我国深部高温地层井巷建设发展路径与关键技术分析

深部矿产与地热资源共采战略为实现“矿?热”经济有效开发和实现双赢提供了有效途径,深部高温地层井巷建设技术是“矿?热共采”战略安全高效实施的重要支撑和保障。分析了深部“矿?热共采”战略对井巷建设技术需求的必要性和迫切性,梳理了矿山井巷建设技术现状和存在的不足,阐述了矿山井巷智能化建设方面的研究进展与发展路径;剖析了深部高温地层井巷建设面临的难题与挑战,提出了深部高温地层井巷工程建造技术发展的三大优先发展任务:1）深部高温地层井巷建设地质保障系统;2）深部高温地层井巷建设模式与规划;3）深部高温地层井巷建设成套技术与装备。结合三大优先发展任务,凝练出8项基础理论与关键技术的发展方向:地层原位探识与透明化重构、高温地层井巷建设工艺适宜性、高温地层非爆破破岩、深井连续提升、深部不良地层改性与围岩长期稳定性控制、深井热害治理、井巷装备智能感知、井巷掘进装备智能控制。基于以上内容,初步构建了深部高温地层井巷建设基础理论与技术研究体系,以期为深部资源开采清洁化和地热清洁能源规模化发展提供参考。      

矿产与地热资源共采模式研究现状及展望

地热能作为一种绿色清洁且储量巨大的可再生能源,在降低矿产资源深部开采成本方面具有显著优势和发展潜力。充分利用深部岩体中蕴藏的地热能,不仅可以有效缓解矿产资源开采中的热害难题,而且有利于促进我国能源产业的绿色低碳和可持续发展。在梳理当前可能伴生有地热资源的矿产资源基础上,对现有的矿?热资源共采技术进行了回顾和总结,分析展望了未来矿?热资源共采的新模式,介绍了基于卤水循环系统的矿?热资源共采、基于开挖技术的矿?热资源共采、基于充填采矿法的矿?热资源共采、基于溶浸采矿法的矿?热资源共采和基于废弃矿井再利用的矿?热资源共采等技术方案,同时指出了矿?热资源共采所面临的主要挑战,包括加强矿?热共同赋存区勘探、发展深部高温坚硬岩层破岩与掘进技术、加强深部多场耦合环境岩石力学理论与试验研究、建立矿?热资源共采热能分级利用体系。相关研究成果旨在释放矿产资源开采中的地热能发展潜力并促进地热资源的规模化利用,可为我国深部矿产资源开采和地热资源开发提供有益的参考和借鉴。开展矿产与地热资源共采战略研究,有望为推进我国深部资源开发和实现“碳达峰、碳中和”的双碳目标提供一条有效途径。      

深部地下硐室与应力场轴变关系及其围岩损伤破裂分析

针对深部地下硐室与地应力场之间的轴变关系及其对硐室围岩损伤破裂的影响，建立了非均质围岩统计损伤力学模型；分析了不同断面形状、地层侧压系数、构造应力场对硐室围岩损伤破裂的作用机制和影响规律，定义了地层临界侧压系数；开展了三山岛金矿西岭矿区埋深2000 m地层硐室损伤破裂数值模拟，得到了该矿区深部地下硐室设计与布置原则。研究结果表明，“等应力轴比”情况下硐室围岩应力集中程度最小，损伤破裂区面积最小；地应力场是围岩损伤破裂的根本原因，侧压系数越大，硐室顶、底板处应力峰值越大，围岩以拉伸破裂为主，围岩损伤破裂区面积随侧压系数增大呈指数性增大；随着地层深度的增加，硐室临界侧压系数不断减小并趋近于1，深部地下硐室对水平构造应力更加敏感；构造应力场诱使围岩损伤破裂程度增大，损伤破裂区向构造应力场围岩应力集中区转移，使得硐室围岩发生冒顶和岩爆风险升高。因此，深部地下硐室的设计与布置应结合实际地应力条件，硐室轴向、断面形状、轴比尽可能符合地应力条件，从而最大程度降低地应力场对硐室围岩损伤破裂及稳定性的不利影响。      

马路坪矿深部巷道支护技术研究

介绍了马路平矿围岩地质分类、高应力分布规律和岩层基本特征，分析了马路坪矿深部巷道开挖支护存在的问题。总结了马路坪矿深部巷道破坏变形规律，提出了采用喷锚网＋注浆支护设计的施工技术方案，评价了以前采用支护方式和现在采用喷锚网＋注浆支护的经济效益。目前，这一新的支护方法已逐步推广应用。     

矿建工程中破碎围岩硐室围岩控制技术

近年来,由于我国对矿产资源需求不断提高,对矿产资源的开采力度在逐渐增大,开采的深度在逐步加深,因此地下硐室的开采施工比较普遍。而由于硐室围岩地质条件较为复杂,其中存在的不定性因素较多,硐室围岩应力较大,容易发生变形,因而硐室稳定性较差。为了能够更好的保证硐室开采施工的安全,对破碎围岩的破坏特性进行充分的掌握,通过合理的围岩控制技术增强支护的有效性。     

深部开拓松散围岩巷道的支护工艺探讨

松软破碎岩层是矿山巷道施工中经常遇到的不良地层,金川矿区随着开采深度增加,岩体变硬变脆,地质条件恶化,该文从工程的稳定性及施工工艺人手,详细论述工程在深部地质条件下的施工工艺,分析存在的问题,有效解决此类围岩条件下的巷道施工,不断提高工程的施工进度与巷道的稳定性。     

动力扰动下深部出矿巷道围岩的变形特征

以冬瓜山铜矿井下900 m深处的出矿巷道作为研究对象，基于“隔一采一充一”阶段凿岩、分段崩落的回采方案，利用FLAC^3D数值模拟软件研究了静动态开挖过程中出矿巷道围岩的变形特征。模拟相关岩体力学参数由三轴压缩及频繁冲击扰动试验数据折减获得，采用Mohr-Coulomb模型进行静态开挖分析，结合Strain-Softening模型进行动态扰动影响模拟分析。研究结果表明：爆破产生的扰动促使围岩变形加剧，但不会改变静态开挖时围岩变形演化的规律；开挖时巷道周边产生应力卸荷现象，且顶板出现拉应力，靠近采场巷道两帮应力离散性大，造成顶板易产生拉伸破坏，靠近采场巷道两帮易发生片帮；结合深部出矿巷道实际稳定情况，推测巷道顶板及靠近采场部位易产生破坏，需加强支护，其余部位稳定性相对较好。     

考虑开采扰动对传统矿压理论的修正

在深部开采卸荷作用下,采场围岩产生大量裂隙和损伤,直接顶岩层处在峰后阶段,液压支架的重复支撑使其完整性和稳定性都会产生明显降低。文中以埋深800m的邢东矿1126工作面为研究背景,对高水材料长壁充填开采工作面的直接顶岩层垮落步距进行了理论计算,修正了传统矿压理论,计算结果与现场监测实际情况吻合。     

多种支护技术在宝山铅锌矿的应用及推广

湖南宝山有色金属矿业有限责任公司是一家历史悠久,从事以铅锌为主的多金属采选业务的矿山企业。随着矿山露采及浅部矿床开采完毕,矿山主要开拓及采准巷道已进入中深部。由于矿山围岩复杂,其中砂页岩、矽卡岩、花岗斑岩等不稳固岩层较多,再加上大小断层、裂隙发育,使得巷道支护成了开拓及采准工程首要解决的问题。经过多年的探索、实验,宝山铅锌矿已形成多种针对不同围岩的支护方式,且支护技术较成熟。     

Application and Promotion of a Variety of Supporting Technologies in Baoshan Lead-Zinc Mine

湖南宝山有色金属矿业有限责任公司是一家历史悠久,从事以铅锌为主的多金属采选业务的矿山企业.随着矿山露采及浅部矿床开采完毕,矿山主要开拓及采准巷道已进入中深部.由于矿山围岩复杂,其中砂页岩、矽卡岩、花岗斑岩等不稳固岩层较多,再加上大小断层、裂隙发育,使得巷道支护成了开拓及采准工程首要解决的问题.经过多年的探索、实验,宝山铅锌矿已形成多种针对不同围岩的支护方式,且支护技术较成熟.     

深井大断面硐室围岩稳定性控制模拟分析

为了解决深井大断面硐室围岩稳定性问题,在分析国内外大型硐室支护形式的基础之上,对谦比希铜矿东南矿体水泵房围岩的工程地质情况进行了分析,提出了"金属网+喷射混凝土+锚杆"联合支护方式,并建立数值模拟模型对其稳定性进行分析。计算结果表明,采用"金属网+喷射混凝土+锚杆"联合支护方式后,巷道的移进量及塑性区面积明显减小。现场工程应用结果表明水泵房的稳定性得到有效控制,能为矿山的安全生产提供指导,也可为类似工程提供一定的借鉴。     

采动影响下多构造拉底巷道稳定性控制技术研究

拉底巷道在服务期内的稳定控制是自然崩落采矿法金属矿山生产管理中的重要部分。当拉底巷道布置在断层破碎带区域,复杂的构造条件会加剧采动应力对巷道围岩的破坏。为了明晰高应力复杂构造条件下拉底巷道围岩发生破坏的本质原因,通过构建采动影响下断层活化滑移力学判据,并模拟不同采动作业条件下拉底巷道弱层围岩的应力转移情况,发现复杂构造条件下拉底巷道破坏原因可归纳为“断层活化—弱层失稳”复合型破坏机制。并针对性地提出了大面积连续拉底应力迁移调控技术和以“高强度机械化湿喷混凝土”为核心的差异化补强精准支护技术,稳定性控制技术推广以来,拉底巷道围岩失稳现象明显减少,围岩年变形率降低了50%,巷道返修率由20%降低至5%,为类似金属矿山开展复杂构造条件下巷道围岩精准控制提供了工程借鉴。     

深井巷道变形破坏形式与安全支护技术研究的探讨

冬瓜山铜矿是典型的千米深井矿山,深井具有高应力、存在岩爆倾向的特点。根据采切工程的性质、岩石物理力学试验、服务时间及矿岩的破碎程度,总结了冬瓜山矿井巷道工程变形破坏的一般规律。对影响冬瓜山深井巷道变形破坏形式的主要影响因素从地质构造条件、技术及管理等方面进行了深入的分析,对凿岩硐室、隔离矿柱、出矿巷道、出矿进路等主要回采作业地点中已出现的变形破坏情况,采用了不同的锚杆、喷锚、喷锚网＋锚索联合支护形式及参数支护措施,取得了很好的效果,基本保持了采切巷道工程的稳定性,为下步安全回采作业及大量出矿创造了很好的条件。     

采空区锚杆支护设计原理与分析

采空区下大跨度松软煤层巷道围岩稳定性控制问题,两帮及底板的控制难度都很大,顶板的安全状况差,是煤巷锚杆支护所面临的突出难解决的课题之一,必须引起高度重视,该类巷道围岩稳定性控制技术研究具有一定的挑战性.该文针对淮南矿区采空区下破碎不稳定顶板煤巷的特征,通过对破碎不稳定顶板煤巷锚杆支护理论进行分析,采用高强度锚杆支护系统,使巷道围岩保持稳定,满足了正常生产需要.     

大采高工作面顺槽围岩破坏特征及控制技术研究

针对大采高工作面顺槽回采期间围岩变形破坏严重问题,以西曲矿18501工作面顺槽为研究对象,通过分析巷道围岩破坏特征,结合工作面的覆岩赋存特征,研究了回采期间巷道围岩变形破坏机理,提出了大采高工作面顺槽围岩联合强化控制技术,并在现场进行工业性试验。试验结果显示,在工作面回采期间,巷道并未出现大变形现象,围岩控制效果良好,为类似地质矿井生产提供借鉴。     

杜家沟矿607工作面沿空掘进巷道支护方案研究

针对厚煤层沿空掘进巷道围岩形变量大、稳定性差的问题,以杜家沟矿607工作面沿空掘进巷道为工程背景,通过对巷道围岩变化进行实时动态监测,在原有的巷道支护方案基础上,采取增加两帮支护的优化方案,大幅提高巷道围岩的稳定性,有效控制巷道围岩形变量。     

基于块体理论的深部巷道围岩稳定性分析

块体理论说明,对于井下巷道围岩存在节理裂隙的情况,巷道的稳定性取决于岩体结构面与临空面所构成的块体的稳定性。因此,对巷道围岩稳定性分析可以归结为块体稳定性分析。由于关键块体是地下工程开挖后首先失稳的块体,因此被引起高度重视。UNWEDGE软件是分析块体稳定性的有效工具,通过分析可以得出关键块体及其安全系数。针对夹皮沟金矿二道沟矿深部开采复杂地压和岩体节理裂隙情况,运用块体理论及UNWEDGE软件对巷道围岩所做的分析基本符合现场实际,可为合理确定深部巷道支护方案提供指导。     

凌志达矿小煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究

为了解决传统大煤柱开采时存在应力集中而造成巷道变形严重、煤炭回采率低等问题,以凌志达矿15207工作面为研究背景,采用理论分析沿空掘巷上覆岩层运动规律,开展小煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究。研究结果表明:小煤柱沿空掘巷围岩失稳主要是由巷道上覆关键岩层形成的弧三角块体引起的;为确保沿空掘巷围岩整体稳定,提出小煤柱沿空掘巷时采用高强预应力锚杆(索)支护对顶板、煤柱帮进行加强支护;掘巷期间两帮移近量105 mm,顶底板移近量94 mm,说明掘巷围岩在合理变形范围内,现场试验效果良好。     

深部矿井软弱质岩层巷道主动支护新技术研究

探讨软弱质围岩巷道主动支护新技术,研究高预应力锚杆、底部锚杆和延后注浆综合治理新技术措施在深部矿井巷道中的应用。深部矿井软弱质岩层巷道长期处于高应力状态,变形后修复周期较短,容易发生大流变破坏,如果已掘进的深部软岩巷道长期处于较大的变形速度下,对帮底的过度修复常常会导致支护结构的破坏,进一步加剧巷道变形。     

基于钻孔应力监测的深部开采围岩应力演化及数值模拟研究

随着矿山开采深度的增加,巷道受围岩应力的影响越发严重。巷道开挖后,引起附近围岩应力重新分布,其分布状况受地质条件和开采条件的影响,导致应力重分布越来越复杂。针对三山岛金矿深部地质情况,借助数值模拟软件对-870 m水平巷道进行整体稳定性分析,然后采用钻孔应力监测的方法对开挖岩层的内部应力场变化进行分析,确定围岩拉应力主要分布于斜联巷与脉外主运输巷交叉位置、脉外主运输巷与采联巷交叉位置和水仓等位置,最大为0.6 MPa;最大剪应力主要分布于斜联巷、脉外主运输巷拐弯处及东西走向巷道,最大为30 MPa。研究围岩应力分布的规律,为采场围岩稳定性评价及巷道围岩支护设计优化提供指导。