深井巷道圍巖變形特性與支護設計研究

1、深井巷道圍巖變形特性與支護設計研究技術(shù)研究總結(jié)報告（摘要）1立項背景與目的1.1國內(nèi)外相關(guān)科學研究發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢煤礦深井巷道支護是世界礦業(yè)和巖石力學的難題之一，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問題一直受到同行學者們的關(guān)注，何滿朝教授進行了深部開采巖石力學問題研究，劉波等進行了深部礦井錨拉支架設計理論及應用研究，孫曉明等進行了深部軟巖巷道錨網(wǎng)索藕合支護非線設計方法研究和深部松軟破碎煤層巷道錨網(wǎng)索支護技術(shù)研究，景海河等進行了深部巷道構(gòu)造應力作用下巖爆過程的數(shù)值模擬，劉富道等進行了深井采場復合破碎頂板控制技術(shù)研究與應用，谷守生等發(fā)表了深井軟巖穿層巷道支護與施工技

2、術(shù)論文，成云海等開展了深井軟巖大斷面峒室的設計與應用工作，呂淵等開展了深井軟巖大巷深孔爆破卸壓機理及工程應用，王襄禹等進行了深井軟巖返修巷道綜合支護技術(shù)研究，石偉等進行了深井軟巖巷道圍巖二次支護新技術(shù)研究，王懷新等進行了深井主要巷道支護方式的研究與應用等等。國內(nèi)外科研工作者從開始的基礎研究到利用各種研究工具和方法，并把計算機應用軟件運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地了解制約煤礦生產(chǎn)癥結(jié)所在。在巷道圍巖變形機理、巷道圍巖分類及穩(wěn)定性方面，巷道開挖前后圍巖應力變化特點及規(guī)律，采動影響期間，巷道圍巖變化機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、支架設計方法及其安全可靠經(jīng)濟等問題。1.2立項目的及科學意義我國有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、件越來越復雜，越來越顯現(xiàn)出軟巖的特征。盡管巷道支護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仍然是煤礦巷道支護的薄弱環(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。尋求解決高應力軟巖巷道支護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)建設發(fā)展的迫切需要。本項目針對淮南礦區(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)化支護技術(shù)研究，具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義，對推動淮南礦區(qū)乃至全國深部巷道支護技術(shù)的發(fā)展將起到積極的作用。2任務來源本課題的任務來源是淮南礦業(yè)（集團）有限責

5、任公司項目：“深井巷道圍巖變形特性與支護設計研究”。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)集團作為國家大型企業(yè)，具有豐富的實

6、踐條件和經(jīng)驗，然而缺乏系統(tǒng)的理論研究的能力和條件；而安徽理工大學大學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)集團和安徽理工大學的合作，可以推動我國高等學校與大型企業(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)揮高等學校在國家技術(shù)創(chuàng)新體系中的重要作用，為國家經(jīng)濟和社會發(fā)展做出更大貢獻，并推動高等學校向高水平研究型大學和世界一流大學邁進的步伐。知識經(jīng)濟時代，突出的特點是知識創(chuàng)新，知識創(chuàng)新是經(jīng)濟增長的核心動力，是靠知識智力與智慧進行創(chuàng)造創(chuàng)新、發(fā)明的有獨立自主知識產(chǎn)

7、權(quán)的專利產(chǎn)品主導一切。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、教學型大學，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)濟效益，校企在這兩方面完全能夠做到優(yōu)勢互補，為對方工作而使自己獲得豐厚的回報，可以實現(xiàn)生態(tài)、互救，共贏發(fā)展?；茨系V業(yè)集團和安徽理工大學大學的這次合作研究，可以算得上是我國企業(yè)和高效合作成功的一個典范，取得的成績更具有實用性和技術(shù)經(jīng)濟價值。3組織研究過程由于這個項目是淮南礦業(yè)集團和安徽理工大學大學合作研究的項目，所以項

8、目的組織研究過程更加豐富多彩、井井有條，既有現(xiàn)場實測，又有室內(nèi)試驗；既有理論分析，又有實際巷道的實踐，這樣也保證了項目研究過程的合理性和科學性。3.1現(xiàn)場測試本項目在淮南礦業(yè)集團朱集煤礦-906m水平的風井車場南繞道、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、泥巖和細砂巖。兩個地方巷道支護方式及參數(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行了量測，具體組織過程為：深部地層原巖應力測試；深部巷道支護情況調(diào)查；制定現(xiàn)場實測方案、選擇監(jiān)測地點、做好監(jiān)測工作的相關(guān)準備、現(xiàn)場安設測站、建立監(jiān)測系統(tǒng)、提供一次監(jiān)測階段報告。2008年1月6月，定期進行現(xiàn)場監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時處理、分析，進行施工安全性預測、預報。3.2室內(nèi)試驗軟巖流變是礦山深部巖石工程中不可忽視的重要力學特征之一，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，但基于卸荷應力路徑高地應力裂隙巖體的流變特性試驗研究面還未見報道。深部巖石物理力學性能測定試驗在2008年1月3月完

10、成，具體實施過程為：結(jié)合地應力量測試驗，現(xiàn)場在試驗點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)實驗用樣標準的巖石。采樣都是取較完整的巖塊，對于采取到的巖塊試樣及時送到實驗室加工成標準試件，用于單軸抗壓強度試驗和三軸剪切試驗。試件的抗拉強度試驗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)場實測和室內(nèi)試驗完成之后進行的，具體實施時間是2008年6月12月。具體實施過程為：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。通過基于卸荷應力路徑高地應力

11、裂隙巖體的流變特性試驗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行了數(shù)值模擬；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論，建立了深井巷道圍巖智能位移反分析系統(tǒng)和巷道支護專家決策系統(tǒng)。在理論分析完成后，撰寫并提交了項目研究報告。4技術(shù)原理根據(jù)課題的研究內(nèi)容與特點，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，進行地應力量測和圍巖變形特性量測，包括圍巖深部位移和松動圈范圍的量測。通過地應力量測可以得到淮南礦區(qū)深井巷道的地應力特征，為深井巷道支護設計和支護參數(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圈和塑性區(qū)的范圍，這有助于合理、科學確定深井巷道支護參數(shù)。2.進行深部巖體的力學性能指標測定，掌握深部巖石的力學特性，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重要力學特性，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結(jié)果為基礎獲得了裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)力學模型，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參數(shù)和本構(gòu)模型。3.通過現(xiàn)場實測，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軟件平臺進行二次開發(fā)，并進行深井巷道圍巖變形的數(shù)值分析，實現(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)，這里采用試驗得到的材料力學參數(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方式和支護參數(shù)的合理選取提供了依據(jù)。5.通過理論分析、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬，進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方式?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡理論，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參數(shù)和地應力特征參數(shù)：彈模和側(cè)壓力系數(shù)，這為深井巷道支護設計和支護參數(shù)選取提供了基礎數(shù)據(jù)。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的巷道支護專家決策系統(tǒng)可以對具體的神經(jīng)巷道提出建議的相對合理的支護方式和支護參數(shù)。6.在本項目的研究過程中，對取得的成果，為了驗證其正確合理性，在淮南礦業(yè)集團朱集礦、謝一礦望峰崗井、潘一東礦三個礦的深井巷道內(nèi)進行了研究成果的應用實踐。實踐結(jié)果表明，本項目的研究成果取得了相當好的效果，取得了較大的經(jīng)濟效益。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)集團朱集煤礦-906m水平的風井車場南繞道、望峰崗煤礦二副井-960m水平水泵房通道兩個地點，監(jiān)測區(qū)段處巷道圍巖主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖和細砂巖。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，獲得支護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的變化特性，了解錨桿錨索支護效果及其作用，為檢驗支護質(zhì)量和改進錨桿錨索設計提供依據(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制以及驗證深部位移監(jiān)測結(jié)果。2. 測試內(nèi)容(1) 用巷道收斂計進行巷道表面收斂監(jiān)測，獲

16、得巷道表面頂板與兩幫的相對移近量及移動速度；(2) 利用多點位移計觀測巷道圍巖內(nèi)部位移情況；(3) 用錨桿錨索測力計測定錨桿錨索的受力情況；(4) 利用聲波測試儀進行圍巖破裂區(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) 巷道表面收斂計巷道收斂計采用JSS30A型數(shù)顯收斂計，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間的距離，達到評定工程穩(wěn)定性，研究工程圍巖及支護的變形發(fā)展規(guī)律，確定合理支護參數(shù)的目的。(2) 多點位移計本次測試所用的多點位移計是由安徽理工大學自行研制、加工的，具有操作簡單，經(jīng)濟

17、，準確率高的優(yōu)點。量測時用安裝桿將錨固器依次推至預設深度，每一個錨固器對應一個基點位置，被測鋼線引到安裝桿外，一般孔口預留鋼線長度為400-500mm，鋼線有不同顏色，各種顏色代表安裝在不同的基點深度。將測繩拉直，以孔口裝置外側(cè)為基準面，從基準面到鋼線尾部的距離為測讀距離，用鋼尺讀數(shù)。(3) 錨桿測力計錨桿測力計采用的是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)，當圍巖破裂縫多時，破碎巖石中的波速相對于深部完整未松動巖石

18、的波速低。通過巖石鉆孔(4145mm)，測出聲波縱波傳播時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，剖面實時自動提取，圖像清晰逼真，方位及深度自動準確校準，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)：智能鉆孔光學成像系統(tǒng)主要由成像儀主機、探頭、繞線架、深度計數(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

19、。主機內(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，對全景圖像實時進行自動采集，能夠?qū)D像進行處理，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時呈現(xiàn)。4.測站布置及觀測方式監(jiān)測斷面布置與元件埋設方案見圖1所示。觀測方式用上述測試元件測試相應的數(shù)據(jù)。注：圖中16為測點編號圖1 監(jiān)測斷面布置圖5.監(jiān)測內(nèi)容及元件埋設方案 巷道收斂變形監(jiān)測每個測站在巷道左幫、頂板、右?guī)头謩e設置1#、2#、3#三個測點，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巷道表面收斂測

20、點。監(jiān)測元件為JSS30A型數(shù)顯收斂計。 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多點位移計，測點號1#、2#、3#，位置在圖1中的3，1和6位置處，每個孔內(nèi)設7個基點，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)測元件采用自行設計加工的位移計。同時在1，2，3和6位置處分別設置一個鉆孔窺視儀測試鉆孔。 支護結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測分別在頂板和拱肩處，即6、1、2號位置設置錨索和錨桿測力計，測點號同表面位移監(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號位置各設置一個圍

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地應力測試方案本次在望峰崗煤礦進行的地應力量測儀器是由安徽理工大學自己研制的套筒致裂設備，該設備主要優(yōu)點有：(1)能測量較深處的絕對應力狀態(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)克服了應力解除法需要的套芯工序，可利用現(xiàn)場施工的鉆孔進行壓裂試驗；套筒致裂法的實質(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。整個測試系統(tǒng)由手壓油泵、高壓油管、壓力表和套筒應力計組成。利用套筒致裂法進行地應力測試，主要的測試步驟如下： 沿巷道的周邊某個徑向方向鉆孔； 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； 進行第二次致裂試驗，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度； 根據(jù)液體壓力-體積變化曲線的拐點確定關(guān)閉壓力值(等于最小主應力)； 將第一次峰值壓力、巷道材料

23、抗拉強度T及最小主應力代入式，可得最大主應力。測試部位的選取：為了能夠在測試地應力時不影響現(xiàn)場施工，本次在望峰崗煤礦二副井井口附近的地應力量測地點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)中細砂巖中進行的。測試試驗過程中，首先在水泵房巷道左幫完整性相對較好的中細砂巖中打一直徑為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行套筒加壓擴張試驗，將獲得的參數(shù)代入和式，計算獲得測試平面上的最大主應力、最小主應力，而另一個主應力，則是按照測試點上覆巖體的自重按照公式計算獲得。至于三個主應力的方向則是按照構(gòu)造地質(zhì)統(tǒng)計分析的方法得到。5.3室內(nèi)試驗方案室內(nèi)試驗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結(jié)果為基礎獲得了裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)力學模型。室內(nèi)試驗具體方案為：結(jié)合地應力量測試驗，現(xiàn)場在試驗點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)實驗用樣標準的巖石。采樣都是取較完整的巖塊，對于采取到的巖塊試樣及時送到實驗室加工成標準試件，用于單軸抗壓強度試驗和三軸剪切試驗。試件的抗拉強度試驗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制，提出了復合巖體梁穩(wěn)定分析方法，并應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結(jié)果為基礎獲得了裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)力學模型，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行了彈塑性分析；(2)為了研究不同水平地應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行模擬對比分析。在做對比模擬分析時，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個水平的K0，對比分析三個不同側(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行了模擬對比分析。在做對比模擬分析時，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個水平。在做對比分析的時候，變化深埋巷道跨度時，其高度保持不變；而變化其高度時，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將模型導入FLAC3D里面進行分析計算。(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?；谑覂?nèi)試驗的結(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的分析，指出了目前巷道支護設計的最大難題是如何獲得合理的圍巖力學參數(shù)和地應力特征參數(shù)，位移反分析有望解決這個問題。但是，

28、現(xiàn)有的位移反分析法確定巖體的力學參數(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，還有效率不高且運用復雜，難于工程普及的問題。因此，研究和建立一個能較好實現(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目進行的現(xiàn)場實測、室內(nèi)試驗經(jīng)驗的總結(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)控量測的實際情況，一般情況下可輸入的獨立的巷道圍巖位移實測值一般只有兩個：洞周水平收斂和拱頂下沉，相應的可辨識參數(shù)也只能有兩個。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)絡技術(shù)和MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱，建立了深埋巷道圍巖變形智能反分析系統(tǒng)。為了得到與工程實際情況相吻合的高質(zhì)量的訓練樣本，保證建立的深埋巷道圍巖智能反分析系統(tǒng)的準確可靠，采用正交設計法構(gòu)造試驗，對巷道圍巖變形進行數(shù)值模擬分析，構(gòu)造和訓練樣本和檢驗樣本。然后，用訓練樣本對深埋巷道圍巖智能反分析系統(tǒng)進行訓練，訓練結(jié)束后用檢驗樣本對系統(tǒng)進行檢驗。最后，將檢驗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)絡的巷道支護專家決策系統(tǒng)的開發(fā)深埋巷道圍巖支護方式及參數(shù)優(yōu)化設計軟件的具體開發(fā)過程如下：建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型，選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(Back Propagation)；收集資料，然后構(gòu)建樣本空間，包括輸入和輸出樣本；書寫訓練函數(shù)，用樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，并保存訓練的結(jié)果，即各個神經(jīng)元的權(quán)值W和閾值b；軟件界面的設計和美化；各個功能模塊的添加和實現(xiàn)；使用訓練好的網(wǎng)絡，對輸入的實際工程條件進行仿真，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：主要是對軟件進行不斷地測試，排除書寫和邏輯錯誤，并對代碼按功能進行分塊，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)新點經(jīng)過科技查新和課題成果鑒定確定的課題創(chuàng)新點為：(1)通過試驗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制，首次提出復合巖體梁穩(wěn)定分析方法，并應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)絡建立淮南礦區(qū)深埋巷道錨網(wǎng)噴索支護方法及其參數(shù)優(yōu)化的專家系統(tǒng)。7研究成果通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析以及數(shù)值模擬等方法的綜合運用，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、三軸力學性能試驗，獲得了深部巖體的

32、強度、泊松比、凝聚力及內(nèi)摩擦角等力學指標，同時建立了卸荷條件下裂隙巖體彈黏塑本構(gòu)模型，并在此模型基礎上對深埋巷道圍巖的變形進行了數(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、學參數(shù)進行有效的反演并根據(jù)實測巷道圍巖變形特征獲得了望峰崗礦井水平地應力系數(shù)在0.850.95之間，這和實測結(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)造應力場總體呈最大主應力方向近似為NWW方向(270°315°之間)，最小主應力則為豎直向的自重應力，中間主應力方向則近似為NNE方向(0°45°之間)的分布規(guī)律。同時結(jié)合望峰崗礦井實際揭露的構(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)造地應力場的分布規(guī)律為最大主應力方向豎直、最小主應力為NNE方向(0°45°之間)、中間主應力為

34、NWW方向(270°315°之間)，認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)造應力場主應力方向與區(qū)域構(gòu)造原始地應力場的主應力方向略有不同。并采用套筒致裂方法現(xiàn)場量測了望峰崗礦井-960m水平砂巖中的主應力為：最大主應力MPa，方向豎直、最小主應力為：MPa，平均方向為20°(NNE方向)、中間主應力為：MPa，平均方向為285°(NWW方向)。(5) 采用收斂計、多點位移計、錨桿拉力計等多種手段對深埋巷道圍巖變形特性和支架受力進行測試，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行量測，獲得如下認識：(6) 提出深埋巷道圍巖多次破裂的形

35、成機制，提出了復合巖體梁穩(wěn)定分析方法，并應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上，針對錨噴支護結(jié)構(gòu)建議適當減少錨桿長度至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方法。(7) 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立淮南礦區(qū)深埋巷道支護方法及其參數(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方式和參數(shù)進行預測分析，并給出了建議支護方法及參數(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)進步：(1)深井巷道圍巖的本構(gòu)模型方面：通過試驗和理論分析建立了

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制，首次提出復合巖體梁穩(wěn)定分析方法，并應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)噴索支護方法及其參數(shù)優(yōu)化的專家系統(tǒng)。9第三方評價與推廣應用情況9.1第三方評價本項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)集團的朱集礦和望峰崗礦等深埋巷道中得到了成功的應用，其理論和技術(shù)上的創(chuàng)新也對促進我國礦井建設的發(fā)展起到了非常重要的作用，研究成果達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。9.2推廣應用情況(1)在朱集煤礦的應用朱集煤礦-906m水平的風井車場南繞道，在原有的支護方式和支護參數(shù)下，支護效果不好，部分巷道出現(xiàn)了較為嚴重的拱頂下沉和底鼓現(xiàn)象，嚴重者出現(xiàn)了錨桿和錨索被拉斷現(xiàn)象。后來巷道施工采用了本項目研究成果建議的支護方式和參數(shù)：錨網(wǎng)噴索+U29鋼棚+注漿聯(lián)合支護方式；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天進行圍巖注漿，注漿順序為先底板后兩幫最后頂板。巷道圍巖變形明顯減小，支護效果明顯提高。截止到2009年底，本項目研究成果除在我礦朱集煤礦-906m水平的風井車場南繞道應用外，在其它巷道支護中也得到了推廣應用，取得了良好的效果。應用結(jié)果表明，采用新的巷道支護方式和參數(shù)后，減少了巷道工程量、大大降低了巷道返修費用、有效控制了巷道圍巖變形。(2)在謝一礦望峰崗井的應用淮南礦業(yè)集團謝一礦望峰崗礦井設計年生產(chǎn)能力3.0Mt/a。井筒全深987.5m，井筒凈直徑7.6m，掘進荒徑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，在原支護設計方案下，巷道

39、的支護效果差，巷道變形嚴重，部分巷道出現(xiàn)了較為嚴重的拱頂下沉和底鼓現(xiàn)象，巷道平均1-2月要進行返修一次。采用了“深井巷道圍巖變形特性與支護設計研究”課題成果，改進了支護方案和參數(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，提前計劃1個月完成工程施工。截止到2009年底，本項目研究成果除在我礦望峰崗井二副井-960m水平巷道應用外，還在我礦其他深井巷道進行了推廣應用。應用結(jié)果表明，采用本項目研究成果給出的巷道支護方式和參數(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)和費用、有效控制了巷道圍巖變形。(3)在潘一東礦的應用潘一東風井馬頭門位于-848m，水平風井井底車場埋藏深度達-865m。巷道埋藏深，受地應力影響較大，加之巖石局部強度低，層理發(fā)育，地質(zhì)條件相對復雜，又是雙交叉點，頂板松動圈范圍大，易掉頂，成形差。在原支護設計方案下，巷道的支護效果很不理想，巷道變形嚴重，部分巷道底鼓嚴重，兩邦變形也很大，巷道平均1-2月要進行返修一次。采用了本項目研究給出的支護方案和參數(shù)，巷道