[01208790]破碎富水腐蚀环境下巷道支护机理及关键技术

能源是人类文明发展进步的根本基石。据统计,2019年我国煤炭产量达38.46亿吨,占我国能源消费比例长期在60%以上。然而我国能源格局面临“多煤少油缺气”的现状,使得在未来很长一段时间内,煤炭仍将是我国的主体能源和重要工业原料。然而,随着浅部资源的消耗殆尽,煤炭开采逐步进入深部开采时代。深部特殊的地质环境使巷道开挖过程中,极易发生塌方、突水、涌泥、泥化等灾害,严重威胁施工人员生命安全。因此,开展深部复杂地质条件下灾害防治关键技术研究,具有重要的理论及实践意义。本项目研究按照“致灾机理—关键材料—核心技术”思路,历时十余年科技攻关及应用,取得如下创新。 （1）深入研究破碎富水腐蚀环境致灾机理,建立了特殊地质环境下巷道灾变演化理论体系。深入研究破碎围岩力学特性,提出由松动区-压力拱拱体-原岩应力区的渐进性破坏机制,采用突变和断裂力学理论,阐明了富水松散体在渐进性破坏过程中水-力耦合灾变机理;研究破碎富水地质诱发高湿环境机制,揭示水及无机盐对材料微结构演变影响规律,建立破碎富水腐蚀环境巷道灾变理论。 （2）革新支护材料防护作用机制,研制了适应于特殊地质环境的支护新材料。提出了“先柔后刚、防腐自愈”的材料服役周期作用理论,以该理论为指导开展流变材料流变、SEM、UCS、CT扫描等试验,揭示了材料微观结构与宏观性能关联机制,先后研制出具备高韧耐拉、高强耐腐蚀、隔水阻气、自愈合等功能的四大系列新材料,满足了特殊地质环境下巷道全寿命周期对材料性能的需求。 （3）突破传统刚性支护思维模式,提出围岩非对称耦合控制措施,创立了分区分级四维支护关键技术体系。分析巷道开挖后围岩变形规律,提出了分区分级支护理论体系;开挖早期采用高韧耐拉材料支护,改善了原有刚性支护结构不协调性,实现了支护强度和变形能力的高度匹配;构建了时间效应下地质体的流-固耦合力学模型,确定了扰动应力下巷道垮塌及突水事故风险系数,提出深层地质体注浆改造技术;首创了薄喷隔水阻气防泥化关键技术,解决了遇水泥化围岩后期强度急剧降低难题,巷道使用寿命提高5倍以上。 项目组围绕课题,结合具体的矿山工程地质条件,取得了如下研究成果：研究报告1套,发表论文60余篇,其中SCI/EI论文20余篇,出版专著1部,申请专利22项,培养博士后1人,博士生5人,硕士生10余人。“破碎富水腐蚀环境下巷道支护机理及技术”项目研究成果成功应用于我国河南、山东、内蒙、山西等矿区,近三年直接经济效益二十余亿元,综合效益显著。该项目的成功实施,实现了复杂地质条件下巷道的快速稳固支护,解决了破碎富水腐蚀环境下煤炭资源的安全高效开采难题,丰富了破碎富水高腐蚀环境致灾防治理论,促进了支护材料及技术的发展,为实现“三高一扰动”环境下深部资源开发提供了技术支撑,具有广阔的推广和应用前景。