1、第24卷 第16期 巖石力學與工程學報 Vol.24 No.16 2005年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2005深部開采巖體力學研究何滿潮12，謝和平13，彭蘇萍1，姜耀東1 ，(1. 中國礦業大學(北京校區)，北京 100083；2. 中國地質大學(北京)，北京 100083；3. 四川大學，四川 成都 610065)摘要：深部開采工程中產生的巖石力學問題是目前國內外采礦及巖石力學界研究的焦點，國內外學者通過理論研究、室內及現場試驗研究取得了大量的成果。總結分析了深部開采與淺部開采巖體工程力學特性的主要區

2、別，主要表現在“三高一擾動”的惡劣環境、5個力學特性轉化特點、4個方面的礦井轉型、6大災害表現形式。針對深部工程所處的特殊地質力學環境，通過對深部工程巖體非線性力學特點的深入研究，指出進入深部的工程巖體所屬的力學系統不再是淺部工程圍巖所屬的線性力學系統，而是非線性力學系統，傳統理論、方法與技術已經部分或相當大部分失效，深入進行深部工程巖體的基礎理論研究已勢在必行。關鍵詞：巖石力學；深部開采；三高一擾動；工程特性中圖分類號：TU 457 文獻標識碼：A 文章編號：10006915(2005)16280311STUDY ON ROCK MECHANICS IN DEEP MINING ENGINE

3、ERINGHE Man-chao12，XIE He-ping13，PENG Su-ping1，JIANG Yao-dong1 ，(1. China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；2. China University of Geosciences，Beijing 100083，China；3. Sichuan University，Chengdu 610065，China)Abstract：The rock mechanics problems caused by the deep mining enginee

4、ring are the focuses in the fields of mining engineering and rock mechanics. A lot of achievements were obtained by scholars through theoretical study，laboratory test，and in-site test. Based on the previous studies of authors，the main differences in engineering mechanics for the characters of rock m

5、ass between shallow mining and deep mining are summarized. They are complicated as follows：(1) mining environments with three“high”and one“disturbance”high ground stress，high earth temperature，high karst water pressure，and mining disturbance；(2) five transform features of mechanical characters；(3) f

6、our changes of coal mine types；and (4) six representing types of engineering hazards. By the detailed research on the nonlinear mechanical characters of engineering rock mass in deep mining under complicated geology mechanical environments；it is pointed out that the mechanical system，which is subord

7、inated to engineering rockmass at depth，is the nonlinear mechanical system，but not the linear mechanics system subordinated to engineering rock mass at shallow. The classic theory，methods，and technology are partly or most entirely invalid. So，it is very important to study the basic theory of rock me

8、chanics in deep engineering. Key words：rock mechanics；deep mining；three“high”and one“disturbance”；engineering characters1 引 言深部開采工程巖石力學主要是指在進行深部資收稿日期：20050305；修回日期：20050420 源開采過程中而引發的與巷道工程及采場工程有關的巖石力學問題。 隨著對能源需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內外礦山都相繼進入深基金項目：國家自然科學基金重大項目(50490270)；國家基金委創新群體基金資助項目(50221402)；

9、教育部科學技術研究重大項目(10405)作者簡介：何滿潮(1956)，男，博士，1985年畢業于長春地質學院水文工程地質系工程地質專業，現任教授、博士生導師、國家自然科學基金重大項目(50490270)首席科學家，主要從事巖石力學理論及工程方面的教學與研究工作。E-mail：hemanchao。2804 巖石力學與工程學報 2005年部資源開采狀態。隨著開采深度的不斷增加，工程災害日趨增多，如礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現加劇、巷道圍巖大變形、流變、地溫升高等，對深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅。因此，深部資源開采過程中所產生的巖石力學問題已成為國內外研究的焦點111。2 國內外深部工程

10、現狀據不完全統計1216，國外開采超千米深的金屬礦山有80多座，其中最多為南非。南非絕大多數金礦的開采深度大都在1 000 m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深井金礦，采礦深度達3 700 m，West Driefovten金礦礦體賦存于地下600 m，并一直延伸至6 000 m以下。印度的Kolar金礦區，己有三座金礦采深超2 400 m，其中錢皮恩里夫金礦共開拓112個階段，總深3 260 m。俄羅斯的克里沃羅格鐵礦區，已有捷爾任斯基、基洛夫、共產國際等8座礦山采準深度達910 m，開拓深度到1 570 m，預計將來達到2 0002 500 m。另外，加拿大、美國、澳大利亞的一

11、些有色金屬礦山采深亦超過1 000 m。國外一些主要產煤國家從20世紀60年代就開始進入深井開采。1960年前，西德平均開采深度已經達650 m，1987年已將近達900 m；原蘇聯在20世紀80年代末就有一半以上產量來自600 m以下深部。國外深部工程開采現狀如圖1所示。英國 日本 波蘭 德國 俄羅斯 印度 南非地表煤煤煤煤鐵金金礦礦礦礦礦礦礦600 m1 000/度深1 1001 125 1 2001 500 1400延伸速度1 5502 000816 m/a2 4004 0003 800圖1 國外深部工程開采現狀Fig.1 Present situation of deep mining

12、 engineering abroad根據目前資源開采狀況，我國煤礦開采深度以每年812 m的速度增加，東部礦井正以100 250 m/(10 a)的速度發展11，17，18。近年己有一批礦山進入深部開采。其中，在煤炭開采方面，沈陽采屯礦開采深度為1 197 m、開灤趙各莊礦開采深度為 1 159 m、徐州張小樓礦開采深度為1 100 m、北票冠山礦開采深度為1 059 m、新汶孫村礦開采深度為1 055 m、北京門頭溝開采深度為1 008 m、長廣礦開采深度為1 000 m。在金屬礦開采方面，紅透山銅礦目前開采己進入9001 100 m深度，冬瓜山銅礦現已建成2條超1 000 m豎井來進行深

13、部開采，弓長嶺鐵礦設計開拓水平750 m，距地表達1 000 m，夾皮溝金礦二道溝坑口礦體延深至1 050 m，湘西金礦開拓38個中段，垂深超過850 m。此外，還有壽王墳銅礦、凡口鉛缽礦、金川鎳礦、乳山金礦等許多礦山都將進行深部開采。可以預計在未來20年我國很多煤礦將進入到1 0001 500 m的深度。同時，在今后1020 a內，我國金屬和有色金屬礦山將進入1 0002 000 m深度開采。我國國有重點煤礦平均采深變化趨勢如圖2所示。時間/a1980 1995 2000 2010 2020地表288428m600500/度深1 000延伸速度 7001025 m/a1 5001 200圖2

14、 我國國有重點煤礦平均采深變化趨勢 Fig.2 Development trends of average mining depth of keycoal mines in China3 國內外深部研究現狀早在20世紀80年代初，國外已經開始注意對深井問題的研究。1983年，原蘇聯的權威學者就提出對超過1 600 m的深(煤)礦井開采進行專題研究。當時的西德還建立了特大型模擬試驗臺，專門對 1 600 m深礦井的三維礦壓問題進行了模擬試驗研究。1989年巖石力學學會曾在法國專門召開“深部巖石力學”問題國際會議，并出版了相關的專著。近20 a來，國內外學者在巖爆預測、軟巖大變形機制、隧道涌水量預

15、測及巖爆防治措施(改善圍巖的物理力學性質、應力解除、及時施作錨噴支護、合理的施工方法等)、軟巖防治措施(加強穩定掌子面、加強基腳及防止斷面擠入、防止開裂的錨、噴、支，分斷面開挖等)等各方面進行了深入的研究，取得了很大的成績。一些有深井開采礦山的國家，如美國、加拿大、澳大利亞、南非，波蘭等，政府、工業部第24卷 第16期 何滿潮等. 深部開采巖體力學研究 2805 門和研究機構密切配合，集中人力和財力緊密結合深部開采相關理論和技術開展基礎問題的研究。南非政府、大學與工業部門密切配合，從1998年7月開始啟動了一個“deep mine”的研究計劃，耗資約合1.38億美元，旨在解決深部的金礦安全、經

16、濟開采所需解決的一些關鍵問題。加拿大聯邦和省政府及采礦工業部門合作開展了為期10 a的2個深井研究計劃，在微震與巖爆的統計預報方面的計算機模型研究，以及針對巖爆潛在區的支護體系和巖爆危險評估等進行了卓有成效的探討。美國Idaho大學、密西根工業大學及西南研究院就此展開了深井開采研究，并與美國國防部合作，就巖爆引發的地震信號和天然地震或化爆與核爆信號的差異與辨別進行了研究。西澳大利亞大學在深井開采方面也進行了大量工作。近些年來，隨著我國國民經濟和科學技術的發展，對復雜地質條件下一些長深鐵路、公路隧道的修建，深部開采事故的預防，應用和發展了許多先進的科學技術和理論。在軟巖支護、巖爆防治、超前探測、

17、信息化施工等方面，隧道工程部門、中國礦業大學、中南大學、東北大學、重慶大學、同濟大學、西南交通大學等進行了大量的研究和實踐，積累了豐富的實踐經驗，且具有開展相關研究的基礎與條件。如“九五”期間，中國礦業大學在深部煤礦開發中災害預測和防治研究、武漢巖土所在峒室優化及穩定性研究、中南大學千米深井巖爆發生機理與控制技術研究、北京科技大學撫順老虎臺礦開采引發礦震的研究都做了許多有益工作，取得了重要成果。目前該領域的研究進展主要有以下幾個方面。3.1 深部巖石的變形性質(1) 深部巖體的脆延轉化巖石在不同圍壓下表現出不同的峰后特性，在較低圍壓下表現為脆性的巖石可以在高圍壓下轉化為延性。自Von. Kar

18、man(1911年)首先用大理巖進行不同圍壓條件下的力學試驗以來，人們針對圍壓對巖石力學性質的影響進行了大量試驗研究。文18在室溫下對大理巖進行了試驗，證明了隨著壓力增大巖石變形行為由脆性向延性轉變的特性。文19，20發表過類似的試驗結果，并指出脆延轉化通常與巖石強度有關。文21也曾獲得過類似的結論，但對于諸如花崗巖和大理巖這類巖石，在室溫下即使圍壓達到1 000 MPa甚至以上時，仍表現為脆性。而有的現場觀測資料表明，像花崗閃長巖這種極堅硬的巖石在長期地質力作用下也會發生很大延性變形。巖石破壞時在不同的圍壓水平上表現出不同的應變值，當巖石發生脆性破壞時，通常不伴有或僅伴有少量的永久變形或塑性

19、變形，當巖石呈延性破壞時，其永久應變通常較大，因此，文22，23用巖石破壞時的應變值作為脆延轉化判別標準。文24根據亞洲、歐洲、美洲和非洲的101個砂巖試件的試驗數據，對巖石的脆延轉化規律進行了深入研究，系統分析了脆延轉化臨界條件，并研究了脆延轉化過程中的過渡態性質，文25認為過渡態中，通常具有脆性破壞的特征，也具有延性變形的性質。巖石脆延轉化臨界條件的諸多成果還來自于地殼巖石圈動力學中，普遍認為，隨著深度的增加當巖層中壓力和溫度達到一定條件時，巖石即發生脆延轉化，所以存在轉化深度的概念，當然該深度還與巖石性質有關。文26，27認為當摩擦強度與蠕變強度相等時巖石即進入延性變形狀態。文28給出了

20、地球巖石圈各種強度的推測曲線。文29，30還發現在脆性向延性轉換深度上存在著很高的應力釋放。總之，脆延轉化是巖石在高溫和高壓作用下表現出的一種特殊的變形性質，如果說淺部低圍壓下巖石破壞僅伴有少量甚至完全沒有永久變形的話，則深部高圍壓條件下巖石的破壞往往伴隨有較大的塑性變形，目前的研究大多集中在脆延轉化的判斷標準上，而對于脆延轉化的機理卻研究較少，目前還沒有比較成熟的成果。(2) 深部巖石的流變特性在深部高應力環境中，巖石具有強時間效應，表現為明顯的流變或蠕變。文31，32在研究核廢料處置時，研究了核廢料儲存庫圍巖的長期穩定性和時間效應問題。一般認為，優質硬巖不會產生較大的流變，但南非深部開采實

21、踐表明，深部環境下硬巖同樣會產生明顯的時間效應33，34。對于軟巖巷道，文35提出了一個非常簡單的參數巖體的承載因子(即巖體強度和地應力的比值)來衡量巷道圍巖的流變性。文36討論了該參數的適用范圍。文37通過對大量日本的軟巖巷道調查后發現，發生明顯流變的巷道圍巖承載因子都小于2。該結論是針對典型軟巖如泥巖、凝灰巖、頁巖和粉砂巖等得出的，且埋深都小于400 m，該準則是否適用于深部硬巖目前尚無定論。2806 巖石力學與工程學報 2005年文33，34，38，39系統地研究了南非金礦深部硬巖的流變性，發現高應力導致圍巖流變性十分明顯，支護極其困難，巷道最大收縮率曾達到了500 mm/月的水平39。

22、巖石在高應力和其他不利因素的共同作用下，其蠕變更為顯著，這種情況在核廢料處置中十分普遍。例如，即使質地非常堅硬的花崗巖，在長時微破裂效應和地下水力誘致應力腐蝕(water induced stress corrosion)的雙重不利因素作用下，同樣會對率存在十分明顯的關系，且巖爆的強度與震級也與巖層的運動速率有關49。因此，目前預報巖爆的重要參數就是巖層的位移和運動速率。另外，深部開采引起的開采沉陷極有可能成為巖爆的誘因，同時地質結構面(弱面)的活化也可能導致巖爆，地質構造面附近的應力重新分布甚至有可能導致一系列的前震(foreshocks)，因此，深部礦井巖爆的空間分布和時間分布都十分復雜，

23、且巖爆事件組成的時間序列很有可能不符合正態分布50。存貯庫近場區域的巖石強度產生很大的削弱作 深部巖石的破碎誘導機理 3.3用40。蠕變的發生還與巖體中微破裂導致的巖石剝離有關，根據瑞典Forsmark核廢料候選場址的觀測記錄以及長時蠕變準則的推測，預計該硐庫圍巖經歷1 000 a后，巖石剝落波及的深度將達到3 m41。(3) 深部巖石的擴容性質文42首次在單軸壓縮試驗中觀測到巖石破裂前出現體積增大現象。文43在圍壓下同樣也觀測到了擴容現象，不過，隨著圍壓的增大，擴容的數值會降低。文24的試驗進一步表明，在低圍壓下，巖石往往會在低于峰值強度時由于內部微裂紋張開而產生擴容現象，但在高圍壓下，巖石

24、的這種擴容現象不明顯甚至完全消失。 3.2 深部巖石強度和破壞特征研究表明44，45，總體上巖石的強度隨深度的增加而有所提高。如有的礦區從深度小于600 m變化到8001 000 m時，強度為2140 MPa的巖石所占的比重從30%減少到24%，而強度為81100 MPa巖石的比重則從5.5%增加到24.5%，且巖石更脆，更容易發生巖爆。文23根據大量試驗數據，總結了在非常高的側向應力(高達700 MPa)下的巖石強度準則，提出了一個非線性的巖石強度準則。文46根據試驗發現，在200 280 和不同圍壓的條件下，花崗巖具有較低的強度值，據此提出了地殼強度結構的圣誕樹模型，合理解釋了大陸地殼多震層的成因。隨著開采深度的增加，巖石破壞機理也隨之轉化，由淺部的脆性能或斷裂韌度控制的破壞轉化為