“一带一路”中的岩石力学与工程问题及对策探讨

何满潮 郭鹏飞

(1.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083；2.绍兴文理学院 岩石力学与地质灾害实验中心，浙江 绍兴312000)

0 引言

2013年9月7日习近平主席在哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学发表题为《弘扬人民友谊共创美好未来》的重要演讲时首次提出了共建丝绸之路经济带的构想；2013年10月3日国家主席习近平在印度尼西亚国会发表题为《携手建设中国—东盟命运共同体》的重要演讲时首次提出共同建设21世纪“海上丝绸之路”的倡议，至此，“一带一路”经济建设的中国倡议拉开帷幕，并引起了“一带一路”沿线国家的热烈反响[1-3].“一带一路”路线示意图如图1所示.

图1 “一带一路”路线示意图

丝绸之路经济带是“一带一路”的重要组成，其地域辽阔，自然资源、矿产资源及土地资源丰富，是21世纪战略能源和资源的重要基地[4].然而，由于其交通不便、自然环境恶劣、地质灾害频发，其经济发展水平与亚太经济圈和欧洲经济圈形成了巨大反差[5].自“一带一路”倡议提出5年来，随着丝绸之路经济带政策沟通、道路联通等五大支柱的逐步启动，丝绸之路经济带核心区(新疆)能源规划，中土、中俄等丝绸之路沿线国家公路、铁路网等交通运输网络建设等贸易合作项目相继展开，丝绸之路经济带沿线凸显出的岩石力学与工程问题严重制约着丝绸之路经济带的建设进程[6].因此，丝绸之路经济带沿线岩石力学及工程问题的探讨、研究及对策的提出将对“一带一路”建设具有重要的战略意义和研究价值.

综上，本文针对丝绸之路经济带沿线的工程地质条件，通过对其主要的岩石力学与工程问题、地质灾害类型等进行分析、探讨和研究，提出丝绸之路经济带沿线凸显的主要岩石力学与工程问题的解决方案，为“一带一路”中岩石力学与工程问题的解决提供重要参考.

1 岩石力学与工程问题

丝绸之路经济带横贯欧亚大陆板块，涉及西北和西南如陕西、甘肃、新疆、四川、云南等9个省、自治区及直辖市.由于其沿线地表标高落差大、气温差异显著、地质条件复杂多变等因素，严重制约着“一带一路”经济建设的进程，在如沿线国家公路、铁路网、隧道等交通运输网络的工程施工中提出了新的岩石力学与工程课题.

图2 丝绸之路经济带地质剖面示意图

由丝绸之路经济带地质剖面示意图(见图2)可知，丝绸之路经济带沿线地质活动频繁、地震断层活跃、地震灾害频发；由于沿线地势差异显著、自然环境恶劣等因素的影响，滑坡灾害(见图3)时有发生；在沿线的隧道工程施工中，由于岩层地质条件复杂、地应力高等因素的影响，地下施工过程中受到岩爆、坍塌等事故(见图4)的严重威胁；且由于沿线地下矿产资源储量丰富，地下资源开采过程中带来的资源浪费严重、环境破坏等问题日益突出[7].

图3 抚顺露天煤矿开采诱发滑坡灾害[8]

图4 岩爆灾害[8]

据不完全统计，超过90%的地震是由于活动断层引起的，如1906年4月18日在美国旧金山发生的8.6级大地震；2008年5月12日在我国四川发生的8.0级汶川地震(见图5)，与龙门山断裂带密切相关[8].

图5 汶川8.0级地震[8]

综上所述，丝绸之路经济带沿线的地质灾害问题十分严峻，凸显出的岩石力学及工程问题亟待解决[9]，然而传统的地质灾害理论、装备和仪器仍然存在致灾机理不明确、监测系统可靠度不高等问题，难以有效解决工程施工中存在的问题.因此，针对滑坡、地震、地下矿产资源开发等问题，必须打破传统的思维观念限制，在理论、材料、装备等方面进行突破，在新理论、新材料、新装备的支撑下提升滑坡、地震等地质灾害的监测预警系统的可靠性，突破传统地下资源开采的技术约束，避免在地下资源开采过程中带来的资源浪费、环境污染等问题，为丝绸之路经济带建设提供科学和安全保障.

2 滑坡新理论和监测预警系统

2.1 滑坡双体灾变力学理论

目前，国内外滑坡的监测和预警主要集中在对滑坡体位移的监测、区域降雨量及地下水位的监测等[10-12].虽然通过GPS、GIS、GS等设备对滑坡体位移进行监测属于较常规的监测方法，但位移是滑坡发生的必要条件而非充分条件，发生位移不一定会导致滑坡灾害的发生.因此，滑坡常规监测中针对的位移、降雨、水位等是发生滑坡的必要不充分条件，不能作为滑坡预测预报的主要依据.要想预测预报准确，必须找出滑坡发生的充分必要条件及其可测参数.

笔者经过多年的研究和大量的工程实践发现，滑坡灾害发生伴随着滑床和滑体间滑面上牛顿力的突降，即“牛顿力突降，滑坡灾害发生”.滑坡的本质是滑体和滑床沿滑面的相对运动，牛顿力是滑床和滑体间运动的充要条件.所以顿力的变化可作为判断灾变发生的依据.于此，何满潮院士提出了一种基于双体界面牛顿力测量的地质灾害双体灾变理论，并研发了配套的监测系统，成功预测了滑坡灾害的发生.

因深部岩体结构的复杂多样，断裂面的形态各异，又因牛顿力受多种因素的影响，无法直接测出其大小，所以如何测得牛顿力的大小是现阶段的一个关键问题.针对上述问题，笔者将一种特殊而又复杂的力学系统引入牛顿力研究当中，将不可测的天然力学系统(具有负泊松比特性的恒阻大变形锚索，简称NPR锚索)转化为可以测的人为力学系统，通过监测装置对人为力学系统进行测量，测量数据可间接的求出天然系统中牛顿力的大小.滑体滑床的力学模型如图6所示.

图6 滑坡双体灾变力学模型

根据滑坡双体灾变力学模型可推导出滑坡双体灾变的数学模型，即：

Fφ=k1M+k2

(1)

其中：

(1a)

(1b)

2.2 NPR锚索的力学性能

在如图6的力学系统中，插入到天然力学系统中的加固边坡的设备是何满潮院士团队研发的NPR锚索.该锚索通过将恒阻器与传统预应力锚索束体的有机结合，使常规小变形锚索成为具有恒阻大变形功能的锚索结构.因此，在理论上，NPR锚索是拉不断的[13-14].当边坡受到外力作用，NPR锚索受力超出锚索的恒阻值时，恒阻体在恒阻套管内发生恒阻滑移，以此来吸收变形能，最大限度防止锚索断裂、失效现象，从而能够对实现对滑坡全过程进行全方位监测.NPR锚索静力拉伸变形与动力冲击变形曲线见图7.目前，用于滑坡监测的NPR锚索最大恒阻变形量达2 000 mm，恒阻值达850 KN，在边坡加固、滑坡监测和预警等方面取得了良好的应用效果.

(a)静力拉伸变形曲线

(b)动力冲击变形曲线图7 NPR锚索静力拉伸变形与动力冲击变形曲线

图8 滑坡牛顿力监测室内物理模拟实验系统

2.3滑坡监测预警系统

基于滑坡双体灾变力学模型，何满潮院士团队开发出了一套“滑坡牛顿力监测室内物理模拟实验系统”(见图8)，通过大量滑坡双体灾变力学物理模拟实验，均得到“滑坡发生时，牛顿力突然下降”的实验结果，即双体界面牛顿力突降是滑坡发生的充分必要条件，且大量的现场监测结果验证了这一结论的正确性(见图9).在此基础上，建立了滑坡界面牛顿力“数据采集-传输-存储-发射-接收-分析-处理-反馈”监测预警系统(见图10)，成功预报了多次滑坡灾害的发生，并在全国范围内推广应用.

图9 南芬露天铁矿滑坡监测预警工程实例

图10 滑坡监测预警系统

(a)N00工法 (b)110工法 (c)121工法图11 长壁开采“121、110、N00工法”示意图

3 煤炭开采新技术—110工法& N00工法

3.1 长壁采煤法概述

一般来说，长壁采煤法的工作面长度在50 m以上的采煤工作面称为长壁工作面.自19世纪中叶，长壁采煤法在世界范围内被广泛应用.随着经济的发展和科技及装备水平的提高，先后出现了长壁开采121(大煤柱)工法[15](1962，钱鸣高)、长壁开采121(小煤柱)工法[16](1979，宋振骐)以及长壁开采110 & N00(无煤柱)工法(2008，何满潮)(见图11).前两种方法回采一个工作面均需留设煤柱，同时需要在回采工作面两端分别掘进两条巷道，因此可合并称为长壁开采121工法，或简称121工法[17-19].而长壁开采110工法回采一个工作面无须留设煤柱，且只需掘进一条巷道，另一条巷道由上一个相邻工作面通过切顶卸压自动成巷技术保留下来，供下一个工作面继续使用.N00工法是一种更为先进的采煤工法，工作面无须提前掘进巷道，巷道通过采煤机采、留出，真正实现无煤柱、无巷道掘进采煤[20-22].

随着地下的持续开采，无论是传统的121工法还是通过巷旁充填沿空留巷，所留煤柱导致应力的不断聚集，因此，在地下开采活动中就使用强支护进行硬抵抗，最终导致灾害的发生，而且造成了煤炭资源的大量浪费.2008年，受以柔克刚、借力打力哲学思想的启发，何满潮院士提出“切顶短臂梁”理论，即利用矿山压力，在采空区侧定向切顶，切断部分顶板的矿山压力传递，利用高预紧力NPR锚索对巷道顶板进行控制，保证采动影响区沿空巷道的围岩稳定，利用顶板岩层压力，利用顶板部分岩体，实现自动成巷和无煤柱开采，消除或减少事故灾害的发生(见图12(b))，大幅提高了煤炭回采率，显著降低煤炭资源的浪费，形成了系统的切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术及装备体系，并于2010年在川煤集团白皎煤矿2442工作面首次现场成功应用.

(a)传统开采导致灾害发生的机理示意图

(b)消除灾害事故的解决方案示意图图12 传统开采致灾机理及解决方案

110工法是一种国际先进的采矿工艺，减少了矿产资源的浪费.主要通过对上覆岩层进行施工预制钻孔，在钻孔中装入炸药，配合双向聚能爆破装置进行张拉爆破，使相邻钻孔相互贯通，产生完整的切缝面，使巷道围岩应力重分布，在周期来压时，顶板沿切缝断裂垮落自行形成巷帮，形成支护.在钻孔之前，需要对超前工作面进行高强预应力锚索支护，最大限度的保证在聚能爆破时巷道原有的支护不受到影响；其后，岩巷道顶板边缘超前的工作面进行钻孔，进行双向聚能爆破，形成一条切缝，消除巷道顶板和采空区顶板的相互影响，使巷道围岩的应力重新分布，力学模型如图13所示.

图13 切顶短臂梁力学模型

式中：L—直接顶悬臂梁的长度，m；

LR—煤层巷道的宽度，m；

hg—煤层采空区的高度，m；

hD—直接顶的厚度，m；

LQ—预裂切缝高度，m；

q—直接顶自重产生的均布荷载，kN/m；

MD—切缝面上的回转弯矩，kN·m；

σw—预裂切缝未贯穿面上的拉应力，MPa.

在煤层开采过程中，采空区顶板的长度为L，将其看作一段已知长度的悬臂梁，悬臂梁在上部压力作用下会产生回转弯矩MD，由于顶板切缝的存在，造成悬臂梁的损伤，使悬臂梁不足以上部压力在其上产生的回转弯矩MD，从而使预裂切缝未贯穿面来承担，在周期来压作用下，未贯穿面全部贯通，顶板自动垮落，从而形成巷帮.力学理论公式如下：

(2)

(3)

(4)

其中σw为预裂切缝未贯穿面上的拉应力.

由式(2)式(4)可知，预裂切缝未贯穿面上的拉应力σw与LQ成比例关系，当预裂缝的高度LQ增大，拉应力也在相应增大.

3.2 110工法工程应用

3.2.1 工程概况

为了验证该方法的工程实践性，在哈拉沟煤矿12201工作面进行现场实验，哈拉沟煤矿隶属于中国神华神东煤炭公司，位于距陕西省神木市55 km处的大柳镇以北4.5 km乌兰木伦河东侧，该矿区归大柳镇管辖.12201综合采面走向长度为320 m，钻孔处距停采线长度747 m，采空区的留巷长度为580 m，煤层厚度为1.6 m～2.4 m，平均煤层厚度为1.9 m，工作面平均开采高度为2 m，回采煤量为61万吨，煤层相对稳定.12201工作面直接顶为3.9 m～0.52 m灰色、泥质胶结，局部含有薄层中砂岩的粉砂岩，平均厚度为3.67 m；粉砂岩上部为12上煤层，煤层的厚度为2.75 m～0.0 m，平均厚度为1.56 m；12煤层上部为2.14 m～0.55 m灰色、泥质胶结，局部含有薄层中砂岩的泥岩，平均厚度为1.35 m；老顶是由细粒砂岩、粉砂岩两种岩性的岩体组成，平均厚度分别为3.34 m和4.05 m；直接底则由平均厚度为3.67 m的青灰色粉砂岩构成.12煤与12上煤层间距1.1 m～2.5 m，12上煤厚1.4m～2.4 m.工作面钻孔柱状图如图14所示.

(a)12201工作面钻孔柱状图

(b)12201工作面巷道布置图14 工作面钻孔柱状及工作面巷道布置图

3.2.2 设计方案

基于“切顶短臂梁”理论及12201工作面的工程地质条件，对12201工作面运输顺槽进行110工法设计.恒阻大变形锚索直径为21.8 mm，长度8 m，恒阻器直径为65 mm，恒阻值为33±2 t，恒阻器长度为500 mm，恒阻大变形锚索排距为2 m，预紧力为28 t，相邻三根恒阻大变形锚索用W型钢带连接，切顶炮孔设计为与铅垂方向夹角为20 °，孔间距为600 mm，孔深6 000 mm.设计方案如图15所示.

3.2.3 实施效果

根据设计方案，在哈拉沟煤矿12201运顺进行了切顶卸压自动成巷现场实施，取得了预期的效果.现场应用效果如图16所示.

由图17可知，从来压步距上看，12201工作面运输顺槽沿空留巷段(切顶区)比试验段(未切顶区)的工作面周期来压步距增加18 m～22 m，增大约2倍.表明在切顶影响下，近沿空巷道侧采空区充填效果好，垮落的矸石充填了采空区大部分空间，从而限制了基本顶的回转，造成基本顶不易发生断裂，即周期来压步距加大.从来压强度上看，110工法切顶影响区较121工法区，周期来压最大值减少10～11MPa，减少20%，表明在切顶影响下，直接顶破断垮落后，形成碎涨的矸石通常可以将采空区充满，工作面覆岩荷载传递影响较大，前基本顶已达到动态稳定状态，工作面基本顶来压缓和，进而对近沿空巷道侧工作面支架产生的压力也较小.

(a)巷道支护断面图

(b)巷道支护平面展开图图15 12201运输顺槽设计方案

图16 哈拉沟煤矿110工法成巷效果

图17 12201工作面5#支架支柱荷载曲线图

4 结论

(1)丝绸之路经济带是“一带一路”建设的重要组成，但因其沿线交通不便、环境恶劣、地质条件复杂等因素，沿线建设过程中，滑坡、地震、岩爆等地质灾害及地下资源开采等岩石力学与岩土工程问题愈加显著.

(2)NPR锚索与传统预应力锚索的一个主要差别就是具有“让中有抗，抗中有让，防断恒阻”的特性.当NPR锚索受力达到恒阻值时，NPR锚索随着围岩大变形而发生径向拉伸的大变形，避免了由于岩土体大变形而发生锚索断裂、失效现象，具有恒阻、大变形、抗冲击、吸能等显著特性.因此，NPR新材料的研发，是岩石力学理论和岩土工程大变形灾害控制的重要突破.

(3)牛顿力监测是一种有效的滑坡监测预警方法，目前已成功预报多次滑坡事故.基于双体灾变力学理论，牛顿力监测方法非常有希望在地震预报监测方面扮演重要角色.

(4)基于NPR锚索支护、聚能爆破等技术的新采矿方法，即110工法& N00工法，已在国内煤矿广泛应用和推广，大幅降低了吨煤成本，提高了煤炭回收率，提高了企业效益，改善了地表开采沉陷.