主动采矿过程引起的动态压力下巷道开挖受损区的评估外文翻译资料

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主动采矿过程引起的动态压力下巷道开挖受损区的评估

突出了

bull;依次介绍了开挖受损区、开挖影响区和完整区域这几个术语。

bull;动态压力巷道的开挖受损区由于采矿扰动而较大。

bull;由于采空区不稳定的上覆岩石的影响，开挖受损区较大。

bull;不利的地质条件也可能导致开挖受损区的扩张。

bull;安装电缆使更广泛的稳定地层参与到支护系统。

摘要：本研究对长壁开采过程中动态压力下巷道周围的开挖受损区（EDZ）进行了调查。根据其地质条件，选择中国辽宁省大兴煤矿共14个典型巷道（7个动压巷道，7个静压巷道），利用相机检测和非金属超声检测技术，研究了动态和静态压力下开挖受损区的特点。调查结果表明，由于采矿诱发的扰动和相邻采空区不稳定上覆岩石的影响，动态压力下巷道周围的开挖受损区宽度大于静态压力。断层和其他不良地质条件的存在也会导致开挖受损区的扩张。这些发现被应用到设计更合适的巷道支护系统。如果开挖受损区的宽度大于螺栓长度，则单独使用螺栓将不足以保持巷道的稳定性。支护系统必须采用强化电缆，原因是电缆具有悬垂效应，并且可以锚固在与稳定围岩中的开挖受损区相邻的开挖影响区中。电缆的安装会增加参与支护系统的稳定地层的体积。

关键词：开挖受损区；动压；钻孔摄像检测；非金属超声检测；支护系统

1 介绍

在土木工程或地下采煤中围绕人造开口形成的开挖受损区被定义为开挖边界以外的区域，在这个区域岩石的物理、机械和水力性质受到开挖后应力重分布的显著影响。在开挖受损区将产生断裂、原始应力重新分配和岩石结构的重新排布，这会形成地下水径流通道,降低围岩的稳定性和降低地下开放系统的安全性。因此，对于地下采煤巷道支护系统设计和长期的矿山安全与生产力，开挖受损区的评估和特征描述是一个主要问题。例如，根据围岩中开挖受损区的程度，支护系统应合理设计电缆或螺栓的长度。

人们已经进行了大量研究以全面了解开挖受损区的评估和特点。首先，开挖受损区的评估和评价必须考虑周围岩体的机械和物理性质，因为所涉及的岩石类型对开挖受损区的大小起着重要的作用。基于这个想法，曾荫权和伯尼尔提出了一些研究，涉及到了结晶岩石、岩盐、固化的塑料粘土岩这四种类型岩土中开挖受损区的形成过程、参数和长期安全状态的确定。从他们的研究中获得的一些有价值的科学结论表明，需要实验观察或现场测试来评估开挖受损区。虽然介绍了深层地下核废料存储库设计与施工的一些理论研究，但直到20世纪80年代宏观渗透试验和缓冲质量试验用于调查瑞典Stripa矿的断裂花岗岩中的开挖受损区才进行了实验研究。这些研究结果表明，开挖受损区的程度与围岩渗透率的降低有关。在Stripa矿进行这些实验后，在美国、加拿大、瑞士和日本进行了更多关于受损区域的实验研究。2001年，舒斯特尔指出地震调查是一种有效的方法，它可以提供一种快速、简单的方法来测量开挖受损区。他的研究是通过观察在硬泥粘土钻出的4米钻孔中的地震波分布进行的。这项工作的结果表明，可以对这些分布进行分析，以评估地震参数受到扰动的围岩中开挖受损区的程度。Malmgren使用地震测量技术在瑞典的煤矿做了类似的研究。他的研究表明，围绕开挖空间的开挖受损区可能会显着影响挖掘的整体性能和人员和设备的一般安全。2012年，李等人提出通过钻孔图像方法研究开挖受损区内裂缝演化，这种方法利用了安装在围岩中的数字式全景钻孔摄像机。在李的研究中，他在开挖受损区中观察到断裂发生、扩展和闭合的过程。本研究的结果表明，孔眼相机检测也是评估开挖受损区特征的直观而有效的方法。

虽然上述这些方法是评估开挖受损区的重要手段，但它们不能有效地用于预测人造开口的所有地质和几何条件。为了克服这些限制，已经提出了一些数值模型。例如，Hommand-Etienne等人提出了一种用于数值分析脆性岩石地下开口周围受损区的模型，发现高度受损区域与高压应力区有关联。Golshani等人还建立了一个数值模型来分析脆性岩石开口周围的受损区域，并表明水分对受损区域的状态有显着影响。他们都得出结论，开挖受损区的发展是关于时间的一个函数，喷浆混合支持是保证巷道稳定性，防止受损区域进一步扩张和发展的必要条件。李在TOUGH-FLAC3D码中使用了两部分衬垫弹性胡克数值模型，研究了在粘土/页岩岩石中开挖引起的开挖受损区的机械响应，并揭示了数值模型得到的结果更多符合现场观察的结果。Perras]提供了数值方法来使用基于连续体的建模方法来预测开挖受损区的尺寸。

如Dong等人所述，开挖受损区的评估主要用于设计一个可以保持人为开放的稳定性的支护系统。巷道支护的关键因素是开挖受损区的程度和开挖受损区造成的膨胀力。因此，应调整支护设计，以利用围岩的自承力。宋设计了一个专家系统，对围绕岩体的煤矿巷道稳定分类和巷道形状的确定起着重要作用。此外，该专家系统的主要返回值也引起了支撑参数，支撑设计图的输出和螺栓喷射混凝土支护效应的评估。

如上所述，对开挖受损区的特征和评估进行了大量的实验研究和数值研究。然而，在公开文献中只有有限的有关在煤矿动态压力下选择大量测试地点以获得围绕巷道开挖受损区的代表性特征以及动态和静态压力下开挖受损区的比较研究的可用信息有限。另外，受不利地质条件影响的开挖受损区的特点以及开挖受损区与巷道支护系统的关系，文献中也很少有提到。此外，开发区的特点受到不利的地质条件和经济开发区的程度之间的关系和巷道支架系统也很少文献报道。因此，为了进一步调查围岩周围的开挖受损区的特征，本文进行了以下工作。首先，本文第2节介绍并总结了开挖受损区，开挖影响区，动压和静压的定义。其次，选择中国辽宁省大兴煤矿共14个典型巷道（7个动压巷道，7个静压巷道），利用相机检测和非金属超声检测技术，研究了动态和静态压力下开挖受损区的特特性。最后，根据调查结果，为大兴煤矿设计了合适的支护体系来维护巷道的稳定性。

2 术语定义

2.1 开挖受损区和开挖影响区的定义

过去几十年来，许多研究人员已经讨论了巷道周围不同损坏区域的术语。在早期研究中，“扰乱区”和“受损区”均用于不同的项目。Fairhurst和Damjanac指出，“开挖受损区（EDZ）和扰动岩石区（DRZ）被同义地用于描述由于原位应力的重新分配而被严重损坏或扰乱的地下开口附近的岩石区域”。在Emsley等人于1997年进行的一个项目中，指出了开挖受损区（EDZ）和开挖扰动带（EdZ）的术语，用于评估爆破和隧道掘进施工方法对围岩的破坏和扰动。在这个项目中，他们提出应该明确区分干扰和损害。同样，Marschall等人于1999年指出，过去几十年来，开挖受损区（EDZ）和开挖扰动带（EdZ）已被不明确地使用，并建议在不同问题下确定受损和扰动区的不同定义和名称。2013年，Hadj Abdi和Erman Evgin指出，巷道周边受损区域可分为三个不同的区域，即高度受损区域（HDZ），开挖区域（EDZ）和挖掘扰动区域（EdZ）。在他们的研究中，HDZ被定义为可以发生大规模裂缝或剥落的区域，并且渗透率可能显着增加到原来的103倍或更高。相比之下，EDZ的渗透率可能会增加至原来的10倍。Perras还指出，这些区域之间的过渡是渐进的，并且在不进行现场测量的情况下区分它们可能是困难的。对于这项研究，EDZ被定义为可能发生宏观尺度裂缝的区域，其他作者将其分类为HDZ/EDZ的区域，简称为EDZ。

在开挖损伤区方面，Perras指出，小写的“d”太容易与大写的“D”混淆。Perras推荐了开挖影响区域（EIZ）的术语，以说明可能发展的水力机械和地球化学修改的区域，而不会改变流动和运输特性。因此，EIZ被用于本研究。EDZ、EIZ和完整区的定义如下图。图1显示了围绕巷道的EDZ，EIZ和完整区域的详细图示。从Renaud等人修改的应力-应变曲线来看，EDZ、EIZ和完整区的位置如图2所示。

图1 EDZ和EIZ示意图

图2 通过三轴压缩试验得到的应力 - 应变曲线，EDZ和EIZ的位置

开挖受损区被定义为具有不可逆变形的区域，由于应力的再分布，其流动和运输特性会重大变化。在开挖受损区，开挖区周围岩石的水力机械和地球化学特性发生了重大变化，这可能导致水流渗透性大约增加一倍或多倍，并引起矿山生产的长期安全问题。虽然开挖受损区是在挖掘巷道时形成的，但开挖受损区的岩石破坏是地下开挖施工过程中的一个渐进过程。因此，围岩的应力状态在峰值强度和残余强度之间（如图2所示）。如果周围的岩体没有适当的支撑或加固，开挖损伤区中围岩的机械和物理状态将进一步受到挖掘的影响。换句话说，如东所述，开挖受损区是巷道支护系统或人为补救的主要重点。

开挖影响区被定义为具有可逆变形的区域，没有流动和运输特性的重大变化，其中周围岩石的机械和地球化学特性没有发生显着变化。与开挖受损区相比，开挖影响区是稳定的围岩，岩石表现为弹性。开挖影响区周围岩体的机械和物理状态受到挖掘的影响较小。在围绕巷道的开挖影响区中，围岩的应力没有超过峰值强度（图2），物质演化对人造开口的长期安全性没有负面影响。 因此，应该调整支护系统以利用开挖影响区中围岩的自承力。

完整区是处于原位应力状态的完整的周围岩石，其中岩体的性质没有从原始状态发生改变。换句话说，尽管开挖影响区和完整区都是稳定的岩体，但开挖影响区和完整区的主要区别在于，完整区中围岩的机械和物理状态完全不受巷道挖掘的影响。

此外，尽管开挖受损区、开挖影响区和完整区域的定义上文已经给出，但在开挖受损区和开挖影响区或开挖影响区和完整区之间的转换中，这些术语的概念无法绝对区分。换句话说，两个区域之间没有分界线。开挖受损区和开挖影响区或开挖影响区和完整区的边界是一个岩体性质逐渐变化的区域。在这些边界中难以准确地确定机械状态。

2.2 动态压力和静压力

曾荫权和Bernier指出，由于地下开口的建设，开挖受损区的行为是一个动态的问题。朱等人指出，开口周围开挖受损区的形成与开挖后的动态应力再分配有关。蔡认为岩体开挖引起的动态应力可能对岩石的破坏有促进作用。本文选取了辽宁省大兴煤矿共十四条典型巷道，研究其开挖受损区和开挖影响区的特点。在这十四条巷道中，有七个位于长壁面板，他们正在被开采，且与进行这次调查不久之前形成的采空区相邻。然而，其它七条巷道安排在未开采的长壁板，也是长期以来挖掘的主要巷道。因此，本文的动压和静压定义如下：

当进行巷道或长壁板的开挖时，由于应力再分布和存储在主屋顶的原位应力和应变能的瞬态释放，会形成动态压力。在这个过程中，由于主屋顶的沉降和断裂，围岩会产生大的变形。

静压用于描述围岩稳定或相对不变的应力状态。巷道周围的岩体相对稳定，没有大的变形或运动，因为挖掘过程已经完成了很长一段时间。

3 大兴煤矿的背景

3.1 矿场

我们对中国辽宁省大兴地下煤矿进行了EDZ评估。大兴煤矿于1991年开始投产，矿山年生产原煤三百万吨。大兴煤矿采矿区约6.4公里，宽3.2公里，总采矿面积20.48达平方公里。矿山有十四个可采煤层。煤层北侧倾斜5°至8°，南侧倾斜20°至32°。主要的围岩是泥岩，砂质泥岩，粉砂岩，砂砾岩和砂岩。广义地层如表1所示。目前，矿井在距离地面300米至800米以下的深井开采方式下运行。

表1 广义地层和重要岩土参数

除了采矿板和地质构造的几何形状外，对于开挖受损区来说，正确评估周围岩石的性质至关重要。根据现有文献，本研究中需要单轴抗压强度，杨氏模量，泊松比，岩石的内聚力和摩擦角等来分析岩体的机械状态。因此，通过对从大兴煤矿直接获取的勘探钻芯和岩块获得的样品的实验室测试，确定了周围岩石的关键物理力学性质。进行单轴压缩试验以确定单轴抗压强度，杨氏模量和泊松比。周围岩石的内聚力和摩擦角通过三轴压缩试验得到。这些测试结果，煤层，顶板和地板层的板块地层和其他关键岩土参数如表1所示。

3.2 测试区域

中国矿业大学（北京）（CUMTB）近日与大兴煤矿合作开展了重大研究项目，以调查开挖受损区。如图3所示。在北1＃矿区（N1）、北2＃矿区（N2）、南2＃矿区（S2）和南5＃矿区（S5）建立了14个监测站，进行开挖受损区的评估。这些站的位置和采矿条件总结在表2中。这些监测站包括在通风或运输巷道墙壁上钻孔。为了研究动态和静态压力下巷道周围开挖损伤区的不同行为，选择七个动态压力巷道和七个静压巷道作为监测站的安装地点。图4、图5分别显示了两组在动态压力和静压下的典型的巷道。

N2-902采矿板块的运输巷道在动态压力下被挖掘出来。该板块位于N2矿区，正在开采。其覆盖层深度为650米，在撞击方向上为1773米，在倾斜方向为200米宽。采矿接缝厚约3.82米。周边岩石的地质核心图表明，该板块的直接顶面是平均厚度为3.45米的粉砂岩，主顶面为平均厚度为12.3米的砂石。面板的顶面由粉砂岩和泥岩组成，厚约1.43米。 由于N2-902面板正在开采，所以运输巷道处于动态压力之下。巷道断面为长方形，宽5.0米，高3.0米。巷道上的顶板支护系统由螺栓、电缆和钢网组成。

本研究在北2＃采矿区进行，因为N2-203面板尚未就长壁采矿作好准备，所以N2-203采矿板的运输巷道在静压下进行挖掘。N2-203采矿板的覆盖层深度为700米，在冲击方向长410米，在倾斜方向宽159米，矿缝约3.0米厚。N2-203采矿板的运输巷道呈梯形，宽5.0米，最大高3.5米，最小高3.0米，巷道支护系统由螺栓和电缆组成钢丝网组成。

3.3 综合评估制度

中国矿业大学（北京）开发了综合评估系统，结合钻孔相机检测与非金属超声波检测来评估EDZ。以下简要说明测试方法和测试设备的配置。

3.3.1 钻孔相机检测

开挖损伤区可以由YSZ（B）全景孔眼摄像机确定，即孔眼摄像机检测。钻孔相机检测系统是一个简单可靠的设备，包括笔记本电脑、全景相机系统、视频采集卡和图像处理器。它的钻孔直径为28毫米，长度达80米。随着相机沿着钻孔逐渐移动，全景相机系统提供360°彩色数

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