5月
JOURNALOFCHINACOALSOCIETY
煤 炭 学 报
Vol.44 No.5 May
2019
2019.6038
谢和平.深部岩体力学与开采理论研究进展[J].煤炭学报,2019,44(5):1283-1305.doi:10.13225/j.cnki.jccs.XIEHeping.ResearchreviewofthestatekeyresearchdevelopmentprogramofChina:Deeprockmechanicsandmin-ingtheory[J].JournalofChinaCoalSociety,2019,44(5):1283-1305.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2019.6038
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深部岩体力学与开采理论研究进展
谢 和 平1,2,3
610065)
(1.深圳大学深地科学与绿色能源研究院,广东深圳 518060;2.深圳市清洁能源研究院,广东深圳 518060;3.四川大学,四川成都
摘 要: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。关键词:深部开采;岩体力学;原位岩石力学;可视化;多相多场
中图分类号:TD821;TD313 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2019)05-1283-23
Researchreviewofthestatekeyresearchdevelopmentprogramof
China:Deeprockmechanicsandminingtheory
(1.InstituteofDeepEarthScienceandGreenEnergy,ShenzhenUniversity,Shenzhen 518060,China;2.InstituteofCleanEnergy,Shenzhen 518060,China;
XIEHeping1,2,3
3.SichuanUniversity,Chengdu 610065,China)
Abstract:Withthegradualdepletionofmineralresourcesintheshallowearth,theexploitationofdeepmineralre-收稿日期:2019-03-11 修回日期:2019-03-28 责任编辑:常 琛 基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600700)
作者简介:谢和平(1956—),男,湖南双峰人,中国工程院院士。E-mail:xiehp@scu．edu．cn
sourceshasbecomenormal.However,duetothetruenatureofthetypical“threehighs”occurrenceenvironmentofthe
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deeprockmassandtheadditionalattributesof“strongdisturbance”and“strongaging”ofresourceexploitation,thelarge-scaleengineeringdisasterswithdeephigh-energyfrequentlyoccur,andthemechanismisunclear.Itisdifficulttoeffectivelypredictandcontrolthoseengineeringdisasters.Thetraditionalrockmechanicsandminingtheoryarecontro-including①Thetechnicalsystemofin-situcoring,transportationandtestingwithin-situphysicalstatehasbeenpre-versialintermsofdeepminingapplicability.Inthispaper,theresearchdevelopmentsoftheprojectcalledDeepRockMechanicsandMiningTheorywithintheframeworkoftheStateKeyResearchandDevelopmentProjectarereviewed,liminarilyformed,andthein-siturestoringrockmechanicstestsatdifferentdepthshavebeencarriedout.②Thelong-termin-situmechanicalbehaviorofrockmasswithdifferentdepthsunderdisturbanceissystematicallyexplored,andthedynamicconstitutivemodelsofrockundervariousstressenvironmentsareconstructed.③Therelationshipbetweenandthebatchdataprocessingnetwork(GMDH)algorithmisdevelopedtoinversethedeepgeostressfield.Theenergyanddiscontinuousabutmentpressuretheoryofcoalunderthepathofstrongdisturbancestressindeepminingareex-lished,andthevisualizationofstressfieldintheprocessofdynamiccrackpropagationisrealized.Thefreezingexperi-simulationofslabcrackfailureinthesurroundingrockofdeephardrockrectangulartunneliscarriedout,andthethe-fractureinitiationanddifferentiationofthreedisastermodesunderastrongunloadingofdeephardrockissumma-averagestressanddeformationmodulusofdeepnon-linearrockmassundercomplexgeologicalconditionsisproposed,accumulationanddissipationcharacteristicsintheprocessofrockfailurearesystematicallystudied.④Thecriteriaforassessingthecharacteristicsof“strongdisturbance”and“strongtimeliness”areputforward.Thedamageevolutionplored.Thedamageandfracture,energyevolutionandpermeabilitycharacteristicsofcoalunderstrongdisturbanceindeepminingarestudied.⑤Thethree-dimensionalvisualizationmodelofcomplexporestructureinrockmassisestab-mentaldeviceofthethree-dimensionalstressfieldofthevisualizedphysicalmodelisdeveloped.⑥Theexperimentaloryofstablyreleasingstressindeepnearstopeareaareputforward.Themethodandtechnologyoffinerockbreakingcoupledwithhighstressandblastingindeephardrockaredevelopedandapplied.⑦Theevolutionmechanismofrized,andanewmethodofcontinuous-discontinuouscalculationbasedonmaterialpointprincipleisproposed,whichminingofdeepcoalareanalyzed,andanewsafegreenminingmodeof“highprotectionandlowloss”ispreliminarilyconstructed.⑨Thespatialmodelofdeepminingandthedy-namicoptimizationmodelofproductionplanareestab-innovatesthemethodofcracking-restraintsupportforchamberstability.⑧Themaininfluencingfactorsofsafegreenlished.Theunloadingtechnologyofdeepexcavationface,theintegratedpressurereliefcontrolstrategyofdeephighatheoreticalresearchsystemfordeeprockme-chanicsandminingtheorywasinitiallyconstructed,whichwillprovidetheoreticalbasisandtechnicalsupportforthedevelopmentofdeepmineralresourcesinChinainthefuture. 随着浅部矿物资源逐渐枯竭,资源开发不断走向地球深部,千米深井的深部资源开采逐渐成为资源开发新常态。进入1000~2000m的深部开采,资源赋存的地质条件复杂、地应力增大、地温升高、岩体破裂程度与涌水加剧,致使资源开采难度加大、作业环境恶化和生产成本急剧增加等一系列问题,为深部资源开采提出了严峻的挑战。进入1000~2000m的深部,岩石可能表现出大变形、强流变等特征;持续的高地温将对人员的健康和工作能力造成极大的伤害,使劳动生产率大大下降;矿井灾害将以前所未有的频度、强度和复杂性表现出来,且浅部开采的单一灾害种类转变为多种灾害的灾害链,灾害链的孕育机理、致灾过程更加复杂,给岩层控制、采场维护等提出了
Keywords:deepmining;rockmechanics;in-siturockmechanics;visualization;multi-phasesandmulti-fields
前所未有的巨大挑战。
stresspillarandthestressisolationtechnologyofdeeppressurereliefcurtainareputforward.Basedonthosecontents,
力学与开采理论的项目。本项目正是针对深部矿产资源开采中的共性基础科学问题,系统开展了深部岩体力学与开采理论研究,应用中国锦屏地下实验室、深部资源开采国家级示范工程基地———中国平煤神马集团、矿产资源开发与先进材料国际科技合作示范基地,以及金川集团股份有限公司围绕深部岩体原位力学行为与地应力环境、深部岩体应力场-能量场、深部强扰动和强时效下的多相并存多场耦合以及深部资源低生态损害协同高效开采理论与技术,系统探索深部与浅部岩石力学行为本质差异,提出应力场和能量场定量的可视化分析方法,建立深部岩体能量调
2016年启动了国家重点研发计划———深部岩体
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控理论与动力灾害预警体系,建立深部资源开采的多相多场耦合理论,构建深部原位应力状态和地应力环境下的岩石力学新原理、新理论、新技术。
笔者将围绕国家重点研发计划———深部岩体力学与开采理论研究团队的最新研究动态,详述其5个研究内容和9个研究方向的最新成果。
五大重点研究内容分别为: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。
九大前沿研究方向为:①深部岩体原位力学行
1 深部岩体力学与开采理论研究体系
2000m深部这一现状,我们凝练了四大关键科学问题,并提出了五大重点研究内容和九大前沿研究方向[1]。四大关键科学问题分别为: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。
针对我国未来矿产资源开发将全面进入1000~
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。
四大关键科学问题、五大重点研究内容和九大前沿方向的逻辑关系,以及深部岩体力学与开采理论研究体系如图1所示。
Fig．1 Schematicviewoftheresearchsystemfordeeprockmechanicsandminingtheory
图1 深部岩体力学和开采理论研究体系示意
2 深部岩体力学与开采理论研究进展
2．1 深部岩体原位力学行为研究2．1．1 深部原位保真取芯原理与技术
岩石的原位力学行为与其所处的原位压力环境密切相关,目前国际上使用深钻获取的“普通岩芯”与所处深部原位环境无关,无法反映岩石所处环境的原位力学性质,致使现有的岩石力学理论强度准则及本构方程不得不假设岩石的弹性模量、泊松比等物理力学参数为常数。然而在实际岩石工程中,随着深度的增加,岩石的物理力学参数并非常数,而是随着深度的增加呈线性变化的,甚至是非线性关系。课题组提出的深部原位保真取芯原理与技术目的是把深部
岩芯原“质”原“位”的取出来,试图探索不同深度原位环境下岩石物理力学行为的差异性规律,并由此获取新数据,建立新模型,构建深部原位应力状态和地应力环境下的岩体力学新理论。
课题组与德国克劳斯塔尔工业大学长期合作,在深部原位保压取芯技术及设备研发方面取得了初步成果,设计并开发了密闭型保压取芯工具,其核心技术主要有:绳索取芯技术、孔底螺杆马达驱动技术、密闭型保压技术与先导式硬岩钻进技术。绳索取芯是在取芯钻进中岩芯充满岩芯管后不需要提钻,借助绳索和专用打捞工具从钻杆中把内管及岩芯提至地表,可极大地减少起下钻具时间。具有机械化程度高、钻头寿命长、回转平稳、地质效果
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好、岩芯采取率高、取芯长度大等特点,此技术已经逐步成为地质取芯的重要方法和技术手段。孔底螺杆马达驱动技术利用钻进过程中钻井液的高压、大流量特性,在孔底实现液压能向机械能的高效转化,驱动孔底钻进和各种复杂的机械运动。缩短了取芯工具的动力源和取芯执行机构的传动链,从而降低了取芯过程中因长距离传动链带来的系统扰动,提高了取芯质量,在深孔取芯中应用越来越普遍。密闭型保压技术是保真取芯的关键,传统技术采用远距离提拉控制球阀进行运动闭合,最终实现孔底密封,保持孔底水环境压力;然而,由于孔底具
有环境复杂、杂质碎屑多、远距离控制球阀精度低等特点,导致控制机构执行准确率低,常常造成球阀关闭失效,大大降低了密闭取芯的成功率。本课题采用翻转式蝶阀实现了孔底的自动密封保压取芯,其执行机构简单,控制方便,已得到国内外专家的广泛关注与推广。另外,针对深部高强度硬岩取芯率低的难题,课题组通过多年研究,探索了先导钻头的设计理念,采用多级切削方法实现钻进、扩孔和取芯,有效提升岩芯切割表面光滑度和取芯率。通过对以上核心技术的整体集成,初步设计了适合深部地层钻进保压取芯工具,产品样机如图2所示。
基于已有的深部保压取芯的技术基础,我们在国保光、保湿)取芯新思路,并得到了2018年度国家自然科学基金委员会国家重大科研仪器研制项目专项的支持,旨在继续创新研发“深部岩石原位保真取芯与保真测试分析系统”,为国家深部资源开发的重大
Fig．2 Prototypeofpressure-preservingcoredrill
图2 保压取芯工具样机
际上率先提出深部原位“五保”(即保压、保温、保质、
需求及深地科学基础研究提供研究手段和技术平台,构建世界独创和全球领先的深部原位保真取芯与保真测试分析的原理技术和装备体系。
同时,为了研究不同深部岩体原位力学行为的差异性,在目前尚未有获得深部原位保真岩芯手段的现状下,我们率先开展了深部原位恢复实验的探索,即首先把不同深度岩芯恢复至原位的应力和温度,然后研究其在原位恢复状态下的力学性质。课题组在松科二井1000~6500m深度开展不同深度的取芯工作,共取岩芯500多个。根据松辽盆地的地应力和地温赋存规律,开展了不同深度岩芯的原位应力和原位温度恢复实验,不同深度原位环境(应力和温度)恢复实验思路如图3所示(σ1,σ3分别代表最大主应力和最小主应力;σH,σh分别代表最大水平主应力和最小水平主应力)。
Fig．3 Designofin-situstorageenvironmentrecovery
图3 原位恢复实验思路
experiment
2．1．2 深部岩体原位力学与非常规本构行为
随着深度的增加,煤岩体地应力水平和围岩属性均也会发生改变,不同深度煤岩体表现出来的基本力学特性与浅部开采时煤岩体基本力学特性截然不同,且一些基本的力学参数取值也发生了变化[4],如弹性模量、泊松比等,如图4所示。
为了能从力学机理层面真正揭示不同深度煤岩在力学行为特征上的本质差异,能够实现深部条件或者极深条件岩体力学行为初步预判与描述。课题组提出了考虑深度因素的球-柱微平面模型(图5)来模拟岩石的原位力学行为,为深部资源的开发奠定了理
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微平面模型既保持了传统微平面模型的优点,又能考2．1．3 不同赋存深度煤岩采动力学行为研究
围绕“不同开采深度”和“深部开采扰动应力路径”两个核心影响因素,首次从能量演化角度剖析了不同赋存深度开采扰动应力路径下煤岩宏观破裂表象背后能量演化差异性的本质原因,探索了不同深度考虑开采扰动和未考虑开采扰动煤岩力学性质的差异性(图6)[4]。根据不同开采方式下煤岩的采动应力分布特征,研究了采面前方不同距离处煤岩的动力学行为,分析了不同开采方式下发生冲击矿压的可能性大小[5]。根据深部煤炭开采过程中真实的采动卸压和瓦斯流动规律,提出了全新的扰动煤岩瓦斯增透模型,能够很好的模拟煤岩在煤与瓦斯共采过程中的卸压增透实际情况,在实际煤与瓦斯共采工程中,能2．2 深部围岩长期稳定性分析与控制
够科学指导设计开采方和优化确定开采时机[6-9]。虑不同深度岩石本身的特殊性。
2．2．1 深部围岩长时流变力学行为及损伤模型
针对现有深部岩体长期力学行为无法考虑工程扰动的问题,分析探索了深部围岩不同开挖方式下扰动应力环境普遍演化过程,并基于深部围岩赋存和工程扰动环境条件实现了室内模拟开挖扰动的实验方法突破[10]。实验表明深部大理岩三轴蠕变过程中微裂纹的萌生以张拉裂纹为主,而微裂纹的扩展以剪切
Fig．4 Differencesinmechanicalpropertiesofcoalsat
图4 不同深度煤岩力学性质的差异性
differentdepths
裂纹为主,大理岩的蠕变破坏是两者作用的共同结果。随着应力水平的提高,大理岩蠕变损伤累积由张拉破坏逐渐向张拉剪切裂纹共同作用转化,微裂纹产生机制从裂纹萌生向扩展转化,最终微裂纹贯通形成宏观裂纹,造成岩石破坏。进一步地,考虑扰动初始损伤,构建了适用于锦屏深埋大理岩的黏弹塑性分数阶蠕变损伤模型。
论基础。一方面从物性方面,针对不同深度岩石物质成分和层理结构的差异设置不同的基质和层理组合,把不同深度物性充分考虑进去;另一方面从深度效应方面,针对不同的深度设置不同的应力水平。球-柱
Fig．5 Spherical-cylindricalmicroplanemodel
图5 球-柱微平面模型
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2．2．2 不同赋存应力岩体动态力学特性
Fig．6 Comparisonofcoalstress-straincurvesbetweenconsi-deringminingandunconsideredminingatdifferentdepths
图6 不同深度煤岩考虑采动与未考虑采动的力学行为特征曲线
微震力轴特征的区域构造原始应力特征反演方法。通过非直接力学参数手段,通过地震学物理参量重构原始应力获取了原始应力特征[12-14]。
针对现有岩石动力学研究与深部赋存应力条件无关的问题,在模拟不同深度围岩开挖扰动过程基础上,采用SHPB实验研究了不同深度赋存应力下的岩石动力学行为。发现低能量冲击下,浅埋深应力环境相比大埋深围岩动力破断更剧烈;高能量冲击下,岩石破断现象均为全面破碎。通过裂纹扩展过程中的能量平衡,求解出引入应变率参量的柔度矩阵系数,得出不同深度赋存应力环境的岩石动态本构模型。经过理论计算与实验数据对比结果,表明新模型不仅能预测低应变率条件下的岩石动态破坏强度,还能体现高应变率条件岩石动力破断强度。2．2．3 深部围岩不同尺度破裂机理
根据室内尺度上大理岩破坏的声发射波形的研究,发现其具有双主频特征:低主频带反映了岩石的微观拉破坏特征,而高主频带反映的是剪切特征[10-11]。该项成果在国际上首次揭示了大理岩破坏的声发射信号存在双主频带现象,发展了识别岩石破坏力学机制的新技术,可作为研究深部围岩损伤机制的技术手段并向岩体及其他监测手段推广。
工程尺度上,课题组针对震源信息解译开展了相关研究,提出了基于P波初动和振幅比的深部工程岩体微震“震源机制联合求解法”,并确定了工程尺度岩体震源信息求解终止条件。进一步,在深部工程尺度岩体破裂机理研究中提出了基于震源机制矩张量分解工程岩体致灾机理研究方法,从岩体破裂内在震源机理角度揭示了工程尺度岩体致灾机理,实现了量化研判岩体破裂类型及体积变化特征。基于震源信息解译震源T轴、P轴及B轴,建立了震源空间应力矢量轴体系,建立了物理学参数到力学参数的直接关系,实现了通过监测地震学参数技术手段获取原始应力特征。最后,根据群微震震源机制解力轴张量来推断该区域原始构造应力主轴方向,采用空间应力矢量和平均值求解法,建立了深部工程尺度岩体基于群
2．2．4 深部围岩安全性的评价方法
为研究大埋深硬岩硐室围岩内部变形、破裂和应力的时空分布特征,课题以目前世界上埋深最大的中国锦屏地下实验室二期(CJPL-Ⅱ)为背景,通过开挖前预埋监测设施,同时辅以声波测试和钻孔摄像的手段,分析空间分布特征和时效演化特征,探索了其影响因素和形成机制。进一步,基于高清数字钻孔摄像测试结果提出一种新的深部岩体完整性评价方法———RMIBT方法,此方法更适用于深部岩芯饼化、出现结构面与钻孔的空间组合特征和高应力取芯破碎条件下的深部岩体完整性评价。并设计了基于支持向量机的响应面可靠性评价方法(SVM),以位移、应力和松弛深度等隧洞围岩参数构造可靠性指标用以评价深埋隧洞长期稳定性。在实际工程实例2．3 深部地应力环境与灾害动力学
中,SVM算法具有很高的效率和应用价值[15]。
2．3．1 深部非线性岩体的地应力测量理论与方法
针对常规围压率定试验设备压力无法达到深部岩体应力水平和长期加载的问题,研发了多尺寸岩芯通用型双轴高压率定装置和高压长效加载率定系统,实现地应力测量中的岩体高压率定(120MPa)和滞弹性试验测试(保载2个月)。
突破常规地应力分析中线弹性理论限制,采用高压率定技术,进行了深部岩芯高压率定和滞弹性试验研究,建立了考虑加载全过程的岩石非线弹性模型,提出了非线性岩体地应力测量的围压率定修正方法[16-21]。三山岛地应力测试中,非线性弹性模量修正量为25．5%。
2．3．2 深部矿区地应力场反演算法与重构模型
针对地应力场分布的非线性、不连续等特征,开发一种批数据处理网络(GMDH)算法与MATLAB结
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合反演法,实现了基于小样本测点数据的深部地应力场的精确表征;同时开展了基于python语言的ABAQUS软件的二次开发,实现了不同尺度地质模型2．3．3 深部高地应力场与能量场的转化
针对岩爆等动力灾害的能量本质,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚,能量耗散特性,其中最大储能特性分析中首次考虑岩石的时滞特性;在破碎能耗分析中,基于自研发的SHPB动载高围压装置,结的自动切换显示。
合原位应力特征,开展了不同应力比及围压的冲击试验;并设计了一套剪切摩擦试验,准确的获取了大竖直应力下的摩擦能耗。
针对深部高应力岩石能量释放存在的时滞问题,在破碎能耗分析的基础上,考虑了岩石高围压状态下的摩擦特性,并设计了剪切摩擦试验,实现了不同应力状态的岩石破碎能耗及摩擦能耗分析,量化了考虑岩石时滞特性的最大储能值。修正后的岩石最大储能密度值较未修正值提高了10%~20%。
采用能量理论探究深部岩体动力灾害机理,根据能量守恒原理,将深部动力灾害的能量过程划分为储能、能耗和致灾3个阶段,并分别采用动力冲击和剪切摩擦试验开展了大量试验研究,探索了灾害驱动能的作用方式,初步揭示了地应力场与能量场之间的转化机制和开采扰动的动力学过程和能量场演化规2．律[22-24]3．4 。
深部开采动力灾害防控体系
确定了调控和减小开采扰动能量集中释放这条主线,实现了一维能量的传播及散射规律,研发了适用于小应变硬岩的吸能锚杆,进行了三山岛金矿-795水平的扰动应力监测和-825水平的地,应并初步实现井下多种数力测量及金川二矿的据参量的通讯系统的并网传输及云系统1150[25-26]2．4 深部强扰动和强时效下多场多相渗流理论。
2．4．1 深部开采强扰动、强时效的分析模型
基于深部资源采动特征,提出了深部开采强扰动、强时效的科学定义,对深部开采扰动进行了分类,建立了深部巷道围岩强扰动的分析模型。强扰动是指采掘活动对深部高应力区岩体形成的强烈卸荷效应,如图7所示[27]基于Airey理论解。
,在弹塑性边界引入非连续应
力降,推导了圆形硐室与工作面前方非连续支承压力表达式。对比了连续与非连续支承压力的区别,进一步基于煤岩H-B与M-C试验参数,结合非连续支承压力理论,获得了无煤柱、放顶煤与保护层3种不同开采方式下的非连续支承压力[28-29]。综合考虑采掘
图7 深部扰动圈示意
活动、煤岩材料力学性能劣化和非连续应力降对原位Fig．7 Mapofdeepdisturbancedistribution
状态的影响。对应4种不同参数:不同开采方式、脆性指数、应力降与原位应力场,定义扰动指数:
Φ=
ΔσαpdropR,α为不同开采方式;R为脆性指数0
(1)
式中;Δσdrop为应力降 为例 ;若p0,不同体积模量Φ为原位应力场≥1,则称为强扰动。
、剪切模量参数下强扰动分布如。以Hoek-Brown准则图8所示。
图8 不同体积模量、剪切模量下强扰动指数分布Fig．different8 Exponentialvolometricdistributionmoduluandshearofstrongmoduludisturbancevaluesunder
强时效是指深部环境下采动岩体具有与采掘活动无关的、明显的流变效应,对多场多相渗流产生耦合影响。时效特性意指岩石的物理力学特征及变形随时间的演化规律,变形中流变效应属常时性,非采动引起的围岩变形,是巷道长期支护过程中的主要变形①。强时效应体现在3个方面,如图到脆延转化的标准稳态流变进入非稳态流变的拐点;③物理力学特性导致破裂弱化;②9轴向应变达所示,即:临界值。
根据上述模型提出了深部工作面强扰动的综合评价指标,建立了不同开采方式下工作面强扰动分析
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模型,揭示了平顶山矿区千米深部工作面开采扰动的时空演化规律。
度、以及能量比例的演化规律,并针对煤体的弹塑性特性,引入了修正定义的损伤变量,以此研究了煤体的损伤演化规律,并将损伤变量和渗透率相结合,研2．4．3 深部煤体的孔隙-裂隙网络特征及其演化行究了二者的关系[33]。
图9 深部煤岩体强时效含义
2．Fig．4．2 9 深部多相多场条件下采动煤岩体损伤力学理Definitionofstrongtimelinessfordeeprockandcoal
论研究
深部岩石扰动的损伤蠕变本构新元件 基于深部煤体三轴卸围压蠕变实验,建立了考虑深,提出了考虑部扰动效应的时间分数阶导数模型。
,揭示了不同差应力、不同围压下蠕变规律
[30]
以三向应力条件下的煤体渗透率演化模型为基础,通过内膨胀应变系数添加了吸附解吸作用项,同时建立了开采扰动影响下考虑煤体损伤破裂影响的渗透率模型,并结合常规三轴加载、开采扰动加、卸载和改变气体压力下的渗透试验结果,对构建的深部煤体渗透率模型进行了验证分析。建立了2种三向应力条件下的煤体渗透率模型———指数型和立方型[31-32]通过三轴循环加卸载渗流试验。
,利用煤体的全应
力-应变曲线,分析了整个过程中弹性参数、能量密
为研究
展是一个跨尺度的演化过程 煤体在渐进性破坏过程中。,为了描述煤中孔隙其孔隙、裂隙网络发-裂隙网络随轴向应力的演化特征,提出了裂隙煤体的类谢尔宾斯基(Sierpinskiy-like)分形模型,实现了孔隙和裂隙的跨尺度统一描述,揭示了深部煤体的孔隙-2．4．裂隙网络及渗透率演化规律[34]4 深部煤岩气液两相介质耦合渗流模型
。
煤岩等多孔介质中毛细管气液两相流规律是解决渗透率理论表达的认识基础,也是揭示低渗机制必经路径。基于微纳米尺度上的毛细管分形结构,具体为纵向上建立分形迂曲度模型与横向上建立分形截面模型,导出了考虑气液两相界面分形效应的流动方2．程4．,揭示了深部煤岩气液两相流界面运动规律[35]5 深部煤岩低渗非达西理论研究
。
针对深部煤岩体的低渗特征,分别对非达西高速流和低速流提出了分数达西模型和分数斯瓦茨伦德卢布模型。给出了分数阶导数模型的解析解,并根据试验数据确定了各参数。通过参数敏感性研究,分析了分数阶导数模型对分数阶导数阶数和阈值水力梯度等参数的依赖性。分数阶导数模型较好地描述了
高低速条件下多孔介质中的非达西流动。进一步讨论了分数阶微积分的记忆效应,表明分数阶导数是多
孔介质中非达西流动的一个指标[36]2．5 深部采动应力场-能量场分析、。
模拟与可视化2．5．1 复杂岩体结构高效分形重构方法
针对深部岩体内部复杂结构的“黑箱”问题,提出了复杂岩体结构的高效分形重构算法,计算效率较传统方法提高了7．5倍,准确建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型[37]基于重构技术的深部岩体三维结构及物理力学
。
性质分析方法是分析岩石微观结构现实可行的方法。然而,传统的三维重构需要大量的二维CT图像,耗费大量的机时。课题组提出了一种基于少量二维CT图像、贝叶斯信息准则及插值算法来构建复杂三维结2．构的重构方法5．2 岩体结构三维应力场的可视化与定量表征
,如图10所示[38]。
应用CT扫描和3D打印成型技术制备了砂砾岩的透明物理模型,实现了非均质岩体结构结构的物理透明化。采用应力冻结、光弹实验法获得了不同加载第5期谢和平:深部岩体力学与开采理论研究进展
1291
11所示[39-40]。
阶段下模型内部复杂应力场的动态演化全过程,如图
针对复杂岩体应力场全场可视化的需要,提出了
一种新的全应力场连续演化的定量表征方法,解决了以往光弹性测试难以得到连续加载条件下全场应力演化全过程的难题。与理论解的对比表明:该方法能够准确地确定全场应力的连续分布和演化,如图12所示[41-42]。通过3D打印机打印得到的透明光敏模型,结合真三轴伺服加载系统的应力加载、温控系统精确温度控制下的应力冻结实验,实现复杂裂缝网络起裂扩展时全局三维应力场演化规律的直观观测和
Fig．10 Comparisonoffractalreconstructionmodelofporous
rockwithoriginalreferencemodel
图10 孔隙岩石分形重构模型与原参考模型的对比
2．5．3 深部岩体裂隙场、渗流场的可视化表征
为了突破传统实验方法难以实现实时在线扫描
透明显示[43]。
Fig．11 Distributionandevolutionofmonochromaticlightstressstripesin3Dprintingmodelatdifferentstressstages
图11 3D打印模型在不同受力阶段的单色光应力条纹分布及演化规律
Fig．12 Comparisonofprincipalstressdifferencedistributionunderdifferentloads
图12 不同载荷作用下主应力差分布结果对比
1292
煤 炭 学 报
耗散量值。
2019年第44卷
CT扫描与分析的瓶颈,自主设计研发了真三轴伺服加载实时CT扫描系统(图13),获得了不同加载阶段下煤岩内部三维裂隙网络的实时原位演化特征[44-46]。
通过声发射振铃数与岩石损伤的关系,建立了声发射信号特征与岩石有效冲击能的关联,提出了基于声发射规律的岩石能量特征评估方法。发现:耗散能决定了岩石破碎程度,残余弹性能决定了岩石破坏烈度[51]。
研究了花岗岩在高温环境下的基本物理力学性
质、能量演化规律及破碎块度特征,研究发现:①温图13 三轴加载实时CT扫描实验系统
Fig．13 Experimentalsystem构建了基于3Dtriaxialof打印、loading
real-timeCTscanningunder
高速摄影、纳秒激光,动态光弹性等技术的动态应力场可视化系统,为定量全场的分析裂纹扩展速度与其尖端应力强度因子和全场应力变化的关系提供了条件,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化
[47]
采用FIB-SEM技术探测了埋深。
3000~4000m页岩样品的纳米和微米三维结构,分析了粒间孔隙、有机质孔隙、粒内孔隙以及裂隙等结构特征。基于三维重构和格子Boltzmann方法分析了页岩微观孔隙和裂隙的结构形态和孔隙度。
、连通性以及渗透率等三维物理结构特征
[48]
采用Weierstrass-Mandelbrot分形函数及激光刻蚀技术制备了不同粗糙度的裂隙结构模型,研究粗糙结构对渗流特征的影响,揭示了粗糙结构两相渗流中的Haines跃进现象及结构粗糙性的影响机制。采用格子Boltzmann法定量地分析了粗糙单裂隙结构渗流的Non-Non-Darcy流动特征,建立了裂隙粗糙度与渗流采用DarcySC特征之间的定量关系模型
[49]
-LBM方法分析了压裂液在页岩复杂孔
。
隙结构空间内的自渗吸行为,分析了几何结构形态对自渗吸行为的影响以及自渗吸行为对页岩气产出的影响[50]2．5．4 。
深部岩体损伤破裂机制与能量演化规律
研究了岩石变形破坏过程中的能量分类演化规律,分析了矿物颗粒的空间分布均匀性、粒径大小、平均强度等细观特征对岩石的宏观能量耗散模式影响。基于岩体能量损伤理论,建立了岩石能量耗散演化方程。发现了在岩石受载过程中,均质度决定了其能量耗散模式,细观平均强度和临界能耗值决定了其能量度升高削弱了岩石的强度和弹模,降低了其储能极限;②随温度升高,弹性能释放越缓慢,而能量耗散迅速增强;③随着温度升高,高温损伤发育,岩石不可逆变形和破碎程度加剧,碎块分形维数增大[52]对比分析了液氮处理前后煤岩在变形破坏过程
。
2．中的能量演化规律与破裂特征[53-55]5．5 深部储层改造的渗流机制与模型研究
。
探讨了考虑有机质与无机质区别的页岩气产量预测模型,研究了页岩气在纳米尺度下的有机干酪根和无机质中的流动过程,分析了页岩气的滑脱效应、孔壁上的吸附与表面扩散效应、干酪根中溶解气的扩散效应,研究了初始压力、压力梯度、干酪根厚度对该模型的气体质量流量的影响。综合分析了页岩气的滑脱效应、孔壁上水膜的吸附与蒸发,研究了水膜蒸发,初始湿度,水-甲烷扩散系数对气体质量流量的影响[56-57]建立了电磁。
-热-流-固耦合模型,描述微波加热
对页岩气生产的促进作用;热刺激改善了基质吸附气体的解析速率,增大储层基质扩散率,注热30a时间,页岩气生产效率提高50%左右。
考虑基质多尺度非线性扩散,压裂区和裂隙区两相流,基质-微裂隙间气体动态交换。
,探讨两相回流2．对短期和长期产气率影响[58-59]6 深部高应力诱导与能量调控理论
2．6．1 高应力岩石内部的线性能耗规律与岩爆倾向 灰岩等 利用性判据
)分别进行了不同应力水平下的一次加卸载14种岩石(花岗岩、大理岩、砂岩、板岩和试验,研究了不同高应力水平下岩石内部弹性能、耗散能和总输入能的关系,发现了岩石材料的线性储能和耗能规律,解决了岩石试样在峰值点处弹性能密度无法科学精确获取的难题。在此基础上提出了基于剩余弹性能指数AEF的岩爆倾向性判据,并和建立的室内岩石材料岩爆等级划分标准进行了互相印证,实现了定性判别结果和定量判别结果的相互统一[60]在此基础上,进一步深化了从能量的角度对深部硬岩。
矿山岩爆的动静组合加载力学机制的科学认识[61]。第5期谢和平:深部岩体力学与开采理论研究进展
1293
图14 剩余弹性能指数示意[60]
2．6．Fig．2 14 深部硐室板裂破坏试验模拟
Diagramoftheresidualelasticenergyindex[60]
基于岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验系统,开发了深部三维巷道结构破坏模拟与实时观测系统(图15),利用带圆孔的立方体砂岩和花岗岩试样,进行了应力调整扰动下深部巷道非常规破坏的模拟试验,最终在垂直于最大主应力的洞壁两侧形成对称型的V型槽,实现了室内板裂屈曲试验模拟结果与深部工程破坏模式的互相印证(图16)[62-64]。
图15 TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验系统[62-64]
Fig．15 mutagenesisTRW-3000(disturbance)rocktruetriaxialtestelectro-hydraulicsystem[62-64]
servo
2．6．3 不同卸荷速率下高应力岩石的破裂特性
开展了高应力岩石不同卸荷速度下破坏的卸荷试验模拟,揭示了不同卸荷速率下高应力岩石的破裂特性,为确定机械高效开采的最优卸荷速度及能量调控方式提供了理论依据率较慢时(1)卸荷速率较快时,研究结果表明[66],说明在卸荷后持续点岩爆现象明显,累积动能明显大于卸荷速
:
,速率
图16 室内实验结果与深部硐室工程对比[62-63,65]
Fig．16 Contrastbetweenlaboratoryexperimentresultsand越快,岩爆程度越大deepcavern;另外engineering[62-63,65]
,试样在卸荷后持续点才会发生岩爆现象,很好地解释了应变型岩爆大都发生在开挖爆破以后一定时间,表现出的滞后现象间内发生剧烈岩爆现象(2)适当的慢速卸荷可以避免在卸荷后一段时
。
,如将爆破等快速卸荷方式改为机械开采的慢速卸荷方式,不但可以控制岩爆,还能很好地进行能量调控。
2．6．4 不同加卸载路径下高应力岩石的能量演化规 对花岗岩进行了常规三轴压缩律
加轴压卸围压3种应力路径的试验研究、恒轴压卸围压。研究结果、表明,耗散能与总储能之比随加载过程表现为先增大后减小,该值可较好的反映岩石卸荷变形破坏过程中岩石内部损伤状态。卸荷点后,加轴压卸围压试验的
弹性能增量和耗散能增量均大于恒轴压卸围压试验,加轴压卸围压条件对岩石内部损伤更明显,更有利于破岩,这和岩石试样的微观电镜扫描结果一致,即卸荷试样的剪切面上具有更多的微观拉伸破裂面[67]2．6．5 基于裂纹扩展模型的深部开挖岩体致裂规律
。
根据岩体的非均匀性和存在初始裂纹的特征,建立含初始裂纹分布的非均质体二维模型,研究深部岩体开挖导致的非连续破坏现象产生的规律和成因。模拟结果显示,非连续破裂的形成与初始裂纹角度分布相关,模型初始裂纹角度服从正态分布时,孔洞周边出现分区破裂化现象,分区破裂的表现形态与初始1294
煤 炭 学 报
2019年第44卷
裂纹和最大压应力的夹角相关,不同初始裂纹角度均值也会导致围岩破裂时间不同。开挖孔洞形状对围岩破坏形态的影响较小但对裂纹扩展速率的影响较大,方形孔洞更易导致周边单元破坏,加速形成宏观断裂带,其次是拱形孔洞,圆形孔洞情况宏观断裂带形成时间最长。研究结果证实了静态过程中非连续破裂现象的出现,为深部高地应力条件下诱导致裂非2．6．6 玲珑金矿近采区移动式微震监测系统构建
爆连续开采方法提供了有力的理论依据[68]。
斗形成影响显著,比单向侧压力情况复杂;控制爆破效果的重要参数:应力强度比σ/σc和侧压系数λ;合理调控能够使深部高应力变害为利:利用深部矿岩体的能量促进岩体破碎、改善爆破效果[74]。
在玲珑金矿深度为875~1000m的采区,构建玲珑金矿近采区移动式微震监测系统(安装孔施工完成,正在安装传感器)。通过移动式微震传感器的布置方式,在-620m和-670m水平布置8个微震传100感器。传感器平均间距为200m(关注近采区加密到力和能量演化特征研究提供现场实验平台m),垂直可监测距离为100m左右。为近采区应2种微震异常到时数据识别方法。。提出了位时稳定精确的定位结果需求高精度的输入数据充分利用解析定,基于微震震源解析定位结果与Logistic概率密度函数,对记录有异常到时数据的传感器进行准确识别[69-70]深部采矿中。
,微震信号往往夹杂着大量噪声,且现场实际中产生的大量微震数据量难以完全采用人工识别提高拾取精度。为此,提出了一种基于虚拟场优化算法的新的定位算法,该方法可以极大地提高含有较大拾取误差的到时数据的定位精度,实现微地震的准确定位[71-72]从天然地震领域引进了先进的网格。
-不连续面
成像方法,首次实现了矿山领域的地震速度成像,得到了矿区的三维速度结构。将得到的三维速度结构与矿区实际情况作对比,发现成像结果可以很清晰地展现地下岩体破碎区和地应力集中区,以无损检测的方式探明了地下岩体内部结构。进而利用不同时间段内的微地震数据分别进行成像,揭示了在采矿过程中地下岩体结构的内部变化,首次在金属矿山开采领域中实现了地压变化与地下岩体破碎区的扩展的实2．时监测[73]6．7 深部硬岩高应力与爆破耦合精细破岩规律的。
研究
振动诱发高应力岩体灾变机理与规律 为了研究深部高应力与爆破耦合破岩机理,研发了高应力、爆破下硬岩电爆破超动态过程综合实验平台,如图17所示。载荷作用方向是爆破破岩的主导方向,漏斗体积增大、形状由圆形变为椭圆形,单向侧压力对爆破漏斗形成起促进作用。双向侧压力对球状药包爆破漏
图17 高应力下硬岩电爆破超动态过程综合实验平台Fig．2．6．process17 Comprehensive8 地应力对镐型截齿破岩影响的实验研究
ofelectricblastingexperimentalinhardplatformrockunderforsuper-dynamic
highstress
对应于深部矿山独头掘进工作面、采场半岛或全岛型矿柱以及松动区矿体等实际开采情况,在真三轴实验平台上对方块花岗岩样分别构建双轴、单轴、较低甚至无受限应力条件,进行地应力对镐型截齿破岩影响的实验研究。
研究结果表明,在双轴受限应力下,截齿破岩载荷和凿入深度都较大,且岩样只发生表面剥落。在无围压和单轴围压较小时,随着单轴围压增大,截齿破岩载荷和凿入深度先快后慢地增大,岩样破坏形式由完整劈裂逐渐转变为部分劈裂;然而在单轴围压较高时,随着单轴围压增大,破岩载荷和凿入深度反而逐渐减小,从而有利于破岩;当单轴围压接近或超过岩样单轴抗压强度的80%时,岩样内的高弹性储能会在截齿破岩扰动诱发下发生瞬态释放引发岩爆现象。硬岩在较低的单轴受限应力下-,具有较好的可截割性[7576]3 深部资源开采关键技术研究进展
。
3．1 深部采动岩层变形监测预警与控制3．1．1 深部岩体变形破裂多尺度立体监测技术
针对深部岩体非线性、非连续变形破裂行为,提出了变形、应力、微破裂、宏观破坏等多元多尺度综合观测技术,发现了深部硐室围岩临空面“台阶式”的非线性变形增长新模式、内部非连续张拉→剪切破裂并诱发大变形的新机制,如图18所示[77-80]依托金川深部巷道变形现场,建立了多点位移
。
计、锚杆应力计、空心包体、钻孔应变计、钻孔摄像、三维激光扫描等组成的表-里结合、一维-三维结合的
第5期谢和平:深部岩体力学与开采理论研究进展
1295
现场围岩变形与破坏的自动采集和可视化观测系统,多角度揭示了金川二矿深部巷道采动岩体外部宏观
变形、内部细观破裂、扰动应力等的时效发展过程,如图19所示。
Fig．18 Evolutionmechanismoffracturedifferentiationindeephandrock
图18 深部硬岩破裂孕育分异的灾害演化机制
3．1．2 深部岩体连续-非连续灾变分析理论
Fig．19 FieldtestandobservationbaseoflargedeformationroadwayinJinchuan
图19 金川大变形巷道现场试验观测基地
体等效变形统一描述方法,开发了一种新的破裂/损伤岩体等效张量变形本构模型[82]。
(2)硬岩局部破裂扩展过程的裂纹尖端奇异积分模型:对于裂尖单元,引入加强函数φi(x)={r×sin
θθθθ
,rcos,rsinsinθ,rcossinθ}(r为裂2222
开展了真三轴卸荷试验,研究了深部硬岩微裂纹萌生→扩展→多裂纹交汇贯通机理,揭示了岩体脆
性-延性转化不协调导致深部硬岩出现深层开裂和表层片帮的连续-非连续变形破裂机制。
针对深部岩体采动破裂过程的连续-非连续变
[80-81]
形机制,提出破裂后各向异性岩体结构等效变形张量描述方法,初步建立岩体连续-非连续大变形灾变分析理论,实现裂纹张开、闭合、滑移等复杂行为模拟,成功预测深部硐室围岩破裂程度和范围[82-83]。
(1)描述破裂岩体等效变形特征的变形张量方
纹尖端极坐标矢径;θ为矢径的倾角)来更加准确地模拟裂纹尖端的应力奇异性,并提出基于保形变换的Duffy-distance变换方法消除或减弱由于积分区域形状引起的近奇异性,可明显提高其应力计算精度和计算效率[84]。
(3)基于连续介质理论,构建了岩体连续-非连续大变形的隐式计算方法,实现岩体连续-非连续变
法:在Oda结构面张量基础上,引入材料柔度矩阵,建立了含多种不同空间产状和密度破裂面的工程岩
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煤 炭 学 报
2019年第44卷
形过程的快速与精确迭代计算[83]。
了岩体新生破裂→渐进开展→剪切变形的连续-非连续大变形精细计算和分析(图20)。
上述基本原理通过物质点法进行整合,从而实现
3．1．3 深部岩体大变形与岩爆破坏的分类预警模型 针对深部采动岩体两类大变形(时效大变形、突发岩爆)的本质力学行为差异性,结合锦屏实验室和金川深部巷道综合监测和灾变分析,建立了大变形和岩爆的预警指标体系和模型,为深部工程灾害防控提供了技术手段[85-87]。
(1)建立岩爆灾害预警的多指标模型:在岩体多建立
Fig．20 Materialpointsofcontinuous-discontinuouslargedeformationofrockmass
图20 岩体连续-非连续大变形的物质点数
3．2 深部煤矿安全绿色开采方法与技术
征方法的提出
计算方法。
3．2．1 不同区域深部煤炭开采的基本概念及定量表 基于笔者对“深部开采”的定量界定,认为“深部”不是深度,而是由地应力水平、采动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态,进而分析了中东部和西部矿区深部煤炭开采的力学状态差异性,提出了不同区域深部煤炭开采的基本概念及定量表征方法。700m,相对中东部矿区采深较小。但西部矿区煤层赋存稳定、厚度大、动力灾害相对较少,主要采用大采高综采、放顶煤开采等现代开采方式。在这些高产高效开采方式下,西部矿区采动煤体发生脆塑性转变,具备深部开采的表观临界特征。以具有代表性的神东矿区为例,通过调研与分析神东矿区地质构造与地应力分布(图21),发现神东矿区具有明显的高地应力、强扰动、强矿压等深部矿压显现特征,进而基于Kaiser法反演原岩应力场,认为当深度达到350m左右时,平均水平应力与垂直应力的比值k趋于1,岩体进入临界深部状态。因此可以认为,西部矿区的采深大于500m后就进入了亚深部开采。
因此,中东部矿区深部开采以安全开采为核心,西部矿区亚深部开采还兼顾绿色开采,两者共同构成了深部煤炭安全绿色开采的基本框架。
对于西部矿区,煤炭开采深度普遍在300~
手段、多指标滤波方法和微震源定位速度场算法研究基础上,提出了岩爆灾害预警的6指标模型,并通过大量现场不同等级岩爆案例分析以及室内真三轴试验建立了深埋巷道/隧洞不同等级岩爆与微震信息的定量关系。
(2)深部工程硬岩裂化抑制支护方法:提出通过
巷道/采场/巷道的开挖方案优化、支护参数优化、支护时机优化,从全局系统上尽量减少和避免岩体开裂规模、深度和程度,建立岩体卸荷破坏分区的破坏度指标RFD,通过支护结构抑制围岩进一步裂化并强化松弛/破裂围岩的结构整体性,将围岩从被支护对象转换为承载结构,从而实现深部工程的安全与经济支护[87]。
(3)新型锚杆与支护锚杆的安全度评价方法:提
出一种由扩大锚杆段与隔离套锚杆装置,并从抗拉型锚杆(索)结构组成和受力体系出发,提出了杆体-锚固剂界面抗剪安全系数,以及杆体自身抗拉安全系数
第5期谢和平:深部岩体力学与开采理论研究进展
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效应、深井采场围岩失稳尺度效应和“孔隙-裂隙-采空区”地下水运移机制,基本摸清了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素。
研究了不同应力场下,裂隙场及渗流场间的相互影响及其发育规律,定量揭示了以不同角度、不同大小裂隙为代表的裂隙场对应力场及渗流场相互作用间的传递作用。揭示了煤体中层理、面割理及端割理
Fig．21 Distributionofin-situstressinShendongminingarea
图21 神东矿区地应力分布规律
的分布规律,构建了包含以上3组裂隙网络结构的的本构模型,并研究了不同加载方位下层理及割理煤体力学性质的各向异性的影响。通过X射线和中子射线成像技术对比得到了不同岩性微观结构特征图,如图22所示。
针对深部开采多场耦合相互作用的难题,构建了深部开采多尺度多物理场模拟平台(图23),分析了
3．2．2 深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素
在深部煤炭安全绿色开采基本内涵基础上,系统分析了深部开采煤岩失稳破坏多尺度多因素协同作用机理及演化规律,研究了深部开采的含瓦斯煤体力学-渗流响应规律、采动空间内巷道破坏形态与扩展
Fig．22 Characteristicmapoflithologicalmicrostructurebasedonneutronrayimagingtechnology
图22 基于中子射线成像技术的岩性微观结构特征
Fig．23 Schematicdiagramofmulti-scaleandmulti-physicalfields
图23 多尺度多物理场示意
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顶调控方法。
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断裂形态和冲击载荷速率及节理之间的相关性,初步提出了煤岩失稳的率响应机制和判别准则[88-91]。电镜扫描获得了深部煤样的纳米级孔隙结构特征,通过低温液氮吸附实验测试煤体的比表面、孔隙率和孔径分布等参数,对煤样的微观结构特点进行分析。通过小角X射线散射测试煤样的微观孔隙,得到所需要的分形维数、孔隙分布、比表面、孔隙率等煤体微观结构参数。设计了相关实验来研究煤体吸附解吸气体过程中动态变形规律[92-93]。
应用3DEC数值软件计算了不同埋深下的采动
前述理论,提出了基于巷道围岩塑性区形态的柔性冒3．2．3 西部矿区“煤-水仿生共采”理念和技术体系
在了解深部煤炭安全绿色开采基本内涵和摸清深部煤炭安全绿色开采基本规律基础上,提出了低透煤层增渗、围岩控制与支护、煤-水仿生共采等技术方法,并分别以东部的两淮-鲁西南矿区、中部的阳泉矿区和西部的神东矿区作为示范区,开展研究示范,初步构建了“保安全、保水,低采动损害、低生态损害”的“高保低损”型深部煤炭安全绿色开采新模式。
针对西部矿区深部煤-水协调开发与生态环境保护难点,提出了以“隔离-引导-调控”为核心的“煤-水仿生共采”理念,初步建立了以地下水隔离-转移-储存为代表的技术体系,为西部矿区深部煤炭绿色开采提供理论依据[96]。
“煤-水仿生共采控制”技术体系基于开采生态系统,着眼整个开采区域和地下水单元,采用开采区域分区设计、分层隔离重构、参数仿生调控等技术,调整开采区域地下水平衡,确保浅部地下水与地表生态的“原态”关系和开采生态系统中水资源的有效利用(图24~26)。
围岩应力场分布特征,获得了深部采场底板岩体卸荷损伤的强扰动特征,基于深部岩体的卸荷扰动作用建立了卸荷量与损伤因子的关系,推导了裂隙岩体的扩展破坏条件,划分了底板卸荷损伤扰动分区,研究了深部开采卸荷作用下裂隙损伤破坏的扰动危险性[94-95]。
针对典型矿井(赵固矿区)深部煤矿开采中采动
空间内工程煤岩体破坏形态以及扩展效应,开展了工程煤岩体采动前和采动后裂隙发育损伤破坏形态的现场测试,采用ZTR2-2型地质雷达监测系统实测其不同来压强度下的底板裂隙发育及破坏状况。同时,根据赵固深部矿区采动巷道围岩变形破坏状况,结合
煤-水仿生共采保护控制方法主要包括:①通过在导水裂隙带和含水层间重构隔离层,维持浅部地下水(土壤水、松散层孔隙水)补-径-排循环“原态”关系,同时释放开采裂隙带所在岩层的基岩裂隙水;②通过控制保护区域(即隔离层重构区域)范围和调整裂隙带的导水高度,引导区域地下水向汇集区
Fig．24 Schematicdiagramofcoal-waterbionicco-miningprotectionandcontrol
图24 煤-水仿生共采保护控制示意
③通过汇集区域导水通道参数(导水裂隙高度和渗透性)的工程调控及地下水库泄水量调整,控制第四系松散含水层的地下水位变化,保持“原态生态水位。
3．3 深部金属矿协同开采方法与技术
3．3．1 基于深部应力分布的地下矿山生产动态优化
针对浅部开采规划方法只单独考虑经济或工程
域聚集(即非隔离层重构区域)和向地下水库流动;
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Fig．25 Technicalsystemofcoal-waterbionicco-miningprotectionandcontrol
图25 煤-水仿生共采保护控制技术体系
因素、无法考虑高应力环境而可能导致深部开采规划难以实现的问题,研究了生产规划、经济收益、采场应力环境的反馈优化流程,实现了深部岩体力学的采场初步设计、NPV的深部矿体全生命周期开采整体规划研究和动态开采过程中的深部采场环境评价及采场优化,初步建立了一套基于深部应力分布的金属矿山生产计划整体优化方法,如图27所示。
3．3．2 深部金属矿开采的卸荷原理与方法
给出了深部临界卸荷的应力-应变关系模型;提出了基于卸荷原理的深部开采顺序优化方法、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
Fig．26 Testplatformofcoal-waterbionicco-miningprotectionandcontrol
图26 煤-水仿生共采试验平台系统
对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术;设计了“V”型推进的卸压式采矿方案,开展了相应的现场工业试验,进行了相关参数的监测跟踪分析。
3．3．3 三维成拱的充填体应力传递及对充填体强度 研究了两步骤阶段空场嗣后充填法采充时序过程中非胶结充填体-胶结充填体及其与采场围岩的空间接触作用关系,分别构建了两步骤采场非胶结充填体、单侧揭露前和揭露后一步骤采场胶结充填体的三维拱应力解析模型,进而推导得出了各充填体三维拱应力的解析计算方法,并利用FLAC3D分别模拟了
需求影响
1300
煤 炭 学 报
2019年第44卷
Fig．27 Integraloptimizationmethodofmetalmineproductionplanbasedondeepstressdistribution
图27 基于深部应力分布的金属矿山生产计划整体优化方法
相应采场充填体的拱应力分布模式,对比校验了采场充填体三维拱应力解析方法的可靠性[97]。
针对充填体与围岩作用机理不明确的问题,开展了充填体-岩体接触面粗糙度及剪力参数对充填体应力的影响研究,获得了充填体应力拱作用及其对充填体和围岩应力的影响规律,为建立深部采场充填体3．3．4 深锥浓密机内的浓度分布时空变化规律
针对深部充填采矿法对连续充填能力和采场充填质量的要求,研究了浓密机静、动态浓密脱水过程的絮团群力学机理,提出了深锥浓密机内料浆浓度宏观分布模型,建立了全尾砂浓密脱水流体力学理论及充填物料级配优化方法。
泥层高度和底流浓度是深锥浓密机最为重要的两个参数,因此有必要研究底流浓度随泥层高度的变化规律。采用自制小型深锥浓密机,对尾矿非连续/连续动态压密过程进行了物理实验;借助于有效孔隙比与泥层压强间遵循的Power函数关系,结合对尾矿颗粒的受力分析,推导出了底流浓度与泥层高度的数学模型,揭示了浓密机底流浓度与泥层高度的内在关系,并从尾矿颗粒空间结构的角度解释了该模型的变化规律;结合矿山生产对于底流浓度的要求,应用该数学模型,为其推荐了泥层高度的合理范围,验证了底流浓度数学模型的可靠性。该模型为深锥浓密机的设计和运行提供了理论依据[99]。的三维应力解析方法奠定基础[98]。
基于宾汉流变模型,利用计算流体力学(CFD)建立了长输管道的三维数值模拟模型,研究了我国某铜矿高泥化膏体的管道输送特性。通过流变性能试验,对不同质量浓度和不同堆载能力下管道和弯管的压力和速度进行了CFD模拟[100]。
4 结 论
试的技术体系并开展深部原位恢复力学试验。
(1)初步形成原位保真取芯、保真移位、保真测(2)系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体(3)提出了适用于复杂地质条件下深部非线性
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。
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(GMDH)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)探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损(5)建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视
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。
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)开展了深部硬岩圆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
第5期谢和平:深部岩体力学与开采理论研究进展
ence,2017,21:S275-S284.
1301
与方法,研发并应用了深部硬岩高应力与爆破耦合精细破岩方法与技术。
(7)概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的
[9] 张茹,谢和平,张泽天,等.不同硐室开挖条件深部围岩长期力
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学行为室内模拟试验方法及应用[P].中国专利:
破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体新生破裂→渐进开展→剪切变形的连续-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[10] 邓建辉,李林芮,陈菲,等.大理岩破坏的声发射双主频特征及
其机制初探[J].工程科学与技术,2018,50(5):12-17.DENGJianhui,LILinrui,CHENFei,etal.Twin-peakfrequenciesofacousticemissionduetothefractureofmarbleandtheirpossi-blemechanism[J].JoumalofSichuanUniversity(EngineeringSci-enceEdition),2018,50(5):12-17.
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动态优化模型(9)建立了深部地下开采空间模型及生产计划
。
。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;分析了胶凝剂对膏体特性的影响,建立了耙架扭矩计算模型。
致谢 感谢北京科技大学蔡美峰院士、国家能源集团顾大钊院士,以及课题负责人吴世勇教授级高级工程师、乔兰教授、周宏伟教授、高峰教授、李夕兵教授、江权研究员、杨小聪研究员及项目所有参研人员的参与和支持。参考文献(References):
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