工程科学学报，第39卷.第8期：1129-1140.2017年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.8:1129-1140,August 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.001;htp:/journals..usth.edu.cn 深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 李长洪2)，卜磊12)四，魏晓明2)，王鹏飞12)，时悦琪12)，陈龙根2) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 2)北京科技大学土木与资源工程学院.北京100083 ☒通信作者，E-mail:b20150010@xs.nsth.cdu.cm 摘要近年来，深部开采安全机理与灾害防控领域已取得一定的研究成果，但基于现行理论与技术还难以全面解决未来深 部采矿过程面临的防灾减灾问题，至今尚未建立起完善的深部开采灾变与防控研究体系。本文开展了对深部开采灾害研究 领域的文献调研和问题探讨，总结有关深部地应力场测量与分布规律、深部岩体力学与耦合损伤机理、深部动力灾害机理与 预报、深部突水灾害机理与预警以及深部开采围岩变形机理与防控等方面的研究成果，进而分析当前研究的不足，凝练出深 部开采诱发灾害研究领域亟待解决的关键问题，并就未来超深开采灾害研究态势予以分析. 关键词深部开采；岩体力学；诱发灾害：安全机理：防控技术 分类号P624.8 Current status and future trends of deep mining safety mechanism and disaster prevention and control LI Chang-hong2),BU Lei,WEI Xiao-ming'2),WANG Peng-fei,SHI Yue-qi),CHEN Long-gen') 1)Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:b20150010@xs.ustb.edu.en ABSTRACT In recent years,there have been a number of developments in deep mining research with respect to safety mechanisms and disaster prevention and control.However,it will be difficult to fully resolve the challenges associated with disaster prevention and reduction based on current theories and technologies,and as yet no sound deep mining research approach regarding cataclysm and its control has been established.This paper reviews the literature and discusses problematic research areas associated with deep mining disasters,including in-situ stress measurement and its distribution law,deep rock mechanics and the coupling damage mechanism,dy- namic disaster mechanism and prediction,and the water inrush mechanism and early warning,as well as the surrounding rock deform- ation mechanism and control technologies.This paper analyzes the deficiencies in existing research and identifies key problems that must be solved in deep-mining-induced disasters.Lastly,this paper indicates future prospects in the study of ultra-deep mining disas- ters. KEY WORDS deep mining;rock mechanics;induced disaster;safety mechanism;control technology 浅部易采资源在人类常年高强度持续消耗过程中璃地球”计划以期实现地下3000m范围的精确探矿， 日渐枯竭，矿产开发迈向纵深方向已成为必然选择.而我国也曾于2009年针对地下4000m深度级的资源 澳大利亚和加拿大等矿业大国在本世纪初曾提出“玻开发提出具有前瞻性的“透明计划”路线，深部开采将 收稿日期：2017-04-16 基金项目：“十三五"国家重点研发计划重点专项资助项目(2017YFC0804600,2017YFC0804100,2016YFC0600700)
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期:1129鄄鄄1140,2017 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 8: 1129鄄鄄1140, August 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 08. 001; http: / / journals. ustb. edu. cn 深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 李长洪1,2) , 卜 磊1,2) 苣 , 魏晓明1,2) , 王鹏飞1,2) , 时悦琪1,2) , 陈龙根1,2) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 2) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 苣 通信作者, E鄄mail: b20150010@ xs. ustb. edu. cn 摘 要 近年来,深部开采安全机理与灾害防控领域已取得一定的研究成果,但基于现行理论与技术还难以全面解决未来深 部采矿过程面临的防灾减灾问题,至今尚未建立起完善的深部开采灾变与防控研究体系. 本文开展了对深部开采灾害研究 领域的文献调研和问题探讨,总结有关深部地应力场测量与分布规律、深部岩体力学与耦合损伤机理、深部动力灾害机理与 预报、深部突水灾害机理与预警以及深部开采围岩变形机理与防控等方面的研究成果,进而分析当前研究的不足,凝练出深 部开采诱发灾害研究领域亟待解决的关键问题,并就未来超深开采灾害研究态势予以分析. 关键词 深部开采; 岩体力学; 诱发灾害; 安全机理; 防控技术 分类号 P624郾 8 Current status and future trends of deep mining safety mechanism and disaster prevention and control LI Chang鄄hong 1,2) , BU Lei 1,2) 苣 , WEI Xiao鄄ming 1,2) , WANG Peng鄄fei 1,2) , SHI Yue鄄qi 1,2) , CHEN Long鄄gen 1,2) 1) Key Laboratory of Ministry of Education for High鄄Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: b20150010@ xs. ustb. edu. cn ABSTRACT In recent years, there have been a number of developments in deep mining research with respect to safety mechanisms and disaster prevention and control. However, it will be difficult to fully resolve the challenges associated with disaster prevention and reduction based on current theories and technologies, and as yet no sound deep mining research approach regarding cataclysm and its control has been established. This paper reviews the literature and discusses problematic research areas associated with deep mining disasters, including in鄄situ stress measurement and its distribution law, deep rock mechanics and the coupling damage mechanism, dy鄄 namic disaster mechanism and prediction, and the water inrush mechanism and early warning, as well as the surrounding rock deform鄄 ation mechanism and control technologies. This paper analyzes the deficiencies in existing research and identifies key problems that must be solved in deep鄄mining鄄induced disasters. Lastly, this paper indicates future prospects in the study of ultra鄄deep mining disas鄄 ters. KEY WORDS deep mining; rock mechanics; induced disaster; safety mechanism; control technology 收稿日期: 2017鄄鄄04鄄鄄16 基金项目: “十三五冶国家重点研发计划重点专项资助项目(2017YFC0804600, 2017YFC0804100, 2016YFC0600700) 浅部易采资源在人类常年高强度持续消耗过程中 日渐枯竭,矿产开发迈向纵深方向已成为必然选择. 澳大利亚和加拿大等矿业大国在本世纪初曾提出“玻 璃地球冶计划以期实现地下 3000 m 范围的精确探矿, 而我国也曾于 2009 年针对地下 4000 m 深度级的资源 开发提出具有前瞻性的“透明计划冶路线,深部开采将
·1130· 工程科学学报，第39卷，第8期 成为世界各国未来获取能源的关键支撑平台.据不完 决的开拓性研究课题.针对未来地下矿山即将面临的 全统计-]，国内外许多金属矿山及煤矿矿井相继进 超深开采水平的防灾减灾问题，应当以深部开采诱发 入深部开采阶段，例如：我国辽宁的红透山铜矿和山东 的典型重大灾害为研究对象，突破部分原有理论假说 的孙村煤矿最大开采深度已超过1300m:在国外，南非 及工程经验层面的限制，以安全机理、动态监测、超前 的Mponeng金矿计划最大采深将达到4350m,West 预测、灾害辨识以及预警防控等为研究目标，揭示其多 Driefovten金矿已探明的埋藏深度更是接近6OO0m:德 因素-多尺度耦合动力成灾演化机理，完善深部开采 国煤矿的平均开采水平也接近千米级，最深可超过 灾害综合防控体系，全面构建深部开采诱发型灾害的 1700m.然而，采矿工程向深部延伸的趋势导致地层 “机理-监测-预测-防控”一体化模式 进一步破坏，其赋存环境的多因素耦合作用（如：高地 应力、高地温、高井深、高渗透压、强压缩、强采动以及 1研究现状调研与思考 强时效特征)在很大程度上制约了矿产资源的持续安 鉴于深部开采诱发灾害具有地域性、广泛性、严重 全高效回采 性、多变性、突发性以及复杂性等特征因素，国内外众 深部开采诱发重大灾害的可能性及严重程度与开 多研究学者和工程师在深部开采诱发灾害的安全机 采深度呈非线性递增的发展态势，造成了一系列极其 理、监测方法、预测预报、防控技术等相关领域开展了 严重的人员伤亡、经济损失和环境破坏.据相关资料 一系列的基础理论和应用技术等方面的研究工作.本 显示[-]：我国矿山巷道的支护成本在近10年内增长 文从以下五个方面开展了大量的文献调研工作，对国 约13倍，近40%的深部巷道由于变形过大而返修，严 内外深部开采安全机理与灾害防控的研究现状给予了 重影响了矿山的正常生产：深井岩爆等动力灾害对矿 一定的思考和分析 工的生命安全也造成了极大的威胁（如：红透山铜矿、 1.1深部开采地应力场测量与分布规律研究 冬瓜山铜矿、金川镍矿等在深部开拓过程中均发生过 高地应力场（以水平主应力为主导因素）是引起 强烈的岩爆灾害，造成一系列的巷道堵塞和岩层垮 矿山深部开采诱发型灾害的根本力源.地应力测量对 落)：矿井突水灾害发生概率及其危害程度也随开采 矿区深部矿产资源安全开采具有重要的工程实用价 深度的延伸急刷增加（如：华晋焦煤公司王家岭矿和 值，有助于深部巷道的工程设计、稳定性分析以及施工 神华集团骆驼山煤矿于2010年都曾发生重大突水事 支护安排].近年来，国内外许多学者在矿山深部地 故，共造成70人死亡)：在国外，深部采矿过程诱发灾 应力场测量与分布规律研究这一方向进行了有益的科 害所造成的生命伤害和经济损失更是屡见不鲜（如： 研探索 南非的TauTona金矿深部开采导致的年平均伤亡人数 Martin和Lanyonts]分别基于水压致裂法、CSIRO 约为5人).由此可见，深部开采诱发灾害的孕灾因子 空心包体应变计和钻孔变形法对比研究了瑞士泰利山 复杂多样，成灾机理耦合性强，致灾后果破坏性大，严 深部岩石实验室中的软岩原岩应力场分布规律.Chis- 重危害各国的矿业安全及经济稳定 tiansson)系统地总结了原岩应力测试技术的最新发 另一方面，精准监测与超前预测是认识和防控深 展态势.阎海鹏等[]运用数值仿真与工程实测相结 部开采诱发灾害的基础。与浅部开采相比，深部岩体 合的科研手段深入探究了不同工程地质构造状态下的 采动诱发灾害的机理更为复杂，这也极大地制约了对 地应力场对开采活动的影响规律，揭示出地应力分布 深部开采致灾机制的认识和致灾源的超前辨识或预 是深部开采工程设计与灾害防控中的关键因素.李洪 测，导致灾害防御与治理的针对性和有效性降低.深 军等门基于三维地应力解除测量方法、温度标定试验 部开采诱发型灾害急需安全机理、多元监测以及防灾 以及围压率定试验深入分析研究了李官集铁矿矿区的 预控方面的探索与研究，从而满足矿业资源开发深部 地应力分布规律.冀东等[]基于围压率定试验，提出 化进程中的战略定位和预期目标.深部开采致灾因素 了一种精确计算深部地应力弹性参数的新方法，可将 和孕灾演化过程极其复杂，涉及采矿工程、地质力学、 弹性参数划分成不同应力水平区间.王成虎等[)综 损伤力学、流体力学以及地震学等多学科的渗透融合， 合运用Anderson断层力学理论、Hoek-Brown强度理 其赋存环境的力学时效特性以及多因素耦合作用也使 论、修正Shorey模型和数值仿真方法，提出一种适用 得该问题具有显著的孕灾演化特征[6).深部开采诱发 于线状深埋开挖工程区的地应力场预测方法.邓涛 灾害已成为威胁深部采矿安全和制约矿业经济可持续 等)基于岩石的“记忆”功能，对若干方向各异的试件 发展的头号杀手，而我国在这方面尚未形成完善的研 进行Kaiser效应声发射测试试验，分析得出了该矿区 究体系，许多关键的基础性研究问题尚未得到解决. 的地应力大小及方向.贾金河和邢长海[]研究开发 综上所述，深部开采安全机理与灾害防控的研究 了具有3种全应力表征方法以及数据可靠性校验功能 工作是未来深部资源安全高效开采与利用领域亟待解 的三维可视化空心包体应力解除法地应力计算软件系
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 成为世界各国未来获取能源的关键支撑平台. 据不完 全统计[1鄄鄄3] ,国内外许多金属矿山及煤矿矿井相继进 入深部开采阶段,例如:我国辽宁的红透山铜矿和山东 的孙村煤矿最大开采深度已超过 1300 m;在国外,南非 的 Mponeng 金矿计划最大采深将达到 4350 m,West Driefovten 金矿已探明的埋藏深度更是接近 6000 m;德 国煤矿的平均开采水平也接近千米级,最深可超过 1700 m. 然而,采矿工程向深部延伸的趋势导致地层 进一步破坏,其赋存环境的多因素耦合作用(如:高地 应力、高地温、高井深、高渗透压、强压缩、强采动以及 强时效特征)在很大程度上制约了矿产资源的持续安 全高效回采. 深部开采诱发重大灾害的可能性及严重程度与开 采深度呈非线性递增的发展态势,造成了一系列极其 严重的人员伤亡、经济损失和环境破坏. 据相关资料 显示[4鄄鄄5] :我国矿山巷道的支护成本在近 10 年内增长 约 13 倍,近 40% 的深部巷道由于变形过大而返修,严 重影响了矿山的正常生产;深井岩爆等动力灾害对矿 工的生命安全也造成了极大的威胁(如:红透山铜矿、 冬瓜山铜矿、金川镍矿等在深部开拓过程中均发生过 强烈的岩爆灾害,造成一系列的巷道堵塞和岩层垮 落);矿井突水灾害发生概率及其危害程度也随开采 深度的延伸急剧增加(如:华晋焦煤公司王家岭矿和 神华集团骆驼山煤矿于 2010 年都曾发生重大突水事 故,共造成 70 人死亡);在国外,深部采矿过程诱发灾 害所造成的生命伤害和经济损失更是屡见不鲜(如: 南非的 TauTona 金矿深部开采导致的年平均伤亡人数 约为 5 人). 由此可见,深部开采诱发灾害的孕灾因子 复杂多样,成灾机理耦合性强,致灾后果破坏性大,严 重危害各国的矿业安全及经济稳定. 另一方面,精准监测与超前预测是认识和防控深 部开采诱发灾害的基础. 与浅部开采相比,深部岩体 采动诱发灾害的机理更为复杂,这也极大地制约了对 深部开采致灾机制的认识和致灾源的超前辨识或预 测,导致灾害防御与治理的针对性和有效性降低. 深 部开采诱发型灾害急需安全机理、多元监测以及防灾 预控方面的探索与研究,从而满足矿业资源开发深部 化进程中的战略定位和预期目标. 深部开采致灾因素 和孕灾演化过程极其复杂,涉及采矿工程、地质力学、 损伤力学、流体力学以及地震学等多学科的渗透融合, 其赋存环境的力学时效特性以及多因素耦合作用也使 得该问题具有显著的孕灾演化特征[6] . 深部开采诱发 灾害已成为威胁深部采矿安全和制约矿业经济可持续 发展的头号杀手,而我国在这方面尚未形成完善的研 究体系,许多关键的基础性研究问题尚未得到解决. 综上所述,深部开采安全机理与灾害防控的研究 工作是未来深部资源安全高效开采与利用领域亟待解 决的开拓性研究课题. 针对未来地下矿山即将面临的 超深开采水平的防灾减灾问题,应当以深部开采诱发 的典型重大灾害为研究对象,突破部分原有理论假说 及工程经验层面的限制,以安全机理、动态监测、超前 预测、灾害辨识以及预警防控等为研究目标,揭示其多 因素鄄鄄多尺度耦合动力成灾演化机理,完善深部开采 灾害综合防控体系,全面构建深部开采诱发型灾害的 “机理鄄鄄监测鄄鄄预测鄄鄄防控冶一体化模式. 1 研究现状调研与思考 鉴于深部开采诱发灾害具有地域性、广泛性、严重 性、多变性、突发性以及复杂性等特征因素,国内外众 多研究学者和工程师在深部开采诱发灾害的安全机 理、监测方法、预测预报、防控技术等相关领域开展了 一系列的基础理论和应用技术等方面的研究工作. 本 文从以下五个方面开展了大量的文献调研工作,对国 内外深部开采安全机理与灾害防控的研究现状给予了 一定的思考和分析. 1郾 1 深部开采地应力场测量与分布规律研究 高地应力场(以水平主应力为主导因素) 是引起 矿山深部开采诱发型灾害的根本力源. 地应力测量对 矿区深部矿产资源安全开采具有重要的工程实用价 值,有助于深部巷道的工程设计、稳定性分析以及施工 支护安排[7] . 近年来,国内外许多学者在矿山深部地 应力场测量与分布规律研究这一方向进行了有益的科 研探索. Martin 和 Lanyon [8] 分别基于水压致裂法、CSIRO 空心包体应变计和钻孔变形法对比研究了瑞士泰利山 深部岩石实验室中的软岩原岩应力场分布规律. Chis鄄 tiansson [9]系统地总结了原岩应力测试技术的最新发 展态势. 阎海鹏等[10] 运用数值仿真与工程实测相结 合的科研手段深入探究了不同工程地质构造状态下的 地应力场对开采活动的影响规律,揭示出地应力分布 是深部开采工程设计与灾害防控中的关键因素. 李洪 军等[11]基于三维地应力解除测量方法、温度标定试验 以及围压率定试验深入分析研究了李官集铁矿矿区的 地应力分布规律. 冀东等[12] 基于围压率定试验,提出 了一种精确计算深部地应力弹性参数的新方法,可将 弹性参数划分成不同应力水平区间. 王成虎等[13] 综 合运用 Anderson 断层力学理论、Hoek鄄鄄 Brown 强度理 论、修正 Shorey 模型和数值仿真方法,提出一种适用 于线状深埋开挖工程区的地应力场预测方法. 邓涛 等[14]基于岩石的“记忆冶功能,对若干方向各异的试件 进行 Kaiser 效应声发射测试试验,分析得出了该矿区 的地应力大小及方向. 贾金河和邢长海[15] 研究开发 了具有 3 种全应力表征方法以及数据可靠性校验功能 的三维可视化空心包体应力解除法地应力计算软件系 ·1130·
李长洪等：深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 ·1131· 统.刘飞等[16]将BP神经网络与粒子群算法相结合， 地应力赋存环境下显现出明显的流变时效特性.何满 高效而精确地反演出矿区岩体的等效初始地应力场. 潮等[]指出了深部开采在赋存环境、力学特征、灾害 孙东生等[采用较适用于深部地应力测量的水压致 形式等若干具体方面的特殊性及其研究重点.王明洋 裂法，并基于国内外两类岩爆判据预测评价了深部矿 等[3]从深部岩体的峰值后变形、非破坏区及爆炸破坏 区未来的岩爆危险性.葛伟凤等[1]基于微机伺服岩 区的特征出发，归纳出了深部岩体的构造和变形破坏 石三轴试验机，首次采用先进的DRA-Kaiser效应法成 等方面亟待解决的科学问题.周小平等[从断裂力 功测量了盐膏岩地应力.彭瑞等[]综合运用声发射 学理论角度提出一种新的可以重点考虑延性破坏以及 测试、数值仿真以及现场实测相结合的科研手段，成功 中间主应力影响的适用于深部岩体工程的强度准则. 考虑了复杂岩石岩性和非均匀应力赋存环境对地应力 朱万成等[]综述了岩体开挖损伤区的相关研究现状， 分布以及围岩稳定的影响.王连捷等[20]采用ASR法 凝练出开挖损伤区研究领域的瓶颈问题，并提出了损 得到了与腾冲科学钻探孔的震源机制解高度吻合的地 伤区多场耦合数值表征技术及其演化规律的预测思 应力测量结果.张东明等[2)基于对含层理岩石试件 路.李树忱等[3]基于弹性损伤力学理论，采用数值仿 的声发射试验测试，提出了Kaiser效应点的综合判断 真手段再现了深部岩体巷道开挖动力过程中的分区破 方法，并推导完善了相应的三维地应力计算方法.薛 裂现象的时空孕育演化过程，并开发了相应的有限差 维培等[2]基于钻孔应变法，采用改进后的SDX水平定 分计算程序.周小平等[以静水压力和非静水压力 向仪较为准确地获得了所在矿区的地应力分布规律，两种工况条件为背景，基于非欧几何弹性与连续损伤 并提出了特有的巷道联合补强支护技术.秦向辉 力学理论定量研究了岩体损伤对深部围岩分区破裂化 等[2]利用深部水压致裂法和库伦滑动摩擦准则测量 效应的影响机制.肖桃李等[]基于对断裂力学原理 并评价了该地区的地质应力安全性.唐华瑞等[2]应 和结构面效应的考虑，采用系统的岩石三轴试验的科 用FLAC3D研究了云南会泽铅锌矿矿区的地形地貌与 研方法，揭示了影响深部单裂隙岩体剪切破坏的关键 断层构造对矿区地应力分布规律的影响.杨志强 因子集及其损伤破坏机理.余伟健等[36]综合采用详 等[2]综合运用数值仿真技术与遗传规划算法，建立了 细线观测法、数理统计方法以及X衍射仪和扫描电镜 复杂地质体的反演优化模型，较为准确地获得了矿区 等手段，从宏观至微观全面揭示出断层结构特征对深 的原岩应力场分布规律。深部与浅部应力环境存在很 部工程岩体的损伤机理.李杰等)重点对深部围岩 大差异，而传统的地应力场测量方法（如：应力解除法 变形破坏特征现象、孕育演化机理及其时空效应等关 或水压致裂法等)需要依赖于海量的局部测量覆盖布 键问题进行了全面地研究探讨.周小平和钱七虎[] 点数量：另一方面，当前有关地应力领域的研究更侧重 基于热力学理论提出一种新的非欧模型，并深人研究 于原岩应力场的测量研究，而对于深部采动诱发次生 了微观裂隙对深部岩体非协调变形破坏规律的影响机 应力场实测与监测及其分布规律的研究还很缺制.张强勇等[]采用真三维地质力学模型试验的手 乏1-].此外，当前有关地球物理法在深部开采地应 段，深入研究了高地应力条件下不同洞形和加载方式 力精准测量中的应用研究仍乏善可陈，缺乏对深部岩 对深部岩体分区破裂的影响机制.李杰等[]综合运 体高应力场及复杂地质构造场的精细探测理论基础和 用断裂力学理论和散布损伤力学手段推导出了裂隙岩 技术支撑，亦未能明确深部岩体的声学特征与应力状 体动态本构模型的损伤演化与体积扩容方程.徐颖和 态的相关性以及声波在深部原岩应力状态下的传播机 袁璞门采用深部巷道围岩破裂三维相似模型试验，研 制及参数特性[9-2] 究了巷道掘进爆炸荷载效应对分区破裂现象的影响机 1.2深部开采岩体力学与耦合损伤机理研究 理.谢和平等]创造性地提出将先进的可视化技术 深部岩体损伤破坏的力学过程特征极其复杂，具 应用于深部岩体力学研究的观点，并将传统岩石力学 有高度的非线性应变软化特征、非均匀性扩容现象、长 理论进一步拓展成为基于工程扰动应力空间路径上的 期流变性以及多尺度演化特征.深部岩体内在力学行 采动岩体力学.陈文华等[采用刚性承压板中心孔 为的时效性及其在多因素耦合效应下的损伤演化机理 法，分析研究了在试验压力100MPa作用下深部岩体 与采动作用下损伤裂隙的时空分布规律是深部岩体力 变形特性以及在超高地应力下的损伤机理.齐消寒和 学的重要理论问题[2].深部岩体力学为深部开采的 张东明[]综合应用室内岩石力学试验与钻孔成像勘 工程建设提供了基础理论支撑，近年来在与其相关的 探等科研方法，提出深部岩体力学参数量化GSI估算 研究领域取得了长足发展 方法.左建平等)针对深部地下工程裂隙岩体在高 Hudson等[2深入研究了热-水-力多场耦合作用 应力强卸荷作用下的复杂地质力学特性，基于分形构 下深部核废料处置洞库岩体的流变特性及其工程稳定 造张量表征方法揭示了深部岩体的宏细观变形破坏机 性机理.Malan]研究发现南非矿山的深部硬岩在高 理.深部开采诱发灾害与深部高地应力环境下岩体的
李长洪等: 深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 统. 刘飞等[16]将 BP 神经网络与粒子群算法相结合, 高效而精确地反演出矿区岩体的等效初始地应力场. 孙东生等[17]采用较适用于深部地应力测量的水压致 裂法,并基于国内外两类岩爆判据预测评价了深部矿 区未来的岩爆危险性. 葛伟凤等[18] 基于微机伺服岩 石三轴试验机,首次采用先进的 DRA鄄鄄Kaiser 效应法成 功测量了盐膏岩地应力. 彭瑞等[19] 综合运用声发射 测试、数值仿真以及现场实测相结合的科研手段,成功 考虑了复杂岩石岩性和非均匀应力赋存环境对地应力 分布以及围岩稳定的影响. 王连捷等[20] 采用 ASR 法 得到了与腾冲科学钻探孔的震源机制解高度吻合的地 应力测量结果. 张东明等[21] 基于对含层理岩石试件 的声发射试验测试,提出了 Kaiser 效应点的综合判断 方法,并推导完善了相应的三维地应力计算方法. 薛 维培等[22]基于钻孔应变法,采用改进后的 SDX 水平定 向仪较为准确地获得了所在矿区的地应力分布规律, 并提出了特有的巷道联合补强支护技术. 秦向辉 等[23]利用深部水压致裂法和库伦滑动摩擦准则测量 并评价了该地区的地质应力安全性. 唐华瑞等[24] 应 用 FLAC3D 研究了云南会泽铅锌矿矿区的地形地貌与 断层构造对矿区地应力分布规律的影响. 杨志强 等[25]综合运用数值仿真技术与遗传规划算法,建立了 复杂地质体的反演优化模型,较为准确地获得了矿区 的原岩应力场分布规律. 深部与浅部应力环境存在很 大差异,而传统的地应力场测量方法(如:应力解除法 或水压致裂法等)需要依赖于海量的局部测量覆盖布 点数量;另一方面,当前有关地应力领域的研究更侧重 于原岩应力场的测量研究,而对于深部采动诱发次生 应力 场 实 测 与 监 测 及 其 分 布 规 律 的 研 究 还 很 缺 乏[11鄄鄄13] . 此外,当前有关地球物理法在深部开采地应 力精准测量中的应用研究仍乏善可陈,缺乏对深部岩 体高应力场及复杂地质构造场的精细探测理论基础和 技术支撑,亦未能明确深部岩体的声学特征与应力状 态的相关性以及声波在深部原岩应力状态下的传播机 制及参数特性[19鄄鄄21] . 1郾 2 深部开采岩体力学与耦合损伤机理研究 深部岩体损伤破坏的力学过程特征极其复杂,具 有高度的非线性应变软化特征、非均匀性扩容现象、长 期流变性以及多尺度演化特征. 深部岩体内在力学行 为的时效性及其在多因素耦合效应下的损伤演化机理 与采动作用下损伤裂隙的时空分布规律是深部岩体力 学的重要理论问题[26] . 深部岩体力学为深部开采的 工程建设提供了基础理论支撑,近年来在与其相关的 研究领域取得了长足发展. Hudson 等[27]深入研究了热鄄鄄水鄄鄄力多场耦合作用 下深部核废料处置洞库岩体的流变特性及其工程稳定 性机理. Malan [28]研究发现南非矿山的深部硬岩在高 地应力赋存环境下显现出明显的流变时效特性. 何满 潮等[29] 指出了深部开采在赋存环境、力学特征、灾害 形式等若干具体方面的特殊性及其研究重点. 王明洋 等[30]从深部岩体的峰值后变形、非破坏区及爆炸破坏 区的特征出发,归纳出了深部岩体的构造和变形破坏 等方面亟待解决的科学问题. 周小平等[31] 从断裂力 学理论角度提出一种新的可以重点考虑延性破坏以及 中间主应力影响的适用于深部岩体工程的强度准则. 朱万成等[32]综述了岩体开挖损伤区的相关研究现状, 凝练出开挖损伤区研究领域的瓶颈问题,并提出了损 伤区多场耦合数值表征技术及其演化规律的预测思 路. 李树忱等[33]基于弹性损伤力学理论,采用数值仿 真手段再现了深部岩体巷道开挖动力过程中的分区破 裂现象的时空孕育演化过程,并开发了相应的有限差 分计算程序. 周小平等[34] 以静水压力和非静水压力 两种工况条件为背景,基于非欧几何弹性与连续损伤 力学理论定量研究了岩体损伤对深部围岩分区破裂化 效应的影响机制. 肖桃李等[35] 基于对断裂力学原理 和结构面效应的考虑,采用系统的岩石三轴试验的科 研方法,揭示了影响深部单裂隙岩体剪切破坏的关键 因子集及其损伤破坏机理. 余伟健等[36] 综合采用详 细线观测法、数理统计方法以及 X 衍射仪和扫描电镜 等手段,从宏观至微观全面揭示出断层结构特征对深 部工程岩体的损伤机理. 李杰等[37] 重点对深部围岩 变形破坏特征现象、孕育演化机理及其时空效应等关 键问题进行了全面地研究探讨. 周小平和钱七虎[38] 基于热力学理论提出一种新的非欧模型,并深入研究 了微观裂隙对深部岩体非协调变形破坏规律的影响机 制. 张强勇等[39] 采用真三维地质力学模型试验的手 段,深入研究了高地应力条件下不同洞形和加载方式 对深部岩体分区破裂的影响机制. 李杰等[40] 综合运 用断裂力学理论和散布损伤力学手段推导出了裂隙岩 体动态本构模型的损伤演化与体积扩容方程. 徐颖和 袁璞[41]采用深部巷道围岩破裂三维相似模型试验,研 究了巷道掘进爆炸荷载效应对分区破裂现象的影响机 理. 谢和平等[42] 创造性地提出将先进的可视化技术 应用于深部岩体力学研究的观点,并将传统岩石力学 理论进一步拓展成为基于工程扰动应力空间路径上的 采动岩体力学. 陈文华等[43] 采用刚性承压板中心孔 法,分析研究了在试验压力 100 MPa 作用下深部岩体 变形特性以及在超高地应力下的损伤机理. 齐消寒和 张东明[44]综合应用室内岩石力学试验与钻孔成像勘 探等科研方法,提出深部岩体力学参数量化 GSI 估算 方法. 左建平等[45] 针对深部地下工程裂隙岩体在高 应力强卸荷作用下的复杂地质力学特性,基于分形构 造张量表征方法揭示了深部岩体的宏细观变形破坏机 理. 深部开采诱发灾害与深部高地应力环境下岩体的 ·1131·
·1132· 工程科学学报，第39卷，第8期 耦合损伤机理密不可分.然而，目前深部开采岩体损 击地压进行了分类，并在此基础上介绍了各类型岩爆 伤灾变机理和多维度演化规律的研究主要集中于定性 的定量预测原理与模型.顾金才等]从应力与能量 分析灾变的宏观诱发因素与断裂破坏机制，未能准确 两个方面出发，对抛掷型岩爆机制提出了新的认识，并 揭示深部岩体灾变特征因素（损伤、断裂、流变、渗流 研发了新的针对抛掷型岩爆现象的物理模拟试验装 等)的宏细观内在联系，缺乏对深部开采复杂赋存条 置.王斌等5]从动力学理论角度对岩爆诱发机理及 件下裂隙岩体损伤多重分形分维理论以及损伤-断 其支护原则进行深入剖析，并在此基础上引入新的适 裂-分形耦合动力学特征的研究[3”].此外，现阶段对 应深部岩爆动力学特征的动静组合支护系统.何满潮 于深部裂隙岩体结构面网络模拟表征与多尺度演化机 等[]研发了真三轴非线性力学岩爆模拟试验系统，从 制以及多因素耦合动力作用的模态影响机制认识不 宏一微观以及静-动载等不同角度深入揭示了岩爆的 足，且有关深部复杂地质环境演化与高应力场耦合作 破坏过程与发生机制，并在此基础上提出了岩爆的时 用下的裂隙岩体损伤流变力学模型的研究仍不完善： 间类型、应力与能量判别准则等.刘磊磊等[]提出一 亦未能明确深部岩体在渗流、应力和损伤多因素耦合 种新的基于变权靶心贴近度的工程类比岩爆预测法. 作用下的灾变破坏判据及其耦合互馈机制[0-4] 马春驰等[6]基于颗粒流理论与硬脆特性评价指标体 1.3深部开采动力灾害机理与预报技术研究 系，建立了微观层面颗粒模型，并指出在高低两种围压 岩爆和冲击地压是深部开采诱发的典型动力灾 卸荷条件下岩爆效应具有持续性与爆发性特征.王迎 害，随着开采深度的不断加大，深部岩体赋存环境的多 超等[6]建立了一种基于德尔菲-正态云的综合评价模 因素耦合效应以及采动过程的非线性响应机制使得深 型，将人工智能方法较好地应用在岩爆烈度的分级定 部动力灾害致灾机理更为复杂.据相关资料显 量化预测中.周辉等]从理论分析角度深入揭示了 示[6]：在国外，南非金矿是世界上发生深井岩爆最 结构面的产状、规模、生产环境、力学性质及开挖方式 严重的地区，最大岩爆震级达到ML5.1级：我国发生 对岩爆的作用机制，并提出相应的结构面型岩爆分类 岩爆的矿山比较典型的有辽宁的红透山铜矿、安徽的 方法.张子健等[6]基于岩石室内单轴压缩力学试验 冬瓜山铜矿等金属矿山，冲击地压灾害则主要显现于 与声发射试验，从线弹性能判据角度出发，初步揭示了 鹤岗、胜利等煤矿矿区.因此，未来采矿动力灾害研究 不同岩石的声发射能量累积计数与其岩爆倾向性之间 的工作重点将是深部开采，开展深部开采动力过程的 的规律性关联关系.李莎莎等[]基于能量理论和 机理、监测与预报技术研究具有极其重大的实际工程 P℉CP颗粒流数值模拟技术，从三维建模的角度研究了 和科学理论意义 卸载岩爆的细观力学机理.苏国韶等[6]采用真三轴 Vesela[s]提出了能量集中存储因素和冲击敏感因 压缩试验的方法研究了岩爆过程的声音信号波形、分 素等概念，认为煤岩体的第三主应力是反映能量存储 形以及频谱特征，提出基于声音信号的岩爆预测方法. 的冲击敏感因素.Mutke等[)研究并提出适用于评估 当前，由于关于岩爆或冲击地压等采动动力灾害力学 预测煤矿冲击地压和岩爆灾害的新准则.何满潮 机制的复杂性和多变性，其机理研究的相关成果（如： 等]基于自主设计开发的深部岩爆过程实验系统，从 刚度理论和强度理论等)多半停留在定性和半定量的 岩爆的发生时间、破坏形式、能量释放等方面出发，研 理论分析层面，并且上述理论未能明确岩爆（冲击地 究并揭示了深部开挖卸载作用下岩爆发生机理的时空 压)的动力失稳过程与内外诱发因素（冲击倾向性、岩 效应及其分类特征.苗金丽等[]基于声发射频谱分 体结构面和采动能量聚集)的关系[s-0).关于此类动 析及时频分析，深入揭示了花岗岩岩爆宏观现象的微 力灾害的监测和预报依然缺少成熟的技术，深部岩体 观破坏机制.吴顺川等[]从实际公路工程隧道群岩 开挖过程中能量的“积聚-转移-演化-耗散”过程的随 爆灾变过程的细观力学机制出发，对比研究了室内卸 机性与突发性也导致深部动力灾害的预测与防控难度 载岩爆试验的破坏过程与P℉CD颗粒流数值仿真分析 愈发增大，现行的诸多方法（如：声发射法和电磁辐射 的破裂结果.贾义鹏等]基于粒子群优化算法和能 法等)仍难以实现岩爆以及冲击地压的短期和临震预 量理论，构建了一种岩爆预测的非线性回归神经网络 报[5-56]深部动力灾害研究整体上依然处于被动救灾 模型.尚彦军等54]开展了关于岩爆势综合量化表征 状态，对深部岩体细观破裂演化过程诱发动力灾害的 的多参量经验公式拟合工作，较好地补充完善了岩爆 机制研究仍不完善，也缺乏有效的深部动力灾害超前 的五因素判据.蔡美峰等[]以三山岛金矿为工程背 辨识与精准预报技术[64-o] 景，综合运用室内力学试验、改进套孔深部地应力测 1.4深部开采突水灾害机理与预警技术研究 量、有限差分数值仿真以及地震学与能量积聚理论等， 深部裂隙岩体在地下水长期渗流作用下的变形损 定量地对矿区未来开采扰动诱发岩爆的范围及级别进 伤模式和突水机理不明晰，一方面造成了井下采掘工 行了预测.钱七虎[6]从发生机制的角度对岩爆及冲 作环境恶化和生产设备寿命缩短，另一方面也使得排
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 耦合损伤机理密不可分. 然而,目前深部开采岩体损 伤灾变机理和多维度演化规律的研究主要集中于定性 分析灾变的宏观诱发因素与断裂破坏机制,未能准确 揭示深部岩体灾变特征因素(损伤、断裂、流变、渗流 等)的宏细观内在联系,缺乏对深部开采复杂赋存条 件下裂隙岩体损伤多重分形分维理论以及损伤鄄鄄 断 裂鄄鄄分形耦合动力学特征的研究[35鄄鄄37] . 此外,现阶段对 于深部裂隙岩体结构面网络模拟表征与多尺度演化机 制以及多因素耦合动力作用的模态影响机制认识不 足,且有关深部复杂地质环境演化与高应力场耦合作 用下的裂隙岩体损伤流变力学模型的研究仍不完善; 亦未能明确深部岩体在渗流、应力和损伤多因素耦合 作用下的灾变破坏判据及其耦合互馈机制[40鄄鄄42] . 1郾 3 深部开采动力灾害机理与预报技术研究 岩爆和冲击地压是深部开采诱发的典型动力灾 害,随着开采深度的不断加大,深部岩体赋存环境的多 因素耦合效应以及采动过程的非线性响应机制使得深 部 动 力 灾 害 致 灾 机 理 更 为 复 杂. 据 相 关 资 料 显 示[46鄄鄄47] :在国外,南非金矿是世界上发生深井岩爆最 严重的地区,最大岩爆震级达到 ML5郾 1 级;我国发生 岩爆的矿山比较典型的有辽宁的红透山铜矿、安徽的 冬瓜山铜矿等金属矿山,冲击地压灾害则主要显现于 鹤岗、胜利等煤矿矿区. 因此,未来采矿动力灾害研究 的工作重点将是深部开采,开展深部开采动力过程的 机理、监测与预报技术研究具有极其重大的实际工程 和科学理论意义. Vesela [48]提出了能量集中存储因素和冲击敏感因 素等概念,认为煤岩体的第三主应力是反映能量存储 的冲击敏感因素. Mutke 等[49]研究并提出适用于评估 预测煤矿冲击地压和岩爆灾害的新准则. 何满潮 等[50]基于自主设计开发的深部岩爆过程实验系统,从 岩爆的发生时间、破坏形式、能量释放等方面出发,研 究并揭示了深部开挖卸载作用下岩爆发生机理的时空 效应及其分类特征. 苗金丽等[51] 基于声发射频谱分 析及时频分析,深入揭示了花岗岩岩爆宏观现象的微 观破坏机制. 吴顺川等[52] 从实际公路工程隧道群岩 爆灾变过程的细观力学机制出发,对比研究了室内卸 载岩爆试验的破坏过程与 PFC 3D颗粒流数值仿真分析 的破裂结果. 贾义鹏等[53] 基于粒子群优化算法和能 量理论,构建了一种岩爆预测的非线性回归神经网络 模型. 尚彦军等[54] 开展了关于岩爆势综合量化表征 的多参量经验公式拟合工作,较好地补充完善了岩爆 的五因素判据. 蔡美峰等[55] 以三山岛金矿为工程背 景,综合运用室内力学试验、改进套孔深部地应力测 量、有限差分数值仿真以及地震学与能量积聚理论等, 定量地对矿区未来开采扰动诱发岩爆的范围及级别进 行了预测. 钱七虎[56] 从发生机制的角度对岩爆及冲 击地压进行了分类,并在此基础上介绍了各类型岩爆 的定量预测原理与模型. 顾金才等[57] 从应力与能量 两个方面出发,对抛掷型岩爆机制提出了新的认识,并 研发了新的针对抛掷型岩爆现象的物理模拟试验装 置. 王斌等[58] 从动力学理论角度对岩爆诱发机理及 其支护原则进行深入剖析,并在此基础上引入新的适 应深部岩爆动力学特征的动静组合支护系统. 何满潮 等[59]研发了真三轴非线性力学岩爆模拟试验系统,从 宏鄄鄄微观以及静鄄鄄 动载等不同角度深入揭示了岩爆的 破坏过程与发生机制,并在此基础上提出了岩爆的时 间类型、应力与能量判别准则等. 刘磊磊等[60] 提出一 种新的基于变权靶心贴近度的工程类比岩爆预测法. 马春驰等[61]基于颗粒流理论与硬脆特性评价指标体 系,建立了微观层面颗粒模型,并指出在高低两种围压 卸荷条件下岩爆效应具有持续性与爆发性特征. 王迎 超等[62]建立了一种基于德尔菲鄄鄄正态云的综合评价模 型,将人工智能方法较好地应用在岩爆烈度的分级定 量化预测中. 周辉等[63] 从理论分析角度深入揭示了 结构面的产状、规模、生产环境、力学性质及开挖方式 对岩爆的作用机制,并提出相应的结构面型岩爆分类 方法. 张子健等[64] 基于岩石室内单轴压缩力学试验 与声发射试验,从线弹性能判据角度出发,初步揭示了 不同岩石的声发射能量累积计数与其岩爆倾向性之间 的规律性关联关系. 李莎莎等[65] 基于能量理论和 PFC 3D颗粒流数值模拟技术,从三维建模的角度研究了 卸载岩爆的细观力学机理. 苏国韶等[66] 采用真三轴 压缩试验的方法研究了岩爆过程的声音信号波形、分 形以及频谱特征,提出基于声音信号的岩爆预测方法. 当前,由于关于岩爆或冲击地压等采动动力灾害力学 机制的复杂性和多变性,其机理研究的相关成果(如: 刚度理论和强度理论等)多半停留在定性和半定量的 理论分析层面,并且上述理论未能明确岩爆(冲击地 压)的动力失稳过程与内外诱发因素(冲击倾向性、岩 体结构面和采动能量聚集)的关系[48鄄鄄50] . 关于此类动 力灾害的监测和预报依然缺少成熟的技术,深部岩体 开挖过程中能量的“积聚鄄鄄转移鄄鄄演化鄄鄄耗散冶过程的随 机性与突发性也导致深部动力灾害的预测与防控难度 愈发增大,现行的诸多方法(如:声发射法和电磁辐射 法等)仍难以实现岩爆以及冲击地压的短期和临震预 报[55鄄鄄56] . 深部动力灾害研究整体上依然处于被动救灾 状态,对深部岩体细观破裂演化过程诱发动力灾害的 机制研究仍不完善,也缺乏有效的深部动力灾害超前 辨识与精准预报技术[64鄄鄄66] . 1郾 4 深部开采突水灾害机理与预警技术研究 深部裂隙岩体在地下水长期渗流作用下的变形损 伤模式和突水机理不明晰,一方面造成了井下采掘工 作环境恶化和生产设备寿命缩短,另一方面也使得排 ·1132·
李长洪等：深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 ·1133· 水费用大幅度提高以及开采成本急剧增加，其本质是 方面，缺少对多因素耦合作用下深部开采突水成灾裂 深部采动作用下的渗流-应力耦合问题6-6】.因此，研 隙岩体的结构效应和分形几何特征方面的研究，大多 究深部井巷掘进诱发突水事故的致灾机理及其预警技 通过宏观统计方法予以研究，难以建立基于表征单元 术具有十分关键的科学意义.当前，国内外学者在深 体和孔网信息空间展布的岩体结构描述模型，亦未能 部开采诱发突水灾害研究领域获得了较丰富的研究 阐明深部岩体力学参数与水力参数的函数关系及其分 成果 形特征[].深部开采诱发突水灾害预警方面的现行 Noorishad等[6s]提出一种适用于饱和裂隙岩体介 研究多数是基于探测距离有限或预测效能较低的现场 质的热-流-力耦合的非线性本构模型及其数值计算 观测技术及模型计算方法，缺乏对采动过程诱发突水 方法.Andersson等[]采用离散元数值仿真的方法分 水量及水压的准确预测预报方法，未能形成基于海量 析了岩体三维裂隙网络中的多相流介质运移规律.刘 动态信息分析技术的多源时空突水灾害的可视化监 爱华等[]研制了大型流-固耦合物理模型试验系统， 测-预测-预警模型，相关的突水灾变预警与风险诊断 并结合体式显微镜与数字图像位移测量装置，揭示了 的成果远远不能满足未来深部掘进诱发突水事故防灾 深部开采应力-水压力-采动联合作用下承压突水灾 减灾的迫切要求，也使得深部掘进空间不明来源水体 害的宏细观孕育演化机制.乔伟等[)指出突水系数 的蓄积和成灾不易察觉[-别 法的欠缺之处，并在此基础上提出适用于深部开采的 1.5深部开采围岩变形机理与防控技术研究 基于单位涌水量的新型底板突水危险性预测预报评价 深部巷道空间形态的多变性、围岩压力的非均匀 方法.虎维岳等]提出了针对隔水层非均布水压特 性以及采动动力损伤的不可逆性等综合作用，使得巷 征的煤层底板突水力学模型，并基于数值仿真的手段 道围岩表现出明显的非线性“潜塑性”力学特征，碎 胀、扩容等长期大变形破坏现象极其严重[].因此， 对比研究了非均布水压力与均布水压对隔水层的破坏 深部开采多因素耦合效应下岩层大变形机理与防控技 机制.陈红江等)从宏细观层次进行了考虑流-固耦 术研究是保证深部开采经济与安全的关键性研究 合作用下的水下矿床开采顶板突水机制的试验研究. 课题 武强等4针对断裂构造带滞后突水问题提出三类流- Russo-Bello等[s]研究了深部强开采扰动地质环 固耦合模拟评价模型，并结合数值仿真手段对比研究 境下的巷道围压及其综采与支护技术.Bazant等[s]研 了各类模型的特点及适用性.廖九波等[]基于重整 究了深部巷道围岩的剪胀扩容及其内聚力的应变软化 化群方法和细观损伤力学理论，从细观层面研究了深 现象与机理.高喜才等[]针对陕西彬长矿区某深部 部开采高水压作用下的岩层临界破坏特性及突水机 巷道初次锚网索支护效果差的现状，综合采用数值模 制.孙明等]提出了深部煤层底板突水的专家打分- 拟计算和力学特征分析等方法揭示了巷道围岩破坏机 层次分析方法，从定量研究的角度揭示了此类非线性 理，并在此基础上提出了相应的综合支护方案.王明 灰箱问题的主控特征因子集.孙文斌等[]优选新型 洋等[]提出能够描述深部岩体变形破坏全过程的动 固流耦合相似材料，模拟研究了深部开采的高应力高 态本构模型，并在此基础上基于ABAQUS的二次开发 渗透压耦合环境下突水裂隙通道的孕育演化过程.张 平台实现了深埋隧道开挖卸荷破坏动态演化全过程的 圣才等[]综合运用孔组放水多孔观测试验以及计算 精确模拟.李为腾等[]基于收敛监测、钻孔探测和数 解析法研究了疏水降压对突水系数的影响机制.赵庆 值模拟等方法，研究了夹煤层厚度等多因素对深部 彪等)在大采深高承压水开采条件下，基于时空4维 “岩-煤-岩”型巷道围岩变形的影响规律及其破坏机 结构概念，首次提出了“分时段分带突破”的煤层底板 理，并通过现场试验成功验证了“注浆-锚固-分段非 突水机理.白继文等[]在划分王楼煤矿工程采动过 对称控制”的治理技术.高明中等[基于数值与理论 程中断层滞后突水不同阶段及其监测预警等级的基础 分析相结合的方法，研究揭示了深部巷道围岩塑性区 上，采用光纤在线监测预警系统推进了深部岩体多场 分布范围和扩展空间、位移场的变形特征以及应力动 信息监测预警的研究.张士川等采用理论分析和 态演化规律，并提出了深部巷道稳定性控制的三大技 物理模拟相结合的方法，研究了流固耦合效应下的深术措施.郭保华等[]提出一种协调控制深部巷道围 部开采滞后突水灾害的时空孕育演化机理.申建军 岩变形的新型支架，并对其结构、工作原理以及工作过 等[]综合层次分析法和可拓学理论，提出危险性物元 程进行了详细的力学分析.江贝等[]综合运用非连 评价模型，定量化地研究评价了深部底板突水的危险 续细观分析(DDARF)、地质力学模型试验以及现场监 性程度.深部采掘空间的赋存地质环境是认识深部开 测的方法，系统研究了深部沿空巷围岩在锚固作用下 采突水灾害孕育成灾过程的前提.目前，有关深部开 的裂隙演化机制.郭志飚等通过有限差分数值方 采突水机理的研究主要集中在对水力参数的确定方法 法研究了恒阻大变形锚杆刚柔耦合支护技术在深部软
李长洪等: 深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 水费用大幅度提高以及开采成本急剧增加,其本质是 深部采动作用下的渗流鄄鄄应力耦合问题[67鄄鄄68] . 因此,研 究深部井巷掘进诱发突水事故的致灾机理及其预警技 术具有十分关键的科学意义. 当前,国内外学者在深 部开采诱发突水灾害研究领域获得了较丰富的研究 成果. Noorishad 等[68]提出一种适用于饱和裂隙岩体介 质的热鄄鄄流鄄鄄力耦合的非线性本构模型及其数值计算 方法. Andersson 等[69] 采用离散元数值仿真的方法分 析了岩体三维裂隙网络中的多相流介质运移规律. 刘 爱华等[70]研制了大型流鄄鄄 固耦合物理模型试验系统, 并结合体式显微镜与数字图像位移测量装置,揭示了 深部开采应力鄄鄄 水压力鄄鄄 采动联合作用下承压突水灾 害的宏细观孕育演化机制. 乔伟等[71] 指出突水系数 法的欠缺之处,并在此基础上提出适用于深部开采的 基于单位涌水量的新型底板突水危险性预测预报评价 方法. 虎维岳等[72] 提出了针对隔水层非均布水压特 征的煤层底板突水力学模型,并基于数值仿真的手段 对比研究了非均布水压力与均布水压对隔水层的破坏 机制. 陈红江等[73]从宏细观层次进行了考虑流鄄鄄固耦 合作用下的水下矿床开采顶板突水机制的试验研究. 武强等[74]针对断裂构造带滞后突水问题提出三类流鄄鄄 固耦合模拟评价模型,并结合数值仿真手段对比研究 了各类模型的特点及适用性. 廖九波等[75] 基于重整 化群方法和细观损伤力学理论,从细观层面研究了深 部开采高水压作用下的岩层临界破坏特性及突水机 制. 孙明等[76]提出了深部煤层底板突水的专家打分鄄鄄 层次分析方法,从定量研究的角度揭示了此类非线性 灰箱问题的主控特征因子集. 孙文斌等[77] 优选新型 固流耦合相似材料,模拟研究了深部开采的高应力高 渗透压耦合环境下突水裂隙通道的孕育演化过程. 张 圣才等[78]综合运用孔组放水多孔观测试验以及计算 解析法研究了疏水降压对突水系数的影响机制. 赵庆 彪等[79]在大采深高承压水开采条件下,基于时空 4 维 结构概念,首次提出了“分时段分带突破冶的煤层底板 突水机理. 白继文等[80] 在划分王楼煤矿工程采动过 程中断层滞后突水不同阶段及其监测预警等级的基础 上,采用光纤在线监测预警系统推进了深部岩体多场 信息监测预警的研究. 张士川等[81] 采用理论分析和 物理模拟相结合的方法,研究了流固耦合效应下的深 部开采滞后突水灾害的时空孕育演化机理. 申建军 等[82]综合层次分析法和可拓学理论,提出危险性物元 评价模型,定量化地研究评价了深部底板突水的危险 性程度. 深部采掘空间的赋存地质环境是认识深部开 采突水灾害孕育成灾过程的前提. 目前,有关深部开 采突水机理的研究主要集中在对水力参数的确定方法 方面,缺少对多因素耦合作用下深部开采突水成灾裂 隙岩体的结构效应和分形几何特征方面的研究,大多 通过宏观统计方法予以研究,难以建立基于表征单元 体和孔网信息空间展布的岩体结构描述模型,亦未能 阐明深部岩体力学参数与水力参数的函数关系及其分 形特征[69鄄鄄70] . 深部开采诱发突水灾害预警方面的现行 研究多数是基于探测距离有限或预测效能较低的现场 观测技术及模型计算方法,缺乏对采动过程诱发突水 水量及水压的准确预测预报方法,未能形成基于海量 动态信息分析技术的多源时空突水灾害的可视化监 测鄄鄄预测鄄鄄预警模型,相关的突水灾变预警与风险诊断 的成果远远不能满足未来深部掘进诱发突水事故防灾 减灾的迫切要求,也使得深部掘进空间不明来源水体 的蓄积和成灾不易察觉[79鄄鄄81] . 1郾 5 深部开采围岩变形机理与防控技术研究 深部巷道空间形态的多变性、围岩压力的非均匀 性以及采动动力损伤的不可逆性等综合作用,使得巷 道围岩表现出明显的非线性“潜塑性冶 力学特征,碎 胀、扩容等长期大变形破坏现象极其严重[83鄄鄄84] . 因此, 深部开采多因素耦合效应下岩层大变形机理与防控技 术研究是保证深部开采经济与安全的关键性研究 课题. Russo鄄Bello 等[84] 研究了深部强开采扰动地质环 境下的巷道围压及其综采与支护技术. Ba觩ant 等[85]研 究了深部巷道围岩的剪胀扩容及其内聚力的应变软化 现象与机理. 高喜才等[86] 针对陕西彬长矿区某深部 巷道初次锚网索支护效果差的现状,综合采用数值模 拟计算和力学特征分析等方法揭示了巷道围岩破坏机 理,并在此基础上提出了相应的综合支护方案. 王明 洋等[87]提出能够描述深部岩体变形破坏全过程的动 态本构模型,并在此基础上基于 ABAQUS 的二次开发 平台实现了深埋隧道开挖卸荷破坏动态演化全过程的 精确模拟. 李为腾等[88] 基于收敛监测、钻孔探测和数 值模拟等方法,研究了夹煤层厚度等多因素对深部 “岩鄄鄄煤鄄鄄岩冶型巷道围岩变形的影响规律及其破坏机 理,并通过现场试验成功验证了“注浆鄄鄄 锚固鄄鄄 分段非 对称控制冶的治理技术. 高明中等[89] 基于数值与理论 分析相结合的方法,研究揭示了深部巷道围岩塑性区 分布范围和扩展空间、位移场的变形特征以及应力动 态演化规律,并提出了深部巷道稳定性控制的三大技 术措施. 郭保华等[90] 提出一种协调控制深部巷道围 岩变形的新型支架,并对其结构、工作原理以及工作过 程进行了详细的力学分析. 江贝等[91] 综合运用非连 续细观分析(DDARF)、地质力学模型试验以及现场监 测的方法,系统研究了深部沿空巷围岩在锚固作用下 的裂隙演化机制. 郭志飚等[92] 通过有限差分数值方 法研究了恒阻大变形锚杆刚柔耦合支护技术在深部软 ·1133·