深部采矿岩石力学进展

随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积聚释放规律等均发生了显著变化。针对深部采矿中的岩石力学问题,论述了笔者及团队在深部采煤方法、深部巷道破坏机理与围岩控制、深井热害与地热利用三大方向取得的进展,主要包括:(1)提出了平衡开采理论和实现平衡开采的110/N00工法,进行了千米深井现场工程应用;(2)构建了深部“非均压建井”模式,研发了实现深井稳定提升的SAP系统,形成了可大幅简化井巷工程量和提高矿井采出率的建井方法;(3)研发了多套适用于研究深部岩体在水、高温、高压、结构效应及多场耦合作用下发生宏观破坏的实验系统和可进行微观层面演算的超算系统,揭示了深部软岩大变形破坏机理及多尺度力学特性;(4)研制了深部岩体冲击型和应变型岩爆实验系统,阐述了深部岩体冲击能量沿开挖临空面瞬间释放的非线性动力学行为;(5)提出了深部巷道开挖补偿支护理论,进一步发展了具有高恒阻、高延伸率、强吸能和耐冲击超常力学特性的NPR支护材料和技术;(6)研发了模拟深部高温、高湿和高压环境下的岩体热力学实验系统,提出了热害治理和热能资源化利用方法,建立了深部热害治理与热能综合利用系统(HEMS)。相关研究成果已在深部开采领域得以应用,可为深部采矿面临的复杂岩石力学问题提供借鉴。

深部矿山不同埋藏深度岩石拉压力学特性试验研究

岩石的物理力学特性随埋藏深度增大会发生变化。本文以云南某矿山900~1200 m深度范围内4个不同埋藏深度的矿体上下盘围岩(灰质白云岩)为研究对象,开展了不同含水条件下(自然状态和饱水状态)的单轴压缩和巴西劈裂试验,探明深部岩石力学基本物理力学特性随埋深的变化规律。研究结果表明:在研究的深度范围内,岩石基本物理成分组成及结构相似,随着岩石埋藏深度的增加,岩石试样的密度、纵波波速、单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量等均略微增大,而泊松比呈先增大后减小的趋势。含水条件对岩石的力学特性影响显著,不同埋藏深度的岩石试样进行饱水处理后其抗压强度、抗拉强度和弹性模量均明显减小,泊松比显著增大,其中岩石单轴抗压强度对水的敏感性高于其他参数对水的敏感性,各参数对水的敏感性排序为:抗压强度>弹性模量>泊松比>抗拉强度。本研究很好地揭示了深部矿山不同埋藏深度围岩的拉压力学特性变化规律。

深井松软围岩煤巷采动增跨效应及防控技术

针对深井松软煤巷围岩变形严重、巷道支护困难等问题,以城郊煤矿LW21106工作面沿空巷道为工程背景,建立了采动巷道增跨模型,揭示了采动增跨效应演化机理。通过构建巷道顶板横纵弯曲梁模型,指出顶板横向受力、巷道等效跨度、煤岩强度是巷道围岩损伤破坏的主控因素,提出了采动增跨效应防控对策并进行工业性试验。研究结果表明:受采动影响,巷道经历“初始围岩稳定—围岩裂隙发育扩展—围岩剪切破坏加剧—等效跨度增加”过程;巷道顶板最大正应力与应力集中系数、顶板等效跨度、巷道断面尺寸及埋深成正相关关系;巷道顶板在高应力环境下易发生拉剪破坏,增加顶板锚索数量以及锚索预紧力有利于增强顶板初期完整性。基于巷道变形破坏主控因素,提出“围岩加固–卸压–强化支护”协同防控策略;针对现场条件,采用煤柱侧向切顶+注浆加固并对破碎区域补充锚索强化支护的防控技术。现场监测结果表明,煤柱帮最大移近量为18.89cm,顶板下沉量为25.86cm,两帮移近量为29.65 cm,有效控制了煤巷围岩变形,为深井松软围岩巷道变形控制提供了参考。

矿震与冲击地压防治研究进展

矿震与冲击地压是采矿领域亟待解决的热点、难点和瓶颈问题,为了有效控制矿震与冲击地压,综述矿震定义与分类、矿压假说及矿震与冲击地压防治技术,回顾切顶卸压理论及其在中厚金矿采空区处理与卸压开采、中厚及以下煤矿沿空留巷中的应用,并比较其与110工法的差异。据此,给出矿震定义,指出矿震与冲击地压发生的条件类似,针对厚矿体开采提出深埋坚硬顶板控制爆破切槽放顶技术。研究表明:控制爆破切槽放顶技术仍然是未来矿震与冲击地压防治中释放并转移高地压的主要方法,它还可将深埋厚矿体的“砌体梁”简化成弹簧岩梁承载体系。

黄金矿山深井开采研究进展与发展趋势

详细阐述了黄金矿山深井开采国内外研究现状及所面临的技术难题,围绕采动岩石力学理论、岩体结构识别与岩体质量分级、矿山三维工程灾害建模、深部采矿设计方法研究、深部采场爆破落矿技术、采动地压调控、采动地压监测、自承载主动释压支护技术、深部采动对地表岩移影响、通风降温技术、智能开采技术、超深竖井建设等展开了详细的讨论与分析;对于黄金矿山非爆采矿机器人研制、采动岩石力学、深部采动地压灾害防控、深井降温技术、超深竖井建设、基于采动地压均衡的深部连续智能化开采技术等方面的未来发展趋势提出了展望,为黄金矿山深井开采的系统研究提供参考依据。

采动力学与岩层控制关键理论及工程应用

研究岩体采动力学响应和岩层控制技术对促进煤炭安全高效开采、保障能源稳定供给具有重要意义,是实现煤炭资源科学开采的理论基础。矿山岩体灾害(围岩变形、冲击地压等)频发,其形成-演化-发生全过程与采动力演化分布、岩层运动、开采扰动和能量演化密切相关。基于实用矿山压力控制理论,提出并阐述了采场岩层控制进展与控制准则,建立了定量分析的力学模型和设计方法,发展了针对性的岩体灾害控制技术,并创新研制了配套试验研究装备。采动力学与岩层控制理论将岩层控制分为采场岩层控制和巷道围岩控制;提出控制或利用采动岩层运动改变致灾条件,给出“给定变形”和“限定变形”准则;调控“3S”因素准则(围岩应力环境、围岩结构属性、围岩支护结构)改变围岩自稳能力。以岩体灾害控制为目标,提出了以“应力主控”为核心的释能主控技术;建立了岩体灾害控制大小原理和弱面判据(安全系数K、冲击危险性系数U);研发了采场矿压机械模拟试验系统、采动力试验系统和蠕变及动力扰动冲击加载试验系统,实现了实验室尺度还原采动力作用下岩体变形-破裂-运动过程,为研究采动力作用下岩体力学响应提供了试验装备;分别从采场岩层控制、地质软岩巷道控制、工程软岩巷道控制及冲击地压控制4个方向进行了工程案例研究,相关研究成果在工程应用中得到了验证。

王家岭煤矿综放工作面上覆岩层运动规律及卸压区瓦斯抽采试验研究

为实现低瓦斯高涌出矿井综放工作面安全高效开采,以王家岭煤矿为背景,结合物理相似模拟实验、UDEC数值模拟和微震监测,系统分析了王家岭煤矿综放工作面上覆岩层运动规律,在此基础上,开展了现场卸压区瓦斯抽采试验。研究结果表明:随工作面推进,煤层顶板上覆岩层垮落高度距煤层底板距离增大,离层裂隙距顶板距离增大,空洞高度减小;采空区两侧瓦斯运移通道的裂隙多于压实区的裂隙。初次来压前,采空区垂直应力随工作面的推进而降低;初次来压后,采空区垂直应力随工作面的推进而增大。在进、回风巷顶板,煤层、采空区顶底板共发生2 572个微震事件,工作面前方50 m范围内应力集中较大,应注意超前支护防范。12301工作面周期来压步距20~26 m,采动裂缝带高度90~110 m,周期来压4~6次。现场卸压区瓦斯抽采试验中,合理层位工作面瓦斯抽采量是其他层位工作面瓦斯抽采量的1.5倍,且工作面上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,瓦斯治理效果显著。

某矿山断层附近采场地下开采对上覆岩层内井巷工程采动影响分析

某矿山矿围岩稳固性好,矿体厚度较厚,矿体埋藏很深。为了实现该矿山185中段F3断层附近的矿体安全回采,同时确保采场顶板上覆岩层内井巷工程的安全稳定,依据断层附近的矿体赋存条件、顶底板围岩岩性特征、地质构造与上覆岩层结构特征,构建了地表与井下采场的三维数值计算模型,采用FLAC^(3D)有限差分法来模拟地下开采在断层影响作用下对上覆岩层内井巷工程稳定性的影响分析,同时计算分析了地下矿体逐段开挖、逐段充填对保安矿柱及地表稳定性的影响。通过模拟计算结果表明:该岩层移动是一个自下而上传递的动态过程,断层附近矿体的开采通过采取设置10 m宽采场间柱和矿房之间采用“跳采”方式开挖后,大大缩短了采场空区的跨度,控制了断层附近的采场地压,并未引起采场顶板产生过多的塑性扰动区,上覆岩层产生的塑性扰动区范围非常有限,并未波及到采场顶板上部井巷工程,实现矿体顺利回采和上覆岩层内井巷工程的整体安全稳定。本文研究结果为深部矿体安全高效回采、采场地压管理和控制上覆岩层安全稳定提供了理论决策依据和技术指导。

煤炭开采等地下工程问题的数字岩石力学解决方案

煤炭开采等地下工程的可观测性极为有限,导致很多复杂的工程问题难以获得可靠的事前分析依据,尤其在面临深部作业和高强度开采所带来的全新工程环境时,现有理论体系和技术方案的适用性面临着严峻的挑战。基于数字化时代的技术发展特点,提出了融合数据规律、力学逻辑和工程经验的数字岩石力学解决方案;充分利用工程数据中包含着真实工程规律的客观特点,建立了理论成果、工程经验与数据规律挖掘进行底层融合的具体模式;借助煤岩物理力学参数无损推断场景,验证了上述技术路径的可行性,实现了兼具可靠性和可解释性的数据挖掘利用。进一步构建了以煤岩物性、矿井结构和空间应力为基本要素的数字岩石力学理论体系,提出了以“工程素描—物理嵌入—业务融合—决策生成”为步骤的数字岩石力学地下工程通用作业模式,并通过在复杂工程现场的应用检验了数字岩石力学解决方案的可靠性,为煤炭开采等地下工程的数字化转型、智能化升级提供了切实可行的实现路径。

岩石力学实验室信息管理系统的研发与应用

根据采矿工程专业岩石力学实验室的具体特点,提出一种以浏览器/服务器(B/S)为主、客户端/服务器(C/S)为辅实验室信息管理系统(LIMS)架构,开发一套集人员、设备、耗材、试样加工和财务等信息管理以及统计报表等功能于一体的专业实验室信息管理系统,实现实验室人员信息以及设备和材料采购、入库、报销等全流程的云端化管理。该系统契合岩石力学实验室的专业需求、操作简单、运行稳定,实现了实验室信息管理的专业化、系统化,显著提高了实验室的工作效率,优化了管理流程,降低了管理成本;设备和试验项目得到有效管控,试验数据得以规范化管理,为科研工作提供了强有力支撑。该系统的研发和应用推进了岩石力学实验室的信息化建设,对加强实验室的精细化管理,提升实验室的管理服务水平。

瞬变电磁法在煤矿灾害勘察评价的应用案例分析

为进一步明确某现状矿区内易发生地下水危害的区域,采用瞬变电磁法对煤矿地下环境进行勘察,勘察结果表明矿区内可能存在一含水构造带,该构造带纵向基本贯穿标高550~-200 m,可能会对采空区或者巷道的开发使用带来危害。此外在瞬变电磁法对矿区进行勘察时,采空区往往表现为低阻包围着的中高阻特征,而含水裂隙往往表现为低阻特征。本文研究内容对于指导后续矿产资源的开发具有一定指导意义。

矿用锚索腐蚀程度对其力学性能影响特征数值模拟研究

由高强度低松弛预紧力钢绞线制成的矿用锚索与树脂胶结合可提供强大预应力,加固巷道围岩和顶板破碎煤层,但在顶板淋水条件下,锚索自由段相比锚固段更易发生材料腐蚀致断裂失效显现。通过理论分析明晰了受腐蚀锚索自由段在拉伸作用下裂纹扩展致断裂机制,结合实验室试验与数值模拟探寻了矿用锚索在高矿化度矿井水淋水环境下腐蚀断裂特征,及蚀坑深度、表面腐蚀率与锚索自由段延伸率、极限载荷的相关性。研究结果表明:锚索自由段在拉伸作用下受环境因素影响表面产生蚀坑后,在蚀坑尖端出现应力集中,并衍生呈裂纹扩展致脆性断裂,其延伸率与蚀坑深度成负相关;锚索极限载荷降低的主要影响因素为腐蚀率,其与腐蚀率成负相关;锚索自由段腐蚀程度为30%,表面蚀坑深度小于0.5 mm时, 19股结构锚索承载力优于相同直径的7股锚索;蚀坑深度大于0.5 mm时, 7股结构锚索承载力实现反超。

露天矿高陡复杂边坡软弱岩层组“坐落-滑移式”破坏模式研究

边坡稳定性问题随露天矿开采的进行不断突出,而边坡软弱岩层严重影响边坡稳定性。大量工程实例显示,露天矿含软弱岩层组的高陡复杂边坡失稳模式通常为“坐落-滑移式”破坏。为明晰露天矿高陡复杂边坡软弱岩层组“坐落-滑移式”破坏模式的破坏机理,以某露天矿为例,提出一种针对露天矿含软弱岩层组高陡复杂边坡的综合分析方法。研究结果表明:采用工程地质分析、传统极限平衡方法和数值模拟分析相结合的综合分析方法,针对该类型复杂边坡可发挥不同分析方法的优势,较全面地从地质自然环境条件、定性定量方面、应力应变角度分析边坡破坏机理及模式,总结归纳出含软弱层组露天矿高陡复杂边坡“坐落-滑移式”破坏的“坐落-滑移-剪出”三段式破坏特征,为其他类似复杂边坡稳定性的分析和防治提供思路和手段。

巷道蝶形破坏强度准则低敏感性研究及工程应用

巷道围岩的塑性区形态对巷道的破坏形式及破坏程度有重要影响。为探究三向应力场下塑性区形态演化过程,基于弹性力学推导了轴向应力表达式,并依据蝶形塑性区边界方程求解思路,确定了三维强度准则下三向塑性区近似解的求解方法。通过等球应力p、等偏应力q以及不同Lode角θσ来确定围岩应力加载方案,对不同三维强度准则下的围岩塑性区形态演化规律进行深入研究,论证了蝶形破坏的准则低敏感性。基于蝶形破坏理论对羊场湾160206回风巷道的非对称变形破坏机制及控制技术进行深入分析。研究结果表明:(1)在相同p、q及不同θσ的应力加载条件下,5种强度准则下的塑性区形态均呈现圆形、类椭圆及蝶形的演化规律,且每种强度准则在相同θσ的情况下围岩的塑性区形态基本一致。(2)相同应力大小、不同应力方向的加载方案下,围岩的塑性区形态大不相同。圆巷围岩的塑性区形态很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压对围岩的塑性区尺寸影响较大,对塑性区形态影响较小。(3)羊场湾160206回风巷道在叠加采动影响下顶板呈现非对称大变形破坏,基于蝶形塑性区支护思路,应用非对称锚杆索+超前单元支架+钻孔卸压的协同支护技术,取得了良好的支护效果。

我国盐穴资源评价及调查技术研究

在“双碳”目标大背景下,盐穴是实现地质储能、碳封存的重要方式之一,但我国盐穴资源数量、质量不明,盐穴调查技术体系不完善,严重制约盐穴资源开发利用。通过分析我国主要盐矿区地质勘探报告、储量核实报告、企业年报及文献报道等,形成了我国盐穴资源数量、可利用性的科学认识和基本判断;在盐穴集中区开展综合探测技术试验并结合前人试验成果,初步构建了盐穴资源调查技术体系。结果表明:(1)我国盐穴资源丰富,储量大、分布广、埋深适宜、具备规模化开发利用条件,其中华东和华中地区已有盐穴资源最为丰富。(2)通过建立盐穴资源可利用性评价体系,将全国盐穴资源分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3级,Ⅰ级已有盐穴资源占比约29.4%,主要分布在华东、华中地区的江苏、湖北、河南等省份,是开发利用的优选区;Ⅱ级已有盐穴资源占比约65.4%,广泛分布于华中、西北和西南地区,可作为开发利用远景区;Ⅲ级已有盐穴资源占比约5.2%,整体地质条件不适宜开发利用。(3)地面物探可查明盐矿区区域地质、盐层地质、水文地质及盐腔分布情况,指导盐穴建库选址;井中物探精度高,可获取盐矿品味、腔体结构等信息,服务储库建设及运行监测。研究结果可为我国盐穴资源规划及开发提供基础数据和技术支撑。

金属矿山深部硬岩矿床非爆连续采矿技术及应用

随着我国矿产资源需求的不断攀升及浅层矿产资源的日益枯竭,向深部拓展开采新的矿产资源已成为必然的趋势。首先,针对传统的凿岩爆破工艺在深部开采中面临的诸多挑战,阐述了深部硬岩矿床非爆连续采矿技术及装备。然后,以某深部硬岩矿山为例,详细介绍了非爆连续采矿技术的应用实践,并展示了所带来的积极成效,为深部硬岩矿床非爆连续开采提供案例借鉴;最后,基于实践经验,结合人工智能等前沿技术,提出了矿石制浆与水力输送技术,有望为深井矿石的提升提供一种更为高效、环保的解决方案,进一步优化和提升深部矿山的开采效率和安全性。

伊阿铁路霍拉山越岭段工程地质遥感解译与分析

伊阿铁路霍拉山越岭段地形切割强烈、地质环境复杂,部分区域为无人区,道路不便,现场勘察工作难度极大。本文利用多源遥感数据,通过对越岭段区域的断裂构造、不良地质、煤炭采空区等开展全面的解译提取分析,准确获取各类地质要素发育的位置、规模、展布形态等关键信息。结合重点区现场勘察,提出线路需尽量大角度垂直穿越区内NWW—近EW向断裂延伸区,合理避让连续危岩落石区、大型滑坡体,绕避或采用隧道工程通过风蚀垅岗、风蚀残丘地貌区,远离煤炭采空区以及由其引起的塌陷区等重要参考意见和建议。研究成果可有力支撑现场勘察以及线路方案的比选确定工作,充分发挥遥感技术独特的“天眼”优势,具有重要的理论以及实际意义。

铅锌矿废石产酸潜力及模拟强酸雨环境下重金属淋溶规律分析

这是一篇矿山生态修复领域的论文。矿山开发过程中不可避免产生大量废石,废石中重金属元素在风化、淋溶等作用下释放,将对矿区周边水土环境质量产生影响。为了研究某铅锌矿废石重金属元素淋溶规律,分析了该废石的化学组成和产酸潜力。模拟强酸雨环境下,分析了废石中重金属元素溶出率及淋溶前后废石的矿物组成。结果表明:该废石中重金属Cu、Pb、Zn、Cd、As元素无独立矿物,在废石中分散赋存;废石酸中和能力较高,净产酸量NAG为0 kg H_(2)SO_(4)/t,无产酸潜力。在模拟强酸雨淋溶实验中,淋出液pH值均呈弱碱性,这与废石含较多的碱性矿物有关,废石具有一定的酸缓冲能力;第1轮淋溶过程Cu、Pb、Zn、Cd、As元素随淋溶时间延长累积溶出率逐渐升高;第2轮淋溶2周期后Cu、Pb、Zn、Cd元素累积溶出率趋于稳定,后续基本不溶出;As元素累积溶出率随淋溶时间延长而升高;总体而言,废石中重金属溶出率低。废石淋溶前后矿物成分不变,矿物含量略有变化。本文可为矿山废石堆场管理及其周边重金属污染防治提供依据。

露天矿顺倾软岩边坡内排追踪压帮治理工程——以贺斯格乌拉南露天煤矿首采区南帮为例

软岩露天煤矿实现安全高效开采的重点是边坡稳定。为解决露天矿顺倾软岩边坡稳定性治理难题,在分析边坡稳定性主控因素的基础上,提出了露天矿顺倾软岩边坡内排追踪压帮治理工程。以贺斯格乌拉南露天煤矿首采区南帮为工程背景,兼顾采场与内排土场边坡稳定性,采用极限平衡法和数值模拟相结合的手段,设计了采场边坡的空间形态,提出了采场与内排土场边坡协同治理方案,可最大限度地安全回收边坡压覆煤炭资源。研究结果表明:弱层暴露长度是露天矿顺倾软岩边坡稳定性的主控因素,控制采场与内排土场间的追踪距离是改善边坡稳定性的有效途径;随着追踪距离的增加,边坡破坏模式从以圆弧为侧界面、弱层为底界面的切层-顺层-剪出滑动逐渐过渡为以圆弧为侧界面、弱层为底界面的切层-顺层滑动,边坡稳定性逐渐下降;内排土场及其与采场构成的复合边坡稳定性随破坏底板弱层回填岩石范围的增大呈指数函数规律提高;贺斯格乌拉南露天煤矿首采区南帮浅部边坡留设40 m运输平盘、15 m保安平盘,底帮深部边坡角29°,追踪距离控制在50 m之内时可满足安全要求;内排土场基底弱层完全破坏并回填岩石倾向长度60 m时可满足安全要求。研究成果为软岩露天煤矿边坡稳定性治理提供了新思路。

鄂西磷矿岩爆现状及治理措施研究

针对鄂西磷矿,在深入调查苏家坡磷矿、麻坪磷矿、桃郁溪磷矿等矿山地质特征及岩爆现象的基础上,分析了鄂西磷矿岩爆灾害主要发生部位、埋深及岩性等影响因素,提出了适合鄂西磷矿岩爆的治理措施:对鄂西地下磷矿进行地应力测试,根据地应力测试结果,优化回采顺序,减少应力集中区域,并在局部区域开展卸压和支护措施,保障井下安全开采。