主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

“深部巖體力學與開采理論”專輯

來源:《煤炭學報》

隨著淺部礦物資源逐漸枯竭,資源開發不斷走向地球深部,千米深井的深部資源開采逐漸成為資源開發新常態。未來如何更好地向地球深部要資源?2019年第5期,《煤炭學報》與國家重點研發計劃“深部巖體力學與開采理論”項目組共同策劃了“深部巖體力學與開采理論專題”,以期對創新和發展深部巖石力學和開采理論體系,全面提升我國深部資源獲取能力提供強有力的支持。

行業視野

采礦

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  • 作者(Author): 張建民, 李全生, 張勇, 曹志國, 王新中

    摘要:科學界定深部是深部開采理論發展與技術實踐的重要問題,探討適于我國煤炭現代開采實踐的深部開采界定方法具有重要意義。為此,綜合考慮我國煤礦礦區深部巖石、地下水環境和現代開采方式,將區域應力場與采動應力場分析相結合,基于我國地殼淺部、煤礦礦區深部準靜水應力狀態分析,進一步研究我國煤礦礦區的深部界定、基于不同礦區煤巖狀態(巖性及組合、含水性等)差異的相對深部界定和開采時動態深部區確定方法。研究表明,原巖初始狀態和開采方式共同決定了采動力學狀態及變化規律和其他伴生狀態變化。基于深部與淺部的力學狀態差異,將深部開采界定為在高地應力環境且具有采動非線性力學響應的煤巖體空間實施的采礦活動;依據我國煤礦礦區應力場統計變化規律和準靜水應力狀態分析,采用平均側壓系數Kav(即:水平最大主應力和最小主應力的平均值與垂直應力之比)確定煤礦礦區深部臨界深度,結合我國中東部深部開采實踐確定的參考深部臨界深度Hm≈850~900 m;基于不同礦區原巖差異性(巖性及組合、含水性等),建立了不同初始狀態時實際深部臨界深度Hs(簡稱為視臨界深度)與Hm比較模型,分析發現采動煤層覆巖越軟和含水性越強,其深部臨界深度越淺(或“趨淺”),降低幅度可達30%~50%;基于開采“應力拱”現象構建了深部采動應力狀態Kav模型和Hs計算方法,采動響應分析表明:開采工作面切眼外側及采場前端局部Hs呈變淺→變深→正常的變化特征(或“端部效應”),工作面中部區域呈變淺趨勢(或“趨淺”),采高越大其Hs“趨淺”效應越顯著,而隨工作面推進距離增加端部效應變小;東、中、西部典型礦區Hs與Hm比較表明:東部礦區Hs偏深,中部礦區深度相近,西部(陜、蒙等)地下水豐富的礦區偏淺,在500~600 m即可達到實際深部臨界深度,采深400~500 m時大采高工作面兩端外側局部也可顯現深部力學狀態。研究基于我國深部巖石力學研究成果和開采條件及現代開采方式,探討提出的深部界定方法和結果,與已有深部開采理論研究與實踐成果比較證實,該方法具有理論合理性和結果可靠性。
  • 作者(Author): 喬蘭, 張亦海, 孔令鵬, 李遠

    摘要:隨著淺部資源的日益枯竭,地下開采的深度不斷增大,千米級乃至更深的礦產資源開采已成為常態。因此弄清深部巖體原巖應力的賦存環境是至關重要的,目前CSIRO地應力測量作為國際巖石力學學會建議直接測量方法,在世界各地廣泛使用。在淺部巖體空心包體應變計地應力測量解析式中,彈性模量和泊松比都是通過室內雙軸加載數據擬合獲得的常數。進入深部巖體表現出高度的非線性,在對解除巖芯進行高壓雙軸加卸載試驗中發現圍壓與應變的關系非線性,并且隨著圍壓不斷增大非線性關系尤為突出。傳統的雙軸加載試驗設備最大圍壓加載值試驗室內測得20 MPa,不能滿足深部巖體解除巖芯的高壓雙軸試驗模擬解除巖石在深部所受的應力環境。因此對傳統的設備進行改造,研發了一套高壓雙軸加載試驗裝置,所承受的理論最大徑向壓力為200 MPa以上,目前試驗測試的最大圍壓為100 MPa。對三山島金礦埋深800 m的解除巖芯進行了高壓雙軸加卸載試驗,分析應力與應變的關系提出一種平均應力與體積模量和剪切模量之間的非線性雙曲線模型,明確了模型中3個擬合參數的物理意義,推導出平均應力與應變之間的非線性關系特征公式。基于彈性力學理論原巖應力分量計算在不考慮解除路徑時,應用最小二乘法進行計算后獲得最大主應力大小為53.11 MPa方向為312,傾角為7°。本文提出的考慮解除路徑的優化算法,將整個解除過程分成多個階段,每個階段的變形模量計算參數與解除巖芯所受應力狀態有關,且符合推導的應力與應變的非線性關系公式,各個階段疊加計算的最大主應力大小為47.78 MPa,方向為311,傾角為5°。
  • 作者(Author): 謝和平

    摘要:隨著地球淺部礦物資源逐漸枯竭,深部礦產資源開采已然趨于常態。然而,由于深部巖體典型的“三高”賦存環境的本真屬性及資源開采“強擾動”“強時效”的附加屬性,導致深部高能級、大體量的工程災害頻發,機理不清,難以預測和有效控制,傳統巖石力學和開采理論在深部適用性方面存在爭議。國家“十三五”重點研發計劃“深部巖體力學與開采理論”針對上述難題進行了系統研究,本文詳細總結了項目研究進展,包括:① 初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真測試的技術體系并開展不同深度原位恢復物理力學試驗;② 系統探索了擾動條件下不同賦存深度巖體原位長期力學行為,構建了不同賦存應力環境的巖石動態本構模型;③ 提出了適用于復雜地質條件下深部非線性巖體平均應力與變形模量的關系式,開發了批數據處理網絡(GMDH)算法反演深部地應力場,系統研究了巖石破壞過程中的能量積聚,能量耗散特性;④ 提出了“強擾動”和“強時效”特征的判定依據,探索了深部開采強擾動應力路徑下煤體損傷規律及非連續支承壓力理論,研究了深部開采強擾動煤體損傷破裂、能量演化及滲透特性;⑤ 建立了巖體介質復雜孔隙結構的三維可視化模型,實現了裂紋動態擴展過程中應力場的可視化,研發了可視化物理模型的三維應力場的凍結實驗裝置;⑥ 開展了深部硬巖矩形隧洞圍巖板裂破壞的試驗模擬,提出了深部近采場區域應力平穩釋放理論與方法,研發并應用了深部硬巖高應力誘導與爆破耦合的破巖方法與技術;⑦ 概括了深部硬巖強卸荷下3種災害模式的破裂孕育分異演化機制,提出了基于物質點原理描述巖體連續-非連續計算分析新方法,創新了硐室穩定的裂化-抑制支護方法;⑧ 分析了深部煤炭安全綠色開采的主要影響因素,初步構建了“高保低損”型深部煤炭安全綠色開采新模式;⑨ 建立了深部地下開采空間模型及生產計劃動態優化模型,提出了深部掘進工作面卸荷技術、深部高應力礦柱一體化卸壓控制對策以及深部卸壓帷幕應力隔斷技術。基于以上內容,初步構建了深部巖體力學與開采理論研究體系,以期為未來中國深部礦產資源開發提供理論基礎與技術支撐。
  • 作者(Author): 呂有廠, 何志強, 王英偉, 代志旭, 王玉杰

    摘要:我國淺部煤炭資源逐漸耗竭,開采深度逐漸進入1 000~2 000 m水平,常常伴有大量的工程災害,其根本原因是深部采動應力場的顯現規律與響應規律不清楚。以平煤十二礦超千米深己15-31030工作面為研究基地,開展了不同開采速率下超千米煤層采動應力顯現規律及響應特征研究,并集成“錨桿應力-鉆孔應力-鉆孔裂隙窺視”等研究手段進行現場原位測試。結果表明:隨著采煤工作面的不斷推進,超前支承壓力峰值先是交替上升,回采距離超過80 m時,由于埋深較大導致支承壓力峰值增長變緩并最終在85 MPa左右波動,應力集中系數達3.3,高于一般淺部工作面集中系數;同時上覆巖層在采動影響下形成垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶的三帶結構;其次,隨著開采速度增大,超前支承壓力峰值逐漸增大,峰值點距采煤工作面的距離相應減小,基本頂斷裂形成的巖塊長度也越長;工作面支架壓力隨著采煤工作面持續推進呈現出周期上升的趨勢。在采動影響下,由于擾動后應力重分布及能量釋放,錨桿應力呈現出先增長后降低的趨勢,得出工作面采動影響范圍大約為85 m,距采煤工作面75 m左右時進入采動影響范圍,鉆孔應力值開始上升,而后進入支承壓力降低區,應力開始出現小幅度下降;隨著采煤工作面不斷推進,強烈的開采擾動導致裂隙不斷發育,裂隙逐漸發育成縱橫交錯的破碎帶,并向頂板上方發展。
  • 作者(Author): 江權, 史應恩, 蔡美峰, 郭慧高, 鐘山, 寇永淵, 喬蘭, 李遠

    摘要:針對深部高應力下硐室和巷道時效大變形問題,重點開展了金川二礦深部巷道大變形破壞調查、多手段原位綜合觀察、大變形災害安全管理標準等方面研究工作。首先針對不同圍巖支護類型下大變形巷道破壞問題,從破壞表現形式的角度總結提煉了金川二礦巷道10種典型變形破壞模式并闡明其形成機制;進而依托1 150 m水平大巷的大變形試驗研究段,采用巷道表面的三維激光掃描測量、巖體內部開裂的鉆孔攝像觀測、圍巖不同深度變形的位移計自動量測相結合的方式,揭示了深部巷道表面變形的空間非對稱性、圍巖內部淺層與深層變形的非均勻性、時效變形增長的跳躍遞進性等不同于淺部巖體變形特點和破壞方式的新特征,表明了金川二礦碎裂圍巖時效大變形本質是高應力下巷道開挖誘發表層圍巖開裂,并在重分布應力驅動下圍巖開裂深度逐步向深部轉移進而導致巷道圍巖自身承載性能逐步劣化的機制,從而表現出持續的時效大變形;最后提出基于功能失效和結構失穩原則的深部巷道大變形安全管理標準,并在現場反饋分析與應用實踐基礎上總結出了控制二礦深部巷道變形災害的“雙層噴錨網+錨注”和“噴錨網注+單筋砼”復合支護技術,充分利用噴網混凝土的表面柔性支撐與圍壓效應、錨桿對圍巖內部的抑制開裂效應、水泥漿的充填并粘合開裂縫效應、鋼筋混凝土的強剛性抗壓和恢復圍壓效應等組合功能,從而形成一種“由表及里、表里結合”改善圍巖受力狀態、重構圍巖承載圈的支護理念。
  • 作者(Author): 李地元, 劉濛, 韓震宇, 周子龍

    摘要:隧道、礦山巷道和硐室等地下巖石工程中揭露的層狀巖體往往具有不同的產狀,層理弱面的方向與主要動荷載作用方向存在多種組合,相應的動態各向異性力學特性和變形破壞特征對地下巖石工程安全穩定具有至關重要的影響。本文針對沖擊載荷下傾斜層狀巖體中巷道圍巖穩定性問題,選取一種層理構造顯著的黃砂巖,其中層理傾角φ為層理面與加載方向之間的夾角,加工制備傾角分別為0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7組預制中央圓形孔洞板狀試樣(尺寸為寬度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm桿徑分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗平臺上進行沖擊壓縮試驗,并使用高速攝影儀實時記錄試樣動態裂紋擴展演化過程,研究不同層理傾角條件下預制中心孔洞層狀巖石的動態力學參數、裂紋擴展演化過程及最終破壞模式等動態壓縮力學特性變化規律。結果表明,峰值應力處試樣破壞的峰值應變在0.008 1~0.012 37范圍變化,隨著層理傾角的增加,試樣動態抗壓強度、彈性模量及峰值應變整體均呈先增大后減小的變化規律;初始起裂裂紋總是從孔洞周邊壓應力集中處萌生,隨后逐漸形成宏觀裂紋,宏觀裂紋為剪切裂紋或拉剪復合裂紋;傾角0°試樣發生局部沿層理和局部穿越層理的復合張剪破壞,傾角15°~45°試樣發生局部沿層理和局部穿越層理的剪切破壞,傾角60°~90°試樣最終發生穿越層理的類X型剪切破壞;利用正交各向異性板理論計算孔洞周邊應力分布,發現隨著層理傾角的增加,孔洞周邊應力集中系數的峰值也逐漸增大,且層理傾角為0°,15°,30°,45°的試樣孔洞周邊最大壓應力出現在θ(θ為孔洞周邊任意一點的極角)為74°,81°,86°,90°及關于原點中心對稱的254°,261°,266°,270°處,同時試驗中觀測到相應的層理傾角試樣分別在為88°,85°,79°,70°及關于原點對稱的271°,264°,262°,252°處萌生剪切裂紋,與理論分析結果吻合較好。層理方向與沖擊載荷平行時,層狀巖體中巷道圍巖對沖擊載荷的承載能力最弱。針對鉆爆法分臺階開挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,應合理布置爆破載荷的方向,避免層理方向與爆破載荷之間的夾角過小而導致巷道失穩。
  • 作者(Author): 彭瑞東, 薛東杰, 孫華飛, 周宏偉

    摘要:深部巖體具有高地應力、高地溫、高滲壓的獨特賦存環境,其采動影響遠較淺部復雜。通過將深部巖體的賦存環境和深部開采的擾動特征兩方面相結合,系統分析了深部巖體開采中的強擾動特性。首先對擾動激勵的動靜組合特點進行了分析。根據深部開采中的應力變化路徑,給出了不同深度類型下原巖應力狀態以及擾動應力狀態的分布區域,揭示了深部開采中應力變化更加復雜的必然性,并初步給出了考慮賦存深度、開采工藝、巖體重度、殘余應力以及采動速度影響的巖體卸荷速率計算公式。根據深部開采中的動力擾動類型和波動傳播規律,分析指出了深部巖體中的流體壓力傳播特征,揭示了深部動力擾動時間延長和擾動范圍擴大的特點。然后基于擾動狀態概念(DSC)對擾動影響水平進行了分析。通過對深部巖體能量蓄積、能量耗散以及釋放規律的分析,定義了基于能量特征的擾動函數,可以籍此構建基于DSC的深部巖體統一本構模型,并定量描述深部巖體擾動的大小。最后定性描述了深部巖體開采中開挖擾動區的分布特點以及相應的應力應變狀態,將其劃分為原巖彈性區、開挖損傷區(EDZ)以及開挖破碎區,其中開挖損傷區又可分為峰前損傷區、塑性流變區、外部損傷區。并初步給出了開挖損傷區大小的計算公式,討論了各項參數的意義及影響因素。研究表明,深部巖體的高應力狀態以及復雜的多場多相耦合環境使其在更大范圍內受到擾動的影響,EDZ的范圍將顯著增大,并表現出復雜的時空演化特征。利用擾動狀態概念(DSC)建立的擾動函數,以及基于能量分析建立的開挖損傷區(EDZ)大小計算公式,可以定量刻畫深部擾動的程度,分別反映了深部擾動激勵增大和擾動影響增大的特點。
  • 作者(Author): 王凱, 王亮, 杜鋒, 張翔, 婁振, 辛程鵬, 崔心源

    摘要:為了進一步研究煤與瓦斯突出機理以及突出煤粉粒徑對突出瓦斯-煤粉動力特征影響機制,研制了突出粉煤-瓦斯兩相流模擬試驗系統。設置的管內安裝傳感器可用于同時測量突出氣體沖擊力以及運動煤粉對傳感器的打擊。煤粉在試驗巷道內的動態傳播特征可由傳感器受到的打擊情況進行分析。另外,針對目前紋影儀無法觀察圓形管道內流場的問題,從紋影效果失效的原理出發,設計了一種用于觀察圓形管道內流場的紋影系統直接研究突出激波波陣面的傳播。利用試驗系統進行4種煤粉粒徑的突出試驗,重點觀測了突出氣流沖擊力、激波波陣面傳播、煤粉沖擊等參數。研究結果表明:氣流沖擊波速度遠大于煤粉運動速度,在試驗巷道中的突出氣流沖擊波在時間上會先于煤粉到達試驗巷道的任何位置,氣流沖擊波到達傳感器之后壓力會在極短的時間內達到最大值,峰值壓力能夠保持0.01 s左右。氣體沖擊力隨著煤粉粒徑目數的增加而增加,試驗中4種粒徑下氣體沖擊力平均依次增加10.9%,11.4%,7.6%。氣體沖擊力在巷道內傳播先增強后衰減,粒徑80-200目情況下,2.27,4.27,6.27和8.27 m處傳感器沖擊波強度依次增強13.6%、衰減13.4%、衰減20.6%。隨著距離的增加煤粉對傳感器的打擊力呈明顯的減弱趨勢。煤粉運動速度隨著煤粉粒徑目數的增加而增加,試驗中4種粒徑下,試驗巷道內煤粉平均速度分別為34.4,37.3,39.1,41.7 m/s。煤粉速度在巷道內先加速后減速,粒徑80-200目情況下,4個巷道內煤粉平均速度依次增加31.4%、減小12.2%、減小13.1%。紋影系統可觀測到突出激波波陣面,激波波陣面垂直于試驗管道軸線向突出方向高速運動。紋影計算得到波陣面的傳播速度與理論間接計算值具有很好的一致性。

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