深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述

随着经济建设与国防建设的不断发展,深部岩体工程越来越多,如逾千米乃至数千米的矿山(如金川镍矿和南非金矿等)、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等.深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象.除了岩爆和围岩挤压大变形以外,围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注.基于国外对分区破裂化现象的实验和理论研究,归纳出分区破裂化现象的主要特征参数及其变化规律,揭示分区破裂化现象产生的条件;提出这一领域的研究方向;同时介绍国内在该领域实验和理论方面的研究进展.     

块系岩体动力特性理论与实验对比分析

由于深部岩体存在构造等级现象，因而使作为岩石力学分析基础的连续介质力学缺乏依据。超低摩擦实验效应则集中反映块系岩体动力特性的机制，对超低摩擦实验现象的解释与验证非常重要。首先通过对超低摩擦实验现象的描述及数据的整理归纳出规律，然后建立块系岩体动力模型并进行理论分析及数值计算来验证超低摩擦效应，揭示出产生这一效应的根本原因在于法向力的重分布以及动摩擦因数的变化，而且实验现象与数值计算在趋势上是一致的。在具有构造等级的深部岩体介质的变形过程中，储能及返还性状与介质变形的摩擦因数有关。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征，提出深部岩体的构造、变形与破坏需要研究的科学问题。     

深部岩体非线性力学能量作用原理与应用

 本文以物体高速撞击局部效应与冲击能量因子密切关系为启迪,首次提出了深地下围岩“一高二扰动”等效平均振动能量原理及其表达式,根据深部岩体准共振和摆型波现象出现的无量纲能量条件,深入阐释了该条件的物理基础并定义之为地冲击能量因子。推导了深部围岩岩爆、分区破裂时空构造与地冲击能量因子的关系;结合地下大规模爆炸地冲击运动的传播规律,根据地冲击能量因子发生动力灾变的阈值界定了防护工程安全埋置深度。研究表明：地冲击能量因子为探明深部岩体力学复杂静动力学现象与工程响应关键机制开辟了新的研究途径。     

中国锦屏地下实验室二期工程安全原位综合监测与分析

 中国锦屏地下实验室是目前世界上埋深最大的实验室。以中国锦屏地下实验室二期(CJPL–II)工程为研究对象,通过变形、开裂、弹性波、扰动应力、微震、声发射、三维激光扫描、岩体结构面遥测、爆破振动测试等原位综合监测手段,实时获取深部地下实验室开挖全过程的岩体响应及其演化特性,实现对深部岩体微观到宏观多尺度破裂、隧洞表面到岩体深部变形的综合监测。研究工程场址的地质辨识方法,给出深部复杂地质结构条件下的地质分区,结合真三轴、结构面实验和地应力测试,揭示各实验室开挖过程中不同的变形特征和破坏模式,实时捕获了深部工程灾害变形破裂的前兆信息,有效预警了岩爆和塌方工程灾害,确保了实验室施工全过程的工程安全。研究成果和基础数据为中国锦屏地下实验室安全建设运行、探讨深部岩体力学与工程科学难题均具有十分重要的意义。     

深部岩体力学特性的问题思考

介绍了深部岩体力学特征的研究现状,针对深部岩体工程的概念界定、科学现象及力学特点,对其力学试验进行了研究,并总结了深部岩体力学今后的研究重点及发展方向。     

超高应力作用下锦屏二级水电站深部岩体变形特性试验研究

锦屏二级水电站引水线方向岩体最大埋深达2 500余米,为深入研究深部岩体力学特性,开展试验压力100MPa下岩体变形试验研究。采用刚性承压板中心孔法变形试验方法,从变形模量与岩体埋深、岩体各向异性、试验压力小于与不小于初始地应力条件下的岩体变形特征等角度分析超高压作用下深部岩体变形特性。试验研究成果表明:(1)岩体变形模量与埋深存在较大关系,随着埋深的加大,变形模量有着显著的提高。(2)不同埋深处的岩体皆表现出了各向异性特征。(3)在试验压力小于初始地应力条件下,岩体在做回弹试验,弹性变形占总变形量较大,当试验压力超过初始地应力后,弹性变形相对变小。(4)中心孔法试验成果表明,岩体在0.5~1.0 m深处压缩变形最大,其损伤程度较高。研究成果为深入研究深部地下硐室岩体力学特性与稳定性分析提供依据。     

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。     

不同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。     

深部软岩工程大变形力学分析设计系统

采用飞箭软件公司的有限元程序自动生成系统作为软件开发平台，进行“深部软岩工程大变形力学分析设计系统”的合作开发工作。该软件系统具有如下特色：（1）以和分解有限变形力学分析模型为主体，包括极分解力学分析模型供用户进行对比分析；（2）强调非线性大变形力学设计特色：力学对策设计、过程设计和参数设计；（3）包括多种岩土材料本构模型和工程材料单元，可以进行边坡工程、地基工程、地下洞室工程等大变形力学分析；（4）具有我国自主知识产权。目前该软件的弹性、弹塑性大变形二维计算程序和界面已经开发完成。通过对典型算例的弹性数值分析，验证大变形程序的正确性。该软件系统的问世，可为深部软岩巷道等岩体大变形力学问题提供具有分析和设计功能的数值分析软件系统。     

柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策

柱状节理玄武岩是火山岩区所特有的地质现象,其地质成因独特,工程特性、开挖响应特征明显不同于一般常见岩体。通过分析地下洞室中柱状节理岩体的开挖响应特征和揭示现象,结合岩石力学理论和数值分析,对柱状节理玄武岩表现出的典型破坏模式及其破坏机制进行深入分析和总结。在此基础上,针对柱状节理玄武岩卸荷易松弛的特点,结合现场监测、检测数据等信息,总结提炼现场实施过程中有效的支护措施、支护时机、开挖方案、爆破控制等支护手段和施工方法,以有效控制围岩松弛变形和松弛向深部扩展,实现复杂条件下的地下洞室围岩稳定控制。     

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。     

深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨

通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变形状态及其后果，得出深部围岩区域破裂现象的发生条件、岩体的初始压力和围岩全过程变形状态，尤其是围岩峰值后状态下材料的残留强度芙系。根据分区破裂现象的出现条件，提出界定浅部及深部工程活动的标准：浅部工程——坑道最大支撑压力区不破坏的深度：深部工程——坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。     

Latest progress of soft rock mechanics and engineering in China

The progress of soft rock mechanics and associated technology in China is basically accompanied by the development of mining engineering and the increasing disasters of large rock deformation during construction of underground engineering.In this regard,Chinese scholars proposed various concepts and classification methods for soft rocks in terms of engineering practices.The large deformation mechanism of engineering soft rocks is to be understood through numerous experiments;and thus a coupled support theory for soft rock roadways is established,followed by the development of a new support material,i.e.the constant resistance and large deformation bolt/anchor with negative Poisson’s ratio effect,and associated control technology.Field results show that large deformation problems related to numbers of engineering cases can be well addressed with this new technology,an effective way for similar soft rock deformation control.     

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。     

深部的概念体系及工程评价指标

随着开采深度的增加，岩爆、瓦斯突出、流变、底板突水等非线性动力学灾害现象日趋增多，严重影响了深部资源的安全高效开采。深部开采工程中产生的岩石力学问题成为目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点。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，建立了深部的概念体系，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绝大部分失效。以难度系数及危险指数作为深部工程围岩稳定性控制难易程度的评价指标，能够综合反映深部工程岩体的力学特性与工程特性。     

Rock mechanics contributions to recent hydroelectric developments in China

Rock mechanics plays a critical role in the design and construction of hydroelectric projects including large caverns under high in situ stress, deep tunnels with overburden more than 2500 m, and excavated rock slopes of 700 m in height. For this, this paper conducts a review on the rock mechanics contributions to recent hydroelectric developments in China. It includes the development of new testing facilities,mechanical models, recognition methods for mechanical parameters of rock masses, design flowchart and modeling approaches, cracking-restraint method, governing flowchart of rock engineering risk factors enabling the development of risk-reduced design and risk-reduced construction, and initial and dynamic design methods. As an example, the optimal design of underground powerhouses at the Baihetan hydroelectric plant, China, is given. This includes determination of in situ stresses, prediction of deformation and failure depth of surrounding rock masses, development of the optimal excavation scheme and support design. In situ monitoring results of the displacements and excavation damaged zones(EDZs) have verified the rationality of the design methodology.     

环向有效约束条件下破裂岩体再破坏特性分析

 深部地下工程围岩破坏后形成较大范围的破裂岩体,在有效支护条件下具有结构效应,即具有一定的承载和抵抗变形能力,且在其承载和抵抗变形的过程中呈现应力强化的特性;同时,在破裂岩体内部存在岩块的再破坏和岩体力学性能弱化的过程;破裂岩体承载过程中应力状态及其力学特性的演化,取决于岩体整体力学性能、约束状态及初始破裂面的特征;在再承载过程中,破裂面上的主应力方向和大小均会发生变化,且破裂面上主应力方向和岩体的主应力方向并不一致,从而导致新的破裂面的形成和发展。研究反映破裂岩体的承载和再破坏特性,对深部地下工程的稳定控制研究具有一定的指导意义。     

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。     

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.