深井巷道圍巖變形特性與支護(hù)設(shè)計(jì)研究

1、深井巷道圍巖變形特性與支護(hù)設(shè)計(jì)研究技術(shù)研究總結(jié)報(bào)告（摘要）1立項(xiàng)背景與目的1.1國內(nèi)外相關(guān)科學(xué)研究發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢煤礦深井巷道支護(hù)是世界礦業(yè)和巖石力學(xué)的難題之一，也是目前國內(nèi)外急于解決的工程問題。關(guān)于深井開采和巷道支護(hù)問題一直受到同行學(xué)者們的關(guān)注，何滿朝教授進(jìn)行了深部開采巖石力學(xué)問題研究，劉波等進(jìn)行了深部礦井錨拉支架設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用研究，孫曉明等進(jìn)行了深部軟巖巷道錨網(wǎng)索藕合支護(hù)非線設(shè)計(jì)方法研究和深部松軟破碎煤層巷道錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)研究，景海河等進(jìn)行了深部巷道構(gòu)造應(yīng)力作用下巖爆過程的數(shù)值模擬，劉富道等進(jìn)行了深井采場復(fù)合破碎頂板控制技術(shù)研究與應(yīng)用，谷守生等發(fā)表了深井軟巖穿層巷道支護(hù)與施工技

2、術(shù)論文，成云海等開展了深井軟巖大斷面峒室的設(shè)計(jì)與應(yīng)用工作，呂淵等開展了深井軟巖大巷深孔爆破卸壓機(jī)理及工程應(yīng)用，王襄禹等進(jìn)行了深井軟巖返修巷道綜合支護(hù)技術(shù)研究，石偉等進(jìn)行了深井軟巖巷道圍巖二次支護(hù)新技術(shù)研究，王懷新等進(jìn)行了深井主要巷道支護(hù)方式的研究與應(yīng)用等等。國內(nèi)外科研工作者從開始的基礎(chǔ)研究到利用各種研究工具和方法，并把計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件運(yùn)用到采礦工程中以后，對礦山壓力和圍巖控制技術(shù)注入了更多的新鮮血液，使人們更加深入詳細(xì)地了解制約煤礦生產(chǎn)癥結(jié)所在。在巷道圍巖變形機(jī)理、巷道圍巖分類及穩(wěn)定性方面，巷道開挖前后圍巖應(yīng)力變化特點(diǎn)及規(guī)律，采動(dòng)影響期間，巷道圍巖變化機(jī)理以及在卸壓控制巷道圍巖變形方面都做了大量

3、的研究，并把內(nèi)容研究得更加深入，更加細(xì)致化了。目前，雖然已經(jīng)取得了不少的可喜成果，但隨著開采深度的日益加深，這些成果還不能有效的解決深部巷道圍巖變形的控制、支架設(shè)計(jì)方法及其安全可靠經(jīng)濟(jì)等問題。1.2立項(xiàng)目的及科學(xué)意義我國有60%以上的煤炭資源埋在800m以下，目前，我國煤礦開采的深度平均在以每年812米的速度增加，東部礦井正以每年1025m的速度發(fā)展，以淮南礦區(qū)為例：謝橋煤礦的開采深度已經(jīng)超過700米，新建的顧橋、丁集等礦井第一開采水平就在800m以上、謝一礦望峰崗井的開采深度達(dá)到了1000m、朱集礦、顧橋礦南區(qū)、謝橋礦深部井、潘一礦深部井井筒深度都超過了1000m。隨著開采深度的增加，地質(zhì)條

4、件越來越復(fù)雜，越來越顯現(xiàn)出軟巖的特征。盡管巷道支護(hù)在通過近年開展廣泛的研究，已取得了十分可喜的成果。但是軟巖巷道的有效支護(hù)仍然是煤礦巷道支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，也是目前國內(nèi)外尚未很好解決的技術(shù)難題，因而引起了眾多科研單位和生產(chǎn)部門的普遍關(guān)注。尋求解決高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題的合理方法和有效途徑，從某種程度上說，是解決深部礦山工程的關(guān)鍵技術(shù)難題，是煤礦生產(chǎn)建設(shè)發(fā)展的迫切需要。本項(xiàng)目針對淮南礦區(qū)的工程、地質(zhì)條件，深入開展淮南礦區(qū)深部巷道圍巖變形特性與優(yōu)化支護(hù)技術(shù)研究，具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，對推動(dòng)淮南礦區(qū)乃至全國深部巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展將起到積極的作用。2任務(wù)來源本課題的任務(wù)來源是淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)

5、任公司項(xiàng)目：“深井巷道圍巖變形特性與支護(hù)設(shè)計(jì)研究”。我國有60%以上的煤炭資源埋在800m以下，目前，我國煤礦開采的深度平均在以每年812米的速度增加，東部礦井正以每年1025m的速度發(fā)展，以淮南礦區(qū)為例：謝橋煤礦的開采深度已經(jīng)超過700米，新建的顧橋、丁集等礦井第一開采水平就在800m以上、謝一礦望峰崗井的開采深度達(dá)到了1000m、朱集礦、顧橋礦南區(qū)、謝橋礦深部井、潘一礦深部井井筒深度都超過了1000m。于是淮南礦業(yè)集團(tuán)發(fā)展過程不可避免的遇到了深井巷道圍巖變形特性及其支護(hù)問題，這些問題能否得到很好解決，將影響企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和深埋煤炭開采技術(shù)的革新?；茨系V業(yè)集團(tuán)作為國家大型企業(yè)，具有豐富的實(shí)

6、踐條件和經(jīng)驗(yàn)，然而缺乏系統(tǒng)的理論研究的能力和條件；而安徽理工大學(xué)大學(xué)擁有悠久的煤炭理論和技術(shù)研究的歷史，在凍結(jié)法鑿井、巷道支護(hù)技術(shù)等方面具有國內(nèi)領(lǐng)先水平。這次淮南礦業(yè)集團(tuán)和安徽理工大學(xué)的合作，可以推動(dòng)我國高等學(xué)校與大型企業(yè)開展科技與人才培養(yǎng)合作，全面提升產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的范圍、力度和層次，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)、聯(lián)合研究開發(fā)方面也將提到很好的示范作用。充分發(fā)揮高等學(xué)校在國家技術(shù)創(chuàng)新體系中的重要作用，為國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)，并推動(dòng)高等學(xué)校向高水平研究型大學(xué)和世界一流大學(xué)邁進(jìn)的步伐。知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代，突出的特點(diǎn)是知識創(chuàng)新，知識創(chuàng)新是經(jīng)濟(jì)增長的核心動(dòng)力，是靠知識智力與智慧進(jìn)行創(chuàng)造創(chuàng)新、發(fā)明的有獨(dú)立自主知識產(chǎn)

7、權(quán)的專利產(chǎn)品主導(dǎo)一切。企業(yè)具有創(chuàng)新意識、有專利產(chǎn)品生產(chǎn)，企業(yè)才能生存發(fā)展，否則企業(yè)必將衰落。高校是培養(yǎng)創(chuàng)造創(chuàng)新能力素質(zhì)育人的園地，企業(yè)非常需要高新技術(shù)人才；許多研究型、教學(xué)型大學(xué)，可以幫助企業(yè)解決許多技術(shù)難題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，研發(fā)專利產(chǎn)品等。企業(yè)可以利用這些技術(shù)和智力投資獲得豐厚的經(jīng)濟(jì)效益，校企在這兩方面完全能夠做到優(yōu)勢互補(bǔ)，為對方工作而使自己獲得豐厚的回報(bào)，可以實(shí)現(xiàn)生態(tài)、互救，共贏發(fā)展?；茨系V業(yè)集團(tuán)和安徽理工大學(xué)大學(xué)的這次合作研究，可以算得上是我國企業(yè)和高效合作成功的一個(gè)典范，取得的成績更具有實(shí)用性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。3組織研究過程由于這個(gè)項(xiàng)目是淮南礦業(yè)集團(tuán)和安徽理工大學(xué)大學(xué)合作研究的項(xiàng)目，所以項(xiàng)

8、目的組織研究過程更加豐富多彩、井井有條，既有現(xiàn)場實(shí)測，又有室內(nèi)試驗(yàn)；既有理論分析，又有實(shí)際巷道的實(shí)踐，這樣也保證了項(xiàng)目研究過程的合理性和科學(xué)性。3.1現(xiàn)場測試本項(xiàng)目在淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集煤礦-906m水平的風(fēng)井車場南繞道、謝一礦望峰崗井二副井-960m水平水泵房通道兩個(gè)巷道布置了監(jiān)測斷面。監(jiān)測區(qū)段處巷道圍巖主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖和細(xì)砂巖。兩個(gè)地方巷道支護(hù)方式及參數(shù)相同，即主要是采用噴、錨、網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護(hù)方式，其中錨桿的直徑為22，長度為2.5m，間排距為mm，網(wǎng)片孔尺寸為mm的菱形網(wǎng)格，噴層厚度為100mm，錨索直徑17.8mm，長度6.5m，間排距為mm。2007年7月12月在朱集和望峰崗井深部

9、巷道施工過程中對圍巖變形和錨桿受力進(jìn)行了量測，具體組織過程為：深部地層原巖應(yīng)力測試；深部巷道支護(hù)情況調(diào)查；制定現(xiàn)場實(shí)測方案、選擇監(jiān)測地點(diǎn)、做好監(jiān)測工作的相關(guān)準(zhǔn)備、現(xiàn)場安設(shè)測站、建立監(jiān)測系統(tǒng)、提供一次監(jiān)測階段報(bào)告。2008年1月6月，定期進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理、分析，進(jìn)行施工安全性預(yù)測、預(yù)報(bào)。3.2室內(nèi)試驗(yàn)軟巖流變是礦山深部巖石工程中不可忽視的重要力學(xué)特征之一，巷道的破壞與軟巖的流變特性關(guān)系緊密。近年來，國內(nèi)外許多科研工作者對軟巖的蠕變本構(gòu)關(guān)系研究中取得了可喜的成果，但基于卸荷應(yīng)力路徑高地應(yīng)力裂隙巖體的流變特性試驗(yàn)研究面還未見報(bào)道。深部巖石物理力學(xué)性能測定試驗(yàn)在2008年1月3月完

10、成，具體實(shí)施過程為：結(jié)合地應(yīng)力量測試驗(yàn)，現(xiàn)場在試驗(yàn)點(diǎn)附近采取了兩組巖石的試樣，取樣鉆頭采用N型金剛石鉆頭，雙層巖芯管，試樣直徑為75mm。由于花斑狀泥巖極其破碎，該層巖石沒有取到適合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用樣標(biāo)準(zhǔn)的巖石。采樣都是取較完整的巖塊，對于采取到的巖塊試樣及時(shí)送到實(shí)驗(yàn)室加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，用于單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)。試件的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用劈裂法間接測得。3.3理論分析本課題的理論分析階段是在現(xiàn)場實(shí)測和室內(nèi)試驗(yàn)完成之后進(jìn)行的，具體實(shí)施時(shí)間是2008年6月12月。具體實(shí)施過程為：通過對現(xiàn)場巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得到了深井巷道圍巖變形的特性，從理論上分析了產(chǎn)生的原因。通過基于卸荷應(yīng)力路徑高地應(yīng)力

11、裂隙巖體的流變特性試驗(yàn)建立了裂隙巖體的粘彈塑性流變本構(gòu)模型；將建立的模型嵌入到FLAC3D軟件中對圍巖變形進(jìn)行了數(shù)值模擬；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，建立了深井巷道圍巖智能位移反分析系統(tǒng)和巷道支護(hù)專家決策系統(tǒng)。在理論分析完成后，撰寫并提交了項(xiàng)目研究報(bào)告。4技術(shù)原理根據(jù)課題的研究內(nèi)容與特點(diǎn)，對本課題的研究采用了如下技術(shù)路線（原理）：1.選擇具有代表性的深井巷道，進(jìn)行地應(yīng)力量測和圍巖變形特性量測，包括圍巖深部位移和松動(dòng)圈范圍的量測。通過地應(yīng)力量測可以得到淮南礦區(qū)深井巷道的地應(yīng)力特征，為深井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和支護(hù)參數(shù)的正確選取提供依據(jù)。巷道表面圍巖變形和深部圍巖變形是深井巷道圍巖變形的兩個(gè)重要組成部分，通過對

12、它們的觀測，可以得到神井巷道圍巖變形的一般規(guī)律；通過對深部圍巖變形的監(jiān)測，可以確定巷道施工過程中圍巖松動(dòng)圈和塑性區(qū)的范圍，這有助于合理、科學(xué)確定深井巷道支護(hù)參數(shù)。2.進(jìn)行深部巖體的力學(xué)性能指標(biāo)測定，掌握深部巖石的力學(xué)特性，建立深部巖體的本構(gòu)關(guān)系。流變特性是煤礦深部巖體的一個(gè)重要力學(xué)特性，巷道的破壞與軟巖的流變特性關(guān)系緊密。這里以深埋裂隙巖體巷道開挖過程中卸載狀態(tài)為研究背景，以固結(jié)卸載的三軸剪切和蠕變試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)獲得了裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)力學(xué)模型，然后將建立的本構(gòu)模型嵌入數(shù)值分析軟件中，為了深井巷道圍巖變形數(shù)值模擬的合理性提供了基礎(chǔ)參數(shù)和本構(gòu)模型。3.通過現(xiàn)場實(shí)測，分析深部錨注工藝及其參數(shù)取值，

13、提出優(yōu)化方法；4.利用FLAC3D軟件平臺進(jìn)行二次開發(fā)，并進(jìn)行深井巷道圍巖變形的數(shù)值分析，實(shí)現(xiàn)平面和三維條件下的深井巷道的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的準(zhǔn)確與否，很大程度上與選用的本構(gòu)模型和材料參數(shù)有關(guān)，這里采用試驗(yàn)得到的材料力學(xué)參數(shù)和建立的本構(gòu)模型，從而保證了深井巷道圍巖變形數(shù)值模擬的合理性。通過深井巷道圍巖變形數(shù)值模擬，分析了地應(yīng)力條件、巷道尺寸、巷道埋深等條件對巷道圍巖變形的影響，數(shù)值模擬的結(jié)果可為深井巷道支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)的合理選取提供了依據(jù)。5.通過理論分析、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬，進(jìn)行巷道圍巖變形與支架共同作用分析，提出深井巷道的合理支護(hù)方式?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，建立了深井巷道圍巖智能位移反分

14、析系統(tǒng)和巷道支護(hù)專家決策系統(tǒng)。深井巷道圍巖智能位移反分析系統(tǒng)可以利用在巷道施工過程中量測得到的數(shù)據(jù)（拱頂下沉和水平收斂）反演得到深井巷道圍巖的力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力特征參數(shù)：彈模和側(cè)壓力系數(shù)，這為深井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和支護(hù)參數(shù)選取提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巷道支護(hù)專家決策系統(tǒng)可以對具體的神經(jīng)巷道提出建議的相對合理的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)。6.在本項(xiàng)目的研究過程中，對取得的成果，為了驗(yàn)證其正確合理性，在淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集礦、謝一礦望峰崗井、潘一東礦三個(gè)礦的深井巷道內(nèi)進(jìn)行了研究成果的應(yīng)用實(shí)踐。實(shí)踐結(jié)果表明，本項(xiàng)目的研究成果取得了相當(dāng)好的效果，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。5技術(shù)方案5.1現(xiàn)場監(jiān)測方案深埋巷道圍巖變

15、形特性的現(xiàn)場監(jiān)測主要選在淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集煤礦-906m水平的風(fēng)井車場南繞道、望峰崗煤礦二副井-960m水平水泵房通道兩個(gè)地點(diǎn)，監(jiān)測區(qū)段處巷道圍巖主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖和細(xì)砂巖。1. 測試目的(1) 監(jiān)測巷道圍巖表面及深部的位移變化，摸清在不同的生產(chǎn)技術(shù)條件、圍巖地質(zhì)條件及圍巖應(yīng)力狀態(tài)下巷道的變形規(guī)律；(2) 監(jiān)測錨桿和錨索軸力大小和顯現(xiàn)速度，獲得支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的變化特性，了解錨桿錨索支護(hù)效果及其作用，為檢驗(yàn)支護(hù)質(zhì)量和改進(jìn)錨桿錨索設(shè)計(jì)提供依據(jù)；(3) 觀測巷道圍巖深部巖性及裂隙開展情況，掌握巷道開挖后圍巖變形機(jī)制以及驗(yàn)證深部位移監(jiān)測結(jié)果。2. 測試內(nèi)容(1) 用巷道收斂計(jì)進(jìn)行巷道表面收斂監(jiān)測，獲

16、得巷道表面頂板與兩幫的相對移近量及移動(dòng)速度；(2) 利用多點(diǎn)位移計(jì)觀測巷道圍巖內(nèi)部位移情況；(3) 用錨桿錨索測力計(jì)測定錨桿錨索的受力情況；(4) 利用聲波測試儀進(jìn)行圍巖破裂區(qū)范圍的判斷；(5) 利用全景數(shù)字化智能鉆孔電視成像儀觀測巷道鉆孔內(nèi)圍巖的巖性和巷道開挖后裂隙產(chǎn)生和開展情況。3. 測試元件(1) 巷道表面收斂計(jì)巷道收斂計(jì)采用JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)，它適用于量測隧道、巷道、硐室及其他工程圍巖周邊任意方向兩點(diǎn)間的距離，達(dá)到評定工程穩(wěn)定性，研究工程圍巖及支護(hù)的變形發(fā)展規(guī)律，確定合理支護(hù)參數(shù)的目的。(2) 多點(diǎn)位移計(jì)本次測試所用的多點(diǎn)位移計(jì)是由安徽理工大學(xué)自行研制、加工的，具有操作簡單，經(jīng)濟(jì)

17、，準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)。量測時(shí)用安裝桿將錨固器依次推至預(yù)設(shè)深度，每一個(gè)錨固器對應(yīng)一個(gè)基點(diǎn)位置，被測鋼線引到安裝桿外，一般孔口預(yù)留鋼線長度為400-500mm，鋼線有不同顏色，各種顏色代表安裝在不同的基點(diǎn)深度。將測繩拉直，以孔口裝置外側(cè)為基準(zhǔn)面，從基準(zhǔn)面到鋼線尾部的距離為測讀距離，用鋼尺讀數(shù)。(3) 錨桿測力計(jì)錨桿測力計(jì)采用的是MCJ-16靈敏型。其量程為0160kN，錨桿外露長度200mm左右，安裝時(shí)液壓囊前后各放配襯鐵板各一塊，將液壓囊放置中間，套在錨桿上，再擰上螺母。(4) 聲波測試儀超聲波在巖體中的傳播速度與巖體受力狀態(tài)及裂縫情況有關(guān)，當(dāng)圍巖破裂縫多時(shí)，破碎巖石中的波速相對于深部完整未松動(dòng)巖石

18、的波速低。通過巖石鉆孔(4145mm)，測出聲波縱波傳播時(shí)間在圍巖鉆孔中的分布變化曲線，即可判斷圍巖裂縫范圍。(5) 全景數(shù)字化智能鉆孔電視成像儀本次測試采用的JL-IDOI(A)智能鉆孔電視成像儀。JL-IDOI(A)智能鉆孔電視成像儀采用先進(jìn)的DSP圖像采集與處理技術(shù)，系統(tǒng)高度集成，探頭全景攝像，剖面實(shí)時(shí)自動(dòng)提取，圖像清晰逼真，方位及深度自動(dòng)準(zhǔn)確校準(zhǔn)，可對所有的觀測孔全方位、全柱面觀測成像(垂直孔水平孔斜孔俯、仰角孔)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：智能鉆孔光學(xué)成像系統(tǒng)主要由成像儀主機(jī)、探頭、繞線架、深度計(jì)數(shù)器和連接電纜組成。內(nèi)部包含有可獲得全景圖像的反射鏡、提供照明的光源、用于定位的電子羅盤以及CCD攝像機(jī)

19、。主機(jī)內(nèi)系統(tǒng)控制、圖像采集、顯示與存貯高度集成，內(nèi)置ARM和DSP內(nèi)核，對全景圖像實(shí)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)采集，能夠?qū)D像進(jìn)行處理，形成各種結(jié)果圖像，包括平面展開圖，立體柱狀圖，也可同幅顯示巖芯描述結(jié)果表，其圖像顯示輸出模式可以使全景視頻圖像和平面展開圖像實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。4.測站布置及觀測方式監(jiān)測斷面布置與元件埋設(shè)方案見圖1所示。觀測方式用上述測試元件測試相應(yīng)的數(shù)據(jù)。注：圖中16為測點(diǎn)編號圖1 監(jiān)測斷面布置圖5.監(jiān)測內(nèi)容及元件埋設(shè)方案 巷道收斂變形監(jiān)測每個(gè)測站在巷道左幫、頂板、右?guī)头謩e設(shè)置1#、2#、3#三個(gè)測點(diǎn)，觀測斷面按“”法布置，即分別在圖1中的5、1和4位置處，在巷道圍巖表面用鉆孔施工一個(gè)巷道表面收斂測

20、點(diǎn)。監(jiān)測元件為JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)。 巖體深部位移及頂板離層監(jiān)測分別在右拱基線、頂板，左拱肩分別各布置一個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)，測點(diǎn)號1#、2#、3#，位置在圖1中的3，1和6位置處，每個(gè)孔內(nèi)設(shè)7個(gè)基點(diǎn)，深度分別為7m、5m、4m、3m、2.5m、2.0m、1.5m，監(jiān)測7m圍巖內(nèi)部的位移特性及其發(fā)展規(guī)律。監(jiān)測元件采用自行設(shè)計(jì)加工的位移計(jì)。同時(shí)在1，2，3和6位置處分別設(shè)置一個(gè)鉆孔窺視儀測試鉆孔。 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測分別在頂板和拱肩處，即6、1、2號位置設(shè)置錨索和錨桿測力計(jì)，測點(diǎn)號同表面位移監(jiān)測布置一樣，監(jiān)測巷道拱頂和拱肩處的錨索及錨桿支護(hù)軸力。 破裂區(qū)范圍及變化趨勢監(jiān)測在兩幫4、5號位置各設(shè)置一個(gè)圍

21、巖破裂區(qū)測試鉆孔，用以測定圍巖破裂區(qū)的發(fā)展演化規(guī)律。監(jiān)測元件為聲波測試儀。 全景數(shù)字化智能鉆孔電視成像觀測在頂板、拱基線和拱肩位置處鉆孔，使用JL-IDOI(A)型智能鉆孔電視成像儀，觀測鉆孔內(nèi)巖體性質(zhì)和裂隙發(fā)育狀況。5.2地應(yīng)力測試方案本次在望峰崗煤礦進(jìn)行的地應(yīng)力量測儀器是由安徽理工大學(xué)自己研制的套筒致裂設(shè)備，該設(shè)備主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)能測量較深處的絕對應(yīng)力狀態(tài)；(2)它是最直接的測量方法，無需了解和測定巖石的彈性模量；(3)套筒致裂測量應(yīng)力的作業(yè)空間要求小，儀器操作簡單易行，測試成功率高；(4)克服了應(yīng)力解除法需要的套芯工序，可利用現(xiàn)場施工的鉆孔進(jìn)行壓裂試驗(yàn)；套筒致裂法的實(shí)質(zhì)是利用具有耐高壓

22、橡膠套筒的圓柱形千斤頂，使測試鉆孔的某一加壓段逐步施加內(nèi)壓，直至周圍介質(zhì)出現(xiàn)縱向張性裂縫為止。整個(gè)測試系統(tǒng)由手壓油泵、高壓油管、壓力表和套筒應(yīng)力計(jì)組成。利用套筒致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測試，主要的測試步驟如下： 沿巷道的周邊某個(gè)徑向方向鉆孔； 將套筒致裂裝置放入鉆孔并以環(huán)氧樹脂密封住孔口及孔底； 利用手動(dòng)油泵往套筒致裂裝置內(nèi)連續(xù)加壓，并記錄各次加壓的壓力值，直至鉆孔出現(xiàn)張性裂縫為止，此值為第一次峰值壓力； 進(jìn)行第二次致裂試驗(yàn)，并記錄各次加壓的壓力值和第二次峰值壓力； 以兩次峰值壓力差確定巷道材料的抗拉強(qiáng)度； 根據(jù)液體壓力-體積變化曲線的拐點(diǎn)確定關(guān)閉壓力值(等于最小主應(yīng)力)； 將第一次峰值壓力、巷道材料

23、抗拉強(qiáng)度T及最小主應(yīng)力代入式，可得最大主應(yīng)力。測試部位的選?。簽榱四軌蛟跍y試地應(yīng)力時(shí)不影響現(xiàn)場施工，本次在望峰崗煤礦二副井井口附近的地應(yīng)力量測地點(diǎn)選在硐室施工斷面較大的水泵房內(nèi)，測試是在巖性較好的硬質(zhì)中細(xì)砂巖中進(jìn)行的。測試試驗(yàn)過程中，首先在水泵房巷道左幫完整性相對較好的中細(xì)砂巖中打一直徑為32mm深度為12m的鉆孔，經(jīng)清孔后，按照上述的測試步驟逐次進(jìn)行套筒加壓擴(kuò)張?jiān)囼?yàn)，將獲得的參數(shù)代入和式，計(jì)算獲得測試平面上的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力，而另一個(gè)主應(yīng)力，則是按照測試點(diǎn)上覆巖體的自重按照公式計(jì)算獲得。至于三個(gè)主應(yīng)力的方向則是按照構(gòu)造地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析的方法得到。5.3室內(nèi)試驗(yàn)方案室內(nèi)試驗(yàn)的目的主要是以深埋

24、裂隙巖體巷道開挖過程中卸載狀態(tài)為研究背景，以固結(jié)卸載的三軸剪切和蠕變試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)獲得了裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)力學(xué)模型。室內(nèi)試驗(yàn)具體方案為：結(jié)合地應(yīng)力量測試驗(yàn)，現(xiàn)場在試驗(yàn)點(diǎn)附近采取了兩組巖石的試樣，取樣鉆頭采用N型金剛石鉆頭，雙層巖芯管，試樣直徑為75mm。由于花斑狀泥巖極其破碎，該層巖石沒有取到適合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用樣標(biāo)準(zhǔn)的巖石。采樣都是取較完整的巖塊，對于采取到的巖塊試樣及時(shí)送到實(shí)驗(yàn)室加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，用于單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)。試件的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用劈裂法間接測得。5.4理論分析方案1.圍巖變形分區(qū)破裂成因分析方案基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，得到了深井巷道圍巖變形的特性分區(qū)多次破裂，通過理論分析提

25、出深埋巷道圍巖多次破裂的形成機(jī)制，提出了復(fù)合巖體梁穩(wěn)定分析方法，并應(yīng)用于深埋巷道直墻部分圍巖穩(wěn)定分析。2.數(shù)值模擬方案利用固結(jié)卸載的三軸剪切和蠕變試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)獲得了裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)力學(xué)模型，通過二次開發(fā)技術(shù)，將建立的本構(gòu)模型嵌入FLAC3D軟件中，以保證數(shù)值模擬采用的的是合理的材料模型。(1)為了便于比較，先用FLAC3D軟件中內(nèi)置的彈塑性本構(gòu)模型摩爾-庫倫模型(Mohr-Coulomb)對深井巷道圍巖變形進(jìn)行了彈塑性分析；(2)為了研究不同水平地應(yīng)力特征對深埋巷道圍巖變形的影響，對不同側(cè)壓力水平下的深埋巷道圍巖變形進(jìn)行模擬對比分析。在做對比模擬分析時(shí)，模型中其他參數(shù)保持不變，僅變化水平側(cè)

26、壓力系數(shù)K0，取3個(gè)水平的K0，對比分析三個(gè)不同側(cè)壓力水平下深井巷道圍巖的變形情況；(3)為了研究不同巷道尺寸對深埋巷道圍巖變形的影響，對不同跨度和高度的深埋巷道圍巖變形進(jìn)行了模擬對比分析。在做對比模擬分析時(shí)，模型其他參數(shù)保持不變，僅變化巷道跨度或者高度，各取3個(gè)水平。在做對比分析的時(shí)候，變化深埋巷道跨度時(shí)，其高度保持不變；而變化其高度時(shí)，其跨度保持不變。(4)為了研究巖層層理的存在對深井巷道圍巖變形的影響，對考慮巖層層理影響的深埋巷道圍巖變形進(jìn)行了數(shù)值分析。有巖層層理穿過巷道的情況，由于在FLAC3D中建模不是很容易實(shí)現(xiàn)，這里采用在ANSYS軟件平臺下建模，然后通過自行編制的模型轉(zhuǎn)化程序AN

27、SYStoFLAC3D將模型導(dǎo)入FLAC3D里面進(jìn)行分析計(jì)算。(5)為了研究注漿加固對深井巷道圍巖變形特性的影響，對注漿加固的深埋巷道圍巖變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。(6)為了考慮深井巷道圍巖的流變特性對其變形的影響，進(jìn)行了基于卸荷條件下裂隙巖體流變本構(gòu)模型的巷道分布開挖圍巖變形數(shù)值模擬分析。基于室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，研制在FLAC3D平臺上的卸荷條件下裂隙巖體流變本構(gòu)模型。3.智能反分析系統(tǒng)和巷道支護(hù)專家系統(tǒng)建立方案(1)深埋巷道圍巖位移智能反分析系統(tǒng)的建立首先，通過深井巷道工程特點(diǎn)的分析，指出了目前巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的最大難題是如何獲得合理的圍巖力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力特征參數(shù)，位移反分析有望解決這個(gè)問題。但是，

28、現(xiàn)有的位移反分析法確定巖體的力學(xué)參數(shù)存在著這樣那樣的問題，尤其是未能很好解決優(yōu)化的問題，還有效率不高且運(yùn)用復(fù)雜，難于工程普及的問題。因此，研究和建立一個(gè)能較好實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和工程推廣的深埋巷道圍巖位移智能反分析法，是目前亟待解決的問題，即建立一個(gè)深埋巷道圍巖位移智能反分析系統(tǒng)是必要的。其次，通過對前人研究成果和本項(xiàng)目進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)測、室內(nèi)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，得到了影響深埋巷道圍巖位移的最主要的因素。目前巷道工程中現(xiàn)場監(jiān)控量測的實(shí)際情況，一般情況下可輸入的獨(dú)立的巷道圍巖位移實(shí)測值一般只有兩個(gè)：洞周水平收斂和拱頂下沉，相應(yīng)的可辨識參數(shù)也只能有兩個(gè)。通過綜合分析確定深埋巷道圍巖反分析的模型是摩爾庫倫模型，通過比

29、較模型各參數(shù)獲得的難易程度和對圍巖變形的影響程度，最后確定彈性模量和側(cè)壓力系數(shù)為深埋巷道圍巖位移反分析的反演參數(shù)。再次，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，建立了深埋巷道圍巖變形智能反分析系統(tǒng)。為了得到與工程實(shí)際情況相吻合的高質(zhì)量的訓(xùn)練樣本，保證建立的深埋巷道圍巖智能反分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠，采用正交設(shè)計(jì)法構(gòu)造試驗(yàn)，對巷道圍巖變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析，構(gòu)造和訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本。然后，用訓(xùn)練樣本對深埋巷道圍巖智能反分析系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)束后用檢驗(yàn)樣本對系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)。最后，將檢驗(yàn)合格的深埋巷道圍巖智能反分析系統(tǒng)用于望峰崗井和朱集深埋巷道圍巖的位移反分析，得到相應(yīng)的反演參數(shù)：彈性模量和側(cè)壓力

30、系數(shù)。(2)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巷道支護(hù)專家決策系統(tǒng)的開發(fā)深埋巷道圍巖支護(hù)方式及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的具體開發(fā)過程如下：建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation)；收集資料，然后構(gòu)建樣本空間，包括輸入和輸出樣本；書寫訓(xùn)練函數(shù)，用樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并保存訓(xùn)練的結(jié)果，即各個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值W和閾值b；軟件界面的設(shè)計(jì)和美化；各個(gè)功能模塊的添加和實(shí)現(xiàn)；使用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，對輸入的實(shí)際工程條件進(jìn)行仿真，得到輸出結(jié)果。根據(jù)輸出結(jié)果繪制圖形和填寫說明文件，使輸出結(jié)果更加直觀。后期工作：主要是對軟件進(jìn)行不斷地測試，排除書寫和邏輯錯(cuò)誤，并對代碼按功能進(jìn)行分塊，使程序結(jié)構(gòu)更加清晰，提高了代碼

31、的重用性并減少了代碼的冗余。6主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)經(jīng)過科技查新和課題成果鑒定確定的課題創(chuàng)新點(diǎn)為：(1)通過試驗(yàn)和理論分析建立了卸荷條件下裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)模型；(2)利用全景數(shù)字化鉆孔成像技術(shù)和深部位移量測，確定深埋巷道圍巖多次破裂區(qū)域及裂隙張開度；(3)提出深埋巷道圍巖多次破裂的形成機(jī)制，首次提出復(fù)合巖體梁穩(wěn)定分析方法，并應(yīng)用于深埋巷道直墻部分圍巖穩(wěn)定分析；(4)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立淮南礦區(qū)深埋巷道錨網(wǎng)噴索支護(hù)方法及其參數(shù)優(yōu)化的專家系統(tǒng)。7研究成果通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析以及數(shù)值模擬等方法的綜合運(yùn)用，本課題研究獲得了如下主要結(jié)果：(1) 通過巖體室內(nèi)單軸、三軸力學(xué)性能試驗(yàn)，獲得了深部巖體的

32、強(qiáng)度、泊松比、凝聚力及內(nèi)摩擦角等力學(xué)指標(biāo)，同時(shí)建立了卸荷條件下裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)模型，并在此模型基礎(chǔ)上對深埋巷道圍巖的變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：考慮巖體流變特性的巷道圍巖變形量大約是彈塑性分析結(jié)果的13倍。(2) 利用FLAC3D二次開發(fā)技術(shù)，模擬研究了巖層層理、水平地應(yīng)力系數(shù)和巷道斷面尺寸、注漿效果等因素對深埋巷道圍巖變形特性及其塑性區(qū)的影響，結(jié)果表明水平地應(yīng)力系數(shù)、巖層層理及巷道斷面尺寸對巷道底臌及塑性區(qū)擴(kuò)展深度影響顯著，而注漿則可以顯著的改善巷道圍巖的收斂變形和塑性區(qū)擴(kuò)展深度，注漿前后對比發(fā)現(xiàn)圍巖變形及塑性區(qū)深度可減小23倍。(3) 建立了深埋巷道圍巖位移智能反分析系統(tǒng)，對深部巖石力

33、學(xué)參數(shù)進(jìn)行有效的反演并根據(jù)實(shí)測巷道圍巖變形特征獲得了望峰崗礦井水平地應(yīng)力系數(shù)在0.850.95之間，這和實(shí)測結(jié)果幾乎完全一致。(4) 在全面分析區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征的前提下，獲得淮南礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場總體呈最大主應(yīng)力方向近似為NWW方向(270°315°之間)，最小主應(yīng)力則為豎直向的自重應(yīng)力，中間主應(yīng)力方向則近似為NNE方向(0°45°之間)的分布規(guī)律。同時(shí)結(jié)合望峰崗礦井實(shí)際揭露的構(gòu)造跡線特征，采用節(jié)理玫瑰花圖的方法獲得了望峰崗煤礦-960m水平構(gòu)造地應(yīng)力場的分布規(guī)律為最大主應(yīng)力方向豎直、最小主應(yīng)力為NNE方向(0°45°之間)、中間主應(yīng)力為

34、NWW方向(270°315°之間)，認(rèn)為由于南北向控制斷層得影響，使得該礦井井田范圍內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力方向與區(qū)域構(gòu)造原始地應(yīng)力場的主應(yīng)力方向略有不同。并采用套筒致裂方法現(xiàn)場量測了望峰崗礦井-960m水平砂巖中的主應(yīng)力為：最大主應(yīng)力MPa，方向豎直、最小主應(yīng)力為：MPa，平均方向?yàn)?0°(NNE方向)、中間主應(yīng)力為：MPa，平均方向?yàn)?85°(NWW方向)。(5) 采用收斂計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿拉力計(jì)等多種手段對深埋巷道圍巖變形特性和支架受力進(jìn)行測試，并利用全景數(shù)字化鉆孔成像技術(shù)和深埋巷道圍巖位移進(jìn)行量測，獲得如下認(rèn)識：(6) 提出深埋巷道圍巖多次破裂的形

35、成機(jī)制，提出了復(fù)合巖體梁穩(wěn)定分析方法，并應(yīng)用于深埋巷道直墻部分圍巖穩(wěn)定分析，指出淮南礦區(qū)巖石巷道圍巖穩(wěn)定控制的關(guān)鍵是保證深埋巷道底板的穩(wěn)定；并在理論分析的基礎(chǔ)上，針對錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)建議適當(dāng)減少錨桿長度至2.0m左右，而將拱頂部分錨桿密度增加至 并結(jié)合全斷面注漿的支護(hù)方法。(7) 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立淮南礦區(qū)深埋巷道支護(hù)方法及其參數(shù)優(yōu)化的專家系統(tǒng)，并對淮南礦區(qū)深埋巷道圍巖常見的三種煤系地層及巷道跨度下的支護(hù)方式和參數(shù)進(jìn)行預(yù)測分析，并給出了建議支護(hù)方法及參數(shù)。8與國內(nèi)外同類技術(shù)的綜合比較與國內(nèi)外同類研究相比，本課題在以下方面有較大的技術(shù)進(jìn)步：(1)深井巷道圍巖的本構(gòu)模型方面：通過試驗(yàn)和理論分析建立了

36、卸荷條件下裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)模型，將建立的模型對FLAC3D軟件做二次開發(fā)，并對深井巷道圍巖變形特性進(jìn)了數(shù)值模擬；(2)深井巷道圍巖變形特性方面：利用全景數(shù)字化鉆孔成像技術(shù)和深部位移量測等多種觀察手段，確定深埋巷道圍巖多次破裂區(qū)域及裂隙張開度；(3)理論方面：提出深埋巷道圍巖多次破裂的形成機(jī)制，首次提出復(fù)合巖體梁穩(wěn)定分析方法，并應(yīng)用于深埋巷道直墻部分圍巖穩(wěn)定分析；(4)軟件方面：基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別建立了深井巷道圍巖智能位移反分析系統(tǒng)和淮南礦區(qū)深埋巷道錨網(wǎng)噴索支護(hù)方法及其參數(shù)優(yōu)化的專家系統(tǒng)。9第三方評價(jià)與推廣應(yīng)用情況9.1第三方評價(jià)本項(xiàng)目研究成果通過專家組的鑒定，鑒定結(jié)論為：該課題的研究成果在

37、淮南礦業(yè)集團(tuán)的朱集礦和望峰崗礦等深埋巷道中得到了成功的應(yīng)用，其理論和技術(shù)上的創(chuàng)新也對促進(jìn)我國礦井建設(shè)的發(fā)展起到了非常重要的作用，研究成果達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。9.2推廣應(yīng)用情況(1)在朱集煤礦的應(yīng)用朱集煤礦-906m水平的風(fēng)井車場南繞道，在原有的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)下，支護(hù)效果不好，部分巷道出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的拱頂下沉和底鼓現(xiàn)象，嚴(yán)重者出現(xiàn)了錨桿和錨索被拉斷現(xiàn)象。后來巷道施工采用了本項(xiàng)目研究成果建議的支護(hù)方式和參數(shù)：錨網(wǎng)噴索+U29鋼棚+注漿聯(lián)合支護(hù)方式；錨桿直徑22mm，長度2500mm，間排距800×800mm，錨索直徑17.8mm，長度7m，間排距2000×3000，棚距700

38、mm；在巷道施工后約2530天進(jìn)行圍巖注漿，注漿順序?yàn)橄鹊装搴髢蓭妥詈箜敯?。巷道圍巖變形明顯減小，支護(hù)效果明顯提高。截止到2009年底，本項(xiàng)目研究成果除在我礦朱集煤礦-906m水平的風(fēng)井車場南繞道應(yīng)用外，在其它巷道支護(hù)中也得到了推廣應(yīng)用，取得了良好的效果。應(yīng)用結(jié)果表明，采用新的巷道支護(hù)方式和參數(shù)后，減少了巷道工程量、大大降低了巷道返修費(fèi)用、有效控制了巷道圍巖變形。(2)在謝一礦望峰崗井的應(yīng)用淮南礦業(yè)集團(tuán)謝一礦望峰崗礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力3.0Mt/a。井筒全深987.5m，井筒凈直徑7.6m，掘進(jìn)荒徑8.6m8.8m。我礦望峰崗井二副井-960m水平巷道和中央泵房特大硐室，在原支護(hù)設(shè)計(jì)方案下，巷道

39、的支護(hù)效果差，巷道變形嚴(yán)重，部分巷道出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的拱頂下沉和底鼓現(xiàn)象，巷道平均1-2月要進(jìn)行返修一次。采用了“深井巷道圍巖變形特性與支護(hù)設(shè)計(jì)研究”課題成果，改進(jìn)了支護(hù)方案和參數(shù)，巷道圍巖變形得到有效控制，巷道返修率明顯減少。降低工程直接成本，提前計(jì)劃1個(gè)月完成工程施工。截止到2009年底，本項(xiàng)目研究成果除在我礦望峰崗井二副井-960m水平巷道應(yīng)用外，還在我礦其他深井巷道進(jìn)行了推廣應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，采用本項(xiàng)目研究成果給出的巷道支護(hù)方式和參數(shù)后，增加了巷道施工的安全性、大大降低了巷道返修次數(shù)和費(fèi)用、有效控制了巷道圍巖變形。(3)在潘一東礦的應(yīng)用潘一東風(fēng)井馬頭門位于-848m，水平風(fēng)井井底車場埋藏深度達(dá)-865m。巷道埋藏深，受地應(yīng)力影響較大，加之巖石局部強(qiáng)度低，層理發(fā)育，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，又是雙交叉點(diǎn)，頂板松動(dòng)圈范圍大，易掉頂，成形差。在原支護(hù)設(shè)計(jì)方案下，巷道的支護(hù)效果很不理想，巷道變形嚴(yán)重，部分巷道底鼓嚴(yán)重，兩邦變形也很大，巷道平均1-2月要進(jìn)行返修一次。采用了本項(xiàng)目研究給出的支護(hù)方案和參數(shù)，巷道