“深部软岩巷道围岩控制理论与实践”专题

我国资源开采逐渐由浅部向深部进军，相当一部分矿井转变为深部软岩矿井，开采过程中常面临高地应力、高地温、高渗透压以及强烈开采扰动等复杂条件。由于软岩赋存的地质环境特殊且力学性质复杂，使得软岩巷道围岩控制成为长期困扰我国深部资源安全开采的突出难题。

为便于大家了解“深部软岩巷道围岩控制理论与实践”领域的最新科技成果，小编整理了近几年《煤炭学报》在该领域已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 采矿
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深部软岩巷道围岩扩容与流变特性模拟研究及应用

作者(Author)：康红普, 伊康

摘要：深部软岩回采巷道围岩劣化、扩容和流变效应显著。基于增量塑性流动理论和流变理论，将改进伯格斯体、改进黏塑性体和应变软化塑性体串联建立了 BVS 模型，可描述围岩应变软化、塑性扩容、蠕变三阶段、稳定与非稳定蠕变、流变损伤和流变扩容 6 个力学特性。推导了该模型的三维增量本构方程，并开发出可供FLAC3D调用的数值形式。结合三维增量本构方程导出的参数辨识公式和中煤能源新集口孜东煤矿岩样试验数据，辨识了 BVS 模型的 19 个输入参数，并采用试验数据、理论解和数值计算结果相互印证的方式，对多种加载条件下单元件应力-应变响应、力学特性和模型整体进行严格校核。将 BVS 模型用于口孜东煤矿 121302 运输巷进行数值模拟计算，结果表明:掘进扰动较弱;流变期间围岩大范围持续劣化，呈顶板下沉量较小、巷帮锚固体整体内移和剧烈底臌的特点;回采影响强烈，使围岩大范围劣化，巷道断面强烈变形。底板泥岩持续臌起驱动不断扩容的底煤挤入巷道空间是发生剧烈底臌的主要原因;底板深度 1.5 m 处流变直接导致的软化参量全程仅占比0~16%，但流变损伤引起应力调整，间接导致软化参量增大。将数值模拟计算结果与井下实测数据进行了对比分析，表明 BVS 模型基本能反映深部软岩回采巷道围岩变形与破坏规律，但是 2 者还存在较大差异，仍需进一步完善 BVS 模型。

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煤炭学报

2023年第01期

535

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基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理

作者(Author)：靖洪文 , 赵振龙 , 吴疆宇

摘要：深部煤炭资源开采的强度和深度不断增加，深部巷道围岩的结构性失稳灾变问题日趋严峻、复杂，严重制约深部煤炭安全高效开采。鉴于深部巷道围岩结构变形失稳的渐进演化过程中释放多物理场响应信息，采用自主研制的深部地下工程结构变形失稳全过程模拟试验系统，配合声发射、并行电法、电磁辐射等监测系统，研究基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理。开展了完整、层状和块状 3 种结构围岩的破坏性物理模型试验，利用声、电、磁多源信息演化规律对不同结构围岩的荷载-位移全过程进行了定量化评价和多源信息表征，从荷载-位移全程曲线、多源信息响应规律、围岩峰后损伤特性 3 个角度综合揭示了不同结构围岩的灾变演化及变形失稳机制。研究结果表明:1 随着围岩完整性的降低，围岩由塑性破坏向脆性破坏转变，其变形破坏过程的波动性和渐进式破坏特征更加显著，层状和块状结构围岩的物理模型峰值承载能力相比于完整结构分别降低 4.73%和 20.73%;2 与完整结构围岩的声、电、磁多源信息的连续性响应过程不同，层状和块状结构围岩呈现出阶段式响应规律且特征值更突出，尤其块状结构围岩的阶段跳跃性现象显著;3 完整、层状和块状结构围岩的裂隙发育区面积依次为 448.84、651.76 和 824.49 cm2 ，即随着围岩结构完整性的降低，裂隙发育区面积不断增大，在本研究中增大范围在 1.5 ~ 1.9 倍;4 围岩的破坏失稳由完整结构的强度控制型向块状结构的结构控制型转变，而层状结构表现出强度- 结构联合控制特征，围岩破坏失稳的结构效应越来越显著。

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煤炭学报

2023年第01期

310

1242
各向异性初始地应力软岩中自膨胀锚杆扩体-拉拔试验研究

作者(Author)：刘杰, 孙荣琪, 张研, 宋瑞, 王昊, 孙涛

摘要：研发了一种掺入了较多 HCSA 型膨胀剂的自膨胀锚杆，可提升锚杆的极限抗拔力。但对于刚度较低、易变形的介质，自膨胀锚杆的锚固力提升主要因素还不确定。为探明自膨胀锚杆在各向异性初始地应力软岩中的抗拔力提升效果，采用 3 种壁厚的钢管模拟不同径向刚度的围岩，向钢管内部加入不同膨胀剂掺量的自膨胀锚固材料，通过测试锚固结构的径向膨胀应力和变形的演化规律，推导了在各向异性初始地应力中自膨胀锚杆膨胀应力和位移的分布解析式，建立了应力、变形与钢管壁厚、膨胀剂掺量的关系。基于 ABAQUS 数值模拟方法验证了公式与试验相吻合，并通过拉拔模拟得到了自膨胀锚杆在低刚度岩土体中的膨胀规律和极限抗拔力的提升效果。研究结果表明:1 降低钢管壁厚时，不同膨胀剂含量自膨胀锚杆对应的应力-变形的变化趋势高度一致，在膨胀剂含量较大时，降低钢管壁厚，径向膨胀应力仅减小 8.6%，但径向变形量却增大 117%，说明扩大头效应更明显。 2 膨胀剂含量为 25%的自膨胀锚杆极限抗拔力在不同刚度的围岩中提升幅度相近，但自膨胀锚杆在相对较高的围岩中抗拔力峰前能量增幅明显更大，达到 819%。说明摩擦力对自膨胀锚杆锚固性能的影响比扩体效应更优。最后，建立了以软弱围岩强度参数和初始应力等为判据的膨胀剂掺量设计公式，并在某岩质边坡进行了现场试验，试验结果验证了该公式的可行性。

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煤炭学报

2022年第10期

219

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松软煤体波速演化规律与破坏程度量化指标

作者(Author)：朱传奇, 谢广祥, 王磊

摘要：为合理评价松软煤体破坏状态，以淮南矿区潘一煤矿 11518 回采工作面为背景，选用型煤代替原煤，采用 MTS 岩石力学实验机及 PCI-II 声发射仪，开展单轴压缩状态下煤体多路径波速实时监测室内试验，分析波速变化特征;基于声波传播规律定义破坏程度量化指标;探究不同破坏阶段煤体介质状态，并开展指标工程应用。研究结果表明:1 随煤体轴向应变的增加，波速呈现平稳、缓慢降低、急剧降低再平稳的基本规律，受载初期，型煤波速平稳，这与岩石材料呈现出的声学特性有所差异。 2 破坏程度量化指标 K 为煤体某一破坏阶段纵波经过裂纹时间与完全破坏后纵波经过裂纹时间的比值。 3 随煤体轴向应变的增加，指标先后经历平稳在 0 附近、缓慢增大、急剧增大再平稳在 1 左右 4 个变化阶段，指标演化与煤体表面形态变化具有高吻合性，且与传统损伤变量相比，指标突出裂纹对波速的影响，对破坏的敏感性更强，更能准确反映煤体破坏状态。 4 依据指标变化规律区划了工作面前方煤体介质状态，在距煤壁 26.5 m 以远的煤体处于连续介质区;在距煤壁 13.5 ~ 26.5 m 的煤体处于似连续介质区;在距煤壁 5.75 ~ 13.50 m 的煤体处于非连续介质区;在距煤壁距离小于 5.75 m 的煤体处于散体介质区。研究结果可为量化松软煤体破坏程度，防控围岩失稳灾害提供一种新途径。

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煤炭学报

2022年第07期

197

1093
一种改进的中空注浆锚杆连接段螺纹参数优化分析

作者(Author)：朱珍德, 舒晓云, 陈卫忠, 谭贤君, 田洪铭, 李喆

摘要：软岩大变形隧道需要及时锚固支护，特别是在围岩强度较低的隧道中，常采用对围岩扰动较小的中空注浆树脂锚杆施加预应力支护，而开挖后围岩产生的大变形将对锚杆性能提出更高的要求，如何提升锚杆强度与变形能力成为控制围岩稳定性的关键。考虑改进的中空注浆锚杆树脂锚固段+砂浆锚固段的螺纹连接特性，利用数值模拟分析了锚杆连接段内螺纹螺距、连接长度、外壁厚度对连接段强度与变形的影响，得到了连接段螺纹最佳组合参数。研究结果表明:连接段破坏模式受螺纹抗剪强度、钢筋与中空外壁抗拉强度的影响，可分为中空外壁拉断破坏、螺纹滑脱破坏、钢筋拉断破坏 3 种。当连接段长度较短时，易发生螺纹滑脱破坏，随着连接长度的增加，连接段强度薄弱点由螺纹转移至中空外壁。不同螺纹螺距条件下存在临界连接长度使得连接段内各强度均能得到有效发挥，从而提高锚杆连接段的整体强度。随着螺纹螺距的增加，连接段整体受力性能得到显著改善，当螺纹螺距为1.5 mm时，螺纹抗剪强度最差，在设计时应尽量避免。在中空外壁直径不变时，钢筋直径过大易导致连接段外壁拉断破坏，过小易导致钢筋拉断破坏，在设计时应合理匹配钢筋直径与中空外壁直径。随着中空外壁直径的增加，连接段破坏模式由中空外壁拉断破坏转变为钢筋拉断破坏，但连接段性能并未得到较大改善。对于中空外壁直径为 32 mm 的锚杆而言，钢筋直径为 25 mm、螺纹螺距为 2 mm、连接长度为 16 mm 时，锚杆连接段抗拉性能最佳，可满足软岩大变形隧道的使用要求。

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煤炭学报

2022年第06期

240

670
深部强采动大断面煤巷围岩外锚-内卸协同控制技术

作者(Author)：谢生荣, 王恩, 陈冬冬, 蒋再胜, 李辉, 刘瑞鹏

摘要：针对深部剧烈动压扰动影响下软碎煤体巷道围岩持续大变形破坏的控制难题，以东庞矿深部强采动影响区典型大断面软碎煤体巷道为研究对象，分析了深部煤巷经历强采动影响下的矿压显现规律，阐明了引起围岩大变形破坏的主要原因，得出了煤巷围岩的主要控制难点。基于此提出了深部强采动大断面煤巷围岩外锚-内卸协同控制技术，煤巷浅部围岩锚索注强化锚固技术提高了主体承载结构的围岩强度，为内部造穴卸压创造了良好的施工环境；两帮煤体深部应力高峰区采取大直径孔洞造穴卸压，阐明了在不破坏浅部锚固围岩稳定性基础上使煤巷两帮高支承压力峰值转移至造穴孔洞实体煤侧的卸压机制。内部大直径造穴孔的布置使深部煤岩体的变形向卸压孔洞群转移，为深部煤岩体持续向外运移提供较大的补偿空间，浅部强化锚固能有效阻断深部煤岩体向煤巷空间运移，减少煤巷两帮围岩变形量；提出大断面煤巷围岩外锚-内卸的“固结修复、桁索强锚、内卸转移、内外协同”控制机理，并通过相似模拟及数值模拟的方法验证了煤巷围岩外锚-内卸协同控制技术的可行性。现场工程实践表明：煤巷采取外锚-内卸协同控制技术，有效抵御了大断面软碎煤体巷道在强采动影响下的两帮围岩大变形，显著改善了煤巷围岩应力状态，研究成果为深部巷道围岩稳定性控制提供关键理论和技术支撑。

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煤炭学报

2022年第05期

491

1342
恒阻吸能锚杆力学特性与工程应用

作者(Author)：王琦, 何满潮, 许硕, 辛忠欣, 江贝, 魏华勇

摘要：地下工程面临大量高应力.极软岩等复杂条件.导致围岩应力集中.能量积聚.易发生围岩大变形.高强度.高预紧力.高延伸率以及高吸能特性的锚杆支护是大变形围岩的有效支护方式.传统锚杆支护存在强度低.延伸率不足等问题.支护体系易发生破断.基于此.自主研发了具有高强.高延伸率特性.可施加高预紧力的恒阻吸能锚杆.开展了新型锚杆.普通锚杆与恒阻大变形锚杆的静力拉伸与动力冲击对比试验.结果表明.在静力学性能方面.新型锚杆的屈服强度和破断强度分别为普通锚杆的2.06和1.62倍以上.具有高强.恒阻的力学特性.新型锚杆的最大力延伸率和断后延伸率分别是普通锚杆的1.52和1.26倍以上.单位长度吸收的能量是普通锚杆的3.05倍.具有高延伸率.高吸能特性.在动力学性能方面.新型锚杆的单次冲击平均位移量相比普通锚杆降低了47.0%.延伸率是普通锚杆的1.53倍.单位长度吸收的能量是普通锚杆的2.77倍.表明新型恒阻吸能锚杆具有良好的抗冲击能力和整体变形能力.恒阻吸能锚杆具有高强.高延伸率.高吸能特性.提出了恒阻吸能锚杆支护思路.并将新型锚杆在大断面隧道和深部高应力矿井现场进行了应用.现场监测结果表明.采用恒阻吸能锚杆的支护方式能够有效控制围岩变形.

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煤炭学报

2022年第04期

712

1817
泥岩多尺度模型与水岩作用特性研究进展

作者(Author)：李桂臣, 李菁华, 孙元田, 孙长伦, 许嘉徽, 荣浩宇, 杨森, 沃小芳, 卢忠诚

摘要：泥岩遇水软化特性制约着岩土工程与地下工程的发展，特别是在煤矿工程实践中，泥岩遇水泥化膨胀、承载性能劣化，往往诱发巷道围岩的失稳破坏。黏土矿物的遇水膨胀特性，与泥质胶结的强度低、塑性强特性，是富黏土矿物（> 50%）泥岩遇水大变形与承载失效的内在本质。工程实践研究中承载持续大变形与泥岩遇水渐进劣化是关键防控和调控过程。针对泥岩研究尺度广、大变形力学机制与水岩作用机理复杂的特点，首先基于工程防控/调控技术研究焦点界定了多尺度研究范畴，划分出宏观岩体（mm）、细观矿物（μm）、微观晶胞（nm）三个研究尺度；其次阐明了不同尺度下的泥岩物理、力学、化学研究模型，讨论了不同尺度泥岩物力化性质分析方法与手段，厘清了泥岩物理力学和物理化学性质的多尺度特性，系统研究了不同尺度下的水岩作用机制，构建了考虑不同尺度相互作用关系的泥岩水岩作用多尺度关联体系；最后展望了泥岩多尺度研究中细观尺度研究的发展方向；指出多尺度水岩作用在多物理场耦合中的研究前景，提出基于多尺度分析的泥岩灾变防治技术研发体系，凝练人工智能方法辅助研究泥岩多尺度的关键科学问题。同时，开展多尺度研究有助于掌握与控制泥岩的物理、化学、力学响应特性，为解决泥岩灾变防治和核废料封存工程难题，奠定下科学的理论基础。

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煤炭学报

2022年第03期

677

836