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·
·1134· 工程科学学报，第39卷，第8期 岩巷道的作用机制.张广超和何富连[]研究了千米 世纪末针对最深5000m级目标矿山的深部开采安全 级深井巷道在高地应力、高渗透压以及强流变性等多 问题投资上亿美元开展“Deep Mine”和“Future Mine” 因素影响下的非线性围岩变形机制.并提出了包括 研究计划：而我国针对深部开采岩体力学、深部开采动 “高性能锚网喷”以及“可缩性环形支架”在内的大变 力灾害、深部开采突水灾害以及深部岩层变形控制等 形联合控制措施.王琦等[]基于室内试验、数值模拟 方向的关键科学和技术问题，先后批准资助了诸如： 及现场验证综合研究了UCC拱架构件对深部巷道断 “973计划”、“863计划”、国家科技支撑计划以及国家 层构造破碎带的力学作用机制.张红军等]综合运 重点研发计划等相应的科研项目，旨在为深部矿产资 用钻孔窥视仪与地质雷达等探测手段明确了深部软岩 源的安全高效开采奠定科学基础[].深部井工开采 巷道的围岩破坏特征，并结合地应力测量与数值模拟 面临地应力升高，涌水量增大，地质条件复杂化，开采 等方法研究提出了高强高预应力联合支护方案.周辉 工作面作业环境恶化等隐患问题，进而可能造成大范 等[]采用超前钻孔原位测试以及考虑体积应力的应 围的围岩变形、岩体塌方、岩爆、突水等灾害事故，深部 变软化数值模型，首次获得了深井巷道掘进全过程的 开采灾害防控研究整体上依然呈现匮乏之势.鉴于 围岩变形特征及破坏机理.王连国等]综合运用渗 此，笔者尝试探讨性地凝练出未来该研究领域亟需解 流力学理论分析和COMSOL多场耦合数值仿真，研究 决的两项关键问题 了针对破碎区软岩巷道的深-浅耦合全断面锚注支护 (1)深部采动裂隙岩体的多因素-多尺度耦合动 的耦合作用机理.李树忧等[]采用大尺度相似模型 力成灾机理 试验研究了深部开采多裂隙岩体的宏-细观时空变形 深部开采裂隙岩体损伤演化至失稳灾变的机制极 破坏机理.陈登红等[]基于真三轴加载试验对比研 其复杂，涉及裂隙岩体在多因素耦合效应下的宏细观 究了不同断面尺寸条件下深部矩形回采巷道围岩变形 多尺度力学行为以及强采动作用下的非线性动力学时 机制及破坏机理，并提出大断面预留大变形的围岩稳 空孕灾过程，最终演化成为深部开采岩体稳定态积聚 定性控制方法.孟庆彬等[1©]基于FLAC3D数值模拟和 能量在特定条件下的非稳定释放及失稳灾变现 三维物理模型试验等方法，研究了深部高应力软岩巷 象[2，].因此，综合运用宏细观力学理论、非线性分叉 道在锚杆-锚索分步耦合支护作用下的变形演化规律 理论、混沌运动学理论以及微分运动学理论，研究深部 及其支护效应.当前，有关深部开采围岩大变形现象 裂隙岩体在复杂地质应力环境及强扰动效应下的强度 的科学定义和分类标准尚不统一，加之其赋存环境对 衰变、劣化及耦合损伤破坏机制，探明在多因素-多尺 岩体力学强度的弱化效应雄以准确定量评估，深部巷 度耦合作用下的采动岩体损伤时空孕育演化机理，揭 道大变形控制及有效支护问题已成为矿山可持续安全 示深部采掘诱发岩体损伤演化机理及其失稳模式，探 发展的瓶颈：关于深部开采致灾岩体在多因素耦合条 究深部岩体多因素-多尺度耦合作用下能量传递的时 件下的大变形流变机理研究尚不完善，缺乏对深部开 空过程及灾变机制，上述工作将是未来超深开采灾害 采扰动作用下裂隙岩体与支护结构共同作用的多尺度 防控的重要前提和基础 精确表征技术、流变力学模型与参数以及宏-细观耦 (2)深部开采诱发型灾害的多元信息监测诊断预 合数值分析方法的研究[s-).另一方面，由于深部裂 报与防控体系 隙岩体结构特征极其复杂，长期承受深埋自重应力、采 开展深部开采诱发型灾害的多元监测方法、超前 动次生应力以及特殊赋存地质环境场的耦合作用，具 诊断技术及智能预控体系等领域的研究，是未来地下 有自稳时间短、收敛变形速度快、大变形显著等客观特 矿山安全可持续生产的坚实基础].为此，亟待完善 性：针对深部破碎岩体结构的宏观统计分析方法还难 深部开采诱发灾害的监测预警以及灾害防控理论体 以全面揭示裂隙松动岩体构造特征以及围岩的细观结 系，开发基于岩体地球物理探测和地质力学分析的深 构效应，未能明确各类支护措施对深部围岩渐进性蠕 部诱发灾害前兆特征收集与多信息融合处理体系，形 变过程的影响机理，亦未能很好地解决深部围岩裂隙 成系统的深部开采诱发灾害超前诊断方法与风险控制 松动圈二次耦合支护的施工工艺、支护最佳时间等技 理论体系.其中，多元监测预警控制技术主要包括多 术问题，这也在很大程度上制约了深部开采支护技术 元信息监测诊断和超前预测预报两个方面的关键问 的有效开展1-] 题，突破矿山深部开采灾害防御技术，形成系统的深部 开采工程安全机理与防控体系，全面提升矿山深部开 2发展态势探讨与分析 采诱发重大灾害的防御水平 2.1关键问题探讨 2.2建议与展望 目前，已进入地下深部开采的矿山日益增多，掘进 随着国家矿业经济转型发展对深部矿产资源开发 深度也逐步迈向超深开采水平.在国外，南非曾于20 利用的迫切需求，超深开采模式下的高应力、富水环境
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 岩巷道的作用机制. 张广超和何富连[93] 研究了千米 级深井巷道在高地应力、高渗透压以及强流变性等多 因素影响下的非线性围岩变形机制,并提出了包括 “高性能锚网喷冶以及“可缩性环形支架冶在内的大变 形联合控制措施. 王琦等[94] 基于室内试验、数值模拟 及现场验证综合研究了 UCC 拱架构件对深部巷道断 层构造破碎带的力学作用机制. 张红军等[95] 综合运 用钻孔窥视仪与地质雷达等探测手段明确了深部软岩 巷道的围岩破坏特征,并结合地应力测量与数值模拟 等方法研究提出了高强高预应力联合支护方案. 周辉 等[96]采用超前钻孔原位测试以及考虑体积应力的应 变软化数值模型,首次获得了深井巷道掘进全过程的 围岩变形特征及破坏机理. 王连国等[97] 综合运用渗 流力学理论分析和 COMSOL 多场耦合数值仿真,研究 了针对破碎区软岩巷道的深鄄鄄浅耦合全断面锚注支护 的耦合作用机理. 李树忱等[98] 采用大尺度相似模型 试验研究了深部开采多裂隙岩体的宏鄄鄄细观时空变形 破坏机理. 陈登红等[99] 基于真三轴加载试验对比研 究了不同断面尺寸条件下深部矩形回采巷道围岩变形 机制及破坏机理,并提出大断面预留大变形的围岩稳 定性控制方法. 孟庆彬等[100] 基于 FLAC 3D数值模拟和 三维物理模型试验等方法,研究了深部高应力软岩巷 道在锚杆鄄鄄锚索分步耦合支护作用下的变形演化规律 及其支护效应. 当前,有关深部开采围岩大变形现象 的科学定义和分类标准尚不统一,加之其赋存环境对 岩体力学强度的弱化效应难以准确定量评估,深部巷 道大变形控制及有效支护问题已成为矿山可持续安全 发展的瓶颈;关于深部开采致灾岩体在多因素耦合条 件下的大变形流变机理研究尚不完善,缺乏对深部开 采扰动作用下裂隙岩体与支护结构共同作用的多尺度 精确表征技术、流变力学模型与参数以及宏鄄鄄 细观耦 合数值分析方法的研究[85鄄鄄87] . 另一方面,由于深部裂 隙岩体结构特征极其复杂,长期承受深埋自重应力、采 动次生应力以及特殊赋存地质环境场的耦合作用,具 有自稳时间短、收敛变形速度快、大变形显著等客观特 性;针对深部破碎岩体结构的宏观统计分析方法还难 以全面揭示裂隙松动岩体构造特征以及围岩的细观结 构效应,未能明确各类支护措施对深部围岩渐进性蠕 变过程的影响机理,亦未能很好地解决深部围岩裂隙 松动圈二次耦合支护的施工工艺、支护最佳时间等技 术问题,这也在很大程度上制约了深部开采支护技术 的有效开展[91鄄鄄93] . 2 发展态势探讨与分析 2郾 1 关键问题探讨 目前,已进入地下深部开采的矿山日益增多,掘进 深度也逐步迈向超深开采水平. 在国外,南非曾于 20 世纪末针对最深 5000 m 级目标矿山的深部开采安全 问题投资上亿美元开展“Deep Mine冶和“ Future Mine冶 研究计划;而我国针对深部开采岩体力学、深部开采动 力灾害、深部开采突水灾害以及深部岩层变形控制等 方向的关键科学和技术问题,先后批准资助了诸如: “973 计划冶、“863 计划冶、国家科技支撑计划以及国家 重点研发计划等相应的科研项目,旨在为深部矿产资 源的安全高效开采奠定科学基础[29] . 深部井工开采 面临地应力升高,涌水量增大,地质条件复杂化,开采 工作面作业环境恶化等隐患问题,进而可能造成大范 围的围岩变形、岩体塌方、岩爆、突水等灾害事故,深部 开采灾害防控研究整体上依然呈现匮乏之势. 鉴于 此,笔者尝试探讨性地凝练出未来该研究领域亟需解 决的两项关键问题. (1)深部采动裂隙岩体的多因素鄄鄄 多尺度耦合动 力成灾机理. 深部开采裂隙岩体损伤演化至失稳灾变的机制极 其复杂,涉及裂隙岩体在多因素耦合效应下的宏细观 多尺度力学行为以及强采动作用下的非线性动力学时 空孕灾过程,最终演化成为深部开采岩体稳定态积聚 能量 在 特 定 条 件 下 的 非 稳 定 释 放 及 失 稳 灾 变 现 象[32,37] . 因此,综合运用宏细观力学理论、非线性分叉 理论、混沌运动学理论以及微分运动学理论,研究深部 裂隙岩体在复杂地质应力环境及强扰动效应下的强度 衰变、劣化及耦合损伤破坏机制,探明在多因素鄄鄄 多尺 度耦合作用下的采动岩体损伤时空孕育演化机理,揭 示深部采掘诱发岩体损伤演化机理及其失稳模式,探 究深部岩体多因素鄄鄄多尺度耦合作用下能量传递的时 空过程及灾变机制,上述工作将是未来超深开采灾害 防控的重要前提和基础. (2)深部开采诱发型灾害的多元信息监测诊断预 报与防控体系. 开展深部开采诱发型灾害的多元监测方法、超前 诊断技术及智能预控体系等领域的研究,是未来地下 矿山安全可持续生产的坚实基础[1,6] . 为此,亟待完善 深部开采诱发灾害的监测预警以及灾害防控理论体 系,开发基于岩体地球物理探测和地质力学分析的深 部诱发灾害前兆特征收集与多信息融合处理体系,形 成系统的深部开采诱发灾害超前诊断方法与风险控制 理论体系. 其中,多元监测预警控制技术主要包括多 元信息监测诊断和超前预测预报两个方面的关键问 题,突破矿山深部开采灾害防御技术,形成系统的深部 开采工程安全机理与防控体系,全面提升矿山深部开 采诱发重大灾害的防御水平. 2郾 2 建议与展望 随着国家矿业经济转型发展对深部矿产资源开发 利用的迫切需求,超深开采模式下的高应力、富水环境 ·1134·
李长洪等：深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 ·1135· 以及强动力扰动等问题将对未来超深开采灾害防控的 综合集成方法.建立基于突变理论的深井岩爆（冲击 信息化和智能化提出新的科学理论与技术实现方面的 地压)等动力失稳过程的数学描述模型，研究基于应 要求.通过上述对深部开采灾害研究领域的国家需 力、变形、微震和声发射等多元参量信息的深部采矿工 求，研究现状以及未来该领域研究亟需解决的关键问 程动力灾害蓄势-突变的监测预警标准，提出高应力 题的探讨与分析，本文从如下五个方面对未来超深开 开采扰动下动力灾害孕育演化过程的时空强预测-监 采领域的研究重点作出一定的建议与展望. 测预警-动态反馈分析-调控模型.研究能吸收和控制 (1)深井复杂地质结构精细建模与概观评价技术 高能量聚集和释放冲击的支护力学原理，建立基于能 研究. 量调控理论和弱化采动效应的动力灾害防控体系. 基于数理统计学理论和随机概率模拟方法，开展 (4)深部采掘诱发突水时空预警与超前防治技术 深部开采岩体结构面特征及其宏-细观表征研究，建 研究 立裂隙结构面网络各向异性力学效应模型，研究高应 基于多元精细化超前探测手段、人工神经网络、系 力强卸荷条件下深部岩体的结构面形态、产状组合、尺 统科学和模糊数学相结合的方法，研究深部高应力节 度效应及其各向异性力学参数演化规律.探明解除卸 理岩体空间裂隙发育演化规律、地下水赋存规律以及 载的岩芯直径与解除深度之间的定量关系，以及应力 导水通道与地下水关系，建立针对深部井巷掘进诱发 解除过程中节理和各向异性岩芯孔壁表面的应变值随 不同突水类型及其致灾因素的关键危险源评价指标体 解除深度的变化关系.研究考虑钻孔孔壁结构面各向 系，构建基于大数据的突水灾害时空在线监测诊断评 异性的深部高精度应力解除测量方法，提出深部三维 价理论.综合运用微震实时监测、分形理论、岩体温度 地应力张量计算分析模型，重点研究深部开采过程诱 测试、地理信息空间分析以及岩体结构多尺度数字图 发采动应力的变化规律.在此基础上，基于地质雷达、 地震波仪以及瑞雷面波仪等高分辨率地球物理勘测手 像表征技术，构建基于多元信息融合的突水灾害多参 段全面探明深部复杂赋存地质结构环境，研究地质构 量前兆特征及智能识别技术体系，提出基于分形理论 造场对地应力场分布规律的影响机制，构建深部开采 和地面远场在线监测的深井突水多尺度多维度时空概 复杂地质结构概观评价模型. 率预测模型，进一步研究基于“高效疏水降压”和“超 (2)深部岩体多因素-多尺度耦合时空损伤演化 前注浆堵水”的深部开采水害综合防治技术体系 机理研究 (5)深部开采围岩大变形监测与综合预控技术 研究. 建立深部高应力开采扰动作用下裂隙岩体在多因 素耦合效应下的时空性态定量表征方法、多尺度数值 提出基于大数据与智能调控技术的深部围岩变形 仿真技术和物理模拟方法，研究裂隙岩体微细观离散 多源信息处理方法，形成深部开采围岩变形和岩层移 裂隙贯穿为宏观裂隙直至突变失稳的动态演化过程， 动实时监测预报系统.基于现场实时监测数据和神经 网络计算方法，建立适用于深部采动岩体动态非线性 揭示深部岩体多因素耦合效应下的裂隙结构演化特 征、宏细观变形规律以及动-静灾变机制.研究深部高 工程特性的本构模型，采用数值仿真、物理模拟和无损 应力场与深部采矿过程开挖扰动的动态响应协调机制 检测相结合的综合性研究方法，获得深部开采扰动作 用下围岩变形机制、地表岩层移动的规律以及支护与 及局部失衡理论，建立各类裂隙岩体损伤与灾变失稳 类型对应的突变模型及其核心控制参量因子集，探明 围岩耦合作用机理，揭示深部开采围岩变形失稳的主 不同损伤-突变模型由孕育蓄势阶段演化至突变失稳 要影响因素及各因素的敏感度与关联程度.研究适用 阶段的多场耦合规律、触发条件及启动准则.研究深 于深部裂隙岩体分区承载特征的动态协调支护理论， 部岩体开挖过程中原岩应力场、渗流场和温度场的耦 构建超深开采高地应力条件下的大断面井巷“锚-网- 合机制、损伤积聚与演化的多尺度时空动力学过程及 梁-索-喷-注”联合支护体系，控制多因素耦合条件下 成灾机理，揭示深部开采扰动下矿岩破裂过程的应力 围岩变形与岩层移动的孕育与演化过程. 与能量的孕育、传递与释放机理 3结论 (3)深部开采动力过程监测预测及动态防控技术 研究 (1)从深部开采安全机理与灾害防控研究紧密相 研究深部开采动力灾害微震、应力、应变监测系 关的五个方向开展了大量的文猷调研工作，对其研究 统，研究微震信号的传播路径、速度和信号强度的衰减 现状给予了全面地梳理和总结，在此基础上进一步思 规律等与岩体变形、破坏和灾变的关系，根据岩体应力 考并分析现行研究成果存在的不足， 与能量传播、演化规律，探究控制动力冲击灾害发生的 (2)针对深部开采领域基础性研究匮乏之势，探 机制，探索深部开采过程灾害的时空预测的定性定量 讨性地凝练出该领域两项亟待解决的关键问题，包括：
李长洪等: 深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 以及强动力扰动等问题将对未来超深开采灾害防控的 信息化和智能化提出新的科学理论与技术实现方面的 要求. 通过上述对深部开采灾害研究领域的国家需 求、研究现状以及未来该领域研究亟需解决的关键问 题的探讨与分析,本文从如下五个方面对未来超深开 采领域的研究重点作出一定的建议与展望. (1)深井复杂地质结构精细建模与概观评价技术 研究. 基于数理统计学理论和随机概率模拟方法,开展 深部开采岩体结构面特征及其宏鄄鄄 细观表征研究,建 立裂隙结构面网络各向异性力学效应模型,研究高应 力强卸荷条件下深部岩体的结构面形态、产状组合、尺 度效应及其各向异性力学参数演化规律. 探明解除卸 载的岩芯直径与解除深度之间的定量关系,以及应力 解除过程中节理和各向异性岩芯孔壁表面的应变值随 解除深度的变化关系. 研究考虑钻孔孔壁结构面各向 异性的深部高精度应力解除测量方法,提出深部三维 地应力张量计算分析模型,重点研究深部开采过程诱 发采动应力的变化规律. 在此基础上,基于地质雷达、 地震波仪以及瑞雷面波仪等高分辨率地球物理勘测手 段全面探明深部复杂赋存地质结构环境,研究地质构 造场对地应力场分布规律的影响机制,构建深部开采 复杂地质结构概观评价模型. (2)深部岩体多因素鄄鄄 多尺度耦合时空损伤演化 机理研究. 建立深部高应力开采扰动作用下裂隙岩体在多因 素耦合效应下的时空性态定量表征方法、多尺度数值 仿真技术和物理模拟方法,研究裂隙岩体微细观离散 裂隙贯穿为宏观裂隙直至突变失稳的动态演化过程, 揭示深部岩体多因素耦合效应下的裂隙结构演化特 征、宏细观变形规律以及动鄄鄄静灾变机制. 研究深部高 应力场与深部采矿过程开挖扰动的动态响应协调机制 及局部失衡理论,建立各类裂隙岩体损伤与灾变失稳 类型对应的突变模型及其核心控制参量因子集,探明 不同损伤鄄鄄突变模型由孕育蓄势阶段演化至突变失稳 阶段的多场耦合规律、触发条件及启动准则. 研究深 部岩体开挖过程中原岩应力场、渗流场和温度场的耦 合机制、损伤积聚与演化的多尺度时空动力学过程及 成灾机理,揭示深部开采扰动下矿岩破裂过程的应力 与能量的孕育、传递与释放机理. (3)深部开采动力过程监测预测及动态防控技术 研究. 研究深部开采动力灾害微震、应力、应变监测系 统,研究微震信号的传播路径、速度和信号强度的衰减 规律等与岩体变形、破坏和灾变的关系,根据岩体应力 与能量传播、演化规律,探究控制动力冲击灾害发生的 机制,探索深部开采过程灾害的时空预测的定性定量 综合集成方法. 建立基于突变理论的深井岩爆(冲击 地压)等动力失稳过程的数学描述模型,研究基于应 力、变形、微震和声发射等多元参量信息的深部采矿工 程动力灾害蓄势鄄鄄 突变的监测预警标准,提出高应力 开采扰动下动力灾害孕育演化过程的时空强预测鄄鄄监 测预警鄄鄄动态反馈分析鄄鄄调控模型. 研究能吸收和控制 高能量聚集和释放冲击的支护力学原理,建立基于能 量调控理论和弱化采动效应的动力灾害防控体系. (4)深部采掘诱发突水时空预警与超前防治技术 研究. 基于多元精细化超前探测手段、人工神经网络、系 统科学和模糊数学相结合的方法,研究深部高应力节 理岩体空间裂隙发育演化规律、地下水赋存规律以及 导水通道与地下水关系,建立针对深部井巷掘进诱发 不同突水类型及其致灾因素的关键危险源评价指标体 系,构建基于大数据的突水灾害时空在线监测诊断评 价理论. 综合运用微震实时监测、分形理论、岩体温度 测试、地理信息空间分析以及岩体结构多尺度数字图 像表征技术,构建基于多元信息融合的突水灾害多参 量前兆特征及智能识别技术体系,提出基于分形理论 和地面远场在线监测的深井突水多尺度多维度时空概 率预测模型,进一步研究基于“高效疏水降压冶 和“超 前注浆堵水冶的深部开采水害综合防治技术体系. (5)深部开采围岩大变形监测与综合预控技术 研究. 提出基于大数据与智能调控技术的深部围岩变形 多源信息处理方法,形成深部开采围岩变形和岩层移 动实时监测预报系统. 基于现场实时监测数据和神经 网络计算方法,建立适用于深部采动岩体动态非线性 工程特性的本构模型,采用数值仿真、物理模拟和无损 检测相结合的综合性研究方法,获得深部开采扰动作 用下围岩变形机制、地表岩层移动的规律以及支护与 围岩耦合作用机理,揭示深部开采围岩变形失稳的主 要影响因素及各因素的敏感度与关联程度. 研究适用 于深部裂隙岩体分区承载特征的动态协调支护理论, 构建超深开采高地应力条件下的大断面井巷“锚鄄鄄网鄄鄄 梁鄄鄄索鄄鄄喷鄄鄄注冶联合支护体系,控制多因素耦合条件下 围岩变形与岩层移动的孕育与演化过程. 3 结论 (1)从深部开采安全机理与灾害防控研究紧密相 关的五个方向开展了大量的文献调研工作,对其研究 现状给予了全面地梳理和总结,在此基础上进一步思 考并分析现行研究成果存在的不足. (2)针对深部开采领域基础性研究匮乏之势,探 讨性地凝练出该领域两项亟待解决的关键问题,包括: ·1135·
·1136· 工程科学学报，第39卷，第8期 深部采动裂隙岩体的多因素-多尺度耦合动力成灾机 [11]Li H J,Li C H,Zhou Q,et al.In-situ stress measurement and 理以及深部开采诱发型灾害的多元信息监测诊断预报 distribution characteristics of Liguanji iron mine.Met Mine,2012 与防控体系 (8):15 (李洪军，李长洪，周钦，等.李官集铁矿地应力的测量与分 (3)对超深开采灾害研究的五个方向进行了具体 布特征研究.金属矿山，2012(8)：15) 的建议性展望，探讨了该领域学术界和工程界未来研 [12]Ji D,Ren F H,Peng C,et al.A stress interval classification 究的重要落脚点，对超深开采安全机理及防灾减灾研 method for calculating rock elastic parameters in in-situ stress 究具有一定的参考价值及促进作用. measurement.Chin Rock Mech Eng,2014,33 Suppl 1): 2728 参考文献 (冀东，任奋华，彭超.等.地应力弹性参数计算的应力区间 [1]Wang H Y,Wang M.Research of deep mining question and de- 分级方法研究.岩石力学与工程学报，2014,33（增刊1）： velopment prospects.Coal Technol,2008,27(1):3 2728) (王宏岩，王猛.深部矿井开采问题与发展前景研究.煤炭技 [13]Wang C H,Xing B R,Chen Y Q.Prediction of stress field of 术，2008,27(1)：3) super-long deep-buried tunnel area and case analysis.Chin J [2]Zhao X D,Li Y H,Liu J P,et al.Study on microseismic activity Geotech Eng,2014,36(5):955 in potential rockburst zone during deep excavation in Hongtoushan (王成虎，邢博瑞，陈永前.长大深埋隧道工程区地应力状 Mine.J Northeastern Unig Nat Sci,2009,30(9):1330 态预测与实例分析.岩土工程学报，2014,36(5)：955) (赵兴东，李元辉，刘建坡，等。红透山矿深部开采岩爆潜在 [14]Deng T,Li T H,Tang J X,et al.Research on the in-situ stress 区微震活动性研究.东北大学学报（自然科学版），2009,30 measurement based on the acoustic emission Kaiser effect.Mod (9):1330) Min,2014(12):13 [3]Chen Y.Research on Ground Movement Laws of Deep Mining in (邓涛，李天华，唐建新，等.基于声发射Kaiser效应的地应 Kailuan Mining Area Dissertation].Jiaozuo:Henan Polytechnic 力测量研究.现代矿业，2014(12)：13) University,2010 [15]Jia J H,Xing C H.Study on high reliability data-processing sys- (陈勇.开滦矿区深部开采地表移动规律的研究[学位论文]. tem for in-situ stress measurements.Coal Sci Technol,2015,43 焦作：河南理工大学，2010) (1):41 [4]Meng X,Xiao F K.Duan L Q.Analysis of destruction in mine (贾金河，邢长海.地应力测试数据高可靠性处理系统研究 deep tunnel.Coal Technol,2009,28(2):163 煤炭科学技术，2015,43(1)：41) (孟鑫，肖福坤，段立群.深部巷道围岩耦合变形机理研究 [16]Liu F,Hu B,Song D,et al.Inverse analysis on three-dimen- 煤炭技术，2009,28(2)：163) sional stress and in-situ stress measurement of Bangpu mining ar- [5]Liu S R.Safety Eraluation of Mine Water in Y Coal Mine Disser ea in Tibet.Min Res Dev,2015,35(3):47 tation].Taiyuan:North University of China,2013 (刘飞，胡斌，宋丹，等.西藏邦铺矿区地应力测量及三维地 (刘仕瑞.对兖矿集团Y煤矿突水的安全评价研究[学位论 应力反演分析.矿业研究与开发.，2015,35(3)：47) 文].太原：中北大学，2013) [17]Sun DS,Feng C J,Xu H B,et al.In-situ stress measurement [6]Lan H,Chen D K,Mao D B.Current status of deep mining and at deep borehole of Dataigou Iron Mine area and its application./ disaster prevention in China.Coal Sci Technol,2016,44(1):39 Central S Unin Sci Technol,2015,46(4):1384 (蓝航，陈东科，毛德兵.我国煤矿深部开采现状及灾害防治 (孙东生，丰成君，许洪斌，等.大台沟矿区深孔水压致裂原 分析.煤炭科学技术，2016,44(1)：39) 地应力测量及应用.中南大学学报（自然科学版），2015,46 [7]Cai M F.Application of rock mechanics in mining engineering in (4):1384) metal mines.Met Mine,2006(1):28 [18]Ge W F,Zhang F,Chen M,et al.Research on geostress meas- (蔡美峰.岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用.金属矿 urement using DRA-Kaiser method in salt-gypsum formation. 山，2006(1)：28) Chin J Rock Mech Eng,2015,34(Suppl 1):3138 [8]Martin C D,Lanyon G W.Measurement of in-situ stress in weak (葛伟凤，张飞，陈勉，等.盐膏岩DRA-Kaiser地应力测试 rocks at Mont Terri Rock laboratory,Switzerland.Int Rock Mech 方法初探.岩石力学与工程学报，2015,34（增刊1）：3138) in Sci,2003,40(7-8):1077 [19]Peng R,Meng X R,Zhao G M,et al.Acoustic emission in-situ [9] Chistiansson R.The latest developments for in-situ rock stress stress testing of different lithology rock and its application.Cen- measuring techniques//Proceedings of the International Symposi- tral S Univ Sci Technol,2015,46(9):3377 um on In-situ Rock Stress.Trondheim,2006:3 (彭瑞，孟样瑞，赵光明，等.不同岩性岩石声发射地应力测 [10]Yan H P,Yin W L,Pan Y S,et al.The concentration region 试及其应用.中南大学学报（自然科学版），2015,46(9)： numerical simulation analysis and prediction research in Daans- 3377) han coal mine deep stress.Chin Geological Hazard Control, [20]Wang L J,Cui J W,Sun D S,et al.Determination of three-di- 2013,24(4):119 mensional in situ stresses by anelastic strain recovery in Teng- (阎海鹏，尹万蕾，潘一山，等。北京房山大安山煤矿深部地 chung scientific drilling hole.Acta Geoscientica Sinica,2016,37 应力数值模拟分析.中国地质灾害与防治学报，2013,24 (1):111 (4):119) (王连捷，崔军文，孙东生，等.腾冲科学钻探孔非弹性应变
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 深部采动裂隙岩体的多因素鄄鄄多尺度耦合动力成灾机 理以及深部开采诱发型灾害的多元信息监测诊断预报 与防控体系. (3)对超深开采灾害研究的五个方向进行了具体 的建议性展望,探讨了该领域学术界和工程界未来研 究的重要落脚点,对超深开采安全机理及防灾减灾研 究具有一定的参考价值及促进作用. 参 考 文 献 [1] Wang H Y, Wang M. Research of deep mining question and de鄄 velopment prospects. Coal Technol, 2008, 27(1): 3 (王宏岩, 王猛. 深部矿井开采问题与发展前景研究. 煤炭技 术, 2008, 27(1): 3) [2] Zhao X D, Li Y H, Liu J P, et al. Study on microseismic activity in potential rockburst zone during deep excavation in Hongtoushan Mine. J Northeastern Univ Nat Sci, 2009, 30(9): 1330 (赵兴东, 李元辉, 刘建坡, 等. 红透山矿深部开采岩爆潜在 区微震活动性研究. 东北大学学报(自然科学版), 2009, 30 (9): 1330) [3] Chen Y. Research on Ground Movement Laws of Deep Mining in Kailuan Mining Area [Dissertation]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2010 (陈勇. 开滦矿区深部开采地表移动规律的研究[学位论文]. 焦作: 河南理工大学, 2010) [4] Meng X, Xiao F K, Duan L Q. Analysis of destruction in mine deep tunnel. Coal Technol, 2009, 28(2): 163 (孟鑫, 肖福坤, 段立群. 深部巷道围岩耦合变形机理研究. 煤炭技术, 2009, 28(2): 163) [5] Liu S R. Safety Evaluation of Mine Water in Y Coal Mine [Disser鄄 tation]. Taiyuan: North University of China, 2013 (刘仕瑞. 对兖矿集团 Y 煤矿突水的安全评价研究[学位论 文]. 太原: 中北大学, 2013) [6] Lan H, Chen D K,Mao D B. Current status of deep mining and disaster prevention in China. Coal Sci Technol, 2016, 44(1): 39 (蓝航, 陈东科, 毛德兵. 我国煤矿深部开采现状及灾害防治 分析. 煤炭科学技术, 2016, 44(1): 39) [7] Cai M F. Application of rock mechanics in mining engineering in metal mines. Met Mine, 2006(1): 28 (蔡美峰. 岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用. 金属矿 山, 2006(1): 28) [8] Martin C D, Lanyon G W. Measurement of in鄄situ stress in weak rocks at Mont Terri Rock laboratory, Switzerland. Int J Rock Mech Min Sci, 2003, 40(7鄄8): 1077 [9] Chistiansson R. The latest developments for in鄄situ rock stress measuring techniques / / Proceedings of the International Symposi鄄 um on In鄄situ Rock Stress. Trondheim, 2006: 3 [10] Yan H P, Yin W L, Pan Y S, et al. The concentration region numerical simulation analysis and prediction research in Daans鄄 han coal mine deep stress. Chin J Geological Hazard Control, 2013, 24(4): 119 (阎海鹏, 尹万蕾, 潘一山, 等. 北京房山大安山煤矿深部地 应力数值模拟分析. 中国地质灾害与防治学报, 2013, 24 (4): 119) [11] Li H J, Li C H, Zhou Q, et al. In鄄situ stress measurement and distribution characteristics of Liguanji iron mine. Met Mine, 2012 (8): 15 (李洪军, 李长洪, 周钦, 等. 李官集铁矿地应力的测量与分 布特征研究. 金属矿山, 2012(8): 15) [12] Ji D, Ren F H, Peng C, et al. A stress interval classification method for calculating rock elastic parameters in in鄄situ stress measurement. Chin J Rock Mech Eng, 2014, 33 ( Suppl 1 ): 2728 (冀东, 任奋华, 彭超, 等. 地应力弹性参数计算的应力区间 分级方法研究. 岩石力学与工程学报, 2014, 33 (增刊 1): 2728) [13] Wang C H, Xing B R, Chen Y Q. Prediction of stress field of super鄄long deep鄄buried tunnel area and case analysis. Chin J Geotech Eng, 2014, 36(5): 955 (王成虎, 邢博瑞, 陈永前. 长大深埋隧道工程区地应力状 态预测与实例分析. 岩土工程学报, 2014, 36(5): 955) [14] Deng T, Li T H, Tang J X, et al. Research on the in鄄situ stress measurement based on the acoustic emission Kaiser effect. Mod Min, 2014(12): 13 (邓涛, 李天华, 唐建新, 等. 基于声发射 Kaiser 效应的地应 力测量研究. 现代矿业, 2014(12): 13) [15] Jia J H, Xing C H. Study on high reliability data鄄processing sys鄄 tem for in鄄situ stress measurements. Coal Sci Technol, 2015, 43 (1): 41 (贾金河, 邢长海. 地应力测试数据高可靠性处理系统研究. 煤炭科学技术, 2015, 43(1): 41) [16] Liu F, Hu B, Song D, et al. Inverse analysis on three鄄dimen鄄 sional stress and in鄄situ stress measurement of Bangpu mining ar鄄 ea in Tibet. Min Res Dev, 2015, 35(3): 47 (刘飞, 胡斌, 宋丹, 等. 西藏邦铺矿区地应力测量及三维地 应力反演分析. 矿业研究与开发, 2015, 35(3): 47) [17] Sun D S, Feng C J, Xu H B, et al. In鄄situ stress measurement at deep borehole of Dataigou Iron Mine area and its application. J Central S Univ Sci Technol, 2015, 46(4): 1384 (孙东生, 丰成君, 许洪斌, 等. 大台沟矿区深孔水压致裂原 地应力测量及应用. 中南大学学报(自然科学版), 2015, 46 (4): 1384) [18] Ge W F, Zhang F, Chen M, et al. Research on geostress meas鄄 urement using DRA鄄鄄 Kaiser method in salt鄄gypsum formation. Chin J Rock Mech Eng, 2015, 34(Suppl 1): 3138 (葛伟凤, 张飞, 陈勉, 等. 盐膏岩 DRA鄄鄄Kaiser 地应力测试 方法初探. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(增刊 1): 3138) [19] Peng R, Meng X R, Zhao G M, et al. Acoustic emission in鄄situ stress testing of different lithology rock and its application. J Cen鄄 tral S Univ Sci Technol, 2015, 46(9): 3377 (彭瑞, 孟祥瑞, 赵光明, 等. 不同岩性岩石声发射地应力测 试及其应用. 中南大学学报(自然科学版), 2015, 46 (9): 3377) [20] Wang L J, Cui J W, Sun D S, et al. Determination of three鄄di鄄 mensional in situ stresses by anelastic strain recovery in Teng鄄 chung scientific drilling hole. Acta Geoscientica Sinica, 2016, 37 (1): 111 (王连捷, 崔军文, 孙东生, 等. 腾冲科学钻探孔非弹性应变 ·1136·
李长洪等：深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 ·1137· 恢复法三维地应力测量.地球学报，2016,37(1)：111) [32]Zhu W C,Wei C H,Tang C A,et al.Damage area character- [21]Zhang D M,Bai X,Qi X H,et al.Acoustic emission character- ization of rock mass excavation and the model of thermal-hydro- isties and in-situ stresses of bedding rock based on Kaiser effect. mechanical coupling:research status and prospect.Prog Nat Chin J Rock Mech Eng,2016,35(1):87 Sci,2008,18(9):968 (张东明，白鑫，齐消寒，等.含层理岩石的AE特征分析及 (朱万成，魏晨慧，唐春安，等.岩体开挖损伤区的表征及 基于Kaiser效应的地应力测试研究.岩石力学与工程学报， 热-流-力耦合模型：研究现状及展望.自然科学进展， 2016,35(1):87) 2008,18(9):968) [22]Xue W P,Yao ZS,Jing L W,et al.Application of stress relie- [33]Li S C,Feng X D,Li SC,et al.Numerical simulation of zonal ving method in geostress measurement of roadway surrounding ar- disintegration for deep rock mass.Chin J Rock Mech Eng,2011, ea.Saf Coal Min,2016,47(1):134 30(7):1337 (薛维培，姚直书，经来旺，等.应力解除法在巷道周围区域 (李树忧，冯现大，李术才，等.深部岩体分区破裂化现象数 地应力测试中的应用.煤矿安全，2016,47(1)：134) 值模拟.岩石力学与工程学报，2011,30(7)：1337) [23]Qin X H,Chen QC.Hao Y J,et al.Estimation on in-situ stress [34]Zhou X P,Zhou M,Qian Q H.Influence of rock damage on zon- measurements and present-day stress field in the Shapinggou mo- al disintegration around deep circle tunnels.Chin Solid Mech, lybdenum deposit,Jinzhai County,Anhui Province.Acta Geosci- 2012.33(3)：242 entica Sinica,2016,37(2):223 (周小平，周敏，钱七虎.深部岩体损伤对分区破裂化效应 (秦向辉，陈群策，郝越进，等.安徽金寨沙坪沟矿区地应力 的影响.固体力学学报，2012,33(3)：242) 测量与现今应力场研究.地球学报，2016,37(2)：223) [35]Xiao T L,Li X P,Jia S P.Triaxial test research and mechanical [24]Tang H R,Guo S S,Han L J,et al.Study on the distribution analysis based on structure surface effect of deep rock mass with rule of deep in-situ stress in Huize Pb-Zn Mine.Min Res Dev, single fissure.Chin Rock Mech Eng,2012,31(8):1666 2016,36(3):45 (肖桃李，李新平，贾善坡.深部单裂隙岩体结构面效应的 (唐华瑞，郭闪闪，韩灵杰，等.会泽铅锌矿深部地应力分布 三轴试验研究与力学分析.岩石力学与工程学报，2012,31 规律的研究.矿业研究与开发，2016,36(3)：45) (8):1666) [25]Yang Z Q,Gao Q,Zhai S H,et al.Intelligent inversion method [36]Yu W J,Gao Q,Jin X Q,et al.Field investigation and mechan- of in-situ stress field for a complicated engineering geological ics characteristics analysis of deep rock mass affected by faul body.J Harbin Inst Technol,2016,48(4):154 structure.Prog Geophys,2013,28(1):488 (杨志强，高谦，翟淑花，等.复杂工程地质体地应力场智能 (余伟健，高谦靳学奇，等.受断层构造影响的深部岩体现 反演.哈尔滨工业大学学报，2016,48(4)：154) 场调查及力学特征分析.地球物理学进展，2013,28(1)： [26]Chen H J.Research on Coupling Theory and Test of Stress-Dam- 488) age-Seepage in Fractured Rock Masses and Its Engineering Appli- [37]Li J,Wang M Y,Zhang N,et al.Basic problems for dynamic cation Dissertation ]Changsha:Central South University, deformation and fracture of deep rock mass.Eng Sci,2013,15 2010 (5):71 (陈红江.裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合理论、试验及工程 (李杰，王明洋，张宁，等.深部岩体动力变形与破坏基本问 应用研究[学位论文].长沙：中南大学，2010) 题.中国工程科学，2013,15(5)：71) [27]Hudson J A,Stephansson O,Andersson J,et al.Coupled T-H- [38]Zhou X P,Qian Q H.Non-euclidean model of failure of deep M issues relating to radioactive waste repository design and per- rock masses under incompatible deformation.Chin Rock Mech formance.Int J Rock Mech Min Sci,2001,38(1):143 Eng,2013,32(4):767 [28]Malan D F.Manuel rocha medal recipient simulating the time (周小平，钱七虎.非协调变形下深部岩体破坏的非欧模型. dependent,behavior of excavations in hard rock.Rock Mech 岩石力学与工程学报，2013,32(4)：767) Rock Eng,2002,35(4):225 [39]Zhang Q Y,Zhang X T,Xiang W,et al.Model test study of [29]He M C.Xie H P,Peng S P,et al.Study on rock mechanics in zonal disintegration in deep rock mass under different cavern deep mining engineering.Chin J Rock Mech Eng,2005,24 shapes and loading conditions.Chin J Rock Mech Eng,2013,32 (16):2803 (8):1564 (何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究.岩 (张强勇，张绪涛，向文，等.不同洞形与加载方式对深部岩 石力学与工程学报，2005,24(16)：2803) 体分区破裂影响的模型试验研究.岩石力学与工程学报， [30]Wang M Y,Zhou Z P,Qian Q H.Tectonic,deformation and 2013,32(8):1564) failure problems of deep rock mass.Chin I Rock Mech Eng, [40]Li J,Wang M Y,Zhang N,et al.An equation for damage devel- 2006,25(3):448 opment and volumetric dilation of cracked rock.Chin Rock (王明洋，周泽平，钱七虎.深部岩体的构造和变形与破坏 Mech Eng,2015,34(8):1532 问题.岩石力学与工程学报，2006,25(3)：448) (李杰，王明洋，张宁，等.裂隙岩体动态损伤演化与体积打扩 [31]Zhou X P,Qian Q H,Yang H Q.Strength criteria of deep rock 容方程.岩石力学与工程学报，2015,34(8)：1532) mass.Chin J Rock Mech Eng,2008,27(1):117 [41]Xu Y,Yuan P.Model test of zonal disintegration in deep rock (周小平，钱七虎，杨海清.深部岩体强度准则.岩石力学与 under blasting load.Chin Rock Mech Eng,2015,34(Suppl 工程学报，2008,27(1)：117) 2):3844
李长洪等: 深部开采安全机理及灾害防控现状与态势分析 恢复法三维地应力测量. 地球学报, 2016, 37(1): 111) [21] Zhang D M, Bai X, Qi X H, et al. Acoustic emission character鄄 istics and in鄄situ stresses of bedding rock based on Kaiser effect. Chin J Rock Mech Eng, 2016, 35(1): 87 (张东明, 白鑫, 齐消寒, 等. 含层理岩石的 AE 特征分析及 基于 Kaiser 效应的地应力测试研究. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(1): 87) [22] Xue W P, Yao Z S, Jing L W, et al. Application of stress relie鄄 ving method in geostress measurement of roadway surrounding ar鄄 ea. Saf Coal Min, 2016, 47(1): 134 (薛维培, 姚直书, 经来旺, 等. 应力解除法在巷道周围区域 地应力测试中的应用. 煤矿安全, 2016, 47(1): 134) [23] Qin X H, Chen Q C, Hao Y J, et al. Estimation on in鄄situ stress measurements and present鄄day stress field in the Shapinggou mo鄄 lybdenum deposit, Jinzhai County, Anhui Province. Acta Geosci鄄 entica Sinica, 2016, 37(2): 223 (秦向辉, 陈群策, 郝越进, 等. 安徽金寨沙坪沟矿区地应力 测量与现今应力场研究. 地球学报, 2016, 37(2): 223) [24] Tang H R, Guo S S, Han L J, et al. Study on the distribution rule of deep in鄄situ stress in Huize Pb鄄鄄 Zn Mine. Min Res Dev, 2016, 36(3): 45 (唐华瑞, 郭闪闪, 韩灵杰, 等. 会泽铅锌矿深部地应力分布 规律的研究. 矿业研究与开发, 2016, 36(3): 45) [25] Yang Z Q, Gao Q, Zhai S H, et al. Intelligent inversion method of in鄄situ stress field for a complicated engineering geological body. J Harbin Inst Technol, 2016, 48(4): 154 (杨志强, 高谦, 翟淑花, 等. 复杂工程地质体地应力场智能 反演. 哈尔滨工业大学学报, 2016, 48(4): 154) [26] Chen H J. Research on Coupling Theory and Test of Stress鄄鄄Dam鄄 age鄄鄄 Seepage in Fractured Rock Masses and Its Engineering Appli鄄 cation [ Dissertation ]. Changsha: Central South University, 2010 (陈红江. 裂隙岩体应力鄄鄄 损伤鄄鄄 渗流耦合理论、试验及工程 应用研究[学位论文]. 长沙: 中南大学, 2010) [27] Hudson J A, Stephansson O, Andersson J, et al. Coupled T鄄鄄H鄄鄄 M issues relating to radioactive waste repository design and per鄄 formance. Int J Rock Mech Min Sci, 2001, 38(1): 143 [28] Malan D F. Manuel rocha medal recipient simulating the time鄄 dependent, behavior of excavations in hard rock. Rock Mech Rock Eng, 2002, 35(4): 225 [29] He M C, Xie H P, Peng S P, et al. Study on rock mechanics in deep mining engineering. Chin J Rock Mech Eng, 2005, 24 (16): 2803 (何满潮, 谢和平, 彭苏萍, 等. 深部开采岩体力学研究. 岩 石力学与工程学报, 2005, 24(16): 2803) [30] Wang M Y, Zhou Z P, Qian Q H. Tectonic, deformation and failure problems of deep rock mass. Chin J Rock Mech Eng, 2006, 25(3): 448 (王明洋, 周泽平, 钱七虎. 深部岩体的构造和变形与破坏 问题. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(3): 448) [31] Zhou X P, Qian Q H, Yang H Q. Strength criteria of deep rock mass. Chin J Rock Mech Eng, 2008, 27(1): 117 (周小平, 钱七虎, 杨海清. 深部岩体强度准则. 岩石力学与 工程学报, 2008, 27(1): 117) [32] Zhu W C, Wei C H, Tang C A, et al. Damage area character鄄 ization of rock mass excavation and the model of thermal鄄hydro鄄 mechanical coupling: research status and prospect. Prog Nat Sci, 2008, 18(9): 968 (朱万成, 魏晨慧, 唐春安, 等. 岩体开挖损伤区的表征及 热鄄鄄流鄄鄄力耦合模型: 研究现状及展望. 自然科学进展, 2008, 18(9): 968) [33] Li S C, Feng X D, Li S C, et al. Numerical simulation of zonal disintegration for deep rock mass. Chin J Rock Mech Eng, 2011, 30(7): 1337 (李树忱, 冯现大, 李术才, 等. 深部岩体分区破裂化现象数 值模拟. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(7): 1337) [34] Zhou X P, Zhou M, Qian Q H. Influence of rock damage on zon鄄 al disintegration around deep circle tunnels. Chin J Solid Mech, 2012, 33(3): 242 (周小平, 周敏, 钱七虎. 深部岩体损伤对分区破裂化效应 的影响. 固体力学学报, 2012, 33(3): 242) [35] Xiao T L, Li X P, Jia S P. Triaxial test research and mechanical analysis based on structure surface effect of deep rock mass with single fissure. Chin J Rock Mech Eng, 2012, 31(8): 1666 (肖桃李, 李新平, 贾善坡. 深部单裂隙岩体结构面效应的 三轴试验研究与力学分析. 岩石力学与工程学报, 2012, 31 (8): 1666) [36] Yu W J, Gao Q, Jin X Q, et al. Field investigation and mechan鄄 ics characteristics analysis of deep rock mass affected by fault structure. Prog Geophys, 2013, 28(1): 488 (余伟健, 高谦, 靳学奇, 等. 受断层构造影响的深部岩体现 场调查及力学特征分析. 地球物理学进展, 2013, 28 (1): 488) [37] Li J, Wang M Y, Zhang N, et al. Basic problems for dynamic deformation and fracture of deep rock mass. Eng Sci, 2013, 15 (5): 71 (李杰, 王明洋, 张宁, 等. 深部岩体动力变形与破坏基本问 题. 中国工程科学, 2013, 15(5): 71) [38] Zhou X P, Qian Q H. Non鄄euclidean model of failure of deep rock masses under incompatible deformation. Chin J Rock Mech Eng, 2013, 32(4): 767 (周小平, 钱七虎. 非协调变形下深部岩体破坏的非欧模型. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(4): 767) [39] Zhang Q Y, Zhang X T, Xiang W, et al. Model test study of zonal disintegration in deep rock mass under different cavern shapes and loading conditions. Chin J Rock Mech Eng, 2013, 32 (8):1564 (张强勇, 张绪涛, 向文, 等. 不同洞形与加载方式对深部岩 体分区破裂影响的模型试验研究. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(8): 1564) [40] Li J, Wang M Y, Zhang N, et al. An equation for damage devel鄄 opment and volumetric dilation of cracked rock. Chin J Rock Mech Eng, 2015, 34(8): 1532 (李杰, 王明洋, 张宁, 等. 裂隙岩体动态损伤演化与体积扩 容方程. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(8): 1532) [41] Xu Y, Yuan P. Model test of zonal disintegration in deep rock under blasting load. Chin J Rock Mech Eng, 2015, 34 ( Suppl 2): 3844 ·1137·
·1138· 工程科学学报，第39卷，第8期 (徐颖，袁璞.爆炸荷载作用下深部围岩分区破裂模型试验 29(Suppl2):4082 研究.岩石力学与工程学报.2015,34（增刊2）：3844) (吴顺川，周哈，高斌。卸载岩爆试验及P℉CD数值模拟研 [42]Xie H P,Zhou H W,Xue D J,et al.Research and considera- 究.岩石力学与工程学报，2010,29（增刊2）：4082) tion on deep coal mining and critical mining depth.China Coal [53]Jia Y P,Lui Q,Shang Y Q.Rockburst prediction using particle Soc,2012,37(4):535 swarm optimization algorithm and general regression neural net- (谢和平，周宏伟，薛东杰，等.煤炭深部开采与极限开采深 work.Chin J Rock Mech Eng,2013,32(2):343 度的研究与思考.煤炭学报，2012,37(4)：535) (贾义鹏，吕庆，尚岳全.基于粒子群算法和广义回归神经 [43]Chen W H,Huang HL,Ma P.Test study of deformation char- 网络的岩爆预测.岩石力学与工程学报，2013,32(2)： acteristics of deep rock mass in Jinping II hydropower station un- 343) der ultra-high pressure.Chin J Rock Mech Eng,2015,34(Sup- [54]Shang Y J,Zhang J J,Fu B J.Analyses of three parameters for pl2):3930 strain mode rockburst and expression of rockburst potential.Chin (陈文华，黄火林，马鹏.超高应力作用下锦屏二级水电站 J Rock Mech Eng,2013,32(8):1520 深部岩体变形特性试验研究.岩石力学与工程学报，2015， (尚彦军，张镜剑，傅冰骏.应变型岩爆三要素分析及岩爆 34(增刊2)：3930) 势表达.岩石力学与工程学报，2013,32(8)：1520) [44]Qi X H.Zhang D M.Application of bore-hole TV exploration [55]Cai M F,Ji D,Guo Q F.Study of rockburst prediction based on technology to estimation of mechanical parameters of deep rock in-situ stress measurement and theory of energy accumulation mass by quantitative GSI system.China Saf Sci J,2016,26 caused by mining disturbance.Chin Rock Mech Eng,2013,32 (4):131 (10):1973 (齐消寒，张东明.钻孔成像在GSI系统估算深部岩体力学 (蔡美峰，冀东，郭奇峰.基于地应力现场实测与开采扰动 参数中的应用.中国安全科学学报，2016,26(4)：131) 能量积聚理论的岩爆预测研究.岩石力学与工程学报， [45]Zuo J P,Li S C,Wang Z F.Macro/Meso mechanical behavior of 2013,32(10):1973) multicrack rock mass under high stress and unloading coupled [56]Qian Q H.Definition,mechanism,classification and quantitative effects.Sci Technol Innoration Herald,2016(13):176 forecast model for rockburst and pressure bump.Rock Soil Mech, (左建平，李树忧，王兆丰.高应力强卸荷作用下多组裂隙 2014.35(1):1 岩体宏细观力学行为.科技创新导报，2016(13)：176) (钱七虎.岩爆，冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测 [46]Zhang N B.Mechanism and Engineering Practice of Fault Rock- 模型.岩土力学，2014,35(1)：1) burst Dissertation ]Beijing:China Coal Research Institute [57]Gu JC.Fan JQ.Kong F L,et al.Mechanism of ejective rock- CCRI,2014 burst and model testing technology.Chin J Rock Mech Eng, (张宁博.断层冲击地压发生机制与工程实践[学位论文] 2014,33(6):1081 北京：煤炭科学研究总院，2014) (顾金才，范俊奇，孔福利，等.抛掷性岩爆机制与模型试验 [47]Yao G H.Inrestigation of Rockburst Prediction and Its Engineer- 技术岩石力学与工程学报，2014,33(6)：1081) ing Application in Deep Mining Dissertation].Wuhan:Wuhan [58]Wang B,Li X B.Ma C D.et al.Principle and preliminary ap- University of Science and Technology,2008 plication of combined static-dynamic support to rockburst disaster (姚高辉.金属矿山深部开采岩爆预测及工程应用研究[学 controlling.Chin J Rock Mech Eng,2014,33(6):1169 位论文].武汉：武汉科技大学，2008) (王斌，李夕兵，马春德，等.岩爆灾害控制的动静组合支护 [48]Vesela V.The investigation of rockburst focal mechanisms at La- 原理及初步应用.岩石力学与工程学报，2014,33(6)： zy coal mine,Czech Republic.Int Rock Mech Min Sci Geomech 1169) Abstract,1996,33(8):380A [59]He M C.Liu D Q,Gong W L,et al.Development of a testing [49]Mutke G,Dubifiski J,Lurka A.New criteria to assess seismic system for impact rockbursts.Chin J Rock Mech Eng,2014,33 and rock burst hazard in coal mines.Arch Min Sci,2015,60 (9):1729 (3):743 (何满潮，刘冬桥，宫伟力，等.冲击岩爆试验系统研发及试 [50]He MC,Miao J L,Li D J,et al.Experimental study on rock- 验.岩石力学与工程学报，2014,33(9)：1729) burst processes of granite specimen at great depth.Chin Rock [60]Liu L L,Zhang S H,Wang X M,et al.Application of target ap- Mech Eng,2007,26(5):865 proaching with variable weight in prediction of rockburst intensi- (何满潮，苗金丽，李德建，等.深部花岗岩试样岩爆过程实 ty.Explosion and Shock Wares,2015,35(1):43 验研究.岩石力学与工程学报，2007,26(5)：865) (刘磊磊，张绍和，王晓密，等.变权靶心贴近度在岩爆烈度 [51]Miao JL,He M C,Li D J,et al.Acoustic emission characteris- 预测中的应用.爆炸与冲击，2015,35(1)：43) tics of granite under strain rockburst test and its micro-fracture [61]Ma CC,Li T B,Chen G Q,et al.A micro particle model for mechanism.Chin J Rock Mech Eng,2009,28(8):1593 hard brittle rock and the effect of unloading rock burst.Chin I (苗金丽，何满潮，李德建，等.花岗岩应变岩爆声发射特征 Rock Mech Eng,2015,34(2):217 及微观断裂机制.岩石力学与工程学报，2009,28(8)： (马春驰，李天斌，陈国庆，等.硬脆岩石的微观颗粒模型及 1593) 其卸荷岩爆效应研究.岩石力学与工程学报，2015,34(2)： [52]Wu S C.Zhou Y,Gao B.Study of unloading tests of rock burst 217) and PFC numerical simulation.Chin J Rock Mech Eng,2010, [62]Wang Y C,Jing H W,Zhang Q,et al.A normal cloud model-
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 (徐颖, 袁璞. 爆炸荷载作用下深部围岩分区破裂模型试验 研究. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(增刊 2): 3844) [42] Xie H P, Zhou H W, Xue D J, et al. Research and considera鄄 tion on deep coal mining and critical mining depth. J China Coal Soc, 2012, 37(4): 535 (谢和平, 周宏伟, 薛东杰, 等. 煤炭深部开采与极限开采深 度的研究与思考. 煤炭学报, 2012, 37(4): 535) [43] Chen W H , Huang H L, Ma P. Test study of deformation char鄄 acteristics of deep rock mass in Jinping II hydropower station un鄄 der ultra鄄high pressure. Chin J Rock Mech Eng, 2015, 34(Sup鄄 pl 2): 3930 (陈文华, 黄火林, 马鹏. 超高应力作用下锦屏二级水电站 深部岩体变形特性试验研究. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(增刊 2): 3930) [44] Qi X H, Zhang D M. Application of bore鄄hole TV exploration technology to estimation of mechanical parameters of deep rock mass by quantitative GSI system. China Saf Sci J, 2016, 26 (4): 131 (齐消寒, 张东明. 钻孔成像在 GSI 系统估算深部岩体力学 参数中的应用. 中国安全科学学报, 2016, 26(4): 131) [45] Zuo J P, Li S C, Wang Z F. Macro / Meso mechanical behavior of multicrack rock mass under high stress and unloading coupled effects. Sci Technol Innovation Herald, 2016(13): 176 (左建平, 李树忱, 王兆丰. 高应力强卸荷作用下多组裂隙 岩体宏细观力学行为. 科技创新导报, 2016(13):176) [46] Zhang N B. Mechanism and Engineering Practice of Fault Rock鄄 burst [ Dissertation ]. Beijing: China Coal Research Institute CCRI, 2014 (张宁博. 断层冲击地压发生机制与工程实践[学位论文]. 北京: 煤炭科学研究总院, 2014) [47] Yao G H. Investigation of Rockburst Prediction and Its Engineer鄄 ing Application in Deep Mining [Dissertation]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2008 (姚高辉. 金属矿山深部开采岩爆预测及工程应用研究[学 位论文]. 武汉: 武汉科技大学, 2008) [48] Vesela V. The investigation of rockburst focal mechanisms at La鄄 zy coal mine, Czech Republic. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstract, 1996, 33(8): 380A [49] Mutke G, Dubi俳ski J, Lurka A. New criteria to assess seismic and rock burst hazard in coal mines. Arch Min Sci, 2015, 60 (3): 743 [50] He M C, Miao J L, Li D J, et al. Experimental study on rock鄄 burst processes of granite specimen at great depth. Chin J Rock Mech Eng, 2007, 26(5): 865 (何满潮, 苗金丽, 李德建, 等. 深部花岗岩试样岩爆过程实 验研究. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(5): 865) [51] Miao J L, He M C, Li D J, et al. Acoustic emission characteris鄄 tics of granite under strain rockburst test and its micro鄄fracture mechanism. Chin J Rock Mech Eng, 2009, 28(8): 1593 (苗金丽, 何满潮, 李德建, 等. 花岗岩应变岩爆声发射特征 及微观断裂机制. 岩石力学与工程学报, 2009, 28 ( 8 ): 1593) [52] Wu S C, Zhou Y, Gao B. Study of unloading tests of rock burst and PFC 3D numerical simulation. Chin J Rock Mech Eng, 2010, 29(Suppl 2): 4082 (吴顺川, 周喻, 高斌. 卸载岩爆试验及 PFC 3D 数值模拟研 究. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(增刊 2): 4082) [53] Jia Y P, L俟 Q, Shang Y Q. Rockburst prediction using particle swarm optimization algorithm and general regression neural net鄄 work. Chin J Rock Mech Eng, 2013, 32(2): 343 (贾义鹏, 吕庆, 尚岳全. 基于粒子群算法和广义回归神经 网络的岩爆预测. 岩石力学与工程学报, 2013, 32 ( 2 ): 343) [54] Shang Y J, Zhang J J, Fu B J. Analyses of three parameters for strain mode rockburst and expression of rockburst potential. Chin J Rock Mech Eng, 2013, 32(8): 1520 (尚彦军, 张镜剑, 傅冰骏. 应变型岩爆三要素分析及岩爆 势表达. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(8): 1520) [55] Cai M F, Ji D, Guo Q F. Study of rockburst prediction based on in鄄situ stress measurement and theory of energy accumulation caused by mining disturbance. Chin J Rock Mech Eng, 2013, 32 (10): 1973 (蔡美峰, 冀东, 郭奇峰. 基于地应力现场实测与开采扰动 能量积聚理论的岩爆预测研究. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(10): 1973) [56] Qian Q H. Definition, mechanism, classification and quantitative forecast model for rockburst and pressure bump. Rock Soil Mech, 2014, 35(1): 1 (钱七虎. 岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测 模型. 岩土力学, 2014, 35(1): 1) [57] Gu J C, Fan J Q, Kong F L, et al. Mechanism of ejective rock鄄 burst and model testing technology. Chin J Rock Mech Eng, 2014, 33(6): 1081 (顾金才, 范俊奇, 孔福利, 等. 抛掷性岩爆机制与模型试验 技术. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(6): 1081) [58] Wang B, Li X B, Ma C D, et al. Principle and preliminary ap鄄 plication of combined static鄄dynamic support to rockburst disaster controlling. Chin J Rock Mech Eng, 2014, 33(6): 1169 (王斌, 李夕兵, 马春德, 等. 岩爆灾害控制的动静组合支护 原理及初步应用. 岩石力学与工程学报, 2014, 33 ( 6 ): 1169) [59] He M C, Liu D Q, Gong W L, et al. Development of a testing system for impact rockbursts. Chin J Rock Mech Eng, 2014, 33 (9): 1729 (何满潮, 刘冬桥, 宫伟力, 等. 冲击岩爆试验系统研发及试 验. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(9): 1729) [60] Liu L L, Zhang S H, Wang X M, et al. Application of target ap鄄 proaching with variable weight in prediction of rockburst intensi鄄 ty. Explosion and Shock Waves, 2015, 35(1): 43 (刘磊磊, 张绍和, 王晓密, 等. 变权靶心贴近度在岩爆烈度 预测中的应用. 爆炸与冲击, 2015, 35(1): 43) [61] Ma C C, Li T B, Chen G Q, et al. A micro particle model for hard brittle rock and the effect of unloading rock burst. Chin J Rock Mech Eng, 2015, 34(2): 217 (马春驰, 李天斌, 陈国庆, 等. 硬脆岩石的微观颗粒模型及 其卸荷岩爆效应研究. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(2): 217) [62] Wang Y C, Jing H W, Zhang Q, et al. A normal cloud model鄄 ·1138·
