煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想.pdf

第4 3卷第 7期 2 0 1 8年 7月 煤 炭 学 报 J OUR NAL O F C HI NA C O AL S OC I ET Y Vo 1 ． 43 J u l y No． 7 201 8 康红普， 王国法， 姜鹏飞， 等． 煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 8 ， 4 3 7 1 7 8 9 1 8 0 0 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 8 ． 0 6 3 4 K ANG Ho n g p u， WANG G u o f a ， J I ANG P e n g f e i ， e t a 1 ． Co n c e p t i o n f o r s t r a t a c o n t r o l a n d i n t e l l i g e n t mi n i n g t e c h n o l o g y i n d e e p c o a l mi n e s wi t h d e p t h mo r e t h a n 1 0 0 0 m[ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 8 ， 4 3 7 1 7 8 9 1 8 0 0 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 8 ． 0 6 3 4 煤矿千米深 井 围岩控 制及 智能开采技术构 想 康红普 ， 王国 法 ， 姜 鹏飞 ， 王家臣 4 ， 张 农 ， 靖洪 文 ， 黄 炳香 ， 杨宝 贵 4 ， 管 学 茂 ， 王 志 根 1 ． 天地科技股份有限公司 开采设计事业部 ， 北京1 0 0 0 1 3； 2 ． 煤炭科学研究总 院 开采研究 分院 ， 北京1 0 0 0 1 3； 3 ． 煤炭资源高效 开采与洁净利 用 国家重点实验室 ， 北京1 0 0 0 1 3； 4 ． 中国矿业大学 北京 ， 北京1 0 0 0 8 3； 5 ． 中国矿业大学 ， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ； 6 ． 河南理 工大学 ， 河南 焦作 4 5 4 0 0 3 ；7 ． 中煤新集能源股份有 限公司 ， 安徽 淮南2 3 2 1 7 0 摘要 深地 资源开发是我 国未来科技发展的重要 方向。在 分析煤矿 千米深 井围岩控制及 智能 开采技术现状和问题 的基础上 ， 围绕安全 、 高效开采这一主题 ， 综合 考虑巷道 和采煤 工作面相 互 影响 ， 以合理加 大工作面长度 ， 实现生产集约化 ， 降低掘进 率、 提 高煤炭回收率为思路 ， 提 出要 解 决的关键科学问题与技 术构想。关键科 学问题 有 4个 千米深 井巷道 围岩 大变形机理 ； 巷道 围 岩 支护一改性一卸压协 同控制原理 ； 3 5 0 m超 长工作 面应 力与覆岩结构演化机理 ； 超长工作 面 多 信 息融合智能开采模式 ， 为千米深井围岩控 制及 智能开采提供理论基础 。针对千米深 井巷道 围 岩 高应力、 强采动的特 点， 提 出巷道 支护一 改性一卸压 “ 三位 一体” 协 同控 制技 术 ， 实现 高预应 力、 高强度 、 高冲击韧性锚杆主动支护 ， 高压劈 裂注浆主动改性及水力压裂主动卸压的“ 三主动” 协 同作用 ， 解决千米深井巷道 围岩控制难题 。针对 千米深 井超 长工作 面开采过程 中覆岩分 区破 断、 矿压动 态迁移的特 点， 以围岩控制 为核 心 ， 研发 液压支架抗 冲击技 术 ， 开发 超长 工作 面 多信 息融合的液压 支架 自适应群组协 同控制技 术与装备 ， 并 系统集成采 煤机等其他 工作 面设备 ， 最 终形成千米深 井超长工作 面智能开采成套技 术体 系， 为深部煤炭资源安全、 高效、 高回收率开采 提 供 理 论 与技 术保 障 。 关键词 千米深井； 围岩控制； 支护一改性一 卸压 ； 超长工作 面； 智能开采 ； 液压支架； 群组协 同控制 中图分类号 T D 8 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 8 0 7 - 1 7 8 9 - 1 2 Co nc e pt i o n f o r s t r a t a c o n t r o l a nd i nt e l l i g e n t mi n i ng t e c hn o l o g y i n d e e p c o a l mi ne s wi t h d e pt h m o r e t ha n 1 0 0 0 m KA NG Ho n g p u ， ， WAN G Gu o f a ， ， J I ANG P e n g f e i ， ， WANG J i a c h e n ， Z HAN G No n g ， J I NG Ho n g w e n ， HUANG Bi n g x i a ng ， YANG Ba o g ui ， GUAN Xu e ma o ， W ANG Zh i g e n 1 ． C o a l Mi n i n g a n dDe s i g n i n gDe p a r t m e n t ， T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Co． ， L t d ． ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a； 2 ． C o a l Mi n i n ga n d D e s i g n i n g B r a n c h， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i na ；3 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fC o a l Min in g a n d C l e a n U t i l i z a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i na ； 4 ． C h i na U n i v e r s i t y o fMi n i n g＆ T e c h n o l o gy B e ltin g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a ； 5 ． C h i n a U n i v e r s i ty ofMi n i n g a n d T e c h n o l o gy ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a； 6 ． t t e n a n P o ly t e c h n i c U n i v e r s i ty， J i a o z u o 4 5 4 0 0 3 ， C h i n a； 7 ． X i n j i E n e r gy C o ． ， L t d ． ， Chi n a Na t i o nal C o a l G r o u p C o r p ．， Hu a i n a n 2 3 2 1 7 0， C h i na Abs t r ac t De e p r e s o u r c e d e v e l o pme n t i s a n i mpo r t a n t a r e a f o r Ch i n e s e f ut ur e s c i e n t i fic a n d t e c h n o l o g i c a l r e s e a r c h a n d d e v e l o pme n t ． I n t h i s pa p e r ， t h e c u r r e n t s t a t us o f s t r a t a c o nt r o l a n d i n t e l l i g e n t mi ni n g t e c h n o l o g y for c o a l mi n e s wi t h a d e p t h mo r e t h a n l 0 00 m i s e v a l ua t e d ． W i t h t h e f o c u s e s o n t h e t h e me o f s a f e a n d e ffi c i e n t mi n i n g a c t i v i t y． t a k i n g i n t o 收稿 日期 2 0 1 8 0 5 1 1 修回 日期 2 0 1 8 0 6 - 1 9 责任编辑 毕永华 基金项 目 国家重点研发计划资助项 目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 0 ； 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 7 0 4 1 6 0 作者简介 康红普 1 9 6 5 一 ， 男， 山西五台人， 中国工程院院士。E m a i l k a n g h p 1 6 3 ． c o n 7 9 0 煤 炭 学 报 2 0 l 8 q - 第4 3 眷 c 1 n s i d e r a t i n o f t h e i nt e r a c t i t n b e t we e n e n t r y e x c a v a t i o n a n d c o a l e x t r a e t i o n， S O l n e k e y s i e n t i f i c i s s u e s a n d t e ‘ 1 1 1 l i t l ue o n c e p | i o n s a r e p r o p o s e d a i mi n g t 0 i n c r e a s e t h e l e ng t h o f h mg wa l l f a c e， a c h i e v e i n t e ns i v e p r o d u c t i I 1 ， r e d u c e t h e r ti l t t f e x a t i 0 l 1 ． a 『 Id i n t r e a s e c o a l r e c o v e r y r a t e ． T h e r e a r e f o u r k e y s c i e n t i fi c i s s u e s 1 t h e l a r g e 一 t e fi i r r l l a l i ’ l 1 m e c h a n i s l f r t m 1 w a y s wi t h a t I e p t h 1 0 0 0 n l a n d a b o v e； 2t h e c o o p e r a t i v e c o n t r o l p i i n c i p l e o f“ b o h i n g g r o u t i n g d e s t r e s s i n g ”r I ’ t l 1 e 1 ．0 k s u r r o u Mi n g a r o a d w a y ； 3t h e e v o l u t i o n me c h a n i s m o f s t r e s s e s a n I o v e r l y i n g s t [ ’u c t u r e o f ’ 3 5 0 n l e x [ i’ a h mg l o n g wa l l f a c e ； a n d 4mu l t i i n fi i r ma t i o n i n t e g r a t i o n i n t e l l i g e n t mi n i n g mo d e h i r e x t r a I n l 1 g h mg w a l l f a e ． F h e s e k e y s i e n I i f ．i s s ue s wi l l D r 0 v i d e a t h e o r e t i c a l ba s i s f 1 ． s t r a t a c o n [ r o l a n d i n t e I l i g e n t mi n i n g i n d e e p c o a l mi n e s ． Ba s e d t n t h e c h a r a c t e r i s t i c s f hi g h i n s i t u s t r e s s e s a n d s t r o n g mi n i n g i n du c e d s t r e s s e s s u f f e r e d b y ‘ o at n i i l l e I o a dwa y s a t 1 0 0 0 I l l d I a n t a b o v e， a o o p e r a t i v e c o n t r o l t e c h n o l o g y c a l l e d “ bo l t i n g g r o u t i n g d e s t r e s s i n g” i s p r o po s e d t o a h i e v e a l 1 n 【 ’ l i v e J p p 0 r f b y me a n s f a c o mt i n a t i o n o f r o c k [ o l t s wi t h h i g h p r e s t r e s s e d， h i g h s t r e n g t h， a n t h i g h i mp a c t t o u g h n e s s， hi g h pl ，e s s i l r e s p l i t g r o u t i n g a nd mo di f i c a t i o n o f b r n k e n r o t k ma s s， a n d a c t i v e s t r e s s i n g r i s i’ n g h y d r a u l i f r a c t u r i n g ． I t i s c x D l e d t h a I t h i s t r i ni t v t e c h n o I o g y c a n s o l v e t l l e pr o b l e m o f s t l ’ a t a c o nt l ’ l fi i r c o a l mi n e r o a dwa y s a t 1 0 00 m d e e p a l l d a I t J v e ． Ba s e d 0 n t h e h a r a c t e r i s t i c s o f p a r t i t i o n br e a ki n g o f o v e r l y i n g s t l ‘a l a a n d dy n a n l i c mi g ／ a 【 i f 1 l l f g r o u n d p i ’C S S [ I l ’f j s du r i n g - a 1 mi ni n g p r o c e s s i n e x t r a 1 o n g l o n g wa l l f a c e a t 1 0 0 0 I n d e pt h， t h e a nl i i mp a c t t e c h n o h i g y f o l ’h y dl’ a ul i c s h i e 1 【 I s j s t i e v e h p e t ． Th e s e l f - a da p t a t i o n g r o u p c o o p e r a t i v e c o n t r o l t e c hn o l o g y a n d e qu i p me n t wi t h n n i hi i n fi r ma l i o n i l 卜 t e g r a t i n a n i t - i mp a L h y dr a ul i c s h i e ht s ． a n t ]s y s t e ma t i c a l l y i n t e g r a t i n g s h e a r e r a nd o t h e r e q u i p me l i t s u s e d i n l o n g wa l I f a ． e ．1 T 1 t h i s wa y， a o mp l e t e t e c h n o h g y s y s t e m o f i n t e l l i g e n t mi n i n g wi l l b e f o r me d f o r e x t r a h mg I o n D a l l I a ‘ 、 、t i t 1 0 0 0 『 l 1 d e p t h， a i mi n g t 0 p r o v i d e t h e o r e t i c a l a n d t e c h ni c a l s u p p o r t s fi i r t h e s a f e， e ff i c i e n t a n d h i g h r 【 ‘ o v e l w mi n i n g o f d e e t c o a l r e s o ur c e s ． Ke v wo r ds 0 a 1 mi n e s wi t h d e p t h n i o r e t ha n 1 0 00 H I ； s t r a t a c o n t r o l ； M hi n g g r o u t i n g d e s t r e s s i n g； e x t I’ a h mg f i n t e l l i g e n t mi ni n g； h y d r a u l i c s h i e l d； g r o u p c o o p e r a t i v e c o n t r o l 深地 资源 J t 发是 我 国未米科 技发 展的重要 方 向I ， 煤炭是我幽的主体能源 ， 埋深 2 0 0 0 m以浅 的 煤炭资源总 为 5 ． 9万亿 t ， 其中埤 深超过 1 0 0 0 m 的 r 5 0 ％以上 ， 主要分布在我国r f 1 东部地 ， 该地 区 的煤矿大部分 已进入深部开采 。为保证 中东部 经济快速发展的能源供给， 千米深片煤炭资源开发势 在必行 ， 这对于保 障困家能源安全 、 支撑经济发展具 有 战 略意 义 ． 浅部煤矿相 比， 千米深升地廊力高 、 采 动影响 强烈 ， 导致 巷 道 岩 变形 大 、 持 续 时 I训长 、 破 坏 严 重 网 1 ； 采煤工作面矿压显现强烈 ， 煤蹙片帮 、 顶板 冒落及支架损坏现象突出 ； 传统浅部低应力 、 弱采动条件下的技术无法解决千米 深井 嘲岩控制难 题 、智能丌采 足实现安全 高效 采煤的有效 途径 。 我f q 仅基于一些浅部且地质条件简单矿井进行 了煤 矿智能化开采研究与应用 J ， 不适合高应力 、 强采动 千米深井 为此 ， 小文在国家 点研发计划项 目“ 煤 矿千米深井 围岩控制及智能开采技术 ” 的资助下 ， 分 析 了煤矿下米深并围岩控制及智能丌采技术现状 和 存在的问题 ， 提出围岩控制及智能开采理论 与技术构 想及研发思路。 图 1 米深 井巷道 措人变肜 新集 u孜 东矿 Fi g ．1 S e v e r e d e f o r ma t i o n o f a 1 00 0 『 1 1 d e e 1 r I a di v a y Ko u z i d o n g C o a l Mi n e ， Xi n j i 1 千米深井 围岩控制及智能开 采技 术现 状 1 ． 1 深部围岩控 制技术现状 深部 岩控制包括巷道和采场 【_ } ； l 岩控制两个 面。在深部巷道罔岩控制方 面， 德I 处于国际领允水 平。德国煤矿最大开采深度达到 l 7 5 0 I n ， G T A公 司 等开发} { | U 钢可缩性拱 形支架 、 锚杆 支护联 合架 后充填的 岩控制技术 ， 在鲁尔 、 萨尔 、 琛矿Ⅸ得剑 成功应用 。该技术在我 安徽新集矿I 也进 行 r井 下试验 ， 如 2所示。德 技术的 著特点赴巷道 断面大 平均 3 0 I n 、 工艺复杂 、 支护成本高昂， 煤矿无法承受。美国 、 澳大利业等 I 1 t ； 主要产煤 家 第 7期 康红普等 煤 矿千米深井 同岩控制 及智能开 采技 术构想 井工煤 矿开采深度大 多小于 6 0 0 m， 地应力较低 、 采 动影响较小 ， 巷道普遍采用锚杆支护 ， 围岩相对易 于 控制。强采动巷道进行柱式 、 垛式支架加强支护 。该 技术也不完全适合我 国深部煤矿。 图 2 锚杆 u型钢支架 架后 充填 巷道 支护技术 F i g ． 2 A r o a d w a y s u p p o r t s y s t e m c o n s i s t i n g o f r o c k b o l t s ， U s h a pe d s l e e l a r c he s a n d b a c k f i l l 国外在深部采场围岩控制方面， 同样是德国率先 开展了较为系统的研究。通过加大工 作面长度 平 均长度超过 3 0 0 m ， 实现生产集 中化和节 省回采 巷 道 ； 在顶板裂隙分类基础上 ， 提 出支架支护强度计算 公式及支架稳定性控制方法。美国 、 澳大利亚也开展 了长壁工作面 岩层控制技术研 究 。 ， 但 由于开采 深度较浅 ， 地质条件相对简单 ， 与我 国深部煤 矿有很 大差异。 我国学者在 2 0世纪 8 0年代末开始关 注深部 开 采问题。开展了“ 深部开采 条件下工程 岩体 的力学 行为及灾害的探测 、 防治与对策” 、 “ 千米深井地压 和 高温灾害监控技术与装 备” 等 国家项 目研 究。在 深 部巷道围岩控制方面， 开展了深部软岩巷道高强度锚 杆支护 、 钢管混凝土 支护及沿空 留巷支护等技术试 验 ， 开发形成 了基于地质力学测试 、 以锚 固与注 浆 为核心的煤矿 巷道支护成 套技 术体系 ， 为千 米深井巷道围岩控制研究提供 了基础。 我国学者在采场围岩控制方面， 研究了采场覆岩 破 断模式与冒落规律 ， 提 出多种采场覆岩结构假 说与理论 ， 代表性 的有砌体 梁力学模型 与关键层理 论 、 传递岩梁理论 。研究 了支架与 围岩相互 作用机 理 ， 提出了支架工作阻力计算方法。开发出系列高端 液压支架 ， 满足了超大采高综采 、 大采高综放开采 千 万吨工作面围岩控制的要求 。 j 。但这些成果主要针 对 中浅部煤层条件， 深部采场围岩控制还缺乏系统研 究 。 1 ． 2智能开采技术现状 在智能化开采方面， 多个国家进行 了技术研发。 德 国率先在长壁工作面采用 电液控 制的高阻力液 压 支架， 并借助传感器、 无线传输、 光纤网路等实现采煤 机三维导航 ， 以及支架与输送机的 自动控制。美国卡 特彼勒公司开发出埋深 6 0 0 m以浅 、 采高小 于 6 ． 0 n l 的长壁综采工作面智能化开采技术与装备 ， 久益公 司 开发出 I MS C长壁工作 面远 程智能 控制分 析 系统。 澳大利亚联邦科学院研发 出 L A S C技术 ， 将高精度光 纤陀螺仪和惯性导航技术应用于工作面没备， 实现 了 工作面 自动割煤。 我国的煤炭智能开采技术在“ 十二 五” 期 问也取 得了快速发展 ， 开发出以采煤机记忆截割 、 液压支架 自动跟机及可视化远程监控为基础 ， 以生产系统智能 化控制软件为核心的综采成套装备智能系统 【冬 『 3 ， 并在黄陵 、 神东等矿区得到成功应用 。 一 可 } 见 化 ‘ 陧 rf 地面 巷道 一 井下 巷道监控中心 巷逆 采场 f 1 作 二1 _ ， 1 | - - 复 I、 智t 化 ．／ 一 _ I ’、 、 无 操 竹 ≮ 逮 _ c0 、 一一 _- 3 “ 口 ] 视化远程干 预型” 智能开采系统 F i g ． 3 I n t e l l i g e n t mi n i n g s y s t e m b a s e d 0 n v i s u a l r e mo t e i n t e r v e n t i o n 1 ． 3存在的技术难题 虽然我国煤矿在深部开采与围岩控制领域取得 一 些进展 ， 但是要在千米深井 、 强采 动条件下实现安 全高效开采 ， 还必须解决 以下 突出的理论与技 术难 题 1 高应力 、 强采动巷道围岩持续流变和结构大 变形机理还认识不清 ， 还没有任何一种支护方式能够 彻底解决千米深井 围岩大变形控制难题。 2 加大工作面长度是千米深井实 现高效 开采 的有效途径。但是 ， 深部超长工作面采场应力分布特 征及岩层破断规律与浅部煤矿有本质差异 ， 特别是裰 岩分区破断和矿压动态迁移机理还没有研究清楚 ， 还 缺乏支架支护强度的计算方法。 3 智能开采技术 目前主要应用 于浅部或中等 埋深且煤层赋存条件较好的矿井 ， 智能控制主要针对 煤 炭 学 报 2 0 1 8 年第4 3 卷 开采装备本身 ， 缺乏与 围岩变形 、 应力及破坏的有机 融合， 不适合千米深井 、 强采动开采环境 。 综上所述 ， 急需开展千米深井围岩控制与智能开 采技术研发 ， 解决我国深部煤炭资源安全高效开采难 题 。 2 千米 深井 围岩控制与智能开 采构想 针对煤矿千米深井 围岩控制及智能开采面临的 技术难题 ， 围绕深部煤炭安全 、 高效开采 ， 提出千米深 井围岩控制及智能开采理论与技术构想， 即综合考虑 巷道和采煤工作面相互影 响， 以合理加 大工作面长 度 3 5 0 m以上 ， 实现生产集约化 ， 降低掘进率 、 提高 煤炭采 出率为思路 ， 以“ 应力场一围岩变形一围岩控 制一开采与围岩控制的智能化一井下试验” 为主线 ， 将地质学 、 煤矿开采 、 岩石力学 、 材料科学 、 机械工程 及控制科学与工程等学科有机结合 ， 研发形成千米深 井巷道 围岩支护一改性一卸压“ 三位一体” 协 同控制 及基于千米深井超长工作 面矿压规律的智能开采技 术体系。主要包括千米深井巷道围岩控制 、 超长工作 围岩控制和智能开采 3个方面 图4 。为此 ， 需要深 入研究解决 围岩控制 及智 能开采关键科 学问题 ， 包 括 ① 高地应力与超长工 作面强采动应 力叠加作用 下巷道 围岩大变形机理 ； ② 高应力 、 强采动巷道 围岩 “ 支护一改 性一卸 压 ” “ 三 位 一 体 ”协 同 控 制 原 理 ； ③ 千米深井超长工作 面应力与覆岩结构演化机 理 ； ④ 超长工作 面多信息融合 的智能开采模式。在 突破关键科学问题 的基础上 ， 研发巷道超高强度 、 高 延伸率 、 高冲击韧性锚杆支护一 高压劈裂注浆改性一 水力压裂卸压协 同控制技术 ， 超长工作面 自适应群组 协同控制智能开采技术。总体研究理论与技术框架 如 图 5所示 。 图 4 千米深 井围岩控制 及智能 开采示意 F i g ． 4 S c h e ma t i c d i a g r a m o f g r o u n d c o n t r o l f o r 1 0 0 0 m d e e p r o a dwa y a n d i nt e l l i g e nt mi n i n g 翻 皿◆ 煤 矿 千 米 深 井 围 岩 控 制 及 智 能 开 采 皿◆ 圆 ◆善 鬟 霭 厂_ _[__二T 卿 圜 复 墅 l壁 馋 删 ． 睾 雹 圆 舞 篥 孽 罄 攀 藿鹱 匝巫 千 米 深 井 围 岩 控 制 与 智 能 开 采 成 套 技 术 图 5 千米深井 岩控制及智能开采技术 研究框架 Fi g ． 5 Re s ea r c h f r a me wo r k o f g r o un d c on t r o l f o r 1 0 00 I1 1 de e p r o a d w a y a n d i n t e l l i g e n t mi n i n g 3 千米深 井围岩控 制及智能开采基础理论 3 ． 1 高应力强采动巷道围岩大变形机理 煤矿千米深井巷道开挖后 ， 围岩行为迅速表现为 复杂的非稳态 、 非线性特征 ， 千米深井巷道围岩 由 浅部 的稳态小变形 转变为深部 的强 动压 、 长时强流 变。 目前的理论不能科学解释复杂多变地层 千米深 井采动巷道的围岩劣化 、 大变形与破坏机理。针对千 米深井高应力 、 强采动的特点 ， 从 4个方面开展研究。 一 是从围岩 自身角度研究千米深井围岩物性 细观劣 化机制 、 深部节理围岩物性劣化判据 、 深部节理 围岩 强度衰减规律 ， 揭示出千米深井强采动巷道围岩劣化 与强度衰减规律 。二是根据千米深井强采动巷道开 挖导致的侧 向卸荷 、 竖向应力集中及强采动导致竖向 加载的实际情况 ， 研究提出巷道 围岩侧向卸荷竖 向加 载应力路径模型 【皋 1 6 ， 通过大尺度真三轴物理试验 和数值模拟等方法 ， 研究深井强采动岩石的突变力学 行为特征 、 巷道围岩应力分布与演化特征 、 巷道围岩 裂隙场演化及其与应力场 的关系 ， 揭示出千米深井强 采动巷道围岩应力梯度与偏应力诱导裂隙扩展规律。 目前已采用数值模拟开展 了偏应力诱导下巷道 尉岩 扩容变形研究 图 7 。三 是研究千米深井 高地应 力 岩石流变的细观机制 ， 研究揭示高地应力与强采动叠 加作用下岩体流变效 应及千米深井巷道围岩持续性 流变大变形机理 。四是研究高地应力与强采动叠加 作用下巷道围岩结构失稳机制 、 深部破裂围岩巷道突 发性非连续大变形机理 ， 研 究二次 、 多次动压影 响巷 道围岩变形破坏模式 ， 从岩层结构上揭示 出千米深井 第 7期 康红普 等 煤矿 千米深井 围岩 控制及智能开采技术构想 长时强采动巷道围岩结构失稳及破坏模式。 图6 巷道围岩侧向卸荷竖向加载应力路径概念模型 F i g ． 6 C o n c e p t u a l mo d e l s h o w i n g l a t e r a l u n l o a d i n g a n d v e r t i c a l o a di n g s t r e s s p a t h du r i ng r o a dwa y s er v i c e l i f e ‘ n叶n r】一0一 体积应变／ ％ “ 1 1 图 7偏 应力诱 导 F 巷道 围岩扩容 变形 F i g ． 7 R o a d wa y d i l a t i o n e a u s e d b y d e v i a t o r i c s t r e s s 3 ． 2 巷道围岩支护一改性一卸压协同控制原理 针对千米深井巷道围岩强流变 、 结构大变形 的特 点 ， 在高应力及强采动影响下单一棚式支架或锚杆支 护无法解决巷道 围岩控制难 题 ， 将锚杆 支护 、 注浆改 性与卸压技术有机结 合， 形成“ 三位一体” 巷道 围岩 控制技术 ， 实现 “ 三主动 ” 预应力 锚杆实 现主动 支 护 ， 高压劈裂注浆实现主动改性 ， 水力压裂实现主动 卸压 。该技术是千米深井巷道 围岩控制 的有效途径。 为充分发挥预应力锚杆的主动支护作用 ， 弄清锚 杆在井下的真实受力状态非常重要 。巷道开挖表 面 不同程度地呈现 出凹凸不平的形态 ， 传统将巷道表面 假设为平面进行锚杆及构件 的受力变形研究无法体 现井下锚杆实际受 力状况。巷道开挖后锚杆在凹凸 不平表面施加预应力过程中即处于拉 、 剪 、 扭 、 弯的复 杂受力状态， 工作面 回采强烈动压进一步加剧了巷道 围岩的扩容变形 ， 引起锚杆破坏与失效 卜 拍 J 。为此 ， 煤炭科学研究总院开采研究分 院研制出国 内外首套 锚杆力学性能综合试验台 图 8 ， 可针对锚杆井下实 际工况 ， 在锚杆拉伸 、 剪切 、 扭转 、 弯 曲及冲击载荷单 项及复合载荷作用下 ， 进行锚杆受力 、 变形与破坏试 验。试验台主要参数为 适用锚杆直径 l 6～2 5 m m， 锚杆安装推进力 1 0 k N， 锚杆预 紧扭矩 5 0 0 N 1 1 3 ， 拉 伸试验载荷 4 0 0 k N， 剪切试验载荷 5 0 0 k N， 冲击能量 1 1 0 0 0 J 。将试验结果与理论分析相结合 ， 可建立锚 杆复合应力状态下的力学模型， 以揭示锚杆应力分布 特征及破断机理 。 图 8 锚杆力学性能综合 试验 台 F i g ． 8 C o mp r e h e n s i v e t e s t i n g r i g f o r r o c k b o h me c h a n i c a l p e r f o r ma nc e s 为了研究 凹凸不平巷道表面对托板 、 钢带及金属 网等护表构件变形与破坏的影响， 本项 目计划开发能 够真实模拟巷道表面凹凸不平状态的锚杆护表构件 力学性能试验 台 图 9 。试验 台模拟真实 的巷道尺 寸 ， 真实的巷道表面不平 整度， 取一定深 度的顶板或 两帮岩层 ， 进行锚杆支护后从试验 台底部 向上加载， 直到模型表面变形至井下实际状态。在试验 中测试 托板 、 钢带 、 金属网等构件的受力变化及变形 、 破坏过 程 ， 揭示 凹凸不平巷道表面对护表构件力学性能的影 响及破坏机理 ， 并进一步研究千米深井巷道锚杆支护 与围岩相互作用关系。 图 9 锚杆护表构件 力学性能试验 台，下意 Fi g ． 9 S c h e ma t i c d i a g