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深井采動巷道圍巖流變和結構失穩理論與實踐 版權信息
- ISBN：9787030691224
- 條形碼：9787030691224 ; 978-7-03-069122-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
深井采動巷道圍巖流變和結構失穩理論與實踐 內容簡介
本書是“十三五”國家重點研發計劃課題“千米深井強采動巷道圍巖大變形與破壞機理”的研究成果。隨著淺部資源的日益枯竭，深部開采將成為煤炭資源開發的常態，“三高一擾動”復雜力學環境下巷道圍巖劣化、大變形和破壞機理一直是困擾深部煤炭安全高效開采的難題。本書提出了強采動、圍巖大變形的概念，建立了強采動巷道圍巖大變形理論概念模型，闡明了千米深井強采動巷道圍巖劣化與強度衰減規律，揭示了高地應力與強采動疊加作用下巖體流變效應及大變形機理，總結了千米深井長時強采動巷道圍巖結構失穩及破壞模式，并提出了相應控制原則，為我國深部礦井采動巷道圍巖穩定性控制提供了理論與實踐借鑒。
深井采動巷道圍巖流變和結構失穩理論與實踐 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 問題的提出 3
1.2 煤礦千米深井采動巷道變形特征 4
1.2.1 我國煤礦千米深井數量及分布 4
1.2.2 口孜東煤礦采動巷道條件 4
1.2.3 采動巷道變形特征 7
1.2.4 與現有巷道變形理論的差異 9
1.3 強采動巷道流變和結構失穩大變形理論框架 10
1.3.1 強采動與大變形的概念及內涵 10
1.3.2 強采動巷道圍巖流變和結構失穩大變形理論框架 11
參考文獻 12
第2章 巷道圍巖劣化與強度衰減規律 15
2.1 口孜東煤礦煤巖基本物理力學性質 17
2.2 口孜東煤礦煤巖礦物組分與孔隙結構特征 20
2.2.1 煤巖材料X射線衍射實驗 20
2.2.2 煤巖高分辨三維X射線顯微成像 22
2.2.3 掃描電子顯微鏡細觀裂隙結構與礦物顆粒 24
2.3 損傷試樣動靜載劣化機制 25
2.3.1 峰前卸荷損傷后巖石試樣動靜力學特性 25
2.3.2 循環沖擊損傷后巖石試樣動靜力學特性 34
參考文獻 42
第3章 偏應力與梯度應力誘導裂隙擴展規律 43
3.1 真三軸物理模擬試驗系統研制 45
3.2 偏應力誘導裂隙擴展規律 45
3.2.1 巷道圍巖的偏應力狀態 45
3.2.2 雙軸加載下偏應力對巖石破裂作用機制試驗 47
3.2.3 真三軸加載下偏應力對巖石破裂作用機制試驗 50
3.2.4 真三軸加卸載下偏應力對巖石破裂作用機制試驗 53
3.3 泥巖在雙軸壓縮下的層裂機制 58
3.3.1 試驗方案 59
3.3.2 泥巖雙軸壓縮的應力-應變特征 62
3.3.3 泥巖雙軸壓縮的層裂破壞過程 64
3.3.4 張拉層裂機制 66
3.3.5 層裂的影響因素 67
3.4 梯度應力誘導裂隙擴展規律 73
3.4.1 梯度應力作用下巖石變形破壞規律 73
3.4.2 梯度應力作用下巖石變形破壞機制 78
3.4.3 梯度應力下巖石變形破壞的影響因素分析 82
3.5 深井巷道圍巖位移場、裂隙場時空演化規律現場測試 85
3.5.1 現場測試方案 85
3.5.2 圍巖裂隙分布規律 87
3.5.3 圍巖內部移動變形規律 89
3.6 深井強采動巷道錨桿全桿體軸力光纖光柵監測 91
3.6.1 全桿體軸力實時監測系統 91
3.6.2 現場測試方案 92
3.6.3 錨桿軸力變化規律 93
參考文獻 98
第4章 高地應力與強采動疊加作用下巖體流變效應及大變形機理 101
4.1 巖石流變的晶格錯動 103
4.1.1 巖石蠕變試驗 103
4.1.2 巖石小尺寸試樣長時蠕變儀的研制 105
4.1.3 砂巖長時蠕變晶格錯動 107
4.2 卸荷流變本構模型及其二次開發 109
4.2.1 巖石卸荷流變特性 109
4.2.2 卸荷流變本構模型及流變效應模擬 119
4.2.3 千米深井回采巷道流變大變形模擬 125
4.3 巷道圍巖錨固承載結構流變大變形 137
參考文獻 139
第5章 深井采動巷道圍巖結構失穩及破壞模式 141
5.1 巷道張拉破壞型失穩 143
5.2 巷道剪切破壞型失穩 144
5.3 巷道結構破壞型失穩 153
5.3.1 碎裂圍巖結構破壞型失穩 153
5.3.2 動載結構破壞型失穩 161
5.4 支護對策 168
參考文獻 169
第6章 工程實踐 171
6.1 西部深井大斷面煤巷頂板張拉破壞控制實踐 173
6.1.1 工程地質條件及評估 173
6.1.2 巷道支護方案設計 177
6.1.3 礦壓監測與效果分析 179
6.2 偏應力誘導巷道非均稱破壞穩定控制實踐 185
6.2.1 工程地質條件及評估 185
6.2.2 巷道支護方案設計 190
6.2.3 礦壓監測與效果分析 193
6.3 深井煤巷巖體與錨固結構整體性流變控制實例 195
6.3.1 工程地質條件及評估 195
6.3.2 巷道支護方案設計 199
6.3.3 礦壓監測與效果分析 204
前言
第1章 緒論 1
1.1 問題的提出 3
1.2 煤礦千米深井采動巷道變形特征 4
1.2.1 我國煤礦千米深井數量及分布 4
1.2.2 口孜東煤礦采動巷道條件 4
1.2.3 采動巷道變形特征 7
1.2.4 與現有巷道變形理論的差異 9
1.3 強采動巷道流變和結構失穩大變形理論框架 10
1.3.1 強采動與大變形的概念及內涵 10
1.3.2 強采動巷道圍巖流變和結構失穩大變形理論框架 11
參考文獻 12
第2章 巷道圍巖劣化與強度衰減規律 15
2.1 口孜東煤礦煤巖基本物理力學性質 17
2.2 口孜東煤礦煤巖礦物組分與孔隙結構特征 20
2.2.1 煤巖材料X射線衍射實驗 20
2.2.2 煤巖高分辨三維X射線顯微成像 22
2.2.3 掃描電子顯微鏡細觀裂隙結構與礦物顆粒 24
2.3 損傷試樣動靜載劣化機制 25
2.3.1 峰前卸荷損傷后巖石試樣動靜力學特性 25
2.3.2 循環沖擊損傷后巖石試樣動靜力學特性 34
參考文獻 42
第3章 偏應力與梯度應力誘導裂隙擴展規律 43
3.1 真三軸物理模擬試驗系統研制 45
3.2 偏應力誘導裂隙擴展規律 45
3.2.1 巷道圍巖的偏應力狀態 45
3.2.2 雙軸加載下偏應力對巖石破裂作用機制試驗 47
3.2.3 真三軸加載下偏應力對巖石破裂作用機制試驗 50
3.2.4 真三軸加卸載下偏應力對巖石破裂作用機制試驗 53
3.3 泥巖在雙軸壓縮下的層裂機制 58
3.3.1 試驗方案 59
3.3.2 泥巖雙軸壓縮的應力-應變特征 62
3.3.3 泥巖雙軸壓縮的層裂破壞過程 64
3.3.4 張拉層裂機制 66
3.3.5 層裂的影響因素 67
3.4 梯度應力誘導裂隙擴展規律 73
3.4.1 梯度應力作用下巖石變形破壞規律 73
3.4.2 梯度應力作用下巖石變形破壞機制 78
3.4.3 梯度應力下巖石變形破壞的影響因素分析 82
3.5 深井巷道圍巖位移場、裂隙場時空演化規律現場測試 85
3.5.1 現場測試方案 85
3.5.2 圍巖裂隙分布規律 87
3.5.3 圍巖內部移動變形規律 89
3.6 深井強采動巷道錨桿全桿體軸力光纖光柵監測 91
3.6.1 全桿體軸力實時監測系統 91
3.6.2 現場測試方案 92
3.6.3 錨桿軸力變化規律 93
參考文獻 98
第4章 高地應力與強采動疊加作用下巖體流變效應及大變形機理 101
4.1 巖石流變的晶格錯動 103
4.1.1 巖石蠕變試驗 103
4.1.2 巖石小尺寸試樣長時蠕變儀的研制 105
4.1.3 砂巖長時蠕變晶格錯動 107
4.2 卸荷流變本構模型及其二次開發 109
4.2.1 巖石卸荷流變特性 109
4.2.2 卸荷流變本構模型及流變效應模擬 119
4.2.3 千米深井回采巷道流變大變形模擬 125
4.3 巷道圍巖錨固承載結構流變大變形 137
參考文獻 139
第5章 深井采動巷道圍巖結構失穩及破壞模式 141
5.1 巷道張拉破壞型失穩 143
5.2 巷道剪切破壞型失穩 144
5.3 巷道結構破壞型失穩 153
5.3.1 碎裂圍巖結構破壞型失穩 153
5.3.2 動載結構破壞型失穩 161
5.4 支護對策 168
參考文獻 169
第6章 工程實踐 171
6.1 西部深井大斷面煤巷頂板張拉破壞控制實踐 173
6.1.1 工程地質條件及評估 173
6.1.2 巷道支護方案設計 177
6.1.3 礦壓監測與效果分析 179
6.2 偏應力誘導巷道非均稱破壞穩定控制實踐 185
6.2.1 工程地質條件及評估 185
6.2.2 巷道支護方案設計 190
6.2.3 礦壓監測與效果分析 193
6.3 深井煤巷巖體與錨固結構整體性流變控制實例 195
6.3.1 工程地質條件及評估 195
6.3.2 巷道支護方案設計 199
6.3.3 礦壓監測與效果分析 204
展開全部
深井采動巷道圍巖流變和結構失穩理論與實踐 節選
第1章 緒論 1.1 問題的提出 煤炭是我國的主體能源和重要工業原料，在能源安全保障上具有“壓艙石”“兜底”的基礎性和主體性作用。隨著淺部資源的日益枯竭，深部開采將成為煤炭資源開發的常態[1]。我國埋深超過1000m的煤炭資源占比在50%以上，主要分布在中東部地區，目前該地區的煤礦大部分已進入深部開采階段[2]。深部煤巖體所處的“三高一擾動”復雜力學環境導致深部開采面臨諸多難題和挑戰，其中巷道圍巖劣化、大變形和破壞機理一直是困擾深部煤炭安全高效開采的難題。發展建立深部開采巷道圍巖大變形破壞的新理論和新方法是深部地下工程圍巖控制的理論基礎，對指導千米深井巷道圍巖控制技術及工程實踐具有重要意義。 在煤巖層中掘進巷道，必然會引起巷道圍巖應力重新分布和應力集中，進而使圍巖產生變形破壞。彈塑性理論是研究巷道圍巖變形破壞*早和*經典的方法之一。早在20世紀50年代以前，Fenner和Kastner基于莫爾-庫侖破壞準則，以理想的彈塑性模型和巖石破壞后體積不變假說為基礎，研究得到了描述圓形巷道圍巖彈塑性區應力和半徑的Kastner公式；此后國內外學者以彈塑性理論為基礎，開展了大量的研究和改進工作[3-10]。深部巷道圍巖分區破裂化現象在20世紀70年代于南非首次發現以來就備受關注，特別是隨著深部巖體工程的逐漸增多，國內外學者在深部巷道圍巖分區破裂化現象、破壞過程及其形成機理等方面開展了大量的研究，取得了一系列研究成果[11-19]。20世紀90年代中期，人們認識到在原巖應力和采動應力的綜合作用下，巷道圍巖會產生松動破壞，這些松動破壞及破壞過程中的巖石碎脹力就是巷道圍巖控制的重點和對象，并在此基礎上提出了巷道圍巖松動圈支護理論[20，21]。深部開采巷道圍巖變形由脆性轉變為塑性，圍巖流變性、擴容性不斷增加。一些學者將采用流變理論研究深部巷道圍巖大變形破壞特征及機理，并取得了一些成果[22-27]。此外，一些學者還嘗試從能量的角度出發，研究巷道圍巖失穩破壞機理[28-30]。 進入深部開采以后，巷道圍巖不僅承受高地應力，回采巷道還要經受巷道掘進和回采引起的強烈采動應力作用。深部受采動影響的巷道圍巖應力能達到數倍、甚至近十倍于原巖應力[31]。在高地應力和強烈采動應力共同作用下，巷道圍巖表現出強烈的擴容性、持續變形、變形量大、破壞嚴重等復雜的非穩定和非線性特征，還可能引發重特大災害[32]。深部開采條件下的巷道圍巖大變形破壞理論已經成為煤炭深部開采面臨的重大課題之一。深部巷道圍巖由于高地應力和復雜采動應力共同作用下產生的大變形破壞，傳統理論主要考慮采動影響引起的應力加載效應，而采掘擾動對圍巖應力路徑和圍巖穩定性的影響是一個復雜的力學問題。綜合考慮深部采動巷道圍巖的真實應力路徑與加卸載復合效應，同時考慮巷道圍巖結構失穩大變形，在此基礎上，著者初步提出了深井采動巷道圍巖流變和結構失穩大變形理論。 1.2 煤礦千米深井采動巷道變形特征 1.2.1 我國煤礦千米深井數量及分布 隨著淺部煤炭資源的枯竭及開采強度的增大，我國煤礦開采深度不斷增加，且正以8～12m/a的平均速度向深部延伸，中東部地區的延伸速度達到了10～25m/a[27]。據不完全統計資料顯示，目前我國煤礦開采深度超過1000m的煤礦已達到50余座。目前我國煤礦千米深井主要分布在東部和東北地區的山東、河南、安徽、河北、黑龍江、吉林和遼寧等地。其中，山東有27座千米深井，占比*大，達到了49.09%；此外，我國開采深度*大的新汶集團孫村煤礦也位于山東，其*大開采深度達到了1501m。 我國東部礦區有新生界覆蓋層厚、煤層埋藏深、基底為奧陶系承壓含水層的特點，屬華北石炭—二疊系含煤區。該時期煤層受印支運動、燕山運動、喜馬拉雅運動及新構造運動的影響，賦存的地質條件較為復雜，受到斷層、瓦斯和水的影響也較為嚴重[31]。然而，不同區域深部礦井面臨的主要災害也各不相同，如山東地區深部礦井主要受沖擊地壓災害；河南平頂山礦區則主要面臨煤與瓦斯突出災害，進入深部后越來越多地表現為瓦斯-沖擊復合災害；安徽淮南礦區進入深部后面臨瓦斯動力災害，此外巷道圍巖長時間流變大變形也是制約煤礦高效安全生產的難題之一。 安徽新集口孜東煤礦是我國東部典型的千米深井，目前*大開采深度達到了1023m。高地應力和強采動影響下礦井生產過程的工程災害也相繼增多，尤其是巷道圍巖長時間流變和大變形破壞造成的支護難題，這給煤礦安全、高效開采帶來了巨大挑戰。本書結合口孜東煤礦工程地質條件開展研究。 1.2.2 口孜東煤礦采動巷道條件 1. 口孜東煤礦概況 國投新集口孜東煤礦位于淮南煤田，礦井設計生產能力為5.0Mt/a以上。121304采煤工作面位于礦井–1000m水平西翼采區，是西翼采區13-1煤層第三個綜采工作面。該工作面南鄰西翼回風大巷、西翼主運膠帶機大巷和西翼軌道大巷，北鄰13-1煤防砂煤柱線，東北鄰111304工作面采空區，東鄰121303工作面采空區，西鄰F5斷層；上距第四系松散層底界面66.7～345.8m，下距11-2煤層56.7～84.6m(平均距離約70.7m)。 2. 工作面地質特征 121304工作面煤層*大埋深達907m，煤層內生裂隙發育。煤層普氏硬度系數約為1.6，容重為1.4t/m3，平均煤層厚度(含夾矸)為5.18m；煤層含一層夾矸，主要為泥巖或炭質泥巖，平均厚度為0.44m。煤層平均傾角約為9°。老頂為砂質泥巖，普氏硬度系數為4.5～5.8；直接頂為泥巖，普氏硬度系數為3.0～3.9。直接底為泥巖，普氏硬度系數為3.1～4.1；老底為砂質泥巖，普氏硬度系數為5.2～5.9；直接底厚度約為5.5m，其中含0.4m煤線。121304工作面煤層頂底板巖性組成如表1-1所示。根據121304工作面附近地應力實測結果，受高地應力及采動影響，工作面回采期間巷道圍巖壓力大。 表1-1 121304工作面煤層頂底板巖性組成 由表1-1可知，煤層直接頂、直接底和老頂主要為泥巖和砂質泥巖。因此，根據國際巖石力學學會(The International Society for Rock Mechanics，ISRM)相關測試標準，對121304工作面煤、砂巖和泥巖的單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、黏聚力、摩擦角、彈性模量和泊松比等基本力學參數進行測試，具體測試結果如表1-2所示。 表1-2 煤巖層的基本力學參數測試結果 3. 采動巷道技術條件 工作面采用傾斜長壁三巷布置方式，即布置機巷、風巷和高位瓦斯抽排巷，三巷方位相互平行(圖1-1)。采用后退式單一傾斜長壁采煤方法開采，采用綜合機械化設備沿煤層頂底板一次采全高，全部垮落法管理頂板。受地質構造影響，工作面切眼分為內、外兩段，其中切眼內段全長247.4m，切眼外段全長96m，切眼總長度343.4m。矩形斷面，錨梁網索支護，凈寬×凈高=5000mm×4800mm。 121304工作面機巷長度為1116m，沿13-1煤頂板施工。機巷采用直墻半圓拱形斷面，凈寬×凈高=6200mm×4500mm，采用錨梁網索支護。錨桿采用22mm× 2500mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700mm×700mm，每排17根。錨索采用21.8mm鋼絞線，在巷道頂部錨索間排距為1200mm×1400mm，長度為9200mm，每排7根；在巷道幫部錨索間排距為1200mm×1400mm，煤巷幫錨索長度為6200mm，每排4根。
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