深部高地应力下岩石力学行为研究进展

1、 维普资讯 式中 及 为经验常数， 为一个有 限的正值， 反映岩石 的软硬程度， 值反映岩体破碎程 度 强 该 度 准则充 分考虑 了高地 应力和岩体结构对 强度 的影 响 虑到岩 体本身和赋存环境 的复杂性， 考 将 该公式推广到更一般的情 形 计算 出的岩体 强度如 图 曲线 示 所 和 。 根据实验发现，在 一 和不 同围 】 。 。 压 的条件下， 岗岩具有较低的强度值， 花 据此他们提 出了地壳强度结构 的圣诞树模 型， 合理解释 了大陆地 壳 多 震层 的 成 因 一 盯 ） （） 岩石破坏特征 随着 开采深度 的增 加，岩石破坏机 理也随之转 式 中 和 为岩体特性参数 ， ，

2、】 和 在摩尔 一 库仑强度 化， 由浅部 的脆性能 或断裂韧度控 制 的破坏转化 为 深 部开采 条件下 由侧 向应力控制 的断裂生长破 坏， 更进一步， 实际上就是 由浅部的动态破坏转化 为深部 的准静态 （ 破坏， 以及 由浅部 的脆性力 ） 学 响应转 化为深部 的潜在 的延性行 为 （ ） 力学 响应 与此观点相反， 有些 人 则认 为深部 岩体的破坏更 多地表现 为动态 的突然 破坏，即岩爆或矿震 根据 相关的统计资料， 岩爆多发生在强度 高、厚度 大的 硬岩层中， 对含煤 地层而言， 岩爆发生的典型 条件是顶底板含有较厚 的 砂 岩，如表 所示 一 准 则的基础上， 出了一个表征

3、高地 应力下 完整岩石 提 的更 一般形式 的强度准则 口 （ ） 式 中 ， 皆为岩 石类型参 数 】 根据 还 大量实验数据，总结了在非常高 的侧 向应力下 （ 高达 的现有 岩石非线性 强度准 则 （ ） 见图 ） 给 出了地球 岩石圈各种强度 的推测 曲线 （ ， 图 ）并总结出如下 强度估 算公式 般认为岩爆 的主要影 响因素包 括煤层顶底板 条件、原岩应力、埋 深、煤层物理 力学特性、厚度及 倾 角等至于岩爆与采深的关系， 尽管在极浅 的硬煤 层中 （ 深度小于 有 的甚至在 ， ） 也有 发 生岩爆 的记 载，但 目前 的统计 资料仍显 示随着 开 采深度 的增加 ，岩爆 发生次

4、数及 强度 也会 随之上 升 （ 图 ） 南非金矿 的统计数据甚 至表 明，岩爆次数与 采深之 问存在十 分明显 的线形 关系 ， 一 导 。 图 地 壳 岩 石圈 表层 各 种 强度 的推测 曲线：实 线 为岩 体 强度 ，虚线 为温 度 对强 度 的影 响，虚线 为 围 压 对 强 度 的影 响， 实线 为 摩擦 强 度 ，实线 为 埋深 图 岩爆 次数 与深度 的关系 蠕变强度 （ 地压梯度为 ， 地温梯度 为 （ （） ） ） 南非金矿过去几十年 的开采实践表 明 ， 深部 开采过程中岩爆 的产 生是有 一定规律 的 总结起来， ： （ ） （ 。 ） （ 一 × （ ） （

5、 ） （ ） 主要有 点规律 ： （） 岩爆 的产 生与岩层 的剪切破 坏有 关，尤 其是岩层沿 预先存在 的不连续 面产生滑 移 占主导地位； （） 岩爆 多发生在采掘活动频繁的区 域， 统计表 明，深部开采大部 分岩爆都 发生在工作 面 附近 （ ） 范围内； （） 深部 开采岩爆 的发 生具有一定 的随机性， 因此岩爆 的预测预报只能建立 在统计观点基础 上， 而准确预 报岩爆发生 的时间与地 式 中 为 围压，这 里 ， 为地层温度， ； ： 为应变 速率上式 中第一个 （）表示 围压 的影 响，第二个 （ 表示温度 的影响，第 三个 表 示应 ） ） 变率 的影响当应变速率取 一 一

6、 时，用式 （ ） 点几乎 是不可能 的 但有一点是可以肯定 的， 即当一 维普资讯 些不利因素如开采空 间大、支撑压力高、 断层发育等 同时出现时， 产生岩爆 的几率将大大增加因此在此 基础 上发展 的岩石 力学 模型对于预测岩爆 的发生是 十分有 帮助 的 采 深增 加 引 起岩 爆 危 险性增 大 的机 理 十 分复 杂， 从开采环境看， 深的增加将导致煤层顶底板压 采 力的增大， 尤其是开采空间附近顶底板移近量 的急剧 同样应具有 良好承载能 力；（） 支护 系统具备柔性特 性同时应该指出，由于巷道 设计过程 中存在诸 多不 确定 因素如支架载 荷、 破坏机理等， 因此 严格意义上 的

7、工程 设计方法在深部 岩爆地层支护 设计 中没有多 大意义，主要应更新支护 观念 结 束语 我 国 目前 的能源 和 以上 的工业原料 增大， 对煤层的夹持作用更加明显， 十分有利于煤岩 中弹性 能的聚集； 并且煤层 自身的物理力学性能也将 发生明显的改变， 由浅部的脆性状态转 化为深部的 将 准粘性 （ ） 材料， 分容易 由煤岩体 的流 十 变过程 （ 演化为岩爆 例 如， ） 南 非金矿 的深部 开采 中，即使是 非常坚硬 的岩石 因 受到 采掘影响而 向新 的平衡 态 的转移过程 也不是瞬 间完成的，而是一个随时问演 化的过程 近几年 一 来 自于矿产资源 ，预计今 后 年，将是 中国

8、历史上 最大、 最集 中需求矿产 品的时期为满足社会与经济 发展 日益增长 的需求， 资源 开采 不断向深部 发展 然 而，采深的逐年增加导致水 压、地压、地温也相应增 加，使得开采难度加大， 作业环境恶化、通风 降温和 生产成本急剧增加，且井巷 失稳、瓦斯突出、冲击地 些研究人 员 已开 始关注 这一现象 ，他们发现 在深 压等灾害 事故时有发 生，为 深部 资源开 采提 出 了严 重挑 战深部 资源开采 的难度很大程度上 在于深部 部 开 采中，坚硬岩 层也具有十 分 明显 的时间效应现 象 而一旦将这种岩石样本在实验室进行实验， ， 却几乎观测不到 时间效应现象或流变 速率十分低， 岩体

9、所处 的环境十 分复杂，即所谓 “ 高”环境 （ 三 地 压高、地温高和孔 隙水压高） 以及岩体 明显 的流变特 征，深部 开采还涉及到强烈 的开采扰动 本文 的总结主要集 中在 深部 开采高地应力 条件 下 的岩石力学行为， 际上， 问题涉及 的相关领域 实 该 实验 室 的实验 结 果 与现 场 观 测结 果之 间 的差异 十 分明显，无法解释现 场观测到 的十 分明显 的时效现 象 等 和 等 也研究 了 岩爆 发生的原因， 认为主要是由于高 的地应力、发育 的地质构造和岩层 中含有易碎 的页岩等几 方面 因素 的综合 影响结 果 表 产生岩 爆 的顶底板 条件 。 还包括核 废料 处置

10、、油气开采、地热开发、 深埋长隧 等， 这些工程 问题除考虑地应力作为独立 的影响因素 外， 必须考虑温度 一 还 渗流 一 应力之间的耦合影响， 这方面 的研究也取得 了大量成果 从本 文综 述可 见， 目前对于 高地应 力条件下 岩石 力学行 为的 研究，主要成果 皆集 中在 实验研究和现场 统计研究 煤 顶板性层度岩抗 体模 底岩岩厚体压岩弹 石 蒿厦 上， 理论方面的成果相对较少， 因此该领域理论方面 的研究 尤其是热 一 一 水 力耦合作用 的理 论研究是一 个值得关注的方向 致谢 本文定稿 于新加坡南洋理工大学，第一作者感 谢 国际岩石 力学学会 亚洲 区主席、 深部 开采 中，不

11、仅岩爆 的发生与岩层 的运动速 率存 在十 分明显 的关系，且岩爆 的强度与 震级也与 岩层 的运动速率 有关 ， 】 因此 目前预报岩爆 的重 要参数就是岩层 的位移 和运动 速率另外， 深部开采 主 编、南洋 理工大 学赵坚教授 的邀 请；波兰西里西亚工业 大学 博 士、香港大学岳中琦 教授、法国傅里 叶大学 教授提供 了部 分参考 文献，作者 一 引起 的开采沉 陷极有 可能成为岩爆 的诱 因，同时地 质结构面 （ 弱面）的活化也可能导致岩爆 ，地质构造 面附近 的应力重 新分布甚 至有可能导致 一系列 的前 震 （ ） 因此深部矿井 岩爆的空 间分布 和时 ， 间分布都十 分复杂， 且

12、岩爆 事件组成 的时间序列很有 可能不符合正态分布 ，】 深部岩爆 地层 （ 的支护是一 ） 个世界性难题， 根据加拿大的经验， 岩爆危险区 的理 想支护方 式应具有 以下特征 【 支护体应具 。 。 ：（） 。 有较高 的初始刚度；（） 即使在大变形条件下支护体 并表示感谢， 同时也十分感谢本文评阅人提 出的修 改 意 见 参 考 文 献 谢和平 深部 高应力下 的资源开采 现状、基础科学 问题 与展 望 见：香山科学 会议编 学前沿 与未来， 次香 山科学会 科 第 议，北 京， 一 京：中国环境 科学 出版社， 北 古德生金属矿床深部 开采 中的科学 问题 见： 山科学会 议编 香 科学

13、 前沿与 未来 ， 次香山科学会 议， 第 北京， 一 一 北 京： 中 国环境 科学 出版社 冯夏庭 深部大型地 下工 程开 采与利用 中 的几 个关键 岩石 力学问 题见： 山科学会 议编 香 科学 前沿与 未来， 次香 山科 学会 第 维普资讯 议，北京， 北京：中 国环 境科学 出版 社， ， ： ， ， ， ： ， ， ， ， ， ： ： 一 周维垣主编 高等岩石 力学 北京： 水利水 电出版 社， ： ， ， ： ， ： ， ： 、 ， ： ： 一 ， ， ： （ ） ： ， ： ， ， ： ， ， ： 仇 ， ，： ： ， ： ： ， ： ， ， ， ： 一 】 ： ： ， ， ： ， ， （ ） ， ： ： ： ， 叫 ， ： ， ： ， ， ： ： ： ， ： 几 ， ： ， ， ， ： ， ： ， 一 ， ， ： 李世平，贺永 年，吴 振业，等岩石力学 简明教程北京：煤炭 工 业出版社， ， ： ， ： ， ， ： ， 兄 叫 ：一 ： 一 几 、 ， ， ： 几 ， ， ： ： 一 ， ， ： ，