第五讲深部开采岩体力学研究及其进展

井巷设计优化与施工新技术第五讲深部开采岩体力学研究及其进展深部开采岩体力学研究及其进展湖南工程学院曾宪桃（博士、教授、博士生导师）二零一零年八月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.矿井深部开采六个转型7.深部开采十大理论问题8.结语深部开采岩体力学研究及其进展1.引言我国目前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%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%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的速度发展深部开采岩体力学研究及其进展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1000～1500m深部开采岩体力学研究及其进展1.引言深部开采岩体力学研究及其进展地表年度198019952000201020206001000深度/m15002884285007001200延伸速度10～25m/a图1我国国有重点煤矿平均采深变化趋势年需矿石的缺口越来越大仅铜矿的缺口，“九五”期间就达到了8000万吨/年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%，铜需求量220万吨，保证度只有57%深部开采岩体力学研究及其进展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1000m1960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以下深部深部开采岩体力学研究及其进展1.引言国外矿产资源的开采已经进入深部开采阶段国外开采超千米深的金属矿山有80多座南非绝大多数金矿的开采深度大都在1000m以下Anglogold有限公司的西部深井金矿，采矿深度达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深部开采岩体力学研究及其进展1.引言深部开采岩体力学研究及其进展1.引言图2国外矿山开采深度变化情况随着开采深度的不断增加，呈现地质环境更加复杂，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、低温升高等对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁深部开采岩体力学研究及其进展1.引言2国内外研究现状深部开采岩体力学研究及其进展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问题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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。深部开采岩体力学研究及其进展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深部开采岩体力学研究及其进展2国内外研究现状2.1深部岩石的变形性质(深部岩体的脆–延转化)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，人们针对围压队岩石力学性质的影响进行了大量实验研究深部开采岩体力学研究及其进展2.1深部岩石的变形性质(深部岩体的脆–延转化)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压力和温度达到一定条件时，岩石即发生脆–延转化，存在转化深度的概念岩石性质与深度有关，当摩擦强度与蠕变强度相等时岩石即进入延性变形状态地球岩石圈各种强度的推测曲线，发现在脆性向延性转换深度上存在着很高的应力释放深部开采岩体力学研究及其进展2.1深部岩石的变形性质(深部岩体的脆–延转化)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，则深部高围压下岩石的破坏往往伴随着较大的塑性变形目前的研究大多数集中在脆–延转化的判断标准上，而对于脆–延转化德机理却研究较少目前还没有比较成熟的成果深部开采岩体力学研究及其进展2.1深部岩石的变形性质(深部岩石的流变特性)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优质硬岩不会产生较大的流变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，研究者用岩体的承载因子(即岩体强度和地应力的比值)来衡量巷道围岩的流变性深部开采岩体力学研究及其进展2.1深部岩石的变形性质(深部岩石的流变特性)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即使质地非常坚硬的花岗岩，在长时微破裂效应考核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深部开采岩体力学研究及其进展深部开采岩体力学研究及其进展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随着围压的增大，扩容的数值会降低在低围压下，岩石往往会在低于峰值强度时产生扩容现象在高围压下，岩石扩容现象不明显甚至完全消失2.1深部岩石的变形性质(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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深部开采岩体力学研究及其进展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实际上就是由浅部的动态破坏转化为深部的准静态破坏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，即岩爆或矿震深部开采岩体力学研究及其进展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。深部开采岩体力学研究及其进展纵观国内外的研究，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)高地应力进入深部开采以后，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。深部开采岩体力学研究及其进展3深部开采与浅部的区别(三高一扰动)高地温根据量测，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。深部开采岩体力学研究及其进展3深部开采与浅部的区别(三高一扰动)高岩溶水压进入深部以后，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。深部开采岩体力学研究及其进展3深部开采与浅部的区别(三高一扰动)采矿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，大多数巷道要经受硕大的回采空间引起强烈的支承压力作用，使受采动影响的巷道围岩压力数倍、甚至近十倍于原岩应力，从而造成在浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部却可能表现出软岩大变形、大地压、难支护的特征；浅部的原岩体大多处于弹性应力状态，而进入深部以后则可能处于塑性状态，即有各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超过岩石的强度，造成岩石的破坏。深部开采岩体力学研究及其进展4深部开采工程岩体力学特性深部开采岩体力学研究及其进展地质力学历史区域构造工程构造岩体结构现代地质力学特点成分地应力场微组构水渗流宏观结构温度场强度力学行为变形力学行为稳定性状态未来力学行为深部岩体图深部岩体地质力学特点4深部开采工程岩体力学特性深部工程岩体产生冲击地压、岩爆、瓦斯突出、流变、底板突水等非线性力学现象的原因，归根结底是由于深部岩体因其所处的地球物理环境的特殊性和应力场的复杂性所致。受其影响，深部岩体的受力及其作用过程所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统(虽然由于地质条件的复杂性也含有非线性力学问题)，而是非线性力学系统，其稳定性控制的难点和复杂性在于不再含有线性问题。深部开采岩体力学研究及其进展4深部开采工程岩体力学特性深部开采岩体力学研究及其进展深部岩体与浅部岩体的受力特点对比材料受力特点力学特点能量场特点加载过程叠加原理工程设计方法地面建筑材料(砖)自重线性保守无关遵循参数设计浅部岩体自