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2 千米深井圍巖控制與智能開采構(gòu)想
針對煤礦千米深井圍巖控制及智能開采面臨的技術(shù)難題，圍繞深部煤炭安全、高效開采，提出千米深井圍巖控制及智能開采理論與技術(shù)構(gòu)想，即綜合考慮巷道和采煤工作面相互影響，以合理加大工作面長度( 350 m 以上) ，實現(xiàn)生產(chǎn)集約化，降低掘進(jìn)率、提高煤炭采出率為思路，以“應(yīng)力場―圍巖變形―圍巖控制―開采與圍巖控制的智能化―井下試驗”為主線，將地質(zhì)學(xué)、煤礦開采、巖石力學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)械工程及控制科學(xué)與工程等學(xué)科有機(jī)結(jié)合，研發(fā)形成千米深井巷道圍巖支護(hù)—改性—卸壓“三位一體”協(xié)同控制及基于千米深井超長工作面礦壓規(guī)律的智能開采技術(shù)體系。主要包括千米深井巷道圍巖控制、超長工作圍巖控制和智能開采 3 個方面( 圖 4) 。為此，需要深入研究解決圍巖控制及智能開采關(guān)鍵科學(xué)問題，包括: ① 高地應(yīng)力與超長工作面強采動應(yīng)力疊加作用下巷道圍巖大變形機(jī)理; ② 高應(yīng)力、強采動巷道圍巖 “支護(hù)—改性—卸壓”“三位一體”協(xié)同控制原理; ③ 千米深井超長工作面應(yīng)力與覆巖結(jié)構(gòu)演化機(jī)理; ④ 超長工作面多信息融合的智能開采模式。在突破關(guān)鍵科學(xué)問題的基礎(chǔ)上，研發(fā)巷道超高強度、高延伸率、高沖擊韌性錨桿支護(hù)—高壓劈裂注漿改性—水力壓裂卸壓協(xié)同控制技術(shù)，超長工作面自適應(yīng)群組協(xié)同控制智能開采技術(shù)�？傮w研究理論與技術(shù)框架如圖 5 所示。
3 千米深井圍巖控制及智能開采基礎(chǔ)理論
3. 1 高應(yīng)力強采動巷道圍巖大變形機(jī)理煤礦千米深井巷道開挖后，圍巖行為迅速表現(xiàn)為復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)、非線性特征[22]，千米深井巷道圍巖由淺部的穩(wěn)態(tài)小變形轉(zhuǎn)變?yōu)樯畈康膹妱訅�、長時強流變。目前的理論不能科學(xué)解釋復(fù)雜多變地層千米深井采動巷道的圍巖劣化、大變形與破壞機(jī)理。針對千米深井高應(yīng)力、強采動的特點，從 4 個方面開展研究。一是從圍巖自身角度研究千米深井圍巖物性細(xì)觀劣化機(jī)制、深部節(jié)理圍巖物性劣化判據(jù)、深部節(jié)理圍巖強度衰減規(guī)律，揭示出千米深井強采動巷道圍巖劣化與強度衰減規(guī)律。二是根據(jù)千米深井強采動巷道開挖導(dǎo)致的側(cè)向卸荷、豎向應(yīng)力集中及強采動導(dǎo)致豎向加載的實際情況，研究提出巷道圍巖側(cè)向卸荷豎向加載應(yīng)力路徑模型( 圖 6) ，通過大尺度真三軸物理試驗和數(shù)值模擬等方法，研究深井強采動巖石的突變力學(xué)行為特征、巷道圍巖應(yīng)力分布與演化特征、巷道圍巖裂隙場演化及其與應(yīng)力場的關(guān)系，揭示出千米深井強采動巷道圍巖應(yīng)力梯度與偏應(yīng)力誘導(dǎo)裂隙擴(kuò)展規(guī)律。目前已采用數(shù)值模擬開展了偏應(yīng)力誘導(dǎo)下巷道圍巖擴(kuò)容變形研究( 圖 7) 。三是研究千米深井高地應(yīng)力巖石流變的細(xì)觀機(jī)制，研究揭示高地應(yīng)力與強采動疊加作用下巖體流變效應(yīng)及千米深井巷道圍巖持續(xù)性流變大變形機(jī)理。四是研究高地應(yīng)力與強采動疊加作用下巷道圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)制、深部破裂圍巖巷道突發(fā)性非連續(xù)大變形機(jī)理，研究二次、多次動壓影響巷道圍巖變形破壞模式，從巖層結(jié)構(gòu)上揭示出千米深井長時強采動巷道圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及破壞模式。
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