深部开采岩体力学及工程灾害控制研究.pdf

2 0 0 7年第 3 期 煤矿支护 深部开采岩体力学及工程灾害控制研 究 何 满潮 谢 和平 E 1 ．中国矿业大学 北京 ，北京 1 0 0 0 8 3 ； 彭苏萍 姜耀 东 2 ．中国地质大学 北京 ，北京 1 0 0 0 8 3 ] 摘 要 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，国内外学者通过理论研究、室内及现场实验研究取得了大量的成果。本文 结合笔者 的研究工作，总结分析 了深部开采与浅部开采岩体工程力学特性的主要区 别，主要表现在”三高一扰动”的恶劣环境、五个力学特性转化特点、四个方面的 矿井转型、六大灾害表现形式。针对深部工程所处的特殊地质力学环境，通过对深 部工程岩体非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 已经部分或相 当大部分失效，深入进行深部工程岩体 的基础理论研 究已势在 必行。 关键词 岩石力学 深部开采 三高一扰动 工程特性 灾害控制 地下能源与矿产资源的有效 、稳定开发 和利用是保持国民经济持续发展和国家经济 安全战略实施的重要保障。随着对能源需求 量的增加和开采强度的不断加大 ，浅部资源 日益减少 ，国内外矿山都相继进入深部资源 开采状态。 在煤炭资源开采方面，我 国目前已探明 的煤炭资源量占世界总量的 1 1 ． 1 ，石油和 天然气仅 占总量的 2 ． 4 和 1 ． 2 9 ， 6 。而我国埋 深在 1 0 0 0 m以下的煤炭资源为 2 ． 9 5万亿 t ， 占煤炭资源总量的 5 3 o／ [ 1 ] 。根据 目前资源开 采状况，我国煤矿开采深度以每年 8 ～1 2 1T I 的速度增加，东部矿井正以每 1 0 年 1 0 0 2 5 0 m的速度发展[ 2 _ 引。近年来己有一批矿山进入 深部开采。其中，在煤炭开采方面，沈 阳采 屯矿开采深度为 1 1 9 7 1 T I 、开滦赵各庄矿开采 深度为 1 1 5 9 m、徐 州张小楼 矿开采 深度 为 l l O O m、北票冠 山矿开采深度 为 1 0 5 9 m、新 汶孙村矿开采深度为 1 0 5 5 、北京 门头沟开 采深度为 1 0 0 8 m、长广矿开采深度为 l O 0 0 m。 可以预计在未来 2 0年我国很多煤矿将进入到 l O 0 0 1 5 0 0 m 的深度。我国国有重点煤矿平 均采深变化趋势如图 I 所示。 年度 l 9 8 0 I 9 9 5 2 0 0 0 2 01 0 2 0 2 0 地表 6 0 0 1 0 0 0 强 I 5 0 0 图 1 我 国国有I点爆矿平均采深变化趋势 在其他矿产资源开采方面 ，随着需求量 的不断增长，年需矿石的缺口越来越大，仅 铜矿的缺口，“ 九五”期间就达到了 8 0 0 0万 t ／ 年，在我国已探明的 4 5种主要矿产中，到 2 0 1 0年可满足需求的只有 2 1 种 ，到 2 0 2 0年 将下降为 6 种 ，2 0 2 0年预计我国铁矿石需求 量为 3 ． 7 1 亿 t ，其保证度只有 6 2 2 ／ 6 ，铜的需 求量 2 2 0万 t ，保证 度只有 5 7 [ 4 ] 。目前， 维普资讯 2 煤矿支护 2 0 0 7年第 3 期 大批金属与有色金属矿 山已转入深部开采， 红透 山铜矿 目前开采己进入 9 0 0 1 1 0 0 m深 度， 冬瓜山铜矿现已建成 2 条超 l O 0 0 m竖井 来进行深部开采，弓长岭铁矿设计开拓水平 7 5 0 m，距地表达 l O 0 0 m，夹皮沟金矿二道沟 坑口矿体延深至 1 0 5 0 m，湘西金矿开拓 3 8个 中段，垂深超过 8 5 0 m。此外 ，还有寿王坟铜 矿 、凡口铅钵矿、金川镍矿、乳山金矿等许 多矿山都将进行深部开采。预计将有 2 1 5的 地下矿山在 3 ～5 年后转入深部开采 ，在今后 1 0 2 0年内，我国金属和有色金属矿山将进 入 1 0 0 0 2 0 0 0 m深度开采。而国外地下矿产 资源的开采已经进入深部开采阶段。据不完 全统计 ，国外开采深度超千米的金属矿山 有 8 0多座，其中最多为南非 。南非绝大多数 金矿的开采深度大都在 l O 0 0 m 以下。其 中， A n g l o g o l d 有限公司的西部深井金矿，采矿深 度达 3 7 0 0 m，we s t D r i e f o v t e n金矿矿体赋存 于地下 6 0 0 m，并一 直延 伸至 6 0 0 0 m 以下。 印度的 Ko l a r 金矿区，己有三座金矿采深超 2 4 0 0 m，其中钱皮恩里夫金矿共开拓 1 1 2个 阶段，总深 3 2 6 0 m。俄罗斯的克里沃罗格铁 矿区，已有捷尔任斯基、基洛夫、共产国际 等 8 座矿山采准深度达 9 1 0 m，开拓深度到 1 5 7 0 m，将来 要 达 到 2 0 0 0 ～2 5 0 0 m。另外 ， 加拿大、美国、澳大利亚一些有色金属矿山 采深亦超过 l O 0 0 m。国外一些主要产煤 国家 从 2 0世 纪 6 0年代 就 开始 进入 深井 开采 。 1 9 6 0年前，西德平均开采深度已经达 6 5 0 m， 1 9 8 7 年已将近达 9 0 0 m；原苏联在 2 0 世纪 8 0 年代末就有一半 以上产量来 自 6 0 0 m 以下深 部。国外深部工程开采现状如图 2 所示 。 蓖 国日本沛 接 同俄 斯 印 南非 图 2国外深部工程开采现状 随着开采深度的不断增加，地质环境更 加复杂，地应力增大、涌水量加大、地温升 高，导致突发性工程灾害和重大恶性事故增 加 ，如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现 加剧、巷道围岩大变形、流变、地温升高等， 对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。 2国内外研究现状 深部开采工程岩石力学主要是指在进行 深部资源开采过程中而引发的与巷道工程及 采场工程有关的岩石力学问题 。而 目前深部 资源开采过程中所产生的岩石力学问题 已成 为国内外研究的焦点 1 , 2 , 4 , 1 0 - 1 7 ] 。 早在 2 0 世纪 8 0 年代初，国外已经开始 注意对深井 问题 的研究。1 9 8 3年 ，原苏联 的权威学者就提出对超过 1 6 0 0 m 的深 煤 矿井开采进行专题研究。当时的西德还建立 了特大型模拟试 验台，专门对 1 6 0 0 m 深矿 井的三维 矿压 问题进 行 了模 拟试验研 究。 1 9 8 9 年岩石力学学会 曾在法 国召开 “ 深部 岩石力学”问题国际会议 ，并 出版了相关的 专著 。近二 十年来 ，国 内外学者在岩爆预 测、软岩大变形机制 、隧道涌水量预测及岩 爆防治措施 改善围岩的物理力学性质、应 力解除、及时进行锚喷支护施工、合理的施 工方法等 、软岩防治措施 加强稳定掌子 面 、加强基脚及防止断面挤入、防止开裂的 锚、喷、支 ，分断面开挖等等各方面进行 了深入的研究，取得了很大的成绩 。一些有 深井开采矿山的国家，如美 国、加拿大、澳 大利亚、南非，波兰等，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 合深部开采相关理论和技术开展基础问题的 研究 。南 非政府、大学与工业部 门密切 配 合 ，从 1 9 9 8年 7 月开始启动了一个 “ D e e p Mi n e ”的研 究计划 ，耗 资约合 1 ． 3 8亿 美 元 ，旨在解决深部 的金矿安全 、经济开采所 需解决的一些关键问题。加拿大联邦和省政 府及采矿工业部门合作开展了为期 1 0 年的 枷 ～ Ⅷ 枷 螂 墨 维普资讯 2 0 0 7 年第 3 期 煤矿支护 3 两个深井研究计划 ，在微震与岩爆的统计预 报方面的计算机模型研究 ，以及针对岩爆潜 在区的支护体系和岩爆危险评估等进行 了卓 有成效的探讨。美 国 I d a h o大学 、密西根工 业大学及西南研究院就此展开了深井开采研 究，并与美国国防部合作，就岩爆引发的地 震信号和天然地震或化爆与核爆信号的差异 与辨别进行了研究。西澳大利亚大学在深井 开采方面也进行了大量工作。 近些年来 ，随着我国国民经济和科学技 术的发展 ，复杂地质条件下一些长深铁路 、 公路隧道的修建 ，深部开采事故的预防应用 和发展了许多先进的科学技术和理论 ，在软 岩支护、岩爆 防治、超前探测、信息化施工 等方面，隧道工程部门、中国矿业大学、中 南大学、东北大学 、重庆 大学 、同济大学 、 西南交通大学等进行了大量 的研究和实践 ， 积累了丰富的实践经验 ，具有开展相关研究 的基础与条件。 “ 九五”期间，中国矿业大 学在深部煤矿开发中灾害预测和防治研究 、 武汉岩土所在峒室优化及稳定性研究 、中南 大学 千米深井岩爆发生机理与控制技术研 究 、北京科技 大学 抚顺老虎台矿开采 引 发矿震的研究等都做了许多有益工作，取 得了重要成果。 目前该领域的研究主要进展有以下几个 方面。 2 ． 1 深部岩石 的 变形性质 1 深部岩体的脆一延转化 岩石在不同围压下表现出不同的峰后特 性 ，在较低 围压下表现为脆性的岩石可以在 高围 压 下 转 化 为 延 性。 自 Vo n K a r ma n 1 9 1 1 首先用大理岩进行不同围压条件下 的力学实验以来 ，人们针对围压对岩石力学 性质的影响进行了大量实验研究。文l_ 1 8 l_ 在 室温下对大理岩进行了实验 ，证明了随着压 力增大岩石变形行为由脆性向延性转变的特 性。文D 9 - 2 o 发表过类似的实验结果 ，并指出 脆一延转 化通常与岩石强度有关 。文l_ 2 l _ 也 曾获得过类似的结论 ，但对于诸如花岗岩和 大理岩这类岩石 ，在室温下 即使 围压 达到 1 0 0 0 MP a 甚至以上时仍表现为脆性。而有 的现场观测资料表明，像花岗闪长岩这种极 坚硬的岩石在长期地质力作用下也会发生很 大延性变形 。 岩石破坏时在不同的围压水平上表现出 不同的应变值 ，当岩石发生脆性破坏时 ，通 常不伴有或仅伴有少量的永久变形或塑性变 形 ，当岩石呈延性破坏时，其永久应变通常 较大，因此 ，文E 2 2 - z 3 用岩石破坏时的应变值 作为脆一延转化判别标准。 文凹 ] 根据亚洲 、欧洲 、美洲和 非洲 的 1 0 1 个砂岩试件的实验数据，对岩石的脆一 延转化规律进行了深入研究 ，系统分析了脆 一 延转化临界条件 ，并研究了脆一延转化过 程 中的过渡 态性质 ，文_ 2 ] 认 为过 渡态 中， 通常具有脆性破坏的特征 ，也具有延性变形 的性质。 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。文[ 2 6 2 7 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 。文l_ 2 给 出 了地球岩石圈各种强度的推测 曲线 ，文l 2 。 0 _ 还发现在脆性向延性转换深度上存在着很高 的应力释放。 总之，脆一延转化是岩石在高温和高压 作用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 化的机理却研究较少 ， 还没有 比较成熟的成果。 2 深部岩石的流变特性 在深部高应力环境中，岩石具有强时间 效应 ，表现为明显的流变或蠕变 。文『 3 j 在 研究核废料处置时 ，研究了核废料储存库围 维普资讯 4 煤矿支护 2 0 0 7年第 3 期 岩的长期稳定性 和时间效应 问题。一般认 为 ，优质硬岩不会产生较大的流变 ，但南非 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 。 。对 于软岩巷道 ， 文[ 3 ] 提出了一个非常简单 的参数一岩体 的 承载因子 即岩体强度和地应力的比值来 衡量巷道 围岩 的流变性。文[ 3 ] 讨论了该参 数的适用范 围，文[ 3 ] 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 岩承载因子都小于 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 。 文[ 3 ∽ _ 3 9 ] 系统研究 了南非金矿深部硬 岩的流变性 ，发现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 0 mm／ 月的水平_ 3 。 岩石在高应力和其他不利因素的共同作 用下 ，其蠕变更为显著，这种情况在核废料 处置中十分普遍 。例如 ，质地非常坚硬的花 岗岩，在长时微破裂效应和地下水力诱致应 力腐蚀 wa 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 双重不利因素作用下 ，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[ 4 。 蠕变的发生还与岩体中微破裂导致的岩石剥 离有关 ，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 1 0 0 0年后 ，岩石剥落波 及的深度将达到 3 m[ 。 3 深部岩石的扩容性质 文[ 4 。 ] 首次在单轴压缩实验 中观测到岩 石破裂前 出现体积增大现象，文[ 4 。 ] 在 围压 下同样也观测到了扩容现象，不过 ，随着 围 压的增大，扩容的数值会 降低。文[ 2 ] 的实 验进一步表明 ，在低围压下，岩石往往会在 低于峰值强度时由于内部微裂纹张开而产生 扩容现象 ，但在高围压下，岩石的这种扩容 现象不明显甚至完全消失。 2 ． 2 深部岩石的强度和破坏特征 研究表明[ 4 4 - 4 5 ] ，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 l O 0 0 m时，强度为 2 1 4 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 - - - - I O O MP a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。 文[ 2 。 ] 根据大量实验数据 ，总结了在非 常高的侧向应力 高达 7 0 0 MP a 下的岩石 强度准则，提出了一个非线性的岩石强度准 则。文[ 4 ] 根据实验发现 ，在 2 0 0 2 8 0℃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。 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 的潜在的延性行为力学响应[ 4 。 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_ 4 。 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[ 4 。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_ 5 。 。 。 2 ． 3 深部岩石的破碎诱导机理 在深井开采中，坚硬矿岩出现的 “ 好凿 好爆”现象给人们重要启示，这种现象应该 是高应力所致。因此，在深部开采中，如何 维普资讯 2 0 0 7 年第 3 期 煤矿支护 5 有效地预防和抑制由高应力诱发的岩爆等灾 害性事故发生的同时，又充分利用高应力与 应力波应力场叠 加组合高效率 的破裂矿岩 ， 应成为深部开采中需要迫切研究的课题 。 近十几年来 ，国内外对岩石分别在高应 力状态和动荷载作用下的特性与响应做 了一 系列细致而深入的研究。以三轴实验仪为主 要实验设备，对岩石在高应力状态下的物理 特性与破坏进行 了实验研 究，利用细 观力 学、断裂力学以及损伤力学等现代理论，对 岩石的本构特征 、断裂破坏机理进行了理论 与数值分析 ，从而对冲击地压 、岩爆等物理 现象有了本质的认识[ 5 1 - 5 3 1 ；另一方面，以霍 布金逊压杆与轻气炮为主要冲击实验设备 ， 对岩石在动荷载作用下高应变率段的动力参 量与动力性质进行了实验研究 ，并从应力波 理论的角度利用各种现代方法对岩石的动态 本构特征、应力波在岩石中的传播与能量耗 散以及界面边界效应等方面进行了理论分析 推导与数值模拟 ，从而得到了一系列岩石动 态破坏规律[ 5 4 - 5 8 ] 。纵观国内外的研究 ，我们 发现，至今为止还没有重视在高应力状态下 的岩石动态特性与碎裂机理的研究_ 5 ％ 。有 限的研究主要限制在脆性材料在高应力与应 力脉冲组合下的理论分析上[ 6 。 3 深部开采与浅部开采的区别 深部开采与浅部开采的区别在于深部岩 石所处的特殊环境 ，即 “ 三高一扰动”的复 杂力学环境 。 3 ． 1 “ 三高” “ 三高”主要是指高地应力、高地温、 高岩溶水压。 1 高地应力 进入深部开采以后 ，仅重力引起的垂直 原岩应力 通常就 超过工程 岩体 的抗 压强度 2 0 MP a ，而 由于工程 开挖所 引起 的水 平应力集 中则远大于工程岩体的强度 4 0 MP a 。据已有的地应力 资料显示 ，深部岩 体形成 历史久远 ，留有 远古构造运动 的痕 迹，其中存有构造应力场或残余构造应力 场 。二者的叠合累积为高应力，在深部岩体 中形成了异常的地应力场。据南非地应力测 定 ，在 3 5 0 0 ～5 0 0 0 m 之 间，水平 地应力为 9 5 1 3 5 M Pa 。 2 高地温 根据量测，越往地下深处，地温越 高。 地温梯度一般为 3 O ～5 0 ℃／ k m 不等，常规 情况下 的地温梯度 为 3 0 o C／ k m。断层 附近 或导热率高的异常局部地区，地温梯度有时 高达 2 0 0 ℃／ k m。岩体 在超 常 规 温度 环 境 下 ，表现 出的力学、变形性质与普通环境条 件下具有很大差别。地温可以使岩体热胀冷 缩破 碎，而且 岩体 内温度变化 1 C可 产生 0 ． 4 ～0 ． 5 MP a的地应力变化 。岩体温度升 高产生的地应力变化对工程岩体的力学特性 会产生显著的影响 。 3 高岩溶水压 进入深 部以后 ，随着 地应力及地 温升 高，同时会伴随岩溶水压的升高 ，在采深大 于 l O 0 0 m时 ，其岩溶水压将高达 7 MP a ，甚 至更高。岩溶水压的升高 ，使得矿井突水灾 害更为严重 。 3 ． 2采矿扰 动 采矿扰动主要指强烈的开采扰动。进入 深部开采后 ，在承受高地应力的同时 ，大多 数巷道要经受硕大的回采空间引起强烈的支 承压力作用 ，使受采动影响的巷道围岩压力 数倍 、甚至近十倍于原岩应力 ，从而造成在 浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部却可能 表现 出软 岩大变形、大地压 、难 支护的特 征 ；浅部的原岩体大多处于弹性应力状态， 而进入深部以后则可能处于塑性状态，即有 各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超 过岩石的强度 ，造成岩石的破坏 。 4 深部开采工程岩体力学特性 4 ． 1 深部工程岩体的地质力学特性 维普资讯 6 煤矿支护 2 0 0 7 年第 3 期 与浅部岩体相比，深部岩体更凸现出具 有漫长地质历史背景、充满建造和改造历史 遗留痕迹、并具有现代地质环境特点的复杂 地质力学材料 ，如图 3所示。 力学历史I l现代地质力学特点l I未来力学行 ． h I 盛 坌I l 邀 挚 ll 垄 些 堕 塑 J 一 塑 堕 芏 笪 一1． i I 一 工程构 造 ’ { 深部 岩体卜 _ 变 形力 学行为 一I ． ] ． 1 一 囱豳豳 蕊丽 图 3 深部岩体地质 力学特点 深部工程岩体产生冲击地压、岩爆、瓦斯突 出、流变、底板突水等非线性力学现象的原 因，归根结底是由于深部岩体因其所处的地 球物理环境 的特殊性 和应力场 的复杂性所 致。受其影响，深部岩体的受力及其作用过 程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 虽然由于地质条件的复杂 性也含有非线性力学 问题 ，而是非线性力 学系统，其稳定性控制的难点和复杂性在于 不再含有线性问题 ，如表 1所示 。 表 1 深部岩体与浅部岩体 的受力特点对 比 材料 受力特点 力学特点 能量场特点 加载过程 叠加原理 工程设计方法 地面建筑材料 砖 自重 线性 保守 无关 遵循 浅部岩体 自重 ＆低地应力 线性 保守 无关 遵循 数设计 深部岩体 自重 高地应力 非线性 耗散场 密切相关 不遵循 非线性力 学设 4 ． 2 深部工程岩体的工程力学特性 进入深部以后，受 “ 三高一扰动”作 用，深部工程围岩的地质力学环境较浅部发 生了很大变化，从而使深部工程围岩表现出 特有的力学特征现象 ，主要包括以下五个力 学特性转化特点。 1 围岩应力场的复杂性 浅部巷道 围岩状态通常可分为松动区、 塑性区和弹性区三个区域，其本构关系可采 用弹塑性力学理论进行推导求解[ 6 。然而， 研究表明，深部巷道围岩产生膨胀带和压缩 带 ，或称为破裂区和未破坏区交替出现的情 形 ，且其宽度按等比数列递增 ，这一现象被 称为 区域破 裂 现 象 据 E ． I ． S h e my a k i n 。 现场实测研究也证明了深部巷道围岩变形力 学的拉压域复合特征[ 6 引。因此 ，深部巷道围 岩的应力场更为复杂。 2 围岩的大变形和强流变性特性 研究表明，进入深部后岩体变形具有两 种完全不同的趋势 ，一是岩体表现为持续 的 强流变特性 ，不仅变形量大 ，而且具有 明显 的 “ 时间效应” [ 6 引，如煤矿中有的巷道 2 0 余年底臌 不 止，累计底 臌 量达 数 l O m。 文[ 3 3 - 3 4 , 3 9 ] 对南非金矿深部 围岩的流变性进行 了系统研究 ，发现其围岩流变性 十分 明显 ， 巷道围岩最大移近速度达 5 0 0 ram／ 月。二是 岩体并没有发生明显变形 ，但十分破碎 ，处 于破裂状态，按传统的岩体破坏、失稳的概 念，这种岩体已不再具有承载特性 ，但事实 上 ，它 仍 然 具 有 承 载 和 再 次 稳 定 的 能 力[ 6 。 ，借助这一特性，有些巷道还特地将 其布置在破碎岩 煤体中，如沿空掘巷。 3 动力响应 的突变性 浅部岩 体破坏通 常表现 为一个渐进过 程，具有 明显的破坏前兆 变形加剧 。而 深部岩体的动力响应过程往往是突发的、无 前兆 的突变过程 ，具有强烈 的冲击破坏 特 性，宏观表现为巷道顶板或周边围岩的大范 围的突然失稳 、坍塌[ 4 。 。 4 深部岩体的脆性延性转化 试验研究表明[ 1 。 ，岩石在不 同围 压条件下表现出不同的峰后特性 ，由此 ，最 终破坏时应变值也不相同。在浅部 低围压 开采中，岩石破坏以脆性为主 ，通常没有或 仅有少量的永久变形或塑性变形；而进入深 部开采 以后 ，因在 “ 三 高一扰动”作用下 ， 岩石表现出的实际就是它 的峰后 强度 特性， 在高围压作用下岩石可能转化为延性，破坏 时其永久变形量通常较大。因此，随着开采 深度的增加 ，岩石已由浅部的脆性力学响应 转化为深部潜在的延性力学响应行为[ 4 。 5 深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性 维普资讯 2 0 0 7 年第 3 期 煤矿支护 7 浅部资源开采 中，矿井水主要来源是第 四系含水层或地表水通过采动裂隙网络进入 采场和巷道 ，水压小 ，渗水通道范围大，基 本服从岩体等效连续介质渗流模型，涌水量 可根据岩体的渗透率张量进行定量估算 ，因 此 ，突水预测预报尚具可行性。而深部 的状 况却十分特殊 ，首先 ，随着采深加大 ，承压 水位高 ，水头压力大 ；其次，由于采掘扰动 造成断层或裂隙活化 ，而形成渗流通道相对 集 中，矿井涌水通道范围窄，使奥 陶系岩溶 水对巷道 围岩和顶底板形成 严重 的突水灾 害。另外 ，突水往往发生在采掘活动结束后 的一段时间内，具有明显的瞬时突发性和不 可 预测性 。 5 深部开采工程灾害表现形式 由于深部岩石力学行为具有明显 区别 于 浅部岩石力学的重要特征 ，再加上赋存环境 的复杂性 ，致使进入深部开采后 以岩爆 、突 水、顶板大面积来压和采空区失稳为代表 的 一 系列灾害性事故与浅部工程 灾害相 比较 ， 程度加剧，频度 提高，成灾机理更加复杂。 深部工程灾害主要表现为以下六大灾害形式。 1 岩爆频率和强度均明显增加 有关统计资料表明，岩爆多发生在强度 高、厚度大 的坚硬岩 煤层 中，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。目前 的 统计资料显示 ，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，但总的来看，岩爆 与采深 有密切关 系，即随着开采深度的增加，岩爆 的发生次数、强度和规模也会随之上升。 2 采场矿压显现剧烈 随着采深的增加引起的覆岩 自重压力 的 增大和构造应力的增强，表现为围岩发生剧 烈变形、巷道和采场失稳 、并易发生破坏性 的冲击地压，给顶板管理带来许多困难 。 3 突水事故趋于严重 自 1 9 8 4年 6月 2日开滦矿务局范各庄 矿发生井下岩溶 陷落柱特大突水灾害 以来 ， 先后在淮北杨庄矿 、义马新安矿、峰峰梧桐 矿、皖北任楼矿、徐州张集矿又相继发生特 大型奥灰岩岩溶突水淹井事故，初步估计， 经济损失超过 2 7亿元 ，同时产生了若干地 质环境负效应 。 4 巷道围岩变形量大、破坏具有区域性 与浅部一样 ，深部巷道支护 的目的仍是 尽量保持 围岩的完整性以及避免破碎岩体进 一 步产生位移 深部开采一方面 自重应力逐 渐增加 ，同时由于深部岩层的构造一般 比较 发育 ，其构造应力十分突出，致使巷道 围岩 压力大，巷道支护成本增加。据煤炭行业的 有关 资料表明，近 l 0年巷道支护成本增加 了 1 ． 4倍，巷道翻修量 占整个巷道掘进量的 4 0 。 另外 ，浅部围岩在临近破坏时往往 出现 加速变形的现象，工程技术人员常常根据这 一 现象进行破坏之前的预测预报 ，且浅部 围 岩的破坏一般发生在局部范围内。而深部 围 岩在破坏之前几乎处于不变形状态 ，破坏前 兆非常不 明显 ，使破坏预测预报十分 困难 ， 从而造成深部 围岩的破坏往往是大面积 的发 生 ，具有区域性 ，如巷道大面积的冒顶垮落 等。 5 地温升高 、作业环境恶化 深部开采条件下，岩层温度将达到摄氏 几十度的高温，如俄罗斯千米平均地温为 3 0 --4 0℃ ，个别达 5 2 ℃ ，南非某金矿 3 0 0 0 m 时地温达 7 0 ℃ 。地温升高造成井下工人注意 力分散 、劳动率减低 ，甚至无法工作。 6 瓦斯涌出量增大 随着煤矿采 深的增加 ，瓦斯 含量迅速 增加 ，并造成 瓦斯 灾 害事故 的频繁 发 生 。 近年来 ，由于瓦斯 突出和爆炸 引起 的死亡 l 0人 以上 的煤 矿事故 7 0 9 ／ 6 出现 在 中 国采 深 6 0 0 m以下 的矿区 。在另 一方 面 ，深部 煤层处 于较 高的温度 环境下 ，更易 引起 煤 层的 自燃 发火 、触 发矿井火灾 、瓦斯爆 炸 事故的发生 。 维普资讯 8 煤矿支护 2 0 0 7年第 3 期 6 深部开采四个矿井转型 浅部开采时所确定 的矿井类型，进入深 部开采后，由于地质力学环境的改变和力学 性质的转化，矿井的类型也发生转变。在矿 井转型期 间，人们的思想 尚未认知，特别容 易发生事故。因此，转型期将 已是事故 多发期。矿井转型主要表现在以下四个方面。 1 硬岩矿井向软岩矿井的转化 浅部原岩体多数处于弹性应力状态，但进 入深部以后，在高地应力以及采掘扰动力等的 作用下，浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部 可能表现出大变形、难支护的软岩特征，即矿 井由浅部的硬岩矿井转化为软岩矿井。 2 低瓦斯矿井 向高瓦斯矿井的转变 浅部开采条件下 ，由于煤层 中瓦斯气体 运移通道较通畅，可通过上部岩体裂 隙和煤 层露头进行散发 ，进行煤炭开采时，矿井 内 部积聚的瓦斯较少 ，为低瓦斯矿井 。在深部 开采的条件下 ，由于瓦斯运移通道不 畅通 ， 大量的瓦斯气体非均匀地分布在煤岩体的裂 隙和空隙之间，在井下施工过程中，释放到 巷道或工作面内，从而造成瓦斯气体含量急 剧增大，使矿井在深部转变为高瓦斯矿井。 3 非突矿井 向突出矿井的转变 在深部高应力作用下 ，煤层内瓦斯气体 压缩达到极限 ，煤岩体中积聚了大量的气体 能量 ，由于工程扰动的作用，造成压缩气体 的突然、急剧、猛烈释放 ，导致工作面或巷 道的煤岩层结构瞬时破坏而产生煤与瓦斯突 出，从而使浅部不存在煤与瓦斯突出倾 向的 非突矿井 ，进入深部后转变为煤与瓦斯突 出 灾害频发的突出矿井。 另外，在高承压水的作用下 ，煤岩层 内 部积聚了大量的液体能量，当能量聚集到一 定程度 ，在开挖扰动作用或工作面回采过程 中巷道 的顶底 板 向采 掘临空 区发生 突然倾 出，就会造成突水事故的发生，从而使浅部 不产生突水灾害的非突矿井 ，进入深部后转 变为水害频发的突出矿井。 4 非冲击矿井向冲击矿井的转变 在浅部开采条件下，由于工程围岩所承 受的应力荷载主要为 自重应力，一般不会产 生冲击地压。进入深部以后 ，地质构造变得 复杂、自重应力增大 ，煤岩体积聚了大量的 固体能量，在深部地应力 、构造应力以及工 程扰动的作用下 ，使得积聚的能量大于矿体 失稳和破坏所需要的能量，造成整个煤岩系 统失去结构稳定性 ，发生 冲击地压。从而使 得浅部没有冲击倾向性的非冲矿井，进入深 部后转变为冲击地压频发的冲击矿井。 7 深部开采十大理论问题 由于深部工程所处的复杂地质力学环境 及其工程岩体力学特性 的特殊性，深部岩体 力学研究重点为以下十大理论问题 。 1 深部工程岩体的力学特性 深部 “ 三高一扰动”的复杂环境，使深 部岩体的组织结构 、基本行为特征和工程响 应均发生根本性变化，也是导致深部开采中 灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所 在。因此 ，深部岩体长期处于 “ 三高”环境 下 ，由于采掘扰动所及多场 的耦合作用下表 现出的特殊力学行为是深部资源开采所面临 的核心科学问题 。 2 深部工程岩体的连续性问题 基于浅部开采条件下建立起来 的变形体 力学理论 连续体理论都遵循一个基本假 设 ，即物体是连续的，也就是假设整个物体 的体积都被组成这个物体 的物质微元连续分 布占据。在此前提下，物体运动的一些物理 量，如应力、形变、位移等才可能是连续变 化的，才能用坐标 的连续函数来表示它们的 变化规律。但是 ，在深部工程中，上述定义 的极限睛况实际上是不存在 的。因为岩石到 晶粒尺寸范 围，已出现不连续性，而趋于比 晶粒或分子间距小 的某一值。理论上的应力 是某点的应力，物质世界的应力都是某一微 元的平均应力 ，且岩体本身包含有许多微裂 隙、空穴、节理 ，材料组织具有非均匀非连 维普资讯 2 0 0 7年第 3 期 煤矿支护 9 续性 。这就表明，在深部岩体力学领域，不 能原封不动地借用经典理论力学 的连续性假 设和定义，用连续介质力学理论来分析高度 非连续介质的深部岩体力学 问题 ，必须考 虑 假设的合理使用范围和各物理量的适用定义。 3 深部工程岩体的本构关系及参数确 定方法 浅部开采条件下岩石本构关系研究方法 可概括为三类 经典唯象学方法 、反分析经 典力学方法和正演分析经典力学方法。实践 证明，局限于原始的经典唯象学研究方法和 经典力学研究方法都不能够从根本上解决深 部工程岩体的本构关系 问题 。因为深部工程 的研究对象是大尺度范 围下的工程岩体，在 漫长的地质历史过程中，经历了多次地质构 造应力 场的作用 和改 造，节理裂 隙渐趋 发 育 ，岩体损伤程度愈趋加强，在 “ 三高一扰 动”的复杂环境下，深部工程岩体 的本构关 系既不是岩块的本构关 系，也不是岩体结构 面的本构关系。结构面和岩块在 空间是一定 组合状 态 ，又在地 下水等复杂 因素影 响之 下，所表现出来 的应力应变之 间的关 系，其 规律非常复杂。针对这样一个工程模型 ，简 单的借用经典力学的理论方法去理解和研究 是不合适的，必须从深部开采工程的角度去 研究，重新建立工程岩体 的本构关系，解决 岩体参数确定问题。 4 深部工程岩体 的强度确定方法 在浅部开采条件下，由于所处的地应力 水平比较低 ，其工程岩体强度一般采用岩块 的强度 即可 ，即在实验室对岩块进行加载直 至破坏所确 定 的强度 。而在 深部 开采条件 下 ，由于地应力水平 比较高 ，工程开挖后 ， 工程岩体在高围压作用下 ，一个或两个方向 上应力状态的改变所表现出的强度变化，并 不是简单的表现在受拉或受压 ，而是复杂的 拉压复合状态，即径向产生卸载，而切 向产 生加载，因此，其工程岩体强度就不能简单 的用岩块强度来确定 ，必须建立符合深部开 采特点的工程岩体拉压复合强度确定理论。 5 深部工程岩体的强度破坏准则 实验室研究表明 ，岩石在不同围压下表 现出不同的峰后特性 ，在较低 围压下表现为 脆性 的岩 石 可 以在 高 围 压 下转 化 为延 性 d u c t i l e ，岩石破坏时在不同的围压水平上 表现出不同的应变值 ，当