深部建井力学

《深部建井力学》是“十三五”国家重点研发计划项目“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”有关建井方面研究成果的总结。主要内容涉及深部建井岩体力学理论、深井含水岩层精细探测与注浆、深井高效破岩与洗井排渣、深井复杂多变地层高效支护、深部建井NPR支护新材料及其配套支护技术。提出了深部非均压建井新模式，建立了深部不同岩层结构下的井筒力学模型，揭示了深部建井岩体的大变形力学特性及其致灾机理，研发了深井井筒高承载力混凝土、含水岩层微裂隙高强-高韧注浆新材料以及高恒阻NPR锚杆/索系列产品；发展和完善了深部含水岩层预测预报及微裂隙注浆技术、深井深孔精细化爆破技术、深井井筒低冻胀力冻结施工技术、深井井筒高性能砼井壁施工技术、深井井筒马头门及泵房硐室群支护技术以及深井全液压遥控凿岩钻机、深井全液压大容量装岩机等；形成了针对未来深部智能化、无人化开采的无煤柱自成巷N00建井新模式及其配套工艺技术。相关成果构建了深部建井力学理论与技术体系，建成了千米深井示范工程。

目录
前言
第1章　深部非均压建井理论基础　1
1.1　深部建井难度表征参数　1
1.1.1　深部建井复杂地质力学环境　1
1.1.2　深部井筒大变形破坏特征　2
1.1.3　深部巷道破坏特征　6
1.1.4　深部建井难度表征参数　7
1.2　深部建井的概念　7
1.2.1　国外定义　7
1.2.2　国内定义　7
1.2.3　深部建井的科学现象及定义　8
1.2.4　深部的确定方法　10
1.2.5　难度评价　11
1.3　深部非均压建井新模式　11
1.3.1　非均压建井模式　11
1.3.2　深部地应力场点-面结合分析测试方法　13
1.3.3　深部非均压建井初次支护设计方法　14
1.4　深部井筒三维理论模型　16
1.4.1　深部井筒模型分类　16
1.4.2　IA型圆形井筒三维理论解　17
1.4.3　IB型椭圆形井筒三维理论解　18
1.4.4　Ⅱ型层状岩体圆形/椭圆形井筒三维理论解　21
参考文献　26
第2章　深部建井岩体大变形力学特性及灾变效应　28
2.1　深部建井岩体微观力学特性　28
2.1.1　量子力学计算分析　28
2.1.2　分子动力学分析　36
2.2　深部建井岩体多场耦合大变形力学特性　42
2.2.1　深部砂岩真三轴加卸载力学特性　42
2.2.2　深部砂岩常规三轴“三阶段”加卸载下的力学特性　54
2.3　深部建井岩体水岩耦合软化效应　63
2.3.1　水岩耦合软化特性实验研究　63
2.3.2　深部建井岩体与水吸附的微观特性　67
2.4　深部建井岩体结构效应　74
2.4.1　实验装备　74
2.4.2　实验设计　75
2.4.3　倾斜岩层巷道开挖结构效应　76
2.5　深部建井岩体高应力岩爆效应　85
2.5.1　井巷开挖应变岩爆效应　85
2.5.2　不同断面形状井巷开挖岩爆效应　92
2.5.3　深部建井岩体岩爆应力演化模型　104
2.5.4　岩爆能量准则　105
2.6　深部建井突出型复合灾害机理　106
2.6.1　实验装备　106
2.6.2　实验设计　107
2.6.3　实验结果　108
2.6.4　结果分析　121
参考文献　122
第3章　深井含水岩层精细探测与注浆关键技术　126
3.1　透明化竖井孔隙裂隙复合含水岩层预测预报技术　126
3.1.1　深井含水岩层综合探测模式　126
3.1.2　深井含水岩层综合探测模拟试验　127
3.1.3　多源信息数据融合反演计算方法　135
3.1.4　岩层含水特征三维可视化表达　136
3.2　深井含水岩层微裂隙注浆新材料　139
3.2.1　深井围岩微裂隙在不同深度下的压裂-渗流特征　139
3.2.2　深井微裂隙低黏度超细水泥复合浆液　145
3.2.3　深部高压下微裂隙注浆渗流特性试验　146
3.2.4　高强、高韧性新型注浆堵水材料　150
3.2.5　微裂隙含水岩层纳米注浆材料渗透注浆堵水技术　152
3.3　深井注浆效果震电磁三场耦合高精度检测评价方法　157
3.3.1　注浆效果震电磁三场特征分析　157
3.3.2　深井震电磁三场耦合注浆效果检测评价方法与技术　161
3.3.3　注浆效果震电磁三场耦合高精度检测评价方法　168
参考文献　173
第4章　深井高效破岩与洗井排渣关键技术　175
4.1　深井爆破力学机理研究　175
4.1.1　深部高应力岩体中爆炸应力波的传播规律　175
4.1.2　深部高应力岩体爆生裂纹的扩展行为　176
4.1.3　含空孔岩体动载扰动下能量耗散规律　186
4.1.4　含空孔岩体动载扰动下破坏特征　193
4.2　深井深孔精细化爆破技术　198
4.2.1　深井掏槽爆破应力状态　198
4.2.2　高应力对掏槽爆破影响效应的实验研究　199
4.2.3　深井6m深孔掏槽爆破技术　207
4.2.4　高应力对周边光面爆破影响规律研究　224
4.2.5　深井6m周边聚能药包控制爆破技术　226
4.3　深井钻爆法施工机械装备　231
4.3.1　新型立井全液压凿岩钻机　231
4.3.2　新型立井全液压抓岩机　239
4.4　深井高效钻井法关键技术与装备　242
4.4.1　千米深井高应力硬岩钻具系统　242
4.4.2　钻井的洗井排渣系统　245
4.4.3　深井高效洗井关键技术数值模拟研究　246
4.4.4　竖井掘进机流体洗井模拟实验系统及相似模型实验　254
参考文献　261
第5章　深井复杂多变地层高效支护关键技术　265
5.1　深井井筒冻结壁大变形设计方法　265
5.1.1　力学模型　266
5.1.2　应力和位移的解　267
5.1.3　计算冻结壁厚度的新公式　271
5.1.4　工程算例　274
5.1.5　结论　276
5.2　深井井筒低冻胀力冻结施工技术　276
5.2.1　特厚土层中冻胀力变化规律数值计算研究　276
5.2.2　特厚土层中冻胀力变化规律模拟实验计算研究　289
5.2.3　冻结管受力变形规律数值模拟研究　298
5.2.4　分圈异步控制冻结数值计算研究　317
5.3　深井井筒高性能砼井壁施工技术　331
5.3.1　配合比实验研究　331
5.3.2　外壁混凝土早期强度增长规律的室内模拟实验研究　337
5.3.3　外壁混凝土早期温度场变化规律的室内模拟实验研究　341
5.3.4　井壁-泡沫板-冻结壁的热、力相互作用规律研究　350
5.3.5　钢纤维混凝土井壁施工技术研究　362
5.4　功能梯度材料井壁设计　365
5.4.1　理论分析　365
5.4.2　数值计算　374
5.4.3　设计方法　419
5.5　3D打印井壁混凝土支护材料与打印工艺　420
5.5.1　配合比实验研究　420
5.5.2　3D打印井壁混凝土配方的可建造性　435
5.5.3　3D打印混凝土的物理力学性能　438
5.5.4　混凝土井壁3D打印系统　449
5.5.5　3D打印模型混凝土井壁的承载与封水性能　455
参考文献　458
第6章　深部建井NPR支护新材料及其配套支护技术　460
6.1　深部建井NPR支护新材料　460
6.1.1　1G NPR材料　461
6.1.2　2G NPR材料　467
6.1.3　NPR支护材料的优越性　470
6.2　深部井巷开挖补偿NPR支护技术　472
6.2.1　开挖补偿技术原理　472
6.2.2　开挖补偿NPR支护技术与设计方法　473
6.3　深部井筒马头门大断面交叉点NPR支护技术　475
6.3.1　技术原理　475
6.3.2　控制效果分析　476
6.4　深部泵房吸水井集约化硐室群NPR支护技术　486
6.4.1　技术原理　486
6.4.2　控制效果分析　487
参考文献　507
第7章　深部N00矿井建设　509
7.1　深部N00建井新模式　509
7.1.1　传统建井模式及存在问题　509
7.1.2　无煤柱自成巷110/N00工法　511
7.1.3　深部N00建井新模式　514
7.2　N00建井采矿工程模型　515
7.2.1　无煤柱自成巷采矿工程模型　515
7.2.2　无煤柱自成巷顶板岩层结构模型　516
7.2.3　无煤柱自成巷顶板变形力学模型　517
7.2.4　组合岩层受力分析模型　520
7.3　N00建井关键工艺　521
7.3.1　N00建井留巷整体技术工艺　521
7.3.2　N00建井通风系统模式　523
7.4　N00建井配套关键技术与装备　525
7.4.1　顶板定向预裂切缝技术　525
7.4.2　实体煤侧弧形帮成巷三机配套技术　556
7.4.3　采空区侧碎石帮成巷四机配套技术　557
7.4.4　N00建井配套装备　558
参考文献　559
第8章　深井建设示范　561
8.1　新巨龙煤矿深井建设示范　561
8.1.1　矿井概况　561
8.1.2　工程地质条件　561
8.1.3　井筒设计方案　563
8.1.4　实施效果　565
8.2　万福煤矿深井建设示范　568
8.2.1　矿井概况　568
8.2.2　深竖井高效破岩技术示范　568
8.2.3　泵房吸水井集约化硐室群工程示范　578
8.3　大强煤矿深井建设示范　593
8.3.1　矿井概况　593
8.3.2　工程地质条件　594
8.3.3　井筒马头门大断面交叉点工程　596
8.3.4　泵房吸水井工程　602