第五讲深部开采岩体力学研究及其进展.ppt

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1、井巷设计优化与施工新技术第五讲 深部开采岩体力学研究及其进展,深部开采岩体力学研究及其进展,湖 南 工 程 学 院 曾 宪 桃（博士、教授、博士生导师）二零一零年八月,1.引言2.国内外研究现状3.深部开采与浅部的区别4.深部开采工程岩体力学特性5.深部开采工程灾害表现形式6.矿井深部开采六个转型7.深部开采十大理论问题8.结语,深部开采岩体力学研究及其进展,1.引言,我国目前已探明的煤炭资源量占世界总量的 11.1%石油和天然气仅占总量的2.4%和1.2%煤炭资源埋深在1 000m以下的为2.95万亿吨 占煤炭资源总量的53%煤矿开采深度以每年812 m的速度增加 东部矿井正以每10年100

2、250 m的速度发展,深部开采岩体力学研究及其进展,1.引言,己有一批矿山进入深部开采沈阳采屯矿开采深度为1 197 m开滦赵各庄矿开采深度为1 159 m徐州张小楼矿开采深度为1 100 m北票冠山矿开采深度为1 059 m新汶孙村矿开采深度为1 055 m北京门头沟开采深度为1 008 m长广矿开采深度为1 000 m预计在未来20年进入到1 0001 500 m,深部开采岩体力学研究及其进展,1.引言,深部开采岩体力学研究及其进展,图1 我国国有重点煤矿平均采深变化趋势,年需矿石的缺口越来越大 仅铜矿的缺口，“九五”期间就达到了8 000万吨/年 已探明的45种主要矿产中，到2010年可

3、满足需求 的只有21种 到2020年将下降为6种 2020年预计我国铁矿石需求量为3.71亿吨，其保证 度只有62%，铜需求量220万吨，保证度只有57%,深部开采岩体力学研究及其进展,1.引言,俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，已有捷尔任斯基、基洛 夫、共产国际等8座矿山采准深度达910 m，开拓深度 到1 570 m，将来要达到2 0002 500 m 加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦 超过1 000 m 1960年前，西德平均开采深度已经达650 m，1987年 已将近达900 m 原苏联在20世纪80年代末就有一半以上产量来自600 m以下深部,深部开采岩体力学研究及其进展,1.

4、引言,国外矿产资源的开采已经进入深部开采阶段 国外开采超千米深的金属矿山有80多座 南非绝大多数金矿的开采深度大都在1 000 m以下 Anglogold有限公司的西部深井金矿，采矿深度达 3700m West Driefovten金矿矿体赋存于地下600 m，并一直 延伸至6 000 m以下 印度的Kolar金矿区，己有三座金矿采深超2 400 m，其中钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段，总深3 260 m,深部开采岩体力学研究及其进展,1.引言,深部开采岩体力学研究及其进展,1.引言,图2 国外矿山开采深度变化情况,随着开采深度的不断增加，呈现地质环境更加 复杂，地应力增大、涌水量加大、地温

5、升高导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加，如 矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现加剧、巷 道围岩大变形、流变、低温升高等对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁,深部开采岩体力学研究及其进展,1.引言,2 国内外研究现状,深部开采岩体力学研究及其进展,深部开采工程岩石力学主要是指在进行深部 资源开采过程中而引发的与巷道工程及采场 工程有关的岩石问题 目前深部资源开采过程中所产生的岩石力学 问题已成为国内外研究的焦点,2 国内外研究现状,1983年，原苏联的权威学者就提出对超过1 600 m深（煤）矿 井开采进行专题研究 当时的西德还建立了特大型模拟试验台，专门对1 600 m深矿 井的三维矿压问题

6、进行了模拟试验研究 近二十年来，国内外学者在岩爆预测、软岩大变形机制、隧道 涌水量预测及岩爆防治措施(改善围岩的物理力学性质、应力解 除、及时施作锚喷支护、合理的施工法等)、软岩防治措施(加强 稳定掌子面、加强基脚及防止断面挤入、防止开裂的锚、喷、支，分断面开挖等)等各方面进行了深入的研究，取得了很大的 成绩。,深部开采岩体力学研究及其进展,南非政府、大学与工业部门密切配合，从1998年7 月开始启动了一个“Deep Mine”的研究计划，耗资 约合1.38亿美元，旨在解决深部的金矿安全、经 济开采所需解决的一些关键问题。加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为 期10年的两个深井研究计划

7、，在微震与岩爆的统计 预报方面的计算机模型研究，以及针对岩爆潜在区 支护体系和岩爆危险评估等进行了卓有成效的探讨 美国Idaho大学、密西根工业大学及西南研究院就此 展开了深井开采研究，并与美国国防部合作，就岩爆 引发的地震信号和天然地震或化爆与核爆信号的差异 与辨别进行了研究,深部开采岩体力学研究及其进展,2 国内外研究现状,2.1 深部岩石的变形性质(深部岩体的脆延转化),岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性 在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高 围压下转化为延性 自vonkarman（1911）首先用大理岩进行 不同围压条件下的力学实验以来，人们针 对围压队岩石力学性质的影响进行了大量

8、实验研究,深部开采岩体力学研究及其进展,2.1 深部岩石的变形性质(深部岩体的脆延转化),岩石脆延转化临界条件的诸多成果还来自于地壳 岩石圈动力学中 压力和温度达到一定条件时，岩石即发生脆延转 化，存在转化深度的概念 岩石性质与深度有关，当摩擦强度与蠕变强度相 等时岩石即进入延性变形状态 地球岩石圈各种强度的推测曲线，发现在脆性向 延性转换深度上存在着很高的应力释放,深部开采岩体力学研究及其进展,2.1 深部岩石的变形性质(深部岩体的脆延转化),脆延转化是岩石在高温和高压作用下表现出的一 种特殊的变形性质 如果说浅部低围压下岩石破坏仅伴有少量甚至完 全没有永久变形的话，则深部高围压下岩石的破

9、坏往往伴随着较大的塑性变形 目前的研究大多数集中在脆延转化的判断标准上，而对于脆延转化德机理却研究较少 目前还没有比较成熟的成果,深部开采岩体力学研究及其进展,2.1 深部岩石的变形性质(深部岩石的流变特性),在深部高应力环境中，岩石具有强时间效应，表现为 明显的流变或蠕变 在研究核废料处置时，研究了核废料储存库围岩的长 期稳定性和时间效应问题 优质硬岩不会产生较大的流变 南非深部开采实践表明，深部环境下硬岩同样会产生 明显的时间效应 对于软岩巷道，研究者用岩体的承载因子(即岩体强度 和地应力的比值)来衡量巷道围岩的流变性,深部开采岩体力学研究及其进展,2.1 深部岩石的变形性质(深部岩石的流

10、变特性),岩石在高应力和其他不利因素的共同作用下，其蠕变 更为显著 即使质地非常坚硬的花岗岩，在长时微破裂效应考核 地下水力诱致应力腐蚀的双重不利因素作用下，同样 会对存贮库近场区域的岩石强度产生很大的削弱作用 蠕变的发生还与岩体中微破裂导致的岩石剥离有关，根据瑞典Forsmark核废料候选址的观测记录以及长时 蠕变准则的推测，预计该硐库围岩经历1000a后，岩 石剥落波及的深度将达到3m,深部开采岩体力学研究及其进展,深部开采岩体力学研究及其进展,在单轴压缩实验中观测到岩石破裂前出现体积增 大现象 在围压下同样也观测到了扩容现象 随着围压的增大，扩容的数值会降低 在低围压下，岩石往往会在低于

11、峰值强度时产生 扩容现象 在高围压下，岩石扩容现象不明显甚至完全消失,2.1 深部岩石的变形性质(深部岩石的扩容性质),2.2 深部岩石的强度和破坏特征,研究表明，总体上岩石的强度随深度的增加而有所提高。如 有的矿区从深度小于600m变化到8001000m时，强度为 2140MPa的岩石 所占的比重从30%减少到24%，而强度为 81100MPa岩石的比重则从5.5%增加到24.5%，并且岩石 更脆，更容易发生岩爆 根据大量实验数据，总结了在非常高的侧向应力（高达 700MPa）下的岩石强度准则，提出了一个非线性的强度准 则 根据实验发现，在200280和不同围压的条件下，花岗岩 具有较低的强

12、度值 提出了地壳强度结构的圣诞树模型，合理解释了大陆地壳多 震层的成因,深部开采岩体力学研究及其进展,2.2 深部岩石的强度和破坏特征,随着开采深度的增加，岩石破坏机理也随之转化，由 浅部的脆性能或断裂韧度控制的破坏转化为深部开采 条件下由侧向应力控制的断裂生长破坏 实际上就是由浅部的动态破坏转化为深部的准静态破 坏 由浅部的脆性力学响应转化为深部的潜在的延性行为 力学响应。与此观点相反，有些人则认为深部岩体的破坏更多地 表现为动态的突然破坏，即岩爆或矿震,深部开采岩体力学研究及其进展,2.3 深部岩石的破碎诱导机理,在深井开采中，坚硬矿岩出现的“好凿好爆”现象给人们重要启示，这种现象应该是高

13、应力所致。因此，在深部开采中，如何有效地预防和抑制由高应力诱发的岩爆等灾害性事故发生的同时，又充分利用高应力与应力波应力场叠加组合高效率的破裂矿岩，应成为深部开采中一大迫切需要研究的课题。,深部开采岩体力学研究及其进展,纵观国内外的研究，我们发现，至今为止人们还没有重视对于在高应力状态下的岩石的动态特性与碎裂机理的研究。有限的研究也主要限制在脆性材料在高应力与应力脉冲组合下的理论分析上。,3 深部开采与浅部的区别(三高一扰动),高地应力 进入深部开采以后，仅重力引起的垂直原岩应力通常就超过工程岩体的抗压强度(20 MPa)，而由于工程开挖所引起的应力集中水平则更是远大于工程岩体的强度(40 M

14、Pa)。同时，据已有的地应力资料显示，深部岩体形成历史久远，留有远古构造运动的痕迹，其中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。据南非地应力测定，在3 5005 000 m之间，地应力水平为95135 MPa。如此高的应力状态下进行工程开挖，确实面临严峻挑战。,深部开采岩体力学研究及其进展,3 深部开采与浅部的区别(三高一扰动),高地温 根据量测，越往地下深处，地温越高。地温梯度一般为3050/km不等，常规情况下的地温梯度为30/km。有些地区如断层附近或导热率高的异常局部地区，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

15、力学、变形性质与普通环境条件下具有很大差别。地温可以使岩体热胀冷缩破碎，而且岩体内温度变化1 可产生0.40.5 MPa的地应力变化。岩体温度升高产生的地应力变化对工程岩体的力学特性会产生显著的影响。,深部开采岩体力学研究及其进展,3 深部开采与浅部的区别(三高一扰动),高岩溶水压 进入深部以后，随着地应立即低温的升高，同时将会伴随着岩溶水压的升高，在采深大于1 000 m的深部，其岩溶水压将高达7 MPa，甚至更高。岩溶水压的升高，使得矿井突水灾害更为严重。,深部开采岩体力学研究及其进展,3 深部开采与浅部的区别(三高一扰动),采矿扰动 采矿扰动主要是指强烈的开采扰动。进入深部开采后，在承受

16、高地应力的同时，大多数巷道要经受硕大的回采空间引起强烈的支承压力作用，使受采动影响的巷道围岩压力数倍、甚至近十倍于原岩应力，从而造成在浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部却可能表现出软岩大变形、大地压、难支护的特征；浅部的原岩体大多处于弹性应力状态，而进入深部以后则可能处于塑性状态，即有各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超过岩石的强度，造成岩石的破坏。,深部开采岩体力学研究及其进展,4 深部开采工程岩体力学特性,深部开采岩体力学研究及其进展,图 深部岩体地质力学特点,4 深部开采工程岩体力学特性,深部工程岩体产生冲击地压、岩爆、瓦斯突出、流变、底板突水等非线性力学现象的原因，归根结底是由于深部岩

17、体因其所处的地球物理环境的特殊性和应力场的复杂性所致。受其影响，深部岩体的受力及其作用过程所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统(虽然由于地质条件的复杂性也含有非线性力学问题)，而是非线性力学系统，其稳定性控制的难点和复杂性在于不再含有线性问题。,深部开采岩体力学研究及其进展,4 深部开采工程岩体力学特性,深部开采岩体力学研究及其进展,深部岩体与浅部岩体的受力特点对比,围岩应力场的复杂性,浅部巷道围岩状态通常可分为松动区、塑性区和弹性区三个区域，其本构关系可以采用弹塑性力学理论进行推导求解。然而，研究表明，深部巷道围岩产生膨胀带和压缩带，或称为破裂区和未破坏区，交替出现的情形，且其

18、宽度按等比数列递增，这一现象被称为区域破裂现象(据E.I.Shemyakin)。现场实测研究也证明了深部巷道围岩变形力学的拉压域复合特征。因此，深部巷道围岩的应力场更为复杂。,深部开采岩体力学研究及其进展,围岩的大变形和强流变性特性,研究表明，进入深部后岩体变形具有两种完全不同的趋势，一种是岩体表现为持续的强流变特性，即不仅变形量大，而且具有明显的“时间效应”，如煤矿中有的巷道20余年底臌不止，累计底臌量达数十米。通过南非金矿深部围岩的流变性进行了系统研究，发现其围岩流变性十分明显，巷道围岩最大移近速度达500 mm/月。另一种是岩体并没有发生明显变形，但十分破碎，处于破裂状态，按传统的岩体破

19、坏、失稳的概念，这种岩体已不再具有承载特性，但事实上，它仍然具有承载和再次稳定的能力，借助这一特性，有些巷道还特地将其布置在破碎岩(煤)体中，如沿空掘巷。,深部开采岩体力学研究及其进展,动力响应的突变性,浅部岩体破坏通常表现为一个渐进过程，具有明显的破坏前兆(变形加剧)。而深部岩体的动力响应过程往往是突发的、无前兆的突变过程，具有强烈的冲击破坏特性，宏观表现为巷道顶板或周边围岩的大范围的突然失稳、坍塌。,深部开采岩体力学研究及其进展,深部岩体的脆性延性转化,试验研究表明，岩石在不同围压条件下表现出不同的峰后特性，由此，最终破坏时应变值也不相同。在浅部(低围压)开采中，岩石破坏以脆性为主，通常没

20、有或仅有少量的永久变形或塑性变形；而进入深部开采以后，因在“三高一扰动”作用下，岩石表现出的实际就是它的峰后强度特性，在高围压作用下岩石可能转化为延性，破坏时其永久变形量通常较大。因此，随着开采深度的增加，岩石已由浅部的脆性力学响应转化为深部潜在的延性力学响应行为。,深部开采岩体力学研究及其进展,深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性,浅部资源开采中，矿井水主要来源是第四系含水层或地表水通过采动裂隙网络进入采场和巷道，水压小，渗水通道范围大，基本服从岩体等效连续介质渗流模型，涌水量也可根据岩体的渗透率张量进行定量估算，因此，突水预测预报尚具可行性。而深部的状况却十分特殊，首先，随着采深加大，承压水位高，

21、水头压力大；其次，由于采掘扰动造成断层或裂隙活化，而形成渗流通道相对集中，矿井涌水通道范围窄，使奥陶系岩溶水对巷道围岩和顶底板形成严重的突水灾害。另外，突水往往发生在采掘活动结束后的一段时间内，具有明显的瞬时突发性和不可预测性。,深部开采岩体力学研究及其进展,5 深部开采工程灾害表现形式,由于深部岩石力学行为具有明显区别于浅部岩石力学的重要特征，再加上赋存环境的复杂性，致使进入深部开采后以岩爆、突水、顶板大面积来压和采空区失稳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，频度上提高，成灾机理更加复杂。深部工程灾害主要表现为以下六大灾害形式。,深部开采岩体力学研究及其进展,（1）岩爆

22、频率和强度均明显增加,有关统计资料表明，岩爆多发生在强度高、厚度大的坚硬岩(煤)层中，主要影响因素包括煤层顶底板条件、原岩应力、埋深、煤层物理力学特性、厚度及倾角等。目前的统计资料显示，尽管在极浅的硬煤层中(深度小于100 m，有的甚至在3050 m)也有发生岩爆的记载，但总的来看，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。,深部开采岩体力学研究及其进展,（2）采场矿压显现剧烈,随着采深的增加引起的覆岩自重压力的增大和构造应力的增强，表现为围岩发生剧烈变形、巷道和采场失稳、并易发生破坏性的冲击地压，给顶板管理带来许多困难。,深部开采岩体力学研究及其进展

23、,（3）突水事故趋于严重,自1984年6月2日开滦矿务局范各庄矿发生井下岩溶陷落柱特大突水灾害以来，先后在淮北杨庄矿、义马新安矿、峰峰梧桐矿、皖北任楼矿、徐州张集矿又相继发生特大型奥灰岩岩溶突水淹井事故，初步估计，经济损失超过27亿元，同时产生了若干地质环境负效应。,深部开采岩体力学研究及其进展,（4）巷道围岩变形量大、破坏具有区域性,与浅部一样，深部巷道支护的目的仍是尽量保持围岩的完整性以及避免破碎岩体进一步产生位移。深部开采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，致使巷道围岩压力大，巷道支护成本增加。据煤炭行业的有关资料，近10年巷道支护成本增加了1

24、.4倍，巷道翻修量占整个巷道掘进量的40%。,深部开采岩体力学研究及其进展,（5）地温升高、作业环境恶化,深部开采条件下，岩层温度将达到摄氏几十度的高温，如俄罗斯千米平均地温为3040，个别达52，南非某金矿3 000 m时地温达70。地温升高造成井下工人注意力分散、劳动率减低，甚至无法工作。,深部开采岩体力学研究及其进展,（6）瓦斯涌出量增大,随着煤矿采深的增加，瓦斯含量迅速增加，并造成瓦斯灾害事故的频繁发生。近年来，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡10人以上的煤矿事故70%出现在中国采深600 m以下的矿区。在另一方面，深部煤层处于较高的温度环境下，更易引起煤层的自燃发火、触发矿井火灾、瓦斯爆

25、炸事故的发生。,深部开采岩体力学研究及其进展,6 矿井深部开采六个转型,浅部开采时所确定的矿井类型，由于进入深部开采之后地质力学环境的改变和力学性质的转化，矿井的类型也发生转变。在矿井转型期间，人们的思想尚未认知，特别容易发生事故。因此，转型期将(已)是事故多发期。矿井转型主要表现在以下六个方面。,深部开采岩体力学研究及其进展,（1）硬岩矿井向软岩矿井的转化,浅部原岩体多数处于弹性应力状态，但进入深部以后，在高地应力以及采掘扰动力等的作用下，浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部可能表现出大变形、难支护的软岩特征，即矿井由浅部的硬岩矿井转化为软岩矿井。,深部开采岩体力学研究及其进展,（2）低瓦斯矿井

26、向高瓦斯矿井的转变,浅部开采条件下，由于煤层中瓦斯气体运移通道较通畅，通过上部岩体裂隙和煤层露头可以进行散发，进行井下煤炭开采时，矿井内部积聚的瓦斯较少，为低瓦斯矿井。在深部开采的条件下，由于瓦斯运移通道不畅通，大量的瓦斯气体非均匀地分布在煤岩体的裂隙和空隙之间，在井下施工过程中，释放到巷道或工作面内，从而造成瓦斯气体含量急剧增大，使矿井在深部转变为高瓦斯矿井。,深部开采岩体力学研究及其进展,（3）非突矿井向突出矿井的转变,在深部高应力作用下，煤层内瓦斯气体压缩达到极限，煤岩体中积聚了大量的气体能量，由于工程扰动的作用，造成压缩气体的突然、急剧、猛烈释放，导致工作面或巷道的煤岩层结构瞬时破坏而

27、产生煤与瓦斯突出，从而使浅部不存在煤与瓦斯突出倾向的非突矿井，进入深部以后转变为煤与瓦斯突出灾害频发的突出矿井。另外，在高承压水的作用下，煤岩层内部积聚了大量的液体能量，当能量聚集到一定程度，在开挖扰动作用或工作面回采过程中巷道的顶底板向采掘临空区发生突然倾出，就会造成突水事故的发生，从而使浅部不产生突水灾害的非突矿井，进入深部后转变为水害频发的突出矿井。,深部开采岩体力学研究及其进展,（4）非冲矿井向冲击矿井的转变,在浅部开采条件下，由于工程围岩所承受的应力荷载主要为自重应力，一般不会产生冲击地压。进入深部以后，地质构造变得复杂、自重应力增大，煤岩体积聚了大量的固体能量，在深部地应力、构造应

28、力以及工程扰动的作用下，使得积聚的能量大于矿体失稳和破坏所需要的能量，造成整个煤岩系统失去结构稳定性，发生冲击地压。从而使得浅部没有冲击倾向性的非冲矿井，进入深部后转变为冲击地压频发的冲击矿井。,深部开采岩体力学研究及其进展,（5）低渗透压矿井向高渗透压矿井的转变,浅部开采时，由于水压小、渗水通道范围大，不易出现岩溶突水。进入深部以后，由于承压水位高、渗流通道相对集中，从而造成开挖后瞬时岩溶突水。此时，矿井由浅部的低渗透压矿井转变为高渗透压矿井，容易发生矿井突水灾害。,深部开采岩体力学研究及其进展,（6）低温矿井向高温矿井的转变,恒温带以下(约地表下2030m)，岩层的温度将以3C/100m的

29、梯度上升，最高可达4C/100m。浅部开采时，由于岩层温度较低，井下工作环境温度一般在国家规定的26C范围以内。深部开采条件下，岩层温度将达到摄氏几十度的高温，如徐州矿务集团6个千米以下矿井平均地温为45C左右，工作环境温度达到3538C。从而使得矿井由低温矿井转变为高温矿井，造成井下工作环境极为恶劣。,深部开采岩体力学研究及其进展,7 深部开采十大理论问题,由于深部工程所处的复杂地质力学环境及其工程岩体力学特性的特殊性;深部岩体力学研究重点将集中于以下十大理论问题。,深部开采岩体力学研究及其进展,（1）深部工程岩体的力学特性,深部“三高一扰动”的复杂环境，使深部岩体的组织结构、基本行为特征和

30、工程响应均发生根本性变化，也是导致深部开采中灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所在。因此，深部岩体长期处于“三高”环境下，由于采掘扰动所及多场的耦合作用下表现出的特殊力学行为是深部资源开采所面临的核心科学问题。,深部开采岩体力学研究及其进展,（2）深部工程岩体的连续性问题,基于浅部开采条件下建立起来的变形体力学理论都遵循一个基本假定，即物体是连续的，也就是假定整个物体的体积都被组成这个物体的物质微元连续分布占据。在此前提下，物体运动的一些物理量，如应力、形变、位移等才可能是连续变化的，才能用坐标的连续函数来表示它们的变化规律。但是，在深部工程中，上述定义的极限情况实际上是不存在的。因为岩石到

31、晶粒尺寸范围，已出现不连续性，而趋于比晶粒或分子间距小的某一值。理论上的应力是某点的应力，物质世界的应力都是某一微元的平均应力，且岩体本身包含有许多微裂隙、空穴、节理，材料组织具有非均匀非连续性。这就表明，在深部岩体力学领域，不能原封不动地借用经典理论力学的连续性假设和定义，用连续介质力学理论来分析高度非连续介质的深部岩体力学问题，必须考虑各物理量的适用定义。,深部开采岩体力学研究及其进展,（3）深部工程岩体的本构关系及参数确定方法,浅部开采条件下岩石本构关系研究方法可概括为三类：经典唯象学方法、反分析经典力学方法和正演分析经典力学方法。实践证明，局限于原始的经典唯象学研究方法和经典力学研究方

32、法都不能够从根本上解决深部工程岩体的本构关系问题。因为深部工程的研究对象是大尺度范围下的工程岩体，在漫长的地质历史过程中，经历了多次地质构造应力场的作用和改造，节理裂隙渐趋发育，岩体损伤程度愈趋加强，在“三高一扰动”的复杂环境下，深部工程岩体的本构关系既不是岩块的本构关系，也不是岩体结构面的本构关系。结构面和岩块在空间是一定组合状态，又在地下水等复杂因素影响之下，所表现出来的应力应变之间的关系，其规律非常复杂。针对这样一个工程模型，简单的借用经典力学的理论方法去理解和研究是不合适的，必须从深部开采工程的角度去研究，重新建立工程岩体的本构关系，解决岩体参数确定问题。,深部开采岩体力学研究及其进展

33、,（4）深部工程岩体的强度确定方法,在浅部开采条件下，由于所处的地应力水平比较低，其工程岩体强度一般采用岩块的强度即可，即在实验室对岩块进行加载直至破坏所确定的强度。而在深部开采条件下，由于地应力水平比较高，工程开挖后，工程岩体在高围压作用下，一个或两个方向上应力状态的改变所表现出的强度变化，并不是简单的表现在受拉或受压，而是复杂的拉压复合状态，即径向产生卸载，而切向产生加载，因此，其工程岩体强度就不能简单的用岩块强度来确定，必须建立符合深部开采特点的工程岩体拉压复合强度确定理论。,深部开采岩体力学研究及其进展,（5）深部工程岩体的强度破坏准则,实验室研究表明，岩石在不同围压下表现出不同的峰后

34、特性，在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高围压下转化为延性(ductile)，岩石破坏时在不同的围压水平上表现出不同的应变值，当岩石发生脆性破坏时，通常没有或仅伴有少量的永久变形或塑性变形，当岩石呈延性破坏时，其永久应变通常较大。这就说明如果浅部低围压下岩石破坏仅有少量永久变形的话，则深部高围压条件下岩石的破坏往往伴随有较大的明显的永久变形。因此，传统的浅部岩体强度破坏准则已无法适用于深部工程岩体，必须建立适合深部“三高一扰动”复杂环境下的深部工程岩体的强度破坏准则。,深部开采岩体力学研究及其进展,（6）深部岩体结构的唯一性问题,一般说来，岩体力学理论将岩体结构分为整体结构、块状结构、层状结构

35、、碎裂结构和散体结构。划分的依据是建立在对结构面、结构体形成过程和所具备特性研究的基础上，根据结构面发育程度和特性、结构体组合排列和接触状态，深入探讨他们的工程地质特性和在工程作用下不同岩体的不同反映。但是，在深部开采工程中，由于工程规模或尺寸的变化，岩体的结构也是相对的，因此，必须针对深部工程岩体所表现出的工程地质力学特性建立岩体结构类型划分参考系，从而合理确定深部工程岩体结构。,深部开采岩体力学研究及其进展,（7）深部工程岩体的大变形问题,从深部工程岩体所表现出的变形力学特性来看，其工程岩体力学问题是大变形问题，如巷道的底臌、收帮等，它们有的为几十厘米，有的达到几米。目前沿用的弹塑性理论虽

36、然考虑了材料的物理非线性问题，但严格地从几何理论角度看，仍然是小变形近似理论。因此，用小变形假设为前提的弹塑性理论来解决深部工程岩体大变形问题显然是不合适的。,深部开采岩体力学研究及其进展,（8）深部工程岩体的非线性力学设计方法,在浅部开采条件下，由于工程围岩所处的力学环境比较简单，因此，在进行稳定性控制设计时，采用传统的线性设计理论即可奏效。而在深部“三高一扰动”的特殊地质力学环境下，深部工程岩体表现出明显的非线性力学特性，进入深部的工程岩体所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统，而是非线性力学系统，这就使得在进行稳定性控制设计时，就不能简单的采用一次线性设计，而必须考虑采用先进

37、行变形设计，在进行强度设计的二次以至更复杂的多次非线性大变形力学稳定性控制设计理论。,深部开采岩体力学研究及其进展,（9）深部巷道工程岩体的荷载计算方法,浅部工程围岩所属的线性力学系统决定了其巷道工程岩体的荷载计算采用参数计算方法即可。而深部工程岩体所属非线性力学系统决定深部巷道工程施工过程中会表现出明显的过程相关性，即不同的卸(加)载顺序将会产生不同的围岩损伤、变形结果，因此，必须从深部工程岩体的非线性力学特性出发，以确定合理的工程卸(加)载顺序为基础，建立起深部巷道工程岩体的荷载计算模型，并推导出相应的计算公式，从而确定合理的、安全的、经济的支护强度，保证深部巷道工程岩体的稳定性。,深部开

38、采岩体力学研究及其进展,（10）深部工程岩体的稳定性及灾害控制对策,在浅部开采条件下，由于所处的地应力水平比较低，工程开挖后，围岩一般不会产生破坏，因此，采用一次支护即可实现工程的稳定性。而深部开采条件下，工程开挖后，在高于工程围岩强度的围压作用下，工程围岩就会产生破坏，此时采用简单的一次支护就不能满足工程稳定性要求，必须采用二次支护或多次支护才能实现工程的稳定性。因此，由浅部建立起来的稳定性控制理论已不再适合，必须建立适合深部开采工程的二次(支护)稳定性控制理论。,深部开采岩体力学研究及其进展,8 结 语,深部煤炭资源是21世纪我国主体能源的后备储量，进行深部开采工程岩石力学基础理论研究势在

39、必行。“三高一扰动”的复杂环境，使深部开采遇到了岩爆、突水、瓦斯爆炸等地质灾害，其成灾机理及控制技术是采矿工程领域面临的挑战性、高难度课题。与一般地表工程不允许进入塑性破坏状态不同，深部开采力学问题是研究开采围岩破坏后与支护系统相互作用达到二次稳定的复杂力学问题，而这种力学问题直接与采场工作人员的生命息息相关。,深部开采岩体力学研究及其进展,8 结 语,虽然目前对于深部开采工程研究已取得了一部分成果，总的来看，侧重技术、注重个案，深层次的基础研究重视不够，特别是由于“三高一扰动”的特殊地质力学环境，深部工程岩体表现出明显的非线性力学特性，进入深部的工程岩体所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统，而是非线性力学系统，传统理论、方法与技术已经部分或全部失效。因此，大力开展深部开采工程岩石力学基础理论研究，不仅能为深部资源开发提供可靠的理论基础，而且能为我国经济可持续发展和国家安全战略的实施提供能源和资源保证。,深部开采岩体力学研究及其进展,谢 谢！,深部开采岩体力学研究及其进展,