.3.1 微地震监测系统选型336

9.3.2 微地震监测系统检波器选型336

9.3.3 检波器安装方式338

9.3.4 微地震监测系统在三山岛金矿的布置方案339

9.3.5 微地震系统的参数标定339

9.3.6 微地震信号的定位345

9.3.7 基于微地震监测的安全预警350

参考文献357