“我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究”专题特邀主编致读者

<正>我国“缺气、少油、富煤”,煤炭作为主体能源的地位在相当长一段时间内无法改变,仍将长期担负国家能源安全、经济持续健康发展的重任。随着我国能源供给侧结构性改革的深入以及能源产业淘汰落后产能工作的持续推进,加之华东、东北地区部分能源资源逐步枯竭,部分矿井已到达其生命周期,也有部分矿井不符合安全生产要求,或开采成本过高而亏损严重,正面临关闭或废弃,导致废弃矿井数量逐步增加。预计到2030年,我国关闭/废弃矿井将达到1.5万处。直接关闭或废弃此类矿井不仅会造成资源的巨大浪费和国有资产流失,还有可能诱发后续的安全、环境等问题。据调查,目前我国已关闭/废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t、非常规天然气近5000亿m³、地下空间资源约为72亿m³,并且还具有丰富的矿井水资源、地热资源、旅游资源等,这使得关闭或废弃矿井资源的综合开发利用成为我国面临的新课题、新难题。     

薄基岩厚松散层深部采场裂隙带几何特征及矿压分布的工作面效应

针对薄基岩厚松散层深部长工作面矿压显现规律状况,在压力拱假说、应力壳理论和普氏理论基础上建立采场裂隙带几何模型,推导出工作面覆岩裂隙带计算公式,结合数值模拟对几何模型及工作面覆岩裂隙带公式进行验证,并对工作面覆岩裂隙带高度及矿压显现程度的影响因素进行分析。结果表明:采场裂隙带几何模型较为合理,与采场上覆岩层裂隙带空间分布特征相一致;工作面覆岩裂隙带公式具有一定的适用性,可解释工作面方向上"抛物线"状的矿压显现规律;工作面覆岩裂隙带高度和矿压的比例系数最小值及变化率与工作面长度呈负相关,与采高及采深基本不相关;工作面覆岩裂隙带高度及矿压,强线性相关于采高、岩层硬度系数,弱相关于工作面长度和采深。     

综采工作面过断层巷道稳定性多参量监测

以综采工作面前方出现小断层为研究背景,采用锚杆测力计、锚索测力计、多功能测枪、电磁辐射仪、红外测温仪、风速计及湿度计等多参量手段对巷道稳定性进行了监测;通过对巷道围岩的应力、位移、电磁辐射和温度同步监测的同时,实现了对巷道围岩体的宏细观相结合的成功监测。结合数值模拟对断层位置处的应力和内能变化规律进行研究,并对多参量监测结果应用主成分分析方法得出：温度作为内能的直接表现形式,有着和应力、位移相同的发展变化规律;电磁辐射体现着煤岩体内部结构的应力分布规律及微破裂的频次,能在细观上监测巷道围岩体变化;多参量中各参量依照其重要性及敏感性由强到弱依次为巷道变形量、电磁辐射强度值、巷道内部温度、巷道应力;结合电磁辐射、温度、应力和位移的多参量监测方法可以实现对巷道围岩体进行不同的空间尺度、全方位的监测。     

软弱破碎围岩高强高预紧力支护技术与应用

为了达到对软弱破碎围岩巷道的一次支护到位,从加固破碎岩体、提高支护阻力和降低围岩采动应力3方面综合研究入手,提出了以高强高预紧力锚网喷主动支护为基础,配合U型钢可缩支架的支护方式,旨在使各支护方式在承载力上优势互补,并且充分调动围岩的承载能力,使支护体系与围岩形成承载整体。基于小康矿和木城涧矿等不同地质条件下的软弱破碎围岩巷道变形破坏原因,分析了软弱破碎围岩巷道破坏特征和高强高预紧力支护技术特点。现场试验结果表明,针对不同地质条件,高强高预紧力支护技术能够通过调动深部稳定岩层的承载能力和提供较大支护阻力等手段有效控制巷道围岩的剧烈收缩,并且一定程度上降低了工作面采动应力的影响,取得了良好的支护效果和经济效益。     

单轴多级循环加载下原煤加卸载响应比演化特征

煤矿井工开采往往对采场周边煤岩体产生周期性扰动,研究单轴多级循环加卸载条件下煤变形及破坏特征有助于深入认识煤柱损伤、劣化及失稳破坏机制,并为获取煤柱失稳前兆提供有效分析手段。通过开展原煤单轴多级循环加卸载实验,利用弹性模量变化量提取加卸载响应比以描述原煤破坏前兆特征;并基于声发射累计振铃计数定义加卸载响应比,探讨原煤破坏过程中内部损伤演化特征及破坏前兆。此外,通过对实验前、后煤样内部结构的CT扫描,结合逆向化建模方法,分析煤样破坏特征及模拟单元数量对加卸载响应比数值计算结果的影响。研究发现:基于实验获得的单轴循环载荷下原煤加卸载响应比存在3个变化阶段,且在每级应力水平下均呈周期性"W"型变化特征;当荷载水平逐渐升高时加卸载响应比呈下降趋势,当荷载水平较高且接近峰值荷载时,加卸载响应比先下降后急剧上升;而基于声发射累计振铃数计算的加卸载响应比则呈持续减小趋势,并在破坏前接近1。     

侧限约束冲击载荷下煤样能量耗散与损伤特征

冲击载荷作用下煤岩能量转化与损伤控制是煤岩冲击动力学领域关注的重点问题.利用分离式霍普金森压杆和自制侧限约束装置,对煤样进行不同速度等级、不同约束状态冲击压缩试验,研究其能量耗散规律和破坏失效模式,并结合超声波测试、CT扫描分析侧限约束条件下煤样损伤特征.结果表明：冲击压缩过程中煤样能量转化分布具有同步异幅特征,受煤低波阻抗特性影响显著.单轴冲击条件煤样呈脆性失稳破坏,从低速冲击的劈裂破坏向高速冲击下压碎破坏模式转变,耗散能与冲击速度呈二次函数正相关关系.受能量相同的入射波作用,侧限约束下煤样微裂隙扩展贯通困难,耗散能明显低于单轴冲击,煤样外观保持整体性较好,发生塑性变形破坏.随着冲击速度的提高,冲击载荷对煤样损伤程度的影响占主导因素,三维重构模型显示煤样内部损伤裂隙体积增幅明显,超声波高频信号降低、低频信号上升、频谱由单主峰向多峰转变.依据纵波波速变化特征,建立了侧限约束煤样损伤程度与冲击速度的关系表达式,可为相关工程设计施工提供参考.     

管棚注浆法过断层施工中喷孔分析

东欢坨矿-500运输大巷施工中,遇特大断层,首次将管棚注浆法运用到深部巷道的过断层施工中,由于断层破碎带极不稳定,在钻孔过程中出现了喷孔塌孔现象。本文针对这一现象,采用有限差分法分析发生喷孔的原因,从力学角度和位移场两方面来综合进行考虑,给现场施工和设计提供指导。     

邢东矿深部带压开采底板突水特征及控制技术

针对深部带压开采工作面区域注浆治理后底板突水仍频发的难题,以邯邢矿区邢东矿深部带压开采为工程背景,通过现场调研和理论分析已突水工作面突水过程和开采地质条件,获得了邢东矿深部带压开采底板突水特征和影响因素,确定了邢东矿深部带压开采底板突水主控因素;应用弹塑性力学理论从动静载角度分析了不同来压步距对底板破坏深度和宽度影响规律,进而采用数值模拟研究不同来压步距下底板应力场和塑性区演化规律。研究结果表明:工作面顶板剧烈来压突水是邢东矿深部带压开采底板突水主要特征,顶板难以及时垮落是其关键诱因;随来压步距增大,底板应力集中带和卸荷应力拱逐渐向底板深部岩体传播扩展,顶板垮落易产生强烈来压动载效应,底板采动破坏深度和宽度增大,诱发隐伏导水构造活化及深部岩体破坏,贯通底板隐伏构造带等导水通道诱发底板突水。为此,提出了顶板水力压裂卸压以及底板微震监测、采动应力监测、围岩变形监测和承压水水位监测等多参量监测的防治技术。现场监测表明,试验工作面顶板水力压裂后周期来压步距缩短为9.53 m,相比邻近未压裂工作面减小了61.42%,来压动载系数、应力集中系数和围岩变形速度均较小,奥灰水位相对稳定,未形成底板突水通道,底板突水得到有效控制。     

干热岩高温力学特性及热冲击效应分析

在地热开发进程中,岩石所处温度的改变会导致其力学性质发生变化.通过开展实时高温下花岗岩试样的压缩实验,研究了温度对花岗岩力学强度的影响规律;分析了实时高温和热冲击条件下花岗岩物理力学性质的差异,并提出了热冲击损伤系数的概念,揭示了热冲击损伤破岩机理.结果表明:高温会弱化岩石抗压强度和弹性模量,在25～200℃之间,岩石...