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1、1.引言2.国内外探讨现状3.深部开采与浅部的区分4.深部开采工程岩体力学特性5.深部开采工程灾难表现形式6.矿井深部开采六个转型7.深部开采十大理论问题8.结语深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展1.引言 F 我国目前已探明的煤炭资源量占世界总量的F 11.1%F 石油和自然气仅占总量的2.4%和1.2%F 煤炭资源埋深在1 000m以下的为2.95万亿吨F 占煤炭资源总量的53%F 煤矿开采深度以每年812 m的速度增加F 东部矿井正以每10年100250 m的速度发展深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展1.引言 己有一批矿山进入深部开采己有一批矿山
2、进入深部开采沈阳采屯矿开采深度为沈阳采屯矿开采深度为1 197 m开滦赵各庄矿开采深度为开滦赵各庄矿开采深度为1 159 m徐州张小楼矿开采深度为徐州张小楼矿开采深度为1 100 m北票冠山矿开采深度为北票冠山矿开采深度为1 059 m新汶孙村矿开采深度为新汶孙村矿开采深度为1 055 m北京门头沟开采深度为北京门头沟开采深度为1 008 m长广矿开采深度为长广矿开采深度为1 000 m预料在将来预料在将来20年进入到年进入到1 0001 500 m深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展1.引言 深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展地表年度1980 199
3、5 2000 2010 20206001 000深度/m1 500288 428 500 700 1 200 延伸速度1025 m/a图1 我国国有重点煤矿平均采深变更趋势 年需矿石的缺口越来越大年需矿石的缺口越来越大 仅铜矿的缺口，仅铜矿的缺口，“九五九五”期间就达到了期间就达到了8 000万吨万吨/年年 已探明的已探明的45种主要矿产中，到种主要矿产中，到2010年可满足需求年可满足需求 的只有的只有21种种 到到2020年将下降为年将下降为6种种 2020年预料我国铁矿石需求量为年预料我国铁矿石需求量为3.71亿吨，其保亿吨，其保证证 度只有度只有62%，铜需求量，铜需求量220万吨，保
4、证度只有万吨，保证度只有57%深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展1.引言 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910 m，开拓深度 到1 570 m，将来要达到2 0002 500 m 加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦 超过1 000 m 1960年前，西德平均开采深度已经达650 m，1987年 已将近达900 m 原苏联在20世纪80年头末就有一半以上产量来自600 m以下深部深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展1.引言 国外矿产资源的开采已经进入深部开采阶段 国外开采超千米深的金属矿山有8
5、0多座 南非绝大多数金矿的开采深度大都在1 000 m以下 Anglogold有限公司的西部深井金矿，采矿深度达 3700m West Driefovten金矿矿体赋存于地下600 m，并始终 延长至6 000 m以下 印度的Kolar金矿区，己有三座金矿采深超2 400 m，其中钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段，总深3 260 m深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展1.引言 深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展1.引言 图2 国外矿山开采深度变更状况 随着开采深度的不断增加，呈现地质环境更加 困难，地应力增大、涌水量加大、地温上升导致突发性工程灾难和重
6、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、低温上升等对深部资源的平安高效开采造成了巨大威逼深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展1.引言 2 国内外探讨现状 深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展F 深部开采工程岩石力学主要是指在进行深部F 资源开采过程中而引发的与巷道工程及采场F 工程有关的岩石问题F 目前深部资源开采过程中所产生的岩石力学F 问题已成为国内外探讨的焦点2 国内外探讨现状 1983年，原苏联的权威学者就提出对超过年，原苏联的权威学者就提出对超过1 600 m深（深（煤）矿煤）矿 井开采进行专题探讨井开
7、采进行专题探讨 当时的西德还建立了特大型模拟试验台，特地对当时的西德还建立了特大型模拟试验台，特地对1 600 m深矿深矿 井的三维矿压问题进行了模拟试验探讨井的三维矿压问题进行了模拟试验探讨 近二十年来，国内外学者在岩爆预料、软岩大变形机制、隧道近二十年来，国内外学者在岩爆预料、软岩大变形机制、隧道 涌水量预料及岩爆防治措施涌水量预料及岩爆防治措施(改善围岩的物理力学性质、应力解改善围岩的物理力学性质、应力解 除、刚好施作锚喷支护、合理的施工法等除、刚好施作锚喷支护、合理的施工法等)、软岩防治措施、软岩防治措施(加强加强 稳定掌子面、加强基脚及防止断面挤入、防止开裂的锚、喷、稳定掌子面、加强
8、基脚及防止断面挤入、防止开裂的锚、喷、支，分断面开挖等支，分断面开挖等)等各方面进行了深化的探讨，取得了很大的等各方面进行了深化的探讨，取得了很大的 成果。成果。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展F 南非政府、高校与工业部门亲密协作，从南非政府、高校与工业部门亲密协作，从19981998年年7 7F 月起先启动了一个月起先启动了一个“Deep Mine”“Deep Mine”的探讨支配，耗资的探讨支配，耗资F 约合约合1.381.38亿美元，旨在解决深部的金矿平安、经亿美元，旨在解决深部的金矿平安、经F 济开采所需解决的一些关键问题。济开采所需解决的一些关键问题。F 加拿
9、大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为F 期期1010年的两个深井探讨支配，在微震与岩爆的统年的两个深井探讨支配，在微震与岩爆的统计计 F 预报方面的计算机模型探讨，以及针对岩爆潜在预报方面的计算机模型探讨，以及针对岩爆潜在区区F 支护体系和岩爆危急评估等进行了卓有成效的探支护体系和岩爆危急评估等进行了卓有成效的探讨讨F 美国美国IdahoIdaho高校、密西根工业高校及西南探讨院就此高校、密西根工业高校及西南探讨院就此F 绽开了深井开采探讨，并与美国国防部合作，就绽开了深井开采探讨，并与美国国防部合作，就岩爆岩爆F 引发的地震信号和自然地震或化爆
10、与核爆信号的引发的地震信号和自然地震或化爆与核爆信号的差异差异F 与辨别进行了探讨与辨别进行了探讨深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展2 国内外探讨现状2.1 2.1 深部岩石的变形性质深部岩石的变形性质(深部岩体的脆深部岩体的脆延转化延转化)岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性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 围压下转化为延性围压下转化为延性 自自vonkarman（1911）首先用大理岩进行）首先用大理岩进行 不同围压条件下的力学试验以来，人们针不同围压条件下的力学试验以来，人们针 对围压队岩
11、石力学性质的影响进行了大量对围压队岩石力学性质的影响进行了大量 试验探讨试验探讨深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展2.1 2.1 深部岩石的变形性质深部岩石的变形性质(深部岩体的脆深部岩体的脆延转化延转化)岩石脆岩石脆延转化临界条件的诸多成果还来自于地延转化临界条件的诸多成果还来自于地壳壳 岩石圈动力学中岩石圈动力学中 压力和温度达到确定条件时，岩石即发生脆压力和温度达到确定条件时，岩石即发生脆延延转转 化，存在转化深度的概念化，存在转化深度的概念 岩石性质与深度有关，当摩擦强度与蠕变强度相岩石性质与深度有关，当摩擦强度与蠕变强度相 等时岩石即进入延性变形态态等时岩石即进
12、入延性变形态态 地球岩石圈各种强度的推想曲线，发觉在脆性向地球岩石圈各种强度的推想曲线，发觉在脆性向 延性转换深度上存在着很高的应力释放延性转换深度上存在着很高的应力释放深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展2.1 2.1 深部岩石的变形性质深部岩石的变形性质(深部岩体的脆深部岩体的脆延转化延转化)脆脆延转化是岩石在高温顺高压作用下表现出的延转化是岩石在高温顺高压作用下表现出的一一 种特殊的变形性质种特殊的变形性质 假如说浅部低围压下岩石破坏仅伴有少量甚至完假如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，则深部高围压下岩石的破全没有永久变形的话，则深部高围压下
13、岩石的破 坏往往伴随着较大的塑性变形坏往往伴随着较大的塑性变形 目前的探讨大多数集中在脆目前的探讨大多数集中在脆延转化的推断标准延转化的推断标准上上 ，而对于脆，而对于脆延转化德机理却探讨较少延转化德机理却探讨较少 目前还没有比较成熟的成果目前还没有比较成熟的成果深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展2.1 2.1 深部岩石的变形性质深部岩石的变形性质(深部岩石的流变特性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 在探讨核废料处置时，探讨了核废料储存库围岩的长 期稳定性和时间效应问题 优质硬岩不会产生较大的流变 南非深部开采实践表明，
14、深部环境下硬岩同样会产生 明显的时间效应 对于软岩巷道，探讨者用岩体的承载因子(即岩体强度 和地应力的比值)来衡量巷道围岩的流变性深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展2.1 2.1 深部岩石的变形性质深部岩石的变形性质(深部岩石的流变特性深部岩石的流变特性)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 即使质地特别坚硬的花岗岩，在长时微裂开效应考核 地下水力诱致应力腐蚀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减弱作用 蠕变的发生还与岩体中微裂开导致的岩石剥离有关，依据瑞典Forsmark核废料候选址的观测记录以及长时 蠕变准则的推想，预
15、料该硐库围岩经验1000a后，岩 石剥落波及的深度将达到3m深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展 在单轴压缩试验中观测到岩石裂开前出现体积增 大现象 在围压下同样也观测到了扩容现象 随着围压的增大，扩容的数值会降低 在低围压下，岩石往往会在低于峰值强度时产生 扩容现象 在高围压下，岩石扩容现象不明显甚至完全消逝 2.1 2.1 深部岩石的变形性质深部岩石的变形性质(深部岩石的扩容性质深部岩石的扩容性质)2.2 2.2 深部岩石的强度和破坏特征深部岩石的强度和破坏特征 探讨表明，总体上岩石的强度随深度的增加而有所提高。如
16、探讨表明，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有的矿区从深度小于600m变更到变更到8001000m时，强度为时，强度为 2140MPa的岩石的岩石 所占的比重从所占的比重从30%削减到削减到24%，而强度，而强度为为 81100MPa岩石的比重则从岩石的比重则从5.5%增加到增加到24.5%，并且岩石，并且岩石 更脆，更简洁发生岩爆更脆，更简洁发生岩爆 依据大量试验数据，总结了在特别高的侧向应力（高达依据大量试验数据，总结了在特别高的侧向应力（高达 700MPa）下的岩石强度准则，提出了一个非线性的强度准）下的岩石强度准则，提出了一个非线性的强度准 则则 依据试验发
17、觉，在依据试验发觉，在200280和不同围压的条件下，花岗岩和不同围压的条件下，花岗岩 具有较低的强度值具有较低的强度值 提出了地壳强度结构的圣诞树模型，合理说明白大陆地壳多提出了地壳强度结构的圣诞树模型，合理说明白大陆地壳多 震层的成因震层的成因 深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展2.2 2.2 深部岩石的强度和破坏特征深部岩石的强度和破坏特征 随着开采深度的增加，岩石破坏机理也随之转化，由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限制的破坏转化为深部开采浅部的脆性能或断裂韧度限制的破坏转化为深部开采 条件下由侧向应力限制的断裂生长破坏条件下
18、由侧向应力限制的断裂生长破坏 事实上就是由浅部的动态破坏转化为深部的准静态破事实上就是由浅部的动态破坏转化为深部的准静态破 坏坏 由浅部的脆性力学响应转化为深部的潜在的延性行为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。力学响应。与此观点相反，有些人则认为深部岩体的破坏更多地与此观点相反，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，即岩爆或矿震表现为动态的突然破坏，即岩爆或矿震深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展2.3 2.3 深部岩石的裂开诱导机理深部岩石的裂开诱导机理 在深井开采中，坚硬矿岩出现的在深井开采中，坚硬矿岩出现的“好凿好爆好凿好爆”
19、现象给人们现象给人们重要启示，这种现象应当是高应力所致。因此，在深部开采中，重要启示，这种现象应当是高应力所致。因此，在深部开采中，如何有效地预防和抑制由高应力诱发的岩爆等灾难性事故发生如何有效地预防和抑制由高应力诱发的岩爆等灾难性事故发生的同时，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裂开矿岩，应成为深部开采中一大迫切须要探讨的课题。裂开矿岩，应成为深部开采中一大迫切须要探讨的课题。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展 纵观国内外的探讨，我们发觉，至今为止人们还没有重视纵观国内外的探讨，我们发觉，至今为止人们还没
20、有重视对于在高应力状态下的岩石的动态特性与碎裂机理的探讨。有对于在高应力状态下的岩石的动态特性与碎裂机理的探讨。有限的探讨也主要限制在脆性材料在高应力与应力脉冲组合下的限的探讨也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。理论分析上。3 深部开采与浅部的区分(三高一扰动)高地应力高地应力 进入深部开采以后，仅重力引起的垂直原岩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通常就超过工程岩体的抗压强度(20 MPa)，而由，而由于工程开挖所引起的应力集中水平则更是远大于工于工程开挖所引起的应力集中水平则更是远大于工程岩体的强度程岩体的强度(40 MPa)。
21、同时，据已有的地应力。同时，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，在深部岩体中形成场。二者的叠合累积为高应力，在深部岩体中形成了异样的地应力场。据南非地应力测定，在了异样的地应力场。据南非地应力测定，在3 5005 000 m之间，地应力水平为之间，地应力水平为95135 MPa。如此高的。如此高的应力状态下进行工程开挖，的确面临严峻挑战。应力状态下进行工程开挖，的确面临严峻挑战。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采
22、岩体力学探讨及其进展3 深部开采与浅部的区分(三高一扰动)高地温高地温 依据量测，越往地下深处，地温越高。地温梯度依据量测，越往地下深处，地温越高。地温梯度一般为一般为3050/km不等，常规状况下的地温梯度不等，常规状况下的地温梯度为为30/km。有些地区如断层旁边或导热率高的异。有些地区如断层旁边或导热率高的异样局部地区，地温梯度有时高达样局部地区，地温梯度有时高达200/km。岩体在。岩体在超出常规温度环境下，表现出的力学、变形性质与超出常规温度环境下，表现出的力学、变形性质与一般环境条件下具有很大差别。地温可以使岩体热一般环境条件下具有很大差别。地温可以使岩体热胀冷缩裂开，而且岩体内温
23、度变更胀冷缩裂开，而且岩体内温度变更1 可产生可产生0.40.5 MPa的地应力变更。岩体温度上升产生的地应力的地应力变更。岩体温度上升产生的地应力变更对工程岩体的力学特性会产生显著的影响。变更对工程岩体的力学特性会产生显著的影响。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展3 深部开采与浅部的区分(三高一扰动)高岩溶水压高岩溶水压 进入深部以后，随着地应马上低温的上进入深部以后，随着地应马上低温的上升，同时将会伴随着岩溶水压的上升，在采升，同时将会伴随着岩溶水压的上升，在采深大于深大于1 000 m的深部，其岩溶水压将高达的深部，其岩溶水压将高达7 MPa，甚至更高。岩溶水压的上
24、升，使得矿，甚至更高。岩溶水压的上升，使得矿井突水灾难更为严峻。井突水灾难更为严峻。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展3 深部开采与浅部的区分(三高一扰动)采矿扰动采矿扰动 采矿扰动主要是指猛烈的开采扰动。进入深部开采矿扰动主要是指猛烈的开采扰动。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猛烈的支承压力作用，使受采硕大的回采空间引起猛烈的支承压力作用，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一般坚硬的岩石，在深力，从而造成
25、在浅部表现为一般坚硬的岩石，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。岩石的破坏。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展4 深部开采工程岩体力学特性深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展地质力学历史地质力学历史区域构造区域构造工程构造工程
26、构造岩体结构岩体结构现代地质力学特点现代地质力学特点成分成分地应力场地应力场微组构微组构水渗流水渗流宏观结构宏观结构温度场温度场强度力学行为强度力学行为变形力学行为变形力学行为稳定性状态稳定性状态未来力学行为未来力学行为深部岩体深部岩体图图 深部岩体地质力学特点深部岩体地质力学特点4 深部开采工程岩体力学特性 深部工程岩体产生冲击地压、岩爆、瓦斯突出、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缘由，归根结流变、底板突水等非线性力学现象的缘由，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困难性所致。受其
27、影响，深部岩体的性和应力场的困难性所致。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围岩所属的线性力学系统(虽然由于地质条件的困难虽然由于地质条件的困难性也含有非线性力学问题性也含有非线性力学问题)，而是非线性力学系统，而是非线性力学系统，其稳定性限制的难点和困难性在于不再含有线性问其稳定性限制的难点和困难性在于不再含有线性问题。题。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展4 深部开采工程岩体力学特性深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展深部岩体与浅部岩体的受力特点对比深部岩
28、体与浅部岩体的受力特点对比围岩应力场的困难性 浅部巷道围岩状态通常可分为松动区、塑性区和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，其本构关系可以接受弹塑性力学弹性区三个区域，其本构关系可以接受弹塑性力学理论进行推导求解。然而，探讨表明，深部巷道围理论进行推导求解。然而，探讨表明，深部巷道围岩产生膨胀带和压缩带，或称为裂开区和未破坏区，岩产生膨胀带和压缩带，或称为裂开区和未破坏区，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裂开现象现象被称为区域裂开现象(据据E.I.Shemyakin)。现场。现场实测探讨也证明白深部巷道
29、围岩变形力学的拉压域实测探讨也证明白深部巷道围岩变形力学的拉压域复合特征。因此，深部巷道围岩的应力场更为困难。复合特征。因此，深部巷道围岩的应力场更为困难。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展围岩的大变形和强流变性特性 探讨表明，进入深部后岩体变形具有两种完全不同的趋探讨表明，进入深部后岩体变形具有两种完全不同的趋势，一种是岩体表现为持续的强流变特性，即不仅变形量大，势，一种是岩体表现为持续的强流变特性，即不仅变形量大，而且具有明显的而且具有明显的“时间效应时间效应”，如煤矿中有的巷道，如煤矿中有的巷道20余年底余年底臌不止，累计底臌量达数十米。通过南非金矿深部围岩的流臌不
30、止，累计底臌量达数十米。通过南非金矿深部围岩的流变性进行了系统探讨，发觉其围岩流变性特别明显，巷道围变性进行了系统探讨，发觉其围岩流变性特别明显，巷道围岩最大移近速度达岩最大移近速度达500 mm/月。另一种是岩体并没有发生明月。另一种是岩体并没有发生明显变形，但特别裂开，处于裂开状态，按传统的岩体破坏、显变形，但特别裂开，处于裂开状态，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，它失稳的概念，这种岩体已不再具有承载特性，但事实上，它仍旧具有承载和再次稳定的实力，借助这一特性，有些巷道仍旧具有承载和再次稳定的实力，借助这一特性，有些巷道还特地将其布置在裂开岩还特地将其布
31、置在裂开岩(煤煤)体中，如沿空掘巷。体中，如沿空掘巷。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展动力响应的突变性 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显的破坏前兆(变形加剧变形加剧)。而深部岩体的动力响应。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，具有猛烈过程往往是突发的、无前兆的突变过程，具有猛烈的冲击破坏特性，宏观表现为巷道顶板或周边围岩的冲击破坏特性，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。的大范围的突然失稳、坍塌。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展深部岩体的脆性延
32、性转化 试验探讨表明，岩石在不同围压条件下表现出不同的试验探讨表明，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。在浅部峰后特性，由此，最终破坏时应变值也不相同。在浅部(低围压低围压)开采中，岩石破坏以脆性为主，通常没有或仅开采中，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，有少量的永久变形或塑性变形；而进入深部开采以后，因在因在“三高一扰动三高一扰动”作用下，岩石表现出的实际就是它作用下，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，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
33、常较大。因此，随着开采深度的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。延性力学响应行为。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性 浅部资源开采中，矿井水主要来源是第四系含水层或地浅部资源开采中，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，基本听从岩体等效连续介质渗流模型，涌水量也可范围大，基本听从岩体等效连续介质渗流模型，涌水量也可依
34、据岩体的渗透率张量进行定量估算，因此，突水预料预报依据岩体的渗透率张量进行定量估算，因此，突水预料预报尚具可行性。而深部的状况却特别特殊，首先，随着采深加尚具可行性。而深部的状况却特别特殊，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峻的突水围窄，使奥陶系岩溶水对巷道围岩和顶底板形成严峻的突水灾难。另外，突水往往发生在采掘活动结束后的一段时间内，灾难。另外，突水往往发生在采
35、掘活动结束后的一段时间内，具有明显的瞬时突发性和不行预料性。具有明显的瞬时突发性和不行预料性。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展5 深部开采工程灾难表现形式 由于深部岩石力学行为具有明显区分于浅部岩石由于深部岩石力学行为具有明显区分于浅部岩石力学的重要特征，再加上赋存环境的困难性，致使力学的重要特征，再加上赋存环境的困难性，致使进入深部开采后以岩爆、突水、顶板大面积来压和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难性事故与浅部工程采空区失稳为代表的一系列灾难性事故与浅部工程灾难相比较，程度上加剧，频度上提高，成灾机理灾难相比较，程度上加剧，频度
36、上提高，成灾机理更加困难。深部工程灾难主要表现为以下六大灾难更加困难。深部工程灾难主要表现为以下六大灾难形式。形式。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（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、厚度有关统计资料表明，岩爆多发生在强度高、厚度大的坚硬岩大的坚硬岩(煤煤)层中，主要影响因素包括煤层顶底层中，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，尽管在极浅的度及倾角等。目前的统计资料显示，尽管在极浅的硬煤层中硬煤层中(深度小于深度小于100 m，有
37、的甚至在，有的甚至在3050 m)也也有发生岩爆的记载，但总的来看，岩爆与采深有亲有发生岩爆的记载，但总的来看，岩爆与采深有亲密关系，即随着开采深度的增加，岩爆的发生次数、密关系，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。强度和规模也会随之上升。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（2）采场矿压显现猛烈 随着采深的增加引起的覆岩自重压力的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加，表现为围岩发生猛增大和构造应力的增加，表现为围岩发生猛烈变形、巷道和采场失稳、并易发生破坏性烈变形、巷道和采场失稳、并易发生破坏性的冲击地压，给顶板管理带来很多困难
38、。的冲击地压，给顶板管理带来很多困难。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（3）突水事故趋于严峻 自自1984年年6月月2日开滦矿务局范各庄矿发生井下岩日开滦矿务局范各庄矿发生井下岩溶陷落柱特大突水灾难以来，先后在淮北杨庄矿、溶陷落柱特大突水灾难以来，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，经济损失超过步估计，经济损失超过27亿元，同时产生了若干地亿元，同时产生了若干地质环境负效应。质环境负效应。深部开采岩体力学探
39、讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（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开裂开岩体进一步产生位移。持围岩的完整性以及避开裂开岩体进一步产生位移。深部开采一方面自重应力渐渐增加，同时由于深部深部开采一方面自重应力渐渐增加，同时由于深部岩层的构造一般比较发育，其构造应力特别突出，岩层的构造一般比较发育，其构造应力特别突出，致使巷道围岩压力大，巷道支护成本增加。据煤炭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，近行业的有关资料，近10年巷道支护成本增加了年巷道支护成本增加了1.4
40、倍，倍，巷道翻修量占整个巷道掘进量的巷道翻修量占整个巷道掘进量的40%。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（5）地温上升、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高温，如俄罗斯千米平均地温为3040，个别达，个别达52，南非某金矿，南非某金矿3 000 m时地温达时地温达70。地温上。地温上升造成井下工人留意力分散、劳动率减低，甚至无升造成井下工人留意力分散、劳动率减低，甚至无法工作。法工作。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（6）瓦斯涌出量增大 随着煤矿采深的增加
41、，瓦斯含量快速增加，并随着煤矿采深的增加，瓦斯含量快速增加，并造成瓦斯灾难事故的频繁发生。近年来，由于瓦斯造成瓦斯灾难事故的频繁发生。近年来，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡突出和爆炸引起的死亡10人以上的煤矿事故人以上的煤矿事故70%出出现在中国采深现在中国采深600 m以下的矿区。在另一方面，深部以下的矿区。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。发火、触发矿井火灾、瓦斯爆炸事故的发生。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展6 矿井深部开采六个转型 浅部开采时所确定的矿井类
42、型，由于进入深部浅部开采时所确定的矿井类型，由于进入深部开采之后地质力学环境的变更和力学性质的转化，开采之后地质力学环境的变更和力学性质的转化，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，特殊简洁发生事故。因此，转型期思想尚未认知，特殊简洁发生事故。因此，转型期将将(已已)是事故多发期。矿井转型主要表现在以下六是事故多发期。矿井转型主要表现在以下六个方面。个方面。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（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，但进入深浅部原岩体多数处于弹性应力状态，但进入深部以后，
43、在高地应力以及采掘扰动力等的作用下，部以后，在高地应力以及采掘扰动力等的作用下，浅部表现为一般坚硬的岩石，在深部可能表现出大浅部表现为一般坚硬的岩石，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。井转化为软岩矿井。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（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浅部开采条件下，由于煤层中瓦斯气体运移通道较通畅，通过上部岩体裂隙和煤层露头可以进行道较通畅，通过上部岩体裂隙和煤层露头可以进行散发，进行井下煤炭开采时，矿井内部积聚的瓦斯散发
44、，进行井下煤炭开采时，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，大量的瓦斯气体非匀整地分瓦斯运移通道不畅通，大量的瓦斯气体非匀整地分布在煤岩体的裂隙和空隙之间，在井下施工过程中，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。剧增大，使矿井在深部转变为高瓦斯矿井。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（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
45、到极限，煤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，进入深部以后转变为煤与瓦煤与瓦斯突出倾向的非突矿井，进入深部以后转变为煤与瓦斯突出灾难频发的突出矿井。斯突出灾难频发的突出矿井。另外，在高承压水的作用下，煤岩层内部积聚了大量的液另外，在高承压水的作用
46、下，煤岩层内部积聚了大量的液体能量，当能量聚集到确定程度，在开挖扰动作用或工作面体能量，当能量聚集到确定程度，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难的非突矿造成突水事故的发生，从而使浅部不产生突水灾难的非突矿井，进入深部后转变为水害频发的突出矿井。井，进入深部后转变为水害频发的突出矿井。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（4）非冲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
47、自重应力，一般不会产生冲击地压。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，地质构造变得困难、自重应力增大，进入深部以后，地质构造变得困难、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须要的能量，造成整个煤岩系于矿体失稳和破坏所须要的能量，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没有冲击倾向性的非冲矿井，进入深部后
48、转变为冲击地压频发的冲击矿井。击地压频发的冲击矿井。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（5）低渗透压矿井向高渗透压矿井的转变 浅部开采时，由于水压小、渗水通道范围大，浅部开采时，由于水压小、渗水通道范围大，不易出现岩溶突水。进入深部以后，由于承压水位不易出现岩溶突水。进入深部以后，由于承压水位高、渗流通道相对集中，从而造成开挖后瞬时岩溶高、渗流通道相对集中，从而造成开挖后瞬时岩溶突水。此时，矿井由浅部的低渗透压矿井转变为高突水。此时，矿井由浅部的低渗透压矿井转变为高渗透压矿井，简洁发生矿井突水灾难。渗透压矿井，简洁发生矿井突水灾难。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体
49、力学探讨及其进展（6）低温矿井向高温矿井的转变 恒温带以下恒温带以下(约地表下约地表下2030m)，岩层的温度将以，岩层的温度将以3C/100m的梯度上升，最高可达的梯度上升，最高可达4C/100m。浅部开。浅部开采时，由于岩层温度较低，井下工作环境温度一般采时，由于岩层温度较低，井下工作环境温度一般在国家规定的在国家规定的26C范围以内。深部开采条件下，岩范围以内。深部开采条件下，岩层温度将达到摄氏几十度的高温，如徐州矿务集团层温度将达到摄氏几十度的高温，如徐州矿务集团6个千米以下矿井平均地温为个千米以下矿井平均地温为45C左右，工作环境温左右，工作环境温度达到度达到3538C。从而使得矿井
50、由低温矿井转变为高。从而使得矿井由低温矿井转变为高温矿井，造成井下工作环境极为恶劣。温矿井，造成井下工作环境极为恶劣。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展7 深部开采十大理论问题 由于深部工程所处的困难地质力学环境及其工程由于深部工程所处的困难地质力学环境及其工程岩体力学特性的特殊性岩体力学特性的特殊性;深部岩体力学探讨重点将集中于以下十大理论问深部岩体力学探讨重点将集中于以下十大理论问题。题。深部开采岩体力学探讨及其进展深部开采岩体力学探讨及其进展（1）深部工程岩体的力学特性 深部深部“三高一扰动三高一扰动”的困难环境，使深部岩体的的困难环境，使深部岩体的组织结构、基本行