深部软岩工程的研究进展与挑战

　第39卷第8期煤　　炭　　学　　报Vol.39　No.8　　2014年8月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAug.　2014　何满潮.深部软岩工程的研究进展与挑战[J].煤炭学报,2014,39(8):1409-1417.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.9044HeManchao.Progressandchallengesofsoftrockengineeringindepth[J].JournalofChinaCoalSociety,2014,39(8):1409-1417.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.9044深部软岩工程的研究进展与挑战何满潮(中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京　100083)摘　要:随着开采深度的增加,地应力增大、涌水量加大、地温升高等深部地质环境愈加复杂,深部工程灾害日益严重,深部软岩工程灾害尤其严重,给深部软岩工程问题研究提出了严峻的挑战。以深部的科学定义为基础,从深部软岩吸水软化机理、深部含结构面软岩非对称大变形机理、深部软岩岩爆机理、高温高湿环境引起深部岩体软化大变形机理等方面论述了深部软岩工程变形破坏机理、试验方法和装备方面的研究进展,总结了深部软岩大变形设计方法和控制技术,以及以恒阻大变形锚杆为主体的深部软岩大变形控制新材料的研究进展,并提出了深部软岩工程未来面临的主要挑战。关键词:深部;软岩工程;研究进展;挑战中图分类号:TU452;TD353　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2014)08-1409-09收稿日期:2014-07-06　　责任编辑:王婉洁　　作者简介:何满潮(1956—),男,河南灵宝人,中国科学院院士。E-mail:[e-mail]ofsoftrockengineeringindepthHEMan-chao(StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing　100083,China)Abstract:Withtheincreaseofminingdepth,deepgeologicalenvironment,suchasthestressincreases,waterinflowincreases,andgroundtemperaturerises,ismorecomplex.Thedeepengineeringdisasterbecomesincreasinglyserious,especiallythedeepsoftrockengineeringdisasters,whichbringseverechallengestotheresearchofdeepsoftrocken-gineeringproblems.Theauthorbasedonthescientificdefinitionofdeepdiscussestheprogressofdeformationandfail-uremechanism,testmethodsandequipmentsindeepsoftrockengineeringfromthefollowingseveralaspects:watersofteningmechanism,asymmetriclargedeformationmechanism,rockburstmechanism,softeninglargedeformationmechanismcausedbyhotandhumidenvironmentandsoon;summarizestheprogressofthedeepsoftrocklargede-formationdesignmethods,controltechnologyandnewconstantresistancelargedeformationmaterialwhichisbasedmainlyonconstantresistancelargedeformationbolt;andputsforwardthemajorchallengesofdeepsoftrockengineer-inginthefuture.Keywords:deep;softrockengineering;progress;challenges　　随着经济建设的高速发展,全球范围内浅部资源日益短缺,资源开采必然转向深部。深部工程由于地应力增大、涌水量加大、地温升高等深部地质环境愈加复杂,地下突发性工程灾害日益严重,给深部软岩工程问题研究提出了严峻的挑战[1-4]。一方面,相当一部分矿井由浅部的硬岩矿井转型为深部软岩矿井,软岩支护问题十分严重;另一方面,深部能源开发引发的岩爆、冲击地压、瓦斯爆炸、突水、高温热害等重大工程灾害在我国时有发生,深部软岩工程灾害控制问题已成为关系到国家财产和人民生命安全的重大问题,也是国内外岩石力学与地下工程领域研究的焦点问题。近年来,在深部资源开采过程中,由于冲击地压、瓦斯爆炸、矿井突水等工程灾害造成的重大安全生产事故在我国频繁发生,造成了巨大的生命、财煤　　炭　　学　　报2014年第39卷产损失。其根本原因在于浅部工程中形成的理论、设计和技术体系进入到深部状态已经部分或严重失效。深部岩体力学的基础理论与工程灾害控制技术正面临着前所未有的一系列特殊的、富有挑战性的新课题。本文系统总结了深部软岩工程理论、实验装备与技术方面的研究进展,提出了深部软岩工程将面临的挑战。1　深部的科学定义目前,国内外岩石力学与采矿界在“深部”、“深部工程”的界定上还没有统一的划分标准,在一定程度上影响了该领域理论与技术研究的发展及交流。因此,针对深部工程岩体所处的特殊地质力学环境及其出现的科学现象,对深部的概念、分类体系及其评价指标进行科学定义,是推动深部岩体力学基础理论研究的当务之急。为此,针对已有以具体工程深度为指标进行“深部”界定时的局限性,通过深入研究深部工程灾害现象的出现与工程深度关系之间的变化规律,提出了以下“深部”的科学定义[3-4]。深部是指随着开采深度增加,工程岩体出现非线性物理力学现象的深度及其以下的深度区间。位于该深度区间的工程称为深部工程。其中,非线性物理力学现象是指水压增大,地温升高,煤与瓦斯突出,巷道工程围岩冒顶、帮缩、底臌,分区破裂化,冲击地压,岩爆等非线性变化的现象。根据煤系地层特性,建立了临界深度的确定方法,即:针对某一类岩层或某一矿井的煤系地层来讲,其临界深度是一客观量,该深度即工程岩体出现非线性物理力学现象的深度。其中,非线性物理和力学现象开始出现的深度称之为上临界深度;非线性物理和力学现象频繁出现的深度称之为下临界深度。在此基础上,提出了以上临界、下临界进行矿井开采工程分区的划分方法,即,开采深度小于上临界深度的为浅部区;开采深度介于上临界深度与下临界深度之间的为过渡区;开采深度大于下临界深度的为深部区。(1)处于浅部区的工程,其工程岩体处于弹性或近似弹性的工作状态,工程岩体变形较小,基本不产生破坏,采用现有传统的经验刚体理论或线弹性理论即可解决其相关的力学问题。(2)处于过渡区的工程,其岩体结构中的软岩工程岩体处于塑性工作状态,硬岩工程岩体处于线弹性工作状态,此时,软岩工程岩体易产生大变形破坏,整体处于中等变形状态。因此,在这一区间产生的工程问题,传统理论、方法与技术已经部分失效。(3)处于深部区的工程,其工程岩体均处于大变形工作状态,产生的力学问题已无法采用现有传统理论去解决,而必须寻求符合大变形破坏特点的稳定性控制理论去解。2　深部软岩工程变形破坏机理研究进展针对深部软岩工程的大变形破坏问题,笔者所在的中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室建立了一系列功能完备的、具有自主知识产权的实验装备系统,对深部软岩大变形破坏机理进行了系统的研究,取得了一系列创新性研究成果。2．1　深部软岩水理作用机理深部软岩吸水膨胀变形是导致深部工程围岩发生大变形的主要原因之一[5-7]。为此,针对软岩中的黏土矿物成分吸水膨胀大变形导致的巷道塌方灾害,首先利用软岩吸附超级计算系统,进行了软岩吸附量子力学研究。结果表明,软岩组分中蒙脱石、高岭石等黏土矿物的内部结构(电子结构、能带结构)缺陷,导致替代元素与被替代元素之间出现价电子数目的差异,使其产生负电性,具有较强的水分子吸附能量(图1)[8-9]。巷道开挖后,由于力学和物化条件改变,引发了软岩内部产生巨大的膨胀能,从而具有很强的破坏性。在此基础上,利用自主研发的深部软岩水理作用系列实验系统(图2,3),进行了软岩与水吸附相互作用实验研究,揭示了工程岩体吸水量随时间增加、强度随时间衰减而导致大变形塌方的规律[5],为深部软岩工程稳定性控制提供了依据。2．2　深部含结构面软岩非对称大变形机理研究表明,受地应力场方向、岩层产状、岩体结构的不对称、关键部位差异性变形等因素影响,造成深部软岩巷道由于结构效应而产生非对称变形,使得常规对称支护无法控制。由于现场观察到的是围岩最终的变形破坏状态,而最先破坏的关键部位无法确定,从而难以确定支护重点,影响支护效果。针对深部软岩含结构面的层状碎裂结构岩体大变形破坏导致的巷道塌方灾害,研发了软岩巷道破坏结构效应物理模型实验系统(图4),进行了不同工程地质条件下的巷道开挖破坏过程模拟实验(图5)[10-12]。实验结果表明,岩体及岩层结构面是引起巷道围岩强度降低、产生非对称大变性破坏的主要原因,对于结构面的控制是非对称支护设计的关键,为控制深部软岩结构大变形破坏提供了设计依据。2．3　深部软岩岩爆机理针对高应力作用下深井巷道围岩中的一些泥质0141第8期何满潮:深部软岩工程的研究进展与挑战图1　深部软岩吸水膨胀机理[8-9]Fig．1　Swellingmechanismofdeepsoftrock[8-9]图2　液态水吸附测试系统Fig．2　Adsorptiontestsystemforliquidwater图3　气态水吸附测试系统Fig．3　Adsorptiontestsystemforgaseouswater图4　深部巷道破坏结构效应物理模型实验系统Fig．4　Physicalmodelexperimentalsystemfordeeproadwaydamagestructuraleffects图5　物理模型实验结果Fig．5　Experimentalresultofthephysicalmodel砂岩、煤系地层等出现的岩爆现象,利用自主研发的深井岩爆力学实验系统(图6,7),设计了不同类型岩爆实验方法,国内外首次在实验室再现了岩爆全过程这一复杂的力学现象。通过实验研究,得到了岩爆动力发展过程及其裂纹扩展与能量变化规律,提出了煤矿岩爆的强度决定于黏土矿物成分含量、岩爆的模式受层面产状影响的重要结论[12-18],并完成了我国和加拿大、意大利等国家委托的200多次岩爆实验。图6　开挖诱发应变型岩爆模拟实验系统Fig．6　Rockburstsimulationsystemofexcavationinducedstraintype2．4　高温、高湿环境引起深部岩体软化大变形机理针对深井开采高温、高湿环境引起围岩软化大变形导致的巷道塌方灾害,采用自主研发的深部高温岩1141煤　　炭　　学　　报2014年第39卷体力学特性实验系统(图8),对围岩在常温低湿到高温、高湿环境下的力学特性进行了实验研究(图9),揭示了高温、高湿环境易导致围岩软化大变形、强度衰减而发生破坏的规律,得出了深井高温、高湿环境的控制是深部环境效应引起围岩软化大变形控制的关键的重要结论[19-20]。图7　开挖-爆破冲击型岩爆模拟实验系统Fig．7　Rockbursts