深部开采环境及岩体力学行为研究

系统研究了深部开采环境和工程岩体的力学行为.通过理论分析和试验研究,指出深部开采的环境具有"四高一扰动"的特点,进入深部工程岩体所属的力学行为不再是浅部工程围岩所属的线性力学行为,而是非线性力学行为.所以,进行深部开采相关方面的研究势在必行.     

深部煤岩原位扰动力学行为研究

深部开采是我国矿产资源获取的主要途径,然而目前深部资源的开发现状是工程领先倒逼理论创新,时效性差,灾害频发。系统探索深部岩体原位力学行为已经成为了深部矿产资源高效开采亟待攻关的基础科学问题。以深部煤炭开采为工程背景,通过现场井下实测捕捉深部岩体所经历的应力路径,进而考虑扰动应力路径、深度原位赋存环境等因素,开展深部煤岩原位力学与破坏特征的模拟测试,主要结论有:①赋存深度是深部原位岩体力学行为的重要影响因素。岩体强度随赋存深度非线性增长,浅部(低围压)岩体的强度受载荷速率影响较小,加卸载速率对深部(高围压)岩体力学特征影响存在特定范围。②工程扰动是深部原位岩石力学特性的重要影响因素。扰动应力路径下岩体较常规三轴强度降低,且与常规三轴力学试验不同的是出现低初始应力作用下的体积膨胀和高围压作用下的体积收缩现象。③原位扰动应力路径下,随深度增加岩体破坏后表面微裂纹数量减少,由"半Y"型拉-剪复合破坏向"半X"型纯剪切破坏过渡。④建议的煤岩原位岩石力学测试方法可以较为真实模拟地下工程扰动形成的三向不等压力学状态,能有效在实验室条件下揭示深部开采扰动下煤岩体力学行为。     

深部岩体力学与开采理论研究进展

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的"三高"赋存环境的本真属性及资源开采"强扰动"和"强时效"的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家"十三五"重点研发计划"深部岩体力学与开采理论"针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:①初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;②系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚、能量耗散特性;④提出了"强扰动"和"强时效"特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了"高保低损"型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。     

深部崩落法开采地表沉降特征数值模拟研究

随着矿山开采深度的增加,岩体所处的力学条件变得复杂,深部崩落法开采引起的地表沉陷规律不同于浅部。基于有限差分法和岩石力学理论,研究了崩落法开采过程中,上覆岩层的移动变形规律与应力场分布特征,研究结果可为深部矿体开采岩层移动角及地表沉陷范围的确定提供一定的借鉴。     

深部高应力型冲击地压数值模拟

矿井深部开采与浅部开采不同,煤岩的力学性质在高温、高应力的作用下发生变化,使得岩体结构、基本力学行为特征和工程响应与浅部明显不同,该文通过FLAC3D模拟深部矿井应力分布规律,从而确定深部煤岩层冲击危险程度。     

煤炭深部开采界定及采动响应分析

科学界定深部是深部开采理论发展与技术实践的重要问题,探讨适于我国煤炭现代开采实践的深部开采界定方法具有重要意义。为此,综合考虑我国煤矿矿区深部岩石、地下水环境和现代开采方式,将区域应力场与采动应力场分析相结合,基于我国地壳浅部、煤矿矿区深部准静水应力状态分析,进一步研究我国煤矿矿区的深部界定、基于不同矿区煤岩状态(岩性及组合、含水性等)差异的相对深部界定和开采时动态深部区确定方法。研究表明,原岩初始状态和开采方式共同决定了采动力学状态及变化规律和其他伴生状态变化。基于深部与浅部的力学状态差异,将深部开采界定为在高地应力环境且具有采动非线性力学响应的煤岩体空间实施的采矿活动;依据我国煤矿矿区应力场统计变化规律和准静水应力状态分析,采用平均侧压系数K_(av)(即:水平最大主应力和最小主应力的平均值与垂直应力之比)确定煤矿矿区深部临界深度,结合我国中东部深部开采实践确定的参考深部临界深度H_m为850～900 m;基于不同矿区原岩差异性(岩性及组合、含水性等),建立了不同初始状态时实际深部临界深度H_s(简称为视临界深度)与H_m比较模型,分析发现采动煤层覆岩越软和含水性越强,其深部临界深度越浅(或"趋浅"),降低幅度可达30%～50%;基于开采"应力拱"现象构建了深部采动应力状态K_(av)模型和H_s计算方法,采动响应分析表明:开采工作面切眼外侧及采场前端局部H_s呈变浅→变深→正常的变化特征(或"端部效应"),工作面中部区域呈变浅趋势(或"趋浅"),采高越大其H_s"趋浅"效应越显著,而随工作面推进距离增加端部效应变小;东、中、西部典型矿区H_s与H_m比较表明:东部矿区H_s偏深,中部矿区深度相近,西部(陕、蒙等)地下水丰富的矿区偏浅,在500～600 m即可达到实际深部临界深度,采深400～500 m时大采高工作面两端外侧局部也可显现深部力学状态。研究基于我国深部岩石力学研究成果和开采条件及现代开采方式,探讨提出的深部界定方法和结果,与已有深部开采理论研究与实践成果比较证实,该方法具有理论合理性和结果可靠性。     

深部建井力学研究进展

随着浅部煤炭资源的日益枯竭,我国煤炭开采朝着深部化和大型化方向发展,新建和改扩建的大型立井年生产能力已达1 000万t,开采最大深度已达1 500 m。千米深井在建井时所处的高应力、"各向异性"(包括岩体、结构、应力等)复杂地质力学环境,造成井筒以及井底车场大巷围岩出现塌方、岩爆以及冲击地压等大变形灾害,严重影响深部矿井安全高效建设。在国家重点研发计划"深地资源勘查开采"重点专项"煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术"支持下,提出了深部非均压建井模式,以非均匀支护应对非均匀围岩压力;对煤系地层深部建井中典型的地层结构进行分类,并建立了深部不同应力条件下立井井筒力学模型;开展了一系列模拟深部环境下的多场、多尺度岩石力学实验,探明了深部建井岩体的各向异性与深部环境相互作用过程中的大变形力学特性,揭示了深部复杂地质环境下岩体大变形力学机理;研发了适用于深部建井岩体大变形控制NPR锚杆锚索新材料,进行了一系列拉拔力学实验对其优越性进行科学论证,并最终形成了一整套基于NPR锚杆锚索的支护技术;开展了无煤柱自成巷N00矿井建设研究,基于"切顶短臂梁"理论,建立了采矿损伤不变量的采矿工程模型。     

深部岩体质量分级Q系统的改进

岩体质量是复杂岩体工程地质特性的综合反映,是岩石工程稳定性判别和支护设计的基础。现有岩体质量分级方法大多基于浅部岩石工程,对深部岩体并不适用。本文在综合分析现有岩体质量分级方法的基础上,基于深部地下工程"高地应力、高温、高渗透压"的特点,考虑"三高"对围岩质量的影响,对传统Q系统方法进行修正,建立适合深部工程围岩质量评价的方法,并进行工程应用研究,研究表明,考虑"三高"的Q系统方法分级的岩体比用常规Q方法分级等级一般要低一级,可见常规评价方法评价深部岩体质量存在安全隐患,必须进行修正。     

温度因子对深部开采影响的研究现状与展望

我国煤矿正在逐步进入深部开采阶段,温度因子在深部矿井开采中的影响权重较浅部开采时明显增大,因高温带来的问题已经成为深部矿井开采中的主要难题之一。在综合分析深部开采高温问题有关研究成果的基础上,从温度对地下作业环境的影响,温度对岩石的本构关系,岩石强度和岩石变形等深部岩体力学性质的影响,温度对煤层自燃、深部岩石时-温效应的影响几个方面进行了综述,系统分析了温度因子在深部开采中的作用。最后指出了目前深部开采有关温度问题研究中存在的不足。     

深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏力学行为及分区特征

深部开采的强扰动附加属性导致底板煤岩破坏加剧,易沟通底板承压水导升带而诱发突水灾害,故研究砌体梁失稳扰动底板破坏的力学行为可为实现矿山岩层控制提供重要的理论基础。根据弹塑性力学理论分析了深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏的动载源特征,基于压力拱及损伤力学理论研究了砌体梁失稳扰动底板压剪破坏和卸荷破坏的力学行为,应用离散元软件计算分析了不同采深下砌体梁失稳扰动底板的应力变化及变形破坏行为,结合采动力学全过程应力-应变曲线获得了深部开采底板强扰动破坏的分区特征,并应用深部开采微震监测数据进行了验证。结果表明:砌体梁失稳后,梁端煤壁端部及触矸区域底板应力增高并形成了塑性屈服区和触矸破坏区,两者之间则形成了压力拱形式的卸荷破坏区;随采深增加,底板塑性屈服区和触矸破坏区的压应力增量及卸荷破坏区的卸荷反弹力不断增大,并使得底板岩体最大变形量在采深700 m以浅时近似线性增加,而采深700 m以深的深部开采却表现为非线性突变增长;深部开采高围压造成底板压应力峰值及卸荷反弹力非线性增加,促使了扰动岩体由浅部脆性向深部延性的转变,并导致其强扰动破坏的分区范围扩大,变形破坏深度增加,深部开采底板的非线性强扰动破坏行为在底板浅部最突出。     

我国金属矿山深部开采发展现状及对策研究

随着资源需求量日益增加,浅部资源逐渐枯竭,采矿向深部发展已成大势所趋。随着开采深度增加,开采导致的各种问题接踵而至,特别是对地下开采有重要影响的"三高一扰动"问题特别突出。针对国内现阶段深部开采面临的高应力及地压活动灾害问题进行了总结归纳,分析了目前研究的不足,并指出了深部高应力作用条件下岩石力学基础理论和工程稳定性的研究是未来深部开采的重要研究方向。     

新汶矿区岩体力学参数识别与地表变形预计

根据新汶矿区浅部观测站资料,以岩石力学为基础,采用了弹性力学有限元法反演了地层力学参数,由反演的采动地层力学参数,预计了深部开采地表移动值,获得了深部采矿地表岩移参数的变化规律,并提出了安全开采深度的实用计算方法,建立了岩层与地表移动,变形与岩体力学性质之间的联系问题,为深部安全开采探明了一条新路。     

抚顺煤田深部开采临界深度的定量判别

以抚顺煤田为工程背景,通过采动微震和瓦斯的现场观测与分析,得到深部开采临界深度是采动岩体的动力响应由线性转为非线性深度的认识。提出用采动岩体的视本构关系、采动微震的分形几何学特征和在浅部未发生过的特殊动力现象定量判断采动岩体力学行为的方法。结果表明,上述3项指标均指示700 m左右的深度是该煤田采动岩体力学行为发生非线性动力响应的临界深度。     

近海黄金矿床深部开采科技难题及研究展望

深地资源勘探开发是当前国家和学术界关注的重大科技问题。本研究在全面总结深部开采科技难题和山东黄金集团浅部已有技术积累的基础上,以三山岛金矿近海开采为切入点,系统分析了2 000 m以浅深部开采应解决的深部岩体力学与地应力环境及数据库构建、安全及高效开采、2 000 m深井开凿与提升、深部降温、深部绿色充填工艺技术等关键问题,并对未来应开展的基础理论和相应的应用技术研究作出了展望,旨在为山东黄金深部开采提供指引。     

煤矿深部开采技术取得突破

国家自然科学基金委员会主持召开了国家自然科学基金重大项目“深部岩体力学基础研究与应用”验收会议。专家组评议认为,该项目取得了多项创新性成果,使煤矿深部开采获得了技术突破。一是系统研究了矿山开采的深部岩体力学问题．初步形成了深部岩体力学理论框架。二是系统研究了深部开采工程稳定性及灾害防治技术。     

阶段矿房法在脉钨深部开采的工程地质问题

本文运用“岩石力学理论”,研究矿区工程地质概况(岩石建造、结构面、地应力、水文地质),总结阶段矿房法浅部开采(467m以上)网脉群时的工程地质问题,预测深部(467m以下)应用此法存在的几个问题,及提出建议     

深部高应力下数值模拟本构模型差异性探讨

深部高应力环境下,围岩力学响应特性要异于浅部开采。为研究更符合深部高应力环境下的围岩力学特性的数值模拟方法,结合围岩条件较稳固的某铜矿深部开采工程实例,采用FLAC3D 软件,分别以摩尔-库伦模型与应变软化模型建立计算模型,对深部采场开采后顶板围岩的应力、位移、塑性区等情况进行分析对比。研究结果表明：在深部高应力采场大范围开挖的情况下,摩尔-库伦模型个别应力指标要小于应变软化模型,但应变软化模型顶板变形及塑性区更大,摩尔-库伦模型的总体计算结果偏向安全。即应变软化模型能够更好地反映高应力环境下,围岩在非线性阶段的应变软化特性,计算结果更接近于工程实际。计算结果也表明了对于深部高应力下采场的开采模拟,仅靠单一应力或位移指标,难以得出客观结论,可通过多种计算模型及多种分析指标来进行综合分析对比,以提高计算结果的客观性。     

深部矿井开采问题与发展前景研究

通过分析深部矿井开采所面临的主要困难,指出深部岩体在高地应力、高地温、高岩溶水压的条件下,导致围岩的力学性质与浅部有很大的区别。提出了现在深井开采中所需解决的几个问题。如何正确认识由于开采深度增加所带来的问题,是解决实际问题的关键。     

深井开采岩体破坏机理吸工程控制方法综述

深井开采在我国今后矿山开采中所占的比例将逐步加大,其岩石力学和地压活动规律的研究对深井矿山的建设具有重要意义。本文简要介绍了深井井岩石力学与地压显现的特点,以及国内外在深井开采岩体破坏机理和工程控制方法方面的主要研究成果。     

地下水和温度影响下的深部巷道变形特征

由于深部岩体长期处于应力场、渗流场和温度场三场耦合环境中,导致岩石性质已经不同于浅部。深入了解和掌握深部环境中的岩体工程的力学特性显得非常重要且急迫。因此总结分析了应力场、渗流场和温度场三场之间的耦合关系,并给出了三场平衡方程。运用FLAC3D软件建立起包含应力场、渗流场和温度场的数值计算模型,根据模拟所得的应力、位移分析了孔隙水压、温度和热对流系数对巷道变形破坏的影响。