煤礦深部巖巷穩(wěn)定控制理論與支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用

前言

近年來，國內(nèi)中東部地區(qū)主要國有煤礦相繼進(jìn)入800～1000m的深部開采階段。深部開采面臨瓦斯、地壓、地溫治理的三大技術(shù)難題。通過多年的技術(shù)攻關(guān)，目前對威脅煤礦開采安全的災(zāi)害氣體“瓦斯”已經(jīng)探索出了比較好的治理對策，而且在瓦斯的資源化利用方面也取得了重大技術(shù)進(jìn)展。可以預(yù)見，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在不久的將來瓦斯治理將不再是困擾煤礦安全生產(chǎn)的主要技術(shù)難題。而隨著開采深度的不斷增大，地壓和地溫的顯現(xiàn)越來越突出，而且將會是長期困擾我國煤炭生產(chǎn)的技術(shù)難題。在瓦斯、地壓、地溫治理的三大技術(shù)難題中，深部巖巷開挖支護(hù)面臨地壓和地溫治理兩大技術(shù)難題和三大技術(shù)挑戰(zhàn)。一是高地壓（即高地應(yīng)力）的作用。由于地應(yīng)力升高，導(dǎo)致深部圍巖在強(qiáng)度和變形性質(zhì)上與淺部顯著不同。淺部圍巖大多處于彈性狀態(tài)，進(jìn)入深部以后，由于圍巖內(nèi)賦存的高地應(yīng)力與其本身低強(qiáng)度之間的突出矛盾，巷道開挖后二次應(yīng)力場引起的高度應(yīng)力集中導(dǎo)致近表圍巖受到的壓剪應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度，圍巖很快由表及里進(jìn)入破裂碎脹和塑性擴(kuò)容狀態(tài)，出現(xiàn)大變形而整體失穩(wěn)。二是高地溫（主要是開挖擾動區(qū)內(nèi)的高溫度梯度）的作用。隨著深度增加，地溫升高，巷道開挖后，由于通風(fēng)在距離巷道表面一定深度圍巖內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度和附加應(yīng)力，使圍巖產(chǎn)生離層，對圍巖破裂擴(kuò)展帶來不可忽視的影響。如果考慮季節(jié)性的溫度變化造成的損傷累積對圍巖離層的影響，圍巖的破裂擴(kuò)展程度將更為加劇。截至目前，人們對這一點(diǎn)尚未引起足夠的重視，因此，需要進(jìn)行深入的研究。

內(nèi)容概要

本書全面系統(tǒng)地介紹了作者課題組近年來在煤礦深部巖巷穩(wěn)定控制理論與支護(hù)技術(shù)方面的研究成果。首先從深部圍巖賦存條件入手，揭示了深部圍巖的地質(zhì)條件特征、地應(yīng)力場特征及物理力學(xué)性質(zhì)特征，首次提出了深部巖巷圍巖穩(wěn)定性分級體系；其次通過物理模擬和數(shù)值模擬兩方面的研究，揭示了深部圍巖變形破裂過程的演化機(jī)理，提出了開挖卸荷過程的斷裂損傷理論和穩(wěn)定性演化的THM耦合作用理論；然后根據(jù)穩(wěn)定性演化機(jī)理研究的成果，創(chuàng)造性地提出了深部巖巷穩(wěn)定控制理論及相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)措施；最后通過多個(gè)典型巷道工程的應(yīng)用證明了所提出的支護(hù)理論和技術(shù)的有效性和實(shí)用性。    本書可供從事深部地下工程穩(wěn)定性和煤礦深部巖巷穩(wěn)定控制理論與支護(hù)技術(shù)研究的專業(yè)人員及從事深部地下工程設(shè)計(jì)施工的工程技術(shù)人員參考，也可作為地下工程、礦井建設(shè)、采礦工程等專業(yè)的研究生教材。

書籍目錄

《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》序《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》編者的話前言  第1章  概述    1.1  研究背景    1.2  深部開拓面臨的科學(xué)技術(shù)難題    1.3  國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀      1.3.1  國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢      1.3.2  存在的問題    1.4  本書主要內(nèi)容第1篇  深部圍巖賦存條件特征研究  第2章  煤礦深部圍巖巖性條件特征    2.1  典型礦區(qū)深部圍巖地質(zhì)條件特征    2.2  典型礦區(qū)深部圍巖物理力學(xué)性質(zhì)      2.2.1  典型礦區(qū)深部巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究      2.2.2  典型巖性深部圍巖力學(xué)參數(shù)反演研究    2.3  小結(jié)  第3章  煤礦深部地應(yīng)力場研究    3.1  深部原巖應(yīng)力場的特點(diǎn)    3.2  典型礦區(qū)深部原巖應(yīng)力場測試研究      3.2.1  原巖應(yīng)力場測試方法簡介      3.2.2  典型測試結(jié)果    3.3  典型礦區(qū)深部地應(yīng)力場反演研究      3.3.1  初始地應(yīng)力場反演分析法的研究現(xiàn)狀      3.3.2  初始地應(yīng)力場回歸分析原理      3.3.3  初始地應(yīng)力場回歸分析數(shù)學(xué)模型      3.3.4  初始地應(yīng)力場多元線性回歸計(jì)算方法      3.3.5  淮南礦區(qū)地應(yīng)力場反演    3.4  小結(jié)  第4章  煤礦深部巖巷圍巖分級研究    4.1  概述    4.2  巷道圍巖分類方法現(xiàn)狀分析      4.2.1  單指標(biāo)分類法      4.2.2  多指標(biāo)分類法      4.2.3  多因素綜合單一指標(biāo)分類法    4.3  巷道圍巖分類方法評述      4.3.1  圍巖分類的理論基礎(chǔ)      4.3.2  存在的問題    4.4  煤礦深部巖巷圍巖分級體系研究    4.5  小結(jié)第2篇  深部巖巷穩(wěn)定性演化機(jī)理研究  第5章  深部巖巷穩(wěn)定性演化的物理模擬研究    5.1  概述    5.2  深部巖巷典型圍巖物理力學(xué)性質(zhì)模擬試驗(yàn)研究      5.2.1  模擬條件      5.2.2  相似材料研制    5.3  典型條件下深部巖巷穩(wěn)定性模擬試驗(yàn)研究      5.3.1  模型試驗(yàn)臺架      5.3.2  模型制作及元件埋設(shè)      5.3.3  模型試驗(yàn)    5.4  小結(jié)  第6章  深部巖巷圍巖穩(wěn)定性演化的數(shù)值模擬研究    6.1  深部巖巷圍巖變形破壞的機(jī)理      6.1.1  開挖卸荷過程分析的斷裂損傷理論      6.1.2  深部圍巖穩(wěn)定性演化的THM耦合作用理論      6.1.3  深部巖巷圍巖變形破壞的強(qiáng)度準(zhǔn)則    6.2  深部巖巷穩(wěn)定性分析軟件的開發(fā)      6.2.1  耦合程序基本原理      6.2.2  耦合程序開發(fā)    6.3  典型條件深部巖巷穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究      6.3.1  模擬條件      6.3.2  “三高”耦合作用下深部巖巷穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究      6.3.3  深部巖巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究    6.4  小結(jié)第3篇  深部巖巷穩(wěn)定控制理論與支護(hù)技術(shù)研究  第7章  深部巖巷穩(wěn)定控制理論與支護(hù)成套技術(shù)研究    7.1  概述    7.2  “三高”作用下深部巖巷圍巖的變形破裂機(jī)理      7.2.1  高地應(yīng)力作用下的變形破裂機(jī)理      7.2.2  高滲透壓力作用下的變形破裂機(jī)理      7.2.3  高溫度梯度作用下的變形破裂機(jī)理    7.3  深部巖巷穩(wěn)定控制理論    7.4  深部巖巷支護(hù)技術(shù)措施體系      7.4.1  圍巖應(yīng)力狀態(tài)恢復(fù)改善措施      7.4.2  圍巖增強(qiáng)與固結(jié)修復(fù)措施      7.4.3  應(yīng)力轉(zhuǎn)移與承載圈擴(kuò)大控制措施      7.4.4  分步聯(lián)合支護(hù)理念及其技術(shù)措施    7.5  深部巖巷支護(hù)成套技術(shù)      7.5.1  高預(yù)應(yīng)力超強(qiáng)錨噴支護(hù)技術(shù)      7.5.2  經(jīng)濟(jì)型高強(qiáng)高韌注漿材料技術(shù)      7.5.3  底臌治理技術(shù)      7.5.4  膨脹巖巷道支護(hù)技術(shù)      7.5.5  特殊破碎圍巖巷道施工安全控制技術(shù)    7.6  小結(jié)第4篇  工程應(yīng)用研究  第8章  工程應(yīng)用    8.1  深部Ⅱ級圍巖典型巷道工程應(yīng)用      8.1.1  淮南望峰崗井-817m水平軌道石門大巷      8.1.2  淮南謝橋礦-720m水平軌道石門    8.2  深部Ⅲ級圍巖典型巷道工程應(yīng)用      8.2.1  淮南謝-礦-780m水平13槽煤底板運(yùn)輸巷      8.2.2  淮南張集礦-650m水平東翼11-2采區(qū)膠帶機(jī)巷      8.2.3  淮南潘三礦-750m水平西翼8煤皮帶機(jī)石門      8.2.4  國投新集劉莊煤礦-745m西區(qū)制冷峒室    8.3  深部Ⅳ級圍巖典型巷道工程應(yīng)用      8.3.1  淮南顧北煤礦-648m南翼回風(fēng)大巷      8.3.2  平煤四礦-480m戊九采區(qū)軌道下山    8.4  深部V級圍巖典型巷道工程應(yīng)用(顧橋礦南翼軌道大巷地質(zhì)異常斷裂帶)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：使用逆算法時(shí)，需要推導(dǎo)與一般應(yīng)力分析所采用的方程相逆的表達(dá)式。由于將原有的方程進(jìn)行了反推，某些在作應(yīng)力分析時(shí)為未知的量，可以由相應(yīng)的量測得到數(shù)據(jù)，而另一些在應(yīng)力分析中為已知的量（如，彈性模量），將變成未知的。在大多數(shù)實(shí)際工程中，現(xiàn)場測量值數(shù)量超過了未知參數(shù)的個(gè)數(shù)，這將導(dǎo)致求解時(shí)方程數(shù)多于未知量個(gè)數(shù)，從而需要用合適的求極值技術(shù)來求解。逆算法是從推導(dǎo)用位移反求應(yīng)力的力學(xué)關(guān)系式人手。其優(yōu)點(diǎn)在于只需一次計(jì)算即可由位移測值反求出地應(yīng)力分量或彈性模量，因此，計(jì)算工作量較小，在最小二乘法意義下可以得到唯一確定的解。因此，櫻井法在地下工程的位移反分析實(shí)踐中應(yīng)用很廣，比較適合于大多數(shù)巖體的平面彈性問題反分析。但對于三維情況或者特殊的材料模式及其待定參數(shù)都必須重新推導(dǎo)，建立相應(yīng)的反算模式，其推導(dǎo)過程復(fù)雜，有些問題可能根本不能用方程式解出，因此，其應(yīng)用范圍也受到了很大限制。（2）直接法：又稱為正反分析法或正算法。直接法求解時(shí)，實(shí)測值與應(yīng)力場和力學(xué)參數(shù)的關(guān)系就直接利用一般固體力學(xué)公式，在求解時(shí)先假定一組參數(shù)（如，材料參數(shù)、地應(yīng)力參數(shù)、幾何尺寸參數(shù)、荷載參數(shù)等），進(jìn)行正算，把求得的正算成果與所對應(yīng)的實(shí)測位移值進(jìn)行比較，比較時(shí)選擇一個(gè)目標(biāo)函數(shù)作為兩者貼近程度的標(biāo)準(zhǔn)。多次重復(fù)以上兩部分計(jì)算，不斷修改待分析參數(shù)，使目標(biāo)函數(shù)取得極值，即達(dá)到所謂最優(yōu)化目的。這時(shí)，所假設(shè)的參數(shù)即為反分析所尋求的結(jié)果。隨著眾多學(xué)者所采用的力學(xué)模型、待分析參數(shù)類型和優(yōu)化方法的不同，派生出了形形色色的直接反分析法，但究其所源，其第一部分正分析與一般力學(xué)計(jì)算中所采用的方法沒有什么不同，因此不需推導(dǎo)反演方程，這是直接法的一大優(yōu)點(diǎn)。例如，在數(shù)值計(jì)算中，完全可以將原有的正分析程序作為一個(gè)子程序來調(diào)用，在調(diào)用時(shí)賦予不同的參數(shù)值就可完成第一部分計(jì)算。正因?yàn)槿绱?，直接法可以方便地進(jìn)行各種復(fù)雜問題的力學(xué)反演，如材料非線性、節(jié)理斷層巖體等，這是直接法的優(yōu)點(diǎn)之二。直接法反分析的技術(shù)關(guān)鍵是第二部分，即如何使正分析計(jì)算得到的位移值與實(shí)測位移值有最大的擬合程度，再者應(yīng)尋求待定參數(shù)的取值方法，使計(jì)算次數(shù)最少，很快達(dá)到最優(yōu)化目標(biāo)。

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