716 工程科学学报，第42卷.第6期 surrounding rock.When the ratio between maximum and minimum horizontal principal stresses is small,the damage and failure zones of the surrounding rock are concentrated in the direction of the minimum horizontal principal stress,mainly shear damage.However,if the ratio is large enough,then the tensile damage zone may occur in the direction of the maximum horizontal principal stress.Notably,the ratio of the maximum horizontal principal effective stress to the minimum horizontal principal effective stress increases because of the presence of pore pressure.Therefore,a high pore pressure in the formation could increase the risk of tensile failure of surrounding rocks. The findings of this research can be applied to the optimization of the shaft design to avoid areas with high tectonic stress and high pore pressure and ensure the safety of shaft construction KEY WORDS deep shaft;high pore pressure;asymmetric geostress;damage;numerical simulation 随着经济社会不断发展，我国对矿产资源的 规律.Chang等a研究了一种基于室内试验的损 需求持续增长.浅部资源逐渐枯竭，开发深部矿产 伤模型并使用Fsh将其应用于开挖损伤区的模 资源成为化解资源紧缺的有效途径.随着开采深 拟.刘宁等2利用现场声波测试结果对P℉C程序 度的增大，地应力显著增高，地层温度、孔隙水压 中的相关参数进行拟合同时对不同深度损伤特征 力也随之升高，岩体介质的非线性行为更加凸显， 进行了预测研究，得到了围岩损伤局部化的特点. 深竖井围岩结构稳定性以及施工安全遇到很大困 Li等4在RFPA中建立了一个以弹性损伤理论为 难-]由于深度增加，受原岩应力以及构造应力 基础的热流固耦合模型，用以研究坚硬岩柱的稳 增大等环境因素的影响，深竖井建井和采矿过程 定性，并与Asp硬岩地下实验室原位实验结果进 中岩爆和突水等工程灾害风险性增大山，⑧现有 行了对比验证.Zhang和Xu利用COMSOL开展 的建井基础理论、设计与施工技术及支护与地压 了流固耦合作用下裂隙岩体损伤破裂及其渗透率 控制等均受到很大挑战.因此，探究深部工程围岩 演化规律，研究结果与实验结果具有较好的一致 损伤与多场耦合机理，保证深竖井井筒的长期稳 性.马天辉等模拟了节理岩体在隧道开挖过程 定性和可靠性是深地资源开发必须解决的瓶颈 中的损伤演化过程，获得了不同节理倾角对围岩 问题 稳定性的影响 我国矿产资源开发将全面进入1000~2000m, 纱岭金矿竖井工程区地应力与相关物理场测 深部资源赋存地质条件复杂、高地应力、高地温、 量结果显示，1600m地层处的最大水平主应力达 高孔隙水压以及岩体破裂程度加剧，为深部资源 到45MPa,地温达60℃，孔隙水压力达17MPa,且 安全高效开采提出了严峻的挑战例深部开采灾害 局部存在超孔隙水压.本文以纱岭金矿深部建井 频发，机理不明，难于预测，特别是深部岩体“三 为工程背景，考虑深部地层的真实地应力状态，研 高”环境外加开采或者开挖衍生的强扰动以及应 究了深部地层开挖高孔隙水压与不对称地应力作 力场调整的时间效应，均为深部开采工程灾害频 用下诱发的围岩损伤破裂机理. 发的内外因素5,0-川深部岩体力学的核心问题之 1流固耦合条件下竖井开挖围岩应力分析 一就是研究深部岩体在“三高”环境下由于采矿 (开挖)扰动所表现出的特殊行为.李长洪等凝 针对深部地层高地应力与高孔隙水压的地质 练了深部岩体开挖过程中原岩应力场、渗流场和 赋存环境，根据多孔介质弹性力学理论，并考虑孔 温度场相互耦合机制、损伤演化与积聚的多尺度 隙水压的流固耦合效应，开展了流固耦合条件下 力学响应及成灾机理.从本质上讲，岩爆、矿震、 竖井开挖围岩有效应力场分布推导，围岩受力模 突水等是一种岩石或岩体结构破裂失稳现象，岩 型如图1所示.在此引入弹性损伤本构理论，建立 爆、矿震、突水等工程灾害的发生均与热流固耦 深部地层开挖流固损伤耦合力学分析模型 合环境下岩体损伤、破裂过程密切相关3-】 1.1竖井开挖有效应力场分析 工程实践和理论分析表明，开挖损伤区的形 孔隙水压力作用下，竖井开挖后井壁应力状 成和裂隙扩展对深竖井开挖围岩稳定性具有重要 态为： 影响作用具有大埋深、高应力背景的大型硬岩 Oee =H+Oh-2(OH-Ch)cos20-2aPo 地下工程实践表明，应力驱动型岩体大变形及围 Ove =-aPo (1) 岩失稳等灾害异常突出2oLi等2获得了岩体开 0e=0 挖后损伤区的范围以及变形对围岩稳定性的影响 Tre=0surrounding rock. When the ratio between maximum and minimum horizontal principal stresses is small, the damage and failure zones of the surrounding rock are concentrated in the direction of the minimum horizontal principal stress, mainly shear damage. However, if the ratio is large enough, then the tensile damage zone may occur in the direction of the maximum horizontal principal stress. Notably, the ratio of the maximum horizontal principal effective stress to the minimum horizontal principal effective stress increases because of the presence of pore pressure. Therefore, a high pore pressure in the formation could increase the risk of tensile failure of surrounding rocks. The findings of this research can be applied to the optimization of the shaft design to avoid areas with high tectonic stress and high pore pressure and ensure the safety of shaft construction. KEY WORDS    deep shaft；high pore pressure；asymmetric geostress；damage；numerical simulation 随着经济社会不断发展，我国对矿产资源的 需求持续增长. 浅部资源逐渐枯竭，开发深部矿产 资源成为化解资源紧缺的有效途径. 随着开采深 度的增大，地应力显著增高，地层温度、孔隙水压 力也随之升高，岩体介质的非线性行为更加凸显， 深竖井围岩结构稳定性以及施工安全遇到很大困 难[1−3] . 由于深度增加，受原岩应力以及构造应力 增大等环境因素的影响，深竖井建井和采矿过程 中岩爆和突水等工程灾害风险性增大[1, 4−8] . 现有 的建井基础理论、设计与施工技术及支护与地压 控制等均受到很大挑战. 因此，探究深部工程围岩 损伤与多场耦合机理，保证深竖井井筒的长期稳 定性和可靠性是深地资源开发必须解决的瓶颈 问题. 我国矿产资源开发将全面进入 1000～2000 m， 深部资源赋存地质条件复杂、高地应力、高地温、 高孔隙水压以及岩体破裂程度加剧，为深部资源 安全高效开采提出了严峻的挑战[9] . 深部开采灾害 频发，机理不明，难于预测，特别是深部岩体“三 高”环境外加开采或者开挖衍生的强扰动以及应 力场调整的时间效应，均为深部开采工程灾害频 发的内外因素[5, 10−11] . 深部岩体力学的核心问题之 一就是研究深部岩体在“三高”环境下由于采矿 （开挖）扰动所表现出的特殊行为. 李长洪等[12] 凝 练了深部岩体开挖过程中原岩应力场、渗流场和 温度场相互耦合机制、损伤演化与积聚的多尺度 力学响应及成灾机理. 从本质上讲，岩爆、矿震、 突水等是一种岩石或岩体结构破裂失稳现象，岩 爆、矿震、突水等工程灾害的发生均与热流固耦 合环境下岩体损伤、破裂过程密切相关[13−18] . 工程实践和理论分析表明，开挖损伤区的形 成和裂隙扩展对深竖井开挖围岩稳定性具有重要 影响作用[19] . 具有大埋深、高应力背景的大型硬岩 地下工程实践表明，应力驱动型岩体大变形及围 岩失稳等灾害异常突出[20] . Li 等[21] 获得了岩体开 挖后损伤区的范围以及变形对围岩稳定性的影响 规律. Chang 等[22] 研究了一种基于室内试验的损 伤模型并使用 Fish 将其应用于开挖损伤区的模 拟. 刘宁等[23] 利用现场声波测试结果对 PFC 程序 中的相关参数进行拟合同时对不同深度损伤特征 进行了预测研究，得到了围岩损伤局部化的特点. Li 等[24] 在 RFPA 中建立了一个以弹性损伤理论为 基础的热流固耦合模型，用以研究坚硬岩柱的稳 定性，并与Äspö硬岩地下实验室原位实验结果进 行了对比验证. Zhang 和 Xu[25] 利用 COMSOL 开展 了流固耦合作用下裂隙岩体损伤破裂及其渗透率 演化规律，研究结果与实验结果具有较好的一致 性. 马天辉等[26] 模拟了节理岩体在隧道开挖过程 中的损伤演化过程，获得了不同节理倾角对围岩 稳定性的影响. 纱岭金矿竖井工程区地应力与相关物理场测 量结果显示，1600 m 地层处的最大水平主应力达 到 45 MPa，地温达 60 ℃，孔隙水压力达 17 MPa，且 局部存在超孔隙水压. 本文以纱岭金矿深部建井 为工程背景，考虑深部地层的真实地应力状态，研 究了深部地层开挖高孔隙水压与不对称地应力作 用下诱发的围岩损伤破裂机理. 1    流固耦合条件下竖井开挖围岩应力分析 针对深部地层高地应力与高孔隙水压的地质 赋存环境，根据多孔介质弹性力学理论，并考虑孔 隙水压的流固耦合效应，开展了流固耦合条件下 竖井开挖围岩有效应力场分布推导，围岩受力模 型如图 1 所示. 在此引入弹性损伤本构理论，建立 深部地层开挖流固损伤耦合力学分析模型. 1.1    竖井开挖有效应力场分析 孔隙水压力作用下，竖井开挖后井壁应力状 态为：    σθe = σH +σh −2(σH −σh) cos 2θ−2αP0 σve = σv −αP0 σre = 0 τrθ = 0 （1） · 716 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期