2 工程科学学报，第44卷，第X期 system,in the deformation and failure analysis were introduced.The advantages and disadvantages of the coupled thermal-stress model of the rock,the numerical analysis method,and the applicable conditions were summarized.The variation characteristics of the rock's mechanical parameters under high temperature were briefly described.Finally,the limitations of the current studies on high-temperature thermal damage in deep rocks were pointed out.The future prospects were discussed from several aspects,i.e.,to explore the mechanism of rock thermal damage in a multi-scale and multi-field-phase,and the evolution law of rock thermal damage was systematically analyzed from macro,meso,and micro aspects. KEY WORDS high temperature rock mass;thermal damage;failure mechanism:coupling model;thermal cracking 资源和能源是国民经济发展的两个重要支 生的热应力所致，当高温岩石受到急冷却作用时， 柱，对保证我国国民经济可持续健康发展和新时 岩石处于收缩状态且产生拉应力.岩石拉应力过 代社会主义现代化世界强国建设目标的实现至 大超过岩石本身抗拉强度时，岩石产生微裂纹.裂 关重要.随着地球浅部资源的枯竭，资源的开采 纹从萌生、发育到贯通的过程，就会大大劣化岩石 必须向地球深部进军山习近平总书记在全国科 自身的强度和性质.在超深钻探时可以利用岩石 技大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决 的这种性质进行破岩，提高破岩效率，但是由于热 的战略科技问题”，把深部资源开发作为人类探 应力引起的岩体损伤也会降低井壁的稳定性，造 索的需求、国家发展战略的需求和经济发展的 成井壁塌孔和破裂.此外，在地热开发过程中，将 需求 循环水注入地热储层中，冷水与高温岩体进行热 近年来，超深钻探、深地实验室、核废料处置、 交换的同时，也会对高温岩体产生强烈的温度冲 深部资源开采等深部工程日渐兴盛.俄罗斯科拉 击，岩层中的原生裂隙由于温度降低会发生二次、 超深钻孔深度为12262m,库页岛的Odoptu-11油 三次或更多次的破裂，形成网状裂隙系统，所诱发 井深度为12345m(世界最深).中国锦屏地下实验 的裂缝有助于增加换热通道，提高采热效率.同 室是我国首个极深地下实验室，垂直岩石覆盖达 时，冷水也会对地热储层产生冲击，温度冲击过程 2400m,是目前世界岩石覆盖最深的实验室.中国 中岩层裂隙萌生、扩展到贯通，造成储热层岩体破 甘肃北山的核废料处置库是我国首座深度为560m 裂、失稳等灾害，影响地热的安全开采 左右的高放废物处置地下实验室.目前，开采深度 本文针对地下高温岩体的热损伤问题，通过 最大的矿山在南非，开采深度已达4350m,已探明 综述国内外研究成果，总结归纳了热损伤岩石物 矿体延到6000m以下.我国三分之一以上的地下 理力学参数演化特征、岩石热损伤微观结构破裂 金属矿山未来十年内开采深度将超过1000m,最 机理、热损伤岩石本构模型研究以及热力耦合数 大的开采深度可达到2000~3000m.超深井钻探 值分析四个方面，指出了温度作用下岩石热损伤 过程中需要用冷水对钻头进行降温处理：地下储 研究目前存在的局限性，提出温度冲击对岩石损 气库为保证天然气等的液态储存状态，会对储气 伤分析的重要性，展望了未来岩石热损伤问题的 库进行低温处理：核废料具有高放射性，释放的热 研究趋势，以期更好地服务于地下空间工程，保障 量会使岩体温度升高.深部矿山开采过程中通常 超深钻探、高放废物处置库、地热开采等工程，使 采用通风系统对岩体进行降温；对于地热开采，通 其能够安全高效运行 常采用换热不换水的方式，将冷水注入干热岩进 1高温岩石物理力学特性试验研究 行热量交换，通过冷热水循环将热能采出，但岩石 内部在此过程中会产生一定的热应力.美国加利 深部高温岩体受热应力作用后物理力学性质 福尼亚理工学院四通过对加利福尼亚Brawley和 的变化本质上是微裂纹从无到有、从萌发到贯通 C0S0地热工程的地表变形研究，分析热应力对诱 的演化进程.国内外的众多学者开展了一系列的 发地震活动的影响.结果发现，在地热开采过程 岩石高温试验来探索岩石的物理力学性质随温度 中，注入冷流体引起的热应力在触发地震活动中 的演化特征，目前的研究成果，多数是先热处理岩 起着重要作用.深部地下空间建设过程中都涉及 石进而使其产生热应力，当热应力超过岩石自身 到温度的变化，在研究深部地下空间建设的同时. 强度时则形成微裂纹造成损伤的研究 岩体热损伤问题仍是研究的热点 1.1岩石热损伤物理特性变化 岩体热损伤问题主要是岩石温度发生变化产 在过去的几十年里，国内外学者投入了大量的system, in the deformation and failure analysis were introduced. The advantages and disadvantages of the coupled thermal-stress model of the rock, the numerical analysis method, and the applicable conditions were summarized. The variation characteristics of the rock’s mechanical parameters under high temperature were briefly described. Finally, the limitations of the current studies on high-temperature thermal damage in deep rocks were pointed out. The future prospects were discussed from several aspects, i.e., to explore the mechanism of  rock  thermal  damage  in  a  multi-scale  and  multi-field-phase,  and  the  evolution  law  of  rock  thermal  damage  was  systematically analyzed from macro, meso, and micro aspects. KEY WORDS    high temperature rock mass；thermal damage；failure mechanism；coupling model；thermal cracking 资源和能源是国民经济发展的两个重要支 柱，对保证我国国民经济可持续健康发展和新时 代社会主义现代化世界强国建设目标的实现至 关重要. 随着地球浅部资源的枯竭，资源的开采 必须向地球深部进军[1] . 习近平总书记在全国科 技大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决 的战略科技问题”，把深部资源开发作为人类探 索的需求、国家发展战略的需求和经济发展的 需求. 近年来，超深钻探、深地实验室、核废料处置、 深部资源开采等深部工程日渐兴盛. 俄罗斯科拉 超深钻孔深度为 12262 m，库页岛的 Odoptu-11 油 井深度为 12345 m（世界最深）. 中国锦屏地下实验 室是我国首个极深地下实验室，垂直岩石覆盖达 2400 m，是目前世界岩石覆盖最深的实验室. 中国 甘肃北山的核废料处置库是我国首座深度为 560 m 左右的高放废物处置地下实验室. 目前，开采深度 最大的矿山在南非，开采深度已达 4350 m，已探明 矿体延到 6000 m 以下. 我国三分之一以上的地下 金属矿山未来十年内开采深度将超过 1000 m，最 大的开采深度可达到 2000～3000 m. 超深井钻探 过程中需要用冷水对钻头进行降温处理；地下储 气库为保证天然气等的液态储存状态，会对储气 库进行低温处理；核废料具有高放射性，释放的热 量会使岩体温度升高. 深部矿山开采过程中通常 采用通风系统对岩体进行降温；对于地热开采，通 常采用换热不换水的方式，将冷水注入干热岩进 行热量交换，通过冷热水循环将热能采出，但岩石 内部在此过程中会产生一定的热应力. 美国加利 福尼亚理工学院[2] 通过对加利福尼亚 Brawley 和 Coso 地热工程的地表变形研究，分析热应力对诱 发地震活动的影响. 结果发现，在地热开采过程 中，注入冷流体引起的热应力在触发地震活动中 起着重要作用. 深部地下空间建设过程中都涉及 到温度的变化，在研究深部地下空间建设的同时， 岩体热损伤问题仍是研究的热点. 岩体热损伤问题主要是岩石温度发生变化产 生的热应力所致，当高温岩石受到急冷却作用时， 岩石处于收缩状态且产生拉应力. 岩石拉应力过 大超过岩石本身抗拉强度时，岩石产生微裂纹. 裂 纹从萌生、发育到贯通的过程，就会大大劣化岩石 自身的强度和性质. 在超深钻探时可以利用岩石 的这种性质进行破岩，提高破岩效率，但是由于热 应力引起的岩体损伤也会降低井壁的稳定性，造 成井壁塌孔和破裂. 此外，在地热开发过程中，将 循环水注入地热储层中，冷水与高温岩体进行热 交换的同时，也会对高温岩体产生强烈的温度冲 击，岩层中的原生裂隙由于温度降低会发生二次、 三次或更多次的破裂，形成网状裂隙系统，所诱发 的裂缝有助于增加换热通道，提高采热效率. 同 时，冷水也会对地热储层产生冲击，温度冲击过程 中岩层裂隙萌生、扩展到贯通，造成储热层岩体破 裂、失稳等灾害，影响地热的安全开采. 本文针对地下高温岩体的热损伤问题，通过 综述国内外研究成果，总结归纳了热损伤岩石物 理力学参数演化特征、岩石热损伤微观结构破裂 机理、热损伤岩石本构模型研究以及热力耦合数 值分析四个方面，指出了温度作用下岩石热损伤 研究目前存在的局限性，提出温度冲击对岩石损 伤分析的重要性，展望了未来岩石热损伤问题的 研究趋势，以期更好地服务于地下空间工程，保障 超深钻探、高放废物处置库、地热开采等工程，使 其能够安全高效运行. 1    高温岩石物理力学特性试验研究 深部高温岩体受热应力作用后物理力学性质 的变化本质上是微裂纹从无到有、从萌发到贯通 的演化进程. 国内外的众多学者开展了一系列的 岩石高温试验来探索岩石的物理力学性质随温度 的演化特征，目前的研究成果，多数是先热处理岩 石进而使其产生热应力，当热应力超过岩石自身 强度时则形成微裂纹造成损伤的研究. 1.1    岩石热损伤物理特性变化 在过去的几十年里，国内外学者投入了大量的 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期