深井巷道围岩变形特性与支护设计研究

1、深井巷道围岩变形特性与支护设计研究技术研究总结报告（摘要）1立项背景与目的1.1国内外相关科学研究发展现状、存在问题及发展趋势煤矿深井巷道支护是世界矿业和岩石力学的难题之一，也是目前国内外急于解决的工程问题。关于深井开采和巷道支护问题一直受到同行学者们的关注，何满朝教授进行了深部开采岩石力学问题研究，刘波等进行了深部矿井锚拉支架设计理论及应用研究，孙晓明等进行了深部软岩巷道锚网索藕合支护非线设计方法研究和深部松软破碎煤层巷道锚网索支护技术研究，景海河等进行了深部巷道构造应力作用下岩爆过程的数值模拟，刘富道等进行了深井采场复合破碎顶板控制技术研究与应用，谷守生等发表了深井软岩穿层巷道支护与施工技

2、术论文，成云海等开展了深井软岩大断面峒室的设计与应用工作，吕渊等开展了深井软岩大巷深孔爆破卸压机理及工程应用，王襄禹等进行了深井软岩返修巷道综合支护技术研究，石伟等进行了深井软岩巷道围岩二次支护新技术研究，王怀新等进行了深井主要巷道支护方式的研究与应用等等。国内外科研工作者从开始的基础研究到利用各种研究工具和方法，并把计算机应用软件运用到采矿工程中以后，对矿山压力和围岩控制技术注入了更多的新鲜血液，使人们更加深入详细地了解制约煤矿生产症结所在。在巷道围岩变形机理、巷道围岩分类及稳定性方面，巷道开挖前后围岩应力变化特点及规律，采动影响期间，巷道围岩变化机理以及在卸压控制巷道围岩变形方面都做了大量

3、的研究，并把内容研究得更加深入，更加细致化了。目前，虽然已经取得了不少的可喜成果，但随着开采深度的日益加深，这些成果还不能有效的解决深部巷道围岩变形的控制、支架设计方法及其安全可靠经济等问题。1.2立项目的及科学意义我国有60%以上的煤炭资源埋在800m以下，目前，我国煤矿开采的深度平均在以每年812米的速度增加，东部矿井正以每年1025m的速度发展，以淮南矿区为例：谢桥煤矿的开采深度已经超过700米，新建的顾桥、丁集等矿井第一开采水平就在800m以上、谢一矿望峰岗井的开采深度达到了1000m、朱集矿、顾桥矿南区、谢桥矿深部井、潘一矿深部井井筒深度都超过了1000m。随着开采深度的增加，地质条

4、件越来越复杂，越来越显现出软岩的特征。尽管巷道支护在通过近年开展广泛的研究，已取得了十分可喜的成果。但是软岩巷道的有效支护仍然是煤矿巷道支护的薄弱环节，也是目前国内外尚未很好解决的技术难题，因而引起了众多科研单位和生产部门的普遍关注。寻求解决高应力软岩巷道支护问题的合理方法和有效途径，从某种程度上说，是解决深部矿山工程的关键技术难题，是煤矿生产建设发展的迫切需要。本项目针对淮南矿区的工程、地质条件，深入开展淮南矿区深部巷道围岩变形特性与优化支护技术研究，具有十分重要的理论和现实意义，对推动淮南矿区乃至全国深部巷道支护技术的发展将起到积极的作用。2任务来源本课题的任务来源是淮南矿业（集团）有限责

5、任公司项目：“深井巷道围岩变形特性与支护设计研究”。我国有60%以上的煤炭资源埋在800m以下，目前，我国煤矿开采的深度平均在以每年812米的速度增加，东部矿井正以每年1025m的速度发展，以淮南矿区为例：谢桥煤矿的开采深度已经超过700米，新建的顾桥、丁集等矿井第一开采水平就在800m以上、谢一矿望峰岗井的开采深度达到了1000m、朱集矿、顾桥矿南区、谢桥矿深部井、潘一矿深部井井筒深度都超过了1000m。于是淮南矿业集团发展过程不可避免的遇到了深井巷道围岩变形特性及其支护问题，这些问题能否得到很好解决，将影响企业的可持续发展和深埋煤炭开采技术的革新。淮南矿业集团作为国家大型企业，具有丰富的实

6、践条件和经验，然而缺乏系统的理论研究的能力和条件；而安徽理工大学大学拥有悠久的煤炭理论和技术研究的历史，在冻结法凿井、巷道支护技术等方面具有国内领先水平。这次淮南矿业集团和安徽理工大学的合作，可以推动我国高等学校与大型企业开展科技与人才培养合作，全面提升产学研结合的范围、力度和层次，在创新人才培养、联合研究开发方面也将提到很好的示范作用。充分发挥高等学校在国家技术创新体系中的重要作用，为国家经济和社会发展做出更大贡献，并推动高等学校向高水平研究型大学和世界一流大学迈进的步伐。知识经济时代，突出的特点是知识创新，知识创新是经济增长的核心动力，是靠知识智力与智慧进行创造创新、发明的有独立自主知识产

7、权的专利产品主导一切。企业具有创新意识、有专利产品生产，企业才能生存发展，否则企业必将衰落。高校是培养创造创新能力素质育人的园地，企业非常需要高新技术人才；许多研究型、教学型大学，可以帮助企业解决许多技术难题，提高产品质量，研发专利产品等。企业可以利用这些技术和智力投资获得丰厚的经济效益，校企在这两方面完全能够做到优势互补，为对方工作而使自己获得丰厚的回报，可以实现生态、互救，共赢发展。淮南矿业集团和安徽理工大学大学的这次合作研究，可以算得上是我国企业和高效合作成功的一个典范，取得的成绩更具有实用性和技术经济价值。3组织研究过程由于这个项目是淮南矿业集团和安徽理工大学大学合作研究的项目，所以项

8、目的组织研究过程更加丰富多彩、井井有条，既有现场实测，又有室内试验；既有理论分析，又有实际巷道的实践，这样也保证了项目研究过程的合理性和科学性。3.1现场测试本项目在淮南矿业集团朱集煤矿-906m水平的风井车场南绕道、谢一矿望峰岗井二副井-960m水平水泵房通道两个巷道布置了监测断面。监测区段处巷道围岩主要是砂质泥岩、泥岩和细砂岩。两个地方巷道支护方式及参数相同，即主要是采用喷、锚、网和锚索联合支护方式，其中锚杆的直径为22，长度为2.5m，间排距为mm，网片孔尺寸为mm的菱形网格，喷层厚度为100mm，锚索直径17.8mm，长度6.5m，间排距为mm。2007年7月12月在朱集和望峰岗井深部

9、巷道施工过程中对围岩变形和锚杆受力进行了量测，具体组织过程为：深部地层原岩应力测试；深部巷道支护情况调查；制定现场实测方案、选择监测地点、做好监测工作的相关准备、现场安设测站、建立监测系统、提供一次监测阶段报告。2008年1月6月，定期进行现场监测，对监测数据进行及时处理、分析，进行施工安全性预测、预报。3.2室内试验软岩流变是矿山深部岩石工程中不可忽视的重要力学特征之一，巷道的破坏与软岩的流变特性关系紧密。近年来，国内外许多科研工作者对软岩的蠕变本构关系研究中取得了可喜的成果，但基于卸荷应力路径高地应力裂隙岩体的流变特性试验研究面还未见报道。深部岩石物理力学性能测定试验在2008年1月3月完

10、成，具体实施过程为：结合地应力量测试验，现场在试验点附近采取了两组岩石的试样，取样钻头采用N型金刚石钻头，双层岩芯管，试样直径为75mm。由于花斑状泥岩极其破碎，该层岩石没有取到适合室内实验用样标准的岩石。采样都是取较完整的岩块，对于采取到的岩块试样及时送到实验室加工成标准试件，用于单轴抗压强度试验和三轴剪切试验。试件的抗拉强度试验采用劈裂法间接测得。3.3理论分析本课题的理论分析阶段是在现场实测和室内试验完成之后进行的，具体实施时间是2008年6月12月。具体实施过程为：通过对现场巷道围岩变形监测数据的分析，得到了深井巷道围岩变形的特性，从理论上分析了产生的原因。通过基于卸荷应力路径高地应力

11、裂隙岩体的流变特性试验建立了裂隙岩体的粘弹塑性流变本构模型；将建立的模型嵌入到FLAC3D软件中对围岩变形进行了数值模拟；基于人工神经网络理论，建立了深井巷道围岩智能位移反分析系统和巷道支护专家决策系统。在理论分析完成后，撰写并提交了项目研究报告。4技术原理根据课题的研究内容与特点，对本课题的研究采用了如下技术路线（原理）：1.选择具有代表性的深井巷道，进行地应力量测和围岩变形特性量测，包括围岩深部位移和松动圈范围的量测。通过地应力量测可以得到淮南矿区深井巷道的地应力特征，为深井巷道支护设计和支护参数的正确选取提供依据。巷道表面围岩变形和深部围岩变形是深井巷道围岩变形的两个重要组成部分，通过对

12、它们的观测，可以得到神井巷道围岩变形的一般规律；通过对深部围岩变形的监测，可以确定巷道施工过程中围岩松动圈和塑性区的范围，这有助于合理、科学确定深井巷道支护参数。2.进行深部岩体的力学性能指标测定，掌握深部岩石的力学特性，建立深部岩体的本构关系。流变特性是煤矿深部岩体的一个重要力学特性，巷道的破坏与软岩的流变特性关系紧密。这里以深埋裂隙岩体巷道开挖过程中卸载状态为研究背景，以固结卸载的三轴剪切和蠕变试验结果为基础获得了裂隙岩体弹黏塑本构力学模型，然后将建立的本构模型嵌入数值分析软件中，为了深井巷道围岩变形数值模拟的合理性提供了基础参数和本构模型。3.通过现场实测，分析深部锚注工艺及其参数取值，

13、提出优化方法；4.利用FLAC3D软件平台进行二次开发，并进行深井巷道围岩变形的数值分析，实现平面和三维条件下的深井巷道的数值模拟。数值模拟的准确与否，很大程度上与选用的本构模型和材料参数有关，这里采用试验得到的材料力学参数和建立的本构模型，从而保证了深井巷道围岩变形数值模拟的合理性。通过深井巷道围岩变形数值模拟，分析了地应力条件、巷道尺寸、巷道埋深等条件对巷道围岩变形的影响，数值模拟的结果可为深井巷道支护方式和支护参数的合理选取提供了依据。5.通过理论分析、现场实测和数值模拟，进行巷道围岩变形与支架共同作用分析，提出深井巷道的合理支护方式。基于人工神经网络理论，建立了深井巷道围岩智能位移反分

14、析系统和巷道支护专家决策系统。深井巷道围岩智能位移反分析系统可以利用在巷道施工过程中量测得到的数据（拱顶下沉和水平收敛）反演得到深井巷道围岩的力学参数和地应力特征参数：弹模和侧压力系数，这为深井巷道支护设计和支护参数选取提供了基础数据。基于人工神经网络的巷道支护专家决策系统可以对具体的神经巷道提出建议的相对合理的支护方式和支护参数。6.在本项目的研究过程中，对取得的成果，为了验证其正确合理性，在淮南矿业集团朱集矿、谢一矿望峰岗井、潘一东矿三个矿的深井巷道内进行了研究成果的应用实践。实践结果表明，本项目的研究成果取得了相当好的效果，取得了较大的经济效益。5技术方案5.1现场监测方案深埋巷道围岩变

15、形特性的现场监测主要选在淮南矿业集团朱集煤矿-906m水平的风井车场南绕道、望峰岗煤矿二副井-960m水平水泵房通道两个地点，监测区段处巷道围岩主要是砂质泥岩、泥岩和细砂岩。1. 测试目的(1) 监测巷道围岩表面及深部的位移变化，摸清在不同的生产技术条件、围岩地质条件及围岩应力状态下巷道的变形规律；(2) 监测锚杆和锚索轴力大小和显现速度，获得支护结构受力状态的变化特性，了解锚杆锚索支护效果及其作用，为检验支护质量和改进锚杆锚索设计提供依据；(3) 观测巷道围岩深部岩性及裂隙开展情况，掌握巷道开挖后围岩变形机制以及验证深部位移监测结果。2. 测试内容(1) 用巷道收敛计进行巷道表面收敛监测，获

16、得巷道表面顶板与两帮的相对移近量及移动速度；(2) 利用多点位移计观测巷道围岩内部位移情况；(3) 用锚杆锚索测力计测定锚杆锚索的受力情况；(4) 利用声波测试仪进行围岩破裂区范围的判断；(5) 利用全景数字化智能钻孔电视成像仪观测巷道钻孔内围岩的岩性和巷道开挖后裂隙产生和开展情况。3. 测试元件(1) 巷道表面收敛计巷道收敛计采用JSS30A型数显收敛计，它适用于量测隧道、巷道、硐室及其他工程围岩周边任意方向两点间的距离，达到评定工程稳定性，研究工程围岩及支护的变形发展规律，确定合理支护参数的目的。(2) 多点位移计本次测试所用的多点位移计是由安徽理工大学自行研制、加工的，具有操作简单，经济

17、，准确率高的优点。量测时用安装杆将锚固器依次推至预设深度，每一个锚固器对应一个基点位置，被测钢线引到安装杆外，一般孔口预留钢线长度为400-500mm，钢线有不同颜色，各种颜色代表安装在不同的基点深度。将测绳拉直，以孔口装置外侧为基准面，从基准面到钢线尾部的距离为测读距离，用钢尺读数。(3) 锚杆测力计锚杆测力计采用的是MCJ-16灵敏型。其量程为0160kN，锚杆外露长度200mm左右，安装时液压囊前后各放配衬铁板各一块，将液压囊放置中间，套在锚杆上，再拧上螺母。(4) 声波测试仪超声波在岩体中的传播速度与岩体受力状态及裂缝情况有关，当围岩破裂缝多时，破碎岩石中的波速相对于深部完整未松动岩石

18、的波速低。通过岩石钻孔(4145mm)，测出声波纵波传播时间在围岩钻孔中的分布变化曲线，即可判断围岩裂缝范围。(5) 全景数字化智能钻孔电视成像仪本次测试采用的JL-IDOI(A)智能钻孔电视成像仪。JL-IDOI(A)智能钻孔电视成像仪采用先进的DSP图像采集与处理技术，系统高度集成，探头全景摄像，剖面实时自动提取，图像清晰逼真，方位及深度自动准确校准，可对所有的观测孔全方位、全柱面观测成像(垂直孔水平孔斜孔俯、仰角孔)。系统结构：智能钻孔光学成像系统主要由成像仪主机、探头、绕线架、深度计数器和连接电缆组成。内部包含有可获得全景图像的反射镜、提供照明的光源、用于定位的电子罗盘以及CCD摄像机

19、。主机内系统控制、图像采集、显示与存贮高度集成，内置ARM和DSP内核，对全景图像实时进行自动采集，能够对图像进行处理，形成各种结果图像，包括平面展开图，立体柱状图，也可同幅显示岩芯描述结果表，其图像显示输出模式可以使全景视频图像和平面展开图像实时呈现。4.测站布置及观测方式监测断面布置与元件埋设方案见图1所示。观测方式用上述测试元件测试相应的数据。注：图中16为测点编号图1 监测断面布置图5.监测内容及元件埋设方案 巷道收敛变形监测每个测站在巷道左帮、顶板、右帮分别设置1#、2#、3#三个测点，观测断面按“”法布置，即分别在图1中的5、1和4位置处，在巷道围岩表面用钻孔施工一个巷道表面收敛测

20、点。监测元件为JSS30A型数显收敛计。 岩体深部位移及顶板离层监测分别在右拱基线、顶板，左拱肩分别各布置一个多点位移计，测点号1#、2#、3#，位置在图1中的3，1和6位置处，每个孔内设7个基点，深度分别为7m、5m、4m、3m、2.5m、2.0m、1.5m，监测7m围岩内部的位移特性及其发展规律。监测元件采用自行设计加工的位移计。同时在1，2，3和6位置处分别设置一个钻孔窥视仪测试钻孔。 支护结构应力监测分别在顶板和拱肩处，即6、1、2号位置设置锚索和锚杆测力计，测点号同表面位移监测布置一样，监测巷道拱顶和拱肩处的锚索及锚杆支护轴力。 破裂区范围及变化趋势监测在两帮4、5号位置各设置一个围

21、岩破裂区测试钻孔，用以测定围岩破裂区的发展演化规律。监测元件为声波测试仪。 全景数字化智能钻孔电视成像观测在顶板、拱基线和拱肩位置处钻孔，使用JL-IDOI(A)型智能钻孔电视成像仪，观测钻孔内岩体性质和裂隙发育状况。5.2地应力测试方案本次在望峰岗煤矿进行的地应力量测仪器是由安徽理工大学自己研制的套筒致裂设备，该设备主要优点有：(1)能测量较深处的绝对应力状态；(2)它是最直接的测量方法，无需了解和测定岩石的弹性模量；(3)套筒致裂测量应力的作业空间要求小，仪器操作简单易行，测试成功率高；(4)克服了应力解除法需要的套芯工序，可利用现场施工的钻孔进行压裂试验；套筒致裂法的实质是利用具有耐高压

22、橡胶套筒的圆柱形千斤顶，使测试钻孔的某一加压段逐步施加内压，直至周围介质出现纵向张性裂缝为止。整个测试系统由手压油泵、高压油管、压力表和套筒应力计组成。利用套筒致裂法进行地应力测试，主要的测试步骤如下： 沿巷道的周边某个径向方向钻孔； 将套筒致裂装置放入钻孔并以环氧树脂密封住孔口及孔底； 利用手动油泵往套筒致裂装置内连续加压，并记录各次加压的压力值，直至钻孔出现张性裂缝为止，此值为第一次峰值压力； 进行第二次致裂试验，并记录各次加压的压力值和第二次峰值压力； 以两次峰值压力差确定巷道材料的抗拉强度； 根据液体压力-体积变化曲线的拐点确定关闭压力值(等于最小主应力)； 将第一次峰值压力、巷道材料

23、抗拉强度T及最小主应力代入式，可得最大主应力。测试部位的选取：为了能够在测试地应力时不影响现场施工，本次在望峰岗煤矿二副井井口附近的地应力量测地点选在硐室施工断面较大的水泵房内，测试是在岩性较好的硬质中细砂岩中进行的。测试试验过程中，首先在水泵房巷道左帮完整性相对较好的中细砂岩中打一直径为32mm深度为12m的钻孔，经清孔后，按照上述的测试步骤逐次进行套筒加压扩张试验，将获得的参数代入和式，计算获得测试平面上的最大主应力、最小主应力，而另一个主应力，则是按照测试点上覆岩体的自重按照公式计算获得。至于三个主应力的方向则是按照构造地质统计分析的方法得到。5.3室内试验方案室内试验的目的主要是以深埋

24、裂隙岩体巷道开挖过程中卸载状态为研究背景，以固结卸载的三轴剪切和蠕变试验结果为基础获得了裂隙岩体弹黏塑本构力学模型。室内试验具体方案为：结合地应力量测试验，现场在试验点附近采取了两组岩石的试样，取样钻头采用N型金刚石钻头，双层岩芯管，试样直径为75mm。由于花斑状泥岩极其破碎，该层岩石没有取到适合室内实验用样标准的岩石。采样都是取较完整的岩块，对于采取到的岩块试样及时送到实验室加工成标准试件，用于单轴抗压强度试验和三轴剪切试验。试件的抗拉强度试验采用劈裂法间接测得。5.4理论分析方案1.围岩变形分区破裂成因分析方案基于现场实测数据的分析，得到了深井巷道围岩变形的特性分区多次破裂，通过理论分析提

25、出深埋巷道围岩多次破裂的形成机制，提出了复合岩体梁稳定分析方法，并应用于深埋巷道直墙部分围岩稳定分析。2.数值模拟方案利用固结卸载的三轴剪切和蠕变试验结果为基础获得了裂隙岩体弹黏塑本构力学模型，通过二次开发技术，将建立的本构模型嵌入FLAC3D软件中，以保证数值模拟采用的的是合理的材料模型。(1)为了便于比较，先用FLAC3D软件中内置的弹塑性本构模型摩尔-库伦模型(Mohr-Coulomb)对深井巷道围岩变形进行了弹塑性分析；(2)为了研究不同水平地应力特征对深埋巷道围岩变形的影响，对不同侧压力水平下的深埋巷道围岩变形进行模拟对比分析。在做对比模拟分析时，模型中其他参数保持不变，仅变化水平侧

26、压力系数K0，取3个水平的K0，对比分析三个不同侧压力水平下深井巷道围岩的变形情况；(3)为了研究不同巷道尺寸对深埋巷道围岩变形的影响，对不同跨度和高度的深埋巷道围岩变形进行了模拟对比分析。在做对比模拟分析时，模型其他参数保持不变，仅变化巷道跨度或者高度，各取3个水平。在做对比分析的时候，变化深埋巷道跨度时，其高度保持不变；而变化其高度时，其跨度保持不变。(4)为了研究岩层层理的存在对深井巷道围岩变形的影响，对考虑岩层层理影响的深埋巷道围岩变形进行了数值分析。有岩层层理穿过巷道的情况，由于在FLAC3D中建模不是很容易实现，这里采用在ANSYS软件平台下建模，然后通过自行编制的模型转化程序AN

27、SYStoFLAC3D将模型导入FLAC3D里面进行分析计算。(5)为了研究注浆加固对深井巷道围岩变形特性的影响，对注浆加固的深埋巷道围岩变形进行了数值模拟分析。(6)为了考虑深井巷道围岩的流变特性对其变形的影响，进行了基于卸荷条件下裂隙岩体流变本构模型的巷道分布开挖围岩变形数值模拟分析。基于室内试验的结果，研制在FLAC3D平台上的卸荷条件下裂隙岩体流变本构模型。3.智能反分析系统和巷道支护专家系统建立方案(1)深埋巷道围岩位移智能反分析系统的建立首先，通过深井巷道工程特点的分析，指出了目前巷道支护设计的最大难题是如何获得合理的围岩力学参数和地应力特征参数，位移反分析有望解决这个问题。但是，

28、现有的位移反分析法确定岩体的力学参数存在着这样那样的问题，尤其是未能很好解决优化的问题，还有效率不高且运用复杂，难于工程普及的问题。因此，研究和建立一个能较好实现优化和工程推广的深埋巷道围岩位移智能反分析法，是目前亟待解决的问题，即建立一个深埋巷道围岩位移智能反分析系统是必要的。其次，通过对前人研究成果和本项目进行的现场实测、室内试验经验的总结，得到了影响深埋巷道围岩位移的最主要的因素。目前巷道工程中现场监控量测的实际情况，一般情况下可输入的独立的巷道围岩位移实测值一般只有两个：洞周水平收敛和拱顶下沉，相应的可辨识参数也只能有两个。通过综合分析确定深埋巷道围岩反分析的模型是摩尔库伦模型，通过比

29、较模型各参数获得的难易程度和对围岩变形的影响程度，最后确定弹性模量和侧压力系数为深埋巷道围岩位移反分析的反演参数。再次，基于人工神经网络技术和MATLAB神经网络工具箱，建立了深埋巷道围岩变形智能反分析系统。为了得到与工程实际情况相吻合的高质量的训练样本，保证建立的深埋巷道围岩智能反分析系统的准确可靠，采用正交设计法构造试验，对巷道围岩变形进行数值模拟分析，构造和训练样本和检验样本。然后，用训练样本对深埋巷道围岩智能反分析系统进行训练，训练结束后用检验样本对系统进行检验。最后，将检验合格的深埋巷道围岩智能反分析系统用于望峰岗井和朱集深埋巷道围岩的位移反分析，得到相应的反演参数：弹性模量和侧压力

30、系数。(2)基于BP神经网络的巷道支护专家决策系统的开发深埋巷道围岩支护方式及参数优化设计软件的具体开发过程如下：建立神经网络模型，选用BP神经网络(Back Propagation)；收集资料，然后构建样本空间，包括输入和输出样本；书写训练函数，用样本对神经网络进行训练，并保存训练的结果，即各个神经元的权值W和阈值b；软件界面的设计和美化；各个功能模块的添加和实现；使用训练好的网络，对输入的实际工程条件进行仿真，得到输出结果。根据输出结果绘制图形和填写说明文件，使输出结果更加直观。后期工作：主要是对软件进行不断地测试，排除书写和逻辑错误，并对代码按功能进行分块，使程序结构更加清晰，提高了代码

31、的重用性并减少了代码的冗余。6主要技术创新点经过科技查新和课题成果鉴定确定的课题创新点为：(1)通过试验和理论分析建立了卸荷条件下裂隙岩体弹黏塑本构模型；(2)利用全景数字化钻孔成像技术和深部位移量测，确定深埋巷道围岩多次破裂区域及裂隙张开度；(3)提出深埋巷道围岩多次破裂的形成机制，首次提出复合岩体梁稳定分析方法，并应用于深埋巷道直墙部分围岩稳定分析；(4)基于人工神经网络建立淮南矿区深埋巷道锚网喷索支护方法及其参数优化的专家系统。7研究成果通过室内试验、现场监测、理论分析以及数值模拟等方法的综合运用，本课题研究获得了如下主要结果：(1) 通过岩体室内单轴、三轴力学性能试验，获得了深部岩体的

32、强度、泊松比、凝聚力及内摩擦角等力学指标，同时建立了卸荷条件下裂隙岩体弹黏塑本构模型，并在此模型基础上对深埋巷道围岩的变形进行了数值模拟，结果表明：考虑岩体流变特性的巷道围岩变形量大约是弹塑性分析结果的13倍。(2) 利用FLAC3D二次开发技术，模拟研究了岩层层理、水平地应力系数和巷道断面尺寸、注浆效果等因素对深埋巷道围岩变形特性及其塑性区的影响，结果表明水平地应力系数、岩层层理及巷道断面尺寸对巷道底臌及塑性区扩展深度影响显著，而注浆则可以显著的改善巷道围岩的收敛变形和塑性区扩展深度，注浆前后对比发现围岩变形及塑性区深度可减小23倍。(3) 建立了深埋巷道围岩位移智能反分析系统，对深部岩石力

33、学参数进行有效的反演并根据实测巷道围岩变形特征获得了望峰岗矿井水平地应力系数在0.850.95之间，这和实测结果几乎完全一致。(4) 在全面分析区域地质构造特征的前提下，获得淮南矿区构造应力场总体呈最大主应力方向近似为NWW方向(270°315°之间)，最小主应力则为竖直向的自重应力，中间主应力方向则近似为NNE方向(0°45°之间)的分布规律。同时结合望峰岗矿井实际揭露的构造迹线特征，采用节理玫瑰花图的方法获得了望峰岗煤矿-960m水平构造地应力场的分布规律为最大主应力方向竖直、最小主应力为NNE方向(0°45°之间)、中间主应力为

34、NWW方向(270°315°之间)，认为由于南北向控制断层得影响，使得该矿井井田范围内的构造应力场主应力方向与区域构造原始地应力场的主应力方向略有不同。并采用套筒致裂方法现场量测了望峰岗矿井-960m水平砂岩中的主应力为：最大主应力MPa，方向竖直、最小主应力为：MPa，平均方向为20°(NNE方向)、中间主应力为：MPa，平均方向为285°(NWW方向)。(5) 采用收敛计、多点位移计、锚杆拉力计等多种手段对深埋巷道围岩变形特性和支架受力进行测试，并利用全景数字化钻孔成像技术和深埋巷道围岩位移进行量测，获得如下认识：(6) 提出深埋巷道围岩多次破裂的形

35、成机制，提出了复合岩体梁稳定分析方法，并应用于深埋巷道直墙部分围岩稳定分析，指出淮南矿区岩石巷道围岩稳定控制的关键是保证深埋巷道底板的稳定；并在理论分析的基础上，针对锚喷支护结构建议适当减少锚杆长度至2.0m左右，而将拱顶部分锚杆密度增加至 并结合全断面注浆的支护方法。(7) 基于人工神经网络建立淮南矿区深埋巷道支护方法及其参数优化的专家系统，并对淮南矿区深埋巷道围岩常见的三种煤系地层及巷道跨度下的支护方式和参数进行预测分析，并给出了建议支护方法及参数。8与国内外同类技术的综合比较与国内外同类研究相比，本课题在以下方面有较大的技术进步：(1)深井巷道围岩的本构模型方面：通过试验和理论分析建立了

36、卸荷条件下裂隙岩体弹黏塑本构模型，将建立的模型对FLAC3D软件做二次开发，并对深井巷道围岩变形特性进了数值模拟；(2)深井巷道围岩变形特性方面：利用全景数字化钻孔成像技术和深部位移量测等多种观察手段，确定深埋巷道围岩多次破裂区域及裂隙张开度；(3)理论方面：提出深埋巷道围岩多次破裂的形成机制，首次提出复合岩体梁稳定分析方法，并应用于深埋巷道直墙部分围岩稳定分析；(4)软件方面：基于人工神经网络分别建立了深井巷道围岩智能位移反分析系统和淮南矿区深埋巷道锚网喷索支护方法及其参数优化的专家系统。9第三方评价与推广应用情况9.1第三方评价本项目研究成果通过专家组的鉴定，鉴定结论为：该课题的研究成果在

37、淮南矿业集团的朱集矿和望峰岗矿等深埋巷道中得到了成功的应用，其理论和技术上的创新也对促进我国矿井建设的发展起到了非常重要的作用，研究成果达到国内领先水平。9.2推广应用情况(1)在朱集煤矿的应用朱集煤矿-906m水平的风井车场南绕道，在原有的支护方式和支护参数下，支护效果不好，部分巷道出现了较为严重的拱顶下沉和底鼓现象，严重者出现了锚杆和锚索被拉断现象。后来巷道施工采用了本项目研究成果建议的支护方式和参数：锚网喷索+U29钢棚+注浆联合支护方式；锚杆直径22mm，长度2500mm，间排距800×800mm，锚索直径17.8mm，长度7m，间排距2000×3000，棚距700

38、mm；在巷道施工后约2530天进行围岩注浆，注浆顺序为先底板后两帮最后顶板。巷道围岩变形明显减小，支护效果明显提高。截止到2009年底，本项目研究成果除在我矿朱集煤矿-906m水平的风井车场南绕道应用外，在其它巷道支护中也得到了推广应用，取得了良好的效果。应用结果表明，采用新的巷道支护方式和参数后，减少了巷道工程量、大大降低了巷道返修费用、有效控制了巷道围岩变形。(2)在谢一矿望峰岗井的应用淮南矿业集团谢一矿望峰岗矿井设计年生产能力3.0Mt/a。井筒全深987.5m，井筒净直径7.6m，掘进荒径8.6m8.8m。我矿望峰岗井二副井-960m水平巷道和中央泵房特大硐室，在原支护设计方案下，巷道

39、的支护效果差，巷道变形严重，部分巷道出现了较为严重的拱顶下沉和底鼓现象，巷道平均1-2月要进行返修一次。采用了“深井巷道围岩变形特性与支护设计研究”课题成果，改进了支护方案和参数，巷道围岩变形得到有效控制，巷道返修率明显减少。降低工程直接成本，提前计划1个月完成工程施工。截止到2009年底，本项目研究成果除在我矿望峰岗井二副井-960m水平巷道应用外，还在我矿其他深井巷道进行了推广应用。应用结果表明，采用本项目研究成果给出的巷道支护方式和参数后，增加了巷道施工的安全性、大大降低了巷道返修次数和费用、有效控制了巷道围岩变形。(3)在潘一东矿的应用潘一东风井马头门位于-848m，水平风井井底车场埋藏深度达-865m。巷道埋藏深，受地应力影响较大，加之岩石局部强度低，层理发育，地质条件相对复杂，又是双交叉点，顶板松动圈范围大，易掉顶，成形差。在原支护设计方案下，巷道的支护效果很不理想，巷道变形严重，部分巷道底鼓严重，两邦变形也很大，巷道平均1-2月要进行返修一次。采用了本项目研究给出的支护方案和参数，巷道