采矿测试及模拟技术

矿山深部开采的测试及模拟技术摘要：随着计算机数据和各种传感及仪器仪表使用，我国煤矿深部开采已进入现代化、信息化，采矿测试及模拟技术已经广泛应用到矿山深部开采中，矿井井工开采工程中产生的岩石力学问题是目前国内采矿业界研究的焦点，采矿专业学者通过理论研究和井下现场实验研究取得了大量的数据和成果。结合本文在实际工作的场所和区域，总结分析矿井深部开采与浅部开采岩体工程力学的主要区别，主要指出进入深部的工程岩体所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统，而是非线性力学系统，传统理论、方法与现代技术结合，深入进行深部工程岩体的基础理论研究。关键词采矿测试岩石力学深部开采工程特性灾害形式一.国内外研究现状矿井深部开采工程岩石力学主要是指在进行深部资源开采过程中而引发的与巷道工程及采场有关的岩石力学问题。而目前深部资源开采过程中所产生的岩石力学问题已成为国内外研究的焦点。早在20世纪80年代初，国外已经开始注意对深井问题的研究。1983年，原苏联的权威学者就提出对超过1600m的深(煤)矿井开采进行专题研究。当时的西德还建立了特大型模拟试验台，专门对1600m深矿井的三维矿压问题进行了模拟试验研究。近些年来，随着我国国民经济和科学技术的发展，复杂地质条件下一些长深铁路、深部矿井的修建，深部开采事故的预防应用和发展了许多先进的科学技术和理论，在软岩支护、岩爆防治、超前探测、信息化施工等方面，中国矿业大学、中南大学、东北大学、重庆大学、同济大学、西南交通大学等进行了大量的研究和实践，积累了丰富的实践经验，具有开展相关研究的基础与条件。“九五”期间，中国矿业大学在深部煤矿开发中灾害预测和防治研究都做了许多有益工作，取得了重要成果。二．矿山深部开采工程岩体力学特性与浅部岩体相比，深部岩体是具有漫长地质历史背景、充满建造和改造历史遗留痕迹、并具有现代地质环境特点的复杂地质力学材料。深部工程岩体产生冲击地压、岩爆、瓦斯突出、流变、底板突水等非线性力学现象的原因，是由于深部岩体因其所处的地球物理环境的特殊性和应力场的复杂性所致。受其影响，深部岩体的受力及其作用过程所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统(虽然由于地质条件的复杂性也含有非线性力学问题)，而是非线性力学系统，其稳定性控制的难点和复杂性在于不再含有线性问题。进入深部后，受“三高一扰动”作用，深部工程围岩的地质力学环境较浅部发生了很大变化，从而使深部工程围岩表现出特有的力学特征，主要包括以下五个转化特点。（1）围岩应力场的复杂性浅部巷道围岩状态通常可分为松动区、塑性区和弹性区三个区域，其本构关系可采用弹塑性力学理论进行推导求解。然而，研究表明，深部巷道围岩产生膨胀带和压缩带，或称为破裂区和未破坏区交替出现的情形，且其宽度按等比数列递增，这一现象被称为区域破裂现象。现场实测也证明了深部巷道围岩变形力学的拉压域复合特征。因此，深部巷道围岩的应力场更为复杂。（2）围岩的大变形和强流变性特性研究表明，进入深部后岩体变形具有两种完全不同的趋势，一是岩体表现为持续的强流变特性，不仅变形量大，而且具有明显的“时间效应”，如煤矿中有的巷道20余年底臌不止，累计底臌量达数10m。二是岩体并没有发生明显变形，但十分破碎，处于破裂状态，按传统的岩体破坏、失稳的概念，这种岩体已不再具有承载特性，但事实上，它仍然具有承载和再次稳定的能力，借助这一特性，有些巷道还特地将其布置在破碎岩(煤)体中，如沿空掘巷。（3）动力响应的突变性浅部岩体破坏通常表现为一个渐进过程，具有明显的破坏前兆(变形加剧)。而深部岩体的动力响应过程往往是突发的、无前兆的突变过程，具有强烈的冲击破坏特性，宏观表现为巷道顶板或周边围岩的大范围的突然失稳、坍塌。（4）深部岩体的脆性——延性转化试验研究表明岩石在不同围压条件下表现出不同的峰后特性，由此，最终破坏时应变值也不相同。在浅部(低围压)开采中，岩石破坏以脆性为主，通常没有或仅有少量的永久变形或塑性变形；而进入深部开采以后，因在“三高一扰动”作用下，岩石表现出峰后强度特性，在高围压作用下岩石可能转化为延性，破坏时其永久变形量通常较大。因此，随着开采深度的增加，岩石已由浅部的脆性力学响应转化为深部潜在的延性力学响应行为。（5）深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性浅部资源开采中，矿井水主要来源是第四系含水层或地表水通过采动裂隙网络进入采场和巷道，水压小，渗水通道范围大，基本服从岩体等效连续介质渗流模型，涌水量可根据岩体的渗透率张量进行定量估算，因此，突水预测预报尚具可行性。而深部的状况却十分特殊，首先，随着采深加大，承压水位高，水头压力大；其次，由于采掘扰动造成断层或裂隙活化，而形成渗流通道相对集中，矿井涌水通道范围窄，使奥陶系岩溶水对巷道围岩和顶底板形成严重的突水灾害。另外，突水往往发生在采掘活动结束后的一段时间内，具有明显的瞬时突发性和不可预测性。三.深部开采工程灾害表现形式由于深部岩石力学具有明显区别于浅部岩石力学的重要特征，再加上赋存环境的复杂性，致使进入深部开采后以岩爆、突水、顶板大面积来压和采空区失稳为代表的一系列灾害性事故与浅部工程灾害相比较，程度加剧，频度提高，成灾机理更加复杂。深部工程灾害主要表现为以下六大灾害形式。（1）岩爆频率和强度均明显增加有关统计资料表明，岩爆多发生在强度高、厚度大的坚硬岩(煤)层中，主要影响因素包括煤层顶底板条件、原岩应力、埋深、煤层物理力学特性、厚度及倾角等。目前的统计资料显示，尽管在极浅的硬煤层中(深度小于100m，有的甚至在30～50m)也有发生岩爆的记载，但总的来看，岩爆与采深有密切关系，即随着开采深度的增加，岩爆的发生次数、强度和规模也会随之上升。（2）采场矿压显现剧烈随着采深的增加引起的覆岩自重压力的增大和构造应力的增强，表现为围岩发生剧烈变形、巷道和采场失稳、并易发生破坏性的冲击地压，给顶板管理带来许多困难。（3）突水事故趋于严重自1984年6月2日开滦矿务局范各庄矿发生井下岩溶陷落柱特大突水灾害以来，先后在淮北杨庄矿、义马新安矿、峰峰梧桐矿、皖北任楼矿、徐州张集矿又相继发生特大型奥灰岩岩溶突水淹井事故，初步估计，经济损失超过27亿元，同时产生了若干地质环境负效应。（4）巷道围岩变形量大、破坏具有区域性与浅部一样，深部巷道支护的目的仍是尽量保持围岩的完整性以及避免破碎岩体进一步产生位移。深部开采一方面自重应力逐渐增加，同时由于深部岩层的构造一般比较发育，其构造应力十分突出，致使巷道围岩压力大，巷道支护成本增加。据煤炭行业的有关资料表明，近10年巷道支护成本增加了1.4倍，巷道翻修量占整个巷道掘进量的40%。另外，浅部围岩在临近破坏时往往出现加速变形的现象，工程技术人员常常根据这一现象进行破坏之前的预测预报，且浅部围岩的破坏一般发生在局部范围内。而深部围岩在破坏之前几乎处于不变形状态，破坏前兆非常不明显，使破坏预测预报十分困难，从而造成深部围岩的破坏往往是大面积的发生，具有区域性，如巷道大面积的冒顶垮落等。（5）地温升高、作业环境恶化深部开采条件下，岩层温度将达到摄氏几十度的高温，如山东新汶矿务局潘西煤矿地温为30～40℃。地温升高造成井下工人注意力分散、劳动率减低，甚至无法工作。（6）瓦斯涌出量增大随着煤矿采深的增加，瓦斯含量迅速增加，并造成瓦斯灾害事故的频繁发生。近年来，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡10人以上的煤矿事故70%出现在中国采深600m以下的矿区。在另一方面，深部煤层处于较高的温度环境下，更易引起煤层的自燃发火、触发矿井火灾、瓦斯爆炸事故的发生。参考文献1.何满潮.深部开采工程岩石力学的现状及其展望[A].第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].中国岩石力学与工程学会主编，北京：科学出版社，2004.88–94.2.晏玉书.我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展趋势[A].何满潮主编：中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[C].北京：中国矿业大学出版社，1996.1–17.3.谢和平.深部高应力下的资源开采——现状、基础科学问题与展望[A].科学前沿与未来(第六集)[C].香山科学会议主编，北京：中国环境科学出版社，2002.179–191.