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·