深部建井力学研究进展.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a l “ ．2 0 2 1 深部建井力学研究进展 何满潮 中国矿业大学 北京 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 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10 0 0 万t ，开采最大深度已达15 0 0m 。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 N P R 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N P R 锚杆锚索的支护技术；开展了无煤柱自成巷N 0 0 矿井建设研究，基于“切项短臂梁”理 论，建立了采矿损伤不变量的采矿工程模型。 关键词深部开采；矿井建设；岩石力学；非均压建井；N P R 锚杆锚索 中图分类号T D 2 6文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 0 7 2 6 2 1 R e s e a r c hp r o g r e s so fd e e ps h a f tc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s H EM a n c h a o S t a t eK e yL a b o r a t o r y f o rG e o m e c h a n i c sa n dD e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t W i t ht h ei n c r e a s i n gd e p l e t i o no fs h a l l o wc o a lr e s o u r c e s ，C h i n a ’Sc o a lm i n i n gi sd e v e l o p i n gi nt h ed i r e c t i o n o fd e e p e n i n ga n dl a r g e s c a l ed e v e l o p m e n t ．T h ea n n u a lp r o d u c t i o nc a p a c i t yo fn e w l yb u i l ta n de x p a n d e dl a r g ev e r t i c a l s h a f t sh a sr e a c h e d1 0m i l l i o nt o n s ，a n dt h em a x i m u mm i n i n gd e p t hh a sr e a c h e d15 0 0m ．T h eh i g hs t r e s sa n d “a n i s o t r o p y ” i n c l u d i n gr o c km a s s ，s t r u c t u r e ，s t r e s s ，e t c ． c o m p l e xg e o m e c h a n i c a le n v i r o n m e n t ，i nw h i c hat h o u s a n d m e t e r d e e ps h a f tw a sb u i l t ，c a u s e dc o l l a p s e ，r o c kb u r s ta n di m p a c ti nt h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h es h a f ta n dt h em a i nr o a d w a y a tt h eb o t t o mo ft h es h a f td u r i n gs h a f tc o n s t r u c t i o n ．L a r g ed e f o r m a t i o nd i s a s t e r ss u c ha sg r o u n dp r e s s u r eh a v es e r i o u s l y a f f e c t e dt h es a f ea n de f f i c i e n tc o n s t r u c t i o no fd e e pm i n e s ．S u p p o r t e db yt h ek e ys p e c i a lp r o j e c t “t h eb a s i ct h e o r ya n d k e yt e c h n o l o g yo fd e e pc o a lm i n ec o n s t r u c t i o na n du p g r a d i n g ”w i t h i nt h en a t i o n a lk e yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a n “D e e pG r o u n dR e s o u r c e sE x p l o r a t i o na n dM i n i n g ”，ad e e pn o n u n i f o r mp r e s s u r es h a f tc o n s t r u c t i o nm o d e lw a sp r o p o s e dt od e a lw i t hn o n - u n i f o r ms u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r ew i t hn o n - u n i f o r ms u p p o r t ．T h et y p i c a ls t r a t u ms t r u c t u r eo f d e e ps h a f ti nc o a l m e a s u r es t r a t aw a sc l a s s i f i e d ．a n dt h em e c h a n i c a lm o d e lo fv e r t i c a ls h a f tu n d e rd i f f e r e n ts t r e s sc o n d i - 收稿日期2 0 2 1 0 1 1 8修回日期2 0 2 1 0 3 0 9责任编辑郭晓炜D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．Y T 2 1 ．0 1 2 4 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 6 Y F C 0 6 0 0 9 0 0 ；国家自然科学基金资助项目 4 1 9 4 1 0 1 8 作者简介何满潮 1 9 5 6 一 ，男，河南灵宝人，中国科学院院士。E m a i l h e m a n c h a o 2 6 3 ．n e t 引用格式何满潮．深部建井力学研究进展[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 3 7 2 6 - 7 4 6 ． H EM a n c h a o ．R e s e a r c hp r o g r e s so fd e e ps h a f tc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s 【JI ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 7 2 6 - 7 4 6 ．移动阅读 万方数据 第3 期何满潮深部建井力学研究进展 t i o n si nd e e pm i n ew a se s t a b l i s h e d ．As e r i e so fm u l t i - f i e l da n dm u l t i - s c a l er o c km e c h a n i c se x p e r i m e n t su n d e rs i m u l a t e d d e e pe n v i r o n m e n tw e r ec a r r i e do u t ，a n dt h el a r g ed e f o r m a t i o nm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t h ea n i s o t r o p yo ft h ed e e ps h a f t - b u i l d i n gr o c km a s sa n dt h ed e e pe n v i r o n m e n tw e r ee x p l o r e d ，a n dt h em e c h a n i c a l m e c h a n i s mo fl a r g ed e f o r m a t i o no fr o c km a s si nt h ed e e pc o m p l e xg e o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a sr e v e a l e d ．An e wN P R b o l t ／c a b l em a t e r i a ls u i t a b l ef o rt h el a r g ed e f o r m a t i o nc o n t r o lo fd e e ps h a f tw a sd e v e l o p e d ，as e r i e so fd r a w i n gm e c h a n - i c se x p e r i m e n t sw a sc o n d u c t e dt os c i e n t i f i c a l l yd e m o n s t r a t ei t ss u p e r i o r i t y ，a n dac o m p l e t es e to fN P Rb o l t ／c a b l e - b a s e d s u p p o r tt e c h n o l o g yW a so b t a i n e d ．As t u d yo nt h ec o n s t r u c t i o no ft h eN 0 0m i n ew i t h o u tc o a lp i l l a r sa n ds e l f - c o n t a i n e d r o a d sW a sc a r r i e do u t ．B a s e do nt h et h e o r yo f “c u tt o pa n db r o k e na r mb e a m s ”，am i n i n ge n g i n e e r i n gm o d e lw i t hi n v a r - i a b l em i n i n gd a m a g ew a se s t a b l i s h e d ． K e yw o r d s d e e pm i n i n g ；m i n ec o n s t r u c t i o n ；r o c km e c h a n i c s ；n o n - u n i f o r ms t r e s sc o n s t r u c t i o n ；N P Rb o l t ／c a b l e 煤炭是我国的主体能源，埋深l0 0 0m 以下的煤 炭资源约占已探明储量5 ．5 7 万亿t 的5 3 ％【I - 2 ] 。随 着开采范围及强度的增加，浅部资源的日益枯竭，煤 炭开采朝着深部化和大型化方向发展。据统计，我国 已建成开采深度达到或超过l0 0 0m 的深井共有4 5 处 含11 处历史最大采深曾达到千米的矿井 ，主要 分布在华东和华北等9 个省区，其中山东2 1 处，辽 宁6 处，河北、吉林各4 处，安徽3 处，江苏3 处，河南 2 处，陕西、江西各l 处。国家规划建设的1 4 个大型 煤炭基地中一些新建和改扩建的大型立井年生产能 力已达10 0 0 万t ，开采深度已达10 0 0m 。未来5 ～ l Oa ，煤炭矿山还将兴建3 0 余座千米深井。 目前，国外在建的超千米深井大多为金属矿山。 其中，南非兰德金矿区是世界最大的金矿区，开采深 度已经达到36 0 0m ；英美集团于南非西北部建成的 姆波尼格金矿开采深度达到43 5 0m 以上，是目前世 界上最深的矿井；印度钱皮里恩夫金矿采深已达到3 2 6 0m 。以俄罗斯为代表的东欧地区也蕴含丰富的金 属矿产，其中，克里沃罗格铁矿区的开拓深度已到达 I5 7 0m 以上，不久将要达到20 0 0 25 0 0m 。另外， 北美和澳洲部分的金属矿山采深也已到达千米以上 的水平。 针对深部矿山建井过程中出现的岩石力学与灾 害控制问题，早在1 9 8 3 年，原苏联、西德的学者就对 超过l6 0 0m 的深 煤 矿井进行专题研究；1 9 9 8 年7 月，南非政府启动“D e e pM i n e ”的研究计划，旨在解决 深部的矿山安全建设、经济开采的一些关键问题；同 期，加拿大也开展了为期1 0a 的2 个深井研究计划； 美国于2 0 0 0 年左右开始筹建深部科学与工程实验 室 D e e pU n d e r g r o u n dS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gL a b o r a o t o r y ，D U S E L ，就深部岩体力学响应特征进行研 究‘3 1 。 2 0 0 4 年，我国立项启动了第1 项系统研究深部 建井与开采岩石力学问题的国家自然基金重大项目 “深部岩体力学基础研究与应用”，后续又设立了包 括“深部煤炭资源赋存规律、开采地质条件与精细探 测基础研究” 2 0 0 6 年 、“煤矿突水机理与防治基础 理论研究” 2 0 0 7 年 、“煤炭深部开采中的动力灾害 机理与防治基础研究” 2 0 1 0 年 等一系列国家重点 研发计划项目 9 7 3 计划 ，相关项目研究成果为我国 10 0 0 15 0 0m 深部资源安全高效开采提供了重要 的理论与技术支撑。 然而，由于深部岩体所处地球物理环境的特殊性 和应力场的复杂性，使得深部建井工程中的大变形灾 害成灾机理十分复杂，现有的监测、防控技术难以满 足未来l5 0 0 ～20 0 0m 深部建井安全高效施工及运 营的要求。 2 0 1 6 年，启动了国家重点研发计划项目“煤矿深 井建设与提升基础理论及关键技术”的研究。本项 目针对煤矿深部建井存在高应力、高水压、复杂多变 地层等难题，以及深井提升面临长距离、高速度、重载 荷等挑战，以建立l5 0 0 20 0 0m 深部建井与提升基 础理论体系，突破煤矿深井高效掘进支护和大吨位提 升关键技术为目标，研发深井高效快速掘进支护、高 速重载提升与控制成套装备，建设煤矿深部建井和提 升示范工程。 笔者将围绕国家重点研发计划项目“煤矿深井 建设与提升基础理论及关键技术”研究团队的最新 研究动态，详述有关深部建井研究方向的最新创新性 成果。 1 深部建井力学基础理论 对于煤矿15 0 0 ～20 0 0m 深部建井工程，其白重 应力为3 0 ～4 0M P a ，开挖后的应力集中可达1 ．5 ～ 2 ．0 倍的原岩应力水平。由于煤矿建井岩体多为沉 积岩，强度相对较低，在高应力作用下容易产生上百 毫米乃至米级以上的变形。为此，从深部“大变形、 大地压”现象人手【3 】，以深部建井3 个各向异性 物 万方数据 7 2 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 质、结构、应力 为突破点，提出了深部“非均压建井” 新模式，建立了不同岩层结构以及应力条件下立井井 筒力学模型，推导了相应的解析解，并从微观、细观、 宏观层面揭示了深部建井岩体的各向异性及其与深 部环境相互作用过程中的大变形力学特性及其灾变 机理。 1 ．1 深部“非均压建井”新模式 深部多场耦合 包括应力场、渗流场、温度场等 复杂地质力学环境下，由于地应力场的非均匀性 三 向应力大小不同且最大主应力为水平应力 ，使得各 向异性 包括地层岩性、岩体结构等 的建井围岩开 挖后，作用在均匀的井壁支护结构上，将会产生一个 非均匀的压力场。而现场实测结果也充分验证了这 一现象 图1 。 研究表明，非均匀压力场是造成井巷支护结构破 坏的根本原因 图2 。为此，提出了深部“非均压建 井”新模式_ 4 。 图3 中，盯．为最大主应力；盯，为最小 主应力 ，通过不同工程断面配合非均匀或准均匀高 预应力恒阻耦合支护，实现应力场的均匀化，从而保 证深部及井巷工程建设的安全性及其长期稳定性。 1 ．2 深部井筒三维理论模型 深部立井井筒特点是井筒轴向方向的应力边界 条件为非对称、非均匀、非线性分布。4 1 。；不满足平面 问题的求解条件，因此，在力学建模中必须采用三维 力学模型；沿井筒径向方向应力边界条件为非对称分 布，应当在掌握地应力方向和大小的前提下，采用椭 圆形断面来对抗井筒径向方向的非均匀应力场，其 中，长轴对应最大主应力方向；15 0 0 ～20 0 0m 深部 井筒所处地层的岩性变化大，必须考虑地层构造运动 与断层运动以及在高渗透压力 1 5 ～2 0M P a 下的影 响‘7 ；。 簇 心 孰--N- 蠖缈 f ＼1l ，／ ⋯一深度2 4 3 ．】- 2 4 6 ．1m ，浇筑2 2 5d 深度3 1 2 ．1 ～3 1 5 ．1m ．浇筑2 0 2d 一‘深度4 5 60 - 4 5 90 m ，浇筑1 3 3d 深度5 1 0 ．O ～5 1 3 ．0m ，浇筑1 0 8d ⋯深度5 4 30 ～5 4 60 m ，浇筑9 0d ⋯深度6 2 4 ．5 ～6 2 7 ．5m ，浇筑3 5d 图I龙固煤矿井壁压力实测结果 F i g ．1 T e s tr e s u l t so fw e l l w a l lp r e s s H r eo f1 ．o n g g uC o a lM i n e 图2非均匀应力场导致井巷支护结构破坏 F i g ．2 N o n u n i f o r ms t r e s sf i e l dc a u s e sd a m a g et ot h ew e l lo r r o a d w a ys u p p o r ts t r u c t u r e 图3 深部“非均压建井”新模式 F i g ．3 “N o n u n i f o r ms t r e s sf i e l dc o n s t r u c t i o n ”m o d e lf o rd e e ps h a f t 万方数据 第3 期何满潮深部建井力学研究进展 7 2 9 综合分析各种因素后，提出了如图4 所示 的20 0 0m 椭圆断面深部井筒结构效应力学模型。 在建模过程中对断层、土一岩界面等边界条件进行了 如下概化 30 0 0 卜 Q Q Q ．1 一 么m ∥／，／围芸窖l 骂／ 『| 么 形 表I _ _ _ ■L ．i 型 j 鼬衄卿一l I 厂⋯～ 一i 硬， ／／o ．1 5m m ，a 一{ { 软 1囊／ 碗 嬲一麟麓麟燃㈧ 含水』 幽／1 ．0 m m ／a 一 一。‘1 软7 7 2 ，z ‘ ．一／ 碗7 | } 图4 深部井筒力学结构模型 F i g ．4G e o l o g i c a lm o d e lf o rav e r t i c a ls h a f tf o * ‘c o a l n l i n e sb u i l ta tg r e a td e p t h 1 断层等地质构造的残余构造应力使得区 域应力场的非均匀性更为明显，为此，重点研究了 断层的影响，根据我国煤田断层问距分布，模型的 平面尺寸应当在3k m ；同时考虑了岩层问的塑性 滑移弦引。 2 采用椭圆形断面来弱化井筒径向方向的 非均匀应力场，采用三维力学模型，重点反映沿井 筒轴向方向的应力分布非均匀与非对称性。 3 第四系表土层土一岩界面是井筒岩层结构 的薄弱部位，重点考虑高垂直压力形成的塑性大 变形、高水平压力以及断层运动形成的岩层问界 面塑性滑移。 据此，提出了复杂地质结构深部井筒模型分 类 图5 I 型均质岩体模型，包括I 。型 圆断面 井筒 和I 。型 椭圆断面井筒 ；I I 型层状岩体模 型，包括I I 。型 岩石一元结构 和I I 。型 土一岩二 元结构 ；I I I 型含断裂带模型，包括I I I 。型 含逆 断层模型 、I I I 。型 含正断层模型 和I I I 。．型 含 走滑断层模型 。不同的地质结构模型具有不同 的边界条件与力学行为。通过上述分类，建立了 煤系地层深部建井中的典型地层结构物理模型， 为应用弹塑性力学、岩石力学等有关矿山岩体力 学理论，进行深部建井中的理论与实验研究提供 了解决问题的思路与框架。 图5不同岩体结构井筒理论模型分类 F i g ．5 C l a s s i f i c a t i o no ft h e o r e t i c a lm o d e l so fs h a f t si nd i f f e r e n tr o c ks t l ．L l c t u r e s 对于I ．型 均质岩体 圆断面井筒，其在对称边 界条件下的弹性解为经典弹性力学解；对于I 。型 均 质岩体 椭圆断面立井井筒，目前仅有在椭圆一双曲 坐标系下的平面弹性解，其力／位移势函数为二 维G o u t s a t 位移势函数0 。”1 。 为了建立椭圆断面深部井筒的三维弹性解， 提出了改进的G o u t s a t 位移势函数 即三维G o u t s a t 位移势函数 ，用于建立各向同性均质岩体 I 。， 型 椭圆断面立井井筒的三维弹性模型。同时也 尝试采用求解圆柱体三维模型的广义平面法来研 究I 。型模型的三维建模问题。对于无法直接建立 理论解的I I 型与I I I 型模型，提出了图6 所示的 万方数据 7 3 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 “界面耦合多层地质结构模型”，用于解决复杂地 质条件下 I I 。与I I 。型 的椭圆断面立井井筒三维 弹性近似解的建模问题，图6 中，o 为长轴长度；b 为短轴长度；p 为井筒内部支护力；6 为井筒厚度； 盯。盯。，o - ，为第i 个地层边界上的正应力；丁。， 丁。，丁、。丁。。，丁。，为第i 个地层边界上的剪应力。 对于含有断层的I I I 型地质模型，则需要采用数值 方法来建模与分析。 广＼ 。 ∥∥ ／y 彭尹口秣 一／。 1 掣1 璺0 4 a J 口, 90 距离／1 01 0 m C 水分子从高岭石表面 渗透至内部3 种路径 图1 2杂质掺杂对水分子在局岭石结构内邵I 】发附影响 F i g ．12 I n f l u e n c eo ft h ed o p i n gO i lt h ep e n e t r a t i o no fw a t e rm o l e c u l ew i t hk a o l i n i t e 利用分子动力学方法，对高岭石在单轴拉伸、单行了试验研究，获得了不同软岩的动态吸水规 轴压缩和剪切3 种受力状态下的变形过程进行模律 图1 6 d ， e ，确定了软岩黏土矿物和孔 拟 图1 3 ～1 5 ，得到了不同方向的应力应变曲线，分隙结构 孔隙率 等是影响软岩水吸附的重要因 析了高岭石各向异性的力学行为，计算出相关力学参素，揭示了吸水导致软岩泥质化和微观结构 图 数，并与理论值进行了比较；提取了不同应变时刻高 16 b ， c 的变化是软岩强度软化的内在原 岭石结构的微观构型，并计算断裂化学键的数目及类 因”。“。 型，分析了高岭石在弹塑性转变时的微观构型变化过 1 ．3 ．3 深部建井岩体多场耦合力学特性 程，发现了不同类型化学键的断裂是黏土矿物发生破采用多功能三轴流固耦合试样系统开展了深 坏的主要原因_ 6 ≈8 I 。部建井岩体大变形力学特性试验研究。三轴试验 1 ．3 ．2 深部建井岩体吸水软化特性 对应的空间应力路径为路径1 盯。单面卸载；路 采用深部软岩与水相互作用智能测试系 径2 o r 。双面卸载；路径3 盯。盯，同时单面卸 统 图1 6 a ，对深部建井岩体吸水软化效应进载。”。通过对模拟深度为10 0 0 ，15 0 0 ，20 0 0m 8 6 4 2 O 4 3 2 ，O 3 2 ●O 一一3．suoou旦u／世艄拍鲻冬牛唾 万方数据 7 3 4 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 一一 O Z 方阳 母 山 o R ；争 日 L o 采 ≥ ≈ 山 。 门 0 图1 3 高岭石在 F i g ．13 D e f o J ‘m a t i o na n df a i l 一 乱 o ’ ≥’ 凸_ o 、 j ≥’ 矗 L o 高 ‘- 、 世 麟震蠢 雾蓁霾瑟蠢蠹蘸裁勰麟黼翮蕊 燃㈣揪㈣燃㈣ 出出埘出“_ ；工】叫山山删山山“山山止山Ⅲ山u 皿正战皿缸正匹正缸嘶 工■u “圳Ⅱu U u 山■■崔■L L 山0 址4 4 山■u 山圳圳u 山■山u “山丘■山■蛐 单轴拉伸状态下的微观变形和破坏过程 u r ep r o c e s s e so fk a o l i n i t eu n d e ru n i a x i a lt e n s i l es t a t e s 应变 A ．0 i 羹霹霪 B 翅一c 酋。D t l A 卣．B 点． C , 0 特征r 枷q 微观构型 图1 4 高岭石在单轴压缩状态下的微观变形和破坏过程 F i g ．1 4 D e f o r m a t i o na n df a i l u r ep r o c e s s e so fk a o l i n i t eu n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o ns t a t e s 的实验结果分析，发现深部砂岩应力一应变曲线中 具有长短不一的“平台”特征，且模拟深度越小， “平台”长度越短，甚至趋近于消失[ 3 4 1 图1 7 ，图 1 7 中，占．为轴向应变；盯“为峰值强度；盯。为残余 强度；o r 。。。川为围压卸载后的最终围压值。在同一 D l j 模拟深度、不同应力路径下，真三轴条件下的砂岩 峰值强度演化特征‘3 3 1 为o r ‘_ _ n O r m O r 。1 3 图18 ， o r “，，O r d ，，盯d 、分别为应力路径1 ，2 ，3 下砂岩峰值 强度值。同一应力路径、不同模拟深度下，真三轴 条件下的砂岩峰值强度随模拟深度的增加而不断 万方数据 第3 期何满潮深部建井力学研究进展 7 3 5 口 凸_ o ．R t 、j 三 啊 山 o o ．- - z T ，“ “ 啊霄仃“ 钉霄玎“ 订竹竹册 。．．。⋯．’。‘”、‘‘，⋯“- ． ’7 玎订打仃盯疗付H n 订仃r r 什删 ⋯⋯⋯●●1 ．‘●●‘●‘⋯●⋯●●●● 霄“ 口打玎仃 T 玎竹”“ 竹“ 仃朋 ⋯●⋯●●⋯．．．．●●‘⋯●⋯●⋯ 订”什珏对竹玎竹打H 竹”盯玎佣 ，计“ 站订盯竹”玎件仃付仃盯删 ⋯●●●●●⋯●⋯●’■⋯●●⋯⋯■■● 打仃玎H 仃玎竹打竹“ 仃仃“ 盯，m 订n 打“ t 彳t ，玎玎玎盯玎n ””，’’， w 玎耵玎打玎付玎玎竹竹打打盯棚 ●●，⋯●●●●．．⋯⋯⋯●●●’”●● B 点 特征点的微观构型 B t j ．C ￡ 特征点的微观构型 B 熄c 特征点的微观构型 图1 5高岭石在剪切状态下的微观变形和破坏过程 F i g ．1 5 D e f o r m a t i o na n df a i l u r ep r o c e s s e so fk a u l i n i t eu n d e rs h e a rs t a t e s a 深部软岩与水村{ 互作川智能测试系统 b 吸水前微观结构 C 吸水后微观缶l i g J 0 2 0 0 ．1 5 摹 甜01 0 妥 釜 0 ．0 5 O5 01 0 015 02 0 02 5 03 0 0 时间／h d 吸水率与时问变化曲线 O ．0 1 6 o00 1 4 二0 ．0 1 2 喜0 ．0 1 0 喜o ．0 0 8 壁O0 0 6 4 ’ - - O ．0 0 4 礤00 0 2 0 图1 6 深部建井岩体与水相互作用软化效应典型实验 F i g ．1 6T y p i c a le x p e r i m e n to ns o f t e n i n ge f f e c to fi n t e r a c t i o nb e t w e e nr o e km a s sa n dw a t e I ’i nd e e pw e l lc o n s t r u c t i o n 增大。研究获得了砂岩变形全过程能量演化规 律1 35 。 图1 9 中，U ，为总输人能密度；U 。为弹性能 密度；U 。，为耗散能密度；U 。，为弹性能密度峰值 ， 平台处能量发生突变；真三轴不同应力路径条件 下，M o g i - C o u l o m b 强度准则更适合描述深部岩石 的破坏强度特性。3 6 。 图2 0 中，7 - 。。为八面体剪应 力；盯。为有效中问主应力；盯。，盯，o r ，分别为最 大主应力、中问主应力、最小主应力；，，，t ，分别为 应力第一不变量，应力偏量第二不变量 。 1 ．4深部建井大变形灾害机理 1 ．4 ．1 深部井巷非对称大变形破坏机理 针对深部建井岩体结构各向异性引起的大变 繁纛 ．器}ppppPPpPpPg，pRBbppPppcn夸龋鞋鞋”M”聚鞋挺鞋 鼍r￡套套R扛蚤pp若 受矗RRRRRRRR矗RR套RRRRRRRR莨‘leRR-nRRS}ppppR再Ic赛‘o‘‘6％‘冉≈t毫qR‘‘ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．L ⋯ 戡 赢一 m 孔粥软 ∽ 万方数据 7 3 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 ￡／1 0 2 a H 10 0 0n l 6 4 6 0 山 芝5 6 、 b 5 2 4 8 4 4 s ／l O 二 b H I5 0 0 i n 0 ．0 8 0 ．1 6 0 ．2 4O ．3 20 ．4 0 0 ．4 805 606 4 s ／l O l 一一一一一一一一一一～一一一一一一一一一一一一一一一一_ J c H 20 0 0 I n 图1 7 假三轴条件下深部砂岩应力一应变曲线 F i g ．17 S t r e s s s t r a i nC H I V E So fd e e ps a n d s t o n eu n d e rt r i a x i a lc o n d i t i o n ￡／1 0 2 a 1 胙10 0 0 m ￡／I O c H 20 0 0 1 1 1 图1 8真三轴条件下深部砂岩应力一应变曲线 F i g ．18 S t r e s s s t r a i nc u r v e so fd e e ps a n d s t o n eu n d e rt r e et r i a x i a lc o n d i t i o n 形破坏结构效应，通过物理模型实验，得到了不同 倾斜岩层、不同断面形状深井巷道大变形破坏过 程中的能量变化红外特征。”。 图2 1 ，从宏观层面 揭示了由红外图像表征的岩体结构效应变形破坏 特征及其机理。针对深埋巷道开挖卸荷过程中， 由于围岩结构各向异性引起的围岩应力场、位移 场不均匀演化问题，进一步通过数值试验，得到不 同岩层倾角、不同断面形状的巷道围岩应力演化 规律一剐 图2 2 ，通过围岩结构不同状态下的应力 应变集中程度，判断其发生破坏的潜在部位，揭示 巷道关键部位的产生机理。 蔫姿 萼0 萎 1 ．4 ．2 深部高应力岩爆灾害机理 针对深部建井岩体与高应力场相互作用的大变 形力学特性，利用自主研发的深部建井岩体岩爆力学 实验系统 图2 3 ，成功模拟再现了多面卸载岩爆的 过程 图2 4 ”。4 ”4 。在此基础上，开展了不同长短轴 比的椭圆形井筒 巷道 冲击岩爆实验研究 图2 5 ， 2 6 ，图2 6 中，o r 。为水平左右方向应力；o r 。为垂直方 向应力；o r 。为水平前后方向应力。根据实验结果分 析，可将冲击岩爆过程分为3 个阶段I 为三向静应 力加载达到初始地应力水平阶段；Ⅱ为应力保持阶 段；m 为施加动力扰动阶段。其中阶段I 又可以细分 鲫∞∞加∞∞∞∞加Do 万方数据 第3 期何满潮深部建外力学研究进展 7 3 7 ≈ 厶 至 ＼_ b 山 茎 ＼ b O0 20 ．40 ．60 ．81 ．O1 ．21 ．41 ．6 ￡／1 0 2 a 1 肛10 0 0 m 0 ．4081 ．2l62 ．02 ．4 ￡／1 0 二 b H 15 0 0 m 1 3 0 1 1 0 9 0 日