主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“深部岩体力学与开采理论”专辑

来源:《煤炭学报》

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。未来如何更好地向地球深部要资源?2019年第5期,《煤炭学报》与国家重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”项目组共同策划了“深部岩体力学与开采理论专题”,以期对创新和发展深部岩石力学和开采理论体系,全面提升我国深部资源获取能力提供强有力的支持。

行业视野

采矿

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  • 作者(Author): 张建民, 李全生, 张勇, 曹志国, 王新中

    摘要: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Kav(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Hm≈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Hs(简称为视临界深度)与Hm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Kav模型和Hs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Hs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Hs“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Hs与Hm比较表明:东部矿区Hs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。
  • 作者(Author): 李飞, 周家兴, 王金安

    摘要:地应力测量昂贵的成本限制了测点数量,稀少样本实测数据难以对区域地应力场进行全面的描述与表达。如何依据稀少样本地应力实测数据准确地构建地质体内部地应力场分布状态,一直是岩土工程关心的重点问题,尤其随着深部工程的建设,掌握地应力场的分布规律是进行工程安全设计和防灾工作的基础。提出的GMDH(批数据处理)神经网络算法,结合地应力场分布随埋深的非线性特征及局部地质构造处地应力场的非连续性特点,构建出形成复杂地质体地应力场的边界条件模式,并基于现场的稀少样本测点数据进行复杂边界条件的生成,拟合出边界载荷非线性表达式。通过Matlab编程构建GMDH神经网络算法平台,该平台具有结构最优性和全局性等优势,克服了传统神经网络方法假设过多(网络结构假设)和网络结构过于简单等缺点,实现复杂地质体边界载荷表达式与实测点应力值的非线性映射,从而获取了较为合理的地应力场分布。为了验证算法的有效性,构建二维急倾斜地层地质区域模型,分别选取15 个、12 个、9 个及6 个测点数据进行地应力场反演。结果表明:随测点数量的减少,GMDH神经网络算法反演精度均大于83%,特别是6个测点稀少样本数据中,GMDH神经网络算法反演精度为84%,BP神经网络算法反演精度为76%,说明GMDH神经网络算法在稀少样本测点数据下具有较高的反演精度。另外,对稀少样本测点数据下的杏山铁矿地应力场进行反演和重构,结果显示,GMDH神经网络算法反演精度达到84%,绝大多数测点应力分量反演误差小于10%。因此,GMDH神经网络算法在稀少样本测点数据的反演计算中,具有良好的泛化性和非线性数据预测性,可为今后日益复杂的工程设计和施工提供有效的理论依据。
  • 作者(Author): 乔兰, 张亦海, 孔令鹏, 李远

    摘要:随着浅部资源的日益枯竭,地下开采的深度不断增大,千米级乃至更深的矿产资源开采已成为常态。因此弄清深部岩体原岩应力的赋存环境是至关重要的,目前CSIRO地应力测量作为国际岩石力学学会建议直接测量方法,在世界各地广泛使用。在浅部岩体空心包体应变计地应力测量解析式中,弹性模量和泊松比都是通过室内双轴加载数据拟合获得的常数。进入深部岩体表现出高度的非线性,在对解除岩芯进行高压双轴加卸载试验中发现围压与应变的关系非线性,并且随着围压不断增大非线性关系尤为突出。传统的双轴加载试验设备最大围压加载值试验室内测得20 MPa,不能满足深部岩体解除岩芯的高压双轴试验模拟解除岩石在深部所受的应力环境。因此对传统的设备进行改造,研发了一套高压双轴加载试验装置,所承受的理论最大径向压力为200 MPa以上,目前试验测试的最大围压为100 MPa。对三山岛金矿埋深800 m的解除岩芯进行了高压双轴加卸载试验,分析应力与应变的关系提出一种平均应力与体积模量和剪切模量之间的非线性双曲线模型,明确了模型中3个拟合参数的物理意义,推导出平均应力与应变之间的非线性关系特征公式。基于弹性力学理论原岩应力分量计算在不考虑解除路径时,应用最小二乘法进行计算后获得最大主应力大小为53.11 MPa方向为312,倾角为7°。本文提出的考虑解除路径的优化算法,将整个解除过程分成多个阶段,每个阶段的变形模量计算参数与解除岩芯所受应力状态有关,且符合推导的应力与应变的非线性关系公式,各个阶段叠加计算的最大主应力大小为47.78 MPa,方向为311,倾角为5°。
  • 作者(Author): 谢和平

    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”“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(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 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。
  • 作者(Author): 彭啸鹏, 杨小聪, 郭利杰

    摘要:充填采矿法目前已被国内外众多矿山采用。尾砂浓密作为充填料浆制备的关键工序也因此成为研究热点,并已经取得了包括尾砂仓浓密机理,絮凝剂选择方法在内的多种实践性研究成果。但该工序中所涉及的充填尾砂颗粒“干扰沉降”过程的机理研究却相对滞后,缺乏相应的经验或理论计算模型,已经成为制约不同级配尾砂高效浓缩、稳态造浆与精准过程控制的技术瓶颈。因此,为弥补上述研究的不足,探索尾砂颗粒“干扰沉降”过程的特征,本项研究在总结与综述国内外具有代表性的干扰沉降相关理论基础上,利用某矿山经分级处理后的分级尾砂与溢流细砂为原料,开展了多种配比尾砂浆的干扰沉降实验,并依据Kynch理论,对实验数据进行拟合处理,在此基础上分析论证了Richardson-Zaki均匀干扰沉降与Selim非均匀干扰沉降理论在研究充填尾砂颗粒沉降过程时的适用性。研究结果表明:基于Richardson-Zaki理论计算的尾砂颗粒均匀干扰沉降速率值与实验实测结果相吻合,两者的相关性可决系数达0.87,且残差值无明显规律,验证了其对尾砂颗粒均匀干扰沉降速率计算的适用性。基于Selim理论所得计算结果较均匀干扰沉降理论计算值更接近实验中尾砂浆非均匀干扰沉降的实测值,从而证明该理论能够反映尾砂颗粒非均匀干扰沉降中因不同粒径颗粒相互作用而降低了各自的沉降速率的特性,能够为尾砂浓密工程实践提供参考。同时,通过分析,为进一步阐明尾砂颗粒干扰沉降机理,将继续对尾砂级配对干扰沉降的影响及其定量化表征以及粗细颗粒相互作用的机理等问题进行深入研究。
  • 作者(Author): 蔡永博, 王凯, 袁亮, 徐超, 付强, 孔德磊

    摘要:为研究保护层开采过程中下伏煤岩体卸荷损伤变形演化特征,运用FLAC3D数值模拟方法及现场实验测量手段,以山西保德煤矿实际情况为研究背景,对保护层开采过程中下伏煤岩体应力、变形、塑性演化规律进行了研究及验证。研究表明:保护层开采过程中,被保护层应力呈增大-减小-增大的变化规律,下伏煤岩体应力在空间上呈现出明显的“O”形应力分布规律;受保护层采动影响,下伏煤层测点经过原岩应力、应力集中、采动卸压、应力恢复四个阶段;最大应力集中系数与最小卸荷比为固定值,且出现时间相同,工作面前方应力集中系数与工作面后方卸荷比均呈往复性变化,变化周期与工作面来压周期相关;本文实例中,最大应力集中系数约为1.32,此时测点受到的z向应力值达到最大;最小卸压比约为4.4%,此时测点受到的z向应力值达到最小,卸压效果最好;受应力变化影响,被保护层呈压缩-恢复-膨胀-回缩的基本变化规律,最终状态保持一定的膨胀变形,与应力分区相对应,根据不同变形特征可将下伏煤层分为原岩状态区、压缩变形区、卸压膨胀区、变形恢复区;本文实例中11号煤层最大膨胀变形量约为06%,此时测点裂隙最为发育,增透效果最好,有利于瓦斯卸压抽采;受应力变化影响,下伏煤岩体塑形区域范围在空间上呈先xyz三向增大-x轴方向单向增大y轴z轴两个方向稳定的变化规律;随着工作面的回采,被保护层煤体塑性区范围在x轴方向不断增加;通过实测保德煤矿81307工作面回采过程中下伏11号煤地应力、膨胀变形量,对深部煤岩体卸荷损伤变形演化特征数值模拟结果进行了验证,下伏11号煤地应力、膨胀变形量变化规律与数值模拟规律较为吻合。
  • 作者(Author): 李春元, 张勇, 左建平, 唐世界, 刘世峰

    摘要: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。
  • 作者(Author): 许多, 吴世勇, 张茹, 张泽天, 周济芳, 邓建辉, 任利, 吴斐

    摘要:为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16.3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1.8 GPa,小于5 MPa围压下的3.6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9.4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1.8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。

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