·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·