采动环境下深部软岩巷道围岩破裂演化及锚注支护机理研究

With the rapid decrement in shallow coal resources, deep mining in many coal-mines are under way. Extremely complicated geo-environments in deep coal-mines, especially the high stress and strong influence of mining, trigger the common instability of soft rock roadways, such as roof fall accidents, floor heave and among others. The difficulties in roadway maintenance and its expensive maintenance costs serious affect the safety and economical benefits of deep coal-mines. Therefore, one of the topical subjects in deep coal mining is how to effectively control the stability of the deep soft rock roadways. Based on numerous microscopic experiments and macroscopic experiments of physical and mechanical properties of deep soft rock, micromechanics, damage mechanics and fracture mechanics are applied to reveal the mechanisms of crack growth and evolution in rock of deep roadway. Also, the fine field detection together with numerical simulation is employed to investigate the distribution of stress, displacement and cracks around the roadway under the influence of mining. On this basis, physical simulations, numerical simulations and intelligent expert system are used to solve critical unsolved theoretical problems in bolt-grouting techniques, including slurry diffusion in cracks induced by mining, parameter design of bolt-grouting and evaluation of effects of bolt-grouting. It will provide a solid theoretical fundament and an effective technique approach for controlling the stability of deep soft rock roadways under mining influence.

随着浅部煤炭资源的日益枯竭，我国煤矿正逐步转向深部开采。深部矿井所处的地质环境极其复杂，尤其是在高地应力以及强烈开采扰动影响下，软岩巷道冒顶事故、底臌现象普遍存在，巷道维护十分困难且维护成本极其昂贵，严重影响企业安全生产和经济效益。如何有效地控制深部软岩巷道围岩稳定已是当前我国深部煤炭开采亟待解决的重大课题。本课题基于大量的深部软岩物理力学性质细观实验和宏观实验数据，综合运用细观力学、损伤力学和断裂力学理论，研究采动环境下深部软岩巷道围岩裂隙扩展演化机制；并将现场精细探测与数值模拟手段相结合，研究深部开采过程中软岩巷道周围应力场、变形场以及裂隙场的分布规律。在此基础上，采用物理相似模拟实验、数值模拟以及研制智能专家系统等方法，对深部软岩巷道锚注支护技术中亟待解决的关键理论难题，包括采动裂隙浆液扩散、锚注支护参数设计、锚注支护效果评价等进行深入研究，为我国煤矿深部软岩巷道围岩控制提供理论依据

随着煤矿开采深度的增加，深部矿井所处的地质环境极其复杂，尤其是在高地应力以及强烈开采扰动影响下，软岩巷道冒顶事故、底臌现象普遍存在，巷道维护十分困难，严重影响企业安全生产和经济效益。因此，开展采动环境下深部软岩巷道围岩破裂演化及锚注支护机理研究，对于保障深部煤矿的正常安全开采与生产、降低深部软岩巷道维护成本具有重要的现实意义。.本项目以深部软岩巷道围岩破裂演化与锚注支护控制为研究目标，综合运用实验室试验、理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方法，首先，对岩石细观结构几何参数和宏观基本力学特性进行了试验研究，揭示了岩石细观结构几何参数的统计分布规律，探讨了高应力条件下岩石内部裂纹扩展演化机制，建立了基于微裂纹演化的岩石损伤本构方程。其次，以淮北矿区袁店煤矿为工程背景，开展了典型深部软岩巷道围岩变形、应力及破裂演化特征现场精细探测研究，并结合嵌有深部岩体损伤本构模型的数值模拟方法，分析了深部采动环境下深部软岩巷道围岩变形、应力及破裂的时空演化规律，探讨了围岩破裂演化机制。然后，利用自主研发的采动裂隙岩体注浆模拟试验系统，开展了采动裂隙岩体注浆模拟试验研究，获得了不同峰后破裂状态、围压和注浆压力条件下浆液在破裂岩石内渗流扩展规律，构建了破裂岩石浆液渗透性演化模型，并将模型嵌入至数值计算软件，模拟研究了不同峰后破裂状态下深部软岩巷道围岩锚注浆液渗透扩散规律，分析了不同锚注支护参数对深部采动环境下巷道围岩变形与破坏发展的控制作用，揭示了采动环境下深部软岩巷道锚注支护机理。最后，将项目研究成果与人工神经网络、智能专家系统相结合，全面考虑深部开采条件下的各种影响因素，研发了一套深部采动环境下巷道锚注支护智能设计系统并成功应用。.项目研究结果为我国深部煤矿开采软岩巷道围岩稳定性控制提供了重要的理论依据及技术途径，推动了我国绿色采矿技术的发展。