深部原位岩石力学研究进展

深部原位岩石力学理论研究是深部资源开发与深地科学发展的重要基础,传统岩石力学理论大多基于室内岩样的试验数据,难以考虑深部原位赋存环境与工程扰动的影响,使深部工程活动存在一定盲目性和低效性。从深部原位岩石力学的概念和工程角度出发,提出了深部原位保真取心原理与技术、工程尺度原位监测理论与方法以及实验室尺度原位模拟深部工程活动等三个主要研究方向。重点以千米深井煤矿原位岩石力学研究为例,分析了深部煤矿保压保瓦斯取心装备与技术的核心与关键,总结了工程尺度原位采动应力—裂隙时空演化规律,探索了实验室尺度真三轴原位开采扰动模拟下岩石力学行为与破断特征。

深部原位岩石力学构想与初步探索

深部资源开发的基础是研究深地科学规律,关键是探明不同赋存深度原位环境对岩石物理力学行为影响的差异性规律。适用于浅部资源开采的岩石力学实验与理论研究很难充分考虑不同深度原位赋存环境对岩石物理力学特征和工程的影响。提出"深部原位岩石力学"构想的定义和内涵,利用取自松科二井同一地质区域的10个不同深度(1 000~6 400 m)的岩芯研究了不同赋存深度下岩石力学行为的差异性变化特征,并提出了原位应力恢复重构方法近似模拟了不同深度原位应力对岩石力学参数的影响规律。不同深度岩石的单轴压缩实验表明岩石力学参数随深度呈现明显的非线性变化,不能假设为常数。考虑不同深度地应力影响的常规三轴实验表明赋存地应力使得不同深度岩石的力学参数差异性增大,且力学参数随深度的非线性变化规律与单轴压缩条件下显著不同。模拟不同深度原位应力影响的原位应力恢复重构实验结果显示在不同赋存深度原位应力影响下岩石力学参数均随深度增加呈现更加显著的非线性变化;模拟不同深度原位应力影响的应力恢复重构实验的岩石弹性模量和峰值强度均比考虑不同深度地应力影响的常规三轴实验结果大且与深度之间的关系为对数函数,峰后应变软化变形特征更加凸显;特别是深度超过4 800 m后,不同赋存深度原位应力影响下岩石泊松比、应变硬化模量、峰后跌落模量的差异性特征更加明显。该研究将为探索深地科学规律、提升深部资源获取能力提供支撑。

深部岩体力学与开采理论研究进展

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”和“强时效”的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家“十三五”重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:①初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;②系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚、能量耗散特性;④提出了“强扰动”和“强时效”特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了“高保低损”型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。

深部岩石原位“五保”取芯构想与研究进展

深部原位环境下岩体非线性行为更加凸显,现有岩石力学理论均是基于钻探获得的普通岩芯所测数据分析建立,忽略了不同深度原位环境(温度、渗透压力等)的影响,不再精准适用于深部资源开发。提出深部岩石原位保压、保温、保质、保光、保湿,即"五保"取芯构想,形成深部岩石原位"五保"取芯的原理、技术和实施方案。基于牟合方盖几何原理,采用数值仿真与物理测试,研发了深部岩石原位自触发保压控制技术,关键部件保压取芯能力达到100 MPa;创新主动保温与被动保温相结合的新型深部岩石原位保温取芯技术,室内初步实现了温度-8.8℃~100.0℃的高精度保持;提出了交联固化密封膜原理与方法,A,B两液反应形成具有阻隔性能的高分子薄膜,在实验室初步实现岩芯的保质、保湿、保光。研究结果能够为研究不同深度原位环境下岩石物理力学差异性特征新规律、构建深部原位岩石力学新理论体系、提升深部资源获取能力以及探索地球深部新奥秘提供支撑。