深部开采岩体力学研究的现状

摘 要：在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，“三高一扰动”的复杂环境，是深部开采面临的挑战性、高难度课题。虽然目前对于深部开采工程的研究已经取得了部分成果，但对深层次、注重个案、侧重技术的基础研究重视仍然不够。今后主要研究方向应集中在深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、深部开采地表环境损伤控制以及深部厚煤层综放开采基础理论研究等方面。

关键词：深部开采；岩石力学；三高一扰动

深部开采岩石力学，主要是指在进行深部资源开采过程中引发的与巷道工程及采场工程有关的岩石力学问题。目前，对能源的需求逐步增加，开采强度也不断加大，这些都造成了浅部资源的日益减少，因而国内外的矿山都相继进入深部资源开采状态。而开采深度的不断增加，工程灾害也随之增多，这对深部资源安全高效的开采造成了巨大威胁。

1 深部开采岩体的力学特点

1.1 开采环境

深部开采和浅部开采最明显的区别在于深部岩石所处的特殊环境，也就是“三高一扰动”的复杂力学环境。“三高”主要是指高地温、高地应力和高岩溶水压。“一扰动”主要是指强烈的开采扰动。当进入深部开采后，岩体呈现塑性状态，即由各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超过岩石的强度，并且对岩石造成破坏。

1.2 力学行为特性

深部岩石的“三高一扰动”复杂环境，对深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应产生根本性的影响。主要表现在深部岩体动力响应的突变性，深部岩体应力场的复杂性，深部岩体的大变形和强流变性，深部岩体的脆性一延性转化，深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性等五个方面。

2 深部开采工程中的岩石力学问题

目前对于深部开采工程的研究已经取得了一系列成果，但是对于侧重技术、注重个案的深层次基础研究始终没有得到足够的重视。深部开采“三高一扰动”的复杂力学环境，使深部岩石力学行为及其深部灾害的特征与浅部开采明显不同，因而在浅部开采基础上建立的传统理论不能适应现在的研究环境。

2.1 强度确定

深部开采时地应力水平比较高，因而工程开挖后的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，同时切向产生加载。所以深部开采时工程岩体的强度不能单纯用岩块强度来确定，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。

2.2 设计理论

深部开采时，由于工程围岩所表现出的非线性力学特性，在稳定性控制设计时不能采用简单的一次线性设计，因而必须建立采用二次以至多次非线性大变形力学稳定性控制设计理论。

2.3 稳定性控制理论

在深部开采环境下，工程开挖后工程围岩就会有不同程度的破坏，必须采用二次支护甚至多次支护才能够实现工程稳定性。因此，原有的稳定性控制理论不能适合新的环境，必须建立适合深部开采工程的二次（支护）稳定性控制理论。

3 今后研究重点

随着我国国民经济的提高和科学技术的发展，在复杂地质条件下一些长深铁路、公路隧道的修建，有了许多深部开采事故的预防应用，并由此发展了先进的科学技术和理论。我们认为对岩石力学问题，今后主要研究方向应集中在对深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、深部开采地表环境损伤控制和深部厚煤层综放开采基础理论研究等方面。

3.1 “深部”的概念及其分类体系

目前国内外对深部工程中所引发的岩石力学问题研究十分重视，但是在“深部”、“深部工程”等一系列概念上的差异较大，这些对该领域理论与技术研究的发展及交流有一定影响。因而，对“深部”的概念、分类体系以及评价指标进行科学的定义，是推动深部岩体力学的基础理论研究的当务之急。

3.2 深部岩石力学的基本特性研究

深部工程的“三高一扰动”复杂环境，使得深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应都发生了根本性的变化，同时也导致深部开采中灾变事故的多发性和突发性。因而，深部资源开采面临的核心科学问题正是采掘扰动表现出来的特殊力学行为。其中的深部高应力场成因以及多个应力场的耦合作用状态研究、深部复杂应力状态下岩体拉压复合强度确定方法及其灾变机理更是今后研究的重点。

3.3 深部开采工程的稳定性研究

深部开采工程的稳定性问题是研究围岩在开采破坏后与支护系统相互作用所达到的二次稳定问题。在深部条件下的工作面回采所形成的采动应力场与巷道掘进形成的开挖应力场相互耦合叠加，这些形成了复杂的三维应力场。同时，采动应力的分布与回采空间动态、多维的时空规律以及支承压力区的范围和峰值应力等也将产生很大变化。因此，应该结合深部岩体的非线性力学特性研究，在对深部采场以及巷道围岩采动的应力时空分布规律的深入分析基础上，探讨深部开采采场及巷道一体化的稳定性非线性力学控制对策。

3.4 深部工程灾害的发生机理以及控制对策的研究

在深部条件下，“三高一扰动”环境使深部岩体的基本行为特征、组织结构和工程响应发生了根本性的变化，这同时导致了深部开采中灾变事故的多发性和突发性。因而，研究岩体在地下水、瓦斯、高地应力、温度等作用下的稳定与非稳定变形，破坏状态以及转化机理、条件和规律，探索深部多相介质、多场耦合的作用下工程灾害频度和强度等特征，这些对揭示深部工程灾害的诱发机理和成灾过程，并对相应的灾害提出预测方法及控制对策具有重要意义。

在“三高一扰动”特殊地质力学的环境下，传统的理论、方法和技术已经部分或全部失效。因此，对深部开采工程岩石力学基础理论研究的大力开展，能够对深部资源开发提供可靠的理论基础，并为我国经济的可持续发展和国家安全战略的实施提供有效的能源和资源保证。

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