深部岩体力学与开采理论

本书可供从事岩石力学、采矿工程、安全工程及相关专业本科生、研
究生、现场工程技术人员参考。

《深部岩体力学与开采理论=Deep Rock Mechanics and Mining Theory》是“十三五”国家重点研发计划项目“深部岩体力学与开采理论”研究成果的总结。主要内容涉及深部岩体原位力学行为与地应力环境、深部岩体应力场与能量场、深部强扰动和强时效下的多相并存多场耦合，以及深部资源低生态损害协同高效开采理论与技术，系统研究了深部与浅部岩石力学行为本质差异，提出了应力场和能量场定量的可视化分析方法，建立了深部岩体能量调控理论与动力灾害预警体系，以及深部资源开采的多相多场耦合理论，构建了深部原位应力状态和地应力环境下的岩石力学新原理、新理论、新技术。

目录
序
第1章 深部岩体原位力学行为研究 1
1.1 深部原位应力恢复实验的理论和方法 1
1.1.1 深部原位应力恢复实验方法和恢复准则 1
1.1.2 深部常规力学行为与原位恢复力学行为对比 4
1.2 不同赋存深度岩石力学行为特征与非常规本构行为 6
1.2.1 不同赋存深度岩石常规力学行为的差异性 6
1.2.2 不同赋存深度岩石原位应力恢复力学行为的差异性 22
1.2.3 不同赋存深度常规力学行为与原位恢复力学行为对比 26
1.2.4 深部岩石的非常规本构力学行为及模型 28
1.3 不同赋存深度煤岩采动力学行为研究 34
1.3.1 不同赋存深度煤岩采动应力环境演化规律 35
1.3.2 不同赋存深度煤岩采动应力环境试验模拟方法 39
1.3.3 不同赋存深度煤岩采动力学行为 40
1.3.4 不同赋存深度煤岩采动裂隙网络空间分布特征 47
1.3.5 不同赋存深度考虑采动与未考虑采动的结果对比分析 53
参考文献 55
第2章 深部围岩长期稳定性分析与控制 57
2.1 深部围岩流变力学行为及分数阶蠕变模型 57
2.1.1 锦屏深部大理岩基础力学特性 57
2.1.2 不同围压下深部大理岩蠕变力学特性 72
2.1.3 锦屏大理岩分数阶蠕变模型研究 76
2.2 不同深度赋存环境岩体动态力学特性 81
2.2.1 不同赋存深度锦屏大理岩应力波传播规律研究 81
2.2.2 锦屏大理岩HJC动态损伤本构模型参数研究 85
2.2.3 不同深度赋存环境锦屏大理岩动态力学响应模拟 97
2.3 不同尺度震源信息解译与围岩破裂特征 108
2.3.1 室内尺度岩石破坏声发射的主频统计方法 108
2.3.2 不同条件下岩石破裂主频与机制 112
2.3.3 工程尺度震源信息解译与围岩破裂特征 120
2.3.4 深部围岩破裂机制研究 127
2.4 深部围岩长期稳定性分析与安全评价 131
2.4.1 深部围岩工程安全原位综合监测与分析 131
2.4.2 深部围岩爆破卸压地应力快速释放的强岩爆防治方法与效果评价研究 140
2.4.3 考虑不确定性的深部隧道稳定性评价与优化设计方法 151
参考文献 158
第3章 深部地应力环境与灾害动力学 162
3.1 考虑深部岩体非线性特征的地应力测量方法 162
3.1.1 传统地应力测量方法在深地工程应用中的不足 162
3.1.2 基于完全温度补偿原理的本地数字化空心包体研发 163
3.1.3 考虑深部应力特征的空心包体地应力测量试验标定技术 167
3.1.4 考虑岩体非线弹性特征的空心包体应变计地应力测量数据分析方法 168
3.2 深部矿区地应力场反演算法与重构模型 174
3.2.1 地应力场反演重构研究现状 175
3.2.2 小样本数据下的地应力场反演 175
3.2.3 考虑非线性特征的岩体地应力场重构 180
3.3 深部高地应力场与能量场的转化 184
3.3.1 深部岩体能量基础理论 185
3.3.2 深部岩体储能机制研究 186
3.3.3 高围压岩岩石破碎耗能机制研究 194
3.3.4 深部花岗岩摩擦耗能特性研究 196
3.4 深部开采动力灾害防控体系 201
3.4.1 深部岩爆灾害的研究现状 201
3.4.2 深部地应力测量研究 202
3.4.3 深部岩体扰动力的长期监测 204
3.4.4 基于能量理论的岩爆倾向性预测 210
3.4.5 能量均匀化理念初探 212
参考文献 213
第4章 深部煤岩体强扰动和强时效下多场多相渗流理论 216
4.1 深部开采强扰动、强时效的分析模型 216
4.1.1 深部开采中的强扰动特征及含义 216
4.1.2 强扰动的判别准则 219
4.1.3 深部开采中的强时效含义 228
4.1.4 强时效的判别准则 229
4.2 深部多相多场条件下采动煤岩体损伤力学研究 234
4.2.1 深部采动力学条件下煤岩体的损伤变量定义 234
4.2.2 深部煤岩体单轴压缩条件下的裂隙损伤演化特征 235
4.2.3 三轴循环加卸载条件下的煤岩体损伤演化特征 238
4.3 深部煤体的孔隙-裂隙网络演化行为研究 244
4.3.1 深部煤岩体孔裂隙结构特征 244
4.3.2 单轴压缩条件下深部煤岩体孔裂隙网络演化规律 255
4.3.3 不同测量精度下孔裂隙网络演化规律研究 260
4.3.4 三轴压缩条件下裂隙损伤演化规律的数值模拟 267
4.3.5 三轴循环加卸载渗流条件下的裂隙损伤特征及演化规律 274
4.4 深部煤岩气液两相介质耦合渗流模型研究 282
4.4.1 多物理场耦合作用下各向同性深部煤岩体渗透率模型 282
4.4.2 多场耦合下考虑损伤的各向异性深部煤岩体渗透率模型 301
4.4.3 深部扰动煤体蠕变-渗透率模型 313
4.4.4 低渗煤岩分形孔隙结构的气液两相流理论 323
4.5 深部煤岩非达西渗流模型研究 331
4.5.1 多孔介质中的高速非达西渗流分数阶导数模型 331
4.5.2 多孔介质中的低速非达西渗流分数阶导数模型 336
参考文献 343
第5章 深部采动应力场-能量场分析、模拟与可视化 350
5.1 岩体复杂结构的分形重构及可视化模型 351
5.1.1 深部岩体大尺寸三维孔隙结构的多线程并行分形重构算法 351
5.1.2 深部岩体复杂孔隙结构岩石三维重构优化算法 355
5.1.3 岩体复杂三维孔/裂隙网络的分形表征方法 355
5.1.4 深部岩石微观孔/裂隙结构三维重构模型 359
5.1.5 采动应力下煤岩体裂隙网络演化规律的CT实时扫描 361
5.2 应力透明化材料的物理力学性能研究 364
5.2.1 深部岩体应力可视化材料的物理力学性质 364
5.2.2 应力可视化材料的不完全冻结法和脆性研究 366
5.2.3 应力可视化材料的三维应力场提取方法 368
5.2.4 采动条件下复杂岩体全应力场及演化特征的可视化定量表征方法 369
5.3 岩体介质与岩体结构的应力场、能量场及灾变特征的可视化分析 375
5.3.1 真三轴三维应力场冻结实验系统 375
5.3.2 含颗粒非均质岩体三维应力场的可视化分析 376
5.3.3 采动条件下深部岩石复杂孔隙结构三维应力场的定量可视化 376
5.3.4 采动条件下深部岩体裂纹动态扩展尖端应力场可视化 383
5.3.5 深部煤层采动应力场演化及灾变特征的透明演化研究 386
5.4 岩体介质与岩体结构的裂隙场-渗流场的可视化分析 389
5.4.1 深部岩体孔隙结构多相流的可视化方法 389
5.4.2 岩石复杂孔隙结构内的自渗吸行为研究 390
5.4.3 深部岩石孔隙结构分叉状基本单元内自渗吸行为研究 392
5.4.4 深部岩石非均质孔隙结构中非混相的驱替过程可视化表征：多组分格子玻尔兹曼并行模拟研究和基于3D打印技术的实验验证 396
5.4.5 煤岩粗糙裂隙场渗透率的分形评估方法 396
5.4.6 采动条件下加载方式和加载阶段对煤岩裂隙场演化及瓦斯渗流特征的影响 400
5.4.7 深部岩石粗糙裂隙场流体的非达西流动行为 403
5.4.8 深部岩石单裂隙分形表面结构与界面动态流速关系模型 405
5.5 深部煤岩体损伤破坏与能量演化规律 409
5.5.1 复杂应力状态岩石损伤破坏与能量破坏准则 409
5.5.2 深部煤岩大变形本构方程及能量演化规律 413
5.5.3 高温环境下岩石能量演化规律与破碎特征 417
5.5.4 液氮低温作用下煤岩能量演化规律与破坏特征 420
参考文献 425
第6章 深部高应力诱导与能量调控理论 429
6.1 深部硬岩卸荷与动力扰动下力学与能耗特性 429
6.1.1 不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征 429
6.1.2 基于不同三轴加卸荷路径下硬岩的能量演化特征研究 431
6.1.3 深部硬岩真三轴卸荷破坏试验、理论及数值模拟研究 434
6.1.4 应力调整扰动下高应力硬岩巷道非常规破坏的室内试验模拟 441
6.2 深部近采场区域微震监测与预警系统 445
6.2.1 微震监测系统平台构建 446
6.2.2 微震震源定位新方法的研究 451
6.2.3 硬岩矿山微震震源波速场成像 457
6.2.4 微震作用下硬岩矿山灾害预警与防控 460
6.3 深部硬岩高应力与爆破耦合精细破岩理论 463
6.3.1 高应力下硬岩电爆破超动态过程综合实验平台的研制 463
6.3.2 高静应力与爆破动应力耦合破岩机理室内试验研究 466
6.3.3 深部矿岩高应变能可利用性以及爆破效果评价方法 471
6.4 深部硬岩非爆连续开采理论与技术 479
6.4.1 基于裂纹扩展模型的深部硐室围岩致裂规律研究 479
6.4.2 深部硬岩矿床连续开采深度判别 487
6.4.3 诱导致裂非爆连续开采的机具破岩特性实验研究 498
6.4.4 高应力硬岩非爆连续开采现场试验研究 513
参考文献 521
第7章 深部采动岩体变形监测预警与控制 524
7.1 背景 524
7.2 深部岩体变形的监测技术与演化特征 525
7.2.1 深部岩体变形的立体监测方法 525
7.2.2 金川二矿深部巷道变形时空演化 530
7.2.3 深部巷道内部变形与开裂演化 536
7.3 深部硬岩破裂机制与分析理论 541
7.3.1 深部硬岩破裂机制真三轴试验分析 541
7.3.2 破裂岩体的变形张量理论 545
7.3.3 高应力下硬岩破裂的裂纹尖端理论模型 550
7.3.4 硬岩连续-非连续变形分析物质点法 558
7.4 深部工程大变形的安全预警与优化控制技术 563
7.4.1 深部巷道大变形分级预警方法 563
7.4.2 金川二矿深部巷道大变形预警管理标准及其实例分析 565
7.4.3 金川镍矿深部巷道大变形支护控制实践 566
参考文献 568
第8章 深部煤矿安全绿色开采方法与技术研究 570
8.1 深部煤炭安全绿色开采及“高保低损模式”研究 570
8.1.1 深部开采界定 570
8.1.2 安全绿色开采定量评价 583
8.1.3 深部安全绿色开采“高保低损”模式探讨 590
8.2 深部采动煤岩体多尺度破坏机理及演化规律 595
8.2.1 深部采动煤岩体复杂裂隙网络表征与力学特性多尺度效应 595
8.2.2 开采扰动下煤岩破裂、失稳的能量机制与判别准则 601
8.2.3 煤岩失稳的率响应机制和触发条件 608
8.2.4 煤岩体失稳破坏多因素协同作用力学模型和损伤驱动机制 613
8.3 深部采动含瓦斯煤体力学-渗流响应规律与增渗关键技术 616
8.3.1 煤体孔隙结构特征参数 616
8.

第1章 深部岩体原位力学行为研究
　　岩石的原位力学行为与其所处的原位压力环境密切相关，目前国际上使用深钻获取的“普通岩心”与所处深部原位环境无关[1]，无法反映岩石所处环境的原位力学性质，致使现有的岩石力学理论准则及本构方程不得不假设岩石的弹性模量、泊松比等物理参数为常数。然而在实际岩石工程中，随着深度的增加，岩石的物理力学参数并非常数，而是随着深度的增加呈线性变化甚至非线性变化[2]。为了研究不同深度原位环境下岩石物理力学行为的差异性规律，构建深部原位应力状态和地应力环境下的岩体力学新理论，在目前尚未获得深部原位保真岩心的现状下[3，4]，率先开展了深部原位恢复实验，提出了考虑不同深度原位岩样、原位应力、应力恢复时间的试验新方法[2]，探索了原位环境恢复测试技术实验准则，突破深部原位岩石力学研究的实验技术瓶颈，为发展深部原位岩石力学提供新的实验方法。
　　1.1 深部原位应力恢复实验的理论和方法
　　1.1.1 深部原位应力恢复实验方法和恢复准则
　　深部岩心在钻取的过程中，岩心自身力学状态发生了变化，导致常规的三轴实验方法不能准确反映岩石原位的力学行为，导致深部岩体力学研究一直处于探索阶段[2，5]。为了研究原位环境下岩石的力学行为，本章提出了原位应力恢复实验方法：用原位水平应力和竖直应力对岩心施压，岩心在该应力环境作用下缓慢变形，在达到一定的应变率后，可以认为此刻岩心达到稳定不变的状态，即恢复了原位状态。分别用不同的加载时间进行实验，比较不同加载时间下的变形情况，试样在恢复过程中的变形会随着时间逐渐趋于稳定，此时变形曲线稳定时的时间就是*佳恢复时间，原位应力恢复实验方法设计思路如图1-1所示。
　　图1-1 深部岩石原位应力恢复实验方法设计思路
　　σ1、σ3分别为*大主应力和*小主应力；σH、σh分别为*大水平主应力和*小水平主应力
　　本章采用平顶山矿区深部砂岩(1050m)展开不同恢复时间(0h、24h、36h、48h、65h)的预研实验，探索岩石在恢复过程的变形规律以及确定*佳恢复时间。实验仪器采用四川大学MTS815岩石力学试验系统，试样尺寸采用直径50mm、高度100mm的圆柱体标准试件。在实验之前检查试样的加工精度，试样表面光滑，无明显节理和裂隙。试样命名方式(以试样深度1050m为例)：1050-48-1，表示深度1050m，恢复时间48h，试样编号为1。
　　本章对中国平煤神马集团(以下简称平煤)十二矿进行了初始地应力测量，结果为：*大水平主应力σH=42.07MPa；垂直主应力σv=25.63MPa；*小水平主应力σh=21.79MPa。具体的实验方案如图1-2所示，实验步骤分为三步：①加载前先加载2kN轴压稳定试样。②围压采用应力控制方式施加，其应力加载速率为3.0MPa/min，达到试验预定值σ3，轴压再以30kN/min加载速率加载至预定值σ1，保持该应力状态一段时间(24h、36h、48h、65h)，直至达到预定的恢复时间。稳压期间，采用应力控制模式，变形计敏感度设高，便于记录试件在稳压过程中的微小变形。③画出该深度下，应变与恢复时间的关系曲线，曲线应该是收敛的，根据曲线上收敛段某一应变率，确定出对应的恢复时间，这个恢复时间即为该深度下的*优恢复时间。
　　图1-2 原位应力恢复实验设计图
　　试样的轴向和环向变形随时间的变化规律(以试样1050-36-1为例)，如图1-3所示。试样在恢复过程中，轴向变形变化不大，环向变形有一定的减小，并在26h左右达到稳定。可见试样在恢复过程中整体上处于体积压缩减小状态，环向变形较为明显。
　　为深入分析不同恢复时间恢复阶段试样的变形曲线，把开始恢复起始的变形重新作为零点进行调零，不同恢复时间试样达到稳定的环向变形如图1-4所示。
　　从图1-4可知，试样的环向应变随着恢复时间*终趋于稳定，但不同试样达到稳定的时间不同，存在个体的差异性。所有试样能达到稳定的*小时间为44h。试样恢复至原位应力状态之后，环向变形的波动范围不超过0.03%。基于试样恢复至原位状态的环向变形规律，对于砂岩试样建议选取48h作为应力恢复达到稳定的时间。
　　图1-3 恢复过程试样变形随时间的变化(试样1050-36-1)
　　图1-4 不同恢复时间试样的环向应变随时间的变化
　　基于原位应力恢复试样的变形规律，提出了判定试样应力恢复至原位应力状态的判定准则：试样的环向变形趋于稳定，环向变形率趋近于零，并保持一定的时间。判定公式可表示为
　　(1-1)
　　式(1-1)需满足的条件是：
　　(1-2)
　　式(1-1)和式(1-2)中，为环向应变速率；为环向应变；tcr为应力恢复稳定时间，即环向应变曲线稳定拐点对应的临界时间；T为*大稳定时间，根据前期试验结果，T取64h。其中式(1-1)为试样变形判定准则，式(1-2)为试样恢复时间判定准则。
　　1.1.2 深部常规力学行为与原位恢复力学行为对比
　　基于上述深部原位应力恢复方法，对平煤矿区深部砂岩进行了常规三轴实验和原位应力恢复实验的对比，由测试数据获得常规三轴试样和原位应力恢复试样应力-应变曲线，并计算得出砂岩弹性模量、泊松比、峰值应力和峰值应力对应的变形等描述岩石力学性质的基本参数，进而探究了常规三轴砂岩和原位应力恢复砂岩特征力学参数和力学行为差异性规律。
　　常规三轴砂岩和原位应力恢复砂岩的典型应力-应变曲线如图1-5所示，不同恢复时间试样的破坏形态如图1-6所示。由图1-5应力-应变曲线可知，应力-应变峰前曲线呈明显的线弹性特征，接近破坏时仍具有较好线性变形特征。因此，平煤矿区不同赋存深度
　　图1-5 不同恢复时间试样的典型应力-应变曲线
　　图1-6 常规三轴和原位应力恢复试样的破坏形态
　　砂岩均表现出一定程度的弹脆性特征，塑性特征不明显。从峰值强度上看，原位应力恢复试样的峰值强度大于常规三轴试样的峰值强度，并且随着恢复时间的增大有增加趋势。由图1-6试样的破坏形态可知，不同恢复时间试样的破坏形态均为剪切破坏，表明原位应力恢复不改变试样*终的破坏方式。
　　弹性模量和泊松比均为反映岩石材料的变形特性的重要力学参数，因此有必要探究煤岩弹性模量和泊松比随赋存深度的变化规律。根据国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法第9部分：煤和岩石三轴强度及变形参数测定方法：GB/T 23561.9—2009》中推荐的方法进行弹性模量和泊松比的计算。
　　岩石的弹性模量、泊松比、峰值强度、峰值强度对应的变形情况随恢复时间的变化如图1-7所示。整体上看，原位应力恢复试样的弹性模量大于常规三轴试样的弹性模量，但原位应力恢复试样的弹性模量在恢复时间为24～48h时变化不大，表明原位应力恢复导致试样的脆弹性降低，更加接近深部岩石所处的状态；原位应力恢复试样的泊松比大于常规三轴试样的泊松比，并且随恢复时间的增加有增加趋势，表明原位应力恢复导致试样的塑性有一定的增强；原位应力恢复试样的抗压强度比常规三轴试样的抗压强度有所提高，原位应力恢复试样和常规三轴试样峰值对应的轴向变形、环向变形和体积变形
　　图1-7 常规三轴和原位应力恢复试样力学参数的差异性
　　都变化不大，基本都在0.2%左右。这种原位应力恢复与常规三轴试样力学性质的差异性与岩石本身所处的原位环境相关，传统的岩石力学认为，采用常规测试方法得到的岩石力学参数与真实材料参数存在一定的差异，并不能反映岩石所处的原位真实状态，导致在工程实践中对深部资源开采的真实力学环境认识不清。
　　1.2 不同赋存深度岩石力学行为特征与非常规本构行为
　　1.2.1 不同赋存深度岩石常规力学行为的差异性
　　在深部岩体原位力学及非常规本构行为研究中，随着深度的增加，岩石所处地应力水平和围岩属性均会发生改变，不同深度岩体表现出的基本力学特性与浅部的基本力学特性截然不同，且一些基本的力学参数值也发生了变化，如弹性模量、泊松比等，因此需开展不同开采深度岩石力学行为差异性研究，从力学机理层面真正揭示深部岩体和浅部岩体在力学行为特征上的本质差异，能够实现深部条件甚至极深条件岩体力学行为初步预判与描述，为实现深部原位力学行为研究奠定理论基础。
　　1.不同深度应力环境及单轴力学行为
　　本章基于松辽盆地大型科探钻井—松科2井(完井深度7018m)的宝贵岩心及松辽盆地大庆油田1000～3500m深度的岩心，开展不同深度岩石的取心工作。本次实验设计10个深度梯度的岩心。取心岩层的赋存深度分别为1000m、1300m、1600m、1850m、2600m、3500m、4800m、5100m、5600m、6400m。其中1000m深度岩心取自大庆油田头台厂区大424井，所属层位上白垩统嫩江组三段，层位代号K2n3，岩心颜色为浅灰色，距今80～83Ma；1300m深度岩心取自大庆油田头台厂区茂61-检89井，所属层位下白垩统泉头组四段，层位代号K1q4，岩心颜色为浅灰色，距今90～95Ma；1600m深度岩心取自大庆油田九厂区龙10-08井，所属层位上白垩统姚家组一段，层位代号K2y1，岩心颜色为浅灰色，距今84～85Ma；1850m深度岩心取自大庆油田头台厂区台602井，所属层位下白垩统泉头组四段，层位代号K1q4，岩心颜色为浅灰色，距今90～95Ma；2600m和3500m深度岩心取自大庆油田七厂区葡深1井，所属层位分别为下白垩统泉头组二段和一段，层位代号为K1q2和K1q1，岩心颜色为浅灰色，距今104～112Ma；4800m、5100m、5600m和6400m深度岩心取自松科2井东孔，所属层位为白垩系沙河子组，岩心颜色为灰黑色，距今138～145Ma；6400m岩心所属层位为基底地层，岩心颜色为灰黑色，距今242～245Ma[6，?7]。所取岩心全为垂直岩柱钻取，根据松辽盆地的沉积特征，所取岩心的加载方向与岩石层理方向平行。
　　通过整理文献[8]～[13]可得松辽盆地地应力随深度的变化趋势，如图1-8所示。