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由于深部巖體所處地球物理環(huán)境的特殊性和應(yīng)力場的復(fù)雜性,使得深部建井工程中的大變形災(zāi)害成災(zāi)機理十分復(fù)雜,現(xiàn)有的監(jiān)測、防控技術(shù)難以滿足未來1500~2000m深部建井安全高效施工及運營的要求。

為此，何滿潮院士在《煤炭學(xué)報》2021年第3期撰文“深部建井力學(xué)研究進展”，并以此為題在“深部巖體力學(xué)與開采理論”專題發(fā)布會對相關(guān)成果進行了詳解。

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創(chuàng)新點

（1）提出了以不同工程斷面配合高預(yù)應(yīng)力恒阻非均勻支護實現(xiàn)應(yīng)力場均勻化的深部非均壓建井新模式及其設(shè)計***。

（2）建立了不同巖體結(jié)構(gòu)深井井筒力學(xué)模型分類體系并推導(dǎo)了橢圓形井筒的三維解析解。

（3）采用自主研發(fā)的深部巖體力學(xué)實驗裝備，揭示了深部非均勻壓力場條件下建井巖體大變形力學(xué)特性及其致災(zāi)機理。

（4）研制了高恒阻、大延伸率NPR錨索新材料及其配套大變形災(zāi)害控制技術(shù)。

（5）構(gòu)建了無煤柱自成巷采礦損傷不變量方程，提出了深部無煤柱自成巷N00建井模式，為未來深部智能化、無人化開采建井提供了技術(shù)儲備。

作者簡介

何滿潮，男，1956年5月24日生，河南靈寶人。全國政協(xié)第十三屆委員，中國科學(xué)院院士，阿根廷國家工程院院士，教授，博士生導(dǎo)師，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室主任，兼任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會理事長、中國礦業(yè)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟理事長、中國礦業(yè)知識產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟理事長。獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎1項，國家科技進步二等獎3項，中國專利金獎1項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇；獲“全國杰出科技人才獎”、“何梁何利科技進步獎”和國際防災(zāi)減災(zāi)學(xué)會“科學(xué)成就獎”，被授予“全國創(chuàng)新爭先獎狀”。2013年當選中國科學(xué)院院士。

研究方向

礦山巖體力學(xué)，深部工程災(zāi)害控制理論與技術(shù)

主要成果

致力于礦山巖體力學(xué)基礎(chǔ)理論與災(zāi)害控制關(guān)鍵技術(shù)的研究，取得了多項創(chuàng)新性成果，研發(fā)了多套大變形災(zāi)害機理實驗系統(tǒng)，創(chuàng)建了深部巖體力學(xué)實驗室；形成了無煤柱自成巷110/N00工法技術(shù)體系，引領(lǐng)了礦業(yè)科學(xué)技術(shù)第三次革命。提出了具有負泊松比（NPR）效應(yīng)的恒阻大變形錨桿（索）的理念，通過實驗定型了NPR錨桿（索）序列產(chǎn)品，研發(fā)了深部工程大變形災(zāi)害控制系列技術(shù)，為深部煤炭資源安全高效綠色開采提供了重要的理論基礎(chǔ)與技術(shù)保障。

摘要

隨著淺部煤炭資源的日益枯竭,我國煤炭開采朝著深部化和大型化方向發(fā)展,新建和改擴建的大型立井年生產(chǎn)能力已達1000萬t,開采最大深度已達1500m。千米深井在建井時所處的高應(yīng)力、“各向異性”(包括巖體、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等)復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境,造成井筒以及井底車場大巷圍巖出現(xiàn)塌方、巖爆以及沖擊地壓等大變形災(zāi)害,嚴重影響深部礦井安全高效建設(shè)。

在國家重點研發(fā)計劃“深地資源勘查開采”重點專項“煤礦深井建設(shè)與提升基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)”支持下,提出了深部非均壓建井模式,以非均勻支護應(yīng)對非均勻圍巖壓力;對煤系地層深部建井中典型的地層結(jié)構(gòu)進行分類,并建立了深部不同應(yīng)力條件下立井井筒力學(xué)模型。

開展了一系列模擬深部環(huán)境下的多場、多尺度巖石力學(xué)實驗,探明了深部建井巖體的各向異性與深部環(huán)境相互作用過程中的大變形力學(xué)特性,揭示了深部復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下巖體大變形力學(xué)機理。

研發(fā)了適用于深部建井巖體大變形控制NPR錨桿錨索新材料,進行了一系列拉拔力學(xué)實驗對其優(yōu)越性進行科學(xué)論證,并最終形成了一整套基于NPR錨桿錨索的支護技術(shù);開展了無煤柱自成巷N00礦井建設(shè)研究,基于“切頂短臂梁”理論,建立了采礦損傷不變量的采礦工程模型。

部分圖片

龍固煤礦井壁壓力實測結(jié)果

非均勻應(yīng)力場導(dǎo)致井巷支護結(jié)構(gòu)破壞

深部“非均壓建井”新模式

深部井筒力學(xué)結(jié)構(gòu)模型

不同巖體結(jié)構(gòu)井筒理論模型分類

深部井筒大變形“界面耦合多層結(jié)構(gòu)地質(zhì)模型”

單一地層橢圓斷面立井井筒(地質(zhì)模型IA與IB)建模的邊界條件

橢圓形井筒內(nèi)邊界4個典型深度下的第1主應(yīng)力σβ分布

橢圓形井筒內(nèi)邊界在4個典型深度下的第1主應(yīng)變εβ分布

深部軟巖黏土礦物微觀晶體結(jié)構(gòu)

高嶺石與水分子吸附、擴散、滲透作用

雜質(zhì)摻雜對水分子在高嶺石結(jié)構(gòu)內(nèi)部吸附影響

高嶺石在單軸拉伸狀態(tài)下的微觀變形和破壞過程

高嶺石在單軸壓縮狀態(tài)下的微觀變形和破壞過程

高嶺石在剪切狀態(tài)下的微觀變形和破壞過程

深部建井巖體與水相互作用軟化效應(yīng)典型實驗

假三軸條件下深部砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

真三軸條件下深部砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

深部砂巖變形全過程能量演化曲線(σ3unload=13MPa)

不同模擬深度、相同應(yīng)力路徑下深部砂巖強度準則擬合曲線

矩形巷道開挖破壞及其紅外能量演化特征

馬蹄形巷道開挖卸荷后變形特征

多面卸載應(yīng)變巖爆實驗

不同斷面形狀井筒/巷道沖擊巖爆實驗

不同斷面形狀井筒/巷道沖擊巖爆實驗聲發(fā)射特征

復(fù)合災(zāi)害孕育過程聲發(fā)射能量演化特征

復(fù)合災(zāi)害孕育階段瓦斯壓力與能級頻次間關(guān)系

宏觀結(jié)構(gòu)NPR桿/索新材料

NPR錨桿錨索拉伸特性曲線

拉伸斷口形態(tài)對比

滯回耗能曲線對比

霍普金森高速沖擊曲線對比

采礦損傷不變量的采礦工程模型

深部煤礦N00礦井建設(shè)開拓布局設(shè)計

來源：

何滿潮.深部建井力學(xué)研究進展[J].煤炭學(xué)報,2021,46(3):726-746.

HEManchao.Researchprogressofdeepshaftconstructionmechanics[J].JournalofChinaCoalSociety,2021,46(3):726-746.

責(zé)任編輯：郭曉煒

編輯整理：郭曉煒

審核：常琛

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