“深部岩体力学与开采理论”专题（煤炭学报）

随着浅部资源的开采殆尽，深部资源开采已逐渐成为常态。为提升我国深部资源获取能力，系统建立深部资源开采理论与技术体系，“十三五”以来国家启动了针对深部开采的系列科技研发计划，对深部开采基础理论、深部开采防灾减灾技术与智能化装备等方面进行了布局，对深部矿山岩体力学基础理论、绿色开采技术、智慧矿山及灾害防控等方面进行了攻关研究，大力推动了我国深部矿山资源安全高效开采及智能化程度，取得了丰硕的研究成果。

为了深入广泛交流和共享深部矿山岩体力学与开采技术方面取得的最新科研成果，进一步促进我国深地科学研究发展，《煤炭学报》编辑部特邀中国工程院谢和平院士担任客座主编，深圳大学高明忠教授担任客座编辑，在2021年第3期组织出版“深部岩体力学与开采理论”专题。

行业视野: 采矿
类别; 94个
关键词; 93位
专家; 19篇
论文; 38759IP
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“深部岩体力学与开采理论”专辑特邀主编致读者

作者(Author)：谢和平

摘要：　　2016年全国科技创新大会上，习近平总书记提出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。煤炭是我国的主体能源，深部煤炭资源开采是保障我国能源稳定供给的主要途径，是我国未来煤炭工业发展的主要方向，也是当前和未来相当长的一段时期内我国煤炭科学与技术攻关的主要战场。　　　　随着煤炭资源开采深度的延伸，面临的科学问题和技术难题前所未遇，这些问题和难题的研究与破解对煤炭行业科技工作者提出了更高要求，甚至需要颠覆性的理念和变革性的攻关范式。就基础理论而言，传统的岩石力学和矿山压力理论已经不能准确描述深部开采条件下的岩石力学行为，亟需从源头上重新认识、探索深部原位环境下开采力学等系列问题，包括从源头上研究原位岩芯的获取方式，从源头上研究原位岩石的变形破坏机制等。就工程技术而言，开采的深度和规模与日俱增，矿井建设环境复杂，传统工艺工法效率尚不能满足工程需要，技术装备自主化水平还需进一步提升；作业空间的高效、安全、绿色维护，包括巷道控稳、动力灾害防治以及采掘工作环境治理等关键技术还有待攻关；智能开采、超长工作面超大空间开采、煤与瓦斯协同开采等问题的工程倒逼，也要求科研人员在原有的技术理论体系和规范标准上进行创新实践。与此同时，我们清楚地看到，科技发展日趋多元化，深部煤炭资源开发整体协调发展不仅是矿业相关学科的任务，同时也需要多门类自然学科和工程学科的跨界合作和共同努力。　　　　“十三五”以来，国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项正式启动，作为我国深地领域重大科技攻关任务，专项针对我国深部资源开采理论和技术需求，设置了开采板块，从基础研究、共性关键技术到应用示范基地的建设，全方位汇聚专家学者协同攻关，在科学开采、安全生产、清洁利用等方面，取得了丰硕的成果，大力推进了科学、技术和行业的融合提升，促进了煤炭工业的快速健康发展。　　　　当前在国家重大需求牵引、国家科技任务引导以及国内学者的踊跃参与和无私奉献之下，深部岩体力学与开采理论方面的研究上升到空前热度和更高水平，为了展示我国该领域相关理论与技术成果，《煤炭学报》特别组织策划本期专题，专题自征稿发布以来，受到了煤炭科技界同仁的高度关注。专题共收到来稿百余篇，最终录用18篇，专题稿件紧紧围绕3个主题进行报道，即：① 深部开采基础科学理论；② 深部矿产资源绿色开采关键技术；③ 深部智慧矿山技术。在此，对大力支持本专题的专家学者表示衷心的感谢！　　　　希望借助此次专题，深入交流深部岩体力学与开采理论方面的新理论、新方法、新技术以及新工艺，为国家煤炭科技事业的“十四五”和中长期发展提供积极良好的开端，也希望各行各业更多的科技人才和工程专家在煤炭科技领域扎根实干，为我国能源事业的发展而奋斗！

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2021年第03期

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深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究

作者(Author)：谢和平, 高明忠, 付成行, 鲁义强, 杨明庆, 胡建军, 杨本高

摘要：岩石脆延转化力学行为规律是深部岩石力学研究的重要内容之一，同时也是影响深地工程安全高效实施的关键因素。为研究深部不同深度岩石脆延转化力学行为差异性规律，以松辽盆地1000 m~6400 m不同赋存深度的砂岩、砾岩和安山岩为研究对象，开展了同一深度岩石不同应力水平下、不同深度岩石同一应力水平下以及不同深度岩石原位应力水平下的常规三轴实验，并采用峰前和峰后脆性指标分析了岩石的脆性特征，初步揭示了深部不同深度岩石脆延转化力学行为的关键影响因素与差异性规律。研究结果表明：不同深度岩石脆延转化并是非瞬时的，而是存在一个脆延性逐渐转换的应力区间。同一深度岩石不同应力水平下其脆延特征主要受围压影响。对于1600 m深砂岩，其脆性整体上随着围压的增大而减小，出现了从脆性—延性—应变硬化的转变，并且其峰后塑性逐渐增强，直到峰后呈现完全塑性。50 MPa~70 MPa应力水平范围为1600 m深砂岩的脆延转化区间；相同围压下不同深度岩石的脆延特征主要受其本身矿物组分的影响。对于松辽盆地岩石样品，其硬相矿物和中等相矿物的含量总体上随着深度的增加而增大，导致其脆性随深度的增加而增大，由浅至深表现出延性—脆延转化—脆性的特征；不同深度岩石原位应力水平下其峰后特征随着深度的增加呈现出不同的特征：1000 m~3500 m深砂岩表现出峰后应变软化特征、4800 m深砂岩和5100 m~5600 m深砾岩表现出峰后脆性特征、6400 m以深的安山岩表现出峰后塑性流动特征。岩石的脆延特征受诸多因素的影响，其中岩石的矿物组分和应力环境对其脆延特征的影响存在博弈现象。随着深度的增加硬相矿物和中等相矿物含量的增加会导致岩石的脆性增长，而岩石加载应力水平的增加，又会抑制岩石的脆性增长。研究结果有望指导深地科学探索及深地工程高效实施。

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深部采动响应与灾害防控研究进展

作者(Author)：袁亮

摘要：掌握深部采动响应机制与灾害防控技术对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的现实意义。针对深部开采面临高地应力、高地温、高岩溶水压和强开采扰动的复杂环境，探讨了深部采动煤岩体响应特征。阐述了煤炭开采多物理化学场时空动态演化规律和多资源全生命周期动态叠加多相多场耦合致灾机理。最后，基于上述采动响应特征和多场耦合规律及致灾机理，从透明矿山及地质保障关键技术、灾害风险判识与监控预警关键技术和典型动力灾害防控关键技术3个方面讨论了深部采动灾害防控方法。未来应继续加大对深部开采基础研究支持力度，大力支持自主创新重大仪器及科学装置研究，重点开展深部煤炭开采应用基础理论和关键技术研究，依靠科技创新突破制约我国深部煤炭开采的理论与技术瓶颈。加强深部采动多物理化学场耦合灾变机理分析，实现深地资源地质精准勘探和三维地质可视化，建立深部采动灾害风险判识及合理性评价模型，以及开展多参量灾害预警与防控技术和装备研究，实现对灾害的有效预警和精准防控，综合形成深部煤矿灾害防控理论与技术标准体系。同时，在充分认清深部各种灾害特征、治理能力极限和技术经济可行性的基础上，科学确定开采下限。最终有效解决深部煤炭开采面临的科学问题和重大技术难题，促进深部煤炭安全高效开采。

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深部建井力学研究进展

作者(Author)：何满潮

摘要：随着浅部煤炭资源的日益枯竭，我国煤炭开采朝着深部化和大型化方向发展，新建和改扩建的大型立井年生产能力已达1 000万t，开采最大深度已达1 500 m。千米深井在建井时所处的高应力、“各向异性”(包括岩体、结构、应力等)复杂地质力学环境，造成井筒以及井底车场大巷围岩出现塌方、岩爆以及冲击地压等大变形灾害，严重影响深部矿井安全高效建设。在国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”支持下，提出了深部非均压建井模式，以非均匀支护应对非均匀围岩压力;对煤系地层深部建井中典型的地层结构进行分类，并建立了深部不同应力条件下立井井筒力学模型;开展了一系列模拟深部环境下的多场、多尺度岩石力学实验，探明了深部建井岩体的各向异性与深部环境相互作用过程中的大变形力学特性，揭示了深部复杂地质环境下岩体大变形力学机理;研发了适用于深部建井岩体大变形控制NPR锚杆锚索新材料，进行了一系列拉拔力学实验对其优越性进行科学论证，并最终形成了一整套基于NPR锚杆锚索的支护技术;开展了无煤柱自成巷N00矿井建设研究，基于“切顶断臂梁”理论，建立了采矿损伤不变量的采矿工程模型。

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煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注-喷浆协同控制技术

作者(Author)：康红普, 姜鹏飞, 杨建威, 王志根, 杨景贺, 刘庆波, 吴拥政, 李文洲, 高富强, 姜志云, 李建忠

摘要：针对煤矿千米深井巷道松软煤体大变形难题，以淮南新集矿区口孜东矿7 m大采高工作面运输巷为工程背景，分析巷道松软煤帮变形破坏特征及支护结构破坏、失效形式；采用井下试验和数值模拟相结合的方法，从锚杆锚索锚固力衰减、风化作用下煤体劣化及强流变性等方面，揭示出千米深井巷道松软煤帮大变形机理。提出千米深井巷道松软煤帮高压锚注-喷浆协同控制理念；采用数值模拟对比研究了单一锚杆锚索支护、锚注、锚注-喷浆3种方案巷道煤帮变形、裂隙及应力演化规律，阐明了巷道煤帮高预应力、高压锚注-喷浆协同控制原理。研发出高强度、高压、组合式注浆锚杆与高压注浆锚索，研究了注浆锚杆、锚索及注浆材料性能与锚注效果，形成了高预应力锚杆、锚索支护-高压劈裂注浆改性-表面喷浆协同控制技术。将上述研究成果应用于淮南新集矿区口孜东矿，提出试验巷道锚注-喷浆协同控制方案及参数，并进行了矿压监测。监测数据表明，采用提出的锚注-喷浆控制方案后，煤帮结构、完整性与强度得到显著改善，锚杆、锚索锚固力大幅提升，充分发挥了高强度锚杆、锚索主动支护作用。巷道两帮收缩量降低86%，锚杆、锚索破断率大幅减少，有效控制了千米深井巷道松软煤帮大变形，为此类深部巷道大变形控制提供了有效途径。

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深井厚煤层长工作面支护应力特性及分区协同控制技术

作者(Author)：王国法, 张金虎, 徐亚军, 任怀伟, 于翔

摘要：加长工作面长度是智能高效长壁综采发展趋势，工作面长度加长后一般会使矿压显现出现明显变化，工作面围岩和液压支架的控制难度加大。采用现场实测和理论计算相结合的方法，针对淮南口孜东煤矿千米深井长工作面开展了长工作面来压频率、来压峰值和来压范围的变化特性研究，研究分析了该矿121304工作面支架受力特性及姿态变化特点，建立了基于弹性独立支座的液压支架群组支护力学模型，发现了深井超长工作面支护应力特性，理论计算与实测具有较好的一致性，在此基础上对140502工作面支护参数及控制技术进行了研究。结果表明:随着工作面长度增加，综采工作面支护应力由单峰值逐步转化为多峰值，并向两端头扩展，工作面不同区域来压具有明显的时序性且强度区别较大等特点。深井围岩劣化(低强度顶板)增大了这种趋势，工作面长度300 m即出现了超长工作面多峰值的特征。工作面支护应力出现“M”型三峰值可作为超长工作面的判据，合理工作面长度的确定应综合煤层赋存条件、工作面参数和装备能力确定。根据液压支架在空间和功能的不同属性，结合长工作面不同分区特点，揭示了超长工作面判据和群组分区协同控制原理，提出了一种基于状态误差和代价函数的工作面装备群组协同控制方法，制定了“单架控制→组控制→群控制”三级协同控制策略和实现方法，可有效指导深井厚煤层超长综采工作面装备群实现最优协调控制。

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采煤机自主导航截割原理及关键技术

作者(Author)：葛世荣, 郝雪弟, 田凯, 高传, 勒立坤

摘要：深部煤层构造较为复杂，实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上，提出了采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割三个发展阶段后，已经进入到自主导航截的第四阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架，包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵，和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直九项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割技术相关核心技术基本原理：首先，构建煤层智能化开采导航地图，从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新；其次，通过融合定位和定位精度提升方法，完成了采煤机位姿精确感知；再次，创建智采机组全位姿参数矩阵，并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统；最后，基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息，实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制以及行走路径自动调直控制。从而实现了深部煤层采煤机智能导航截割控制，为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。

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煤矿冲击地压发生理论公式

作者(Author)：潘一山, 代连朋

摘要：冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一，是公认的世界级难题。刻画冲击地压发生机理的理论公式是实现冲击地压定量防治的第一前提。针对目前尚未有直接明了的冲击地压发生理论公式的现状，本文建立了与地应力、煤岩物性、支护强度和工程结构参数直接相联系的巷道冲击地压发生力学分析模型，得到了一套冲击地压发生的理论公式。首先，系统探究了冲击地压解析分析所涉及的几何模型、边界条件、煤岩体变形破坏本构关系和冲击地压发生的力学判据；其次，结合煤岩体变形破坏的“双线性”本构关系和“三线性”本构关系，分别建立了巷道“弹性区、塑性软化区”两分区结构模型与“弹性区、塑性软化区、破碎区”三分区结构模型，对巷道围岩展开应力分析，得到了巷道平衡系统方程；最后，由系统方程与冲击地压发生力学判据，得到了冲击地压发生的临界载荷、临界破碎区半径与临界软化区半径指标及其理论计算公式。采用理论公式定量解答了冲击倾向性与冲击危险性的理论关系、矿井冲击地压发生临界开采深度的理论界定和支护在冲击地压启动过程中的作用及支护安全系数设计方法等科学问题，并对我国近30座冲击地压矿井的冲击启动临界载荷、临界开采深度和支护防冲安全能力进行了计算或验算。研究结果表明，临界载荷、冲击能指数和单轴抗压强度三个指标参量间具有明确的理论关系；表征冲击倾向性的理论指标为冲击能指数和单轴抗压强度，表征冲击危险性的理论指标可为实际应力与临界载荷比值；基于冲击地压发生的临界载荷，可以得到矿井冲击地压发生临界开采深度的理论确定方法；支护强度的提高能够有效提升冲击地压发生的临界载荷。研究成果旨在继承并突破现有定性或统计定量的冲击地压理论，为实现煤矿冲击地压机理及应用的定量化研究奠定基础。

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