深部開采災害及防治研究進展

楊 軍, 閔鐵軍,2, 劉斌慧,2, 陳奎奎,2, 楊 柳

(1.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 北京 100083； 2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，人類對資源的需求量不斷增大，地球淺部的礦物資源逐漸枯竭，礦物資源的開采不斷走向地球深處[1-5]。目前，煤炭資源開采深度達到1 500 m，地熱資源開采深度超過3 000 m，有色金屬礦開采深度超過4 350 m，油氣資源開采深度已達7 500 m[1]。煤礦方面，中國煤炭產量中的90%以上都來自地下開采，埋深超過1 000 m的煤炭資源量占已探明的5.57×1012t煤炭資源的53%，經(jīng)過長期大規(guī)模的開采，淺部資源逐漸減少，煤炭開采深度以每年10～25 m的速度向深部擴展，平均采深已達700 m左右，中東部主要礦井采深已達800～1 000 m[6-8]。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國現(xiàn)有采深超過1 000 m的礦井共47座(總產量9 456×104t)，平均采深1 086 m[1,9]。金屬礦方面，國外開采深度超過1 000 m的金屬礦超過80座，大多數(shù)分布在南非、加拿大、美國、澳大利亞、俄羅斯、波蘭等地區(qū)，其中南非和加拿大最多，南非絕大多數(shù)金礦的開采深度超過2 000 m[10-12]；當前，中國超千米深的金屬礦約32座[3]，如云南的會澤鉛礦，安徽銅陵的冬瓜山銅礦，河北的壽王墳銅礦，遼寧撫順的紅透山銅礦等。未來，中國煤礦與金屬礦的深部開采將趨于常態(tài)。

深部開采時，巖石賦存環(huán)境十分復雜，且其力學行為特征與淺部相比發(fā)生了明顯變化，因此，深部資源開采中發(fā)生的災害性事故與淺部相比，頻率更高，程度更劇烈，成災機理更復雜[2]。隨著開采深度的增加，上覆巖層的自重應力以及構造應力均明顯增大，導致巷道圍巖產生劇烈變形，采場容易失穩(wěn)，巖爆、沖擊地壓等災害發(fā)生的次數(shù)、強度和規(guī)模均明顯增大，給巷道支護和頂板管理帶來了很大的困難[13]。同時，深部巷道圍巖在破壞時表現(xiàn)出突然、劇烈的特征，破壞前兆不明顯，這為技術人員在破壞發(fā)生前進行預測預報帶來了很大的挑戰(zhàn)。在深部開采條件下，受高地應力和高承壓水的作用，煤巖層內積聚了大量的瓦斯以及其他氣體和液體能量，在開采擾動的作用下，氣體及液體能量會突然猛烈地向巷道和采掘工作面釋放，造成嚴重的煤與瓦斯突出事故以及突水事故。另外，隨著深度的增加，地溫逐漸升高，高溫環(huán)境不僅容易導致煤層自燃，引發(fā)礦井火災和瓦斯爆炸事故，并且讓工人難以集中注意力，降低了工作效率[14]。因此，針對深部開采出現(xiàn)的工程災害問題，應該研究其發(fā)生機理并提出相應的防治措施。

1 引起深部資源開采災害的因素

深部開采災害頻發(fā)，這是由深部巖體的賦存環(huán)境所決定的，即高地應力、高地溫、高巖溶水壓的“三高”賦存環(huán)境，這一賦存環(huán)境的特點決定了巖石的原始物理力學特性，另外，深部開采強烈的工程擾動加劇了深部巖體動力響應的突變性[1-2]。一是高地應力：包括上覆巖層的自重應力和地質構造運動產生的構造應力，深部巖體所承受的地應力往往超過其抗壓強度，使其內部形成很高的地應力場，同時積聚了大量的變形能量。二是高地溫：越往地下深處，地溫越高，高地溫不僅對巖石的力學特性和變形性質產生顯著影響，而且會導致地應力的變化。三是高巖溶水壓：地應力與地溫升高的同時，巖溶水壓也逐漸升高，高巖溶水壓會促進巖體內裂隙的發(fā)育，改變巖體受力狀態(tài)，造成礦井突水等災害事故。四是強烈的開采擾動：強擾動會引起高強度的應力集中，且遠高于工程巖體的抗壓水平，在高地應力、高地溫、高巖溶水壓的共同作用下，極易導致深部巖體發(fā)生突然的、無征兆的破壞，如大范圍的失穩(wěn)和坍塌等。

在上述因素中，高地應力、高地溫、高巖溶水壓屬于深部巖體賦存環(huán)境本身的特點，開采所引起的強擾動則是深部巖體賦存環(huán)境的附加特征，二者是導致深部開采災害頻發(fā)的根本原因[1]。人類社會不斷發(fā)展，對礦產資源的需求不會停止，煤炭開采進入深部以后，將不可避免地面臨高頻度和高強度的動力災害。因此，人們在進行深部開采時，必須事先預測預報發(fā)生動力災害事故的可能性，并做好防范措施。目前，災害類型主要包括軟巖大變形、巖爆、高礦壓、熱害、瓦斯突出和強擾動等。

2 深部開采中的軟巖大變形災害

進入深部以后，受高地應力和工程擾動等作用，巖體所處的應力狀態(tài)與淺部相比發(fā)生了明顯的變化，使得深部巖體表現(xiàn)出軟巖的特征，進入塑性變形階段，產生圍巖大變形和強流變等現(xiàn)象。

2.1 深部軟巖工程大變形破壞機理

深部軟巖中含有大量蒙脫石、高嶺石等黏土礦物成分，這些黏土礦物內部電子結構的缺陷會使其產生負電性，從而對水分子擁有較強的吸附能力。井下開采過程中，巖體不斷吸水膨脹，強度逐漸降低，最終導致圍巖大變形和巷道塌方[15-16]。

研究深部巖體變形時，必須考慮地質環(huán)境因素的影響，如巖層的產狀與結構以及地應力場的方向性等。研究表明，巷道方向與地應力主方向不同，巖體及巖層中的結構面不對稱，都會明顯降低深部巷道圍巖的強度，使其產生非對稱大變形破壞，常規(guī)的對稱支護方法無法起到有效作用，需設計重點控制結構面的非對稱支護方法[17-18]。

深井濕熱的環(huán)境對圍巖的物理力學性質產生了影響，通過對巖石從普通環(huán)境至高溫高濕環(huán)境下的力學性質研究，發(fā)現(xiàn)高溫高濕環(huán)境容易引起圍巖軟化，強度降低，產生較大的變形量，從而導致巷道失穩(wěn)[19-20]。

2.2 深部軟巖工程大變形控制對策

對深部軟巖變形破壞機理的研究，為軟巖巷道變形控制對策的設計提供了一定的理論依據(jù)。針對地質力學環(huán)境使巷道圍巖產生差異性變形的問題，控制對策的重點是改善巷道周邊圍巖結構的力學性能，充分利用圍巖和支護結構自身的承載能力，加強對圍巖關鍵部位的支護，避免其產生劇烈變形，防止因巷道局部破壞而產生非對稱大變形。經(jīng)數(shù)值模擬和實驗研究[18]，提出了“錨網(wǎng)噴+錨索+底角錨桿”非對稱耦合支護方式，并在實際工程應用中取得了較好的效果，有效地控制了巷道圍巖關鍵部位的非對稱變形，提高了巷道的穩(wěn)定性。

除了在支護形式方面進行新的嘗試，深部軟巖大變形控制材料的研發(fā)也取得了新的進展。傳統(tǒng)支護材料受允許變形量的限制，無法滿足深部巷道圍巖產生的大變形，往往被拉斷失效。為此，何滿潮等[21-22]研發(fā)了具有負泊松比效應(negative Poisson’s ratio, NPR)的新型恒阻大變形錨桿/索，適用于深部軟巖巷道的圍巖支護。新型恒阻大變形錨桿/索(NPR錨桿/索)是一種由負泊松比材料與結構組成的復合裝置，如圖1所示，可以在保持恒定工作阻力的同時提供較大的變形量，在巷道圍巖出現(xiàn)大變形破壞時，新型恒阻大變形錨桿/索能夠吸收周圍巖體的變形能量，通過自身結構變形而不是材料變形來避免巖體發(fā)生變形，從而維護了巷道圍巖的穩(wěn)定。經(jīng)過靜力拉伸試驗、動力沖擊試驗及現(xiàn)場工程應用等研究，結果表明，新型恒阻大變形錨桿/索可以有效控制巷道圍巖緩慢大變形，抵抗動力沖擊作用，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性，降低了發(fā)生沖擊地壓、巷道塌方等事故的風險，是深部軟巖巷道支護的可靠選擇[22]。

圖1 NPR錨桿三維圖[22]Fig.1 Three-dimensional view of the NPR bolt[22]

3 深部開采中的巖爆災害

3.1 巖爆的機制

巖爆是井下巷道或硐室圍巖在高地應力作用下發(fā)生突然破壞，破碎的巖石向自由空間彈射或拋擲的一種動力失穩(wěn)現(xiàn)象，伴隨著大量彈性應變能的猛烈釋放[23-25]。隨著開采深度的增加，地應力不斷增大，巖爆發(fā)生的頻率和破壞性也逐漸升高。巖爆現(xiàn)象通常發(fā)生在承受高應力的硬巖巖體中，誘發(fā)因素包括強工程擾動、疊加開采和構造面引起的高應力集中[26-27]。在深部高地應力狀態(tài)下，開挖卸荷以及動力作用會導致巷道圍巖中的應力場發(fā)生變化，并以兩種形式產生巖爆，一種形式是直接造成圍巖的破碎和巖塊的彈射，另一種形式是使圍巖中的已有斷層和結構面或新結構面產生滑移，從而導致巖體的破壞和碎石的崩落[23]。

3.2 巖爆的預測與防治

巖爆造成的巷道垮塌、支護失效，以及井下設備損壞，作業(yè)人員傷亡，嚴重危害礦山安全高效生產和經(jīng)濟利益，因此，如何對巖爆現(xiàn)象進行及時的預測和有效的防治就顯得尤為重要。

由于巖爆發(fā)生機制的復雜性和隨機性，準確地預報巖爆發(fā)生的時間和地點十分困難，但巖爆主要是由深部巖體開挖卸荷引起的地應力變化所決定，且斷層發(fā)育，支撐壓力高，采掘空間大等不利因素的出現(xiàn)，會增加巖爆發(fā)生的概率。因此，通過工程地質勘查，地應力場現(xiàn)場實測，巖石力學實驗和三維數(shù)值模擬等方法結合巖爆傾向性判據(jù)，對巖爆發(fā)生的可能性大小和強度進行評估和預測。例如，利用上述方式對玲瓏金礦發(fā)生巖爆的可能性進行分析，結果表明，玲瓏金礦深部花崗巖內儲存著較大的彈性應變能，具有巖爆和沖擊的可能性[28]。巖石力學實驗包括單軸壓縮循環(huán)加載實驗，單軸與三軸剛性實驗，加載巖爆實驗和卸載巖爆實驗等，通過實驗結果分析巖石的破壞狀態(tài)，破壞形式以及內部儲存能量的特性。巖石脆性系數(shù)、彈性能量指數(shù)、應力系數(shù)和沖擊能量指數(shù)等可作為判據(jù)對巖爆發(fā)生的傾向性進行分析，針對不同的礦井實際情況，應結合多個判據(jù)聯(lián)合分析，并進行適當優(yōu)化，增加巖爆預測的可靠性。

目前，地下開采主要采取以下措施對巖爆進行防治。

(1)對巷道和采掘工作面位置進行合理布局，優(yōu)化開采和掘進區(qū)域的尺寸以及推進順序，降低工作面周圍巖體的應力集中，維護巷道及工作面巖體穩(wěn)定。

(2)及時充填采空區(qū)，減小采空區(qū)空頂面積，避免頂板巖體長時間暴露，以防止長時間處于高應力狀態(tài)下的巖體向自由空間彈射。

(3)采用錨網(wǎng)柔性支護對硐室及巷道進行支護，改善巖體的應力狀態(tài)，主動吸收應變能，防止破碎巖石向自由空間拋擲和彈射。

4 深部開采中的高礦壓災害

隨著開采深度的不斷增加，上覆巖層自重應力明顯增大，構造應力場更加復雜，巷道及采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)強烈，導致圍巖變形嚴重，破壞范圍和程度大，煤壁片幫、頂板冒落和支架損壞等現(xiàn)象突出[29-30]。深部開采時，傳統(tǒng)淺部巷道支護材料與方法強度低，效果差，且需要多次維護和翻修，難以保持深部巷道圍巖長期的完整與穩(wěn)定。

4.1 深部高礦壓控制技術現(xiàn)狀

采用高預應力強力支護系統(tǒng)，可有效應對深部開采礦山壓力強度高、危害大的問題，防止深部巷道圍巖與頂板發(fā)生明顯的變形與破壞。高預應力強力支護系統(tǒng)由強力錨桿、強力鋼帶、強力錨索及其他構件組成[31-32]。將錨桿預應力和強度進行大幅度的提高，抑制圍巖發(fā)生離層、滑動，防止巖體內裂隙擴展或產生新裂紋，保持巖體的整體性和穩(wěn)定性，利用托盤、鋼帶和金屬網(wǎng)等構件擴大錨桿預應力的作用范圍，改善巖體的受力狀態(tài)。通過大幅度提高頂板錨桿的預應力和強度，控制頂板下沉，降低煤幫壓力，抑制底鼓出現(xiàn)。同時，高預應力強力支護系統(tǒng)能夠提供足夠的延伸率，巷道圍巖可以產生一定程度的連續(xù)變形，以釋放巖體中的高應力?，F(xiàn)場試驗表明[33-34]，高預應力、強力錨桿組合支護系統(tǒng)在深部開采礦壓顯現(xiàn)強烈的巷道具有良好的支護效果，可以有效控制巷道圍巖的變形和破壞程度，保持圍巖穩(wěn)定性，避免不斷的維護和修繕，確保井下安全開采。

4.2 深部巷道圍巖控制技術研究進展

隨著采煤深度的增加，傳統(tǒng)長壁開采方法引起的圍巖應力集中程度和采場礦山壓力顯現(xiàn)強度均明顯增加，所造成的災害事故也更加嚴重。針對這一問題，有學者提出了切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術，通過定向爆破切縫技術切斷礦山壓力在頂板巖梁間的傳遞路徑，待工作面回采后利用垮落矸石的碎脹性形成巷幫，實現(xiàn)無煤柱自成巷開采，在多座礦井的應用中都取得了良好的效果[35-37]。切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術不僅使回采巷道處于礦山壓力卸壓區(qū)，降低了下一回采工作面的支承壓力，有效控制了巷道圍巖的變形，而且無須留設煤柱，減少了巷道掘進量，提高了資源回收率，為推動中國礦業(yè)科學技術變革做出了突出的貢獻。

在技術構想方面，康紅普等[38-39]提出了巷道支護-改性-卸壓協(xié)同控制技術，如圖2所示，以應對深部開采高礦壓下的圍巖控制問題。研發(fā)高強度、大延伸率、高沖擊韌性錨桿支護材料與構件對圍巖進行主動支護，開發(fā)深井巷道圍巖高壓劈裂注漿改性技術，研制深部巷道水力壓裂主動卸壓裝備與技術，綜合3種技術的優(yōu)勢與特點，實現(xiàn)深部巷道圍巖的聯(lián)合控制。

圖2 錨桿支護-改性-卸壓協(xié)同控制示意圖[38]Fig.2 Schematic diagram of collaborative groundcontrol using bolting-grouting-destressing technology[38]

5 深部開采中的熱害

隨著開采深度的增加，地溫逐漸升高，越來越多的礦井面臨高溫熱害問題。根據(jù)資料，地溫梯度通常情況下為30 ℃/km，在中國采深超過1 000 m的礦井，工作面溫度可達34～36 ℃。高溫高濕環(huán)境不僅會影響工人身心健康，降低工作效率，造成安全事故，還會觸發(fā)巖體的熱力學效應，產生礦井災害[40-41]。

5.1 深部巖體的熱力學效應

通過對取自深部的煤巖樣品的試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，煤巖體的單軸抗壓強度和彈性模量均逐漸降低，即煤巖體抵抗變形與破壞的能力降低；同時，隨著溫度的升高，煤樣中吸附的甲烷和二氧化碳等氣體逐漸逸出，尤其當溫度超過30 ℃時，煤樣中逸出的瓦斯量急劇增加[42-43]。環(huán)境溫度升高會導致煤基質中的瓦斯壓力增加，有效應力減小，從而使煤體強度減弱；當吸附瓦斯解吸后，煤基質發(fā)生收縮，宏觀裂縫面的摩擦減小，也使煤體強度降低。高溫使原本吸附態(tài)的瓦斯氣體分子轉變?yōu)橛坞x態(tài)脫離煤體顆粒表面，填充在微裂隙中間，增大了顆粒間裂隙的同時降低了黏結力，則煤體抵抗變形的能力減弱。深部開采時，高溫軟化效應和高溫吸附氣體逸出效應是導致礦井塌方和瓦斯爆炸事故的重要原因。

5.2 熱害的控制對策

深井高溫環(huán)境影響工人健康，危害礦井安全，須采取相應措施進行控制。傳統(tǒng)的通風、熱源隔離和個體防護等非人工制冷技術無法解決深井高溫熱害問題。在長期的工程實踐探索中，形成了以地面集中制冷降溫系統(tǒng)、地面排熱井下集中降溫系統(tǒng)、回風排熱井下集中降溫系統(tǒng)、地面熱電聯(lián)產制冷降溫系統(tǒng)和冰冷降溫系統(tǒng)等為主的人工制冷技術，在一定程度上緩解了深井高溫熱害現(xiàn)象。地面集中制冷降溫系統(tǒng)是通過地面的制冷機組和井下的換熱器，將地面的水冷卻后輸送到工作面進行降溫，其優(yōu)點是主要設備在地面，維護方便，但在采深超1 000 m的礦井中應用較少，原因是其輸送管線長，需要的設備壓力和造成的冷損都比較大。地面排熱井下集中降溫系統(tǒng)是將壓縮冷凝機組布置在井下，地表保留冷卻塔進行散熱，縮短了冷能輸送距離，降低了冷損，但向地面排熱管道線路長，設備承壓大[44]?；仫L排熱井下集中降溫系統(tǒng)則是將水冷卻器和冷凝機組都布置在井下，縮短了輸送管線長度，但冷卻器在井下，排熱困難，適用于冷量較小的工作面或掘進頭降溫。地面熱電聯(lián)產制冷降溫系統(tǒng)利用電廠余熱以及溴化鋰制冷機組和乙二醇螺桿制冷機組制備出乙二醇溶液并輸送至井下，經(jīng)井下?lián)Q冷器為工作面提供涼風，這一方法將瓦斯電廠的廢棄余熱充分利用，但輸送管路長，冷損大，且使用條件受限。冰冷降溫系統(tǒng)是將地表制冰系統(tǒng)制出的冰送至井下，用冰將井下水冷卻后對工作面進行噴霧降溫，優(yōu)點是輸送管路無須承受高壓，缺點是冰在輸送時冷損大易導致管道堵塞。

除上述技術外，以礦井涌水為冷源的溫控模式逐漸得到應用[45]。該模式利用能量提取系統(tǒng)從礦井涌水中提取冷量，然后用提取出的冷量同采掘面高溫氣體進行換熱，從而降低工作面的溫度，此外，被提取冷量后的礦井涌水在被輸送至地面的同時，可攜帶熱能至地表從而為鍋爐供熱，該溫控技術分為礦井涌水豐富型、礦井涌水不足型和礦井涌水缺乏型3種模式以適應不同的礦井條件。以礦井涌水為冷源的溫控模式不僅實現(xiàn)了井下降溫的目的，還完成了礦井熱害轉化為地面熱能的有效利用，保障了礦井安全生產和綠色環(huán)保發(fā)展，在實際應用中取得了顯著的效果[40,46]。

6 深部開采中的瓦斯突出災害

在成煤過程中，煤化作用會產生甲烷等氣體，隨著埋藏深度的增加，在高溫、高壓條件下，以甲烷為主的烴類物質伴隨煤化作用大量產生，使深部煤層瓦斯壓力和瓦斯含量增大，同時，深部高地應力降低了煤層透氣性。在深部高地應力、高溫和采掘擾動條件下，瓦斯的賦存特點增大了發(fā)生瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故的風險[47-48]。因此，深部礦井瓦斯防治措施的研究對于降低事故發(fā)生概率和保障礦井安全生產有著極其重要的意義。

深部開采時，瓦斯綜合治理應當從防突和抽采兩個方面著手[49]。防治煤與瓦斯突出措施可分為區(qū)域防突措施和局部防突措施，其中，區(qū)域防突有效措施包括開采保護層和預抽煤層瓦斯，局部防突措施主要為水力化措施，包括水力壓裂、水力沖孔和煤層注水等。瓦斯抽采分為本煤層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采[50-51]。實際情況中，受瓦斯來源、地質條件和煤巖體力學性質等因素影響，采用單一的防治措施可能無法實現(xiàn)目的，往往需要采取多種措施綜合治理。

6.1 深部開采的區(qū)域防突措施

開采保護層是治理煤與瓦斯突出最為有效的區(qū)域性措施。開采保護層后，采場周圍的煤巖體發(fā)生移動變形，應力場重新分布，使得采空區(qū)頂板周圍地應力降低，被保護層卸壓，煤層發(fā)生膨脹變形，從而增大了煤層的透氣性，加強了瓦斯的解吸與流動速率，使得被保護層中的瓦斯壓力降低，瓦斯含量減小[52-53]。在開采層間距較小(<50 m)的煤層群時，被保護層卸壓后，層間薄弱的巖層會產生裂隙，為采空區(qū)和鄰近層的瓦斯涌向開采層提供了通道，從而導致開采層瓦斯超限。此時，需將采空區(qū)抽采和鄰近層抽采兩種方式結合才能夠降低本煤層工作面和上隅角的瓦斯含量，同時也促進了被保護層瓦斯的釋放。在開采突出煤層上方的極薄保護層時，可利用鉆卸法使煤層應力重新分布，達到卸壓效果，防止被保護層煤與瓦斯突出。

當開采單一煤層或保護層為突出煤層時，需進行本煤層瓦斯抽采以降低煤層瓦斯壓力，減少瓦斯含量，避免發(fā)生瓦斯突出危險。瓦斯抽采不僅可以有效防止煤與瓦斯突出，還可以將瓦斯作為能源充分利用。本煤層瓦斯預抽是向突出煤層打大量鉆孔，使煤體轉變?yōu)榫植啃秹籂顟B(tài)，并進行瓦斯抽采以降低瓦斯含量和壓力，從而使煤層發(fā)生變形，地應力減小，透氣性系數(shù)增加，實現(xiàn)降低煤與瓦斯突出危險性、保障采掘工作順利進行的目的。本煤層瓦斯預抽包括地面長鉆孔抽采、穿層鉆孔條帶抽采、順層鉆孔抽采、網(wǎng)格式穿層鉆孔抽采以及綜合抽采等方式[54]。

6.2 深部開采的局部防突措施

在抽采瓦斯的條件下，可進一步采取水力化措施以增大煤層透氣性，提高抽采效率。通過水力沖孔、水力沖刷和水力壓裂等措施，使煤層中出現(xiàn)空洞，或使已有孔隙與裂縫擴展，引起煤體中的應力重新分布，增大卸壓范圍，促進瓦斯排出[55]。煤層注水可以濕潤煤體，使其物理力學特性發(fā)生變化，原本的脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐?，提高煤體的強度和穩(wěn)定性。

7 深部開采中的強擾動災害

7.1 深部巖體工程的強擾動特征

除原始地應力環(huán)境外，地下巖體的應力環(huán)境還包括工程擾動引起的擾動應力。擾動應力包括開挖引起的應力重分布和爆破、切削等帶來的動態(tài)應力波動[56]。深部開采時，巖體處于靜水壓力狀態(tài)，采掘活動引起的工程巖體的動力響應更加復雜多變，表現(xiàn)出明顯的強擾動特征。由于深部原巖應力較高，煤層開采、鑿巖掘巷、水力壓裂等局部卸荷作用引起的高集中應力往往超過巖石的極限荷載，使周圍巖體形成擾動影響區(qū)，工程采動引起的彈性能釋放和應力波傳遞情況決定了擾動影響區(qū)的范圍，擾動影響區(qū)的不斷發(fā)展導致巖體發(fā)生流變甚至破壞[57-62]。深部巷道開挖后，支護作用可以調整圍巖應力變化路徑，使擾動區(qū)內巖石的最終應力分布狀態(tài)更合理，避免巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞。

7.2 深部巖巷強擾動控制技術

針對深部受高地應力和強擾動影響的巷道，一般采用的支護方式是首先對圍巖完成柔性讓壓支護，然后選擇適宜的時間實施二次高強度支護。但傳統(tǒng)加強支護采用的是U形鋼支架，支護反力和支護強度較低，支護能力不足，且受扭轉時易發(fā)生變形。針對這一問題，提出由錨網(wǎng)噴+鋼管混凝土支架組成的復合支護技術[59,63]。初次錨網(wǎng)噴支護的目的是改善圍巖的受力狀態(tài)，增大其自身承載能力；二次加強支護使用鋼管混凝土支架，可提供1 500～2 500 kN的支護反力。為適應深部巷道的變形，使圍巖能夠適度泄壓，初次支護和支架間留有100～200 mm的空間，并用柔性支護體進行填充。鋼管混凝土支架是根據(jù)巷道斷面的形狀與尺寸，將空鋼管制作成相應的規(guī)格，并在空鋼管內填充混凝土形成的構件，其結構如圖3所示。支架分為左幫段、右?guī)投巍㈨敾《魏偷谆《?部分，通過套管將各段相連，相鄰支架間用連桿連接。受鋼管管殼的束縛，支架內的混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其抗壓強度因此增強[59,64]。當受到軸向壓力作用時，鋼管和混凝土能夠共同承載，這一特點增強了結構的穩(wěn)定性，延長了支架的使用壽命。鋼管混凝土支架斷面為無異向性的圓柱狀，克服了U形鋼支架易發(fā)生扭曲變形導致結構失穩(wěn)的缺點。

室內力學性能試驗和現(xiàn)場工程應用表明，鋼管混凝土支架具有較高的承載能力，結構穩(wěn)定，支護強度高，可以提高深部巷道圍巖的抗擾動強度，對強擾動下巷道的變形破壞進行積極有效的控制。

圖3 鋼管混凝土支架結構示意圖[59]Fig.3 Schematic diagram of the concrete-filled steel tubular stent[59]

8 深部開采災害防治面臨的挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，深部開采巖體力學理論與災害控制技術研究取得了一定的進展，獲得的成果對工程實踐提供了一定的幫助。然而，考慮深部巖體現(xiàn)場原位應力狀態(tài)以及開采或開挖路徑影響的深部巖體力學理論尚處于初步探索過程，有關深部巖體的基本力學特性、損傷變形破壞過程、能量耗散與釋放規(guī)律等一系列力學行為還需深入研究與驗證，對于巖體變形尤其是巖爆的監(jiān)測系統(tǒng)與方法的研究還要做大量工作，深部礦井多種災害可能同時顯現(xiàn)引起的復合型災害給防治技術研究帶來了很大困難。此外，深部資源流態(tài)化、智能化、無人化綠色安全開采理論與技術是值得深入研究與突破的方向[65-69]。

9 結論

隨著人類對資源的需求和采掘機械化程度的不斷提高，淺部資源逐漸枯竭，越來越多的礦井逐步進入深部開采。通過對深部開采面臨的工程問題及防治措施的分析，得到以下結論。

(1) 深部巖體復雜的賦存環(huán)境即高地應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈的工程擾動，是導致深部開采災害頻發(fā)的根本原因。

(2) 關于深部開采中遇到的問題，如軟巖大變形、巖爆、高溫熱害、瓦斯突出和強擾動等，目前進行了一些理論分析和試驗研究，提出了相應的防治措施，并在實際工程應用中取得了積極的效果。

(3) 目前人們已經(jīng)認識到傳統(tǒng)的巖石力學理論不適用于深部開采，有關深部巖體性質和力學行為，巖體變形監(jiān)測和預警，巖體穩(wěn)定性控制理論與技術，綠色高效開采理論與技術，以及相關的試驗方法和設備還有待進一步研究。