深部煤岩体高温高围压下力学性质的研究现状与展望

我国煤矿正在逐步进入深部开采阶段,深部煤岩体在高温高压作用下的力学性质和工程响应。与浅部煤岩体在低温低压作用下的力学性质和工程响应有着本质的区别．综合分析了我国目前在深部煤岩体高温高围压下力学性质研究现状,指出了目前深部煤岩体高温高围压下力学性质的研究在实验条件、试验的范围、试验理论基础方面存在的问题,并提出今后深部煤岩体高温高围压下力学性质的研究方向,对当前我国煤矿深部开采具有重要的理论和现实意义．     

“深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果展望

国内外深部资源开采发展的现状表明,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”、“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。其根本原因在于,现有岩石力学理论都建立在基于静态研究视角的材料力学基础上,已滞后于人类岩土工程实践活动,与深度不相关、与工程活动不相关、与深部原位环境不相关,亟需发展考虑深部原位状态和开采扰动的深部岩体力学新理论、新方法,破解深部资源开采的理论与技术难题。项目以提升中国深部资源获取能力为导向,针对我国深部矿产资源开采将全面进入1000~2000m阶段这一基本现状,凝练了四大关键科学问题：（1）深部岩体原位力学行为与地应力环境;（2）深部岩体应力场-能量场分析、模拟与可视化;（3）深部强扰动和强时效下的多相并存多场耦合理论;（4）深部资源低生态损害协同高效开采理论与技术。并结合关键科学问题的内涵,提出了五大重点研究内容：（1）深部岩体原位力学行为和地应力环境;（2）深部采动岩体力学及多场多相渗流理论;（3）深部采动应力场-能量场演化规律;（4）深部岩体变形监测、安全预警与稳定控制;（5）深部矿产资源生态化协同高效开采理论与技术。最后,将五大重点研究内容细分为九大前沿研究方向：（1）深部岩体原位力学行为研究;（2）深部围岩长期稳定性分析与控制;（3）深部地应力环境与灾害动力学;（4）深部强扰动和强时效下多场多相渗流理论;（5）深部采动应力场-能量场分析、模拟与可视化;（6）深部高应力诱导与能量调控理论;（7）深部采动岩层变形监测预警与控制;（8）深部煤矿安全绿色开采理论与技术;（9）深部金属矿协同开采理论与技术。从而初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来我国数万亿的深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。     

层状巷道围岩稳定性的试验研究

随着我国煤矿深部开采时代的来临,深部软岩层状巷道的稳定性问题越来越受到人们的关注。国内许多煤矿企业没有对深部巷道所处的复杂环境进行针对性的支护设计,从而产生了大大小小的安全问题。为了研究深部软岩巷道的变形及破坏规律,结合徐州矿区旗山矿的工程实际,制作了巷道物理模型,设计了不同地应力条件下的加载试验,成功模拟了深部煤岩体在自重应力和水平构造应力共同作用下的变形及破坏过程,并通过红外图像记录应力集中区域以及能量释放区域,形象再现了实际工程现场巷道两帮非对称变形、底鼓、冒落等破坏现象。研究内容可为深部层状软岩巷道稳定条件和支护方式的确定提供参考。     

大采深条带开采宽度确定方法研究

在建筑物下开采深部压煤通常采用条带开采法控制地表移动变形量,条带开采工作面倾斜方向容易形成极不充分工作面,结合某煤矿建筑物下深部压煤条带开采试验,深入研究和探索深部条带开采采宽和留宽确定方法及其协调关系,并与下沉系数法、压力拱计算值法相比较,得出该煤矿条带开采的参数,试验结果表明,极不充分开采法确定开采宽度对于条带开采设计是十分有效的,能有效地控制地表移动和变形程度.本方法对于指导相似地质条件下开采建筑物下压滞的大量煤炭具有较大的实用价值和指导意义.     

三轴卸荷条件下煤体力学特性和能量耗散演化

孤岛工作面煤体和巷道受周边开采扰动影响,煤体受循环荷载作用存在卸荷力学行为而表现出动态破坏特性.为探讨不同路径下煤体力学特性,利用TAW-2000三轴电液伺服刚性试验机分别进行常规三轴(T)、三轴循环荷载(TC)以及相应卸围压试验(TU、TCU),分析不同围压下煤体卸围压强度、变形、声发射事件以及能量耗散演化特征,开展...     

围压对节理岩体变形破坏行为的影响（英文）

节理岩体的力学特性对于工程岩体的安全至关重要。为了更好的掌握节理岩体的变形破坏规律,采用离散元程序对不同围压作用下的断续节理岩体进行了模拟实验研究。首先,以室内试验数据为基础,标定了能够反映节理试件宏观力学行为和变形破坏特征的数值模型细观参数。然后,研究了节理倾角和围压对节理试样应力应变曲线、破裂模式和接触力分布的影响规律。结果表明：试件的抗压强度和弹性模量随围压的增加而增加,随节理组倾角的增加呈现出先减小后增大的变化趋势;不同节理组倾角下试件的强度和弹性模量对围压的敏感性不同,其中节理组倾角为90°时影响最小;在低围压下,试样的破坏模式由节理组倾角控制;随着围压的增大,拉裂缝的萌生和扩展逐渐受到抑制,破坏模式由拉破坏向剪切-压缩破坏转变。最后,进一步探讨了预应力锚固支护对工程裂隙岩体的加固作用。     

动静载叠加作用下深部巷道围岩变形破坏数值模拟研究

在深部煤矿开采中,巷道往往处于高地应力和强动力扰动的动静载叠加应力环境.由动静载叠加诱发的围岩严重变形破坏甚至灾变失稳现象屡见不鲜,严重威胁煤矿的安全高效开采.因此,对动静载叠加作用下巷道围岩变形破坏规律的研究具有非常重要的理论价值和工程意义.本文以数值模拟中非线性动力计算为手段,研究了不同初始应力场及不同动载条件对巷...     

煤矿井下煤矸智能分选与充填技术及工程应用

我国中东部煤矿开采已全面进入深部开采,深部开采过程中原煤中矸石运输提升与地面排放严重制约矿区高效生产与环境协调发展.国家重点研发计划项目(2018YFC0604700)围绕深部煤矿井下洗选与就地充填中重大难题开展系统研究:提出了深部采选充一体化矿井协同开采技术框架,构建了井下采选充空间布局与煤矸物流运输优化方法;研发了井下专用的紧凑型跳汰机、水介质分级分选旋流器,以及煤矸分选智能化与模块化控制系统;构建了硐室围岩锚固承载结构损伤演化模型,揭示了硐室群连锁破坏失稳力学机理,开发了抗动载吸能阻尼锚索、锚固支护设计方法及硐室群围岩失稳智能预警平台;系统研究了破碎矸石充填材料细观结构破坏特征,揭示了散体充填材料承载压缩变形影响机制,研发了矸石聚合物充填材料;建立了深部充填开采地表沉陷场模型,研发了深部充填开采地表变形井上下多源综合监控方法与装备,提出了"采选充+留"协同开采模式与工程设计方法.研究成果应用于新巨龙煤矿,井下分选系统设计分选能力达400万t/a,就地充填能力150万t/a,为我国深部煤矿井下分选与就地充填、矿区环境保护协调发展提供了可靠技术途径.     

MHC耦合作用下岩体力学性质研究现状

随着工程岩体开挖的不断加深,应力(M)-水流(H)-化学(C)耦合作用对岩体的影响越来越大,研究MHC耦合作用下岩体的力学性质具有重要的工程意义。目前,国内外学者对MHC耦合下岩体力学性质研究主要包括试验研究、模型研究和数值方法研究3个方面。其中,MHC耦合过程的试验研究方面主要集中在MH、MC两种因素的耦合研究上,而对于M、H、C 3种因素的耦合研究较少;模型研究方面还需要考虑化学反应过程的引入,以及如何用更精准的数学模型表达岩体MHC耦合中的水化学损伤过程;数值方法研究方面还需要在计算参数取值、本构关系选取和化学反应过程与应力水流的融合上进一步完善。     

煤的几项力学性质试验研究

煤的力学性质的研究可为煤矿采掘提供一定参数.本文对煤的几项力学性质作了试验研究,从煤层煤岩特征,到试样制备,煤的物理力学性质试验及其数据的大小作了基本的叙述,最后,对试验结果进行了初步分析。     

高地应力水平对爆破开挖损伤区声波检测及损伤程度评价的影响

随着地下工程埋深的不断增加,深部岩体工程中围岩开挖损伤区深度及程度的准确评价逐渐受到深部高地应力场的影响,其影响程度的合理评估成为研究重点。依托某水电站深埋引水隧洞开挖工程,采用应力逐步解除方案,通过在取样区域外围钻设形成环形封闭边界的常规取样孔,逐步解除取样区域内岩体应力,并在取样区域内进行钻孔与低应力取芯,继而利用声波检测装置对外围应力解除孔和内部取芯孔周边岩体的损伤程度进行检测,以此获得相同位置岩体在不同地应力条件下的损伤区深度及程度的声波检测结果。同时,结合内、外取芯孔获取的不同应力水平下的岩芯,开展室内试验,基于Hoek-Brown强度经验公式,利用声波波速计算得到相同位置岩体在不同地应力条件下的岩体单轴抗压强度,从而判断不同地应力条件对爆破开挖损伤区声波检测结果及损伤程度评价的影响。研究表明：高应力条件下,常规取样与声波检测法会在一定程度上低估围岩的损伤区深度和损伤程度,同时严重高估岩体单轴抗压强度。当初始应力水平为45 MPa时,围岩损伤区深度和损伤程度大约会被低估约10%～30%;当地应力水平由45 MPa降至30 MPa时,岩体的单轴抗压强度会被严重高估约30%～100%。因此,高地应力水平对爆破开挖围岩损伤区声波检测与评价结果存在明显影响,工程中运用波速指标评价岩体质量必须考虑地应力水平对声波检测的影响,并进行适当修正。     

Selected elements of rock burst state assessment in case studies from the Silesian hard coal mines

Exploitation of coal seams in the Upper Silesian Coal Basin is conducted in complex and difficult conditions. These difficulties are connected with the occurrence of many natural mining hazards and limitations resulting from the existing in this area surface infrastructure. One of the most important problems of Polish mining is the rock burst hazard and reliable evaluation of its condition. During long-years' mining practice in Poland a comprehensive system of evaluation and control of this hazard was de-veloped. In the paper the main aspects of rock burst hazard state evaluation will be presented, comprising: 1) rock mass inclination for rock bursts, I.e., rock strength properties investigation, comprehensive parametric evaluation of rock mass inclination for rock bursts, prognosis of seismic events induced by mining operations, methods of computer-aided modelling of stress and rock mass deformation parameters distribution, strategic rock mass classification under rock burst degrees; 2) immediate seismic and rock burst hazard state evaluation, I.e., low diameter test drilling method, seismologic and seismoacoustic method, comprehensive method of rock burst hazard state evaluation, non-standard methods of evaluation; 3) legal aspects of rock burst hazard state evaluation. Selected elements of the hazard state evaluation system are illustrated with specific practical examples of their applica-tion.     

Correlation of electromagnetic radiation emitted from coal or rock to supporting resistance

More accurate forecasting of rock burst might be possible from observations of electromagnetic radiation emitted in the mine. We analyzed experimental observations and field data from the Muchengjian coal mine to study the relationship between electromagnetic radiation signal intensity and stress during the fracturing of coal, or rock, and samples under load. The results show that the signal intensity is positively correlated with stress. In addition, we investigated the change in the electromagnetic radiation intensity, the supporting resistance in a real coal mine environment, and the coal or rock stress in the mining area. The data analysis indicates that: 1) electromagnetic radiation intensity can accurately reflect the distribution of stress in the mining area; and, 2) there is a correlation between electromagnetic radiation intensity and supporting resistance. The research has some practical guiding significance for rock burst forecasting and for the prevention of accidents in coal mines.     

三软煤层大采高综采围岩控制技术

根据三软煤层围岩力学性质,研究了直接顶与老顶的构成和直接顶、老顶初次来压与周期来压步距以及顶板压力的变化规律,提出了加大初撑力及时护顶等控制顶板运动显现的措施以及防止煤壁片帮和支架插底的技术措施并付之实践,取得了三软煤层大采高控制围岩的预期效果.     

三软煤层大采高综采围岩控制技术

根据三软煤层围岩力学性质,研究了直接顶与老顶的构成和直接顶、老顶初次来压与周期来压步距以及顶板压力的变化规律,提出了加大初撑力及时护顶等控制顶板运动显现的措施以及防止煤壁片帮和支架插底的技术措施并付之实践,取得了三软煤层大采高控制围岩的预期效果．     

不同卸载速率下煤岩采动力学响应试验研究

深刻认识采动应力路径下岩体力学响应的加载速率效应,是科学界定实际工作面推进最优速率的重要基础。基于平煤矿区煤岩初始地应力环境,定量分析了千米级赋存深度煤岩保护层开采条件下应力演化特征,展开更为符合真实应力状态的不同加载速率下煤岩体力学行为实验模拟,同时与未考虑采动试验结果进行对比分析。研究结果表明：（1）常规三轴压缩试验,试样强度受加载速率影响较小,在1~4 MPa/min时并无明显变化,达到5 MPa/min时强度才有明显的上升,约为115 MPa。（2）随加载速率增加,采动过程中煤岩体强度呈现下降后上升再下降的趋势,1 MPa/min和4 MPa/min加载速率下煤岩体强度达到最大,其峰值应力约为64 MPa,较3 MPa/min提高了12%。（3）低加载速率下试件内部的微小裂隙可以充分发育、扩展,试样裂隙密度随加载速率增加呈减小趋势,其中1 MPa/min约为5 MPa/min的1.61倍,适当降低开采速度可提高瓦斯抽采效率。（4）不同开采速度煤岩在整个采动过程中体积应变不仅出现了相对初始状态的压缩现象,还出现了破坏阶段的体积膨胀,可将其作为采动特征,明显区别于未考虑采动下的体积压缩,且采动下煤岩强度明显偏小,破损程度更大。研究成果可为类似地质条件开展保护层开采设计奠定一定的理论基础。     

Failure characteristics of surface vertical wells for relieved coal gas and their influencing factors in Huainan mining area

Based on data from through-hole and logging, we studied the failure characteristics of surface drainage wells for relieved coal gas in Huainan mining area and its influencing factors. The results show that the damaged positions of drainage wells are mainly located at the thick clay layer in the low alluvium and the lithological interface in the upper section of bedrock in west mining area. The failure depth of casing is 244-670 m and concentrates at about 270-460 m deep. These damaged positions are mainly located in the bending zone according to three zones of rock layers in the vertical section above the roof divided. Generally, the casing begins to deform or damage before the face line about 30-150 m. Special formation structure and rock mass properties are the direct causes of the casing failure, high mining height and fast advancing speed are fundamental reasons for rock mass damage. However, the borehole configuration and spacing to the casing failure are not very clear.     

深部巷道围岩变形试验与数值模拟研究

为了研究深部软岩巷道的变形破坏特性,以淮南矿区某煤矿13-1煤回采巷道为例,在现场调查回采巷道工程概况的基础上,开展了室内深部回采巷道围岩变形特性相似模拟试验,并基于块体离散元法,建立了深部回采巷道围岩的数值模型,模拟了开挖过程中围岩的变形特性。相似模拟试验和数值模拟试验结果表明,深部巷道围岩的典型特征为:巷道底臌量两帮移近量顶板下沉量,巷道不同围岩受开挖扰动的位移影响范围不同,底板为3.5 m,顶板为2.45 m,两帮为5.5 m。     

Controlling the effect of a distant extremely thick igneous rock in overlying strata on coal mine disasters

Based on theoretical analysis, similarity simulation tests, numerical simulation analysis and field observations, we analyzed rock collapse and rules of fraction evolution of overlying rocks and studied the rules in controlling the effect of an extremely thick igneous rock, found above a main mining coal seam in an area prone to coal mine disasters in the Haizi Coal Mine. The results show that this igneous rock, called a "main key stratum", will not subside nor break for a long time, causing lower fractures and bed separations not to close. The presence of igneous rock plays an important role in rock bursts, mine floods, gas outburst and surface subsidence in coal mines. By analyzing the rules in controlling the effect of this igneous rock, we provide useful references for safety and high efficiency mining in coal mines under special geological conditions.