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·