深部開采巖體力學(xué)研究

1、第24卷 第16期 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) Vol.24 No.16 2005年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2005深部開采巖體力學(xué)研究何滿潮12，謝和平13，彭蘇萍1，姜耀東1 ，(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū))，北京 100083；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3. 四川大學(xué)，四川 成都 610065)摘要：深部開采工程中產(chǎn)生的巖石力學(xué)問題是目前國內(nèi)外采礦及巖石力學(xué)界研究的焦點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者通過理論研究、室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究取得了大量的成果。總結(jié)分析了深部開采與淺部開采巖體工程力學(xué)特性的主要區(qū)

2、別，主要表現(xiàn)在“三高一擾動(dòng)”的惡劣環(huán)境、5個(gè)力學(xué)特性轉(zhuǎn)化特點(diǎn)、4個(gè)方面的礦井轉(zhuǎn)型、6大災(zāi)害表現(xiàn)形式。針對(duì)深部工程所處的特殊地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，通過對(duì)深部工程巖體非線性力學(xué)特點(diǎn)的深入研究，指出進(jìn)入深部的工程巖體所屬的力學(xué)系統(tǒng)不再是淺部工程圍巖所屬的線性力學(xué)系統(tǒng)，而是非線性力學(xué)系統(tǒng)，傳統(tǒng)理論、方法與技術(shù)已經(jīng)部分或相當(dāng)大部分失效，深入進(jìn)行深部工程巖體的基礎(chǔ)理論研究已勢(shì)在必行。關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；深部開采；三高一擾動(dòng)；工程特性中圖分類號(hào)：TU 457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10006915(2005)16280311STUDY ON ROCK MECHANICS IN DEEP MINING ENGINE

3、ERINGHE Man-chao12，XIE He-ping13，PENG Su-ping1，JIANG Yao-dong1 ，(1. China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；2. China University of Geosciences，Beijing 100083，China；3. Sichuan University，Chengdu 610065，China)Abstract：The rock mechanics problems caused by the deep mining enginee

4、ring are the focuses in the fields of mining engineering and rock mechanics. A lot of achievements were obtained by scholars through theoretical study，laboratory test，and in-site test. Based on the previous studies of authors，the main differences in engineering mechanics for the characters of rock m

5、ass between shallow mining and deep mining are summarized. They are complicated as follows：(1) mining environments with three“high”and one“disturbance”high ground stress，high earth temperature，high karst water pressure，and mining disturbance；(2) five transform features of mechanical characters；(3) f

6、our changes of coal mine types；and (4) six representing types of engineering hazards. By the detailed research on the nonlinear mechanical characters of engineering rock mass in deep mining under complicated geology mechanical environments；it is pointed out that the mechanical system，which is subord

7、inated to engineering rockmass at depth，is the nonlinear mechanical system，but not the linear mechanics system subordinated to engineering rock mass at shallow. The classic theory，methods，and technology are partly or most entirely invalid. So，it is very important to study the basic theory of rock me

8、chanics in deep engineering. Key words：rock mechanics；deep mining；three“high”and one“disturbance”；engineering characters1 引 言深部開采工程巖石力學(xué)主要是指在進(jìn)行深部資收稿日期：20050305；修回日期：20050420 源開采過程中而引發(fā)的與巷道工程及采場(chǎng)工程有關(guān)的巖石力學(xué)問題。 隨著對(duì)能源需求量的增加和開采強(qiáng)度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(50490270)；國家基金委創(chuàng)新群體基金資助項(xiàng)目(50221402)；

9、教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目(10405)作者簡(jiǎn)介：何滿潮(1956)，男，博士，1985年畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院水文工程地質(zhì)系工程地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)任教授、博士生導(dǎo)師、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(50490270)首席科學(xué)家，主要從事巖石力學(xué)理論及工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：hemanchao。2804 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005年部資源開采狀態(tài)。隨著開采深度的不斷增加，工程災(zāi)害日趨增多，如礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現(xiàn)加劇、巷道圍巖大變形、流變、地溫升高等，對(duì)深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅。因此，深部資源開采過程中所產(chǎn)生的巖石力學(xué)問題已成為國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)111。2 國內(nèi)外深部工程

10、現(xiàn)狀據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)1216，國外開采超千米深的金屬礦山有80多座，其中最多為南非。南非絕大多數(shù)金礦的開采深度大都在1 000 m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深井金礦，采礦深度達(dá)3 700 m，West Driefovten金礦礦體賦存于地下600 m，并一直延伸至6 000 m以下。印度的Kolar金礦區(qū)，己有三座金礦采深超2 400 m，其中錢皮恩里夫金礦共開拓112個(gè)階段，總深3 260 m。俄羅斯的克里沃羅格鐵礦區(qū)，已有捷爾任斯基、基洛夫、共產(chǎn)國際等8座礦山采準(zhǔn)深度達(dá)910 m，開拓深度到1 570 m，預(yù)計(jì)將來達(dá)到2 0002 500 m。另外，加拿大、美國、澳大利亞的一

11、些有色金屬礦山采深亦超過1 000 m。國外一些主要產(chǎn)煤國家從20世紀(jì)60年代就開始進(jìn)入深井開采。1960年前，西德平均開采深度已經(jīng)達(dá)650 m，1987年已將近達(dá)900 m；原蘇聯(lián)在20世紀(jì)80年代末就有一半以上產(chǎn)量來自600 m以下深部。國外深部工程開采現(xiàn)狀如圖1所示。英國 日本 波蘭 德國 俄羅斯 印度 南非地表煤煤煤煤鐵金金礦礦礦礦礦礦礦600 m1 000/度深1 1001 125 1 2001 500 1400延伸速度1 5502 000816 m/a2 4004 0003 800圖1 國外深部工程開采現(xiàn)狀Fig.1 Present situation of deep mining

12、 engineering abroad根據(jù)目前資源開采狀況，我國煤礦開采深度以每年812 m的速度增加，東部礦井正以100 250 m/(10 a)的速度發(fā)展11，17，18。近年己有一批礦山進(jìn)入深部開采。其中，在煤炭開采方面，沈陽采屯礦開采深度為1 197 m、開灤趙各莊礦開采深度為 1 159 m、徐州張小樓礦開采深度為1 100 m、北票冠山礦開采深度為1 059 m、新汶孫村礦開采深度為1 055 m、北京門頭溝開采深度為1 008 m、長(zhǎng)廣礦開采深度為1 000 m。在金屬礦開采方面，紅透山銅礦目前開采己進(jìn)入9001 100 m深度，冬瓜山銅礦現(xiàn)已建成2條超1 000 m豎井來進(jìn)行深

13、部開采，弓長(zhǎng)嶺鐵礦設(shè)計(jì)開拓水平750 m，距地表達(dá)1 000 m，夾皮溝金礦二道溝坑口礦體延深至1 050 m，湘西金礦開拓38個(gè)中段，垂深超過850 m。此外，還有壽王墳銅礦、凡口鉛缽礦、金川鎳礦、乳山金礦等許多礦山都將進(jìn)行深部開采?？梢灶A(yù)計(jì)在未來20年我國很多煤礦將進(jìn)入到1 0001 500 m的深度。同時(shí)，在今后1020 a內(nèi)，我國金屬和有色金屬礦山將進(jìn)入1 0002 000 m深度開采。我國國有重點(diǎn)煤礦平均采深變化趨勢(shì)如圖2所示。時(shí)間/a1980 1995 2000 2010 2020地表288428m600500/度深1 000延伸速度 7001025 m/a1 5001 200圖2

14、 我國國有重點(diǎn)煤礦平均采深變化趨勢(shì) Fig.2 Development trends of average mining depth of keycoal mines in China3 國內(nèi)外深部研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)80年代初，國外已經(jīng)開始注意對(duì)深井問題的研究。1983年，原蘇聯(lián)的權(quán)威學(xué)者就提出對(duì)超過1 600 m的深(煤)礦井開采進(jìn)行專題研究。當(dāng)時(shí)的西德還建立了特大型模擬試驗(yàn)臺(tái)，專門對(duì) 1 600 m深礦井的三維礦壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究。1989年巖石力學(xué)學(xué)會(huì)曾在法國專門召開“深部巖石力學(xué)”問題國際會(huì)議，并出版了相關(guān)的專著。近20 a來，國內(nèi)外學(xué)者在巖爆預(yù)測(cè)、軟巖大變形機(jī)制、隧道涌水量預(yù)

15、測(cè)及巖爆防治措施(改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力解除、及時(shí)施作錨噴支護(hù)、合理的施工方法等)、軟巖防治措施(加強(qiáng)穩(wěn)定掌子面、加強(qiáng)基腳及防止斷面擠入、防止開裂的錨、噴、支，分?jǐn)嗝骈_挖等)等各方面進(jìn)行了深入的研究，取得了很大的成績(jī)。一些有深井開采礦山的國家，如美國、加拿大、澳大利亞、南非，波蘭等，政府、工業(yè)部第24卷 第16期 何滿潮等. 深部開采巖體力學(xué)研究 2805 門和研究機(jī)構(gòu)密切配合，集中人力和財(cái)力緊密結(jié)合深部開采相關(guān)理論和技術(shù)開展基礎(chǔ)問題的研究。南非政府、大學(xué)與工業(yè)部門密切配合，從1998年7月開始啟動(dòng)了一個(gè)“deep mine”的研究計(jì)劃，耗資約合1.38億美元，旨在解決深部的金礦安全、經(jīng)

16、濟(jì)開采所需解決的一些關(guān)鍵問題。加拿大聯(lián)邦和省政府及采礦工業(yè)部門合作開展了為期10 a的2個(gè)深井研究計(jì)劃，在微震與巖爆的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方面的計(jì)算機(jī)模型研究，以及針對(duì)巖爆潛在區(qū)的支護(hù)體系和巖爆危險(xiǎn)評(píng)估等進(jìn)行了卓有成效的探討。美國Idaho大學(xué)、密西根工業(yè)大學(xué)及西南研究院就此展開了深井開采研究，并與美國國防部合作，就巖爆引發(fā)的地震信號(hào)和天然地震或化爆與核爆信號(hào)的差異與辨別進(jìn)行了研究。西澳大利亞大學(xué)在深井開采方面也進(jìn)行了大量工作。近些年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下一些長(zhǎng)深鐵路、公路隧道的修建，深部開采事故的預(yù)防，應(yīng)用和發(fā)展了許多先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和理論。在軟巖支護(hù)、巖爆防治、超前探測(cè)、

17、信息化施工等方面，隧道工程部門、中國礦業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、東北大學(xué)、重慶大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)等進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，且具有開展相關(guān)研究的基礎(chǔ)與條件。如“九五”期間，中國礦業(yè)大學(xué)在深部煤礦開發(fā)中災(zāi)害預(yù)測(cè)和防治研究、武漢巖土所在峒室優(yōu)化及穩(wěn)定性研究、中南大學(xué)千米深井巖爆發(fā)生機(jī)理與控制技術(shù)研究、北京科技大學(xué)撫順老虎臺(tái)礦開采引發(fā)礦震的研究都做了許多有益工作，取得了重要成果。目前該領(lǐng)域的研究進(jìn)展主要有以下幾個(gè)方面。3.1 深部巖石的變形性質(zhì)(1) 深部巖體的脆延轉(zhuǎn)化巖石在不同圍壓下表現(xiàn)出不同的峰后特性，在較低圍壓下表現(xiàn)為脆性的巖石可以在高圍壓下轉(zhuǎn)化為延性。自Von. Kar

18、man(1911年)首先用大理巖進(jìn)行不同圍壓條件下的力學(xué)試驗(yàn)以來，人們針對(duì)圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。文18在室溫下對(duì)大理巖進(jìn)行了試驗(yàn)，證明了隨著壓力增大巖石變形行為由脆性向延性轉(zhuǎn)變的特性。文19，20發(fā)表過類似的試驗(yàn)結(jié)果，并指出脆延轉(zhuǎn)化通常與巖石強(qiáng)度有關(guān)。文21也曾獲得過類似的結(jié)論，但對(duì)于諸如花崗巖和大理巖這類巖石，在室溫下即使圍壓達(dá)到1 000 MPa甚至以上時(shí)，仍表現(xiàn)為脆性。而有的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料表明，像花崗閃長(zhǎng)巖這種極堅(jiān)硬的巖石在長(zhǎng)期地質(zhì)力作用下也會(huì)發(fā)生很大延性變形。巖石破壞時(shí)在不同的圍壓水平上表現(xiàn)出不同的應(yīng)變值，當(dāng)巖石發(fā)生脆性破壞時(shí)，通常不伴有或僅伴有少量的永久變形或塑性

19、變形，當(dāng)巖石呈延性破壞時(shí)，其永久應(yīng)變通常較大，因此，文22，23用巖石破壞時(shí)的應(yīng)變值作為脆延轉(zhuǎn)化判別標(biāo)準(zhǔn)。文24根據(jù)亞洲、歐洲、美洲和非洲的101個(gè)砂巖試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)巖石的脆延轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，系統(tǒng)分析了脆延轉(zhuǎn)化臨界條件，并研究了脆延轉(zhuǎn)化過程中的過渡態(tài)性質(zhì)，文25認(rèn)為過渡態(tài)中，通常具有脆性破壞的特征，也具有延性變形的性質(zhì)。巖石脆延轉(zhuǎn)化臨界條件的諸多成果還來自于地殼巖石圈動(dòng)力學(xué)中，普遍認(rèn)為，隨著深度的增加當(dāng)巖層中壓力和溫度達(dá)到一定條件時(shí)，巖石即發(fā)生脆延轉(zhuǎn)化，所以存在轉(zhuǎn)化深度的概念，當(dāng)然該深度還與巖石性質(zhì)有關(guān)。文26，27認(rèn)為當(dāng)摩擦強(qiáng)度與蠕變強(qiáng)度相等時(shí)巖石即進(jìn)入延性變形狀態(tài)。文28給出了

20、地球巖石圈各種強(qiáng)度的推測(cè)曲線。文29，30還發(fā)現(xiàn)在脆性向延性轉(zhuǎn)換深度上存在著很高的應(yīng)力釋放。總之，脆延轉(zhuǎn)化是巖石在高溫和高壓作用下表現(xiàn)出的一種特殊的變形性質(zhì)，如果說淺部低圍壓下巖石破壞僅伴有少量甚至完全沒有永久變形的話，則深部高圍壓條件下巖石的破壞往往伴隨有較大的塑性變形，目前的研究大多集中在脆延轉(zhuǎn)化的判斷標(biāo)準(zhǔn)上，而對(duì)于脆延轉(zhuǎn)化的機(jī)理卻研究較少，目前還沒有比較成熟的成果。(2) 深部巖石的流變特性在深部高應(yīng)力環(huán)境中，巖石具有強(qiáng)時(shí)間效應(yīng)，表現(xiàn)為明顯的流變或蠕變。文31，32在研究核廢料處置時(shí)，研究了核廢料儲(chǔ)存庫圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和時(shí)間效應(yīng)問題。一般認(rèn)為，優(yōu)質(zhì)硬巖不會(huì)產(chǎn)生較大的流變，但南非深部開采實(shí)

21、踐表明，深部環(huán)境下硬巖同樣會(huì)產(chǎn)生明顯的時(shí)間效應(yīng)33，34。對(duì)于軟巖巷道，文35提出了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的參數(shù)巖體的承載因子(即巖體強(qiáng)度和地應(yīng)力的比值)來衡量巷道圍巖的流變性。文36討論了該參數(shù)的適用范圍。文37通過對(duì)大量日本的軟巖巷道調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生明顯流變的巷道圍巖承載因子都小于2。該結(jié)論是針對(duì)典型軟巖如泥巖、凝灰?guī)r、頁巖和粉砂巖等得出的，且埋深都小于400 m，該準(zhǔn)則是否適用于深部硬巖目前尚無定論。2806 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005年文33，34，38，39系統(tǒng)地研究了南非金礦深部硬巖的流變性，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力導(dǎo)致圍巖流變性十分明顯，支護(hù)極其困難，巷道最大收縮率曾達(dá)到了500 mm/月的水平39。

22、巖石在高應(yīng)力和其他不利因素的共同作用下，其蠕變更為顯著，這種情況在核廢料處置中十分普遍。例如，即使質(zhì)地非常堅(jiān)硬的花崗巖，在長(zhǎng)時(shí)微破裂效應(yīng)和地下水力誘致應(yīng)力腐蝕(water induced stress corrosion)的雙重不利因素作用下，同樣會(huì)對(duì)率存在十分明顯的關(guān)系，且?guī)r爆的強(qiáng)度與震級(jí)也與巖層的運(yùn)動(dòng)速率有關(guān)49。因此，目前預(yù)報(bào)巖爆的重要參數(shù)就是巖層的位移和運(yùn)動(dòng)速率。另外，深部開采引起的開采沉陷極有可能成為巖爆的誘因，同時(shí)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面(弱面)的活化也可能導(dǎo)致巖爆，地質(zhì)構(gòu)造面附近的應(yīng)力重新分布甚至有可能導(dǎo)致一系列的前震(foreshocks)，因此，深部礦井巖爆的空間分布和時(shí)間分布都十分復(fù)雜，

23、且?guī)r爆事件組成的時(shí)間序列很有可能不符合正態(tài)分布50。存貯庫近場(chǎng)區(qū)域的巖石強(qiáng)度產(chǎn)生很大的削弱作 深部巖石的破碎誘導(dǎo)機(jī)理 3.3用40。蠕變的發(fā)生還與巖體中微破裂導(dǎo)致的巖石剝離有關(guān)，根據(jù)瑞典Forsmark核廢料候選場(chǎng)址的觀測(cè)記錄以及長(zhǎng)時(shí)蠕變準(zhǔn)則的推測(cè)，預(yù)計(jì)該硐庫圍巖經(jīng)歷1 000 a后，巖石剝落波及的深度將達(dá)到3 m41。(3) 深部巖石的擴(kuò)容性質(zhì)文42首次在單軸壓縮試驗(yàn)中觀測(cè)到巖石破裂前出現(xiàn)體積增大現(xiàn)象。文43在圍壓下同樣也觀測(cè)到了擴(kuò)容現(xiàn)象，不過，隨著圍壓的增大，擴(kuò)容的數(shù)值會(huì)降低。文24的試驗(yàn)進(jìn)一步表明，在低圍壓下，巖石往往會(huì)在低于峰值強(qiáng)度時(shí)由于內(nèi)部微裂紋張開而產(chǎn)生擴(kuò)容現(xiàn)象，但在高圍壓下，巖石

24、的這種擴(kuò)容現(xiàn)象不明顯甚至完全消失。 3.2 深部巖石強(qiáng)度和破壞特征研究表明44，45，總體上巖石的強(qiáng)度隨深度的增加而有所提高。如有的礦區(qū)從深度小于600 m變化到8001 000 m時(shí)，強(qiáng)度為2140 MPa的巖石所占的比重從30%減少到24%，而強(qiáng)度為81100 MPa巖石的比重則從5.5%增加到24.5%，且?guī)r石更脆，更容易發(fā)生巖爆。文23根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)了在非常高的側(cè)向應(yīng)力(高達(dá)700 MPa)下的巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則，提出了一個(gè)非線性的巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則。文46根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在200 280 和不同圍壓的條件下，花崗巖具有較低的強(qiáng)度值，據(jù)此提出了地殼強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的圣誕樹模型，合理解釋了大陸地殼多震層的成因。隨著開采深度的增加，巖石破壞機(jī)理也隨之轉(zhuǎn)化，由淺部的脆性能或斷裂韌度控制的破壞轉(zhuǎn)化為