超埋深竖井破碎围岩稳定控制技术研究

目前我国金属矿山的最大开拓深度正逐步迈入1 500~2 000 m，深部“三高”软破围岩下竖井施工工艺合理调整与施工安全的综合评估是制约超埋深竖井安全高效施工的难点。以国内某超埋深破碎围岩竖井工程为研究对象，研究得出在开挖卸荷引起的围岩切向集中应力作用下，最小主应力方向井壁附近围岩的局部剥落和垮塌是竖井施工应重点关注的风险源。掘进段高由4 m调整为3 m时，掘进时最危险部位为井壁接茬下部1.5 m内，分布深度~1.1 m；掘进段高为2.5 m时，掘进工序时最危险部位为井壁接茬下部1.0 m内，分布深度~0.7 m，改善了掌子面侧壁围岩维护状况。超前小导管、超前钢管约束砼以及钢拱架+超前钢管约束砼等超前支护，仅起到超前防护、防止局部围岩大范围连续垮塌的作用，可增加施工期间安全性，但对围岩的超前支护和加固效果甚微。综合结合掌子面超前探水进行工作面预注浆工作，可减小小导管注浆频繁施工工序切换对施工组织和工期的影响的同时，解决超埋深竖井遇破碎围岩施工安全问题。     

深竖井围岩变形破坏规律及控制技术

随着浅部资源消耗殆尽,越来越多的矿山逐渐步入深采阶段,同时,深部围岩控制问题逐渐突显,亟需开展深井围岩控制技术研究,为深井开采地压控制提供理论和技术支撑。以某深竖井工程实际情况为 工程背景,运用FLAC3D数值分析软件,开展了不同地应力条件下竖井围岩变形破坏数值分析研究。在此基础上,通过高应力竖井围岩控制技术优选,开展了不同卸压孔布置条件下高应力围岩钻孔卸压技术研究,并进 行了现场试验。结果表明：随着原岩水平主应力差的增加,竖井围岩中塑性区范围逐渐扩大,首先向最小主应力方向发展,逐渐呈现为“X”形塑性区;在剪切塑性区范围外的最大水平主应力方向施工卸压钻孔,能将 围岩应力峰值向深部转移,降低井壁及围岩的收敛位移。通过工程应用,井壁位移总量小于2 mm,位移速率远小于预警阈值,井壁处于健康状态,并存有一定的安全余量。研究反映出,所采用的柔性初支+现浇混凝土 井壁支护配合钻孔卸压技术能有效保障高应力条件下井壁的安全性和稳定性,应用效果较好。     

深竖井围岩变形破坏规律及控制技术

随着浅部资源消耗殆尽，越来越多的矿山逐渐步入深采阶段，同时，深部围岩控制问题逐渐突显，亟需开展深井围岩控制技术研究，为深井开采地压控制提供理论和技术支撑。以某深竖井工程实际情况为 工程背景，运用FLAC3D数值分析软件，开展了不同地应力条件下竖井围岩变形破坏数值分析研究。在此基础上，通过高应力竖井围岩控制技术优选，开展了不同卸压孔布置条件下高应力围岩钻孔卸压技术研究，并进 行了现场试验。结果表明：随着原岩水平主应力差的增加，竖井围岩中塑性区范围逐渐扩大，首先向最小主应力方向发展，逐渐呈现为“X”形塑性区；在剪切塑性区范围外的最大水平主应力方向施工卸压钻孔，能将 围岩应力峰值向深部转移，降低井壁及围岩的收敛位移。通过工程应用，井壁位移总量小于2 mm，位移速率远小于预警阈值，井壁处于健康状态，并存有一定的安全余量。研究反映出，所采用的柔性初支+现浇混凝土 井壁支护配合钻孔卸压技术能有效保障高应力条件下井壁的安全性和稳定性，应用效果较好。     

基于收敛-约束应力分析的超深竖井施工工艺优化

随着竖井建设深度的增加,地应力逐渐增大,致使浅部竖井掘支工艺在深部竖井建设中不完全适用.为此,通过收敛-约束分析法,理论分析深竖井掘进工作面与衬砌混凝土间的合理距离,即井筒掘进工作面超前混凝土衬砌井壁12 m(3个循环工序).据此优化新城金矿1527 m深竖井掘支优化工艺,采用释能支护系统支护未衬砌段井筒围岩,有助于井筒围岩内的高应力区向井筒围岩深部转移,有利于井筒及其围岩的长期稳定.竖井掘支优化工艺较原工艺比,更适用于深地层超深竖井建设.     

TBM掘进速度对深埋隧道岩爆的影响

以某TBM施工隧道工程为背景,利用FLAC3D实现对TBM施工的模拟,同时根据TBM施工特点,采用最大不平衡力释放率来实现对TMB施工速度的模拟。根据不同施工速度对围岩岩爆能量指标的影响,得出在一定范围内增加TBM施工速度可以降低岩爆灾害发生的风险,超出这一范围再增大施工速度对岩爆的发生影响不大。     

会泽3~#竖井岩爆危险性评价及控制研究

随着竖井开采深度的逐渐增加,岩石赋存环境更加复杂,高地应力导致的岩爆、地压突出等灾害也更加频发,其中岩爆危害性最大。因此对其危险性进行评价,进而采取有效的防治措施具有重要的现实意义。本文通过对国内第一深井——云南会泽3~#竖井的地质勘察资料及岩石力学实验数据分析,总结了该竖井周边围岩的应力场分布及岩石力学性质,揭示了会泽3~#竖井的高应力灾害危险区域分布特征;并结合现场实际施工情况,提出了岩石力学监测、围岩卸压、合理支护及日常安全施工管理等防治防护措施。研究结论对超深竖井施工的岩爆防治具有一定的指导意义。     

直墙拱形巷(隧)道岩爆卸压孔解危效应试验研究

针对岩爆卸压孔解危效应研究的不足,开展了未含卸压孔和含卸压孔的直墙拱形巷(隧)道花岗岩试样 双轴压缩试验,分别建立了基于能量释放量的巷(隧)道围岩损伤变量表达式、基于岩石微元破坏概率的巷(隧)道围 岩临空面发生劈裂破坏的损伤变量表达式和临空面内部发生剪切破坏的损伤变量表达式,分析了岩爆卸压孔解危效 应损伤演化。 结果表明,与未施工卸压孔相比,施工卸压孔后其承载能力明显下降,同时整体破坏时的应力降低率也 明显下降,同等情况下的变形也有所增加;直墙拱形巷(隧)道破裂演化均从卸压孔两侧开始,产生明显的翼裂纹并扩 展至边界,卸压孔由圆形变成椭圆形;施工卸压孔的巷(隧) 道两侧帮破坏不严重,破坏主要集中在卸压孔位置,巷 (隧)道围岩破坏范围大为缩小,破坏程度大为降低,卸压孔起到了明显的岩爆解危效果;卸压孔控制着整个直墙拱形 巷(隧)道围岩破裂演化的进程,对围岩破裂演化起到了关键性控制作用;含卸压孔的巷(隧)道围岩损伤演化与围岩 临空面发生劈裂破坏的损伤演化进程基本一致,未施工卸压孔的巷(隧)道损伤演化与临空面内部发生剪切破坏的损 伤演化进程基本一致,施加卸压孔使巷(隧)道围岩破裂演化向完全劈裂方向演化发展,可以通过劈裂和剪切损伤演 化进程来预测岩爆的发生。     

开卸压槽防治岩爆的数值模拟研究

随着人类岩石工程逐渐向深部发展,高地应力导致的岩爆灾害日益凸显,而开卸压槽或是主动降低围岩高地应力、防治岩爆的有效措施之一。为研究开卸压槽对岩爆的防治效果,本文利用离散元数值模拟方法对巷道中不同开槽卸压方案进行了对比分析。研究结果表明：开挖后的巷道围岩环向应力增大、易发生岩爆,在围岩中开槽可在卸压槽周围形成三角形的应力降低区,并将高应力区转移到卸压槽底部,从而达到防治岩爆的效果。但开槽卸压的效果会受其具体位置影响,且在地应力较高（≥50MPa）时,单独开卸压槽会造成局部围岩破碎,破坏围岩的完整性、进而诱发岩爆。此外,水平侧压力系数较小时,在不同位置开槽释放的弹性应变能近似相等,水平侧压力系数较大时,在巷道顶板处开槽能量释放效果要优于巷道侧帮开槽。因此,在实际工程中,应根据巷道围岩的地应力条件（地应力大小、侧压力系数等）和围岩稳固性选择合适的开槽方式、开槽位置和支护方式来防治岩爆。     

深竖井开挖施工工艺优化与数值模拟分析

深竖井开挖过程中，随着开挖深度的增加，围岩应力集中现象愈加明显，容易导致围岩失稳和井壁衬砌结构开裂或破坏。为了让竖井开挖过程中围岩的应力、位移得到充分释放，在新城金矿-930 m深竖井施工过程中，提出“三掘一砌”的施工工艺，并与原“一掘一砌”的施工工艺作对比。研究结果表明：①改进工艺中围岩压力得到有效释放，衬砌的安全系数明显提高，有利于深部井筒的稳定性；②由于施工工艺的改变，井筒围岩暴露面积增大，导致该处井筒衬砌比原工艺衬砌所承受的应力更大。因此，现场施工工艺转变应逐步实现，以免造成局部应力集中。     

深竖井破碎岩层围岩应力分析模型探讨

岩层的层理性结构使其力学特征具有各向异性,而节理裂隙发育的破碎岩层,其具有更明显的各向异性。深竖井井壁围岩应力高,易发生破坏。与均质各向同性岩层不同,破碎岩层井壁围岩的稳定性主要取决于结构面的抗滑能力。这类岩层的自稳能力差,当围岩应力超过单元体结构面强度时,围岩便失稳垮塌。鉴于岩层本身、环境及施工等因素的影响,破碎岩层的围岩应力复杂多变,如何快速而相对准确地确定破碎岩层的围岩应力即成为井筒支护的关键环节。从破碎岩层的成因出发,分别给出破碎岩层、断层、软弱夹层的围岩应力的分析模型,对深竖井破碎岩层段井筒支护的合理设计具有较为重要的指导作用。     

构造应力场煤巷掘进冲击地压能量分区演化机制

在新建深部矿井,原岩应力区煤巷掘进冲击地压问题日益突出,且现场破坏具有区间性和方位性特征,为揭示这一机制,针对深部构造应力场条件下的煤层掘巷,基于数值模拟和理论分析研究,建立不同掘进速度下围岩弹性能空间分区演化模型,划定能量非稳态释放边界,分析其分布形态与能量特征,结论与现场实际破坏情况较为吻合。研究结果表明:依据弹性能所处状态及变化特征的不同,构造应力场煤巷掘进围岩在空间上可划分为6类区间,顶底板内同时分布能量积聚区和释放区,而巷帮仅存在能量释放区,这与最大主应力的做功特征密切相关。掘进速度增大时,围岩弹性能释放区的走向范围将同时向两端扩展,非稳态释能边界沿走向不断拉长,具有冲击风险的范围不断扩大。构造应力场中,巷帮潜在冲击启动区位于工作面附近,其冲击发生必要条件包括高原岩应力和快速掘进。巷帮和工作面潜在冲击启动区均位于围岩浅部。由于滞后区顶底板能量非稳态释放前积聚水平更高,加上顶板和帮部支护作用,导致底板滞后区冲击破坏强度要大于工作面附近顶底板和巷帮冲击破坏强度。研究结论与构造应力场现实冲击案例较为吻合,对构造应力场煤巷掘进冲击地压监测预警及解危方法的研究具有参考意义。     

深井特厚煤层综放工作面支承压力分布特征的实测研究

为研究深井特厚煤层综放工作面支承压力分布特征,采用冲击地压实时监测预警系统对新巨龙矿井1301工作面走向及侧向巷帮煤体垂直应力进行了实测。研究表明：深井特厚煤层综放工作面走向支承压力峰值位置到煤壁的距离及巷帮煤体侧向支承压力峰值位置到巷帮的距离比一般工作面大;巷帮煤体侧向支承压力峰值出现在采空区后方;回采期间巷帮煤体垂直应力的变化沿走向可分为应力稳定区、应力升高区、应力峰值区、应力降低区、二次升高区和应力蠕变区。     

基于“协同开采”理念的深部磷矿岩爆防控研究

随着浅层磷资源的逐步枯竭，磷矿山企业逐步转向深部开采，然而深部磷矿开采中的岩爆灾害突出，对井下人员和设备造成了严重的安全隐患。以某磷矿深部开采中呈现的岩爆现象为例，结合工程开挖环 境与开挖工况，引入“协同开采”理念，从应力转移、应力防控和岩性改善的角度对深部磷矿岩爆防控进行了研究。结果表明，①井下岩爆主要表现为开拓巷道掌子面附近的即时型岩爆和巷道交叉处及采区矿柱中上 部的滞后型岩爆；②对采场切割巷道掌子面附近采取“品”字形错位布置和泄压挂网的主动防护方式，可有效降低岩爆产生烈度和岩爆发生次数，并对岩爆瞬间飞溅碎屑进行阻拦；③通过优化矿区尺寸，采用间隔错 位开采方式优化回采工艺，并进行采区充填，可有效降低开挖引起的采区应力集中程度，从而在控制工程成本的同时降低作业现场安全隐患程度。基于“协同开采”理念的深部磷矿岩爆防控思路的提出，对于确保磷 矿深部安全高效开采具有一定的借鉴意义。     

深部洞室围岩分区破裂化的研究现状与分析

深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩的变形和破坏出现了一系列新的科学特征现象,如岩爆和围岩分区破裂化。其中,深部巷道围岩的分区破裂化现象与浅埋地下巷道开挖时在其洞周出现破裂区、塑性区和未扰动弹性区依次排列的现象有很大不同,这引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注。本文根据国内外对分区破裂化研究现状,分析总结了分区破裂化现象的研究成果,并对该领域的研究方向进行了探讨。     

倾斜煤层巷道稳定性与锚杆支护数值模拟研究

针对深井倾斜煤层巷道的特殊性,采用有限差分程序FLAC,分析巷道围岩应力、位移、塑性区分布,研究深埋倾斜煤层巷道围岩稳定性和锚杆支护控制围岩变形效果。结果表明,深井倾斜煤层巷道上帮且靠近煤层底板部位压力与变形破坏较大,是防止冲击地压和进行支护的重点区域,锚杆支护中适当加长上帮锚杆是合理的。本研究成果,对深井倾斜煤层巷道防止冲击地压、确定锚杆支护参数,有重要指导意义。     

THE ANALYSIS OF ROCKBURST IN COALMINE

This paper has put forward energy criteria and disturbance-response criteria for rockburst. The coal pillar rockburst or rockburst at roadway and working face have been analyzed. An equation is given to calculate the critical load when a rockburst occurs. The ratio E/λ of the elastic modulus E and softening descending modulus λ is believed to be an important parameter of rockburst. The concept of resistance zone is put forward and the critical depth of resistance zone can be used in the forecast and prevention of rockburst. The value of supporting stress of roadway has much effect on the critical load.     

超深竖井建设基础理论与发展趋势

简述深井开采定义及其需要考虑的因素,借以区分"深井开采"与"深竖井"定义,包括不同国家对超深井开采界定深度,提出深井开采应注意的关键问题:采动地压与调控、降温技术;总结国外不同国家深井开采生产基本情况与深竖井建设情况,分析不同国家深井开采存在的区别;对当前我国在(拟)建深井矿山进行统计、总结,当前我国超深竖井建设主要在黄金、有色与铁矿行业,建设深度主要集中在1 500 m;与国外相比,我国深井开采矿山矿石种类单一、矿石品位较低。在超深竖井理论分析方面,分别从超深竖井井筒围岩应力解析、井筒断面结构设计、井壁支护结构等方面,详细介绍当前理论与设计存在的问题,提出目前我国超深竖井建设需要解决的核心理论与关键技术。在超深竖井建设技术方面,分别从凿岩爆破、综合化机械施工、吊盘以及钢丝绳提升等方面,详细叙述我国超深竖井建设存在的问题。针对复杂应力环境下超深竖井井筒围岩稳定性控制,提出(类)椭圆形井筒结构及释能井壁支护形式;系统介绍了凿井设备、吊盘以及钢丝绳等研究进展,为我国超深竖井建设提供借鉴。     

基于3DMine-Rhino-FLAC3D的多采空区对竖井的稳定性影响分析

矿山不断的深入开采,会遗留下大量采空区,采空区的失稳破坏势必会对位于移动带内的竖井稳定性造成影响,竖井的变形破坏不仅影响矿山正常生产,还将给人们的生命,财产和国家造成重大损失。随着高性能计算机和数值模拟技术的普及,为复杂采空区及竖井的稳定性研究提供了新的解决思路。为了解内蒙古某金矿竖井的稳定情况,在“三维网格堆砌法”的基础上提出了3DMine-Rhino-FLAC_^3D耦合建模的新思路,能够更加精准的反应地表、矿体和采空区的实际情况,提高计算的准确性。对竖井周围的应力、位移、塑性区等方面进行了分析,并提出两种可行的治理措施。1.发现该竖井在658m中段的变形量最大,最大位移量3.5cm左右；2.随着采深的不断加大,虽然在采空区周围的围岩应力有增大的趋势,但在开采过程中对竖井周围应力影响较小；3.通过开挖后主竖井周围围岩仍处于原岩应力状态,未出现剪切和拉伸破坏；4.对两种不同的治理方案治理后的采空区分析发现主竖井的变形速率明显减小,说明两种治理方案均能使井筒变形的到控制,有效提高竖井周围围岩的稳定性。