基于“深地-地表”联动的深地科学与地灾防控技术体系初探

地球是已知唯一适合人类生存的行星,揭示地球深部奥秘对于人类生存与发展具有重大意义。随着人类社会的快速发展,地震地质灾害频繁发生、深地工程动力灾害事故更加凸显,机理不清、难以预测和有效防控,其根本原因在于,人类无法准确认知地球科学基础规律以及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系,现有地球深部基础科学研究已滞后于人类深部工程实践活动,传统地质灾害信息的浅表监测存在较大局限。在此基础上,开展深地科学探索与地质灾害防控联动技术研究对解决资源保障、生命演化与可持续发展等重大科学问题具有重要的意义。“深地-地表”联动战略体系以深入理解深地科学与地质灾害内在联系、进行深地科学与地质灾害领域的超前战略谋划为核心目标,通过基于典型深部工程的“深地-地表”联动科学研究平台,充分关联我国广布的地表灾害信息监测群及纵深的深地科学实验室、矿区以及深地工程示范基地,借助区块链大数据技术建设“深地-地表”智慧中心,统筹不同区域、不同类型、不同深度研究平台,最终在此基础之上以“深地-地表”联动为核心,建设“深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统,全面构建深地科学规律及重大地质灾害孕灾机制战略研究体系,服务全国乃至全球的深地科学前沿探索、深地工程安全与长期稳定性、重大地质灾害预警与防控,助力我国领跑世界深地科学和地质灾害的相关领域研究。     

“深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果展望

国内外深部资源开采发展的现状表明,随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”、“强时效”的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。其根本原因在于,现有岩石力学理论都建立在基于静态研究视角的材料力学基础上,已滞后于人类岩土工程实践活动,与深度不相关、与工程活动不相关、与深部原位环境不相关,亟需发展考虑深部原位状态和开采扰动的深部岩体力学新理论、新方法,破解深部资源开采的理论与技术难题。项目以提升中国深部资源获取能力为导向,针对我国深部矿产资源开采将全面进入1000~2000m阶段这一基本现状,凝练了四大关键科学问题：（1）深部岩体原位力学行为与地应力环境;（2）深部岩体应力场-能量场分析、模拟与可视化;（3）深部强扰动和强时效下的多相并存多场耦合理论;（4）深部资源低生态损害协同高效开采理论与技术。并结合关键科学问题的内涵,提出了五大重点研究内容：（1）深部岩体原位力学行为和地应力环境;（2）深部采动岩体力学及多场多相渗流理论;（3）深部采动应力场-能量场演化规律;（4）深部岩体变形监测、安全预警与稳定控制;（5）深部矿产资源生态化协同高效开采理论与技术。最后,将五大重点研究内容细分为九大前沿研究方向：（1）深部岩体原位力学行为研究;（2）深部围岩长期稳定性分析与控制;（3）深部地应力环境与灾害动力学;（4）深部强扰动和强时效下多场多相渗流理论;（5）深部采动应力场-能量场分析、模拟与可视化;（6）深部高应力诱导与能量调控理论;（7）深部采动岩层变形监测预警与控制;（8）深部煤矿安全绿色开采理论与技术;（9）深部金属矿协同开采理论与技术。从而初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来我国数万亿的深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。     

双模量-强度跌落耦合特征下深部围岩应力场演化

深部地下空间开发在深地能源贮存与开采、生态圈与地下生态城市等领域都有着巨大的潜在价值.针对深部均匀应力场作用下圆形硐室开挖,采用拉压双模量理论和弹性-脆性-理想塑性本构模型,推演了不同远场应力和内压力下围岩的应力解析解及塑性区边界方程,详细分析了围岩弹塑性应力场和塑性区随弹性常数比及残余强度系数的变化规律.结果表明:内...     

基于“深地–地表”联动的深地科学与地灾防控技术体系初探

地球是已知的唯一适合人类生存的行星,揭示地球深部奥秘对于人类生存与发展具有重大意义。随着人类社会的快速发展,地震地质灾害频繁发生,深地工程动力灾害事故更加凸显,且机理不清,难以预测和有效防控,其根本原因在于,人类无法准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系;现有地球深部基础科学研究已滞后于人类深部工程实践活动,传统地质灾害信息的浅表监测存在较大局限。在此基础上,开展深地科学探索与地质灾害防控联动技术研究对解决资源保障、生命演化与可持续发展等重大科学问题具有重要意义。"深地–地表"联动战略体系以深入理解深地科学与地质灾害内在联系,进行深地科学与地质灾害领域的超前战略谋划为核心目标,通过基于典型深部工程的"深地–地表"联动科学研究平台,充分关联中国广布的地表灾害信息监测群和纵深的深地科学实验室、矿区及深地工程示范基地,借助区块链大数据技术,建设"深地–地表"智慧中心,统筹不同区域、不同类型、不同深度研究平台;最终,在此基础之上,以"深地–地表"联动为核心,建设"深地–地表"地灾防控联动探测大科学系统,全面构建深地科学规律及重大地质灾害孕灾机制战略研究体系,服务全国乃至全球的深地科学前沿探索、深地工程的安全与长期稳定性、重大地质灾害预警与防控,助力中国领跑世界深地科学和地质灾害的相关领域研究。     

月球恒温层地下空间利用探索构想

开展月球资源探测与地下空间利用是人类探索月球、将月球纳入人类活动范围的重要举措。本文从月球地质结构特性及月球表面温度变化特征入手,综合考虑月球纬度、月壤/月岩导热性能等要素,针对月球恒温层的恒温特性及随纬度变化的温度涵盖范围,提出了在月球恒温层开发月球地下人类基地、月球地下轨道交通、月球生命体存储、月球原位热能存储等月球地下空间利用构想。针对所提出的月球恒温层利用构想,设计了月球地下人类基地空间支护与搭建、基于电磁技术的月球地下飞行式轨道交通、可温度调节式月球战略储备库、基于月岩/月壤导热差异的原位热能存储等技术实施方案。基于上述构想及技术方案,本文系统总结了月球恒温层地下空间利用需突破的技术挑战和面临的关键科学问题。本文的研究将为未来建立月球人类基地及月球地下空间利用提供技术参考。     

充填体包裹岩石组合强度与破坏机理研究

充填体与岩石的组合力学特性及破坏机理是深部充填法开采中的重要研究方向，对于保障地下采场安全、维护地下采场结构的永久稳固至关重要.文章针对充填体包裹岩石(BR)这一组合结构试件开展了单轴、三轴力学试验研究，分析了应力-应变曲线、峰值强度、破裂模式和等效力学特性，探索了体积分数及围压对组合结构承压特性及破坏机制的影响.结果表明：充填体能够抑制尺寸效应对岩石破裂模式产生的影响；BR试件的三轴全应力-应变曲线呈现出多峰值、阶梯式下降现象，兼具脆性和延性破坏特征；随着围压的增加，BR试件破裂模式以剪切破坏为主，趋于集中在上端部；结构面抑制了BR试件的侧向形变.基于试验结果和连续介质理论，从力学角度分析了BR组合结构的三向受力机理，构建了组合破坏强度模型.研究结论对于补充充填体与岩石相互作用理论研究和优化地下充填采场结构稳定性控制具有重要的科学意义.     

城市地下空间开发与利用

本文从城市地下空间开发的必要性出发,探讨了城市地下空间开发与利用存在的问题,并相应地提出了若干建议,以便于城市地下空间开发与利用的健康发展.     

论城市地下空间开发利用的综合规划

开发和利用城市地下空间资源,已经逐步成为我国大城市实现科学、有序和可持续发展的一项重要战略选择。地下空间规划是合理有效开发利用地下空间的前提,也是城市总体规划的重要组成部分。文章从地下空间资源的调查与评估、城市中心区地下空间的开发利用、地下基础设施、地下空间规划的实施控制与立法几方面,对地下空间综合规划的任务和内容作了分析与探讨。     

丹江口库区初始地应力场的反演

根据丹江口库区的地质构造,考虑断裂破碎带和岩石力学参数随埋深变化,建立计算模型,反演分析了库区的初始地应力场,结果表明:1)库区地应力的临界深度在1km埋深附近;2)水平方向两个主应力,在埋深750m范围内X轴方向为主压应力,随埋深由13MPa增至23MPa,Y轴方向为主拉应力,随埋深由12MPa减至0,埋深750m以下两个坐标轴方向均为主压应力且随埋深增加;3)两个水平主应力差在埋深10km范围内随埋深基本呈线性增加,大约10km深处急剧减小,20km以外基本消失,岩体处于静水压力状态.     

华南深地震反射剖面联线关键处理成像技术与效果分析

华南大陆地质条件复杂、地形起伏大且地下构造复杂,深地震反射资料具有信噪比低、干扰强、振幅不一致、横向速度变化大等特点。为完整地揭示华南大陆深部细结构和构造变形样式,对重庆-邵阳、邵阳-漳浦２条深地震反射剖面（３套数据）进行了拼接联线处理。针对数据的特点,采用了多种处理系统相结合,使用数据拼接整合、复合多域去噪、精细速度分析与综合寻优剩余静校正、共反射面元叠加和偏移成像等关键处理技术,得到高信噪比、高分辨率的成果剖面,为研究华南大陆形成演化过程提供了深部地震学数据。     

云南省矿井抽水蓄能电站潜力评估与建设关键技术

针对云南省矿井地下空间利用率低、蓄电储能需求日益增长的问题,综合考虑岩石力学、矿山规划、环境、经济等多方面影响因素,对云南省利用废弃矿井建设抽水蓄能电站的开发潜力进行了定量评估;同时,以常规抽水蓄能电站为基础,结合云南省地质条件、矿产资源分布、矿山地下空间分布特点等,对矿井抽水蓄能电站建设时站址的选择、地下空间的稳定、...     

Experimental study on the mechanical and failure behaviors of deep rock subjected to true triaxial stress: A reviewOA

It has become an inevitable trend of human development to seek resources from the deep underground.However, rock encountered in deep underground engineering is usually in an anisotropic stress state(σ₁>σ>σ₃) due to the influences of geological structures and engineering disturbances. It is therefore essential to study the mechanical, seepage, and dynamic disaster behaviors of deep rock under true triaxial stress to ensure the safe operation of deep rock engineering an...     

北京市中心区地下空间资源评估探讨

探讨了北京市中心区的地下空间资源评估，提出了地下空间资源评估方法。分析了北京中心区地下空间资源的地质背景，并进行了工程地质分区，作为有计划地开发利用北京地下空间资源的建议。     

AHP法在南宁市地下空间开发地质环境适宜性评价中的应用

根据南宁市区域地质、岩土性状、地质灾害等研究成果并结合南宁市地下空间开发利用现状,分析了城市地下空间开发地质环境适宜性评价的影响因素,运用层次分析法从地质结构、地形地貌、岩土体特征、水文地质条件、地质灾害与环境地质问题等5方面为准则层建立分析模型;在确定各指标因素权重的基础之上,运用模糊综合评判法,评价地下开发拟建区的地质环境适宜程度.南宁市地下空间开发的地质适宜性可划分为4个等级:最适宜、适宜、次适宜及不适宜,分别占研究区域面积的20%、30%、40%和10%.     

城市地下空间开发利用的工程地质与岩土工程

地下空间是城市可持续发展的重要资源,深入认识城市区域工程地质环境特点,加强城市地下工程的地质问题研究是搞好城市地下空间开发利用规划的基础,科学合理地运用地下岩土工程新技术是进行城市地下空间开发的关系。     

高层建筑深基坑设计和支护存在的问题

随着我国高层建筑的不断发展,地下空间的开发和利用变得越来越重要,深基坑设计与施工技术近几年来取得了长足的发展,各地都积累了较丰富的经验.深基坑开挖与支护结构是一个系统工程,涉及工程地质、水文地质、工程结构、施工工艺和施工管理,作者总结了目前高层建筑深基坑设计与支护中存在的问题,简要提出了今后要研究的问题.     

北京地下空间的利用与开发

分析了地下空间总体效益，重点针对目前地下工程－－如：地下交通工程，地下文化娱乐设施，地下公共服务设施，地下商业建筑，地下储存设施，地下市政工程与管网等现状，从统一规划、政策立法、科学技术等方面分析了北京市地下空间开发利用所存在的问题，以此为据探讨北京市地下空间发展方向及步骤。     

Principles and technology for stepwise utilization of resources for mitigating deep mine heat hazards

As is well known, deep mines are hot. As mining depth increases, the temperature of the surrounding rock also increases. This seriously affects mine safety and production and has restricted the exploitation of deep coal resources. Therefore, reducing the working face temperature to improve working conditions by controlling these heat hazards is an urgent problem. Considering problems in cooling deep mines both domestically and abroad along with the actual conditions of the Zhangshuanglou coal mine, we propose a HEMS technology that uses heat resources from deep mines in a stepwise manner. HEMS means a high temperature exchange machinery system. Mine inrush-water is used as a source of cooling. Twice the energy is extracted from the mine inrush water. Heat is used for building heating in the winter and cold water is used for cooling buildings in the summer. This opens a new technology for stepwise utilization of heat energy in deep mines. Energy conservation and reduced pollution, an improved environment and sustainable economic development are realized by this technique. The economic and social effects are obvious and illustrate a good prospect for the application and extension of the method.     

大采深巨厚砾岩综放开采地表沉陷规律

以常村煤矿工程地质资料和地表移动观测站资料为依据,详细分析了2113工作面地表终态下沉、动态下沉和终态水平移动的特征,从机理上研究了大采深巨厚砾岩开采条件下地表形变异常的原因.通过走向方向最大下沉点下沉速度的变化规律和工程实测资料,得出了地表形变与井下冲击地压的关系,确定了地表移动与变形的角量参数.结果表明,受关键层的控制,在整个观测过程中,地表始终处于缓慢下沉状态,且在沉降过程中不存在下沉突变点;下沉速度的反弹可以作为冲击地压危险的预报信息,巨厚砾岩层的运动是发生矿震的主要力源之一.