深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采常面臨采動(dòng)覆巖劣化、底板破壞突水、斷層滑移以及高三向復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下圍巖失穩(wěn)等工程難題。為此，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）趙洪寶教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了系統(tǒng)的科研攻關(guān)，創(chuàng)新性構(gòu)建了涵蓋覆巖垮落、底板裂隙擴(kuò)展、傾斜煤層底板破壞及斷層滑移失穩(wěn)的多維巖體力學(xué)模型與評(píng)估方法，提出了非靜水壓力條件下的偏應(yīng)力場(chǎng)分布理論基于PSO-AHP耦合算法的巷道布置優(yōu)化模型，以及卸壓槽技術(shù)的適用性邊界條件。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研發(fā)了包括非對(duì)稱支護(hù)差異化卸壓局部強(qiáng)化加固在內(nèi)的成套圍巖控制技術(shù)體系。目前，該系列成果已在多個(gè)復(fù)雜地質(zhì)條件下的礦區(qū)成功應(yīng)用，顯著抑制了圍巖大變形及相關(guān)動(dòng)力災(zāi)害，為深部礦井的安全高效開(kāi)采提供了重要的理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

導(dǎo)師簡(jiǎn)介

趙洪寶

博士、教授、博士生導(dǎo)師

山東德州人，現(xiàn)任中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院教師，博士、教授、博士生導(dǎo)師、越崎杰出學(xué)者。美國(guó)南加州大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，綠色礦山突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)獲得者，入選國(guó)際科學(xué)組織Vebleo協(xié)會(huì)會(huì)士(VEBLEO Fellow)，兼任中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員、中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石測(cè)試技術(shù)專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)露天邊坡工程專委會(huì)委員。主要從事瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治、粉塵防治和露天邊坡工程方面的教學(xué)與研究工作，先后主持國(guó)家級(jí)科研課題5項(xiàng)，省部級(jí)科研課題10余項(xiàng)，校企合作研究課題60余項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇，被SCI、EI收錄70余篇；獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)一、二等獎(jiǎng)20余項(xiàng)，出版專著3部。

成果一 提出了一種考慮巖體強(qiáng)度擾動(dòng)劣化特性的采場(chǎng)覆巖垮落形態(tài)預(yù)測(cè)模型

針對(duì)傳統(tǒng)理論忽視采動(dòng)擾動(dòng)對(duì)覆巖強(qiáng)度劣化影響的問(wèn)題，提出了一種結(jié)合Hoek-Brown準(zhǔn)則與擾動(dòng)因子的覆巖垮落特征預(yù)測(cè)新方法，并利用數(shù)值模擬揭示了頂板垮落產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載對(duì)采場(chǎng)底板穩(wěn)定性的深刻影響。研究表明，當(dāng)采空區(qū)推進(jìn)至“見(jiàn)方”狀態(tài)后，垮落巖塊的沖擊能量趨于穩(wěn)定；在動(dòng)載作用下，底板垂直應(yīng)力經(jīng)歷“加載—卸載—恢復(fù)”過(guò)程，而淺部巖層的動(dòng)力響應(yīng)顯著強(qiáng)于深部。最為關(guān)鍵的結(jié)論是，動(dòng)載引發(fā)的擴(kuò)容效應(yīng)導(dǎo)致底鼓量顯著增加，且由于反射應(yīng)力波與卸載作用的疊加，底板的張拉破壞深度出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)（模擬中最大增幅達(dá)347%），這一破壞效應(yīng)遠(yuǎn)超對(duì)剪切破壞的影響。該研究成果已通過(guò)晉城成莊礦等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證，證實(shí)了頂板來(lái)壓時(shí)底板破壞深度存在“二次加深”現(xiàn)象，這對(duì)預(yù)防承壓水上開(kāi)采突水事故具有重要的理論指導(dǎo)意義。

覆巖冒落拱演化規(guī)律

覆巖垮落沖擊荷載計(jì)算流程

成果二 建立了采動(dòng)影響下采場(chǎng)圍巖裂隙擴(kuò)展發(fā)育力學(xué)模型

針對(duì)采場(chǎng)底板裂隙擴(kuò)展機(jī)制，建立了包含剪切滑移、Ⅰ/Ⅱ型擴(kuò)展、彎折擴(kuò)展、宏觀剪切及卸荷張拉破壞5個(gè)階段的力學(xué)模型，并推導(dǎo)了相應(yīng)的臨界應(yīng)力條件。研究揭示了底板裂隙擴(kuò)展的顯著分區(qū)特征：實(shí)體煤底板主要受支承壓力影響發(fā)生壓剪破壞和彎折擴(kuò)展，而采空區(qū)底板則受卸荷作用主導(dǎo)，發(fā)生卸荷張拉破壞，且卸荷量與缺陷處的應(yīng)力集中系數(shù)是控制破壞的關(guān)鍵因素。通過(guò)離散斷裂網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)底板注水試驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證，證實(shí)了該理論模型的準(zhǔn)確性，為采場(chǎng)底板突水災(zāi)害的預(yù)測(cè)與防治提供了重要的力學(xué)依據(jù)。

采動(dòng)圍巖裂隙擴(kuò)展臨界應(yīng)力理論計(jì)算模型

含裂隙底板區(qū)域破壞特征

成果三 建立了采動(dòng)影響下傾斜礦層底板破壞理論模型

針對(duì)深部?jī)A斜高瓦斯煤層底板抽采巷道的合理布置與圍巖控制難題，建立了深部非均勻受壓巷道的三維力學(xué)模型。同時(shí)，綜合運(yùn)用雙屈服采空區(qū)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了底抽巷的最佳布置層位。研究提出了“錨索+噴漿”聯(lián)合支護(hù)方案，為深部?jī)A斜煤層瓦斯抽采功能的實(shí)現(xiàn)提供工程保障。

采動(dòng)影響下底板走向與傾向破壞深度理論分析模型

成果四 釋清了采動(dòng)影響導(dǎo)致斷層活化的力學(xué)機(jī)制

綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，深入研究了深部采動(dòng)誘發(fā)斷層滑移的時(shí)空演化規(guī)律及其動(dòng)載影響范圍。建立了斷層-圍巖彈性力學(xué)模型，揭示了采動(dòng)卸荷導(dǎo)致斷層面法向應(yīng)力降低是觸發(fā)斷層活化的根本機(jī)制，并基于此構(gòu)建了斷層滑移評(píng)估模型，確定了斷層滑移的臨界傾向性指數(shù)閾值為0.40。通過(guò)數(shù)值模擬與微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，研究精準(zhǔn)界定了斷層滑移失穩(wěn)的動(dòng)載“互饋影響區(qū)”范圍為回采工作面通過(guò)斷層后約150 m。針對(duì)這一高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，提出了一套“錨網(wǎng)索+噴漿”的強(qiáng)化支護(hù)方案，將加固范圍設(shè)定為工作面過(guò)斷層前20 m至過(guò)斷層后170 m（共190 m），現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，該方案成功將巷道頂板、底板及兩幫的最大變形量分別控制在153、126和117 mm以內(nèi)，顯著提升了深部斷層影響區(qū)巷道的圍巖穩(wěn)定性。

采動(dòng)導(dǎo)致斷層活化機(jī)制

斷層滑移評(píng)估模型

成果五 提出了非靜水壓力條件下巷道圍巖偏應(yīng)力場(chǎng)分布與破壞規(guī)律理論

針對(duì)非靜水壓力（即三向應(yīng)力不等）條件下巷道圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題，創(chuàng)新性地從偏應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變能密度的角度揭示了圍巖破壞的內(nèi)在機(jī)制。研究表明，主導(dǎo)應(yīng)力的方向直接控制了圍巖偏應(yīng)力的集中區(qū)域：在水平應(yīng)力主導(dǎo)的應(yīng)力場(chǎng)中，巷道頂?shù)装宓钠珣?yīng)力顯著大于兩幫，易發(fā)生頂?shù)装迤茐?；而在垂直?yīng)力主導(dǎo)的應(yīng)力場(chǎng)中，偏應(yīng)力則集中于巷道兩幫。工作進(jìn)一步指出圍巖的應(yīng)變能密度分布與塑性區(qū)形態(tài)高度吻合，當(dāng)偏應(yīng)力比>1時(shí)，圍巖將呈現(xiàn)典型的“8”字形或“X”形塑性破壞特征?；谶@一理論對(duì)回坡底煤礦1021巷進(jìn)行了工程案例分析，判定其圍巖存在傾斜的“8”字形破壞特征，并據(jù)此提出了“非對(duì)稱性支護(hù)”技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證實(shí)了該技術(shù)能有效控制圍巖變形，為深部復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護(hù)提供了重要的理論依據(jù)。

非靜水壓力條件下巷道圍巖偏應(yīng)力場(chǎng)分布與破壞規(guī)律理論

成果六 提出了三向應(yīng)力條件下巷道布置優(yōu)化的PSO-AHP理論算法模型

針對(duì)深部高三向應(yīng)力環(huán)境下巷道圍巖控制難題，提出了一種基于PSO-AHP（粒子群優(yōu)化-層次分析法）耦合算法的巷道布置優(yōu)化方法。研究首先基于彈塑性力學(xué)理論，揭示了巷道軸向與最大主應(yīng)力夾角（傾角和方位角）對(duì)圍巖偏應(yīng)力分布的敏感性差異，發(fā)現(xiàn)調(diào)整高敏感度參數(shù)可改善受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以偏應(yīng)力最小化為目標(biāo)利用PSO算法搜索最優(yōu)參數(shù)、并通過(guò)AHP進(jìn)行全局評(píng)價(jià)的優(yōu)化模型。在魏家地煤礦1104工作面運(yùn)輸巷的工程應(yīng)用中，該方法確定的優(yōu)化布置參數(shù)成功將圍巖平均偏應(yīng)力系數(shù)降至1以下，并促使最大偏應(yīng)力位置發(fā)生有利轉(zhuǎn)移；結(jié)合基于此設(shè)計(jì)的非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果證實(shí)該方案顯著提升了圍巖穩(wěn)定性，有效控制了變形。

三向應(yīng)力條件下巷道布置優(yōu)化的PSO-AHP理論算法

成果七 提出了深部非等壓巷道卸壓技術(shù)的適用性條件

針對(duì)深部非等壓應(yīng)力環(huán)境，系統(tǒng)研究了側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道卸壓槽技術(shù)適用性的影響。研究通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，卸壓槽能將圍巖淺部的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，但其卸壓效能受側(cè)壓系數(shù)λ的顯著控制：當(dāng)<1時(shí)，最大剪應(yīng)力集中于頂?shù)装鍦\部；當(dāng)>1時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)則轉(zhuǎn)向頂?shù)装迳畈俊Ｍㄟ^(guò)量化分析指出，隨著側(cè)壓系數(shù)增大，巷道兩幫的開(kāi)槽優(yōu)化比例呈負(fù)指數(shù)下降，而頂?shù)装宓膬?yōu)化比例則逐漸增加；以=1.2為臨界值，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)較低時(shí)，開(kāi)槽對(duì)兩幫效果顯著但可能對(duì)頂?shù)装瀹a(chǎn)生負(fù)面影響，而在高側(cè)壓（>1.2）環(huán)境下，開(kāi)槽對(duì)頂?shù)装宓男秹罕Ｗo(hù)作用顯著增強(qiáng)，綜合效益最優(yōu)。基于此規(guī)律，在某高側(cè)壓礦井應(yīng)用了“開(kāi)槽卸壓+重點(diǎn)加強(qiáng)兩幫支護(hù)”的差異化控制策略，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)證實(shí)該方案成功將巷道變形量控制在180 mm以內(nèi)，驗(yàn)證了基于應(yīng)力環(huán)境判定卸壓技術(shù)適用性的科學(xué)性。

開(kāi)卸壓槽前后圍巖變形對(duì)比

責(zé)編：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

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