深部开采岩体力学研究及其进展资料

深部开采岩体力学研究及其进展1.引言2.国内外研究现状3.深部开采与浅部的区别4.深部开采工程岩体力学特性5.深部开采工程灾害表现形式6.深部开采六个矿井转型7.深部开采十大理论问题8.结语1引言我国已探明的煤炭资源量占世界总量的11.1%石油和天然气仅占总量的2.4%和1.2%我国的煤炭资源埋深在1000m以下的为2.95万亿吨，占煤炭资源总量的53%我国煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加，东部矿井正以每10年100～250m的速度发展。1引言己有一批矿山进入深部开采沈阳采屯矿开采深度为1197m开滦赵各庄矿开采深度为1159m徐州张小楼矿开采深度为1100m北票冠山矿开采深度为1059m新汶孙村矿开采深度为1055m北京门头沟开采深度为1008m长广矿开采深度为1000m预计在未来20年进入到1000～1500m1引言图1我国国有重点煤矿平均采深变化趋势地表年度198019952000201020206001000深度/m15002884285007001200延伸速度10～25m/a1引言年需矿石的缺口越来越大仅铜矿的缺口，“九五”达到了8000万吨/年在我国已探明的45种主要矿产中，到2010年可满足需求的只有21种到2020年将下降为6种2020年预计我国铁矿石需求量为3.71亿吨，其保证度只有62%，铜的需求量220万吨，保证度只有57%。1引言国外矿产资源的开采已进入深部开采阶段。据不完全统计，国外开采超千米深的金属矿山有80多座，其中最多为南非。南非绝大多数金矿的开采深度大都在1000m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深井金矿达3700m，WestDriefovten金矿矿体赋存于地下600m，并一直延伸至6000m以下。印度的Kolar金矿区，己有三座金矿采深超2400m，其中钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段，总深3260m。1引言俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，已有捷尔任斯基、基洛夫、共产国际等8座矿山采准深度达910m，开拓深度到1570m，将来要达到2000～2500m加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦超过1000m1960年前，西德平均开采深度已经达650m，1987年已将近达900m原苏联在20世纪80年代末就有一半以上产量来自600m以下深部1引言英国日本波兰德国俄罗斯印度南非地表－600－1000深度/m－1500－2000－40001100112512001400155024003800煤矿煤矿煤矿煤矿铁矿金矿金矿延伸速度8～16m/a1引言随着开采深度的不断增加，地质环境更加复杂，地应力增大、涌水量加大、地温升高，导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加，如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现加剧、巷道围岩大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。2国内外研究现状深部开采工程岩石力学主要是指在进行深部资源开采过程中而引发的与巷道工程及采场工程有关的岩石力学问题。而目前深部资源开采过程中所产生的岩石力学问题已成为国内外研究的焦点。2国内外研究现状1983年，原苏联的权威学者就提出对超过1600m的深(煤)矿井开采进行专题研究。当时的西德还建立了特大型模拟试验台，专门对1600m深矿井的三维矿压问题进行了模拟试验研究1989年岩石力学学会曾在法国专门召开“深部岩石力学”问题国际会议，并出版了相关的专著。近二十年来，国内外学者在岩爆预测、软岩大变形机制、隧道涌水量预测及岩爆防治措施(改善围岩的物理力学性质、应力解除、及时施作锚喷支护、合理的施工方法等)、软岩防治措施(加强稳定掌子面、加强基脚及防止断面挤入、防止开裂的锚、喷、支，分断面开挖等)等各方面进行了深入的研究，取得了很大的成绩。2国内外研究现状南非政府、大学与工业部门密切配合，从1998年7月开始启动了一个“DeepMine”的研究计划，耗资约合1.38亿美元，旨在解决深部的金矿安全、经济开采所需解决的一些关键问题。加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为期10年的两个深井研究计划，在微震与岩爆的统计预报方面的计算机模型研究，以及针对岩爆潜在区的支护体系和岩爆危险评估等进行了卓有成效的探讨。美国Idaho大学、密西根工业大学及西南研究院就此展开了深井开采研究，并与美国国防部合作，就岩爆引发的地震信号和天然地震或化爆与核爆信号的差异与辨别进行了研究。2国内外研究现状近些年来，随着我国国民经济和科学技术的发展，复杂地质条件下一些长深铁路、公路隧道的修建，深部开采事故的预防应用和发展了许多先进的科学技术和理论，在软岩支护、岩爆防治、超前探测、信息化施工等方面，隧道工程部门、中国矿业大学、中南大学、东北大学、重庆大学、同济大学、西南交通大学等进行了大量的研究和实践，积累了丰富的实践经验，具有开展相关研究的基础与条件。2.1深部岩石的变形性质岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性，在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高围压下转化为延性。自vonKarman(1911)首先用大理岩进行不同围压条件下的力学实验以来，人们针对围压对岩石力学性质的影响进行了大量实验研究。（1）深部岩体的脆–延转化2.1深部岩石的变形性质岩石脆–延转化临界条件的诸多成果还来自于地壳岩石圈动力学中，普遍认为，随着深度的增加当岩层中压力和温度达到一定条件时，岩石即发生脆–延转化，所以存在转化深度的概念，当然该深度还与岩石性质有关。研究认为当摩擦强度与蠕变强度相等时岩石即进入延性变形状态。研究给出了地球岩石圈各种强度的推测曲线，还发现在脆性向延性转换深度上存在着很高的应力释放。（1）深部岩体的脆–延转化2.1深部岩石的变形性质脆–延转化是岩石在高温和高压作用下表现出的一种特殊的变形性质，如果说浅部低围压下岩石破坏仅伴有少量甚至完全没有永久变形的话，则深部高围压条件下岩石的破坏往往伴随有较大的塑性变形，目前的研究大多集中在脆–延转化的判断标准上，而对于脆–延转化的机理却研究较少，目前还没有比较成熟的成果。（1）深部岩体的脆–延转化2.1深部岩石的变形性质在深部高应力环境中，岩石具有强时间效应，表现为明显的流变或蠕变。在研究核废料处置时，研究了核废料储存库围岩的长期稳定性和时间效应问题。一般认为，优质硬岩不会产生较大的流变，但南非深部开采实践表明，深部环境下硬岩同样会产生明显的时间效应。对于软岩巷道，研究者提出了一个非常简单的参数—岩体的承载因子(即岩体强度和地应力的比值)来衡量巷道围岩的流变性。（2）深部岩石的流变特性2.1深部岩石的变形性质岩石在高应力和其他不利因素的共同作用下，其蠕变更为显著，这种情况在核废料处置中十分普遍。例如，即使质地非常坚硬的花岗岩，在长时微破裂效应和地下水力诱致应力腐蚀的双重不利因素作用下，同样会对存贮库近场区域的岩石强度产生很大的削弱作用。蠕变的发生还与岩体中微破裂导致的岩石剥离有关，根据瑞典Forsmark核废料候选场址的观测记录以及长时蠕变准则的推测，预计该硐库围岩经历1000a后，岩石剥落波及的深度将达到3m。（2）深部岩石的流变特性2.1深部岩石的变形性质在单轴压缩实验中观测到岩石破裂前出现体积增大现象，在围压下同样也观测到了扩容现象，不过，随着围压的增大，扩容的数值会降低。实验进一步表明，在低围压下，岩石往往会在低于峰值强度时由于内部微裂纹张开而产生扩容现象，但在高围压下，岩石的这种扩容现象不明显甚至完全消失。（3）深部岩石的扩容性质2.2深部岩石的强度和破坏特征研究表明，总体上岩石的强度随深度的增加而有所提高。如有的矿区从深度小于600m变化到800～1000m时，强度为21～40MPa的岩石所占的比重从30%减少到24%，而强度为81～100MPa岩石的比重则从5.5%增加到24.5%，并且岩石更脆，更容易发生岩爆。根据大量实验数据，总结了在非常高的侧向应力(高达700MPa)下的岩石强度准则，提出了一个非线性的厩瞄强度准则。根据实验发现，在200～280℃和不同围压的条件下，花岗岩具有较低的强度值，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。2.2深部岩石的强度和破坏特征随着开采深度的增加，岩石破坏机理也随之转化，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。2.2深部岩石的强度和破坏特征深部开采中，不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(foreshocks)，因此，深部矿井岩爆的空间分布和时间分布都十分复杂，且岩爆事件组成的时间序列很可能不符合正态分布。2.3深部岩石的破碎诱导机理在深井开采中，坚硬矿岩出现的“好凿好爆”现象给人们重要启示，这种现象应该是高应力所致。因此，在深部开采中，如何有效地预防和抑制由高应力诱发的岩爆等灾害性事故发生的同时，又充分利用高应力与应力波应力场叠加组合高效率的破裂矿岩，应成为深部开采中一大迫切需要研究的课题。2.3深部岩石的破碎诱导机理近十几年来，国内外对岩石分别在高应力状态和动荷载作用下的特性与响应做了一系列细致而深入的研究。以三轴实验仪为主要实验设备，对岩石在高应力状态下的物理特性与破坏进行了实验研究，利用细观力学、断裂力学以及损伤力学等现代理论，对岩石的本构特征、断裂破坏机理进行了理论与数值分析，从而对冲击地压、岩爆等物理现象有了本质的认识；另一方面，以霍布金逊压杆与轻气炮为主要冲击实验设备，对岩石在动荷载作用下高应变率段的动力参量与动力性质进行了实验研究，并从应力波理论的角度利用各种现代方法对岩石的动态本构特征、应力波在岩石中的传播与能量耗散以及界面边界效应等方面进行了理论分析推导与数值模拟，从而得到了一系列岩石动态破坏规律。2.3深部岩石的破碎诱导机理纵观国内外的研究，我们发现，至今为止人们还没有重视对于在高应力状态下的岩石的动态特性与碎裂机理的研究。有限的研究也主要限制在脆性材料在高应力与应力脉冲组合下的理论分析上。3深部开采与浅部的区别（三高一扰动）进入深部开采以后，仅重力引起的垂直原岩应力通常就超过工程岩体的抗压强度(＞20MPa)，而由于工程开挖所引起的应力集中水平则更是远大于工程岩体的强度(＞40MPa)。同时，据已有的地应力资料显示，深部岩体形成历史久远，留有远古构造运动的痕迹，其中存有构造应力场或残余构造应力场。二者的叠合累积为高应力，在深部岩体中形成了异常的地应力场。据南非地应力测定，在3500～5000m之间，地应力水平为95～135MPa。如此高的应力状态下进行工程开挖，确实面临严峻挑战。（1）高地应力3深部开采与浅部的区别（三高一扰动）根据量测，越往地下深处，地温越高。地温梯度一般为30～50℃/km不等，常规情况下的地温梯度为30℃/km。有些地区如断层附近或导热率高的异常局部地区，地温梯度有时高达200℃/km。岩体在超出常规温度环境下，表现出的力学、变形性质与普通环境条件下具有很大差别。地温可以使岩体热胀冷缩破碎，而且岩体内温度变化1℃可产生0.4～0.5MPa的地应力变化。岩体温度升高产生的地应力变化对工程岩体的力学特性会产生显著的影响。（2）高地温3深部开采与浅部的区别（三高一扰动）进入深部以后，随着地应立即低温的升高，同时将会伴随着岩溶水压的升高，在采深大于1000m的深部，其岩溶水压将高达7MPa，甚至更高。岩溶水压的升高，使得矿井突水灾害更为严重。（3）高岩溶水压3深部开采与浅部的区别（三高一扰动）采矿扰动主要是指强烈的开采扰动。进入深部开采后，在承受高地应力的同时，大多数巷道要经受