深部巖體力學與開採理論

本書是“十三五”國家重點研發計劃項目“深部巖體力學與開採理論”研究成果的總結。主要內容涉及深部巖體原位力學行為與地應力環境、深部巖體應力場與能量場、深部強擾動和強時效下的多相併存多場耦合，以及深部資源低生態損害協同高效開採理論與技術，系統研究了深部與淺部岩石力學行為本質差異，提出了應力場和能量場定量的可視化分析方法，建立了深部巖體能量調控理論與動力災害預警體系，以及深部資源開採的多相多場耦合理論，構建了深部原位應力狀態和地應力環境下的岩石力學新原理、新理論、新技術 ^[1] 

序

第1章 深部巖體原位力學行為研究 1

1.1 深部原位應力恢復實驗的理論和方法 1

1.1.1 深部原位應力恢復實驗方法和恢復準則 1

1.1.2 深部常規力學行為與原位恢復力學行為對比 4

1.2 不同賦存深度岩石力學行為特徵與非常規本構行為 6

1.2.1 不同賦存深度岩石常規力學行為的差異性 6

1.2.2 不同賦存深度岩石原位應力恢復力學行為的差異性 22

1.2.3 不同賦存深度常規力學行為與原位恢復力學行為對比 26

1.2.4 深部岩石的非常規本構力學行為及模型 28

1.3 不同賦存深度煤巖採動力學行為研究 34

1.3.1 不同賦存深度煤巖採動應力環境演化規律 35

1.3.2 不同賦存深度煤巖採動應力環境試驗模擬方法 39

1.3.3 不同賦存深度煤巖採動力學行為 40

1.3.4 不同賦存深度煤巖採動裂隙網絡空間分佈特徵 47

1.3.5 不同賦存深度考慮採動與未考慮採動的結果對比分析 53

參考文獻 55

第2章 深部圍巖長期穩定性分析與控制 57

2.1 深部圍巖流變力學行為及分數階蠕變模型 57

2.1.1 錦屏深部大理岩基礎力學特性 57

2.1.2 不同圍壓下深部大理岩蠕變力學特性 72

2.1.3 錦屏大理岩分數階蠕變模型研究 76

2.2 不同深度賦存環境巖體動態力學特性 81

2.2.1 不同賦存深度錦屏大理岩應力波傳播規律研究 81

2.2.2 錦屏大理岩HJC動態損傷本構模型參數研究 85

2.2.3 不同深度賦存環境錦屏大理岩動態力學響應模擬 97

2.3 不同尺度震源信息解譯與圍巖破裂特徵 108

2.3.1 室內尺度岩石破壞聲發射的主頻統計方法 108

2.3.2 不同條件下岩石破裂主頻與機制 112

2.3.3 工程尺度震源信息解譯與圍巖破裂特徵 120

2.3.4 深部圍巖破裂機制研究 127

2.4 深部圍巖長期穩定性分析與安全評價 131

2.4.1 深部圍巖工程安全原位綜合監測與分析 131

2.4.2 深部圍巖爆破卸壓地應力快速釋放的強巖爆防治方法與效果評價研究 140

2.4.3 考慮不確定性的深部隧道穩定性評價與優化設計方法 151

參考文獻 158

第3章 深部地應力環境與災害動力學 162

3.1 考慮深部巖體非線性特徵的地應力測量方法 162

3.1.1 傳統地應力測量方法在深地工程應用中的不足 162

3.1.2 基於完全温度補償原理的本地數字化空心包體研發 163

3.1.3 考慮深部應力特徵的空心包體地應力測量試驗標定技術 167

3.1.4 考慮巖體非線彈性特徵的空心包體應變計地應力測量數據分析方法 168

3.2 深部礦區地應力場反演算法與重構模型 174

3.2.1 地應力場反演重構研究現狀 175

3.2.2 小樣本數據下的地應力場反演 175

3.2.3 考慮非線性特徵的巖體地應力場重構 180

3.3 深部高地應力場與能量場的轉化 184

3.3.1 深部巖體能量基礎理論 185

3.3.2 深部巖體儲能機制研究 186

3.3.3 高圍壓巖巖石破碎耗能機制研究 194

3.3.4 深部花崗岩摩擦耗能特性研究 196

3.4 深部開採動力災害防控體系 201

3.4.1 深部巖爆災害的研究現狀 201

3.4.2 深部地應力測量研究 202

3.4.3 深部巖體擾動力的長期監測 204

3.4.4 基於能量理論的巖爆傾向性預測 210

3.4.5 能量均勻化理念初探 212

參考文獻 213

第4章 深部煤巖體強擾動和強時效下多場多相滲流理論 216

4.1 深部開採強擾動、強時效的分析模型 216

4.1.1 深部開採中的強擾動特徵及含義 216

4.1.2 強擾動的判別準則 219

4.1.3 深部開採中的強時效含義 228

4.1.4 強時效的判別準則 229

4.2 深部多相多場條件下采動煤巖體損傷力學研究 234

4.2.1 深部採動力學條件下煤巖體的損傷變量定義 234

4.2.2 深部煤巖體單軸壓縮條件下的裂隙損傷演化特徵 235

4.2.3 三軸循環加卸載條件下的煤巖體損傷演化特徵 238

4.3 深部煤體的孔隙-裂隙網絡演化行為研究 244

4.3.1 深部煤巖體孔裂隙結構特徵 244

4.3.2 單軸壓縮條件下深部煤巖體孔裂隙網絡演化規律 255

4.3.3 不同測量精度下孔裂隙網絡演化規律研究 260

4.3.4 三軸壓縮條件下裂隙損傷演化規律的數值模擬 267

4.3.5 三軸循環加卸載滲流條件下的裂隙損傷特徵及演化規律 274

4.4 深部煤巖氣液兩相介質耦合滲流模型研究 282

4.4.1 多物理場耦合作用下各向同性深部煤巖體滲透率模型 282

4.4.2 多場耦合下考慮損傷的各向異性深部煤巖體滲透率模型 301

4.4.3 深部擾動煤體蠕變-滲透率模型 313

4.4.4 低滲煤巖分形孔隙結構的氣液兩相流理論 323

4.5 深部煤巖非達西滲流模型研究 331

4.5.1 多孔介質中的高速非達西滲流分數階導數模型 331

4.5.2 多孔介質中的低速非達西滲流分數階導數模型 336

參考文獻 343

第5章 深部採動應力場-能量場分析、模擬與可視化 350

5.1 巖體複雜結構的分形重構及可視化模型 351

5.1.1 深部巖體大尺寸三維孔隙結構的多線程並行分形重構算法 351

5.1.2 深部巖體複雜孔隙結構岩石三維重構優化算法 355

5.1.3 巖體複雜三維孔/裂隙網絡的分形表徵方法 355

5.1.4 深部岩石微觀孔/裂隙結構三維重構模型 359

5.1.5 採動應力下煤巖體裂隙網絡演化規律的CT實時掃描 361

5.2 應力透明化材料的物理力學性能研究 364

5.2.1 深部巖體應力可視化材料的物理力學性質 364

5.2.2 應力可視化材料的不完全凍結法和脆性研究 366

5.2.3 應力可視化材料的三維應力場提取方法 368

5.2.4 採動條件下複雜巖體全應力場及演化特徵的可視化定量表徵方法 369

5.3 巖體介質與巖體結構的應力場、能量場及災變特徵的可視化分析 375

5.3.1 真三軸三維應力場凍結實驗系統 375

5.3.2 含顆粒非均質巖體三維應力場的可視化分析 376

5.3.3 採動條件下深部岩石複雜孔隙結構三維應力場的定量可視化 376

5.3.4 採動條件下深部巖體裂紋動態擴展尖端應力場可視化 383

5.3.5 深部煤層採動應力場演化及災變特徵的透明演化研究 386

5.4 巖體介質與巖體結構的裂隙場-滲流場的可視化分析 389

5.4.1 深部巖體孔隙結構多相流的可視化方法 389

5.4.2 岩石複雜孔隙結構內的自滲吸行為研究 390

5.4.3 深部岩石孔隙結構分叉狀基本單元內自滲吸行為研究 392

5.4.4 深部岩石非均質孔隙結構中非混相的驅替過程可視化表徵：多組分格子玻爾茲曼並行模擬研究和基於3D打印技術的實驗驗證 396

5.4.5 煤巖粗糙裂隙場滲透率的分形評估方法 396

5.4.6 採動條件下加載方式和加載階段對煤巖裂隙場演化及瓦斯滲流特徵的影響 400

5.4.7 深部岩石粗糙裂隙場流體的非達西流動行為 403

5.4.8 深部岩石單裂隙分形表面結構與界面動態流速關係模型 405

5.5 深部煤巖體損傷破壞與能量演化規律 409

5.5.1 複雜應力狀態岩石損傷破壞與能量破壞準則 409

5.5.2 深部煤巖大變形本構方程及能量演化規律 413

5.5.3 高温環境下岩石能量演化規律與破碎特徵 417

5.5.4 液氮低温作用下煤巖能量演化規律與破壞特徵 420

參考文獻 425

第6章 深部高應力誘導與能量調控理論 429

6.1 深部硬巖卸荷與動力擾動下力學與能耗特性 429

6.1.1 不同應力路徑下花崗岩三軸加卸載力學響應及其破壞特徵 429

6.1.2 基於不同三軸加卸荷路徑下硬巖的能量演化特徵研究 431

6.1.3 深部硬巖真三軸卸荷破壞試驗、理論及數值模擬研究 434

6.1.4 應力調整擾動下高應力硬巖巷道非常規破壞的室內試驗模擬 441

6.2 深部近採場區域微震監測與預警系統 445

6.2.1 微震監測系統平台構建 446

6.2.2 微震震源定位新方法的研究 451

6.2.3 硬巖礦山微震震源波速場成像 457

6.2.4 微震作用下硬巖礦山災害預警與防控 460

6.3 深部硬巖高應力與爆破耦合精細破巖理論 463

6.3.1 高應力下硬巖電爆破超動態過程綜合實驗平台的研製 463

6.3.2 高靜應力與爆破動應力耦合破巖機理室內試驗研究 466

6.3.3 深部礦巖高應變能可利用性以及爆破效果評價方法 471

6.4 深部硬巖非爆連續開採理論與技術 479

6.4.1 基於裂紋擴展模型的深部硐室圍巖致裂規律研究 479

6.4.2 深部硬巖礦牀連續開採深度判別 487

6.4.3 誘導致裂非爆連續開採的機具破巖特性實驗研究 498

6.4.4 高應力硬巖非爆連續開採現場試驗研究 513

參考文獻 521

第7章 深部採動巖體變形監測預警與控制 524

7.1 背景 524

7.2 深部巖體變形的監測技術與演化特徵 525

7.2.1 深部巖體變形的立體監測方法 525

7.2.2 金川二礦深部巷道變形時空演化 530

7.2.3 深部巷道內部變形與開裂演化 536

7.3 深部硬巖破裂機制與分析理論 541

7.3.1 深部硬巖破裂機制真三軸試驗分析 541

7.3.2 破裂巖體的變形張量理論 545

7.3.3 高應力下硬巖破裂的裂紋尖端理論模型 550

7.3.4 硬巖連續-非連續變形分析物質點法 558

7.4 深部工程大變形的安全預警與優化控制技術 563

7.4.1 深部巷道大變形分級預警方法 563

7.4.2 金川二礦深部巷道大變形預警管理標準及其實例分析 565

7.4.3 金川鎳礦深部巷道大變形支護控制實踐 566

參考文獻 568

第8章 深部煤礦安全綠色開採方法與技術研究 570

8.1 深部煤炭安全綠色開採及“高保低損模式”研究 570

8.1.1 深部開採界定 570

8.1.2 安全綠色開採定量評價 583

8.1.3 深部安全綠色開採“高保低損”模式探討 590

8.2 深部採動煤巖體多尺度破壞機理及演化規律 595

8.2.1 深部採動煤巖體複雜裂隙網絡表徵與力學特性多尺度效應 595

8.2.2 開採擾動下煤巖破裂、失穩的能量機制與判別準則 601

8.2.3 煤巖失穩的率響應機制和觸發條件 608

8.2.4 煤巖體失穩破壞多因素協同作用力學模型和損傷驅動機制 613

8.3 深部採動含瓦斯煤體力學-滲流響應規律與增滲關鍵技術 616

8.3.1 煤體孔隙結構特徵參數 616

8.3.2 深部煤體結構的瓦斯響應規律與煤體弱化機制 617

8.3.3 深部含瓦斯煤體的基本力學特性和本構關係 624

8.3.4 深部採動含瓦斯煤變形破裂過程的瓦斯滲流規律 630

8.3.5 低透氣性煤層增滲關鍵技術方法應用 634

8.4 深部採動巷道圍巖破壞機理與控制關鍵技術 638

8.4.1 深部採動巷道圍巖破壞形態與擴展效應 638

8.4.2 深部採動巷道圍巖破壞主要控制因素及響應特徵 642

8.4.3 深部開採巷道圍巖損傷控制原理 648

8.4.4 深部開採巷道圍巖破壞安全控制關鍵技術 652

8.5 深部採場安全控制關鍵技術 658

8.5.1 深部開採採動應力演化規律 658

8.5.2 覆巖結構及力學協同作用機理 658

8.5.3 深部採場圍巖失穩機制 666

8.5.4 深部採場圍巖安全判斷準則與方法 668

8.5.5 深部採場圍巖安全預警與控制技術 670

8.6 深部煤炭“仿生開採”原理和技術體系 673

8.6.1 深部煤炭仿生開採原理與工藝 674

8.6.2 深部煤炭“仿生開採”工藝模擬研究 676

8.6.3 深部煤炭“仿生開採”情景模擬效果分析 686

參考文獻 696

第9章 深部金屬礦協同開採方法與技術 699

9.1 基於深部應力分佈的地下礦山生產動態優化 700

9.1.1 深部整體規劃要素與採礦佈局 700

9.1.2 基於採動應力的礦山整體規劃方法 702

9.1.3 動態開採過程中的深部採場環境評價及採場優化 712

9.2 深部金屬礦開採的卸荷原理與方法 713

9.2.1 深部區域應力環境評價方法 713

9.2.2 深部原位巖體預處理後力學行為 715

9.2.3 深部卸荷方式與力學效應評價 717

9.2.4 深部卸荷監測技術與後評價方法 725

9.3 三維成拱的充填體應力傳遞及對充填體強度的影響研究 729

9.3.1 採場充填體應力分佈規律及其影響因素研究 729

9.3.2 基於物理和數值模型的充填體揭露穩定性 740

9.3.3 採場充填體的三維拱應力解析模型與方法 748

9.3.4 採場充填體強度需求三維解析方法 754

9.4 深部金屬礦開採的協同原理與優化方法 768

9.4.1 深部金屬礦山賦存環境與地下開採系統互饋影響機制 768

9.4.2 深部金屬礦協同開採理論 773

參考文獻 777

索引 780

^[1]