[00981282]千米埋深巷道围岩时效损伤演化定量评价与控制技术

立项背景与意义：随着矿井开采深度的增加，井巷工程面临“三高一扰动”的复杂地质力学环境，有些在浅部低应力状态下表现为硬岩特征的岩石，在深部则出现了大变形，难支护的软岩力学特性。在淮北矿区，各矿已普遍进入-800m及以下深部地区进行巷道掘进，巷道出现了显著的顶沉、帮缩、底臌等现象，支护难度明显提高。虽然有很多理论来指导支护设计，如悬吊和围岩松动圈理论等，但由于对岩体的力学响应特征缺乏深入了解，这些理论在实际应用中难以实施，因而工程类比法仍然是普遍采用的支护设计方法。随着采深的增加，面临的直接问题是浅部巷道中积累的支护经验能否直接借鉴到深埋巷道中，而实践证明完全照搬浅部巷道的支护方案不能取得理想的支护效果，造成深部巷道返修率居高不下，很多深埋巷道处于前掘后翻，多次翻修的被动局面。该课题从巷道岩体的损伤机理入手，深入研究了高应力下岩石流变和损伤的耦合关系，继而研发专门的设备用于现场损伤区定量测定，避免了支护设计的盲目性，创新发展了巷道支护设计方法和技术。 主要技术内容：(1)设计了不同损伤状态下的岩石流变试验，分析了损伤状态对岩石流变特性的影响规律。(2)基于煤系砂岩循环加卸载试验，建立了岩石弹塑性损伤本构模型；基于可控损伤状态下的岩石流变试验，建立了岩石流变损伤耦合本构模型。(3)自主研发了具有柔性加载面的新型钻孔弹模仪及配套的本安型数据采集分析仪；在煤矿井下，利用实测了围岩不同深度内岩体的弹性模量，对围岩的损伤状态进行了定量评价。(4)提出了基于损伤区定量评价的动态支护设计方法，其核心思想是利用钻孔弹模仪进行损伤区定量评价，以此为基础评价支护的合理性，并为注浆支护等确定合理的参数。 主要创新点：(1)开展了可控损伤下的岩石流变试验，获得了损伤状态对流变的影响规律，提出了煤系岩石流变损伤耦合本构模型；(2)研制了具有柔性加载面的新型钻孔弹模仪，以及配套的本安型数据采集分析仪，实现了对煤矿井下巷道围岩损伤区的定量评价；(3)提出了新的支护结构数值模拟方法，获得了巷道变形中锚杆和锚索轴力变化规律，分析了不同支护条件下巷道围岩时效损伤演化特征，并结合新型钻孔弹模仪，提出了基于巷道围岩损伤区定量评价的动态支护设计方法。 知识产权情况：该项技术是高校与企业联合攻关取得的原创性成果，拥有独立自主知识产权，获得国内发明专利7项，实质审查发明专利2项；发表相关学术论文15篇，其中被SCI收录11篇、EI收录4篇，出版专著1部。 技术经济指标：已在淮北矿业集团海孜煤矿、许疃煤矿、邹庄煤矿、芦岭煤矿、朱仙庄煤矿、童亭煤矿等矿井推广应用，为高应力软岩巷道的支护提供了创新技术手段，显著降低了巷道返修率，已为煤矿企业创造直接经济效益6000余万元，取得了显著的社会与经济效益。