香山科学会议深部地下空间开发中的基础研究关键技术问题

230：深部地下空间开发中的基础研究关键技术问题香山科学会议第230次学术会议随着经济建设的快速发展，传统意义上的地球生存空间（地面和浅地表）已经不能满足人类活动的需求，向地球深部寻求发展和生存空间已经成为世界范围内岩土工程建设和开发的共同趋势。近年来，深部岩石力学特性及工程应用研究是目前岩石力学基础研究中十分活跃的研究领域。目前，国际上该领域研究在与其它学科的交叉融合中迅速发展，已成为当前重要的科技前沿之一。香山科学会议于2004年6月23～25日在北京召开了以“深部地下空间开发中的基础研究关键技术问题”为主题的第230次学术讨论会。本次会议旨在通过跨学科的学术交流，充分了解国外在深部地下空间的开发和利用的趋势以其引发的工程和岩石力学问题，深入探讨我国在地下的国防工程、地下大型洞室或巷道的建设、高放废料地质处置库场址评估、石油资源储备等重大工程实践中面临的科学技术挑战，以把握可能的发展机会，推动整个岩石力学学科向非传统非标准方向的全面深化。钱七虎院士（中国人民解放军理工大学）、冯夏庭研究员（中科院武汉岩土力学研究所）、葛修润院士（中科院武汉岩土力学研究所）被聘请担任本次会议执行主席会议。中国科学院和中国工程院7位院士以及来自全国各地的40位专家学者参加了会议。会议设置了深地下战略防护工程中的岩石力学问题；深部岩体中国家战略能源贮存与核废料地质处置工程中的岩石力学问题；其它复杂条件下深部地下工程中的岩石力学问题；深部岩层岩体构造和力学特性及其研究内容和途径四个会议中心议题。钱七虎院士在主题评述报告中指出，随着经济建设和国防建设的不断发展，地下空间开发利用的深度不断加大。核废料的深层地质处理深度已达数百米至千米；核心防护工程，如北美防空司令部达七百米，有的将达一千米。所有这些地下空间工程施工和设计，引发诸多与浅部完全不同的亟需解决共同的深部工程技术问题。他详细阐述了伴随深部岩体工程的响应发生的一系列具有新特征的科学现象，并探讨了“深部地下空间开发中的关键科学问题”。强调这些特征科学现象无法全部用传统的连续介质力学理论圆满解释，已引起国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注，正在形成岩石力学新的分支─深部非线性岩体力学。（钱七虎院士在主题评述报告中深入讨论了“深部地下空间开发中的关键科学问题”。他指出，随着经济建设和国防建设的不断发展，地下空间开发利用的深度不断加大。核废料的深层地质处理深度已达数百米至千米；核心防护工程，如北美防空司令部达七百米，有的将达一千米。所有这些地下空间工程施工和设计，引发诸多与浅部完全不同的亟需解决共同的深部工程技术问题。他阐述了伴随深部岩体工程的响应发生了一系列新的特征科学现象：深部岩体工程响应的静力特征科学现象以及深部岩体工程响应中的动力特征科学现象。这些特征科学现象无法全部用传统的连续介质力学理论圆满解释，已引起国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注，正在形成岩石力学新的分支——深部非线性岩体力学。他评述了深部岩体的构造特点及其力学特性、分区破裂化现象、动力诱发的冲击岩压的机理和岩体中波动理论、岩体块系构造中的超低摩擦现象和冲击作用下岩块体系的准共振现象等研究现状，并着重讨论了深部地下空间开发中的基础科学问题。）冯夏庭以“深部地下空间开发及综合利用”为题，大视角地介绍了深部地下空间的开发现状，指出深部地质环境的确定，深部高应力及其对岩体力学特征的影响，高温和低温对深部地下工程安全性的影响，高地震烈度和断裂带活动性对深部地下工程安全性的影响，深部地下空间开发对于人类居住环境的影响等，都是必须面对的富有挑战性的科学问题。（冯夏庭研究员以“深部地下空间开发及综合利用”为题在主题评述报告中指出，随着经济建设的快速发展，传统意义上的地球生存空间（地面和浅地表）已经不能满足人类活动的需求，向地球深部寻求发展和生存空间已经成为世界范围内岩土工程建设和开发的共同趋势。他介绍了诸如在能源深部战略储存、交通工程、水利水电工程、核废料深部地下处置等方面深部地下空间的开发现状，并探讨了深部地下空间开发中的关键科学问题。指出，深部地质环境的确定，深部高应力及其对岩体力学特征的影响，高温和低温对深部地下工程安全性的影响，高地震烈度和断裂带活动性对深部地下工程安全性的影响，深部地下空间开发对于人类居住环境的影响等都是必须面对的关键科学问题。）葛修润院士指出，地壳的应力状态是地壳最重要的性质之一，地壳表面和内部发生的各种地质构造现象(包活浅源地震的发生)及其伴生的各种物理现象与化学现象都与地壳应力的作用密切相关。在主题评述报告中他详细地介绍了各种地应力测量方法和技术的研究现状，讨论了“深层岩石地应力测量中的科学问题”。（葛修润院士在主题评述报告中讨论了“深层岩石地应力测量中的科学问题”。他指出，地壳的应力状态是地壳最重要的性质之一，地壳表面和内部发生的各种地质构造现象(包活浅源地震的发生)及其伴生的各种物理现象与化学现象都与地壳应力的作用密切相关。强调开展岩层深部的地应力测量与研究，不仅是地球科学基础研究发展的需要，土木水利水电工程建设、油气田勘探开发、采矿业发展、科学钻探中地应力测井工作之需。他详细地介绍了各种地应力测量方法和技术的研究现状，以及水力压裂法作在德国大陆科学深钻计划（KTB）地壳应力测量中的成功应用，并对传统地应力测量方法应用于深部岩体应力测量的可行性、深部岩体应力测量新方法新原理研究，以及地应力测井机器人研制问题进行了评述。）一、深地下战略防护工程中的岩石力学问题战略防护工程是国家防御威慑力量的重要组成部分，一般指统帅部和战区司令部的作战指挥防护体系（亦称首脑工程）以及战略核武器的掩蔽工程等，是保证统帅部安全与指挥稳定最重要的屏障，是战略核力量的重要组成部分，其防护能力直接关系到战争的胜败和国家的安危。解放军理工大学方秦研究员详细介绍了美国、俄罗斯等国地下战略防护工程建设及防护技术研究现状，以及近年来核武器朝小型化、钻地化、精确化、实用化、常规化方向的发展趋势，侧重分析讨论了深地下战略防护工程的科学问题。总参工程兵科研三所任辉启研究员在专题报告中强调，要深入开展深地下防护工程建设面临的诸如深地下防护工程构筑、抗硬毁伤能力和抗软毁伤能力等基础科学研究，以构建适应打赢未来高技术战争需求的防护工程体系。二、深部岩体中国家战略能源贮存与核废料地质处置工程中岩石力学问题及早建立我国石油储备体系，可以减少经济代价，有利于我国在国际政治、经济角逐中处于主动地位；而如何有效、安全地、永久性储存高放核废料则是本世纪的世界性难题，也是我国较为紧迫的课题之一。杨春和研究员在题为“深部岩体战略能源贮存与高放废物地质处置”的评述报告中，详细介绍了国内外在能源地下储备和高放废物深埋地质处置方面的研究现状，着重探讨了石油花岗岩储存库研究和层状盐岩体石油深部地下储存中关键岩石力学问题及相关关键技术问题，以及深部高放废物深埋地质处置急待解决的关键岩石力学问题。李文阳研究员重点探讨了中国油气地下储备亟待解决的主要关键技术。指出东部地区地下储气库的建设需要在小型的含复杂流体（油藏、油水层）的局部构造中寻找建库目标，或者以东部陆相成因的盐层中的盐穴建设油气地下储备库。王驹详细介绍了各国高放废物地质处置在法规方面、处置方法、处置技术、选址工作、场址特性评价、工程屏障研究、地下实验室大规模实验、处置系统总性能评价方法和技术等方面的进展，侧重讨论了深部地质处置面临的重大科学问题。周文斌教授在专题报告中介绍了多场耦合与核素迁移问题研究概况，并着重探讨了多场耦合的机理、类型及高放废物深地质处置多场耦合与核素迁移的特点以及重要科学问题。三、其它复杂条件下深部地下工程中的岩石力学问题西部跨流域调水工程和引水发电工程具有超长、超埋深、超高海拔高度、超高地应力、超强地震烈度、超高水头的特点，是水利水电工程主要难点所在，工程中地下深埋工程占有特别重要的地位，面临一系列挑战性的岩石力学与工程课题。杨强在评述报告中以“超大规模水利水电工程中的深部岩石力学问题”为题，着重分析了深部围岩非线性力学特征、科学问题及关键技术问题：复杂地质地形条件下，深部岩体赋存环境及力学特性；工程扰动下深部围岩非线性力学特征及细观机制；深埋隧洞结构变形进程的大规模精细仿真与控制。王学潮讨论了“南水北调西线第一期工程的深埋长隧洞及其主要岩石力学问题”。（清华大学水电系杨强教授在评述报告中探讨了“超大规模水利水电工程中的深部岩石力学问题”。他指出，西部跨流域调水工程和引水发电工程具有超长、超埋深、超高海拔高度、超高地应力、超强地震烈度、超高水头的特点，工程中地下深埋工程占有特别重要的地位，面临一系列挑战性的岩石力学与工程课题。他着重阐述了深部围岩非线性力学特征和科学问题，以及主要工程和关键技术问题。）四、深部岩层岩体构造和力学特性及其研究内容和途径如何发展我国岩石力学和工程技术？与会者十分关注。王明洋研究员在“深部岩体的构造和变形与破坏问题”评述报告中，根据深部岩体的块系构造特点、高地应力及含能特点和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动特征科学现象，探讨了深部岩体的构造和变形与破坏需要研究的科学问题。戚承志教授作了题为“岩石的构造层次及力学性质和研究方法”专题报告。与会专家学者在围绕4个中心议题进行学术交流和自由讨论的基础上，重新回到主题层面，进一步把握该领域的科技发展态势，梳理问题，厘清思路。一致认为，要肩负历史使命，努力发展我国岩石力学和工程技术。执行主席钱七虎和冯夏庭最后发言，进行学术性小结，概括了会议取得的重要成果：1、深部地下空间开发和深部岩石工程建设意义重大情势紧迫与会专家学者深刻认识到，随着钻地核武器技术的发展和主要敌对国家核战略的变化，深地下战略防护工程建设已为我国外防护工程界高度关切；及早建立我国石油储备体系，可以减少经济代价，有利于我国在国际政治、经济角逐中处于主动地位；而如何有效、安全地、永久性储存高放核废料则是本世纪的世界性难题，也是我国较为紧迫的课题之一；水资源短缺已成为制约我国国民经济发展的瓶颈，而相继出台的一系列规模宏大的调水工程中跨越流域分水岭的深埋长隧洞往往是工程成败的关键。为了促进我国能源发展和深部防护工程建设，促进南水北调工程和西部水电开发，提供国家战略安全保障程度，有关深部地下空间开发和深部岩石工程建设的各界科学家肩负着重大历史使命。2、直面深部地下空间开发对岩石力学与工程发展的重大挑战会议一致认为，深部岩体具有独特的构造特性，赋存于复杂的地质环境，具有高地应力、高温、高渗透压等特点，这些构造与力学特性使得深部岩体中的工程响应具有一系列新的科学现象。因此深部地下空间的开发必将对岩石力学与工程发展提出前所未有的挑战。我们必须从国家发展全局出发，立足于我国实际的地质条件和环境，在学术创新和科学实践中，努力揭示深部岩体特征科学现象，解决深部岩体工程有关的科学问题，保障深部地下空间的设计施工及运营期安全，走自己的路，发展深部岩体力学理论和工程技术。3、关注深部地下空间开发需解决的关键基础科学和技术问题1）深部岩体构造及力学特性的精细测量；深部岩体地应力有效测量方法与测量仪器设备的研制；建立深部地下试验场。2）深部岩体分区破裂化机制、岩体层次构造理论、超低摩擦效应和准共振效应产生的机理、摆型波动力运动特性。3）深部岩体工程围岩变形与破坏的量测、围岩支护理论；深部岩体在高围压和复杂应力状态下的力学与破坏特性，特别是峰值后应力下降段的力学特性以及岩体脆性-塑性转变。4）深部岩体动力学理论的研究，岩块系、岩层系的振动理论，动力事件机理如诱发岩爆机理，地下爆炸诱发的岩体冲击、地震及其迁移的机理。5）高地应力和岩体层次构造对钻地核爆炸产生的岩体中地冲击传播的影响；钻地核爆炸下岩体冲击对深部防护工程的影响及结构相互作用。6）适合我国的高放废物处置的岩体力学分类；三维节理网络模拟的数学模型建立；岩体热-液-力-化学耦合理论；核素迁移数学模拟，特别是核素在裂隙网络中的迁移规律。7）能源贮存方面，需研究岩体特别是层状盐岩体的渗透机理，及与应力场耦合下，石油