2 千米深井圍巖控制與智能開采構想
針對煤礦千米深井圍巖控制及智能開采面臨的技術難題，圍繞深部煤炭安全、高效開采，提出千米深井圍巖控制及智能開采理論與技術構想，即綜合考慮巷道和采煤工作面相互影響，以合理加大工作面長度( 350 m 以上) ，實現生產集約化，降低掘進率、提高煤炭采出率為思路，以“應力場―圍巖變形―圍巖控制―開采與圍巖控制的智能化―井下試驗”為主線，將地質學、煤礦開采、巖石力學、材料科學、機械工程及控制科學與工程等學科有機結合，研發形成千米深井巷道圍巖支護—改性—卸壓“三位一體”協同控制及基于千米深井超長工作面礦壓規律的智能開采技術體系。主要包括千米深井巷道圍巖控制、超長工作圍巖控制和智能開采 3 個方面( 圖 4) 。為此，需要深入研究解決圍巖控制及智能開采關鍵科學問題，包括: ① 高地應力與超長工作面強采動應力疊加作用下巷道圍巖大變形機理; ② 高應力、強采動巷道圍巖 “支護—改性—卸壓”“三位一體”協同控制原理; ③ 千米深井超長工作面應力與覆巖結構演化機理; ④ 超長工作面多信息融合的智能開采模式。在突破關鍵科學問題的基礎上，研發巷道超高強度、高延伸率、高沖擊韌性錨桿支護—高壓劈裂注漿改性—水力壓裂卸壓協同控制技術，超長工作面自適應群組協同控制智能開采技術�？傮w研究理論與技術框架如圖 5 所示。
3 千米深井圍巖控制及智能開采基礎理論
3. 1 高應力強采動巷道圍巖大變形機理煤礦千米深井巷道開挖后，圍巖行為迅速表現為復雜的非穩態、非線性特征[22]，千米深井巷道圍巖由淺部的穩態小變形轉變為深部的強動壓、長時強流變。目前的理論不能科學解釋復雜多變地層千米深井采動巷道的圍巖劣化、大變形與破壞機理。針對千米深井高應力、強采動的特點，從 4 個方面開展研究。一是從圍巖自身角度研究千米深井圍巖物性細觀劣化機制、深部節理圍巖物性劣化判據、深部節理圍巖強度衰減規律，揭示出千米深井強采動巷道圍巖劣化與強度衰減規律。二是根據千米深井強采動巷道開挖導致的側向卸荷、豎向應力集中及強采動導致豎向加載的實際情況，研究提出巷道圍巖側向卸荷豎向加載應力路徑模型( 圖 6) ，通過大尺度真三軸物理試驗和數值模擬等方法，研究深井強采動巖石的突變力學行為特征、巷道圍巖應力分布與演化特征、巷道圍巖裂隙場演化及其與應力場的關系，揭示出千米深井強采動巷道圍巖應力梯度與偏應力誘導裂隙擴展規律。目前已采用數值模擬開展了偏應力誘導下巷道圍巖擴容變形研究( 圖 7) 。三是研究千米深井高地應力巖石流變的細觀機制，研究揭示高地應力與強采動疊加作用下巖體流變效應及千米深井巷道圍巖持續性流變大變形機理。四是研究高地應力與強采動疊加作用下巷道圍巖結構失穩機制、深部破裂圍巖巷道突發性非連續大變形機理，研究二次、多次動壓影響巷道圍巖變形破壞模式，從巖層結構上揭示出千米深井長時強采動巷道圍巖結構失穩及破壞模式。
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