金属矿海底开采岩层移动规律与预测预警研究

作     者：熊帅 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘志祥;侯成录

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：岩层移动 相似模拟试验 数字图像技术 集成学习 元启发式优化算法 

摘      要：矿产资源是国家经济发展的重要支柱。经过七十多年的高强度开采,我国陆地金属矿产资源中的地表和浅部矿产资源已开采殆尽,同时深部矿产资源开采难度增高,沿海及其大陆架海基金属矿为尚未开发的新资源,有望成为我国矿产资源开采的新方向。然而,与陆地矿产资源开采相比,海底金属矿产资源的开采面临的风险更大。金属矿海底开采过程中,极易导致岩层的不均匀变形和沉降,诱发区域大变形,若超出安全允许范围,很有可能造成井毁人亡的重大安全事故。因此,针对金属矿海底开采岩层移动规律开展理论研究,同时对岩层移动位移进行预测建立岩层移动预警模型对于金属矿海底开采过程中减少人员伤亡,提高开采效率,降低开采成本有着重要意义。本文主要研究内容如下:(1)立足于三山岛金矿新立矿区开采背景,勘查收集了新立矿区的基本情况和开采特征。对新立矿区开采区域矿体及其上下盘具有代表性的矿岩进行了现场块石取样,进行岩石力学试验,得到了新立矿区上盘黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩,矿体花岗岩,下盘绢英岩化花岗质碎裂岩的岩石力学参数。此外,使用位移计对三山岛金矿新立矿区开采过程中的岩层移动进行了长达152天的现场监测,得到岩层移动位移的现场数据。为后续开展相似模拟试验以及建立金属矿海底开采岩层移动位移预测预警系统提供了真实可靠的数据。(2)针对海底金属矿厚大矿体多年在同一区域开采,海底岩层沉降破坏受多因素影响的特征,根据相似模拟试验原理,设计相似模拟试验相似比,配制相似模拟试验材料,制定海底基岩金属矿开采相似模拟试验整体方案,开展金属矿海底开采相似模拟试验。使用数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)监测相似模拟试验过程中岩层的位移和应变,使用土压力盒监测试验过程中岩层所受应力变化,后分析得到金属矿海底开采岩层移动规律。(3)结合对三山岛金矿新立矿区岩层移动的实地监测数据,建立了一个包含152组数据的岩层移动位移数据库。在数据库中选取天数,钻孔深度,巷道深度,巷道角度,密度,泊松比,抗压强度,弹性模量,抗拉强度,软化系数,粘聚力,内摩擦角13项数据作为输入变量,选取岩层移动位移作为输入变量,使用随机森林(RF),极限梯度提升树(XGBoost),自适应增强(Adaboost),梯度提升树(GDBT)四种集成学习模型建立金属矿海底开采岩层移动位移预测模型。利用均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和决定系数(R)对预测模型的预测效果进行评估。结果表明,在四种集成学习模型中,XGBoost在金属矿海底开采岩层移动位移的预测效果最好。(4)使用鲸鱼优化算法(WOA),海鸥优化算法(SOA),野狼优化算法(GWO)三种元启发式优化算法对极限梯度提升树(XGBoost)进行优化,建立了WOA-XGBoost,SOA-XGBoost,GWO-XGBoost三种混合模型,以提高模型预测精度,并在其中选取WOA-XGBoost为金属矿海底开采岩层移动位移预测的最佳模型。特征重要性分析的结果表明,天数的重要性得分为48.6%,钻孔深度的重要性得分为23.9%,说明天数和钻孔深度是金属矿开采过程中岩层发生移动的关键因素。(5)使用金属矿海底开采岩层移动位移预测效果最佳的WOA-XGBoost模型对三山岛金矿未使用位移计监测区域的岩层移动位移进行预测,并建立金属矿海底开采岩层移动预警系统。结果表明,在所预测的天数内,所有中段的岩层移动位移均处于微变形区,正常变形区和橙色预警区,没有中段的岩层移动位移达到红色预警区。图48幅,表26个,参考文献73篇