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包郵 深部建井力學

出版社:科學出版社出版時間:2023-03-01
開本: 其他 頁數: 620
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深部建井力學 版權信息

  • ISBN:9787030735881
  • 條形碼:9787030735881 ; 978-7-03-073588-1
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊數:暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:>

深部建井力學 本書特色

本書可供巖石力學、建井工程、采礦工程、安全工程及相關專業的師 生及工程技術人員參考。

深部建井力學 內容簡介

本書是“十三五”國家重點研發計劃項目“煤礦深井建設與提升基礎理論及關鍵技術”有關建井方面研究成果的總結。主要內容涉及深部建井巖體力學理論、深井含水巖層精細探測與注漿、深井高效破巖與洗井排渣、深井復雜多變地層高效支護、深部建井NPR支護新材料及其配套支護技術。提出了深部非均壓建井新模式,建立了深部不同巖層結構下的井筒力學模型,揭示了深部建井巖體的大變形力學特性及其致災機理,研發了深井井筒高承載力混凝土、含水巖層微裂隙高強-高韌注漿新材料以及高恒阻NPR錨桿/索系列產品;發展和完善了深部含水巖層預測預報及微裂隙注漿技術、深井深孔精細化爆破技術、深井井筒低凍脹力凍結施工技術、深井井筒高性能砼井壁施工技術、深井井筒馬頭門及泵房硐室群支護技術以及深井全液壓遙控鑿巖鉆機、深井全液壓大容量裝巖機等;形成了針對未來深部智能化、無人化開采的無煤柱自成巷N00建井新模式及其配套工藝技術。相關成果構建了深部建井力學理論與技術體系,建成了千米深井示范工程。

深部建井力學 目錄

目錄
前言
第1章 深部非均壓建井理論基礎 1
1.1 深部建井難度表征參數 1
1.1.1 深部建井復雜地質力學環境 1
1.1.2 深部井筒大變形破壞特征 2
1.1.3 深部巷道破壞特征 6
1.1.4 深部建井難度表征參數 7
1.2 深部建井的概念 7
1.2.1 國外定義 7
1.2.2 國內定義 7
1.2.3 深部建井的科學現象及定義 8
1.2.4 深部的確定方法 10
1.2.5 難度評價 11
1.3 深部非均壓建井新模式 11
1.3.1 非均壓建井模式 11
1.3.2 深部地應力場點-面結合分析測試方法 13
1.3.3 深部非均壓建井初次支護設計方法 14
1.4 深部井筒三維理論模型 16
1.4.1 深部井筒模型分類 16
1.4.2 IA型圓形井筒三維理論解 17
1.4.3 IB型橢圓形井筒三維理論解 18
1.4.4、蛐蛯訝顜r體圓形/橢圓形井筒三維理論解 21
參考文獻 26
第2章 深部建井巖體大變形力學特性及災變效應 28
2.1 深部建井巖體微觀力學特性 28
2.1.1 量子力學計算分析 28
2.1.2 分子動力學分析 36
2.2 深部建井巖體多場耦合大變形力學特性 42
2.2.1 深部砂巖真三軸加卸載力學特性 42
2.2.2 深部砂巖常規三軸“三階段”加卸載下的力學特性 54
2.3 深部建井巖體水巖耦合軟化效應 63
2.3.1 水巖耦合軟化特性實驗研究 63
2.3.2 深部建井巖體與水吸附的微觀特性 67
2.4 深部建井巖體結構效應 74
2.4.1 實驗裝備 74
2.4.2 實驗設計 75
2.4.3 傾斜巖層巷道開挖結構效應 76
2.5 深部建井巖體高應力巖爆效應 85
2.5.1 井巷開挖應變巖爆效應 85
2.5.2 不同斷面形狀井巷開挖巖爆效應 92
2.5.3 深部建井巖體巖爆應力演化模型 104
2.5.4 巖爆能量準則 105
2.6 深部建井突出型復合災害機理 106
2.6.1 實驗裝備 106
2.6.2 實驗設計 107
2.6.3 實驗結果 108
2.6.4 結果分析 121
參考文獻 122
第3章 深井含水巖層精細探測與注漿關鍵技術 126
3.1 透明化豎井孔隙裂隙復合含水巖層預測預報技術 126
3.1.1 深井含水巖層綜合探測模式 126
3.1.2 深井含水巖層綜合探測模擬試驗 127
3.1.3 多源信息數據融合反演計算方法 135
3.1.4 巖層含水特征三維可視化表達 136
3.2 深井含水巖層微裂隙注漿新材料 139
3.2.1 深井圍巖微裂隙在不同深度下的壓裂-滲流特征 139
3.2.2 深井微裂隙低黏度超細水泥復合漿液 145
3.2.3 深部高壓下微裂隙注漿滲流特性試驗 146
3.2.4 高強、高韌性新型注漿堵水材料 150
3.2.5 微裂隙含水巖層納米注漿材料滲透注漿堵水技術 152
3.3 深井注漿效果震電磁三場耦合高精度檢測評價方法 157
3.3.1 注漿效果震電磁三場特征分析 157
3.3.2 深井震電磁三場耦合注漿效果檢測評價方法與技術 161
3.3.3 注漿效果震電磁三場耦合高精度檢測評價方法 168
參考文獻 173
第4章 深井高效破巖與洗井排渣關鍵技術 175
4.1 深井爆破力學機理研究 175
4.1.1 深部高應力巖體中爆炸應力波的傳播規律 175
4.1.2 深部高應力巖體爆生裂紋的擴展行為 176
4.1.3 含空孔巖體動載擾動下能量耗散規律 186
4.1.4 含空孔巖體動載擾動下破壞特征 193
4.2 深井深孔精細化爆破技術 198
4.2.1 深井掏槽爆破應力狀態 198
4.2.2 高應力對掏槽爆破影響效應的實驗研究 199
4.2.3 深井6m深孔掏槽爆破技術 207
4.2.4 高應力對周邊光面爆破影響規律研究 224
4.2.5 深井6m周邊聚能藥包控制爆破技術 226
4.3 深井鉆爆法施工機械裝備 231
4.3.1 新型立井全液壓鑿巖鉆機 231
4.3.2 新型立井全液壓抓巖機 239
4.4 深井高效鉆井法關鍵技術與裝備 242
4.4.1 千米深井高應力硬巖鉆具系統 242
4.4.2 鉆井的洗井排渣系統 245
4.4.3 深井高效洗井關鍵技術數值模擬研究 246
4.4.4 豎井掘進機流體洗井模擬實驗系統及相似模型實驗 254
參考文獻 261
第5章 深井復雜多變地層高效支護關鍵技術 265
5.1 深井井筒凍結壁大變形設計方法 265
5.1.1 力學模型 266
5.1.2 應力和位移的解 267
5.1.3 計算凍結壁厚度的新公式 271
5.1.4 工程算例 274
5.1.5 結論 276
5.2 深井井筒低凍脹力凍結施工技術 276
5.2.1 特厚土層中凍脹力變化規律數值計算研究 276
5.2.2 特厚土層中凍脹力變化規律模擬實驗計算研究 289
5.2.3 凍結管受力變形規律數值模擬研究 298
5.2.4 分圈異步控制凍結數值計算研究 317
5.3 深井井筒高性能砼井壁施工技術 331
5.3.1 配合比實驗研究 331
5.3.2 外壁混凝土早期強度增長規律的室內模擬實驗研究 337
5.3.3 外壁混凝土早期溫度場變化規律的室內模擬實驗研究 341
5.3.4 井壁-泡沫板-凍結壁的熱、力相互作用規律研究 350
5.3.5 鋼纖維混凝土井壁施工技術研究 362
5.4 功能梯度材料井壁設計 365
5.4.1 理論分析 365
5.4.2 數值計算 374
5.4.3 設計方法 419
5.5 3D打印井壁混凝土支護材料與打印工藝 420
5.5.1 配合比實驗研究 420
5.5.2 3D打印井壁混凝土配方的可建造性 435
5.5.3 3D打印混凝土的物理力學性能 438
5.5.4 混凝土井壁3D打印系統 449
5.5.5 3D打印模型混凝土井壁的承載與封水性能 455
參考文獻 458
第6章 深部建井NPR支護新材料及其配套支護技術 460
6.1 深部建井NPR支護新材料 460
6.1.1 1G NPR材料 461
6.1.2 2G NPR材料 467
6.1.3 NPR支護材料的優越性 470
6.2 深部井巷開挖補償NPR支護技術 472
6.2.1 開挖補償技術原理 472
6.2.2 開挖補償NPR支護技術與設計方法 473
6.3 深部井筒馬頭門大斷面交叉點NPR支護技術 475
6.3.1 技術原理 475
6.3.2 控制效果分析 476
6.4 深部泵房吸水井集約化硐室群NPR支護技術 486
6.4.1 技術原理 486
6.4.2 控制效果分析 487
參考文獻 507
第7章 深部N00礦井建設 509
7.1 深部N00建井新模式 509
7.1.1 傳統建井模式及存在問題 509
7.1.2 無煤柱自成巷110/N00工法 511
7.1.3 深部N00建井新模式 514
7.2 N00建井采礦工程模型 515
7.2.1 無煤柱自成巷采礦工程模型 515
7.2.2 無煤柱自成巷頂板巖層結構模型 516
7.2.3 無煤柱自成巷頂板變形力學模型 517
7.2.4 組合巖層受力分析模型 520
7.3 N00建井關鍵工藝 521
7.3.1 N00建井留巷整體技術工藝 521
7.3.2 N00建井通風系統模式 523
7.4 N00建井配套關鍵技術與裝備 525
7.4.1 頂板定向預裂切縫技術 525
7.4.2 實體煤側弧形幫成巷三機配套技術 556
7.4.3 采空區側碎石幫成巷四機配套技術 557
7.4.4 N00建井配套裝備 558
參考文獻 559
第8章 深井建設示范 561
8.1 新巨龍煤礦深井建設示范 561
8.1.1 礦井概況 561
8.1.2 工程地質條件 561
8.1.3 井筒設計方案 563
8.1.4 實施效果 565
8.2 萬福煤礦深井建設示范 568
8.2.1 礦井概況 568
8.2.2 深豎井高效破巖技術示范 568
8.2.3 泵房吸水井集約化硐室群工程示范 578
8.3 大強煤礦深井建設示范 593
8.3.1 礦井概況 593
8.3.2 工程地質條件 594
8.3.3 井筒馬頭門大斷面交叉點工程 596
8.3.4 泵房吸水井工程 602
展開全部

深部建井力學 節選

第1章 深部非均壓建井理論基礎* 隨著淺部資源的日益枯竭,煤炭及金屬礦開采朝著深部化和大型化方向發展。我國新建和改擴建的大型煤礦立井年生產能力已達1000萬t,*大開采深度已超1500m。針對深部巖體所處的高地應力、高地溫、高滲透壓復雜多變地層等地質力學環境,從深部建井“大變形、大地壓”現象入手,建立了深部建井難度表征參數,完善了深部建井的概念及其難度評價指標,提出了深部非均壓建井新模式,建立了不同地層結構井筒力學模型,奠定了深部建井設計與大變形災害控制的理論基礎。 1.1 深部建井難度表征參數 1.1.1 深部建井復雜地質力學環境 深部建井與淺部建井的明顯區別在于深部巖體處于“三高一復雜”的地質力學環境!叭摺敝饕侵父叩貞Α⒏叩販、高滲透壓,“一復雜”主要是指復雜的地層環境及災害源[1-4]。 1.高地應力 進入深部開采以后,僅重力引起的原巖垂直應力通常就超過工程巖體的抗壓強度(>20MPa),而工程開挖引起的應力集中水平則遠大于工程巖體的強度(>40MPa)。同時,根據已有的地應力資料,深部巖體形成歷史時間久遠,留有遠古構造運動的痕跡,存有構造應力場或殘余構造應力場,二者的疊合累積為高應力,在深部巖體中形成了異常的地應力場。根據南非地應力測定,在深度3500~5000m,地應力水平在95~135MPa。在如此高的地應力狀態下進行工程開挖,所產生的應力集中可達1.5~2.0倍的原巖應力水平[5]。 2.高地溫 根據地溫量測,常規情況下的地溫梯度為30℃/km。有些局部地溫異常地區,地溫梯度有時高達200℃/km。巖體在超出常規溫度環境下表現出的力學、變形性質與常規溫度環境下具有很大差別。地溫可以使巖體熱脹冷縮破碎,而且巖體溫度變化1℃可產生0.4~0.5MPa的地應力變化。巖體溫度升高產生的地應力變化對建井巖體的力學特性將會產生顯著的影響[6]。 3.高滲透壓 由于地層中賦存有大量的巖溶水以及瓦斯等氣體,進入深部以后,隨著地應力及地溫的升高,將會伴隨著巖溶水壓以及瓦斯氣體壓力的升高,從而產生高滲透壓,使得井巷突水、煤與瓦斯突出災害更為嚴重[7]。 4.一復雜 深部建井過程中,井筒或井底大巷需要穿過的地層極為復雜,如深厚表土層、軟巖、斷層破碎帶、土巖及軟硬巖層間交界弱面等,使得單一井巷支護結構難以滿足穩定性控制要求。同時,深部復雜地質力學環境又使得井巷圍巖大變形、高應力巖爆、突水、煤與瓦斯突出等災害致災機理更為復雜[8]。 深部“三高一復雜”的地質力學環境,使得深部礦井建設過程中,井筒及井底大巷圍巖失穩嚴重、大變形災害頻發(圖1-1),嚴重影響礦井的安全高效建設。 1.1.2 深部井筒大變形破壞特征 通過對國內大量資料檢索,發現深部建井進入深部以后,井筒出現井壁破裂、井筒突水、井壁大變形等一系列事故。有關統計資料表明,1987年以來我國大約有109個井筒發生了井壁破裂現象,其中煤礦99例、銅礦8例及鐵礦2例(圖1-2)。 1.井筒破裂程度與深度的關系 通過對龍煤集團鳥山煤礦副井調查,得出井壁破裂程度與深度的關系,認為隨著深度的增加,井壁破裂的程度也在增加,由裂縫萌發至井壁變形,*終發展為井壁剪切破壞。井筒深度500~700m內,井壁豎向裂縫明顯多于環向裂縫,局部壓碎,內緣出現混凝土掉皮及脫落現象,如圖1-3所示。 井筒深度700~850m內,井壁內緣混凝土剝落并形成豎向破裂帶,環向鋼筋向井筒內部屈曲,*終形成貫穿整個井壁厚度的剪切破壞面,如圖1-4所示。 井筒深度850~1000m內,井壁向井筒中心變形,裂縫及破壞面多與水平面呈銳角分布,破壞面為斜向剪切破壞面,破壞面整齊清晰,如圖1-5所示。 總結我國煤礦井筒突水與深度的關系如圖1-6所示。由現場調研及文獻檢索可知,井筒破壞主要集中于100~250m深度,該區間為上覆松軟層與基巖交界面附近,而井筒突水主要集中在第四系含水層300~400m,以及承壓水含水層600~800m(圖1-6)。 2.井筒破壞與地應力的關系 研究表明,地應力的分布是不均勻的,特別是在1500m以下的煤礦沉積巖層,*大水平主應力與*小水平主應力之比為1~2.5(圖1-7)。 建立如圖1-8所示的井筒結構力學模型,利用彈性力學計算公式對井筒受力進行分析[9,10]。 分析可得,垂直*大水平主應力方向的井壁側應力*大;隨著增大,垂直*大水平主應力方向的切向應力增大(圖1-9)。 非均勻的應力場使得井筒出現非對稱破壞現象。美國Lucky Friday井筒*大水平主應力為90MPa,*小水平主應力為37MPa,井壁沿與*大水平主應力垂直方向破裂,如圖1-10所示。加拿大Mine-by實驗隧洞在井筒開挖期間,也多次出現井筒破壞現象,其破壞位置也為與*大水平主應力方向垂直位置。通過對磁西一號井(亞洲*深煤礦井筒1340m)井壁變形實測分析,得出井壁變形*大值位于東北方向,*小值位于西南方向,兩者之比為2.19。 1.1.3 深部巷道破壞特征 研究發現,進入深部以后,以巖爆、突水、圍巖大變形為代表的一系列災害性事故與淺部工程災害相比較,程度上加劇,頻率上提高,成災機理更加復雜。深部建井產生的科學現象主要表現為以下幾種形式。 1.巖爆頻率和強度明顯增加 有關統計資料表明,巖爆與采深有密切關系,即隨著開采深度的增加,巖爆的發生次數、強度和規模也會隨之上升。 2.突水事故趨于嚴重 進入深部以后,巖溶水承壓水位升高,而巖溶水體滲流通道相對集中,從而造成開挖后瞬時巖溶突水,突水事故趨于嚴重。 3.巷道圍巖變形量大、破壞具有區域性 進入深部以后,一方面自重應力逐漸增加,同時由于深部巖層的構造一般比較發育,其構造應力十分突出,巷道圍巖壓力大,變形量增大,巷道大面積的冒頂垮落,使得巷道支護成本增加,安全性差。 4.地溫升高、作業環境惡化 深部建井條件下,巖層溫度將達到幾十攝氏度的高溫,如我國徐州礦區千米平均地溫為30~40℃,個別達48℃。根據鉆孔溫度測試結果,在淺部,地溫呈線性增長,而進入深部后,則呈非線性增長。由于地溫升高,井下工人注意力分散、勞動率減低,甚至無法工作。 5.瓦斯涌出爆炸成災 隨著煤礦采深的增加,瓦斯含量迅速增加,并造成瓦斯涌出爆炸或災害的頻繁發生。

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