A070301 深部开采岩体力学及工程灾害控制研究Word版.doc

深部开采岩体力学及工程灾害控制研究何满潮1, 2 谢和平1 彭苏萍1 姜耀东1【1.中国矿业大学(北京)，北京 100083；2.中国地质大学(北京)，北京 100083】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 ------------------------------------------1 引 言地下能源与矿产资源的有效、稳定开发和利用是保持国民经济持续发展和国家经济安全战略实施的重要保障。

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态在煤炭资源开采方面，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%而我国埋深在1 000m以下的煤炭资源为2.95万亿t，占煤炭资源总量的53%[1]根据目前资源开采状况，我国煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加，东部矿井正以每10年100～250m的速度发展[2-3]近年来己有一批矿山进入深部开采阶段其中，在煤炭开采方面，沈阳采屯矿开采深度为1197 m、开滦赵各庄矿开采深度为1159m、徐州张小楼矿开采深度为1100m、北票冠山矿开采深度为1059m、新汶孙村矿开采深度为1055m、北京门头沟开采深度为1008m、长广矿开采深度为1000m可以预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000～1500m的深度我国国有重点煤矿平均采深变化趋势如图1所示整理为word格式图1 我国国有重点煤矿平均采深变化趋势在其他矿产资源开采方面，随着需求量的不断增长，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8000万t/年，在我国已探明的45种主要矿产中，到2010年可满足需求的只有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t，其保证度只有62%，铜的需求量220万t，保证度只有57%[4]。

目前，大批金属与有色金属矿山已转入深部开采，红透山铜矿目前开采己进入900～1100m深度，冬瓜山铜矿现已建成2条超1000m竖井来进行深部开采，弓长岭铁矿设计开拓水平750m，距地表达1000m，夹皮沟金矿二道沟坑口矿体延深至1050m，湘西金矿开拓38个中段，垂深超过850m此外，还有寿王坟铜矿、凡口铅钵矿、金川镍矿、乳山金矿等许多矿山都将进行深部开采预计将有2/5的地下矿山在3～5年后转入深部开采，在今后10～20年内，我国金属和有色金属矿山将进入1000～2000m深度开采而国外地下矿产资源的开采已经进入深部开采阶段据不完全统计[5－9]，国外开采深度超千米的金属矿山有80多座，其中最多为南非南非绝大多数金矿的开采深度大都在1000m以下其中，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600m，并一直延伸至6000m以下印度的Kolar金矿区，己有三座金矿采深超2400m，其中钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段，总深3260m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910m，开拓深度到1570m，将来要达到2000～2500m。

另外，加拿大、美国、澳大利亚一些有色金属矿山采深亦超过1000m国外一些主要产煤国家从20世纪60年代就开始进入深井开采1960年前，西德平均开采深度已经达650m，1987年已将近达900m；原苏联在20世纪80年代末就有一半以上产量来自600m以下深部国外深部工程开采现状如图2所示整理为word格式图2 国外深部工程开采现状随着开采深度的不断增加，地质环境更加复杂，地应力增大、涌水量加大、地温升高，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、地温升高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁2 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, 10～17]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、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，取得了重要成果目前该领域的研究主要进展有以下几个方面2.1 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(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整理为word格式[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3m[41]3）深部岩石的扩容性质整理为word格式文[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，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800～1000m时，强度为21～40MPa的岩石所占的比重从30%减少到24%，而强度为81～100MPa岩石的比重则从5.5%增加到24.5%，并且岩。