煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术

采用现场大规模地质调查与试验监测、实验室岩石力学试验、数值模拟和理论分析等综合研究方法,系统地研究了淮南矿区深部岩巷围岩的复杂赋存条件,提出了深部岩巷围岩分类标准体系。分析了其在高地应力、高渗透压力和高温度梯度("三高")耦合作用下的变形破裂机理和稳定性演化规律,在此基础上提出了基于"应力状态恢复改善、围岩增强、破裂固结与损伤修复、应力转移与承载圈扩大"4项基本原则的深部岩巷围岩稳定控制理论,提出了针对各类围岩进行深部岩巷围岩稳定控制的技术措施体系及分步联合支护理念,总结形成了淮南矿区深部岩巷围岩稳定与施工安全控制的成套技术。

南水北调西线一期工程的工程地质和岩石力学问题

南水北调西线一期工程由“四坝、二堰、七洞”组成,年调水量40×108 m3。工程的最大难点在于深埋长隧洞的勘察、设计与施工。工程地质条件相对复杂,枢纽的建坝地质条件较好,块石料满足要求,库区淹没损失小。隧洞区的主要岩石类型为三叠纪的砂岩和板岩,局部出露有灰岩和岩浆岩。深埋长隧洞存在着诸多复杂的工程地质和岩石力学问题,但在目前的经济技术条件下是可以解决的,不存在制约西线工程实施的技术难关和地质条件。

深部原位岩石力学研究进展

深部原位岩石力学理论研究是深部资源开发与深地科学发展的重要基础,传统岩石力学理论大多基于室内岩样的试验数据,难以考虑深部原位赋存环境与工程扰动的影响,使深部工程活动存在一定盲目性和低效性。从深部原位岩石力学的概念和工程角度出发,提出了深部原位保真取心原理与技术、工程尺度原位监测理论与方法以及实验室尺度原位模拟深部工程活动等三个主要研究方向。重点以千米深井煤矿原位岩石力学研究为例,分析了深部煤矿保压保瓦斯取心装备与技术的核心与关键,总结了工程尺度原位采动应力—裂隙时空演化规律,探索了实验室尺度真三轴原位开采扰动模拟下岩石力学行为与破断特征。

深部岩石原位“五保”取芯构想与研究进展

深部原位环境下岩体非线性行为更加凸显,现有岩石力学理论均是基于钻探获得的普通岩芯所测数据分析建立,忽略了不同深度原位环境(温度、渗透压力等)的影响,不再精准适用于深部资源开发。提出深部岩石原位保压、保温、保质、保光、保湿,即"五保"取芯构想,形成深部岩石原位"五保"取芯的原理、技术和实施方案。基于牟合方盖几何原理,采用数值仿真与物理测试,研发了深部岩石原位自触发保压控制技术,关键部件保压取芯能力达到100 MPa;创新主动保温与被动保温相结合的新型深部岩石原位保温取芯技术,室内初步实现了温度-8.8℃~100.0℃的高精度保持;提出了交联固化密封膜原理与方法,A,B两液反应形成具有阻隔性能的高分子薄膜,在实验室初步实现岩芯的保质、保湿、保光。研究结果能够为研究不同深度原位环境下岩石物理力学差异性特征新规律、构建深部原位岩石力学新理论体系、提升深部资源获取能力以及探索地球深部新奥秘提供支撑。

深层页岩在高水平应力差作用下压裂裂缝形态实验研究

针对高水平地应力差下的深层页岩开展真三轴水力压裂物模实验,分析其裂缝形态和影响因素。实验结果表明:高水平地应力差下水力裂缝沿垂直最小主应力方向起裂并扩展成横切缝,受层理和天然裂缝的影响会发生穿透、沟通或转向行为,深层页岩裂缝形态可以分为4种:单一横切缝、伴随层理开启的多横切缝网,转向缝网和受天然裂缝影响的复杂缝网;水平地应力差的增大会增加水力裂缝的穿透能力;起裂压力越大,裂缝形态越复杂;先注入高黏度压裂液可以形成水平主缝,之后注入低黏度压裂液造分支缝,可以有效提升深层页岩改造体积。该实验结果可以为深层页岩压裂方案设计提供参考。

深部原位岩石力学构想与初步探索

深部资源开发的基础是研究深地科学规律,关键是探明不同赋存深度原位环境对岩石物理力学行为影响的差异性规律。适用于浅部资源开采的岩石力学实验与理论研究很难充分考虑不同深度原位赋存环境对岩石物理力学特征和工程的影响。提出"深部原位岩石力学"构想的定义和内涵,利用取自松科二井同一地质区域的10个不同深度(1 000~6 400 m)的岩芯研究了不同赋存深度下岩石力学行为的差异性变化特征,并提出了原位应力恢复重构方法近似模拟了不同深度原位应力对岩石力学参数的影响规律。不同深度岩石的单轴压缩实验表明岩石力学参数随深度呈现明显的非线性变化,不能假设为常数。考虑不同深度地应力影响的常规三轴实验表明赋存地应力使得不同深度岩石的力学参数差异性增大,且力学参数随深度的非线性变化规律与单轴压缩条件下显著不同。模拟不同深度原位应力影响的原位应力恢复重构实验结果显示在不同赋存深度原位应力影响下岩石力学参数均随深度增加呈现更加显著的非线性变化;模拟不同深度原位应力影响的应力恢复重构实验的岩石弹性模量和峰值强度均比考虑不同深度地应力影响的常规三轴实验结果大且与深度之间的关系为对数函数,峰后应变软化变形特征更加凸显;特别是深度超过4 800 m后,不同赋存深度原位应力影响下岩石泊松比、应变硬化模量、峰后跌落模量的差异性特征更加明显。该研究将为探索深地科学规律、提升深部资源获取能力提供支撑。