科技論文寫作

1、淺析深部開采中高地溫的影響摘要：深部開采工程中產(chǎn)生的新問題更加多元和復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者通過理論研究、室內(nèi)及現(xiàn)場試驗研究取得了大量的成果?？偨Y(jié)分析了深部開采與淺部開采巖體工程力學(xué)特性的主要區(qū)別，主要表現(xiàn)在“三高一擾動”的惡劣環(huán)境?！叭摺敝衅湟痪褪歉叩販?。針對深部工程所處的特殊地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，通過對相關(guān)文獻的研讀，結(jié)合本學(xué)期所學(xué)知識，淺析深部開采中溫度的主要影響。關(guān)鍵詞：深部開采，溫度，影響1引言隨著對能源需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進入深部資源開采狀態(tài)。隨著開采深度的不斷增加，工程災(zāi)害日趨增多，如礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現(xiàn)加劇、巷道圍巖大變形、流變、地

2、溫升高等，對深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅。因此，深部資源開采過程中高地溫所帶來的影響已成為國內(nèi)外研究的焦點。2國內(nèi)外深部工程現(xiàn)狀據(jù)不完全統(tǒng)計, 國外開采超千米深的金屬礦山有80多座，其中最多為南非。南非絕大多數(shù)金礦的開采深度大都在1000m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深井金礦，采礦深度達3700m，WestDriefovten金礦礦體賦存于地下600m，并一直延伸至6000m以下。印度的Kolar金礦區(qū)，己有三座金礦采深超2400m，其中錢皮恩里夫金礦共開拓112個階段，總深3260m。俄羅斯的克里沃羅格鐵礦區(qū)，已有捷爾任斯基、基洛夫、共產(chǎn)國際等8座礦山采準(zhǔn)深度達910

3、m，開拓深度到1570m，預(yù)計將來達到20002500m。另外，加拿大、美國、澳大利亞的一些有色金屬礦山采深亦超過1000m。國外一些主要產(chǎn)煤國家從20世紀(jì)60年代就開始進入深井開采。1960年前，西德平均開采深度已經(jīng)達650m，1987年已將近達900m；原蘇聯(lián)在20世紀(jì)80年代末就有一半以上產(chǎn)量來自600m以下深部。國外深部工程開采現(xiàn)狀如圖1所示。圖1國外深部工程開采現(xiàn)狀Fig.1Presentsituationofdeepminingengineeringabroad根據(jù)目前資源開采狀況，我國煤礦開采深度以每年812m的速度增加，東部礦井正以100250m/(10a)的速度發(fā)展。近年己有

4、一批礦山進入深部開采。其中，在煤炭開采方面，沈陽采屯礦開采深度為1197m、開灤趙各莊礦開采深度為1159m、徐州張小樓礦開采深度為1100m、北票冠山礦開采深度為1059m、新汶孫村礦開采深度為1055m、北京門頭溝開采深度為1008m、長廣礦開采深度為1000m。在金屬礦開采方面，紅透山銅礦目前開采己進入9001100m深度，冬瓜山銅礦現(xiàn)已建成2條超1000m豎井來進行深部開采，弓長嶺鐵礦設(shè)計開拓水平750m，距地表達1000m，夾皮溝金礦二道溝坑口礦體延深至1050m，湘西金礦開拓38個中段，垂深超過850m。此外，還有壽王墳銅礦、凡口鉛缽礦、金川鎳礦、乳山金礦等許多礦山都將進行深部開采

5、?？梢灶A(yù)計在未來20年我國很多煤礦將進入到10001500m的深度。我國國有重點煤礦平均采深變化趨勢如圖2所示。這里畫一個圖圖2我國國有重點煤礦平均采深變化趨勢Fig.2DevelopmenttrendsofaverageminingdepthofkeycoalminesinChina3 三 國內(nèi)外深部研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)80年代初，國外已經(jīng)開始注意對深井問題的研究。1983年，原蘇聯(lián)的權(quán)威學(xué)者就提出對超過1600m的深(煤)礦井開采進行專題研究。當(dāng)時的西德還建立了特大型模擬試驗臺，專門對1600m深礦井的三維礦壓問題進行了模擬試驗研究。1989年巖石力學(xué)學(xué)會曾在法國專門召開“深部巖石力學(xué)”問

6、題國際會議，并出版了相關(guān)的專著。近20年來，國內(nèi)外學(xué)者在巖爆預(yù)測、軟巖大變形機制、隧道涌水量預(yù)測及巖爆防治措施(改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力解除、及時施作錨噴支護、合理的施工方法等)、軟巖防治措施(加強穩(wěn)定掌子面、加強基腳及防止斷面擠入、防止開裂的錨、噴、支，分?jǐn)嗝骈_挖等)等各方面進行了深入的研究，取得了很大的成績。與淺部巖體相比，深部巖體更突顯出具有漫長地質(zhì)歷史背景、充滿建造和改造歷史遺留痕跡、并具有現(xiàn)代地質(zhì)環(huán)境特點的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)材料(見圖3)。深部工程巖體產(chǎn)生沖擊地壓、巖爆、瓦斯突出、流變、底板突水等非線性力學(xué)現(xiàn)象的原因，歸根結(jié)是由于深部巖體因其所處的地球物理環(huán)境的特殊性和應(yīng)力場的復(fù)雜性所

7、致。受其影響，深部巖體的受力及其作用過程所屬的力學(xué)系統(tǒng)不再是淺部工程圍巖所屬的線性力學(xué)系統(tǒng)(雖然由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性也含有非線性力學(xué)問題)，而是非線性力學(xué)系統(tǒng)，其穩(wěn)定性控制的難點和復(fù)雜性在于不再含有線性問題(見表1)。深部巖體地質(zhì)力學(xué)特點決定了深部開采與淺部開采的明顯區(qū)別在于深部巖石所處的特殊環(huán)境，即“三高一擾動”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境。“三高”主要是指高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓。四 溫度在深部開采的主要影響1高地溫對巖石的影響根據(jù)量測，越往地下深處，地溫越高。地溫梯度一般為3050/km不等，常規(guī)情況下的地溫梯度為30/km。有些地區(qū)如斷層附近或?qū)崧矢叩漠惓＞植康貐^(qū)，地溫梯度有時高達200/km

8、。巖體在超出常規(guī)溫度環(huán)境下，表現(xiàn)出的力學(xué)、變形性質(zhì)與普通環(huán)境條件下具有很大差別。地溫可以使巖體熱脹冷縮破碎，而且?guī)r體內(nèi)溫度變化1可產(chǎn)生0.40.5MPa的地應(yīng)力變化。巖體溫度升高產(chǎn)生的地應(yīng)力變化對工程巖體的力學(xué)特性會產(chǎn)生顯著的影響。溫度對巖石的作用效應(yīng)概括為兩方面：一是溫度對基本力學(xué)參數(shù)的作用影響；二是溫度作用引起的破壞形式改變。如：許錫昌和劉泉聲 研究了20600的花崗巖在單軸壓縮下的主要力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，提出75，200分別是力學(xué)參數(shù)的門檻值；L.Y.Zhang等 探討了從室溫至800下3種硬巖的峰值強度、峰值應(yīng)變和彈性模量的變化規(guī)律；J.S.O.Lau和R.Jackson 研究了

9、較低圍壓下花崗巖的彈性模量、泊松比、抗壓強度隨溫度的變化規(guī)律；吳剛等4研究了常溫800溫度作用下，大理巖的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程等隨溫度的變化情況。在溫度對巖石破壞形式改變方面：Q.X.Lin等5通過聲發(fā)射監(jiān)測了花崗巖強度隨時間的降低規(guī)律和微觀破壞機制。李建林等6通過三軸卸荷試驗認(rèn)為，高溫烘烤后巖樣的抗拉強度出現(xiàn)了明顯降低。張志鎮(zhèn)等7在實時高溫對花崗巖進行單軸壓縮和斷口電鏡掃描試驗，并指出高溫后巖樣沖擊傾向性減弱，破壞機制呈現(xiàn)脆性向延性轉(zhuǎn)變的趨勢。李鵬舉等8-9通過251300的溫度試驗證明溫度的升高使硬巖從脆性向延性轉(zhuǎn)化。在熱力計算分析方面：S.Y.Li等10根據(jù)溫度對巖土的損傷試驗，基于Mohr-

10、Coulomb準(zhǔn)則提出了巖土材料的統(tǒng)計損傷本構(gòu)模型。陳益峰等11基于均勻化方法給出低孔隙率脆性巖石在熱力耦合荷載作用條件下的各向異性損傷模型和有效熱傳導(dǎo)特性模型。J.C.Andersson和C.D.Martin12與H.X.Lan等13分別利用有限元和UDEC分析了瑞典ASPO試驗巷道的熱力響應(yīng)。陳國慶等研究巷道開挖卸荷路徑下溫度和應(yīng)力耦合作用下巖石的卸荷力學(xué)試驗研究，熱力耦合力學(xué)模型考慮了高應(yīng)力隧道巖爆的特殊力學(xué)特征。圖3不同溫度下花崗巖軸壓圍壓關(guān)系Fig.3Relationbetweenaxialstressandconfiningpressureofgraniteunderdiffere

11、nttemperatures2 高地溫對巷道噴混凝土的影響唐陽等的研究結(jié)構(gòu)表明，濕度對粘結(jié)強度的影響較大，相比于低濕環(huán)境，高濕環(huán)境下的圍巖支護結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強度較大，且隨著溫度升高和濕度越低噴混凝土水化反應(yīng)中止速度越快、混凝土干縮現(xiàn)象越嚴(yán)重、粘結(jié)強度越低，相較，時強度降幅最大為。其采用加熱溫控系統(tǒng)來調(diào)控溫度，通過溫度巡檢儀觀測溫度變化，并用點溫槍確認(rèn)巖板溫度與巡檢儀相同。高濕、低濕兩種環(huán)境則分別利用兩個濕度控制器通過連接噴霧和加熱裝置來實現(xiàn)，濕度過高停止噴霧，濕度過低則停止加熱，最終調(diào)試至所需試驗環(huán)境。部分加熱裝置見圖，所測粘結(jié)強度試驗結(jié)果見。圖溫濕度自動控制系統(tǒng)根據(jù)Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)

12、則及a，b在直線中的物理意義，可以按下式推算出巖石的強度參數(shù)：1sin1aa=+(1)(1sin)2cosbc=(2)研究表明，隨著溫度的升高和濕度越低，混凝土內(nèi)部的水分散失越快，水泥水化反應(yīng)的中止時間越早，噴混凝土的粘結(jié)強度發(fā)展越不充分，干縮現(xiàn)象越嚴(yán)重，粘結(jié)面混凝土側(cè)微觀結(jié)構(gòu)的致密性越差，但相比于低濕環(huán)境，高濕環(huán)境下的噴混凝土致密性較好。不同溫度環(huán)境下的三軸加卸載試驗表明，存在60100的溫度門檻值，當(dāng)溫度未超過第32卷第8期陳國慶等：深埋硬巖隧道卸荷熱力效應(yīng)及巖爆趨勢分析1563此范圍門檻值時，隨著溫度的增加，巖石的峰后變形由延性向脆性轉(zhuǎn)換。(2)在升圍壓卸圍壓試驗中，隨著圍壓的增大，向剪

13、切破壞的趨勢明顯；當(dāng)溫度升高時，主要表現(xiàn)為剪切破壞，出現(xiàn)貫穿試件的剪切破壞。(3)隨著隧道地溫的升高，溫度梯度將使圍巖聚集更多能量，硬巖脆性破壞程度也相應(yīng)增加，高地溫條件下深埋硬巖隧道較常溫條件下巖爆烈度增強。研究成果可用于隧道開挖前的巖爆烈度預(yù)測。3高溫度應(yīng)力耦合反復(fù)作用對巷道的影響深部巷道伴隨著開挖卸荷通風(fēng)降溫鄰域熱傳遞的全過程，巷道圍巖將經(jīng)歷反復(fù)的溫度應(yīng)力耦合作用，使得圍巖的變形破壞更為復(fù)雜。溫度場控制方程假設(shè)巖石比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)為不隨溫度改變的常數(shù)，根據(jù)熱量平衡原理微分體所需的熱量應(yīng)與傳入微分體的凈熱量以及微分體內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量相平衡，得到固體熱傳導(dǎo)控制微分方程：反復(fù)溫度應(yīng)力耦合作用可

14、能使圍巖產(chǎn)生新的疲勞損傷破壞。隧洞開挖本身強烈的卸荷效應(yīng)，會造成巖體的損傷，而反復(fù)的溫度荷載作用會加重巖體損傷程度，使得巖體力學(xué)性能發(fā)生劣化，這在設(shè)計與施工中不可忽視。溫度應(yīng)力耦合方程考慮溫度影響，依據(jù)彈性力學(xué)理論可得用位移和溫度改變表示的本構(gòu)方程：式中：和為巖石剪切模量和體積模量；和為位移和體力在（，）方向的分量；為巖石的線膨脹系數(shù)；，為溫度場在方向上的分量；為泊松比。計算結(jié)果表明，反復(fù)溫度應(yīng)力耦合作用可能使圍巖產(chǎn)生新的疲勞損傷破壞。隧洞開挖本身強烈的卸荷效應(yīng)，會造成巖體的損傷，而反復(fù)的溫度荷載作用會加重巖體損傷程度，使得巖體力學(xué)性能發(fā)生劣化，這在設(shè)計與施工中不可忽視。5結(jié)論深部煤炭資源是2