“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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碎软煤层韧性破坏-渗流耦合本构关系及其间接压裂工程验证

作者(Author)：李浩, 梁卫国, 武建军, 李峰, 王建美, 武鹏飞

摘要：间接压裂是提高碎软低渗煤层地面井煤层气产量的新技术之一，其成功与否的关键在于顶板水力裂缝能否有效穿透煤岩界面并进入煤层，核心要素是碎软低渗煤层的韧性破坏与渗流耦合响应特征。将二维问题的Park-Paulino-Roesler势能函数扩展到三维应力空间，结合立方定律，得到煤结构面的韧性断裂-裂缝切向渗流关系;构建煤基质塑性变形与拉、压损伤的Helmholtz 自由能表达式，结合达西定律，导出煤基质在塑性变形、张拉损伤变量影响下的渗透系数(或滤失系数)表达式。在数值计算中，将煤基质与结构面的力学属性分别赋予实体单元和零厚度的黏聚力单元，通过共享节点的方式连接并由此实现2者间的应力-渗流耦合。采用断裂力学实验识别材料参数，结合水力压裂实验验证碎软煤层的韧性破坏－渗流(DF-S)耦合本构方程组的合理性。在此基础上，模拟研究了多因素影响下水力裂缝从顶板向煤层延伸的过程，包括水平井和界面的间距D，竖向与最小水平地应力之差Δσ，煤岩界面摩擦因数fc,r。结果表明:① DF-S本构方程组可以较好地反映间接压裂过程中碎软煤层的韧性破坏－渗流耦合响应特征;② 煤岩界面会在很大程度上阻碍水力裂缝扩展，其机理在于水力压裂引起煤岩界面处煤结构面的韧性断裂、煤基质的塑性损伤、压裂液滤失引发的水力能量耗散，导致实际用于水力裂缝扩展的弹性能(或裂缝表面能)最低只占到水力能量的2%;③ 数值模拟条件下，水力裂缝穿透煤岩界面的临界fc,r与D呈正相关，与Δσ呈负相关关系。D对临界fc,r的影响更大，将D控制在1 m之内有望使18%~30%的水力能量用于水力裂缝扩展，提高间接压裂煤层技术的成功率。水力裂缝穿透碎软煤层与顶板界面的临界条件成果在山西晋城矿区赵庄矿得到应用，实现碎软煤层地面井煤层气增产，为煤层间接压裂方程设计提供了理论支撑。

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煤炭学报

2021年第03期

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围岩松动圈理论计算方法的评述与展望

作者(Author)：刘刚, 肖勇卓, 朱俊福, 靖洪文

摘要：研究围岩松动圈的目的是指导地下工程的设计与施工,相比于现场实测和数值模拟分析,理论计算围岩松动圈更为方便快捷。综述了2 种主要的松动圈理论计算方法———强度准则法和数学模型法。强度准则法以Mohr-Coulomb 准则、Hoek-Brown 准则和Druker-Prager 准则为主,普遍经塑性区半径推导、松动区与塑性区界分和岩石强度参数修正可得到较准确的松动圈半径,其关键在于松动区的边界条件和岩石软化方法,并建议以应力梯度作为边界条件和以参数反演修正岩石参数进行计算,同时也简要评述了以动静力学思路和统一强度准则为基础的松动圈计算。数学模型法主要是基于对松动圈影响因素的研究,常采用神经网络模型和支持向量机模型,以及未确知聚类模型和多元回归函数拟合等,其关键在于松动圈影响因素的选择和建模选型。松动圈影响因素选择的重点在于次要因素,而建模选型在于引入其他模型对原有模型的核心元素进行寻优。建议应因地制宜地选择影响因素或引入灰色预测模型,同时必须经本地数据库训练修正后使模型达到最佳。实际工程中,由于强度准则法基于均质岩体中静水应力作用下的圆形巷道模型,巷道半径和侧应力系数取值及岩性不均一将会严重影响计算精度;数学模型法受制于影响因素考虑不足及现有数据库噪声等条件而难以提高预测精度。结合围岩松动圈实测技术,由于受众多因素影响,巷道同一横断面内、同一巷道相邻地段的松动圈均在一定范围内波动,故任何非实测方法均不能精确预测松动圈厚度。在工程应用中,不主张在难以符合强度准则法的假设条件或者数学模型中未知的次要因素影响较大的条件下采用计算的方法确定松动圈厚度。后续研究可从新强度准则推导或多个单预测模型相结合与数据等维等方面进行,同时应关注在深部多种地质条件下松动圈的理论计算以及矩形和其它非规则形状巷道松动圈的理论计算,并提高预测精度。

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煤炭学报

2021年第01期

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不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源与其临界破坏前兆信息判识

作者(Author)：宋朝阳, 纪洪广, 张月征, 谭杰, 孙利辉

摘要：研究弱胶结砂岩声发射信号参数特征及参数之间的关联性，可以区分不同粒度弱胶结砂岩破坏过程的声发射信号源，是建立不同粒度弱胶结砂岩临界破坏判据的基础。通过对单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩的破坏全过程进行声发射试验，得到了弱胶结砂岩破坏全过程中的应力与AE特征参数随时间演化规律，分析了AE振铃计数与绝对能量、幅值和持续时间参数之间的分布特征，获得了不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源特征，并基于AE峰值频率的演化特征分析，给出了弱胶结砂岩临界破坏前兆信息识别方法。研究表明，随着弱胶结砂岩粒度的减小，其峰值强度增加，岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显，AE振铃计数的峰值呈现数量级增加，能量集聚效应更加明显，岩样的自蓄能能力更强，且产生更高的AE幅值及更长的AE持续时间。弱胶结细粒砂岩在线弹性阶段初期最先出现更低频段(10~20 kHz);弱胶结粗粒砂岩在塑性变形阶段AE峰频出现更高频(275~285 kHz)，且AE峰频由2个主频段演化为5个;弱胶结中粒砂岩在达到应力峰值前，两个主频段(40~50，145~155 kHz)累积计数最大;AE峰频的更高频、更低频及主频累积计数值等变化特征可以作为鉴别不同粒度弱胶结砂岩单轴压缩破坏过程中声发射信号源的判识依据。岩样进入塑性变形阶段时，AE峰值频率表现为由初期的2个主频演化为4个或5个频段，频段增加特征亦可作为不同粒度弱胶结砂岩破坏前兆信息判识的依据。

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煤炭学报

2020年第12期

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地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展

作者(Author)：王琦, 许硕, 江贝, 李术才, 肖宇驰, 辛忠欣, 刘博宏

摘要：随着我国地下工程的迅速发展，建设规模不断扩大，工程建设过程中面临大量高应力、极软岩、强采动和断层破碎带等复杂条件，导致围岩变形严重、控制困难，联合支护是复杂条件围岩有效控制的必然选择。工程实践表明，拱架作为联合支护的最后一道防线，其承载能力不足导致冒顶、塌方等事故频发。约束混凝土支护具有承载能力高、塑性韧性好、经济性能优等特点，近年来在矿山工程与隧道工程等领域得到了广泛应用。众多学者在室内试验、理论研究、设计方法、现场施工等方面进行了系统研究。在室内试验方面，进行了约束混凝土基本构件与拱架的力学性能试验研究，为约束混凝土拱架承载力计算理论与设计方法提供了依据。在理论研究方面，建立了拱架内力计算模型，形成了约束混凝土支护强度计算理论。在设计方法方面，进行了约束混凝土拱架整体选型设计、核心混凝土设计、灌注口与排气口设计、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计研究。在现场施工方面，形成了矿山巷道复合施工与交通隧道机械施工两大类工法，研发了成套关键技术与装备。对上述研究内容进行了总结，同时对下一步约束混凝土体系设计、施工与验收规范制定以及在交通、水利、市政等不同工程领域的推广应用方面进行了展望。

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煤炭学报

2020年第08期

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软岩现场流变试验及非线性分数阶蠕变模型

作者(Author)：刘泉声, 罗慈友, 彭星新, 刘鹤, 陈磊, 潘玉丛

摘要：软弱岩体的流变力学特性研究对于保证矿井软岩巷道围岩的稳定性具有重要的意义，有必要进行软弱岩体的现场流变试验及其本构模型的研究工作。首先进行了煤矿软岩巷道底板大体积软弱岩体的现场分级加载压缩蠕变试验，其后引入分数阶微积分理论，采用Abel黏壶元件替代传统Burgers流变模型中的粘弹性体(即Kelvin体)，并基于现场岩体流变试验结果中岩体试样在加速蠕变阶段的变形特征，在改进后的Burgers模型上串联上非线性黏塑性体(即NAVPB)，建立了现场软弱岩体的非线性分数阶蠕变模型，最后基于岩体试样的流变试验数据，进行了非线性分数阶蠕变模型和Burger模型的参数拟合与对比分析。软弱岩体现场流变试验结果表明:岩体试样是否发生加速蠕变与加载的应力水平有关，其蠕变存在加速蠕变应力阈值，应力不大于该阈值时，岩体试样蠕变只发生衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段，且稳定蠕变阶段变形速率不为零;应力大于该阈值时，岩体试样经历完整的衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3阶段并最终发生破坏，且存在加速蠕变启动时间点。模型参数拟合及对比结果表明:提出的软弱岩体非线性分数阶蠕变模型结构较为简单，相较于Burgers模型，能较好地描述现场软弱岩体包括加速蠕变阶段在内的全阶段蠕变特征。

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煤炭学报

2020年第04期

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煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术

作者(Author)：康红普, 姜鹏飞, 黄炳香, 管学茂, 王志根, 吴拥政, 高富强, 杨建威, 程利兴, 李建忠

摘要：针对煤矿千米深井、软岩、强采动巷道围岩大变形难题，以淮南新集口孜东矿350 m超长工作面运输巷为工程背景，分析了巷道围岩大变形、支护构件失效原因;采用理论分析、实验室试验和井下试验方法，从围岩物性劣化、偏应力诱导围岩扩容、软岩结构性流变及超长工作面采动影响等方面，揭示了高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理。以此为基础提出千米深井、软岩、强采动巷道支护-改性-卸压协同控制理念，采用数值模拟对比研究了无支护、锚杆支护、锚杆支护-注浆改性、锚杆支护-注浆改性-水力压裂卸压4种方案巷道围岩应力、变形及破坏规律，阐述了巷道支护-改性-卸压协同控制原理。研发出CRMG700超高强度、高冲击韧性锚杆支护材料，研究揭示了锚杆受拉、剪、扭、弯及冲击复合载荷作用的力学响应特征;开发出微纳米无机有机复合改性材料及配套高压劈裂注浆技术;研发出分段压裂水力压裂卸压技术与设备，形成了巷道支护-改性-卸压协同控制技术。基于上述研究成果，提出口孜东矿示范巷道支护-改性-卸压布置方案与参数，并进行了井下试验与矿压监测。监测结果表明，巷道围岩协同控制技术应用后，巷道变形量降低50%以上，锚杆、锚索破断率降低90%，工作面采动应力明显减小，有效控制了千米深井、软岩、强采动巷道大变形。最后，对下一步的研究工作进行了展望。

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煤炭学报

2020年第03期

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深部巷道围岩锚固结构失稳破坏全过程试验研究

作者(Author)：靖洪文, 尹乾, 朱栋, 康红普, 孙彦景, 王勃

摘要：为了探索深部巷道围岩锚固结构从开始承载至整体失稳全过程，揭示围岩内部应力及变形破裂演化规律，以口孜东矿-967 m水平西翼轨道大巷为工程背景，依托自主研制的深部地下工程结构失稳全过程模拟试验系统，结合声发射、电磁辐射、电阻率、数字散斑等多源地球物理信息监测技术，对无支护、锚杆支护及锚杆索支护巷道围岩锚固结构承载特性及变形破裂演化特征进行大尺度物理模型试验研究。试验获得了不同支护锚固结构变形破裂全过程荷载-位移曲线，随着支护强度的增加，荷载-位移曲线应力跌落现象逐渐减弱，而锚固结构峰值承载能力、等效弹性模量和峰值位移分别增加了82.57%，33.33%和107.24%，巷道围岩越容易形成“压力拱”结构效应，抵抗变形的能力逐渐增强;试验过程中，顶板围岩变形量最大，两帮次之，底板最小，锚固结构破坏特征随支护强度的增加由张拉裂纹为主的脆性破坏向剪切滑移为主的塑性破坏转化;多源地球物理信息响应特征与荷载-位移曲线具有良好的耦合关系，随着支护强度的增加，锚固结构内部单位时间破坏次数逐渐减少，电磁辐射强度及脉冲数均逐渐减弱;声发射事件与锚固结构裂纹萌生扩展呈现较好的对应特征，在模型进入非稳定破坏阶段，随着裂纹迅速扩展，声发射活动异常活跃;随着荷载的增加，锚固结构由于裂纹发育趋于松散破裂，视电阻率逐渐升高导致区域导电能力逐渐降低，随着支护强度的增加，锚固结构的高阻区形成时间变大而范围变小。

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煤炭学报

2020年第03期

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深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论

作者(Author)：黄炳香, 张农, 靖洪文, 阚甲广, 孟波, 李楠, 谢文兵, 焦金宝

摘要：与浅部相比，深部巷道，特别是千米深井采动巷道，地应力高、采动影响强烈，导致巷道围岩变形大、持续时间长、破坏严重，目前的理论不能科学解释深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。为此，采用现场调研与试验、实验室实验、数值模拟和理论分析等方法，从应力强度比出发，并考虑偏应力和梯度应力，提出了采动系数的概念;从力学本质和工程应用的角度明确了巷道强采动和大变形的概念，探讨了其科学内涵，并初步提出确定了强采动和大变形的量化的评价方法;在此基础上，基于深井强采动巷道围岩所处应力环境及其大变形特征，初步提出了深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论框架。其核心思想是巷道围岩结构运动、围岩劣化、梯度应力和偏应力诱导围岩裂隙扩展、软岩流变与结构性流变大变形、破裂岩体长时扩容;基本问题包括深井采动巷道围岩应力路径、考虑应力路径的偏应力和梯度应力对巷道围岩的作用机理、巷道围岩锚固承载结构流变大变形、巷道围岩结构失稳大变形等。偏应力和梯度应力导致巷道浅部围岩张拉劈裂扩容和承载区围岩剪切滑动，且承载区围岩剪切滑动对浅部张拉劈裂围岩产生向巷道内的推力，扩容与推力导致浅部锚固体出现结构体滑移流变和整体性的挤入。由传统的软岩流变上升至软岩流变与锚固体结构性流变大变形。巷道围岩结构失稳大变形包括上覆岩层大结构失稳导致的整体移动大变形和松动圈内破裂岩体运动失稳大变形。提出的深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论从深部环境、深部岩体及强烈施工扰动相互作用出发，揭示深部巷道围岩应力场时空演变规律和大变形与破坏机理。

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煤炭学报

2020年第03期

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