深部高地应力下岩石力学行为研究进展.pdf

第3 5卷 第1 期 2 0 0 5年 2月 2 5日 力 学进展 ADVANCES I N M ECHANI CS V_0 1 ． 35 NO ． 1 F e b ． 2 5 ． 2 0 0 5 深部高地应力下岩石力学行为研究进展 周宏伟 。 谢和平 。 左建平 1中国矿业大学北京校区岩石力学与分形研究所，北京 1 0 0 0 8 3 0四川大学，成都 6 1 0 0 6 5 摘要 越来越多的煤矿和金属矿进入深部开采．随着开采深度的增加，一系列工程灾害如岩爆、煤与瓦斯突出、 顶板垮落、底板突水等 日益严重，且深部开采中巷道与采场的维护理论也与浅部有十分明显的区别．人们认识到这 种差别的根源在于岩石所处的赋存环境上 的差异，深部与浅部在赋存环境上的差别是所谓 “ 三高”即高地应力、高 地温和高孔隙水压，尤其是高地应力条件下岩石表现 出十分特殊的力学行为．简要介绍了深部开采现状、深部开采 面临的技术难题以及深部岩体所处的高地应力环境，在此基础上，综述了深部高地应力条件下有关岩石力学性质的 研究进展，包括高应力条件下岩石的脆 一 延转化特性、岩石的流变特性、岩石的强度特征、岩石的破坏特征尤其是 岩爆等．文章最后指出深部条件下热 一 水 一 力耦合模型是一个值得关注的研究方向． 关键词 深部开采，高地应力，岩石力学行为 1 引言 人类对矿产资源的获取大多是通过地下开采方 式获得的． 随着浅部资源的逐渐减少和枯竭， 地下开 采的深度越来越大．以煤矿为例， 我国煤矿开采深度 以每年 8 1 2 m的速度增加，预计在未来 2 0 年我 国很多煤矿将进入到 1 0 0 01 5 0 0 I l l 的深度． 我国 已探明的煤炭储量中，埋深在 1 0 0 0 II 1 以下的为 2 ．9 5 万亿吨，占煤炭资源总量的 5 3 ％_l J _ 因此，煤炭的深 部开采问题已逐渐摆在我们面前．金属矿方面， 据不 完全统计， 国外开采超过 1 0 0 0 I I 1 的金属矿山有 8 0 余 座， 其中以南非最具代表性．目前南非绝大多数金矿 的开采水平在 1 0 0 0 II 1 以下， 其中A n g l o g o l d 公司的西 部深水平金矿更是达到了 3 7 0 0 m．We s t D r i e f o v t e n 金矿的矿体贼存于 6 0 0 m以下， 并一直延伸到6 0 0 0 m 以下． 印度的 K o l a r 金矿区， 已有 3 个矿超过 2 4 0 0 m， 其中一个矿深度 已达 3 2 6 0 m．俄罗斯克里沃罗格铁 矿区中已有 8 个矿山采准深度达 9 1 0 m， 开拓深度达 1 5 7 0 m． 另外，加拿大、美国、澳大利亚的一些金属 矿采深已超过 l 0 0 0 m． 近年来， 我国一些金属矿相继 进入深部开采，如铜陵狮子山铜矿采深已达 1 1 0 0 m， 山东玲珑金矿采深已达 8 0 0 m， 。 抚顺红透山铜矿已进 入 9 0 0 1 1 0 0 m深度， 冬瓜山矿深度达 1 0 0 0 m， 湘 西金矿超过 8 5 0 m[2 ,3 】 ．深部资源开采一直是国内外 采矿工程界一个十分重要的研究课题，国外从 2 0 世 纪 8 0 年代初期开始深部开采问题的研究．以南非为 代表，其他国家如美国、加拿大、澳大利亚、波兰、 俄罗斯等政府、 工业部门和研究机构密切配合， 集中 人力和财力紧密结合进行深部资源开采相关的基础 课题研究．南非政府、大学与工业部门密切合作，于 1 9 9 8 年开始启动 “ D e e p Mi n e ” 研究计划，旨在解决 3 0 0 0 一5 0 0 0 II 1深度的开采安全等一系列问题． 加拿大 8 0年代开展了为期 1 0年的两个深井研究计 划．美国 I d a h o大学、 Mi c h i g a n大学与西南研究院 和美国国防部合作， 就岩爆引发的地震信号进行了研 究． 西澳大利亚大学在深部开采方面也进行了大量工 作．我国 8 0年代末也开始了这方面的研究，一些高 校和研究所对深部资源开采的理论和技术进行了一 些研究，取得了大量有价值的研究成果． 深部开采遇到的工程灾害将以更加明显的方式 表现出来，如巷道变形剧烈、采场矿压剧烈、采场 失稳加剧、岩爆与冲击地压聚增、瓦斯高度聚积、 收稿 日期 2 0 0 4 0 2 1 9 ，修回日期 2 0 0 4 - 1 2 1 6 国家 9 7 3计划 2 0 0 2 CB 4 1 2 7 0 1 、国家自然科学基金 1 0 3 7 2 1 1 2 ， 5 0 2 2 1 4 0 2 ， 5 0 4 9 0 2 7 2 及教育部优秀青年教师资助计划资助项 目 ’ 一 m al l zD _ w cure tb． edu． cn 9 1 维普资讯 瓦斯压力增大、 突水事故几率增大、 突水事故趋于严 重 此外，深部岩层温度将达到 3 0 。 C 一 4 0 。 C ， 造成作业环境恶化、 通风降温困难． 如上所述的深部 开采工程灾害都与高地应力下的岩石力学行为密切 相关，本文综述了深部高地应力条件下有关岩石力 学性质的研究进展， 包括高应力环境下岩石变形、 强 度、破坏等方面的基本特征． 2 地应力 查明地壳中地应力大小和方向是采矿工程的基 础． 总的来看， 地壳中垂直地应力的分布规律比较简 单，即垂直应力随深度增加呈线性增大 图 1 a ． 而 水平应力的变化规律比较复杂， 根据世界范围内 1 1 6 个现场资料的统计，埋深在 1 0 0 0 m范围内时，水平 应力为垂 直应 力的 1 ． 55 ． 0 倍，埋深超过 1 0 0 0 i n 时，水平应力为垂直应力的 0 ． 5 2 ．0 倍 图 1 b ， 我国地应力测量也具有类似的结果 _6 J ．近年有的研 究者还注意到了水平主应力在不同方 向上的差异， S t a c e y和 We s s e l o o总结了南非由地表到 3 0 0 0 m之 间的地应力测量结果， 发现最大、 最小水平地应力之 比高达 4 倍 图 2 【 ． 与地应力实测结果对应， 人们也发展了一系列假 说来认识地应力场的变化规律． 最早的地应力模型是 1 8 7 9 年 H a i m提出的各向等压假说， 认为水平地应力 和垂直地应力相等， 且均等于上覆岩层的单位重量． 1 9 2 5年前苏联学者金尼克根据线弹性理论提出了地 应力的另一假说， 即认为水平地应力大小应取决于当 前岩层的泊松比，水平地应力与垂直地应力之比为 式中 为岩层泊松比．深部条件下， 可能接近于 0 ． 5 ， 此时水平地应力接近垂直地应力， 与各向等压假 说估计的结果一致． Mc C u t c h e n将地球视为理想球体，按球对称 问 题提出了另一种地应力假说，认为水平应力与垂直 应力之比为 【 1 kab 2 式 中 。 ， 6 杀 ， ， B为积分常数，取决于计算基面的位 置， R为地球半径，取 R6 3 7 0 k m[引 ． 该假说得出 水平应力与垂直应力之比为深度的函数， 通过选取一 定的计算初始条件， 可对 B r o w n和 H o e k [ ] 获得的全 球地应力测量结果给出较满意的解释． S h e o r e y发 展了一个静弹性热应力模型来估算地应力大小， 该模 型考虑了地壳曲率和岩层的弹性常数、 密度和热膨胀 系数的变化， 基于此提出了一个估算水平应力与垂直 应 力之 比 k的公式 [ 。 ] k0 ．2 5 7 E h 0 ．0 0 1 1 ／ 式中 z为埋深， m； E h为上覆岩层水平方向的平均 变形模量，G P a ． 图 3 给出了不同 E ， 下 k值随深部 变化的一族 曲线，可见，其规律与 B r o w n和 H o e k [驯 与 H e r g e t [ 加 ] 等人发表的实测结果十分类似，给 k值 的估计提供了合理的理论基础．应该指出，目前关于 地应力的假说都认为两个水平方向的地应力相等， 不能客观地反映实际情况 图 2 ， 不能不说是一个缺 陷． 5 00 1 0 00 暑 1 5 00 剥 2 0 00 量 、 ～ 隧 到 2 50 0 3 00 0 。 ●0 ● ● ’ 热 ，。 l ． “ 一 0 ． 0 2 7 z ● ＼ ． -＼ ‘ ， ＼ ●A U STR A LI A _ U N I T ED ST AT E S C A N A D A ＼| 0 S C A N D IN A V lA ‘ -S oUTHERN AF RI CA ＼ 口 o TH ER R E G I o N S 0 1 0 2 0 30 40 5 0 6 0 7 0 垂直应力 ／ MP a a 垂直应力 ． ， 一 一 ● ● ● 一 ● L ●●● ． ● ● ● ／ ， ’ ．| ． ■ ／ ， t ． 。 0 ， - ’● ， i o ● 一 - o J 。 ． ●● 、 ● ， ＼ ● ， k l 5 0 0 ／ z一 0 5 。 ●● ●． | ， - ● ／ ● ／ ， ， _ -， ●A U ST R A LI A ， i C l ， _ U N I T ED ST A T ES ， ， ▲ C A A D A ， o SC A N D I N A V I A ， - So U T H E R N A F R I C A - _ - 0 o T H E R R E G I o N S ～ ， ＼ 0 0 ／ 0 ．3 ， b 水平应力 图 1 全球地应力测量结果 [ 5 维普资讯 维普资讯 的性质， 且砂岩脆性态与过渡态间的边界线可由如下 经验关系给出 [ 1 9 ] 1 一 3 3 ． 5 p 5 式中P为假三轴实验的侧向压力， MP a ． 岩石脆 一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 一 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． 最直观的转化深度确定方法来 自于 Me i s s n e r和 Ku s z n i r [ 2 J以及 Ra n a l l i 和 Mu r p h y J ， 他们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． S i b s o n [2 3 ,2 4 】 还发现，在脆性向延性 转换深度上存在着很高的应力释放． 1 OO 90 8 0 7 0 苎 。 。 5 0 H 4 O 3 0 2 O 1 0 图5 假三轴压缩下砂岩的脆性带 B 、延性带 D 以及脆一 延转化过渡带 T 【 。 】 总之，脆 一 延转化是岩石在高围压下表现出的 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 一 延转化的判断标准 上，而对于脆 一 延转化的机理尤其细观尺度上的机 理却研究较少． 3 ． 2 岩石的流变特性 岩石流变特性除与本身的岩性有关外，还取决 于温度和最大主应力差 一 3 ．深部高应力环境 下， 岩石具有更强的时间效应， 表现为明显的流变或 蠕变． 目前岩石流变特性研究主要集中在高温高压条 件下的实验研究和现场研究方面 [2 5 ] ， 由于实验室研 究的应变速率最慢只能达到约 1 0 S 一， 而现场应变 速率通常只有 1 0 一l 0 。 S [2 6 ] ， 因此实验室研 究成果在进行外推应用时存在～定困难 [2 5 ] ． 实验室研究方面， G o e t z e的研究具有～定代表 性． G o e t z e在实验室模拟 了地壳下边界 相当于距 9 4 地表 3 5 k m的温度和地应力条件，发现地壳下部的 主要造岩矿物橄榄石的蠕变分别受幂函数蠕变和位 错滑动蠕变机制所控制，因此提 出了一个估算蠕变 速率的经验公式 [2 7 J ／ 1口口＼ 7 0 一 0 “3 3 e x p 一 当 l 一0 “32 0 0 MP a 6 式中 为应变率 S - 1 ，k 为 B o l t z m a n n 常数 1 ．3 8 0 61 0 。 J ／ K ， T为绝对温度 K ． K ir b y和 Kr o n e n g e r g [ 2 8 ] ，K o h l s t e d t等 【2 9 ] 对岩石蠕变的各种 过程进行了总结， 在式 6 的基础上提出了一个预测 蠕变速率的通式 ／ n＼ A 1 0． 3 n e X p 一 7 式中 A ， n ， Q为与岩性相关的常数，见表 1 ． K a r a t o 最近还提出了一个考虑岩石晶粒尺寸的蠕变速率估 算公式，将该研究扩展到了微细观领域 【3 o ] ． 表 1 式 6 中蠕变模型参数取值 [ 2 8 1 现场研究方面， 目前核废料地质处置的研究十分 活跃，发表了大量成果 [3 1 3 5 ] ， 其中以跨国合作项 目 D E C O V A L E X最具代表性 [3 1 J ， 该项 目重点就是研究 热 一 水 ． 力耦合作用下核废料储存库的长期稳定性 尤其是洞库围岩的流变特性． Mu I l s o n 【3 4 J 提出了一 个模拟核废料储存库围岩 岩盐 的多因素变形模型 m u l t i me c h a n i s m d e f o r ma t i o n ，该模型充分考虑了 热 一力耦合作用对岩盐流变特性的影响，在选取合 适参数的条件下与位于美国新墨西哥州的地下核废 料储存试验库 w a s t e i s o l a t i o n p i l o t p l a n e 的长期观 测结果十分接近．对一些质地非常坚硬的岩石如花 岗岩，在长时微破裂效应和地下水力诱致应力腐蚀 w a t e r i n d u c e d s t r e s s c o r r o s i o n 的耦合作用下，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 _3 6 ． ， 如根据瑞典 F o r s ma r k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 l 0 0 0年后，岩石剥离波及的深度将达到 3 m[3 7 ] ． 矿山开采中， 一般认为优质硬岩不会产生明显的 流变， 但在深部高地应力条件下情况有所不同， 如南 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 [ 3 8 ,3 9 】 ．对于软岩巷道， Mu ir w o o d [ o 】 提出了一个非常简单的参数来衡量巷道围岩的流变 维普资讯 性，即所谓岩石的承载因子 C c o mp e t e n c y f a c t o r ． 定义为 。 8 pgh 式中 。 为岩石单轴抗压强度，P为上覆岩层平均容 重， g为重力加速度， h为巷道埋深． B a r l a [ lJ 讨 论了该参数的适用范围， A y d a n等 【4 2 j 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 岩都满足 c 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 4 0 0 m， 该准则是否适用于深部硬岩 目前尚无定论 ． E E 、 ＼ 墟 釉 观测时间 ／ d 图 6 南非 H a r t e b e e s t f o n t e i n矿 7 8 A 2 4巷道两帮变形量观 测结果 [ 3 9 】 Ma l a n [3 8 ,3 9 ] 系统研究了南非金矿深部硬岩的流 变性， 他们进行了大量现场观测研究， 得出了一些有 价值的研究结论．如南非 H a r t e b e e s t f o n t e i n矿的一 条巷道，围岩为泥质石英岩，单轴抗压强度为 1 3 0 1 7 0 MP a ， 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 5 0 c m／月 的水平 _3 8 _ ．图 5显示了该区域一条运输巷道两帮 移近量的观测结果，观测站的围岩单轴抗压强度高 达 1 7 7 MP a ，观测的 1 8 0 d 内巷道两帮的移近量达 65 mm 4 围压对岩石强度及破坏特征的影响 4 ． 1 岩石强度与强度准则 有资料表明 _4 ， 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 6 0 0 m 变化 到 8 0 0 1 0 0 0 m 时，强度为 2 14 0 MP a的岩 石所占的比重从 3 0 ％ 减少到 2 4 ％， 而强度为 8 1 1 0 0 MP a的岩石的比重则从 5 ． 5 ％增加到 2 4 ． 5 ％， 并 且岩石更脆，更容易发生岩爆． 如果说浅部岩石强度理论是以摩尔 一 库仑准则 为主的线性破坏准则为主的话， 那么深部高地应力下 则更多地采用了非线性强度准则．H o e k 和 B r o w n [4 5 ] 通过大量岩石实验和现场监测提出了一个著名的经 验强度准则 。 c／ O r 3 图 7 高应力条件下岩石强度准则 [ 1 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 加 ∞ 4 4 4 4 4 4 4 4 维普资讯 式中 m 及 s为经验常数， m 为一个有限的正值， 反映岩石的软硬程度，8 值反映岩体破碎程度． 该强 度准则充分考虑了高地应力和岩体结构对强度的影 响． 考虑到岩体本身和赋存环境的复杂性， H o e k将 该公式推广到更一般的情形 一 盯 O “ 3 s 计算出的岩体强度如图 8曲线 l 所示． S h i ma d a和 L i u [ 。 】 根据实验发现，在 2 0 0 。 C一2 8 0 。 C和不同围 压的条件下， 花岗岩具有较低的强度值， 据此他们提 出了地壳强度结构的圣诞树模型， 合理解释了大陆地 壳多震层 的成因． 1 0 4 2 岩石破坏特征 式中 m．，， ． 和 Q为岩体特性参数． R a m a m u r t h y [ ] 和 S i n g h [ 】 在摩尔 一 库仑强度 准则的基础上， 提出了一个表征高地应力下完整岩石 的更一般形式的强度准则 口f ／ 1 1 1 ＼ 0． c／ 式中 B， 皆为岩石类型参数． S i n g h [“ 】 还根据 大量实验数据，总结了在非常高的侧向应力下 高达 7 0 0 MP a 的现有岩石非线性强度准则 见图 7 ． s h i m a d a 给出了地球岩石圈各种强度的推测 曲线 图 8 ， 并总结出如下强度估算公式 图 8 地壳岩石圈表层各种强度 的推测 曲线实线1 为岩 体强度，虚线2为温度对强度的影响，虚线3 为围 压对强度的影响，实线4 为摩擦强度，实线5 为 蠕变强度 地压梯度为 2 7 MP a ／ k m， 地温梯度为 T K 3 5 0 1 5 z k m [4 s ] 0． 1 0 -3 1 8 0 - 1 4 ． 3 3 p ／ 1 8 0 。 4 1 7 ． 1 1 0 - 4 一3 5 8 } ． 0 ． 0 2 1 7 l o g 1 ． 1 3 2 1 2 式中 P为围压，这里 P0- 3 ， MP a ； T为地层温度， K 为应变速率．上式中第一个 表示围压的影 响，第二个 表示温度的影响，第三个 { 表示应 变率的影响．当应变速率取 1 0 一 s 一 时，用式 1 2 9 6 随着开采深度的增加，岩石破坏机理也随之转 化，由浅部的脆性能或断裂韧度控制的破坏转化为 深部开采条件下 由侧 向应力控制的断裂生长破坏， 更进一步， 实际上就是由浅部的动态破坏转化为深部 的准静态 q u a s i s t a t i c 破坏，以及由浅部的脆性力 学响应转化为深部的潜在的延性行为 p o t e n t i a l f o r d u c t i l e b e h a v io r 力学响应 _5 ． 与此观点相反， 有些 人则认为深部岩体的破坏更多地表现为动态的突然 破坏，即岩爆或矿震 5 1 ．5 2 ] ．根据相关的统计资料， 岩爆多发生在强度高、厚度大的 硬岩层中， 对含煤 地层而言， 岩爆发生的典型条件是顶底板含有较厚的 砂岩，如表 2所示． 一 般认为岩爆的主要影响因素包括煤层顶底板 条件、原岩应力、埋深、煤层物理力学特性、厚度及 倾角等．至于岩爆与采深的关系， 尽管在极浅的硬煤 层中 深度小于 1 0 0 m， 有的甚至在 3 0～5 0 m 也有 发生岩爆的记载，但 目前的统计资料仍显示随着开 采深度 的增加，岩爆发生次数及强度也会随之上升 图 9 ． 南非金矿的统计数据甚至表明，岩爆次数与 采深之问存在十分明显的线形关系 ， 一 1 ’ 2 1 ． o 导o ．8 0’ 。 0_ 4 o 20 0 1 0 0 6 0 0 8 00 埋深 ／ m 图 9 岩爆 次数与深度的关系 [ 3 ] 南非金矿过去几十年的开采实践表明 ， 深部 开采过程中岩爆的产生是有一定规律的． 总结起来， 主要有 3点规律 1 岩爆的产生与岩层的剪切破 坏有关，尤其是岩层沿预先存在的不连续面产生滑 移占主导地位； 2 岩爆多发生在采掘活动频繁的区 域， 统计表明，深部开采大部分岩爆都发生在工作面 附近 1 0 0 2 0 0 in范围内； 3 深部开采岩爆的发 生具有一定的随机性， 因此岩爆的预测预报只能建立 在统计观点基础上， 而准确预报岩爆发生的时间与地 点几乎是不可能的． 但有一点是可以肯定的， 即当一 维普资讯 些不利因素如开采空间大、支撑压力高、 断层发育等 同时出现时， 产生岩爆的几率将大大增加．因此在此 基础上发展的岩石力学模型对于预测岩爆 的发生是 十分有帮助的． 采深增加引起岩爆危 险性增 大的机理十分复 杂， 从开采环境看， 采深的增加将导致煤层顶底板压 力的增大， 尤其是开采空间附近顶底板移近量的急剧 增大， 对煤层的夹持作用更加明显， 十分有利于煤岩 中弹性能的聚集； 并且煤层 自身的物理力学性能也将 发生明显的改变， 将由浅部的脆性状态转化为深部的 准粘性 q u a s i v i s c o u s 材料， 十分容易由煤岩体的流 变过程 r h e o l o g i c a l p r o c e s s 演化为岩爆 _5 5 ． ． 例如， 南非金矿的深部开采中，即使是非常坚硬的岩石因 受到采掘影响而向新的平衡态的转移过程也不是瞬 间完成的，而是一个随时问演化的过程 _5 6 ． ． 近几年 一 些研究人员已开始关注这一现象，他们发现在深 部开采中，坚硬岩层也具有十分明显的时间效应现 象 _3 8 ． ， 而一旦将这种岩石样本在实验室进行实验， 却几乎观测不到时间效应现象或流变速率十分低， 实验室的实验结果与现场 观测结果之 间的差异十 分明显，无法解释现场观测到的十分明显的时效现 象 [3 9 ] ． D u r r h e i m 等 [5 7 ] 和 B o n i f a c e 等 也研究了 岩爆发生的原因， 认为主要是由于高的地应力、发育 的地质构造和岩层中含有易碎的页岩等几方面因素 的综合影响结果． 表 2 产生岩爆的顶底板条件 E 。 岩 层 厚 度岩 体 抗 压岩 体 弹 模／ 0 l煤 } 顶 底 板 岩 性 石 蒿厦 深部开采中，不仅岩爆的发生与岩层 的运动速 率存在十分明显的关系，且岩爆 的强度与震级也与 岩层的运动速率有关 [5 9 , 6 0 】 ．因此 目前预报岩爆的重 要参数就是岩层的位移和运动速率．另外， 深部开采 引起的开采沉陷极有可能成为岩爆的诱因，同时地 质结构面 弱面的活化也可能导致岩爆，地质构造 面附近的应力重新分布甚至有可能导致一系列的前 震 f o r e s h o c k s ， 因此深部矿井岩爆的空间分布和时 间分布都十分复杂， 且岩爆事件组成的时间序列很有 可能不符合正态分布 [6 1 ,6 2 】 ． 深部岩爆地层 b u r s t p r o n e g r o u n d 的支护是一 个世界性难题， 根据加拿大的经验， 岩爆危险区的理 想支护方式应具有以下特征 【。 。 。 1 1 支护体应具 有较高的初始刚度； 2 即使在大变形条件下支护体 同样应具有良好承载能力； 3 支护系统具备柔性特 性．同时应该指出，由于巷道设计过程中存在诸多不 确定因素如支架载荷、 破坏机理等， 因此严格意义上 的工程设计方法在深部岩爆地层支护设计中没有多 大意义，主要应更新支护观念． 5 结束语 我国目前 9 5 ％ 的能源和 8 0 ％ 以上的工业原料 来 自于矿产资源，预计今后 3 0年，将是中国历史上 最大、 最集中需求矿产品的时期．为满足社会与经济 发展日益增长的需求， 资源开采不断向深部发展． 然 而，采深的逐年增加导致水压、地压、地温也相应增 加，使得开采难度加大， 作业环境恶化、通风降温和 生产成本急剧增加，且井巷失稳、瓦斯突出、冲击地 压等灾害事故时有发生，为深部资源开采提出了严 重挑战．深部资源开采的难度很大程度上在于深部 岩体所处的环境十分复杂，即所谓 “ 三高”环境 地 压高、地温高和孔隙水压高 以及岩体明显的流变特 征，深部开采还涉及到强烈的开采扰动． 本文的总结主要集中在深部开采高地应力条件 下的岩石力学行为， 实际上， 该问题涉及的相关领域 还包括核废料处置、油气开采、地热开发、 深埋长隧 等， 这些工程问题除考虑地应力作为独立的影响因素 外， 还必须考虑温度 一 渗流 一 应力之间的耦合影响， 这方面的研究也取得了大量成果 [3 1 3 5 ] ．从本文综 述可见， 目前对于高地应力条件下岩石力学行为的 研究，主要成果皆集中在实验研究和现场统计研究 上， 理论方面的成果相对较少， 因此该领域理论方面 的研究尤其是热 一 水 一 力耦合作用的理论研究是一 个值得关注的方向． 致谢 本文定稿于新加坡南洋理工大学，第一作者感 谢国际岩石力学学会亚洲区主席、 T u n n e ll i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y主编、南洋理工大 学赵坚教授的邀请；波兰西里西亚工业大学 M． A ． K w a s n i e w s k i 博士、香港大学岳中琦教授、法国傅里 叶大学 M． B o u l o n教授提供了部分参考文献，作者 一 并表示感谢， 同时也十分感谢本文评阅人提出的修 改意 见 ． 参考 文献 l谢和平． 深部高应力下的资源开采 现状、基础科学问题与展 望． 见香山科学会议编． 科学前沿与未来， 第 1 7 5次香山科学会 议，北京， 2 0 0 1 一 l 1 - 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v e r s e l y i s o t r o pi c r o c k ． In t J R o c k M e c h M i n S c i Ge o T l e c h Ab s t r ，1 9 9 4 ， 3 1 1 2 3 ～3 4 1 0 He r g e t G．St r e s s es i n Roc k． Ro t t e r da m A．A ．Bal k ema， 1 9 88 1 1 Kar man T vo n． Fe s t i g ke i t s v er s uc h e un t er a l l s ei t i g em Dr uc k．Ze i t d r De ut s c he r I ng ．1 911 ，55 1 7 49 1 7 57 1 2 Pa t er s on M ．S．Expe r i m e n t a l de for mat i on an d f aul t i ng i n W ombe ya n m a r bl e ．Bul l Ge ol So c A仇 ，1 95 8，694 65 46 7 1 3 Pa t er s on M S．Expe r i me nt al Roc k Defor m a t i on t he Br i t t l e Fi e l d．Be r l i nSpr i ng e r ，1 97 8 l 4 M o K．De for mat i o n and f r a ct ur e of r oc k s u nde r c o nfin i n g pr e s s ur e e l a s t i c i t y a nd pl as t i c i t y of s o m e r oc k s ． Bul l Ea r t hq ua ke Re s I ns t Tok y o Uni v ．1 9 65 ．433 49 37 9 l 5 M o gi K ．Pr es s ur e de pe nde nc e of r oc k s t r e ngt h a nd t r a ns i t i o n f r om b r i t t l e f r a c t ur e t o duc t i l e f l o w． Bul l Ea r t hq ua ke Re s M s t Tok y o Uni v．1 96 6．4 42 15 23 2 l 6 He a r d H C．Tr ans i t i on f r o m br i t t l e f r ac t ur e t o duc t i l e flo w i n Sol e nho f e n l i m e s t on e as a f un c t i on of t e m pe r a t ur e ，c on - fini n g pr e s s ur e，a nd i n t e r s t i t i a l flui d pr e s s ur e ．I nGr i g gs D， Ha ndi n J e ds ．Ro c k Def or m a t i on．1 9 60．1 93 22 6 1 7 Si n gh J．St r e ngt h of r o c ks at de pt h． I n M au r y V，Four - m a i nt r a x D．e ds ．Roc k a t Gr e at De pt h．Rot t e r dam A．A ． Ba l k e m a ．1 9 89．37 44 l 8 Kwas ni e ws ki M ． La ws of br i t t l e f ai l ur e an d o f B D t r ans i t i on i n s a nds t o ne．I nM aur y V ．Fou r mai nt r ax D ．e ds ．Roc k at Gr e a t De pt h．Ro t t e r d