深部巖體力學基礎

前言

我國是一個富煤、少氣、缺油的國家，長期以來，煤炭在我國一次性能源結構中占700％，左右，是我國的主體能源。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤炭需求不斷增加，煤炭作為我國能源結構中的主體地位在今后幾十年內不會改變。同時，我國對其他礦產(chǎn)資源的需求量也不斷增長，礦石需求缺口越來越大。隨著淺部資源的逐漸減少和枯竭，地下開采的深度越來越大，目前我國已有大批礦井進入千米以下開采深度。開采深度增加，地質環(huán)境趨于復雜，高地應力、高地溫、高瓦斯、高水壓等引起的突發(fā)性工程災害和重大惡性事故增加、作業(yè)環(huán)境惡化和生產(chǎn)成本急劇增加等一系列問題，對深部資源開采提出了嚴峻挑戰(zhàn)。為此，在有關院士、專家的倡導下，國家自然科學基金委員會組織召開了多次研討會，經(jīng)反復調研和論證，于2004年3月24日正式設立了重大項目“深部巖體力學基礎研究與應用”（No.50490270），針對深部開采等引起的巖石力學問題，展開基礎性、前瞻性和戰(zhàn)略性研究。本著有限支持、重點突破的原則，將“深部巖體高應力場和地質構造精細探測的理論基礎與方法”、“深部巖體力學特性及其工程響應”、“深部采動覆巖移動規(guī)律及巷道穩(wěn)定性控制研究”、“深部多相多場耦合作用及其成災機理與防治”、“深部采場瓦斯?jié)B流及相關的非線性動力學基礎研究”列為其中的五個重要研究課題，旨在針對深部“三高一擾動”（高地應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈的開采擾動）復雜地質力學環(huán)境下，從深部開采中的巖石力學基礎理論、深部開采誘發(fā)的重大工程災害的機理、預測和控制以及深部資源開采的方法與關鍵技術三個方面來探討深部開采中的科學問題，建立起深部巖體力學理論與技術框架，為我國深部資源安全開采提供科學基礎。該重大項目由中國礦業(yè)大學（北京）負責，聯(lián)合中國人民解放軍理工大學、北京科技大學、中國礦業(yè)大學、中南大學、遼寧工程技術大學、中國科學院地質與地球物理研究所、東北大學、四川大學和煤炭科學研究總院等單位的三十余位巖石力學領域的知名專家教授合作研究。項目于2004年6月6日正式啟動，經(jīng)過四年的努力，于2008年12月15日在北京通過了由國家自然科學基金委員會組織的結題驗收與評議。四年問，項目組全體研究骨干以國家自然基金重大項目的研究作為科研工作的主要任務，齊心協(xié)力、聚精會神，圍繞“深部構造及地應力場分布特征與變異規(guī)律”、“深部巖體力學特性與時效特征”、“深部開采圍巖變形破壞機制”、“深部多相多場耦合作用機制”、“深部采場瓦斯?jié)B流及相關的非線性動力學機制”等五大科學問題開展了系統(tǒng)、深入的研究工作，強調科學性創(chuàng)新和技術性創(chuàng)新，注重新理論、新原理、新發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)了理論上有創(chuàng)新、技術上有突破、實驗裝備有特色、工程上有驗證的深部巖體力學理論和技術初步框架。主要創(chuàng)新性成果包括：（1）系統(tǒng)研究了礦山開采的深部巖體力學問題，初步形成了以深部地質構造精細探測理論與方法、深部巖體力學特性和工程響應特征、深部采動覆巖移動規(guī)律及巷道穩(wěn)定性控制理論、深部多相多場耦合作用及其災害發(fā)生機理、深部工程圍巖分區(qū)破裂化理論為主體的深部巖體力學理論框架。（2）系統(tǒng)研究了深部開采工程穩(wěn)定性及災害防治技術，包括深部煤巖精細構造探測技術、深部地應力測試技術、深部采場覆巖隔水關鍵層防水技術、深部開采圍巖控制技術、深部采空區(qū)探測與災害防治技術、深部煤和瓦斯突出預測技術等。

內容概要

國家自然科學基金委員會于2004年3月設立了“深部巖體力學基礎研究與應用”重大項目，圍繞“深部構造及地應力場分布特征與變異規(guī)律”、“深部巖體力學特性與時效特征”、“深部開采圍巖變形破壞機制”、“深部多相多場耦合作用機制”、“深部采場瓦斯?jié)B流及相關的非線性動力學機制”等前沿基礎科學問題開展了系統(tǒng)、深入的研究。在理論上、技術上、實驗裝備及工程應用等方面均取得了突破性進展。本書系統(tǒng)介紹了該重大項目所建立的深部巖體力學理論和技術初步框架，總結了深部開采工程穩(wěn)定性及災害防治技術，以及研發(fā)的適用于深部礦山開采的原創(chuàng)性試驗平臺及軟件系統(tǒng)。其研究成果對于我國深部資源安全開采提供了強有力的技術保障，同時也為我國深部巖體力學理論的發(fā)展奠定了堅實的科學基礎。    本書內容豐富，涉及多個工程領域，可供地質工程、采礦工程、交通工程、結構工程、巖土工程、地下工程等相關專業(yè)的科研人員、工程技術人員和研究生借鑒參考。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  深部資源開發(fā)是人類的必然選擇  1.2  深部巖體力學研究現(xiàn)狀  1.3  深部巖體力學研究的內容  1.4  擬解決的關鍵科學問題  參考文獻第2章  深部巖體力學的概念體系  2.1  深部的科學現(xiàn)象  2.2  深部工程災害的成因  2.3  深部的分區(qū)及其特征  2.4  深部的科學定義  2.5  深部工程提出的挑戰(zhàn)  參考文獻第3章  深部巖體地質構造精細探測  3.1  國內外研究現(xiàn)狀  3.2  P-SV轉換波轉換點的精確解  3.3  三參數(shù)AVO反演技術和瓦斯突出危險區(qū)域預測  3.4  預測構造煤分布的地球物理反演方法  參考文獻第4章  深部巖體應力場測試  4.1  國內外研究現(xiàn)狀  4.2  深部地應力場點-面分析測試方法  4.3  深部地應力水壓致裂測試  4.4  深部地應力超聲測量法  4.5  深部開采引起的采動應力變化與礦層災變失穩(wěn)機制  參考文獻第5章  深部巖體力學特性及其工程響應  5.1  國內外研究現(xiàn)狀  5.2  深部開采巖體力學行為  5.3  深部開采工程巖體動力學特性及成災機理  5.4  高應力條件下礦巖動力學特性  參考文獻第6章  深部采場覆巖移動規(guī)律及控制  6.1  國內外研究現(xiàn)狀  6.2  采場覆巖關鍵層破斷與冒落規(guī)律  6.3  采動覆巖中關鍵層的復合效應及其判別  6.4  深部采場突水機理與防治  6.5  深部厚煤層綜放開采可放性及覆巖移動規(guī)律  參考文獻第7章  深部靜壓巷道圍巖穩(wěn)定性及其控制  7.1  國內外研究現(xiàn)狀  7.2  深部靜壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制原理  7.3  深部靜壓巷道工程設計方法  7.4  深部巷道工程穩(wěn)定控制方法  參考文獻第8章  深部動壓巷道圍巖穩(wěn)定性及其控制  8.1  國內外研究現(xiàn)狀  8.2  深部巷道圍巖力學性質及其工程穩(wěn)定特點  8.3  深部動壓巷道圍巖控制原理  8.4  深部動壓巷道工程穩(wěn)定控制方法  8.5  深井開采沖擊礦壓試驗研究及控制技術  參考文獻第9章  深部多相多場耦合作用及其災害發(fā)生機理  9.1  國內外研究現(xiàn)狀  9.2  多相多場耦合作用條件下深部巖石破裂特性  9.3  深部開采巖體巖爆機理與礦巖誘導致裂  9.4  深部采空區(qū)誘發(fā)災害機理與控制  參考文獻第10章  深部采場多相介質多場耦合作用瓦斯?jié)B流規(guī)律  10.1  國內外研究現(xiàn)狀  10.2  煤層氣和煤的NMRI機理研究  10.3  高孔隙壓低滲透煤層瓦斯運移規(guī)律  10.4  煤和瓦斯突出發(fā)生機理及預測  參考文獻第11章  深部巖體分區(qū)破裂化及非線性動力學特性  11.1  國內外研究現(xiàn)狀  11.2  巖體塊系結構的成因及其特性  11.3  深部巖體峰后行為及其承載能力  11.4  區(qū)域破裂化現(xiàn)象  11.5  超低摩擦效應產(chǎn)生的機理、條件和規(guī)律  11.6  一維礦柱剪切失穩(wěn)與斷層剪切穩(wěn)定性問題  11.7  爆炸沖擊波作用下的等效靜力模型  11.8  巖石局部剪切變形的彈塑性模型與數(shù)值分析方法  參考文獻第12章  深部巖石力學試驗系統(tǒng)與分析軟件  12.1  深部巖爆過程試驗系統(tǒng)  12.2  深部工程破壞過程模型試驗系統(tǒng)  12.3  深部巖石水理作用測試系統(tǒng)  12.4  新型真三軸巷道模型試驗臺  12.5  深部煤與瓦斯突出測試儀器  12.6  深部巖體區(qū)域化交替破裂現(xiàn)象模型試驗系統(tǒng)  12.7  深部軟巖工程大變形力學分析設計系統(tǒng)參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：（2）原巖應力、采動高應力場的理論基礎與方法。在有限工程勘探、地質調查資料條件下，利用現(xiàn)代數(shù)學.力學方法，合理推演深部地下節(jié)理裂隙和地應力三維分布規(guī)律。研究深部資源開發(fā)及地下工程原位和采動應力場的測量技術與方法。1.3.2 深部巖體力學特性和工程響應本部分研究內容由中國礦業(yè)大學（北京）姜耀東教授帶領的課題組完成。主要包括：（1）深部開采巖體的基本力學行為。研究深部巖體在“三高”環(huán)境和強烈開采擾動作用下的變形性質、本構模型、強度特征、破壞準則和時間效應，重點研究深部開采巖體峰后和破壞后力學行為。（2）深部開采工程巖體動力學特性及成災機理。以深部開采巖體力學行為為基礎，重點研究掘進、回采等工程活動誘致巖爆、突水、煤與瓦斯突出等工程災害的演化過程和成災機理，為深部工程災害預測預報與防治提供必要的理論基礎。這部分研究將以災變理論、演化誘致突變理論等非線性科學為基礎，突出以能量理論為基礎的災害發(fā)生判據(jù)與準則。（3）深部開采巖體破碎機理。研究“三高”環(huán)境下礦巖誘導破碎機制、動態(tài)特征、能量耗散過程及其控制，重點研究高應力條件下礦巖采動的應力轉移與誘導破碎工程的耦合，為實施深部礦巖誘導破碎的深井采礦技術創(chuàng)新提供理論與科學依據(jù)。1.3.3 深部采動覆巖移動規(guī)律及巷道穩(wěn)定性控制本部分研究內容由中國礦業(yè)大學賀永年教授及中國礦業(yè)大學（北京）何滿潮教授帶領的課題組完成。主要包括：（1）深部采場上覆巖層移動規(guī)律、環(huán)境損傷演化機理。深入研究深部礦層采出后，深部采動巖體變形、破斷、移動規(guī)律，以巖層控制的關鍵層理論為基礎，建立描述深部采動覆巖變形-破斷-移動全過程的結構運動力學模型。運用非線性動力學理論，分析深部采動覆巖結構運動全過程對采場礦壓、巷道礦壓、巖層內部裂隙分布、巖層移動與地表沉陷的動態(tài)影響，掌握采動覆巖結構運動與采場、巷道圍巖動力災害的關系，形成以關鍵層為核心的采動覆巖變形-破壞-移動全過程理論。分析深部采動覆巖結構運動與巖層移動和地表環(huán)境損傷之間的動態(tài)關系，發(fā)展相關控制技術。（2）深部巷道圍巖峰后破裂演化及失穩(wěn)對策。以遠離平衡態(tài)非線性理論為指導，以巖石破裂演化和強度衰減規(guī)律為基礎，以圍巖加卸、載真實受力狀態(tài)為背景，考慮巖石巷道和受采動影響巷道的歷史，研究兩種巷道失穩(wěn)與沖擊地壓三種圍巖行為規(guī)律與對策，建立電磁輻射預報量化手段。

編輯推薦

《深部巖體力學基礎》：國家自然科學基金重大項目資助。

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