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谭云亮教授：煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制研究进展

煤传媒02-26

创新点

（1）选取临界埋深、断面面积、围岩综合抗压强度和围岩综合完整性系数为指标，构建基于模糊综合聚类分析的煤矿硐室地质力学等效分类方法，对煤矿深部超大断面硐室的判识更为科学和符合工程实际。

（2）构建了适用于深部动静组合加载下的岩石蠕变损伤本构关系，获得了深部复杂应力环境下硐室群围岩连锁失稳机理与能量判据，揭示了深部动静组合载荷下超大断面硐室群围岩变形破坏演化规律，为深部超大断面硐室群围岩稳定性控制奠定了理论基础。

（3）获得了深部硐室群围岩协同支护机理，研发了具有高强超塑新型支护材料以及高强拉压耦合锚索，基于长期安全稳定性，构建了深部硐室群围岩长期稳定性递进式加固技术体系及分步设计方法。

（4）提出了围岩监测指标及预警阈值和多参量权重分析法，搭建了超大断面硐室群围岩长时变形失稳监测预警平台。

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煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制研究进展

作者：谭云亮¹，范德源¹，刘学生¹，张俊文²，宁建国¹，姚强岭³，付小敏⁴

单位：1.山东科技大学能源与矿业工程学院；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院；3.中国矿业大学矿业工程学院；4.通用技术集团工程设计有限公司

背景

我国中东部地区的浅部煤炭资源已近枯竭，深部煤炭资源必将成为我国未来经济增长和发展的重要能源动力。进入深部开采后，岩石强流变特性凸显且应力环境更为复杂。另一方面，为适应煤矿智能化、集约化等方面的要求，越来越多的大及超大断面硐室群需要在井下布置。这类硐室群多为密集分布，在深部复杂环境影响下，维护难度大，围岩变形严重，极易诱发围岩失稳，特别是硐室群中某一个硐室一旦失稳，将有可能诱发周围硐室的联动失稳，从而严重影响深部大断面硐室的安全利用。

对于深部超大断面硐室及硐室群稳定性研究方面，国内外学者主要在分类方法、围岩失稳机制及加固控制技术方面进行了研究。分类方法方面，国际隧道协会以净断面面积为依据，将隧道断面划分为5类，即超小断面（＜3m²）、小断面（3～10m²）、中等断面（10～50m²）、大断面（50～100m²）和超大断面（＞100m²）；日本隧道协会以开挖面积为依据，将隧道断面划分为3类，即标准断面（70～80m²）、大断面（100～120m²）和超大断面（＞140m²）。而在煤矿开采领域，多以断面面积和跨度为依据对硐室进行划分，根据断面面积划分为小断面（＜8m²）、中等断面（8～12m²）、大断面（12～20m²）和特大断面（≥20m²），根据跨度划分为小断面（≤3m）、中断面（3.1～ 4.0m）、大断面（4.1～ 5.0m）和超大断面（≥5.1m）。事实上，影响大断面硐室稳定性的因素除了断面尺寸以外，还与其埋深（或地应力高低）、围岩力学性质等密切相关。

摘要

煤矿深部超大断面硐室群因其围岩应力集中程度高、破坏影响范围大，特别是在复杂动载扰动下易发生连锁破坏失稳现象，其安全和稳定已成为制约深部煤炭资源开采的主要瓶颈之一。

围绕煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制开展研究，针对现有煤矿硐室仅以断面尺寸划分的不足，综合硐室失稳临界埋深、断面面积、围岩综合抗压强度和围岩综合完整性系数等影响因素，提出了基于模糊综合聚类分析的煤矿硐室地质力学等效分类方法，实现了对煤矿深部超大断面硐室的有效判识。

通过室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，考虑密实性系数构建了适于动静组合加载条件的岩石蠕变损伤本构关系，建立了深部复杂应力环境下硐室群围岩连锁失稳机理与能量判据，揭示了深部动静组合载荷下超大断面硐室群围岩变形破坏演化规律。

提出了深部硐室群围岩协同支护机理，研发了新型高强超塑吸能支护材料及新型高强拉压耦合锚索，基于长期安全稳定性，构建了深部硐室群围岩递进式加固技术及分步设计方法。

研发了超大断面硐室群围岩长时变形失稳监测预警平台，给出了围岩综合预警方法及阈值。在新巨龙煤矿煤矸分选硐室群，硐室断面最大收缩率约6.2％，松动圈发育范围1.0～1.5ｍ，保证了井下煤矸分选系统的空间安全利用。

图片

深部岩石蠕变变形曲线

深部岩石破坏特征扫描

深部岩体强度演化特征

冲击动载下岩石动态特征

平行双硐围岩破坏力学模型

硐室群围岩连锁失稳结构力学模型

不同间距下双硐围岩应力分布

双硐围岩变形特征

动静组合下深部超大断面硐室群数值模拟

锚杆与岩石径向应变特征

新型高强超塑吸能支护材料研发

高强拉压耦合锚索示意

硐室群递进式支护设计方法

新巨龙煤矿煤矸分选硐室群部分硐室支护断面

多参量权重分析法

超大断面硐室群围岩失稳智能化预警平台组成

硐室群测站布置

部分钻孔探测结果

现场硐室宏观效果

作者简介

谭云亮，1964年7月出生，博士、二级教授、博导；山东省矿山灾害预防控制重点实验室主任、山东省矿山空区治理与环境保护协同创新中心主任、山东省冲击地压防治智能化技术及装备工程实验室主任、山东科技大学冲击地压防治研究院院长；是首批新世纪百千万人才工程国家级人才、享受国务院政府特殊津贴专家、国家安全生产专家、煤矿安全应急救援专家、教育部矿业类教学指导委员会委员、泰山学者攀登计划专家、山东省高端智库专家、山东省有突出贡献中青年专家。中国煤炭工业安全科技学会顶板防治专业委员会主任，中国力学学会理事、山东省力学学会副理事长，中国岩石力学与工程学会理事、监测专业委员会副主任、山东岩石力学学会副理事长，中国煤炭工业协会技术专家委员会委员；《能源科技》副主编、《岩石力学与工程学报》《采矿与安全工程学报》《Frontiers in BuiltEnvironment》《地下空间与工程学报》《煤炭科学技术》《采矿科学学报》《采矿与岩层控制工程学报》等期刊编委。出版著作13部，发表学术论文240余篇，获国家及省部级科技奖励24项，授权国内外发明专利58项。

来源：

谭云亮，范德源，刘学生，等. 煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制研究进展［J］. 煤炭学报,2022,47(1):180-199.