深部开采岩体力学研究

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，同内外学肯通过理论研究、室内及现场试验研究取得了大量的成果。总结分析了深部开采与浅部开采岩体工程力学特性的卜要区别，主要表现在“三高一扰动”的恶劣环境、5个力学特性转化特点、4个方面的矿井转型、6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仆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田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休的基础理论研究已势存必行。     

深井围岩破坏机理与稳定性分析

针对深部工程岩体在开采过程所表现出的非线性和动态演化力学行为,从岩石局部化变形机理和分岔行为角度出发,对深部工程岩体在开挖卸荷环境下的破坏机理进行初步探讨,有效的解释了深部工程岩体非线性力学破坏现象.并利用能量方法对深井围岩失稳机理进行了分析,为定性和定量地分析深井围岩系统的稳定性提供理论依据.     

深部岩体力学研究与探索

当今世界经济的迅速发展,地球浅部矿物资源逐渐枯竭,资源开发不断走向地球深部。目前煤炭开采深度已达1 500 m,地热开采深度超过3 000 m,有色金属矿开采深度超过4 350 m,油气资源开采深度达7 500 m,深部资源开采已成为常态。但是深部资源开发中常伴随着重大灾害事故,难以有效预测与防治,一方面说明深部岩体可能存在着完全异于浅部的力学本构行为,另一方面说明目前岩石力学理论发展已滞后于人类岩土工程实践活动,难以进行有效、科学指导,亟待探索和开拓。目前人们对超深部的岩石性质和行为还缺乏了解,一些基本概念和基本理论还尚未建立。深部是什么?多深算进入深部?浅部和深部有什么本质不同?经典力学理论能否描述超深部岩体力学行为?如何揭示深部岩体开发扰动影响下那"看不见,摸不到"的黑箱力学过程?深部环境(如地震地质环境、化学环境、热力学环境和微生物环境)如何对能源开发与存储、CO2与核废料地质处置等重大工程发生在岩石中的微观过程共同产生影响等等,这些重大的、基础性岩石力学科学问题亟待人们做出回答。从煤炭开采中的岩石力学问题研究入手,对以上深部岩体力学的一些共性的概念性和基础性问题进行探讨。指出深部静水压力是深部岩体应力状态的典型基本特征。深部不是深度,而是一种力学状态。发展有别于传统岩体力学的基于应力空间路径的采动岩体力学。提出将CT技术、3D打印技术和分形重构方法及应力冻结技术相结合的深部岩体力学的可视化研究手段,再现深部岩体在开发扰动下应力变化、裂隙演化、体积破裂、塑性失稳以及微观渗流等的力学行为和过程。这些工作将为深部岩体力学研究带来方法上的进步。     

围岩稳定的熵突变理论研究

围岩体力学特性具有高度非线性，可以借助当代非线性科学来研究和预测它的力学行为。应用熵及突变论等非线性科学理论研究岩石非线性稳定问题，揭示了岩体失稳过程和破坏机理，建立了符合实际的岩体破坏分析方法和失稳判据。     

花岗岩峰后力学特性试验与模型研究

深部围岩在开挖卸载过程中表现出的峰后复杂力学特性一直是工程界十分关注的问题,深入研究岩石峰后力学行为对深部资源开采工程具有重要意义。以深部立井马头门工程为依托,通过室内试验方法研究花岗岩峰后力学特性,采用非线性拟合方法获得花岗岩峰后软化模量与围压的指数关系式,假定岩石的剪胀角为恒定值,基于塑性理论构建考虑围压及剪胀角影响的岩石峰后应变软化模型;以FLAC3D为平台开发数学模型并进行验证,通过构建马头门巷道数值模型,分析深部围岩在应变软化条件下的破坏特征规律。通过研究可知,花岗岩峰后破坏具有脆–延性转化趋势,在高围压条件下,岩石峰后表现出塑性软化破坏特征,岩石峰后软化模量随着围压的增大而减小;通过FLAC3D进行数值验证可知,构建的应变软化模型与试验数据基本吻合,所建立的应变软化模型具有较高的可靠性;通过数值模拟方法分析深部马头门巷道围岩破坏特征可知,巷道拱顶及拱脚等局部区域出现了塑性剪切应变,与现场巷道围岩破损位置及深度基本相同。     

深部软弱岩体峰后等效力学模型及数值计算研究

软弱岩体给深部开采工程中的巷道支护等带来一系列棘手的问题,深入研究深部软弱岩体峰后非线性破坏行为,对于保证深部巷道围岩的安全稳定性具有十分重要的意义。基于连续介质理论及量化GSI围岩评级系统,依据Hoek-Brown强度准则,通过理论分析并结合前人的研究成果详细论证了等效节理岩体应变软化模型在深部岩体力学理论上的科学性与可行性。采用程序语言在FLAC^3D中编写等效节理岩体应变软化模型,分别采用常规弹塑性模型与应变软化模型对比分析深部围岩开挖面空间效应曲线;结合深部竖井支护工程设计及现场应用等进行了算例验证。得出结论如下：等效节理岩体应变软化模型所体现软弱岩体峰后强度参数衰减规律表明：岩体峰后行为受岩体质量等级和围压的影响较大,围岩在峰后卸载过程中软化参数并不是恒定值,而是随着围压的大小而变化;通过对深部软弱围岩开挖面空间约束效应曲线的计算可知,基于Mohr-Coulomb和Hoek-Brown强度准则的理想弹塑性模型计算结果基本一致,弹塑性模型与应变软化模型的计算结果相差较大,主要体现在中等地质指标范围;现场实际应用表明,等效节理岩体应变软化模型能够较为真实的反映深部软弱岩体的峰后力学行为,并在围岩地质强度指标与岩体连续介质理论之间建立联系,便于工程应用,并可为类似工程提供借鉴。     

不向工程条件下的岩体力学参数确定方法

在丘陵地区及岩石埋藏不深的地区，建筑物基础常常直接设置于岩体上。而地下工程如地下洞室、矿业工程都直接与岩体接触。深部地下岩体作为隔离核废料的第二屏障，必须掌握地下岩体在多场耦合下的力学特性。对于起不同作用的工程岩体，在确定其力学参数时要采用不同的方法。该文通过对几种典型岩体工程进行力学特性分析，阐述了不同工程情况下确定岩体力学参数的方法。对岩土工程师针对不同工程应如何进行工作具有借鉴意义。     

金川矿山深部采掘条件下岩石力学研究与实践

 金川矿山经过几十年开采,开采深度已达1 000 m,复杂的工程地质条件、高地应力以及高渗透压导致深部开采工程的稳定性问题愈加突出。对金川二矿区深部850～1 000 m水平进行大量的现场地质调查研究,测试深部典型岩石的物理力学参数、膨胀与软化特性,研究岩石力学性质和地应力随埋深的变化规律。采用岩体地质力学(RMR)分类法和岩体质量(Q值)分类法,绘制二矿区深部各分段水平的岩体质量分区图。在深入调查金川矿区深部巷道变形和破坏特征的基础上,对高地应力、高渗透压下深部巷道开挖支护稳定性进行研究,结果表明,U型钢和锚杆联合支护效果最佳。全面总结金川矿区深部巷道支护经验,对巷道掘进和支护技术提出几点新的想法。研究不同开采方式对金川矿区深部充填体和围岩稳定性的影响,优化矿体回采方式,建议采用“隔三采一”布置回采进路,有助于控制围岩的变形,减弱上部充填体的下沉。     

软岩蠕变理论及其工程应用

地下工程的施工经常遇到软岩。这类岩体抗压强度较低，具有明显的流变特性，蠕变变形量较大，常造成支护的失稳和破坏。在分析地下工程的稳定性或对地下结构设计时，应充分考虑这一特性，按流变力学理论进行分析和设计。通过现场取样，采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变试验机，并配备三轴压力室，对泥岩进行了三轴蠕变试验。试验结果表明，泥岩的蠕变具有非线性。根据试验结果，建立了泥岩的非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程，分析了围岩的应力场和位移场，并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。理论研究结果表明，控制围岩过量蠕变变形的根本途径是改善围岩应力状态，适当提高锚杆或锚索的初始预应力，从而为有效控制深部开采时围岩的有害变形提供了理论依据。     

孔庄矿深部软岩巷道非对称变形数值模拟与控制对策研究

煤矿开采进入深部后,地质力学环境远比浅部复杂,由此引起的非线性力学现象日益严重,给深部支护与开采带来很大难度.孔庄矿-785 m水平轨道大巷地应力水平和围岩黏土矿物含量较高,并受上部采空区影响,呈现明显的非对称变形特征.在对孔庄矿进行工程地质调查与分析的基础上,结合室内岩石力学实验,运用三维数值模拟方法,研究巷道非对称变形时周围岩体的位移场分布规律,分析巷道推进到上部工作面下方时应力分布规律.数值分析结果表明,孔庄矿-785 m水平轨道大巷非对称变形主要受其上部采空区煤柱的集中压力控制,黏土矿物遇水膨胀、岩层结构及高地应力作用进一步恶化巷道围岩结构.该研究可为孔庄矿深部巷道非对称变形控制对策提供初步的理论依据.     

深部复合顶板煤巷变形破坏机制及耦合支护设计

煤矿开采进入深部以后，地质力学环境远比浅部复杂得多，由此引起的各种非线性力学现象越来越严重，给深部支护与开采带来很大的难度。夹河矿2442工作面上材料道复合项板松散、破碎，采用原支护形式很难有效控制，进而加剧两帮收缩和底板臌起，严重影响巷道的正常掘进和安全生产。通过对该巷道工程地质条件的综合分析和地质力学评估，采用数值模拟和理论分析方法研究该类巷道的变形破坏机制，有针对性地提出锚网索耦合支护设计方案，现场试验结果表明该支护设计方案可取得良好的支护效果。     

地下开挖影响下岩体分形性质演化问题探讨

提出了天然岩体的分形性质;研究并总结了地下开挖影响下岩体初始裂隙分布分维、裂纹扩展或断裂表面生成分维、采动岩体再生裂隙分维等一系列能用分形几何来描述的现象随时间的动态演化规律;揭示了岩体受力变形过程中的应力状态、力学性能、物理和化学性质的演化与其相关分维值的关系;展望了岩体分形性质及其受力演化规律的研究意义,为从更深层次认识岩体变形破坏的非线性、复杂性架起了桥梁,包括岩体动力学演化过程的混沌特征、岩体分形演化力学行为中的突变现象和岩体裂纹演化的协同效应;最后展望了岩体分形性质及其受力演化规律的应用领域及其发展前景。     

Mechanical behaviors of coal measures and ground control technologies for China's deep coal mines – A review

This paper reviews the major achievements in terms of mechanical behaviors of coal measures, mining stress distribution characteristics and ground control in China's deep underground coal mining. The three main aspects of this review are coal measure mechanics, mining disturbance mechanics, and rock support mechanics. Previous studies related to these three topics are reviewed, including the geomechanical properties of coal measures, distribution and evolution characteristics of mining-induced stresses, evolution characteristics of mining-induced structures, and principles and technologies of ground control in both deep roadways and longwall faces. A discussion is made to explain the structural and mechanical properties of coal measures in China's deep coal mining practices, the types and distribution characteristics of in situ stresses in underground coal mines, and the distribution of mining-induced stress that forms under different geological and engineering conditions. The theory of pre-tensioned rock bolting has been proved to be suitable for ground control of deep underground coal roadways. The use of combined ground control technology (e.g. ground support, rock mass modification, and destressing) has been demonstrated to be an effective measure for rock control of deep roadways. The developed hydraulic shields for 1000 m deep ultra-long working face can effectively improve the stability of surrounding rocks and mining efficiency in the longwall face. The ground control challenges in deep underground coal mines in China are discussed, and further research is recommended in terms of theory and technology for ground control in deep roadways and longwall faces.     

工程岩体抗剪强度确定综合方法——GMEM研究

工程岩体的强度由于受到岩性、节理、地下水、温度场等的影响导致其强度的确定成为岩石力学界的一个重大难题。工程岩体具有地质、力学和工程3大特色，其强度的确定也应综合考虑这3种因素。在此基础上，提出利用经验类比、岩体质量评分体系和连通率的方法结合宏观地质条件判断结果综合确定工程岩体强度的方法——GMEM(geology，mechanics and engineering memod)。运用该方法在向家坝等许多工程中得到很好的应用。     

破碎岩体中气体渗流的非线性动力学研究

在采矿和岩土工程中,破碎岩体中的渗流具有非线性、非稳态及参量时变等特点,外界扰动下渗流参量的渐变易引起渗流系统动力学响应的突变,引发突水及气体突出等动力学灾害.采用非线性分岔及突变理论研究破碎岩体中气体渗流失稳的动力学机制.建立气体一维非稳态、非达西渗流的非线性动力学模型,给出量纲一化后的速度平衡态解图,得到渗流平衡状态的孔隙压力、渗流速度的分布规律,即平衡时沿着渗流方向,各点的量纲一孔隙压力与渗流速度的乘积为一常量,且压力的平方呈线性下降.通过低松弛迭代法给出渗流系统相应于不同渗流参数时的动力学响应.研究结果表明,破碎岩体渗流动力系统存在鞍结分岔,分岔点处破碎岩体的颗粒棱角破碎现象相当显著,渗流处于临界稳定状态,此时对应于任意小的扰动系统都会发生折叠突变,引发突出动力灾害.     

深部地下空间周围岩体性能研究浅探

目前,我国防护工程的动力计算和设计理论都是建立在连续介质波动力学基础上的,这些方法和理论无法解释开发深部地下结构时出现的一些现象。作者从深部岩体的结构、变形、高应力状态及其结构与介质的相互作用出发,总结出深部岩块体系的五个特点,并探讨了其应用前景。     

工程岩体力不参数确定方法的研究

工程岩体力他参数的合理确定是多年来岩石力学界存在的一大难题。为解决该问题,根据何满潮教授提出的工程岩体的连续性理论,建立了工程岩体连续性的概化方法。该方法不仅适用于微观力学和细胞力学介质的连续性判别,也适合于宏观工程岩体的连续性问题。在此基础上,提出了工程岩体学参数确定方法,即根据室内完整岩块实验参数,结合野外工程岩体结构特点进行计算机数值模拟实验,从而确定工程岩体力学参数的新方法。所给出的正交节理化岩体的实验结果,展示了新理论、新方法的广阔应用前景。     

工程岩体力学参数确定方法的研究

 工程岩体力学参数的合理确定是多年来岩石力学界存在的一大难题。为解决该问题, 根据何满潮教授提出的工程岩体的连续性理论, 建立了工程岩体连续性的概化方法。该方法不仅适用于微观力学和细观力学介质的连续性判别, 也适合于宏观工程岩体的连续性问题。在此基础上, 提出了工程岩体力学参数确定方法, 即根据室内完整岩块实验参数, 结合野外工程岩体结构特点进行计算机数值模拟实验, 从而确定工程岩体力学参数的新方法。所给出的正交节理化岩体的实验结果, 展示了新理论、新方法的广阔应用前景。