深井開采地壓基礎(chǔ)理論與防控研究進(jìn)展

摘要：目前地表及淺層礦產(chǎn)資源不斷減少，未來采礦必然要向深部進(jìn)軍。隨著開采深度的增加，采礦作業(yè)面臨“三高一擾動”的開采環(huán)境，嚴(yán)重影響采礦作業(yè)的正常生產(chǎn)，開展地壓管理工作成為礦山生產(chǎn)的必要前提。從基礎(chǔ)理論、監(jiān)測手段、地壓管理3個方面總結(jié)目前的相關(guān)研究成果，為礦山實際生產(chǎn)工作提供基礎(chǔ)指導(dǎo)?；A(chǔ)理論基于動靜力組合加載作用和溫度－滲流－應(yīng)力多場耦合作用2個方面展開，可以明晰地壓活動的內(nèi)在力學(xué)機理；監(jiān)測手段基于應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和微震監(jiān)測系統(tǒng)2部分展開，靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和動態(tài)實時微震監(jiān)測系統(tǒng)相互配合，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中地壓活動的有力監(jiān)測；地壓管理措施從地壓調(diào)控方法和支護(hù)系統(tǒng)2個方面展開。明晰了目前深井開采地壓基礎(chǔ)理論和防控手段存在的問題，進(jìn)而為后續(xù)研究指引方向，促進(jìn)深井礦山的大力開采。

關(guān)鍵詞：深井開采；巖石力學(xué)；動靜組合加載；地壓監(jiān)測；微震監(jiān)測；地壓基礎(chǔ)理論；地壓調(diào)控；吸能支護(hù)系統(tǒng)

中圖分類號：TD853"TD32"""""""""文章編號：1001-1277（2024）08-0019-09

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240802

引"言

目前，隨著地表及淺層礦產(chǎn)資源的減少［1］，社會發(fā)展的需求增加，未來采礦必然要向深部進(jìn)軍［2］。國內(nèi)外已有許多開采深度超1 000 m的礦山［3］，如南非的Mponeng Gold Mine開采深度達(dá)到4 350 m，South Deep Gold Mine開采深度達(dá)到3 500 m，West Driefovten金礦開采深度達(dá)到6 000 ｍ［4］；國內(nèi)的冬瓜山銅礦［5］、夾皮溝金礦［6］、會澤鉛鋅礦［7］等開采深度均超過了1 100 m，標(biāo)志著中國進(jìn)入深井開采時代［8］。深井開采處于分布復(fù)雜的三維空間應(yīng)力場中［9-11］，為了對采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行定量化表征，必須進(jìn)行巖石力學(xué)相關(guān)研究。采礦行為帶來的強擾動［12］，導(dǎo)致巖石原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞［13］，巖石內(nèi)積聚的彈性能釋放［14］，導(dǎo)致容易產(chǎn)生巖爆、應(yīng)力突出、巷道坍塌等地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，以及硬巖發(fā)生高應(yīng)力誘導(dǎo)的板裂破壞現(xiàn)象［15-16］，邊壁形成V形破壞區(qū)［17］，對施工人員生命安全造成危害［18-19］。因此，實際工程中除了考慮原始地應(yīng)力場的作用外，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、工程性質(zhì)、支護(hù)類型和支護(hù)時間等都會影響采場的穩(wěn)定性，地壓作為地應(yīng)力在巖石中的具體表現(xiàn)，進(jìn)行地壓的分析和控制對于保證工程安全具有重要意義。

地壓管理已成為深井采礦的重要熱點問題［20］，但目前得到的理論和經(jīng)驗不能完全指導(dǎo)深井采礦作業(yè)，傳統(tǒng)的巖石力學(xué)理論已不適用于深井環(huán)境［21］，對開采過程中的應(yīng)力狀態(tài)無法準(zhǔn)確預(yù)測和控制［22］；傳統(tǒng)的支護(hù)材料不能完全適應(yīng)深井高溫高應(yīng)力條件等；以及對板裂破壞的發(fā)生機理及其誘發(fā)巖爆的機制仍缺乏深入理解。因此，本文擬通過總結(jié)目前深井開采巖石力學(xué)研究新進(jìn)展，明晰深井開采地壓管理的內(nèi)在力學(xué)機理；其次，針對地壓活動空間分散性和時間隨機性的特點，總結(jié)目前地壓監(jiān)測系統(tǒng)的方法、技術(shù)與裝置，揭示礦山地壓活動規(guī)律；最后，總結(jié)深井開采高應(yīng)力環(huán)境下的地壓管理措施，并結(jié)合目前的研究進(jìn)展，歸納總結(jié)深井開采地壓控制技術(shù)的發(fā)展方向，為后續(xù)礦山深井開采地壓控制提供參考依據(jù)。

1"深井開采巖石力學(xué)研究新進(jìn)展

地壓管理是深井開采的重點，需要進(jìn)行相關(guān)巖石力學(xué)研究。因此，本文擬從巖石動靜組合加載力學(xué)和深井開采巖石力學(xué)多場耦合分析2部分內(nèi)容進(jìn)行展開論述。

1.1"巖石動靜組合加載力學(xué)

近幾年來，隨著越來越多礦山開采的深度超過1 000 m，深井開采與常規(guī)淺層開采巖石靜力學(xué)、動力學(xué)性質(zhì)存在較大差異［23］。主要原因在于常規(guī)靜力學(xué)主要研究靜壓作用下巖石的力學(xué)性能［24-25］，而動力學(xué)主要研究動壓作用下巖石破壞的相關(guān)規(guī)律［26］。結(jié)合深井開采工藝，開采前的靜應(yīng)力是必須考慮的，同時也需要預(yù)防后期開采過程中擾動引起的應(yīng)力調(diào)整變化。因此，圍巖會受到“靜應(yīng)力+擾動應(yīng)力”的組合作用，簡稱動靜力組合加載作用。

針對動靜力組合加載作用的研究已逐漸深入，充分考慮三維載荷加載形式，逐步向真三軸轉(zhuǎn)變［27］。深井開采圍巖受力如圖1所示。

基于動靜組合加載力學(xué)研究，明晰了動靜力組合加載作用時巖石的破壞形態(tài)。李夕兵等［28］基于動靜力組合加載系統(tǒng)，得到巖石在動靜組合加載力學(xué)作用下呈現(xiàn)拉伸破壞。余永強等［29-30］基于三軸動靜加載試驗，明晰了巖石的破壞形態(tài)主要為拉伸破壞和壓剪破壞。趙伏軍等［31］對花崗巖進(jìn)行了動靜耦合加載試驗，發(fā)現(xiàn)動靜組合載荷下巖石更容易破壞，因此，選擇合理的動靜力組合加載方式，能提高破巖效果。

通過動靜力組合加載作用下“巖爆”模擬試驗，明確在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下巖爆現(xiàn)象的發(fā)生機制。在動靜力組合加載作用下，巖石試樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生變化。當(dāng)動載超過巖石的動態(tài)抗壓強度時，巖石會發(fā)生破壞，形成裂紋或破裂面。同時，由于靜力學(xué)作用的存在，巖石在破壞過程中可能會出現(xiàn)應(yīng)力波的傳播、反射和疊加等。需要注意的是，動靜力組合加載作用下“巖爆”模擬試驗是一個復(fù)雜且精細(xì)的過程，需要充分考慮巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、加載條件、監(jiān)測手段等多個因素。同時，由于巖爆現(xiàn)象的復(fù)雜性和不確定性，模擬試驗結(jié)果可能存在一定的局限性和誤差，在實際應(yīng)用中需要綜合考慮多種因素，結(jié)合工程實際情況進(jìn)行分析和判斷。

不同卸荷條件下的巖石破壞呈現(xiàn)出更明顯的脆性特征。與常規(guī)加載試驗中的剪切破壞不同，卸荷試驗往往導(dǎo)致張剪混合破壞，這種破壞模式的變化直接影響了巖石的力學(xué)強度。此外，卸荷速率越快，巖石抵抗彈性變形的能力降低越快。因此，卸荷對巖石力學(xué)強度的影響是復(fù)雜且多方面的。在實際工程中，需要充分考慮卸荷效應(yīng)，以確保工程的安全性和穩(wěn)定性。

可以明確，巖石的破壞主要來源于靜載作用［32］，隨著靜應(yīng)力的提高，巖石破壞時會經(jīng)歷“吸能—釋能—吸能”的轉(zhuǎn)化階段，吸能狀態(tài)對應(yīng)常規(guī)動態(tài)破壞，而釋能狀態(tài)則對應(yīng)巖爆情況。此外，卸荷對巖石還會產(chǎn)生明顯的強度弱化效應(yīng)，卸荷速率越快，強度弱化效應(yīng)越顯著［33］。

1.2"深井開采巖石力學(xué)多場耦合分析

深井開采時巖石環(huán)境會變得十分復(fù)雜，除了高應(yīng)力環(huán)境，還要考慮高溫、水流作用對于巖石力學(xué)特性的綜合影響。巖石處于多場耦合環(huán)境中，僅考慮某一個因素對于巖石力學(xué)特性的影響過于片面化，不能為實際生產(chǎn)提供科學(xué)參考。應(yīng)綜合考慮應(yīng)力-溫度-滲流場三者的綜合作用，得到的結(jié)論才具有科學(xué)意義和工程價值。

深部巖石的力學(xué)性質(zhì)受溫度影響強烈。因此，為了保證深井開采作業(yè)的安全性，必須研究溫度對巖石性質(zhì)的影響［34］。研究發(fā)現(xiàn)，巖石的抗壓強度和彈性模量均受溫度影響，隨溫度變化呈線性變化趨勢。低溫環(huán)境中，隨溫度增高，自由水含量降低，巖石抗壓強度和彈性模量增強［35］，而高溫環(huán)境中與之相反。溫度范圍的不同導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)也不相同。

通過對高溫影響巖石力學(xué)特性的機理進(jìn)行分析可知：首先是礦物顆粒熱膨脹［36］。由于巖石形成過程中會受到外界因素的強烈影響，因此其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異，相應(yīng)的礦物顆粒熱膨脹系數(shù)各不相同，分子運動的強度也存在差異［37］。其次，含水率也對巖石力學(xué)特性有重要影響。根據(jù)水膜理論，將巖石內(nèi)的水分為自由水和結(jié)合水，當(dāng)溫度逐漸升高時，巖石內(nèi)部的自由水含量急劇降低，巖石顆粒之間直接接觸，導(dǎo)致其抗壓強度和彈性模量增大，力學(xué)特性變強［38］。當(dāng)處于高溫環(huán)境中，達(dá)到一定溫度后，巖石晶格中的結(jié)合水析出，晶格之間存在裂隙，導(dǎo)致巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂，最終導(dǎo)致宏觀上的抗壓強度和彈性模量降低，力學(xué)性能變差［39］。

在工程地質(zhì)災(zāi)害中，水的存在會加速巖體的破裂。隨著滲流壓力的增大，圍巖峰值應(yīng)力減小，其力學(xué)特性受滲流條件的影響而變化，同時巖石在滲流狀態(tài)下存在明顯的應(yīng)變局部化現(xiàn)象［40］。有學(xué)者基于三軸壓縮和滲透試驗，研究了石灰?guī)r的力學(xué)破壞特性和滲透特性之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)巖石試樣在應(yīng)力-滲流耦合作用下會形成大量的微觀裂紋，剪切微裂紋的比例隨著靜壓和圍壓的增大而增大，此時巖石的強度特性也急劇降低［41］。因此，滲流場狀態(tài)對巖體力學(xué)狀態(tài)有不同程度的影響。

早期對于多場耦合下巖石力學(xué)特性的研究，主要集中于單一場或雙場耦合，目前隨著設(shè)備和技術(shù)的不斷更新，可采用多種手段實現(xiàn)多場耦合下巖石力學(xué)特性的研究［42］。例如：國外研發(fā)的耦合試驗機，可以同時施加溫度、水壓和應(yīng)力，實現(xiàn)三場耦合，得到巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線［43］;國內(nèi)河海大學(xué)研制了滲流-應(yīng)力耦合系統(tǒng)裝置［44］，可進(jìn)行多場耦合作用下的測試。隨著數(shù)值模擬的快速發(fā)展，為多場耦合下巖石力學(xué)性能的研究帶來新思路。

目前，多場耦合下巖石力學(xué)性能的研究多集中于巖石在溫度－滲流－應(yīng)力作用下的力學(xué)特性［42］。有學(xué)者研究溫度、圍壓和滲流特征對黏土巖力學(xué)性能的影響，得到溫度和圍壓對黏土巖的變形影響較大，明晰了溫度對黏土巖強度變化的作用機理［45］。有學(xué)者用數(shù)值模擬建立溫度－滲流－應(yīng)力耦合模型，研究了溫度和滲流壓力對巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響機理［46］。有學(xué)者從質(zhì)量守恒、動量平衡和能量守恒角度，得到兩兩耦合強度的量化計算［47］。也有學(xué)者結(jié)合實際問題，得到了適用于特定對象的本構(gòu)模型。但是，到目前為止，溫度－滲流－應(yīng)力三場耦合的本構(gòu)模型仍沒有形成完整的理論體系，特別是在模型建立方面還存在較大的局限性，后續(xù)研究有必要對耦合作用下力學(xué)模型的建立進(jìn)行更深入的探討。

基于上述研究，由于深部巖石處于“三高一擾動”的環(huán)境中，為了實現(xiàn)深井地壓管理，對其力學(xué)的深入研究尤為重要，綜合分析溫度－滲流－應(yīng)力三場耦合及動靜力組合加載作用下巖石的力學(xué)特性變化，是保證開采安全性的前提。

2"深井開采地壓監(jiān)測技術(shù)

深井開采過程中地壓變化極復(fù)雜，且易受采礦活動的影響［48］?！秶野踩O(jiān)管總局關(guān)于印發(fā)非煤礦山領(lǐng)域遏制重特大事故工作方案的通知》（安監(jiān)總管〔2016〕60號）規(guī)定，采深超過 800 m 的礦山必須安裝地壓監(jiān)測系統(tǒng)［8］。因此，地壓監(jiān)測作為保證深井采礦作業(yè)安全的有力手段，必須進(jìn)行系統(tǒng)化研究。

本文通過應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和微震監(jiān)測系統(tǒng)對深井開采地壓監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行闡述。通過建立靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中圍巖應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測，并配合動態(tài)實時微震監(jiān)測系統(tǒng)及時掌握開采引起的地壓活動狀況，指導(dǎo)深井礦山的安全生產(chǎn)。

2.1"應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)

用于深井開采圍巖應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器、傳輸系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)3部分組成。其工作原理是圍巖的地應(yīng)力作用于傳感器，引起傳感器的機械、力學(xué)、光學(xué)或電學(xué)的性能改變，通過傳輸系統(tǒng)，直接傳輸或放大到讀數(shù)記錄系統(tǒng)。通過間斷或連續(xù)記錄信號，可以明確巖體的應(yīng)力或變形變化情況［49］。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器多用振弦式，因其結(jié)構(gòu)簡單，效果穩(wěn)定，在采礦地壓活動監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用［50］。

國內(nèi)外學(xué)者基于上述監(jiān)測裝置，通過應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測方法得到圍巖的應(yīng)力和位移狀態(tài)信息［51］?；趹?yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，提高采場安全的前提下，減少巷道的支護(hù)量，降低生產(chǎn)成本［52］。針對采場結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，明晰巷道的應(yīng)力應(yīng)變變化，降低后期支護(hù)及地壓控制的成本［53］。PANZHIN等［54-55］基于應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)、巖體變形參數(shù)，確定巖體的變形量和構(gòu)造應(yīng)力的大小。KUJRLENYA等［56］通過監(jiān)測應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，基于應(yīng)力回歸模型理論，提出巷道開采的安全指標(biāo)。通過對應(yīng)力應(yīng)變的動態(tài)變化分析，確定開采過程最大應(yīng)力處和巷道的最大收斂值［57］。

上述研究通過應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測裝置，得到采場地壓變化與采掘活動密切相關(guān)。未受采礦活動擾動的區(qū)域應(yīng)力和位移變化平穩(wěn)，受采礦活動擾動的影響，礦體和巷道圍巖中的應(yīng)力和位移發(fā)生變化，地壓活動增強，容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。通過監(jiān)測手段，分析圍巖的應(yīng)力、位移變化規(guī)律，將危險區(qū)域提前控制，保障生產(chǎn)安全。

2.2"微震監(jiān)測系統(tǒng)

微震監(jiān)測系統(tǒng)基于聲發(fā)射技術(shù)和地震學(xué)，來監(jiān)測采礦生產(chǎn)活動帶來的影響［58］。通過信號檢波器［59］，檢測巖石釋放的能量，確定巖石破壞的狀態(tài)參數(shù)（如圖2所示）。微震監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測巖石地壓顯現(xiàn)的現(xiàn)象［60］，并以此判斷巖體穩(wěn)定性，以及是否需要采取相應(yīng)的措施，保證采礦作業(yè)的正常進(jìn)行［61］。

微震監(jiān)測作為區(qū)域應(yīng)力場監(jiān)測手段，根據(jù)應(yīng)力場變化，反推巖體運動狀態(tài)，從而預(yù)警地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象［62］，因此微震監(jiān)測技術(shù)是目前礦山地壓監(jiān)測最為有效的監(jiān)測手段之一［63］。近年來，微震監(jiān)測技術(shù)在金屬礦山地壓監(jiān)測中的應(yīng)用不斷增加［64］。路燕澤等［65］為研究中關(guān)鐵礦地壓活動規(guī)律，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)，綜合分析地壓活動規(guī)律。袁本勝等［66］基于目前地壓監(jiān)測評價方法，提出了多參數(shù)評估方法，并驗證此類評價方法的有效性。王登華等［67］采用三維激光掃描技術(shù)并結(jié)合數(shù)值模擬方法，分析了采空區(qū)的穩(wěn)定性，為后續(xù)采空區(qū)治理提供技術(shù)支撐。

總之，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，微震監(jiān)測技術(shù)能實現(xiàn)礦山的安全生產(chǎn)和災(zāi)害的有效預(yù)防，成為礦山災(zāi)害防治中的重要工具［68］。

上述2種監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別在于，微震監(jiān)測系統(tǒng)主要進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，但精度難以滿足小范圍的監(jiān)測。而應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)可對小范圍突出點進(jìn)行補充監(jiān)測，具有重要的工程實用價值。二者相互配合，共同監(jiān)測，成為地壓管理的有效監(jiān)測手段。

3"深井開采地壓管理

深井開采時采礦活動處于高地應(yīng)力環(huán)境中，回采后采場的地應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中，礦體回采后上下盤圍巖應(yīng)力分布如圖3所示。深井開采地壓管理的核心觀念是掌握采場和巷道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，采取合理措施，減弱其有效應(yīng)力值［69］，進(jìn)而保證采場穩(wěn)定，實現(xiàn)安全生產(chǎn)［70］。

針對深井開采地壓管理工作，本文從深井開采地壓調(diào)控方法和支護(hù)系統(tǒng)2個方面進(jìn)行展開論述。其中，深井開采地壓調(diào)控方法是將應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力緩解或轉(zhuǎn)移，保證礦山相對穩(wěn)定。具體措施包括留設(shè)隔離礦柱、充填采空區(qū)、卸壓爆破和回采順序調(diào)整［71］。

3.1"深井開采地壓調(diào)控方法

3.1.1"留設(shè)隔離礦柱

隔離礦柱是指在回采時開采完一段礦石后留設(shè)的一層礦體［72］（如圖4所示）。其作用是支撐上下盤圍巖，確保采空區(qū)穩(wěn)定，以預(yù)防應(yīng)力集中等對采場的破壞。

目前主要通過理論計算與數(shù)值模擬方法評估應(yīng)力變化的影響，合理設(shè)計隔離礦柱的位置和厚度［73］。徐中華等［74-75］運用Flac3D軟件模擬分析回采后礦柱的位移、應(yīng)力變化、破壞情況等，隨著隔離礦柱厚度減小，隔離礦柱內(nèi)位移、應(yīng)力和破壞程度均增大，此時采場的穩(wěn)定性降低，因此可確定礦山安全生產(chǎn)范圍內(nèi)的隔離礦柱尺寸。李玉飛等［76］通過分析計算隔離礦柱受力特征，推導(dǎo)出隔離礦柱失穩(wěn)的臨界尺寸。李夕兵等［77］采用Flac3D軟件，根據(jù)隔離礦柱所受的應(yīng)力，并在安全的前提下，得到隔離礦柱最優(yōu)厚度為20 m。

留設(shè)隔離礦柱對地壓調(diào)控至關(guān)重要。深井采礦活動會破壞采場原應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力重新分布出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時隔離礦柱需要的承載強度遠(yuǎn)大于未開采之前的強度，隔離礦柱不僅能支撐周邊圍巖，還能減緩應(yīng)力傳播速度［69］。對上覆巖石起到支撐作用，有效減小了圍巖的位移和形變，從而保證采場的穩(wěn)定性。另一方面，隔離礦柱能延遲應(yīng)力集中，使得同一時間、同一空間上作用在圍巖上的有效地應(yīng)力降低，從而保證了采空區(qū)的相對穩(wěn)定。

3.1.2"充填采空區(qū)

目前，使用充填料漿充填采空區(qū)已成為地壓調(diào)控的有力手段。該方法中充填體和上下盤圍巖組合成一個穩(wěn)定有強度的結(jié)構(gòu)整體［78］，大大提高了圍巖的承載強度。并且充填體因其組成，能夠吸收地壓破壞釋放的能量，維持采場安全穩(wěn)定［79-80］。

深井開采導(dǎo)致應(yīng)力集中后，充填體充填采空區(qū)，充填體的強度特性可以支撐頂板圍巖，保持頂板的穩(wěn)定性［81］。宋衛(wèi)東等［82］發(fā)現(xiàn)隨著充填體強度的增大，巖體的破壞形式由之前未充填的塑性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?，并不會出現(xiàn)大范圍的垮塌現(xiàn)象。有學(xué)者結(jié)合國內(nèi)外深井開采的現(xiàn)狀，經(jīng)過大量的研究，總結(jié)出充填體的三大作用機理為力學(xué)作用、結(jié)構(gòu)作用和讓壓作用［83-84］。

力學(xué)作用體現(xiàn)在充填體使圍巖受力變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)，此時強度變大，穩(wěn)定性增加［69］。結(jié)構(gòu)作用體現(xiàn)在充填體充填結(jié)構(gòu)面作用，充填材料能進(jìn)入巖石的裂隙中，固化之后充填材料與巖石形成一個整體，增強了圍巖的強度，保證采場的穩(wěn)定性。讓壓作用體現(xiàn)在膏體充填體的強度一般不超過5 MPa，可看作柔性介質(zhì)，有一定的變形能力，受到一定的應(yīng)力時能產(chǎn)生應(yīng)變，能使圍巖內(nèi)部的地壓釋放，降低圍巖承載強度，進(jìn)而使圍巖處于低壓狀態(tài)，保證其穩(wěn)定。充填體與圍巖力學(xué)作用如圖5所示。

3.1.3"卸壓爆破

卸壓爆破是指在應(yīng)力集中區(qū)通過注水、鉆孔或爆破等方式［85］，預(yù)先釋放高應(yīng)力區(qū)的部分地壓，進(jìn)而解決存在的安全隱患問題［86］，卸壓爆破前理想應(yīng)力曲線如圖6所示。目前，卸壓爆破技術(shù)已廣泛應(yīng)用于深井礦山地壓管理，原因在于其具有簡單靈活、范圍可控等優(yōu)點。但是，其理論發(fā)展嚴(yán)重滯后，工程實踐多依賴于工程經(jīng)驗。為此，深入研究巷道爆破卸壓機理，完善其理論研究對于保證采場圍巖安全具有重要意義。

從應(yīng)力、變形和能量3個角度形成了卸壓爆破的理論依據(jù)。首先，針對應(yīng)力分布機理，王明洋等［87］深入研究發(fā)現(xiàn)隨深度增加，圍巖受到破壞的程度逐漸降低。徐鈺東等［88］采用Flac3D軟件，研究發(fā)現(xiàn)鉆孔直徑、間距、深度均能深刻影響卸壓程度，進(jìn)而影響深井開采時的應(yīng)力重新分布，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低采場的有效應(yīng)力值。

王猛等［89］研究發(fā)現(xiàn)爆破卸壓可以增強周邊巖體的穩(wěn)定性。首先，爆破卸壓能改善原應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而提高圍巖的抗壓能力，保證其穩(wěn)定性。其次，從變形角度分析，卸壓爆破會提供給高應(yīng)力區(qū)域巖體變形更多空間，形成空腔和裂隙，能減少地壓活動帶來的圍巖變形。最后，基于能量理論，卸壓爆破在巖體內(nèi)部可形成一定空區(qū)，降低巖體內(nèi)積聚的彈性能，間接削弱了高應(yīng)力區(qū)域集中的總能量，減弱了對圍巖的沖擊作用，進(jìn)而保證了圍巖的穩(wěn)定性。

3.1.4"回采順序調(diào)整

礦山開采時會遵循不同的回采順序，進(jìn)而產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布情況。而合理的回采順序會降低地壓顯現(xiàn)活動的概率，降低采場的安全風(fēng)險，因此，合理的回采順序是控制深部地壓活動的有效途徑之一。目前對回采順序的研究方法主要集中在工程類比法和數(shù)值模擬分析法［90］。

針對數(shù)值模擬分析法，學(xué)者多借用Flac3D軟件或Datemine對采用不同回采順序回采時的地應(yīng)力進(jìn)行分析，得到滿足安全生產(chǎn)需求的回采順序方案。有學(xué)者基于Flac3D軟件針對復(fù)雜采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在保證安全的前提下，得到了最佳回采方案和回采順序方案［91］。彭康等［92］基于ANSYS模擬探討了回采順序?qū)χ苓厙鷰r應(yīng)力和位移的影響，并據(jù)此確定了最佳的回采順序。黃聰?shù)龋?3］在工程地質(zhì)調(diào)查和巖石力學(xué)參數(shù)試驗的基礎(chǔ)上，模擬分析不同回采順序下采場的應(yīng)力、位移變化，最終確定了最優(yōu)回采方案。因此，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬分析法已經(jīng)成為解決地下深井礦山開采的有效手段。

深井開采巖體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而數(shù)值計算數(shù)據(jù)量大，運行時間長，為了快速確定回采順序方案，可根據(jù)工程經(jīng)驗來確定，為現(xiàn)場工程進(jìn)度提供基本參考依據(jù)。

3.2"深井開采吸能支護(hù)系統(tǒng)

深井開采時采場處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，容易出現(xiàn)圍巖破壞、巷道失穩(wěn)等現(xiàn)象［69］，因此，為了保證采礦作業(yè)的正常運行，除了進(jìn)行地壓調(diào)控外，采取有效的支護(hù)手段也成為保證安全的關(guān)鍵措施。

目前，常規(guī)的支護(hù)手段適合于淺層地表的采礦活動，并不適用于深井開采時的地壓管理。例如：常規(guī)支護(hù)容易出現(xiàn)不接頂現(xiàn)象，未能緊貼巖面，很難形成有效支護(hù)；直接支護(hù)的情況下，受工作面影響，支護(hù)產(chǎn)生變形而造成結(jié)構(gòu)失效等［94］，從而降低了支護(hù)效率，增加了支護(hù)成本。因此，傳統(tǒng)的支護(hù)手段不能對巷道圍巖變形破壞和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)提供有力防控。

針對深井開采地壓災(zāi)害的特點，以及目前常規(guī)支護(hù)的不足，提出吸能支護(hù)系統(tǒng)。吸能支護(hù)系統(tǒng)是保證深井開采穩(wěn)定性的重要支護(hù)方法。目前，針對吸能支護(hù)的研究，主要從高韌性新型噴漿材料、吸能錨桿、讓壓單體支柱等3個方面開展［15］。通過吸能支護(hù)，使巖體處于小變形的穩(wěn)定狀態(tài)，從而降低動力災(zāi)害的發(fā)生概率。吸能支護(hù)和常規(guī)支護(hù)對比如圖7所示。

3.2.1"高韌性新型噴漿材料

普通纖維混凝土因其強度高、剛度大，普遍被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)［95］。但是，因其抗拉能力差、結(jié)構(gòu)易開裂，不適應(yīng)于應(yīng)力復(fù)雜的深井開采環(huán)境，不能保證采場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此，使用高韌性新型噴漿混凝土對保證采礦作業(yè)的安全具有重要意義。

目前，高韌性新型噴漿混凝土已成為工程領(lǐng)域研究的熱點，其尾砂粒徑從毫米級到微米級［96］。曾旭等［97］研究了水膠比和聚乙烯纖維摻量對其抗壓和抗折強度、彎曲韌性性能的影響。石運港［98］探究了灰砂比、纖維摻量、粉煤灰和硅灰摻量對其力學(xué)性能的影響。涂開勝等［99］通過改變纖維摻量，從宏觀力學(xué)性能和微觀纖維分布，研究了纖維摻量的影響。熊志卿等［100］研究了纖維長度對混凝土流動性、強度的影響，發(fā)現(xiàn)纖維長度越長，混凝土的流動性越差，抗壓強度稍有降低。

3.2.2"吸能錨桿

吸能錨桿最早于1992年在南非的礦山支護(hù)工程中被應(yīng)用［101］。吸能錨桿在發(fā)生變形的同時具有一定的承載能力，此變形可以使圍巖發(fā)生形變，進(jìn)而減緩其內(nèi)部積蓄的彈性能量。在保證自身承載能力的同時，提供較大的變形量，可以有效防止自身發(fā)生斷裂失效。此變形也可避免和剛性錨桿一樣，受到大變形擠壓而斷裂失效。此類吸能錨桿適合應(yīng)用于深井開采時大變形巖體的支護(hù)。

吸能錨桿可分為材料變形錨桿和結(jié)構(gòu)變形錨桿［102］，材料變形錨桿包括Cone bol、D-bol及Garford bol等；結(jié)構(gòu)變形錨桿包括Roofex bol及He-bolt等。

對吸能錨桿的力學(xué)性能測試方法可以分為3種：室內(nèi)試驗、理論分析和現(xiàn)場試驗［102-103］。室內(nèi)試驗主要通過拉伸試驗來驗證吸能錨桿的力學(xué)特性，例如：王琦等［104］利用拉伸試驗系統(tǒng)對吸能錨桿進(jìn)行室內(nèi)試驗。理論分析主要是基于力學(xué)理論建立其力學(xué)模型，推導(dǎo)吸能錨桿的理論最大變形和承載強度。現(xiàn)場試驗主要是對采場圍巖位移進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而評價吸能錨桿的效果。此方法可將巖體及支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，但難度大，成本高。

在實際生產(chǎn)中，吸能錨桿一般與金屬網(wǎng)或噴射混凝土進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)［69］，此聯(lián)合支護(hù)方法可應(yīng)對深井開采應(yīng)力復(fù)雜多變的環(huán)境，為深井開采及高應(yīng)力礦體安全回采提供技術(shù)保障。

3.2.3"讓壓單體支柱

礦用讓壓單體支柱屬于恒阻式支柱，具有恒定不變的工作阻力，適應(yīng)于不同的工作面、頂板條件和礦山壓力［105］。其極限承載力可達(dá)1 000 kN［15］，可適用于傾角≤35°的任何工作面（如圖8所示）。

其性能好壞直接影響礦井安全。工業(yè)試驗表明，該裝置精度高、操作方便、適應(yīng)性強，為深井采礦現(xiàn)場使用提供了便捷的技術(shù)服務(wù)［106］。

4"目前存在的主要問題

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，雖然在深井地壓管理方面取得了豐富的科研進(jìn)展，但相關(guān)研究仍需進(jìn)一步加強，目前深井開采地壓管理研究存在的主要問題如下：

圖8"巖體讓壓單體支柱示意圖［69］

Fig.8"Schematic diagram of single support pillar for pressure yield in rock mass

1）地壓演化理論研究尚不成熟。目前的研究并未明晰開采過程中地壓的演化規(guī)律，未形成系統(tǒng)、成熟的理論體系。雖然針對地壓演化規(guī)律有嘗試性的探索，形成了一些理論框架和模型，但這些理論是基于簡化的假設(shè)和條件，得到的結(jié)論往往只是針對特定開采條件下的定性或半定量說明，難以全面反映實際開采過程中的復(fù)雜情況，無法得到普適性的研究成果。地壓演化規(guī)律的研究涉及巖石力學(xué)、采礦工程和地質(zhì)工程等，目前多學(xué)科交叉融合并未充分發(fā)展，各學(xué)科并未發(fā)揮其特有優(yōu)勢，因此開展多學(xué)科綜合研究存在較大的挑戰(zhàn)。

2）深部巖石力學(xué)理論有待發(fā)展。深部巖石處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，目前的研究缺乏對巖石變形、破壞行為的全面認(rèn)識，破碎模型不夠完善，因此其破裂機制并未完全明晰，需要后期進(jìn)一步的研究和探索。且深井環(huán)境中涉及溫度－滲流－應(yīng)力作用下的多場耦合，其力學(xué)行為受到水、熱等多種因素的影響，對于這些因素耦合作用的機理研究還不夠深入。

3）監(jiān)測系統(tǒng)需要不斷完善。目前地應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)主要有應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和微震監(jiān)測系統(tǒng)2部分，但其存在如下不足：首先是監(jiān)測精度和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性問題，監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性是實際生產(chǎn)的前提，環(huán)境因素的影響，可能導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)失真；其次是信號干擾，在應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和微震監(jiān)測中，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境往往會對監(jiān)測信號造成大量的干擾，會影響對所需信號的準(zhǔn)確識別和分析；最后是監(jiān)測系統(tǒng)維護(hù)問題，應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和微震監(jiān)測系統(tǒng)通常由多個子系統(tǒng)組成，需要進(jìn)行高效維護(hù)。

4）深井開采地壓管理制度不夠完善。地壓管理是一個系統(tǒng)工程，需要多部門、多設(shè)備間的協(xié)調(diào)。但是，目前由于部門間的職責(zé)和管理流程，容易導(dǎo)致職責(zé)不清、管理混亂等問題。由于不同部門間工作性質(zhì)的不同，溝通機制存在差異，很容易導(dǎo)致地壓管理效率低。最后，地壓管理工作的考核標(biāo)準(zhǔn)不夠明確，導(dǎo)致考核結(jié)果不夠客觀、公正，無法有效激勵員工積極參與地壓管理工作。

5"展"望

隨著深井開采地壓管理理論研究不斷深入，技術(shù)手段不斷進(jìn)步，可持續(xù)發(fā)展觀念不斷深入，多學(xué)科融合和管理制度不斷完善，未來中國的深井開采技術(shù)必會實現(xiàn)高質(zhì)量、高水平發(fā)展。因此，未來深井開采地壓管理工作可在以下幾個方面展開：

1）理論研究的系統(tǒng)化。后續(xù)應(yīng)基于多學(xué)科交叉融合，明晰地壓演化機理，以更好地理解和預(yù)測地壓演化規(guī)律。巖石力學(xué)的理論研究要綜合考慮動靜力組合加載作用和溫度－滲流－應(yīng)力多場耦合作用，綜合考慮其對巖石力學(xué)性能的影響，研發(fā)相關(guān)設(shè)備，豐富相關(guān)理論，明晰深井環(huán)境下巖石的力學(xué)響應(yīng)行為，保證得到的結(jié)論能真正指導(dǎo)深井開采。

2）未來地壓監(jiān)測技術(shù)將實現(xiàn)高精度的智能化。首先是智能化，通過實時監(jiān)測和分析數(shù)據(jù)，自動識別地壓異常，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行預(yù)警和調(diào)控。其次是高精度，采用更加先進(jìn)的地壓監(jiān)測傳感器和設(shè)備，實現(xiàn)地壓數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集、傳輸和處理，有助于及時發(fā)現(xiàn)地壓異常，采取有效措施，防止災(zāi)害發(fā)生。同時建立一個集微震監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、位移監(jiān)測于一體的多源動態(tài)感知系統(tǒng)，以實現(xiàn)地壓變化的量化關(guān)系。

3）綠色和可持續(xù)性發(fā)展。隨著環(huán)保意識的提高，地壓管理也逐漸向綠色和可持續(xù)性方向發(fā)展。這不僅是為了滿足社會對環(huán)境保護(hù)的要求，更是企業(yè)實現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。因此，后續(xù)研究應(yīng)采用低能耗、低污染的支護(hù)方法和充填材料，降低采礦成本，減少對環(huán)境的影響。

4）地壓管理制度完善。隨著地壓管理在礦業(yè)開采中的重要性日益凸顯，系統(tǒng)性的地壓管理體系是前提。首先，可以設(shè)立專門的地壓管理部門，負(fù)責(zé)制定和實施地壓管理計劃。其次，建立完善的地壓管理流程。從地壓監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警預(yù)報到應(yīng)對措施等各個環(huán)節(jié)，都將有明確的流程和規(guī)范。此外，企業(yè)還將建立有效的溝通機制，確保各部門之間的信息交互。最后，政府也需要加強對地壓管理的監(jiān)管和指導(dǎo)，制定相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)，推動企業(yè)加強地壓管理。

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Advances in fundamental theories and prevention for deep mine pressure

Wang Hui1，Duan Wenquan1，Liu Jingzhi1，Ma Junsheng1，Guo Qilin1，Zhao Haiping1，2，Hao Cheng1，2

（1.Norin Mining Co.，Ltd.;

2.Norin Mining Limited Branch Station of Postdoctoral Research Workstation，

Management Committee of Zhongguancun Science Park，s Xicheng Park）

Abstract：With the ongoing depletion of surface and shallow mineral resources，future mining efforts must inevit-ably venture deeper.As mining depth increases，operations face a \"three high and one disturbance\" environment，severely affecting normal production activities.Therefore，pressure management has become an essential prerequisite for mine production.The study consolidates current research achievements in 3 areas，including basic theory，monitoring methods，and ground pressure management，to provide foundational guidance for practical mining operations.Basic theory explores the internal mechanical mechanisms of ground pressure activities through dynamic-static load combinations and temperature-seepage-stress multi-field coupling effects.Monitoring methods discuss the deployment of stress-strain monitoring systems and microseismic monitoring systems，where static stress-strain monitoring and dynamic real-time microseismic monitoring work in tandem to effectively monitor pressure activities during production.Pressure management measures cover pressure regulation methods and support systems，clarifying current issues in fundamental theories and prevention measures for deep mine pressure and guiding future research to promote intensive deep mining.

Keywords：deep mining;rock mechanics;combined dynamic and static loading;ground "pressure monitoring;microseismic monitoring;fundamental theory of ground pressure;ground pressure regulation;energy-absorbing support system