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1、 岩体力学在深井开采 摘 要 ： 深部开采工程中产生的岩石力学问题是目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点，国内外学者通过理论研究、室内及现场实验研究取得了大量的成果。本文结合笔者的研究工作，总结分析了深部开采与浅部开采岩体工程力学特性的主要区别，主要表现在“三高一扰动”的恶劣环境、五个力学特性转化特点、四个方面的矿井转型、六大灾害表现形式。针对深部工程所处的特殊地质力学环境，通过对深部工程岩体非线性力学特点的深入研究，指出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相当大部分失效，深入进行深部工程岩体的基础理论研究已势
2、在必行。 关键词 岩石力学 深部开采 三高一扰动 工程特性 灾害控制 一 .国内外研究现状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力学问题。而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1, 2, 4, 1017。早在20世纪80年代初，国外已经开始注意对深井问题的研究。1983年，原苏联的权威学者就提出对超过1600m的深(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1600m深矿井的三维矿压问题进行了模拟试验研究。1989年岩石力学学会曾在法国召开“深部岩石力学”问题国际会议，并出版了相关的专著。
3、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、及时进行锚喷支护施工、合理的施工方法等)、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。一些有深井开采矿山的国家，如美国、加拿大、澳大利亚、南非，波兰等，政府、工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结合深部开采相关理论和技术开展基础问题的研究。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、
4、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，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的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。西澳大利亚大学在深井开采方面也进行了大量工作。近些年来，随着我国国民经济和科学技术的发展，复杂地质条件下一些长深铁路、公路隧道的修建，深部开采事故的预防应用和发展了许多先进的科学技术和理论，在软岩支护、岩爆防治、超前探测、信息
5、化施工等方面，隧道工程部门、中国矿业大学、中南大学、东北大学、重庆大学、同济大学、西南交通大学等进行了大量的研究和实践，积累了丰富的实践经验，具有开展相关研究的基础与条件。“九五”期间，中国矿业大学在深部煤矿开发中灾害预测和防治研究、武汉岩土所在峒室优化及稳定性研究、中南大学千米深井岩爆发生机理与控制技术研究、北京科技大学抚顺老虎台矿开采引发矿震的研究等都做了许多有益工作，取得了重要成果。二 .目前该领域的研究主要进展有以下几个方面。 深部岩石的变形性质 （1）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von Karman(
6、1911)首先用大理岩进行不同围压条件下的力学实验以来，人们针对围压对岩石力学性质的影响进行了大量实验研究。文18在室温下对大理岩进行了实验，证明了随着压力增大岩石变形行为由脆性向延性转变的特性。文19，20发表过类似的实验结果，并指出脆延转化通常与岩石强度有关。文21也曾获得过类似的结论，但对于诸如花岗岩和大理岩这类岩石，在室温下即使围压达到1000 MPa甚至以上时仍表现为脆性。而有的现场观测资料表明，像花岗闪长岩这种极坚硬的岩石在长期地质力作用下也会发生很大延性变形。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，通常不伴有或仅伴有少量的永久变形或塑性变形，当岩石呈
7、延性破坏时，其永久应变通常较大，因此，文22，23用岩石破坏时的应变值作为脆延转化判别标准。文24根据亚洲、欧洲、美洲和非洲的101个砂岩试件的实验数据，对岩石的脆延转化规律进行了深入研究，系统分析了脆延转化临界条件，并研究了脆延转化过程中的过渡态性质，文25认为过渡态中，通常具有脆性破坏的特征，也具有延性变形的性质。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，普遍认为，随着深度的增加当岩层中压力和温度达到一定条件时，岩石即发生脆延转化，所以存在转化深度的概念，当然该深度还与岩石性质有关。文26，27认为当摩擦强度与蠕变强度相等时岩石即进入延性变形状态。文28给出了地球岩石圈各种
8、强度的推测曲线，文29，30还发现在脆性向延性转换深度上存在着很高的应力释放。总之，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，则深部高围压条件下岩石的破坏往往伴随有较大的塑性变形，目前的研究大多集中在脆延转化的判断标准上，而对于脆延转化的机理却研究较少，还没有比较成熟的成果。（2）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。文31，32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。一般认为，优质硬岩不会产生较大的流变，但南非深部开采实践表明，深部环境下硬
9、岩同样会产生明显的时间效应33，34。对于软岩巷道，文35提出了一个非常简单的参数岩体的承载因子(即岩体强度和地应力的比值)来衡量巷道围岩的流变性。文36讨论了该参数的适用范围，文37通过对大量日本的软岩巷道调查后发现，发生明显流变的巷道围岩承载因子都小于2。该结论是针对典型软岩如泥岩、凝灰岩、页岩和粉砂岩等得出的，且埋深都小于400m，该准则是否适用于深部硬岩目前尚无定论。文33，34，38，39系统研究了南非金矿深部硬岩的流变性，发现高应力导致围岩流变性十分明显，支护极其困难，巷道最大收缩率曾达到了500mm/月的水平39。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，这种情况在
10、核废料处置中十分普遍。例如，质地非常坚硬的花岗岩，在长时微破裂效应和地下水力诱致应力腐蚀(water induced stress corrosion)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40。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核废料候选场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1000年后，岩石剥落波及的深度将达到3m41。（3）深部岩石的扩容性质文42首次在单轴压缩实验中观测到岩石破裂前出现体积增大现象，文43在围压下同样也观测到了扩容现象，不过，随着围压的增大，扩容的数值会降低。文24的实验进一步表明，
11、在低围压下，岩石往往会在低于峰值强度时由于内部微裂纹张开而产生扩容现象，但在高围压下，岩石的这种扩容现象不明显甚至完全消失。2.2 深部岩石的强度和破坏特征研究表明44，45，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。文23根据大量实验数据，总结了在非常高的侧向应力(高达700 MPa)下的岩石强度准则，提出了一个非线性的岩石强度准则。文46根据实验发现，在200280 和不同围压的条件下，花
12、岗岩具有较低的强度值，据此，他们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。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，更进一步，实际上就是由浅部的动态破坏转化为深部的准静态破坏，以及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47。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48。深部开采中，不仅岩爆的发生与岩层的运动速率存在十分明显的关系，且岩爆的强度与震级也与岩层的运动速率有关49。因此，目前预报岩爆的重要参数就是岩层的位移和运动速率。另外
13、，深部开采引起的开采沉陷极有可能成为岩爆的诱因，同时地质结构面(弱面)的活化也可能导致岩爆，地质构造面附近的应力重新分布甚至有可能导致一系列的前震(foreshocks)，因此，深部矿井岩爆的空间分布和时间分布都十分复杂，且岩爆事件组成的时间序列很有可能不符合正态分布50。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，应成为深部开采中需要迫切研究的课题。近十几年来，国内外对岩石分别在高应力
14、状态和动荷载作用下的特性与响应做了一系列细致而深入的研究。以三轴实验仪为主要实验设备，对岩石在高应力状态下的物理特性与破坏进行了实验研究，利用细观力学、断裂力学以及损伤力学等现代理论，对岩石的本构特征、断裂破坏机理进行了理论与数值分析，从而对冲击地压、岩爆等物理现象有了本质的认识5153；另一方面，以霍布金逊压杆与轻气炮为主要冲击实验设备，对岩石在动荷载作用下高应变率段的动力参量与动力性质进行了实验研究，并从应力波理论的角度利用各种现代方法对岩石的动态本构特征、应力波在岩石中的传播与能量耗散以及界面边界效应等方面进行了理论分析推导与数值模拟，从而得到了一系列岩石动态破坏规律5458。纵观国内外
15、的研究，我们发现，至今为止还没有重视在高应力状态下的岩石动态特性与碎裂机理的研究59, 60。有限的研究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61。 三 .深部开采与浅部开采的区别深部开采与浅部开采的区别在于深部岩石所处的特殊环境，即“三高一扰动”的复杂力学环境。 “三高”主要是指高地应力、高地温、高岩溶水压。(1) 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远大于工程岩体的强度(40 MPa)。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
16、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35005000m之间，地应力水平为95135 MPa。(2) 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。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。岩体在超常规温度环境下，表现出的力学、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。(3) 高岩溶水压进入深部以后，随着地应力及
17、地温升高，同时会伴随岩溶水压的升高，在采深大于1000m时，其岩溶水压将高达7MPa，甚至更高。岩溶水压的升高，使得矿井突水灾害更为严重。3.2 采矿扰动采矿扰动主要指强烈的开采扰动。进入深部开采后，在承受高地应力的同时，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。四.深部开采工程岩体力学特性 深部工程岩体
18、的地质力学特性与浅部岩体相比，深部岩体是具有漫长地质历史背景、充满建造和改造历史遗留痕迹、并具有现代地质环境特点的复杂地质力学材料，如图3所示。图3 深部岩体地质力学特点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，是由于深部岩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，如表1所示。表1 深部岩体与浅部岩体的受力特点对比材料受力特点力学特点能量场特点
19、加载过程叠加原理工程设计方法地面建筑材料(砖)自重线性保守无关遵循参数设计浅部岩体自重&低地应力线性保守无关遵循深部岩体自重&高地应力非线性耗散场密切相关不遵循非线性力学设计4.2 深部工程岩体的工程力学特性进入深部后，受“三高一扰动”作用，深部工程围岩的地质力学环境较浅部发生了很大变化，从而使深部工程围岩表现出特有的力学特征，主要包括以下五个转化特点。（1）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，其本构关系可采用弹塑性力学理论进行推导求解62。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，且其宽度按等比数列递增，这一
20、现象被称为区域破裂现象(据E.I.Shemyakin)。现场实测也证明了深部巷道围岩变形力学的拉压域复合特征63。因此，深部巷道围岩的应力场更为复杂。（2）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，一是岩体表现为持续的强流变特性，不仅变形量大，而且具有明显的“时间效应”64，65，如煤矿中有的巷道20余年底臌不止，累计底臌量达数10m。文33，34，39对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。二是岩体并没有发生明显变形，但十分破碎，处于破裂状态，按传统的岩体破坏、失稳的概念，这种岩体已不再具
21、有承载特性，但事实上，它仍然具有承载和再次稳定的能力6567，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。（3）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48, 68, 69。（4）深部岩体的脆性延性转化试验研究表明18, 21, 23, 24，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，通常没有或仅有少量的永久变形或塑性变形
22、；而进入深部开采以后，因在“三高一扰动”作用下，岩石表现出峰后强度特性，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47。（5）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，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
23、，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。 五 . 深部开采工程灾害表现形式由于深部岩石力学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，程度加剧，频度提高，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。（1）岩爆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
24、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。（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。（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
25、计，经济损失超过27亿元，同时产生了若干地质环境负效应。（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表明，近10年巷道支护成本增加了1.4倍，巷道翻修量占整个巷道掘进量的40%。另外，浅部围岩在临近破坏时往往出现加速变形的现象，工程技术人员常常根据这一现象进行破坏之前的预测预报，且浅部围岩的破坏一般发生在局部范围内。而深部围岩在破坏之前几乎处于不变形状态，破坏前兆非常不明
26、显，使破坏预测预报十分困难，从而造成深部围岩的破坏往往是大面积的发生，具有区域性，如巷道大面积的冒顶垮落等。（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3000m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。（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600m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、瓦斯爆炸事故的
27、发生。 六 .深部开采四个矿井转浅部开采时所确定的矿井类型，进入深部开采后，由于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四个方面。（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。（2）低瓦斯矿井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，可通过上部岩体裂隙和煤层露头进行散发，
28、进行煤炭开采时，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。（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
29、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。（4）非冲击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
30、的冲击矿井。 七 .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为以下十大理论问题。（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。（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(连续体理论)都遵循一个基本假设，即物体是连续的，也就是假设整个物体的体积都被
31、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，必须考虑假设的合理使用范围和各物理量的适用定义。（3
32、）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
33、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。（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
34、符合深部开采特点的工程岩体拉压复合强度确定理论。（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。
35、（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、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。（7）深部工程岩体的大变形问题从深部工程岩体所表现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，
36、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是不合适的。（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。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
37、须考虑采用先进行变形设计，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。（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。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。（10）深部工程岩体的稳定性及灾
38、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。深部条件下，工程岩体在高地应力、地下水、瓦斯、温度等多场作用下稳定与非稳定变形，破坏状态及转化机理、条件和规律，掌握深部多相介质、多场耦合作用下工程灾害的频度、强度等特征，揭示深部工程灾害
39、诱发机理和成灾过程，并提出相应的预测方法及控制对策，对于解决随着开采深度的增加，以岩爆、突水、煤与瓦斯突出、顶板大面积来压和采空区失稳为代表的工程灾害防治问题具有重要意义。 八.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。虽然目前对于深部开
40、采工程研究已取得了部分成果，但对侧重技术、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。 参考文献 1.谢和平. 深部高应力下的资源开采现状、基础科学问题与展望A. 科学前沿与未来(第六集)C. 香山科学会议主编，北京：中国环境科学出版社，2002. 179191. 2.何满潮. 深部开采工程岩石力学的现状及其展望A. 第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集C. 中国岩石力学与工程学会主编，北京：科学出版社，2004. 8894. 3.晏玉书. 我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展趋势A. 何满潮主编：中国煤矿软岩巷道支护理论与实践C. 北京：中国矿业大学出版社，1996. 117.
