XXXXCB226800-煤炭深部開采中的動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理與防治基礎(chǔ)研究

1、項(xiàng)目名稱：煤炭深部開采中的動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理與防治基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：姜耀東 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）起止年限：2010年1月-2014年8月依托部門：教育部 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局一、研究?jī)?nèi)容（一）關(guān)鍵的科學(xué)問題隨著礦井深度和開采強(qiáng)度的不斷增加，與淺部開采相比，深部采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力場(chǎng)特征、煤巖體的破碎性質(zhì)與動(dòng)力響應(yīng)特征、巖層移動(dòng)以及能量的積聚釋放規(guī)律均發(fā)生了顯著變化，深部礦井動(dòng)力災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理、觸發(fā)條件、演化規(guī)律以及顯現(xiàn)特征不同于淺部煤礦工程。目前，我國(guó)煤炭資源已轉(zhuǎn)入深部開采，但相關(guān)的基礎(chǔ)研究還不夠系統(tǒng)深入，缺乏對(duì)深部開采條件下動(dòng)力災(zāi)害的孕育-發(fā)生-演化機(jī)理、基礎(chǔ)科學(xué)問題以及預(yù)警防治對(duì)策的系統(tǒng)研

2、究，亟待在相關(guān)的基礎(chǔ)理論方面取得突破，建立煤礦深部動(dòng)力災(zāi)害綜合防治的理論與技術(shù)體系。針對(duì)國(guó)家能源的重大需求以及煤炭深部開采中存在的重大問題，本項(xiàng)目擬解決以下四個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：1、 地質(zhì)賦存條件對(duì)深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的作用機(jī)制及量化分析方法在長(zhǎng)期的地質(zhì)演變過程中深部煤巖體內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的變形能，其儲(chǔ)能程度和原巖應(yīng)力分布既取決于煤巖體的硬度、致密性和礦物成分，也取決于地質(zhì)構(gòu)造、斷層、褶曲的程度。同時(shí)深部煤層開采時(shí)堅(jiān)硬頂板(特別是厚層砂巖頂板)的運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)也是導(dǎo)致礦柱和采場(chǎng)巷道工作面發(fā)生瞬時(shí)沖擊動(dòng)力災(zāi)害的誘因。因此深部煤巖動(dòng)力災(zāi)害與煤巖組分、斷層、褶曲、原始應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力異常密切相關(guān)，如何科學(xué)定量描述地質(zhì)

3、賦存條件的作用機(jī)制及其與煤礦動(dòng)力災(zāi)害的相關(guān)性是一個(gè)共性科學(xué)問題。通過研究這一科學(xué)問題，揭示煤巖體的沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造和原巖應(yīng)力條件對(duì)煤礦深井動(dòng)力災(zāi)害成災(zāi)的作用機(jī)制。2、 深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征深部煤巖體通常為含有節(jié)理裂隙的層狀結(jié)構(gòu)。深部煤炭的集中開采強(qiáng)烈擾動(dòng)使得采場(chǎng)和巷道周圍的煤巖體不可避免地發(fā)生變形和破壞從而形成斷續(xù)結(jié)構(gòu)。在多次開采擾動(dòng)和長(zhǎng)期的流變過程中，這種斷續(xù)結(jié)構(gòu)煤巖體會(huì)出現(xiàn)新的破裂和強(qiáng)度不斷衰減的循環(huán)過程，從而導(dǎo)致大變形、強(qiáng)流變和超低摩擦效應(yīng)，在一定條件下將會(huì)引起沖擊地壓、頂板大面積來壓、礦震等煤礦動(dòng)力災(zāi)害。在深部煤炭開采工程中，巷道圍巖的破壞并不意味著巷道的

4、失效，圍巖的突發(fā)性動(dòng)力破壞是由于斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征、外載荷作用、巖石卸壓與能量釋放的共同作用結(jié)果。因此通過探索深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征這一科學(xué)問題，研究斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征及破裂后的變形破壞特征，研究允許圍巖破壞但限制其變形發(fā)展的穩(wěn)定條件，從而搞清楚巷道圍巖破裂后（峰后）的力學(xué)響應(yīng)、圍巖失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動(dòng)力失穩(wěn)控制對(duì)策。3、 采動(dòng)應(yīng)力分布、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理開采前煤巖體處于深部三維應(yīng)力平衡狀態(tài)下，開采活動(dòng)打破了原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致采場(chǎng)三維空間中的宏觀應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的重新分布，這種應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化與發(fā)展必然為動(dòng)力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條

5、件。因此采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理是本項(xiàng)目的重要科學(xué)問題。通過回答這一科學(xué)問題，揭示深部裂隙煤巖體在開采過程中的能量積聚與釋放機(jī)制、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律以及動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件，提出基于能量突變的深部煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)的模型與判別準(zhǔn)則和能量分析體系。4、 深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治的理論與方法在深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害孕育發(fā)展過程中，煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化并同時(shí)伴隨能量的釋放，其中，微震、聲發(fā)射、電磁輻射就是這種釋放過程的物理效應(yīng)之一。研究煤巖體在變形破壞過程中的應(yīng)力、微震、聲發(fā)射、電磁輻射等前兆信息規(guī)律，通過監(jiān)測(cè)、分析井巷和采場(chǎng)附近煤巖體的應(yīng)力變化及微震、

6、聲發(fā)射和電磁輻射活動(dòng)等前兆信息的多參量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，就可以建立煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)和有效的防治。因此，研究深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的前兆信息、多參數(shù)識(shí)別理論與預(yù)警模型，是進(jìn)行災(zāi)害準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效防治的前提，是急需解決的科學(xué)問題。同時(shí)從沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的條件入手，研究如何實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖體彈性能積聚與釋放進(jìn)行有效控制的開采方法與防治技術(shù)(如深孔斷頂爆破、定向水力致裂等)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的有效預(yù)防。（二）主要研究?jī)?nèi)容圍繞上述關(guān)鍵科學(xué)問題，具體研究?jī)?nèi)容如下：1.深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的地質(zhì)構(gòu)造條件、原巖應(yīng)力特征及相互作用機(jī)制研究我國(guó)深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結(jié)構(gòu)、宏觀力

7、學(xué)性質(zhì)與動(dòng)力突出之間的關(guān)系，從本質(zhì)上把握煤、巖石的宏觀力學(xué)特性及其沖擊傾向性的內(nèi)在屬性；研究煤層斷層褶曲構(gòu)造特征與構(gòu)造應(yīng)力分布規(guī)律，建立地球物理信號(hào)精細(xì)探測(cè)響應(yīng)特征和反演解釋理論和綜合探測(cè)方法；研究煤巖石礦物成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)與沖擊傾向性的耦合關(guān)系和模型描述，構(gòu)建煤、巖石組分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)沖擊傾向性的判別準(zhǔn)則。2深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律及其動(dòng)力響應(yīng)特征研究深部煤巖石在載荷作用下(包括加載和卸荷)破裂后演化（后破裂）規(guī)律及其力學(xué)特性，探索煤、巖石微結(jié)構(gòu)、裂隙分布特性對(duì)巖石破裂及其演化的影響規(guī)律，獲取巖石破裂后繼續(xù)破碎過程中強(qiáng)度衰減的真實(shí)演化特征；研究斷續(xù)煤巖體的結(jié)構(gòu)變形破壞規(guī)律，探討不同尺寸結(jié)構(gòu)煤巖

8、體的變形機(jī)制、結(jié)構(gòu)面效應(yīng)和破壞準(zhǔn)則；研究斷續(xù)煤巖體的結(jié)構(gòu)面變形和斷層錯(cuò)動(dòng)過程中超低摩擦效應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng)特征，揭示深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理。3深部采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律及對(duì)動(dòng)力災(zāi)害孕災(zāi)過程的控制機(jī)理研究深部高地應(yīng)力與強(qiáng)開采條件下覆巖破斷方式、覆巖空間結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立覆巖空間結(jié)構(gòu)模式與動(dòng)力災(zāi)害的關(guān)系模型；研究“覆巖空間結(jié)構(gòu)-空間應(yīng)力場(chǎng)-區(qū)域性沖擊”與“局部應(yīng)力異常-局部微震”的多尺度深部動(dòng)力災(zāi)害的觸發(fā)機(jī)制、孕災(zāi)過程及判別準(zhǔn)則，建立覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)耦合過程中的應(yīng)力突變、能量激增的非線性動(dòng)力學(xué)模型；揭示深部開采誘致覆巖運(yùn)動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布對(duì)動(dòng)力災(zāi)害孕災(zāi)過程的控制機(jī)理。4深部開采

9、過程中能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理研究深部原巖應(yīng)力場(chǎng)與動(dòng)態(tài)開挖耦合條件下的煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)破壞的機(jī)理及觸發(fā)條件，揭示開挖過程中原巖應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的變化規(guī)律、能量積聚與演化的時(shí)空規(guī)律以及多因素耦合災(zāi)變機(jī)理；從能量角度研究深部巖體動(dòng)力失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理、觸發(fā)條件；提出基于能量突變的深部巖體失穩(wěn)破壞的能量準(zhǔn)則；建立開采擾動(dòng)下深部巖體動(dòng)力災(zāi)害的能量分析體系。5深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論與綜合防治方法研究煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的不同信息前兆特征及其耦合特征、變化規(guī)律和演變機(jī)理；探索煤巖動(dòng)力破壞全過程的可測(cè)信息特征及變化規(guī)律；建立深部煤巖動(dòng)力災(zāi)害的多參量前兆信息識(shí)別理論；研究?jī)?yōu)化開采設(shè)計(jì)防治煤礦深部動(dòng)

10、力災(zāi)害的理論和動(dòng)力災(zāi)害解危技術(shù)方法，建立適合我國(guó)煤礦深部動(dòng)力災(zāi)害綜合防治的理論與技術(shù)體系。二、預(yù)期目標(biāo)揭示深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理，發(fā)展和完善深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害相關(guān)的礦山壓力理論，探討深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的地球物理探測(cè)方法，建立深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害防治的理論體系和技術(shù)方法，為深部煤炭資源的安全、高效開發(fā)和我國(guó)深部煤炭工業(yè)基地的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)理論的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)外核心學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文150篇以上，其中SCI、EI收錄論文100篇以上，有重要國(guó)際影響的論文20篇以上，出版著作3-5部。申請(qǐng)專利6-8項(xiàng)。在深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治研究領(lǐng)域，取得一批具有國(guó)際影響的研究成果。

11、培養(yǎng)博士后、博士生和碩士生70-80名，凝聚和培育國(guó)內(nèi)一批高水平研究隊(duì)伍，培養(yǎng)本領(lǐng)域的優(yōu)秀科學(xué)家及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。建立國(guó)內(nèi)一流深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害研究平臺(tái)，完成1-2個(gè)深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治的示范工程，為我國(guó)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。三、研究方案（一）學(xué)術(shù)思路本項(xiàng)目以國(guó)家重大需求和學(xué)科前沿為導(dǎo)向，針對(duì)動(dòng)力災(zāi)害多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，以沖擊地壓、頂板大面積來壓、礦震為重點(diǎn)研究對(duì)象，探討深部動(dòng)力災(zāi)害威脅煤層安全開采的重大科學(xué)問題。以巖層運(yùn)動(dòng)、礦山壓力和地質(zhì)力學(xué)思想為指導(dǎo)，以地球物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)和災(zāi)變學(xué)為主要手段和方法，重點(diǎn)研究深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)、采動(dòng)環(huán)境下力學(xué)條件變化以及由此引發(fā)的煤

12、巖體在“時(shí)間-空間-強(qiáng)度”方面的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，研究這種動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律在物理場(chǎng)、能量場(chǎng)以及相互作用效應(yīng)的監(jiān)測(cè)原理，為建立監(jiān)測(cè)預(yù)警和控制技術(shù)體系奠定理論基礎(chǔ)，總體學(xué)術(shù)思路見圖2。分析模型1. 地質(zhì)賦存條件與深部動(dòng)力災(zāi)害相關(guān)性的分析模型2.巖層運(yùn)動(dòng)誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害模型3. 動(dòng)力災(zāi)害激增互饋?zhàn)饔门c多尺度非線性動(dòng)力學(xué)模型致災(zāi)機(jī)制1.地質(zhì)異常誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害機(jī)制2.采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境下的致災(zāi)機(jī)制3.深部動(dòng)力災(zāi)害的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理理論與技術(shù)體系1.地質(zhì)異常帶精細(xì)探測(cè)理論2.動(dòng)力災(zāi)害的多參量預(yù)警理論3.高應(yīng)力環(huán)境下動(dòng)力災(zāi)害的防治理論與技術(shù)體系地質(zhì)賦存條件對(duì)深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的作用機(jī)制及量化分析方法深

13、部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治的理論與關(guān)鍵技術(shù)煤炭深部開采中的動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理與防治基礎(chǔ)研究四個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題研究對(duì)象：深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害研究方法工程調(diào)研 室內(nèi)測(cè)試?yán)碚撗芯?數(shù)值仿真現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控 綜合防治研究基礎(chǔ)采礦科學(xué) 煤田地質(zhì)學(xué)巖體力學(xué) 非平衡態(tài)熱力學(xué)地球物理學(xué) 非線性動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定理論 災(zāi)變學(xué)綜合研究方法多學(xué)科交叉與集成圖2 總體學(xué)術(shù)思路以深部煤巖結(jié)構(gòu)在應(yīng)力場(chǎng)、構(gòu)造場(chǎng)以及震動(dòng)波作用下的動(dòng)力響應(yīng)為基礎(chǔ)，研究微震、聲發(fā)射以及電磁輻射的前兆信息特征參數(shù)及其臨界值，揭示前兆信息多參量與應(yīng)力、煤巖結(jié)構(gòu)的

14、物理力學(xué)參數(shù)、能量耗散以及震動(dòng)波強(qiáng)度之間的關(guān)系，形成煤巖動(dòng)力災(zāi)害的多參量監(jiān)測(cè)理論與預(yù)警技術(shù)。（二）技術(shù)路線本項(xiàng)目將采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法對(duì)深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的災(zāi)變機(jī)制及其防護(hù)措施開展深入細(xì)致的研究工作。應(yīng)用地震勘探和測(cè)井理論與技術(shù)，建立地球物理信號(hào)精細(xì)探測(cè)響應(yīng)特征和反演解釋理論和綜合探測(cè)方法，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)性質(zhì)與動(dòng)力突出之間的關(guān)系; 采用掃描電鏡、工業(yè)CT、核磁共振、數(shù)字散斑等先進(jìn)的觀測(cè)手段, 考察深部煤巖體的微結(jié)構(gòu)特征、裂隙特征和塊系結(jié)構(gòu)特征, 從本質(zhì)上把握煤、巖石宏觀力學(xué)特性及其沖擊傾向性的內(nèi)在屬性；研究煤巖石礦物成分和細(xì)觀

15、結(jié)構(gòu)與沖擊傾向性的耦合關(guān)系和模型描述，構(gòu)建煤、巖石沖擊傾向性判別準(zhǔn)則。改變傳統(tǒng)的以純煤、頂?shù)装鍘r石試樣的物理力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的研究方式，針對(duì)深部煤炭的集中開采強(qiáng)烈擾動(dòng)下煤巖體斷續(xù)節(jié)理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究巖石破裂后繼續(xù)破碎過程中強(qiáng)度衰減的真實(shí)演化規(guī)律，考察斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征及破裂后的變形破壞特征，研究斷續(xù)煤巖體的結(jié)構(gòu)面變形和斷層錯(cuò)動(dòng)過程中超低摩擦效應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng)，揭示深部煤巖峰后力學(xué)響應(yīng)、失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動(dòng)力失穩(wěn)控制對(duì)策。深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件與采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化關(guān)系密切。沖擊地壓、頂板大面積來壓、礦震發(fā)生的本質(zhì)就是承受高地應(yīng)力的采場(chǎng)巷道周圍煤巖體內(nèi)，積聚大量彈性能

16、量突然釋放的過程。從能量角度研究深部巖體動(dòng)力失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理，建立覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)耦合過程中的應(yīng)力與能量突變的非線性動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而提出深部動(dòng)力災(zāi)害的多尺度觸發(fā)條件、失穩(wěn)判別準(zhǔn)則和能量分析體系。以新汶礦業(yè)集團(tuán)、開灤礦業(yè)集團(tuán)和雞西礦業(yè)集團(tuán)等動(dòng)力災(zāi)害礦井為對(duì)象，通過監(jiān)測(cè)、分析井巷和采場(chǎng)附近煤巖體的應(yīng)力變化及微震、聲發(fā)射和電磁輻射活動(dòng)等前兆信息的多參量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，研究煤巖體在變形破壞過程中的各種前兆信息及其耦合特征、變化規(guī)律和演變機(jī)理，建立深部煤巖動(dòng)力災(zāi)害的多參量前兆信息識(shí)別理論與預(yù)警模型，研究?jī)?yōu)化開采設(shè)計(jì)防治煤礦深部動(dòng)力災(zāi)害的理論和動(dòng)力災(zāi)害解危技術(shù)方法，建立適合我國(guó)煤礦深部動(dòng)力災(zāi)害綜合

17、防治的理論與技術(shù)體系。總體技術(shù)路線框圖（見圖3）。研究方法資料收集工程地質(zhì)資料現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料動(dòng)力災(zāi)害資料理論研究非平衡態(tài)熱力學(xué)系統(tǒng)災(zāi)變理論斷續(xù)巖體力學(xué)能量耗散與釋放數(shù)值仿真有限元離散元DDA實(shí)驗(yàn)與模擬研究巖石力學(xué)試驗(yàn)相似模型實(shí)驗(yàn)多參量監(jiān)測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)研究現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)研究系統(tǒng)集成深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害多參量耦合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及災(zāi)變地質(zhì)條件判別準(zhǔn)則² 建立地質(zhì)賦存條件與深部動(dòng)力災(zāi)害相關(guān)性的量化分析模型² 揭示高應(yīng)力和強(qiáng)卸荷共同作用下組合煤巖體變形破壞過程中的動(dòng)力響應(yīng)特征² 揭示深部煤巖動(dòng)力災(zāi)害多因素耦合致災(zāi)機(jī)理和時(shí)空演化規(guī)律² 提出煤礦深部動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)與主動(dòng)解危的

18、理論和方法研究目標(biāo)深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的地質(zhì)構(gòu)造條件、原巖應(yīng)力特征及相互作用機(jī)制深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律及其動(dòng)力響應(yīng)特征深部采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律及對(duì)動(dòng)力災(zāi)害孕災(zāi)過程的控制機(jī)理深部開采過程中能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論與綜合防治方法研究?jī)?nèi)容圖3 總體技術(shù)路線圖（三）創(chuàng)新點(diǎn)與特色本項(xiàng)目突出深部開采的空間范圍大、強(qiáng)度高、擾動(dòng)劇烈、動(dòng)壓危害大、介質(zhì)屬性復(fù)雜的特點(diǎn)，開展高應(yīng)力、強(qiáng)卸荷、反復(fù)擾動(dòng)共同作用下動(dòng)力災(zāi)害孕災(zāi)過程的系統(tǒng)研究，成果體現(xiàn)形式既有機(jī)理層面的探討、又有理論與方法層面的研究，同時(shí)還有應(yīng)用層面的工程實(shí)踐，不僅可推進(jìn)相關(guān)學(xué)科的進(jìn)展，也是我國(guó)資源開發(fā)可持

19、續(xù)發(fā)展所迫切需要解決的重大問題。本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色具體體現(xiàn)在：1. 從深部煤巖體動(dòng)力破壞過程中能量積聚和釋放的本質(zhì)特征出發(fā)，針對(duì)深部煤巖體結(jié)構(gòu)的斷續(xù)屬性，探討采動(dòng)應(yīng)力與能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律、相互作用及多因素耦合致災(zāi)機(jī)理，揭示深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害孕育和發(fā)生的能量積聚、傳遞、轉(zhuǎn)化與釋放規(guī)律，提出基于能量突變的深部煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)破壞的判別準(zhǔn)則；2. 針對(duì)動(dòng)力災(zāi)害誘發(fā)不同類型繼發(fā)性災(zāi)害的特點(diǎn)，探索局部動(dòng)力災(zāi)害誘發(fā)繼發(fā)性災(zāi)害與頂板整體失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理，揭示動(dòng)力災(zāi)害激增機(jī)制及其與支護(hù)體系的互饋效應(yīng)，建立考慮動(dòng)力災(zāi)害激增機(jī)制與支護(hù)體系互饋效應(yīng)的深部礦井復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的多參數(shù)分析模型；3. 針對(duì)深部開采條件下覆巖空

20、間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)耦合特點(diǎn)以及應(yīng)力與能量突變的動(dòng)力學(xué)過程，建立“覆巖空間結(jié)構(gòu)-空間應(yīng)力場(chǎng)-區(qū)域性沖擊”與“局部應(yīng)力異常-微震”的深部動(dòng)力災(zāi)害多尺度非線性動(dòng)力學(xué)模型，從而揭示不同尺度、不同量級(jí)動(dòng)力災(zāi)害相互耦合的孕災(zāi)過程和觸發(fā)機(jī)制；4. 借助數(shù)據(jù)融合中的主元素分析方法，通過監(jiān)測(cè)不同地質(zhì)條件下采動(dòng)誘發(fā)的微震等多參量前兆信息，建立前兆信息、致災(zāi)因子與動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性關(guān)系的量化分析模型，提出煤礦深部動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)與主動(dòng)解危的理論和方法，實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)救災(zāi)向主動(dòng)防災(zāi)的重大轉(zhuǎn)變。（四）取得重大突破的可行性分析1學(xué)科與隊(duì)伍優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目依托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院、四川大學(xué)、北京科技大學(xué)、遼寧科技大學(xué)、安徽理工大

21、學(xué)和山東科技大學(xué)等相關(guān)研究領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)單位，集中各相關(guān)研究單位的優(yōu)勢(shì)共同研究深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的基礎(chǔ)理論，而且這些單位承擔(dān)過本領(lǐng)域國(guó)家973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐項(xiàng)目等一批國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃。研究隊(duì)伍集中了國(guó)內(nèi)煤礦動(dòng)力災(zāi)害的主要研究力量，對(duì)相關(guān)研究?jī)?nèi)容已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，取得了一系列研究成果。項(xiàng)目依托單位擁有2個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和教育部等8個(gè)省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。項(xiàng)目組邀請(qǐng)了5位院士擔(dān)任學(xué)術(shù)顧問（錢鳴高、宋振琪、周世寧、謝和平、彭蘇萍）。研究隊(duì)伍由30名學(xué)術(shù)骨干組成，其中教授/研究員20名，副教授/高工8名，博士學(xué)位獲得者26人，并長(zhǎng)期工作在科研、教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場(chǎng)一線。有

22、國(guó)家杰出青年基金獲得者2人、 “百千萬人才工程”國(guó)家級(jí)人選5人、“孫越崎青年科技獎(jiǎng)”獲得者7人、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”1人，部分研究骨干曾作為國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和3個(gè)教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的成員。形成了一支多學(xué)科交叉、老中青結(jié)合、以優(yōu)秀中青年科學(xué)家為骨干、具有良好合作基礎(chǔ)的研究團(tuán)隊(duì)，為本項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了人才保障。2工作基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)（1）研究基礎(chǔ)與工作積累項(xiàng)目組人員長(zhǎng)期從事煤礦工程災(zāi)害孕災(zāi)的地質(zhì)構(gòu)造條件、煤巖體力學(xué)特性、致災(zāi)機(jī)理、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及監(jiān)測(cè)預(yù)警與綜合防治等方面的基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用研究，特別是近五年來，結(jié)合我國(guó)能源與煤炭科技的重大需求，通過參加和完成國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“

23、深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用”，973項(xiàng)目“災(zāi)害環(huán)境和工程擾動(dòng)過程中應(yīng)力傳遞與能量釋放規(guī)律及自適應(yīng)調(diào)控”、自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目“礦山巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論研究與工程應(yīng)用”、國(guó)家科技支撐項(xiàng)目“深部開采煤巖動(dòng)力災(zāi)害多參量識(shí)別與解危關(guān)鍵技術(shù)及裝備”等項(xiàng)目研究，在深部煤礦工程動(dòng)力響應(yīng)與動(dòng)力災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理、深部煤礦巖層運(yùn)動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律、深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警與綜合防治理論等方面取得了重要進(jìn)展，在國(guó)內(nèi)外形成了初步影響，完成了為完成本項(xiàng)目研究奠定了基礎(chǔ)。在深部煤礦工程動(dòng)力響應(yīng)與動(dòng)力災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理方面，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京、徐州）、四川大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)等單位利用先進(jìn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段和分析方法研究了不

24、同加載條件下沖擊傾向性煤巖體的變形破壞規(guī)律以及細(xì)觀破裂演化誘致煤巖體發(fā)生沖擊失穩(wěn)的機(jī)理；深部煤巖體的微結(jié)構(gòu)特征、裂隙特征和塊系結(jié)構(gòu)特征，以及深部煤巖組合試件的拉伸、壓縮響應(yīng)、動(dòng)力學(xué)特性和深部煤巖結(jié)構(gòu)的變形破壞規(guī)律；深入地闡述了沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理和條件；基于能量耗散與釋放原理，從理論上探討巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放與巖石強(qiáng)度和整體破壞（災(zāi)變）的內(nèi)在聯(lián)系。指出內(nèi)部能量耗散與能量釋放是控制巖石損傷至整體破壞的兩個(gè)不同的物理力學(xué)過程，能量耗散使巖石產(chǎn)生損傷，并導(dǎo)致巖性劣化和強(qiáng)度喪失；能量釋放則是引發(fā)巖石整體突然破壞的內(nèi)在原因；給出了基于能量耗散的損傷與強(qiáng)度喪失準(zhǔn)則和基于可釋放應(yīng)變能的整體

25、破壞準(zhǔn)則。針對(duì)工程擾動(dòng)誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的問題，利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析手段，研究了不同誘發(fā)因素下巖體失穩(wěn)以及工程體的響應(yīng)規(guī)律；提出了放炮震動(dòng)誘發(fā)巷道圍巖失穩(wěn)的能量判別準(zhǔn)則；模擬分析了不同煤層厚度、原巖應(yīng)力和頂?shù)装鍎偠葪l件下，采場(chǎng)煤巖體的應(yīng)力場(chǎng)和彈性應(yīng)變能的變化規(guī)律和分布特征；運(yùn)用能量方法，提出了放炮震動(dòng)誘發(fā)巷道圍巖失穩(wěn)的能量判別準(zhǔn)則；基于能量耗散原理的煤巖體沖擊地壓機(jī)理與破壞分析，建立了基于非平衡態(tài)熱力學(xué)的沖擊地壓失穩(wěn)的判斷方法; 在Lippmann沖擊地壓基本理論的基礎(chǔ)上，建立了沖擊地壓三維力學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析了煤層整體突出前臨界狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況；得出了更合理的煤層突出范圍度量指標(biāo)以及煤層整體平

26、動(dòng)式突出傾向性的判定方法。在深部煤礦巖層運(yùn)動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律方面，北京科技大學(xué)、山東科技大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院、安徽理工大學(xué)等單位運(yùn)用高精度微地震定位技術(shù)監(jiān)測(cè)了深部開采條件下多種邊界條件采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)力場(chǎng)遷移規(guī)律、巖體三維空間破裂規(guī)律，提出了長(zhǎng)壁采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，并成功應(yīng)用于評(píng)價(jià)沖擊地壓發(fā)生的可能性、預(yù)計(jì)礦井瓦斯涌出量、預(yù)計(jì)關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)及采場(chǎng)頂板壓力；系統(tǒng)地研究了覆巖空間結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力場(chǎng)分布特征；通過數(shù)值分析方法模擬研究了采場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)工程響應(yīng)特征、三維應(yīng)力場(chǎng)分布特征，提出用采煤工作面三維“應(yīng)力殼”觀點(diǎn)來解釋了采煤工作面周圍的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律。在深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警與綜

27、合防治理論方面，北京科技大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（徐州）、煤炭科學(xué)研究總院等單位研究了礦震構(gòu)造活動(dòng)型、頂板斷裂沖擊型和煤柱沖擊型三種不同震源機(jī)制，分析了礦震孕育、發(fā)生與開采過程的關(guān)系；建立了開采擾動(dòng)勢(shì)模型，揭示了礦震發(fā)生及其規(guī)模與開采深度、開采量、斷層構(gòu)造和應(yīng)力環(huán)境的關(guān)系，解決了定量預(yù)測(cè)礦震發(fā)生時(shí)間、空間和強(qiáng)度的難題；開發(fā)出采礦地球物理方法電磁輻射預(yù)測(cè)礦井動(dòng)力災(zāi)害技術(shù)，研制出“便攜式電磁輻射沖擊地壓（突出）監(jiān)測(cè)儀”，并成功地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用。采用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)分析了煤礦沖擊地壓前兆信息，通過追蹤巖石破裂在空間上的發(fā)展，成功地揭示了沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理，為預(yù)測(cè)沖擊地壓、確定解放層參數(shù)等提供了依據(jù)；成

28、功地實(shí)施了煤層卸載爆破、深孔斷頂爆破、開采保護(hù)層、合理開采布置等技術(shù)來防治煤礦沖擊地壓，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目組長(zhǎng)期從事煤礦動(dòng)力災(zāi)害研究，在新汶、徐州、兗州、大屯、鶴崗、華亭、平頂山、義馬、邯鄲、豐城、南桐、鄂爾多斯等地區(qū)開展了煤礦動(dòng)力災(zāi)害的防治工作，為本項(xiàng)目研究提供了有利條件。（2）實(shí)驗(yàn)室工作基礎(chǔ)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京、徐州）“煤炭資源與安全開采”和“深部巖體力學(xué)與地下工程”兩個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室具有較扎實(shí)完善的研究基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室擁有一批高性能的先進(jìn)設(shè)備，包括國(guó)內(nèi)第一臺(tái)可供固體樣品微區(qū)分析的激光微探針-飛行時(shí)間型二次離子質(zhì)譜儀，可做正負(fù)離子及同位素組成微區(qū)分析；粉末X射線衍射儀和原子吸收光譜儀，可供物

29、相、礦物的定量和伴生元素的測(cè)定；X射線熒光光譜儀，可供煤中主量和微量元素的測(cè)定；帶能譜儀的掃描電鏡、MPV-III顯微鏡光度計(jì)，精密偏光顯微鏡、高速離心機(jī)、顯微FTIR光譜儀、微波消解儀等分析儀器。同時(shí)擁有Disp-24通道巖層失穩(wěn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、TDS-6微震信號(hào)采集系統(tǒng)、地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)、RIS K2地質(zhì)力學(xué)探測(cè)雷達(dá)、鉆孔紅外成像儀、多波地震儀、瞬變電法儀等工程物探儀器和開發(fā)平臺(tái)，由17套服務(wù)器和工作站與大型軟件構(gòu)成的煤礦高分辨三維地震資料處理解釋系統(tǒng)等，可對(duì)深部煤巖材料變形破裂過程中的聲發(fā)射、電磁輻射、微震等效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試研究。工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)（ICT）、EHF-EG200KN型全數(shù)字

30、液壓伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、EHF-UG500KN型全數(shù)字液壓伺服三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、AutoGraph AGS-H5KN型精密電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)、1000噸級(jí)的多功能真三軸特大型試驗(yàn)機(jī)，三維多功能巖層控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、20MN高溫高壓伺服控制巖體三軸試驗(yàn)機(jī)、MTS815電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)、煤巖體水力致裂試驗(yàn)系統(tǒng)、SEM高溫疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、SPM-9500J2型掃描探針顯微鏡、高速攝影機(jī)、TVS-8000K紅外熱成像儀、PhotoStress Plus System反射式光彈儀系統(tǒng)、大尺度激光表面粗糙儀、高性能并行計(jì)算機(jī)、HP8000圖形工作站、DELL 1400SC型服務(wù)器等高端計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)及顯示投影系統(tǒng)、

31、先進(jìn)的巖土工程數(shù)值模擬計(jì)算軟件ANSYS、ABAQUS、FLAC3D、UDEC3D、PFC等為項(xiàng)目研究提供了良好的條件。（3）項(xiàng)目組織與管理方式以國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期從事預(yù)防煤礦煤礦動(dòng)力災(zāi)害技術(shù)及基礎(chǔ)研究、并與國(guó)際同行具有廣泛合作交流的中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京、徐州）作為項(xiàng)目申報(bào)單位，聯(lián)合我國(guó)本領(lǐng)域科研實(shí)力最強(qiáng)的煤炭科學(xué)研究總院、北京科技大學(xué)、四川大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、山東科技大學(xué)和安徽理工大學(xué)等骨干單位，形成跨部門、多學(xué)科交叉的整體聯(lián)合研究隊(duì)伍。項(xiàng)目將采取首席科學(xué)家負(fù)責(zé)制，實(shí)行首席科學(xué)家與課題負(fù)責(zé)人兩級(jí)責(zé)任管理；設(shè)立學(xué)術(shù)咨詢專家組進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)督，建立定期檢查制度。項(xiàng)目擬分為6個(gè)課題，課題負(fù)責(zé)人對(duì)首席科學(xué)家負(fù)

32、責(zé)，并接受咨詢專家監(jiān)督。項(xiàng)目將設(shè)立專家工作組，由各課題負(fù)責(zé)人和國(guó)內(nèi)外本領(lǐng)域知名專家組成，嚴(yán)格按照國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目的管理?xiàng)l例實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，定期舉行有本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者參加的國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)和課題負(fù)責(zé)人工作會(huì)議，確保項(xiàng)目?jī)?nèi)容的順利完成。四、年度計(jì)劃第一年度：項(xiàng)目啟動(dòng)協(xié)作階段（2010年）組建項(xiàng)目專家組和管理組，制定項(xiàng)目運(yùn)作、協(xié)調(diào)和管理方案，完成課題及專題的詳細(xì)論證，編制課題和專題的計(jì)劃任務(wù)書，落實(shí)具體研究計(jì)劃，全面啟動(dòng)研究工作。針對(duì)各課題的研究需求，選擇2-3個(gè)典型工程；開展相關(guān)資料的調(diào)研和分析，廣泛匯聚煤炭深部開采中的動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理與防治方面的研究資料，為全面開展研究工作做好準(zhǔn)備。研究我國(guó)深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)性質(zhì)與動(dòng)力突出之間的關(guān)系；研究深部煤巖石在載荷作用下(包括加載和卸荷)破裂后演化（后破裂）規(guī)律及其力學(xué)特性，探索煤、巖石微結(jié)構(gòu)、裂隙分布特性對(duì)巖石破裂及