《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。

本书可供岩石力学、建井工程、采矿工程、安全工程及相关专业的师
生及工程技术人员参考。

第1章 深部非均压建井理论基础*
　　随着浅部资源的日益枯竭，煤炭及金属矿开采朝着深部化和大型化方向发展。我国新建和改扩建的大型煤矿立井年生产能力已达1000万t，*大开采深度已超1500m。针对深部岩体所处的高地应力、高地温、高渗透压复杂多变地层等地质力学环境，从深部建井“大变形、大地压”现象入手，建立了深部建井难度表征参数，完善了深部建井的概念及其难度评价指标，提出了深部非均压建井新模式，建立了不同地层结构井筒力学模型，奠定了深部建井设计与大变形灾害控制的理论基础。
　　1.1 深部建井难度表征参数
　　1.1.1 深部建井复杂地质力学环境
　　深部建井与浅部建井的明显区别在于深部岩体处于“三高一复杂”的地质力学环境。“三高”主要是指高地应力、高地温、高渗透压，“一复杂”主要是指复杂的地层环境及灾害源[1-4]。
　　1.高地应力
　　进入深部开采以后，仅重力引起的原岩垂直应力通常就超过工程岩体的抗压强度（＞20MPa），而工程开挖引起的应力集中水平则远大于工程岩体的强度（＞40MPa）。同时，根据已有的地应力资料，深部岩体形成历史时间久远，留有远古构造运动的痕迹，存有构造应力场或残余构造应力场，二者的叠合累积为高应力，在深部岩体中形成了异常的地应力场。根据南非地应力测定，在深度3500～5000m，地应力水平在95～135MPa。在如此高的地应力状态下进行工程开挖，所产生的应力集中可达1.5～2.0倍的原岩应力水平[5]。
　　2.高地温
　　根据地温量测，常规情况下的地温梯度为30℃/km。有些局部地温异常地区，地温梯度有时高达200℃/km。岩体在超出常规温度环境下表现出的力学、变形性质与常规温度环境下具有很大差别。地温可以使岩体热胀冷缩破碎，而且岩体温度变化1℃可产生0.4～0.5MPa的地应力变化。岩体温度升高产生的地应力变化对建井岩体的力学特性将会产生显著的影响[6]。
　　3.高渗透压
　　由于地层中赋存有大量的岩溶水以及瓦斯等气体，进入深部以后，随着地应力及地温的升高，将会伴随着岩溶水压以及瓦斯气体压力的升高，从而产生高渗透压，使得井巷突水、煤与瓦斯突出灾害更为严重[7]。
　　4.一复杂
　　深部建井过程中，井筒或井底大巷需要穿过的地层极为复杂，如深厚表土层、软岩、断层破碎带、土岩及软硬岩层间交界弱面等，使得单一井巷支护结构难以满足稳定性控制要求。同时，深部复杂地质力学环境又使得井巷围岩大变形、高应力岩爆、突水、煤与瓦斯突出等灾害致灾机理更为复杂[8]。
　　深部“三高一复杂”的地质力学环境，使得深部矿井建设过程中，井筒及井底大巷围岩失稳严重、大变形灾害频发（图1-1），严重影响矿井的安全高效建设。
　　1.1.2 深部井筒大变形破坏特征
　　通过对国内大量资料检索，发现深部建井进入深部以后，井筒出现井壁破裂、井筒突水、井壁大变形等一系列事故。有关统计资料表明，1987年以来我国大约有109个井筒发生了井壁破裂现象，其中煤矿99例、铜矿8例及铁矿2例（图1-2）。
　　1.井筒破裂程度与深度的关系
　　通过对龙煤集团鸟山煤矿副井调查，得出井壁破裂程度与深度的关系，认为随着深度的增加，井壁破裂的程度也在增加，由裂缝萌发至井壁变形，*终发展为井壁剪切破坏。井筒深度500～700m内，井壁竖向裂缝明显多于环向裂缝，局部压碎，内缘出现混凝土掉皮及脱落现象，如图1-3所示。
　　井筒深度700～850m内，井壁内缘混凝土剥落并形成竖向破裂带，环向钢筋向井筒内部屈曲，*终形成贯穿整个井壁厚度的剪切破坏面，如图1-4所示。
　　井筒深度850～1000m内，井壁向井筒中心变形，裂缝及破坏面多与水平面呈锐角分布，破坏面为斜向剪切破坏面，破坏面整齐清晰，如图1-5所示。
　　总结我国煤矿井筒突水与深度的关系如图1-6所示。由现场调研及文献检索可知，井筒破坏主要集中于100～250m深度，该区间为上覆松软层与基岩交界面附近，而井筒突水主要集中在第四系含水层300～400m，以及承压水含水层600～800m（图1-6）。
　　2.井筒破坏与地应力的关系
　　研究表明，地应力的分布是不均匀的，特别是在1500m以下的煤矿沉积岩层，*大水平主应力与*小水平主应力之比为1～2.5（图1-7）。
　　建立如图1-8所示的井筒结构力学模型，利用弹性力学计算公式对井筒受力进行分析[9，10]。
　　分析可得，垂直*大水平主应力方向的井壁侧应力*大；随着增大，垂直*大水平主应力方向的切向应力增大（图1-9）。
　　非均匀的应力场使得井筒出现非对称破坏现象。美国Lucky Friday井筒*大水平主应力为90MPa，*小水平主应力为37MPa，井壁沿与*大水平主应力垂直方向破裂，如图1-10所示。加拿大Mine-by实验隧洞在井筒开挖期间，也多次出现井筒破坏现象，其破坏位置也为与*大水平主应力方向垂直位置。通过对磁西一号井（亚洲*深煤矿井筒1340m）井壁变形实测分析，得出井壁变形*大值位于东北方向，*小值位于西南方向，两者之比为2.19。
　　1.1.3 深部巷道破坏特征
　　研究发现，进入深部以后，以岩爆、突水、围岩大变形为代表的一系列灾害性事故与浅部工程灾害相比较，程度上加剧，频率上提高，成灾机理更加复杂。深部建井产生的科学现象主要表现为以下几种形式。
　　1.岩爆频率和强度明显增加
　　有关统计资料表明，岩爆与采深有密切关系，即随着开采深度的增加，岩爆的发生次数、强度和规模也会随之上升。
　　2.突水事故趋于严重
　　进入深部以后，岩溶水承压水位升高，而岩溶水体渗流通道相对集中，从而造成开挖后瞬时岩溶突水，突水事故趋于严重。
　　3.巷道围岩变形量大、破坏具有区域性
　　进入深部以后，一方面自重应力逐渐增加，同时由于深部岩层的构造一般比较发育，其构造应力十分突出，巷道围岩压力大，变形量增大，巷道大面积的冒顶垮落，使得巷道支护成本增加，安全性差。
　　4.地温升高、作业环境恶化
　　深部建井条件下，岩层温度将达到几十摄氏度的高温，如我国徐州矿区千米平均地温为30～40℃，个别达48℃。根据钻孔温度测试结果，在浅部，地温呈线性增长，而进入深部后，则呈非线性增长。由于地温升高，井下工人注意力分散、劳动率减低，甚至无法工作。
　　5.瓦斯涌出爆炸成灾
　　随着煤矿采深的增加，瓦斯含量迅速增加，并造成瓦斯涌出爆炸或灾害的频繁发生。

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