a070301 深部开采岩体力学及工程灾害控制研究

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1、深部开采岩体力学及工程灾害控制研究何满潮1,2谢和平1彭苏萍1姜耀东1【1.中国矿业大学(北京)，北京100083；2.中国地质大学(北京)，北京100083】摘要深部开采工程中产生的岩石力学问题是目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点，国内外学者通过理论研究、室内及现场实验研究取得了大量的成果。本文结合笔者的研究工作，总结分析了深部开采与浅部开采岩体工程力学特性的主要区别，主要表现在“三高一扰动”的恶劣环境、五个力学特性转化特点、四个方面的矿井转型、六大灾害表现形式。针对深部工程所处的特殊地质力学环境，通过对深部工程岩体非线性力学特点的深入研究，指出进入深部的工程岩体所属的力学系统不

2、再是浅部工程围岩所属的线性力学系统，而是非线性力学系统，传统理论、方法与技术已经部分或相当大部分失效，深入进行深部工程岩体的基础理论研究已势在必行。关键词岩石力学深部开采三高一扰动工程特性灾害控制------------------------------------------1引言地下能源与矿产资源的有效、稳定开发和利用是保持国民经济持续发展和国家经济安全战略实施的重要保障。随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态。在煤炭资源开采方面，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

3、%。而我国埋深在1000m以下的煤炭资源为2.95万亿t，占煤炭资源总量的53%[1]。根据目前资源开采状况，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[2-3]。近年来己有一批矿山进入深部开采阶段。其中，在煤炭开采方面，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。可以预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000～1500m的深度。我国国有重点煤矿平均采深变化

4、趋势如图1所示。图1我国国有重点煤矿平均采深变化趋势在其他矿产资源开采方面，随着需求量的不断增长，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t/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t，其保证度只有62%，铜的需求量220万t，保证度只有57%[4]。目前，大批金属与有色金属矿山已转入深部开采，红透山铜矿目前开采己进入900～1100m深度，冬瓜山铜矿现已建成2条超1000m竖井来进行深部开采，弓长岭铁矿设计开拓水平750m，距地表达1000m，夹皮沟金矿二

5、道沟坑口矿体延深至1050m，湘西金矿开拓38个中段，垂深超过850m。此外，还有寿王坟铜矿、凡口铅钵矿、金川镍矿、乳山金矿等许多矿山都将进行深部开采。预计将有2/5的地下矿山在3～5年后转入深部开采，在今后10～20年内，我国金属和有色金属矿山将进入1000～2000m深度开采。而国外地下矿产资源的开采已经进入深部开采阶段。据不完全统计[5－9]，国外开采深度超千米的金属矿山有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，采矿深度达3700m，WestDriefovten金矿矿体赋存于地下600m，并一直延

6、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。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。另外，加拿大、美国、澳大利亚一些有色金属矿山采深亦超过1000m。国外一些主要产煤国家从20世纪60年代就开始进入深井开采。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。国外深部工程开采现状如图2所示。图2国外深部工程开采现状随

7、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[1,2,4,10～17]。早在20世纪80年代初，