深部开采的定量界定与分析

　第40卷第1期煤　　炭　　学　　报Vol.40　No.1　　2015年1月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJan.　2015　谢和平,高　峰,鞠　杨,等.深部开采的定量界定与分析[J].煤炭学报,2015,40(1):1-10.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.1690XieHeping,GaoFeng,JuYang,etal.Quantitativedefinitionandinvestigationofdeepmining[J].JournalofChinaCoalSociety,2015,40(1):1-10.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.1690深部开采的定量界定与分析谢和平1,高　峰2,鞠　杨3,高明忠1,张　茹1,高亚楠2,刘建峰1,谢凌志1(1.四川大学,四川成都　610065;2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州　221116;3.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京　100083)摘　要:随着我国煤炭开采深度不断增加,“深部开采”将成为常态,但是什么是“深部”,如何定义“深部”,始终没有科学的、定量化的表达。提出了亚临界深度、临界深度、超临界深度等概念和定义,用于表征不同程度的深部开采。经研究“深部”不是深度,而是一种力学状态,是由地应力水平、采动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态,可以通过力学分析给出定量化表征。研究表明,随着采深增大,原岩应力趋于静水应力状态是深部的1个典型和共同的特征,同时煤岩体也经历了弹性变形破坏、脆塑性转变和大范围屈服等阶段。深部开采中极高的地应力水平和三向等压应力状态将导致深部围岩大范围塑性破坏并伴随大量级、大规模的强烈动力失稳,现有的煤炭开采理论与技术已难以适用,需要对深部岩体力学、采矿科学理论进行新探索。关键词:深部开采;临界深度;地应力;采动应力;塑形破坏中图分类号:TD311;TD803　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2015)01-0001-10收稿日期:2014-12-20　　责任编辑:常　琛　　基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201201);国家自然科学基金资助项目(51134018)　　作者简介:谢和平(1956—),男,湖南双峰人,中国工程院院士。E-mail:[e-mail]andinvestigationofdeepminingXIEHe-ping1,GAOFeng2,JUYang3,GAOMing-zhong1,ZHANGRu1,GAOYa-nan2,LIUJian-feng1,XIELing-zhi1(1.SichuanUniversity,Chengdu　610065,China;2.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou　221116,China;3.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing　100083,China)Abstract:WiththecontinuousincreaseofcoalminingdepthinChina,‘deepmining’isbecomingacommonprac-tice.However,theterminology‘deepmining’hasnotbeenscientificallyandquantitativelydefined.Thispaperpropo-sesthedefinitionsofsubcriticaldepth,criticaldepth,andsupercriticaldepthinanattempttocharacterizedeepmininginvariousdegrees.Itisstatedthat‘deepmining’shouldnotbesimplyrelatedtothedepthofminingactivitiesbelowgroundsurface,butrathertothestressconditiondeterminedbyin-situstresses,mining-inducedstressesandthegeo-logicalandgeotechnicalconditionsofrockmasses.Aquantitativecharacterizationof‘deepmining’canbegivenbyinvestigatingthestressconditions.Theresultsfromthisstudyshowthatasminingdepthincreases,in-situstresstrendstoapproachinghydrostaticstate,alongwiththetransitionfromelastic-deformationfailure,plastic-deformationfailuretomassivefailureinrockmasses.Underdeepminingconditions,ahighhydrostaticpressurecanresultinamassiveplas-ticfailureofrockmasses,companyingwithhighmagnitude,large-scaledynamicinstability.Thetheoriesandtechnolo-giesusedinnormalminingactivitiesarenotapplicabletodeepminingconditions.Thisnecessitatessystematicinvesti-gationontherockmechanicsandtheoriesindeepmining.煤　　炭　　学　　报2015年第40卷Keywords:deepmining;criticaldepth;in-situstress;mining-inducedstress;plasticfailure　　随着浅部煤炭资源的日益枯竭,我国的煤炭开采深度不断加大,深部开采将成为煤炭资源开发中的常态。一直以来科技界和工程界就深部开采中的诸多问题如深部开采中的非线性岩石力学特征、深部开采的动力响应与灾害行为、深部开采中围岩支护与控制、浅深部开采的界限划分与工程指标、极限开采深度以及深部开采的技术与装备等开展了广泛深入的研究,取得了丰富的成果,有效指导了煤炭的安全和高效生产[1-2]。然而人们发现一个共性的问题,就是目前煤炭资源开采的科研课题、科技成果均围绕着深部开采做文章,但恰恰都没有对深部开采的”深部”这个关键概念给出明确的、定量的、科学的定义。深部是什么?是深度,还是一种力学状态?还是表征灾害程度指标?多深算进入深部?能否给出简明的、本质的“深部”定义?这关系到深部资源开发的理念、理论基础和开采方式的变革,值得人们深入思考。纵观国内外学者的研究文献,人们对深部开采的讨论归纳起来大致有4方面的论述:①绝对深度的概念,即以单一的深度值来界定深部,提出煤炭深部开采的界线。国内学术界根据目前采煤技术发展现状提出煤矿深部的概念是700~1000m[2]。但这个绝对深度却非绝对,从20世纪80年代我国的煤矿平均采深288m到当前平均采深超过700m,是不断演化的。②从煤岩体的赋存环境来定义,提出了深部地质环境具有“三高”特征,即“高地应力、高地温、高渗透压”,但是尚未有人给出如何由“三高”特征来界定深部。③根据灾害程度和方式来界定,以冲击地压、突水、煤与瓦斯突出、顶板大面积来压等矿山动力灾害不断频发和强度加剧来确定是否进入深部开采。④从煤矿巷道支护方式和维护成本来界定。当深部巷道底臌严重,一次支护、常规支护无法控制巷道变形与稳定,频频出现前掘后修、大量返修的现象,认为进入深部开采。上述4方面关于深部界定的论述实质上都是经验、定性的描述,并没有揭示深部开采的本质特征。开采深度的增加,煤岩体的应力水平随之加大,必然导致高地应力、高地温、高渗透压的“三高”现象显现,从而诱发冲击地压、突水、煤与瓦斯突出等灾害,深部的围岩空间应力状态易使岩石发生脆塑性转变,围岩流变而使巷道难以支护,生产成本急剧上升。因此界定深部开采,深度的增加、灾害加剧是表象,本质控制因素正是应力,应力水平的增加和应力状态的改变是根本要素。笔者认为,深部的概念,应该综合反映深部的应力水平、应力状态和围岩属性,深部不是深度,而是一种力学状态。因此,笔者从力学角度出发,有望给深部界定给出一个机理性的、定量化的描述,为未来深部开采提供可靠理论支撑和技术指导。1　国内外地应力测试数据分析地应力,又称为原岩应力,主要由构造应力和上覆岩层的自重应力构成,主要测量法分为直接方法(扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法等)和间接方法(应力解除法、应变解除法、地质测绘法等)[3-5]。1912年瑞士地质学家A．Heim提出水平地应力和垂直地应力相等,等于上覆岩层的单位质量;1926年前苏联学者A．H．Gennic认为水平地应力与泊松比相关;1932年,R．S．Liearace在美国胡佛水坝首次成功地测定了岩体的天然应力;美国学者M．K．Hubbert和D．G．Willis提出了水压致裂法;1975年,南非学者N．C．Gay根据实测数据,提出了临界深度的概念,认为在该深度以上,水平应力大于垂直应力,在该深度以下,水平应力小于垂直应力[3-7]。由于水平应力分为最大和最小水平应力,E．Hoek和E．T．Brown指出水平应力和垂直应力的比值K的估算方程[8],即100Z+0．3K1500Z+0．5(1)其中,Z为埋深。然而,从式(1)可以看出,当埋深足够大时,水平应力和垂直应力的比值介于0．3~0．5,这与实际不符。为进行资源开发和掌握地质构造和运动,世界上各个国家均开展了大量的地应力测试工作,搜集的数据达几十万组。目前世界上地质钻探深度已逾13000m,地应力测试深度已达9000m[9-10]。图1[9-10]为基于所提供的数据绘制出的澳大利亚、美国、日本和中国的地应力随深度的变化趋势,其中K1和K2为最大水平应力、最小水平应力分别与垂直(自重)应力的比值。由图1可以看出,随着埋深的增加,K1,K2总体上呈现减小趋势。2第1期谢和平等:深部开采的定量界定与分析图1　部分国家地应力分布情况Fig．1　In-situstressdistributioninsomecountries　　图2为世界30多个国家的地应力分布,从中可进一步看出,在1500m以内,多数最大水平应力和垂直应力的比值K12,构造应力占主导地位。当埋深在1500~3500m时,K1的取值为1．2~2．0,K2的取值为0．5~1．0。当埋深3500m时,K1和K2的值逐渐均趋向于1,这意味着深部岩体将处于完全静水压力状态。因此随着深度的增加,地应力状态逐渐从浅部的构造应力主导状态向深部静水压力状态转变,这是深部应力状态的典型特征,对深部开采理论研究与工程实践具有重要启示。图2　世界30多个国家地应力分布情况Fig．2　In-situstressdistributioninmorethan30countriesintheworld2　国内若干矿区地应力测试结果分析我国的地应力测试起步较晚,1962年首次在三峡平善坝址获得了岩体应力实测结果,1964年在大冶铁矿进行了国内首次应力解除法测量,1980年10月在河北易县首次成功进行了水压致裂法地应