深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)

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(jié)構(gòu)中占700％，左右，是我國的主體能源。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭需求不斷增加，煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)中的主體地位在今后幾十年內(nèi)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(jìn)入千米以下開采深度。開采深度增加，地質(zhì)環(huán)境趨于復(fù)雜，高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯、高水壓等引起的突發(fā)性工程災(zāi)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(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，在有關(guān)院士、專家的倡導(dǎo)下，國家自然科學(xué)基金委員會組織召開了多次研討會，經(jīng)反復(fù)調(diào)研和論證，于2004年3月24日正式設(shè)立了重大項目“深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用”（No.50490270），針對深部開采等引起的巖石力學(xué)問題，展開基礎(chǔ)性、前瞻性和戰(zhàn)略性研究。本著有限支持、重點(diǎn)突破的原則，將“深部巖體高應(yīng)力場和地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)探測的理論基礎(chǔ)與方法”、“深部巖體力學(xué)特性及其工程響應(yīng)”、“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(zāi)機(jī)理與防治”、“深部采場瓦斯?jié)B流及相關(guān)的非線性動力學(xué)基礎(chǔ)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(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈的開采擾動）復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境下，從深部開采中的巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論、深部開采誘發(fā)的重大工程災(zāi)害的機(jī)理、預(yù)測和控制以及深部資源開采的方法與關(guān)鍵技術(shù)三個方面來探討深部開采中的科學(xué)問題，建立起深部巖體力學(xué)理論與技術(shù)框架，為我國深部資源安全開采提供科學(xué)基礎(chǔ)。該重大項目由中國礦業(yè)大學(xué)（北京）負(fù)責(zé)，聯(lián)合中國人民解放軍理工大學(xué)、北京科技大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、東北大學(xué)、四川大學(xué)和煤炭科學(xué)研究總院等單位的三十余位巖石力學(xué)領(lǐng)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(xué)基金委員會組織的結(jié)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(wù)，齊心協(xié)力、聚精會神，圍繞“深部構(gòu)造及地應(yīng)力場分布特征與變異規(guī)律”、“深部巖體力學(xué)特性與時效特征”、“深部開采圍巖變形破壞機(jī)制”、“深部多相多場耦合作用機(jī)制”、“深部采場瓦斯?jié)B流及相關(guān)的非線性動力學(xué)機(jī)制”等五大科學(xué)問題開展了系統(tǒng)、深入的研究工作，強(qiáng)調(diào)科學(xué)性創(chuàng)新和技術(shù)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(shù)上有突破、實驗裝備有特色、工程上有驗證的深部巖體力學(xué)理論和技術(shù)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(xué)問題，初步形成了以深部地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)探測理論與方法、深部巖體力學(xué)特性和工程響應(yīng)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(zāi)害發(fā)生機(jī)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(xué)理論框架。（2）系統(tǒng)研究了深部開采工程穩(wěn)定性及災(zāi)害防治技術(shù)，包括深部煤巖精細(xì)構(gòu)造探測技術(shù)、深部地應(yīng)力測試技術(shù)、深部采場覆巖隔水關(guān)鍵層防水技術(shù)、深部開采圍巖控制技術(shù)、深部采空區(qū)探測與災(zāi)害防治技術(shù)、深部煤和瓦斯突出預(yù)測技術(shù)等。

內(nèi)容概要

國家自然科學(xué)基金委員會于2004年3月設(shè)立了“深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用”重大項目，圍繞“深部構(gòu)造及地應(yīng)力場分布特征與變異規(guī)律”、“深部巖體力學(xué)特性與時效特征”、“深部開采圍巖變形破壞機(jī)制”、“深部多相多場耦合作用機(jī)制”、“深部采場瓦斯?jié)B流及相關(guān)的非線性動力學(xué)機(jī)制”等前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題開展了系統(tǒng)、深入的研究。在理論上、技術(shù)上、實驗裝備及工程應(yīng)用等方面均取得了突破性進(jìn)展。本書系統(tǒng)介紹了該重大項目所建立的深部巖體力學(xué)理論和技術(shù)初步框架，總結(jié)了深部開采工程穩(wěn)定性及災(zāi)害防治技術(shù)，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(qiáng)有力的技術(shù)保障，同時也為我國深部巖體力學(xué)理論的發(fā)展奠定了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。    本書內(nèi)容豐富，涉及多個工程領(lǐng)域，可供地質(zhì)工程、采礦工程、交通工程、結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、地下工程等相關(guān)專業(yè)的科研人員、工程技術(shù)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(xué)研究現(xiàn)狀  1.3  深部巖體力學(xué)研究的內(nèi)容  1.4  擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題  參考文獻(xiàn)第2章  深部巖體力學(xué)的概念體系  2.1  深部的科學(xué)現(xiàn)象  2.2  深部工程災(zāi)害的成因  2.3  深部的分區(qū)及其特征  2.4  深部的科學(xué)定義  2.5  深部工程提出的挑戰(zhàn)  參考文獻(xiàn)第3章  深部巖體地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)探測  3.1  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  3.2  P-SV轉(zhuǎn)換波轉(zhuǎn)換點(diǎn)的精確解  3.3  三參數(shù)AVO反演技術(shù)和瓦斯突出危險區(qū)域預(yù)測  3.4  預(yù)測構(gòu)造煤分布的地球物理反演方法  參考文獻(xiàn)第4章  深部巖體應(yīng)力場測試  4.1  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  4.2  深部地應(yīng)力場點(diǎn)-面分析測試方法  4.3  深部地應(yīng)力水壓致裂測試  4.4  深部地應(yīng)力超聲測量法  4.5  深部開采引起的采動應(yīng)力變化與礦層災(zāi)變失穩(wěn)機(jī)制  參考文獻(xiàn)第5章  深部巖體力學(xué)特性及其工程響應(yīng)  5.1  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  5.2  深部開采巖體力學(xué)行為  5.3  深部開采工程巖體動力學(xué)特性及成災(zāi)機(jī)理  5.4  高應(yīng)力條件下礦巖動力學(xué)特性  參考文獻(xiàn)第6章  深部采場覆巖移動規(guī)律及控制  6.1  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  6.2  采場覆巖關(guān)鍵層破斷與冒落規(guī)律  6.3  采動覆巖中關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)及其判別  6.4  深部采場突水機(jī)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(xiàn)第7章  深部靜壓巷道圍巖穩(wěn)定性及其控制  7.1  國內(nèi)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(shè)計方法  7.4  深部巷道工程穩(wěn)定控制方法  參考文獻(xiàn)第8章  深部動壓巷道圍巖穩(wěn)定性及其控制  8.1  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  8.2  深部巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)及其工程穩(wěn)定特點(diǎn)  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(shù)  參考文獻(xiàn)第9章  深部多相多場耦合作用及其災(zāi)害發(fā)生機(jī)理  9.1  國內(nèi)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(jī)理與礦巖誘導(dǎo)致裂  9.4  深部采空區(qū)誘發(fā)災(zāi)害機(jī)理與控制  參考文獻(xiàn)第10章  深部采場多相介質(zhì)多場耦合作用瓦斯?jié)B流規(guī)律  10.1  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  10.2  煤層氣和煤的NMRI機(jī)理研究  10.3  高孔隙壓低滲透煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律  10.4  煤和瓦斯突出發(fā)生機(jī)理及預(yù)測  參考文獻(xiàn)第11章  深部巖體分區(qū)破裂化及非線性動力學(xué)特性  11.1  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  11.2  巖體塊系結(jié)構(gòu)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(yīng)產(chǎn)生的機(jī)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(xiàn)第12章  深部巖石力學(xué)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(xué)分析設(shè)計系統(tǒng)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：（2）原巖應(yīng)力、采動高應(yīng)力場的理論基礎(chǔ)與方法。在有限工程勘探、地質(zhì)調(diào)查資料條件下，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué).力學(xué)方法，合理推演深部地下節(jié)理裂隙和地應(yīng)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(yīng)力場的測量技術(shù)與方法。1.3.2 深部巖體力學(xué)特性和工程響應(yīng)本部分研究內(nèi)容由中國礦業(yè)大學(xué)（北京）姜耀東教授帶領(lǐng)的課題組完成。主要包括：（1）深部開采巖體的基本力學(xué)行為。研究深部巖體在“三高”環(huán)境和強(qiáng)烈開采擾動作用下的變形性質(zhì)、本構(gòu)模型、強(qiáng)度特征、破壞準(zhǔn)則和時間效應(yīng)，重點(diǎn)研究深部開采巖體峰后和破壞后力學(xué)行為。（2）深部開采工程巖體動力學(xué)特性及成災(zāi)機(jī)理。以深部開采巖體力學(xué)行為為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究掘進(jìn)、回采等工程活動誘致巖爆、突水、煤與瓦斯突出等工程災(zāi)害的演化過程和成災(zāi)機(jī)理，為深部工程災(zāi)害預(yù)測預(yù)報與防治提供必要的理論基礎(chǔ)。這部分研究將以災(zāi)變理論、演化誘致突變理論等非線性科學(xué)為基礎(chǔ)，突出以能量理論為基礎(chǔ)的災(zāi)害發(fā)生判據(jù)與準(zhǔn)則。（3）深部開采巖體破碎機(jī)理。研究“三高”環(huán)境下礦巖誘導(dǎo)破碎機(jī)制、動態(tài)特征、能量耗散過程及其控制，重點(diǎn)研究高應(yīng)力條件下礦巖采動的應(yīng)力轉(zhuǎn)移與誘導(dǎo)破碎工程的耦合，為實施深部礦巖誘導(dǎo)破碎的深井采礦技術(shù)創(chuàng)新提供理論與科學(xué)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(nèi)容由中國礦業(yè)大學(xué)賀永年教授及中國礦業(yè)大學(xué)（北京）何滿潮教授帶領(lǐng)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(jī)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(guān)鍵層理論為基礎(chǔ)，建立描述深部采動覆巖變形-破斷-移動全過程的結(jié)構(gòu)運(yùn)動力學(xué)模型。運(yùn)用非線性動力學(xué)理論，分析深部采動覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動全過程對采場礦壓、巷道礦壓、巖層內(nèi)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(jié)構(gòu)運(yùn)動與采場、巷道圍巖動力災(zāi)害的關(guān)系，形成以關(guān)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(jié)構(gòu)運(yùn)動與巖層移動和地表環(huán)境損傷之間的動態(tài)關(guān)系，發(fā)展相關(guān)控制技術(shù)。（2）深部巷道圍巖峰后破裂演化及失穩(wěn)對策。以遠(yuǎn)離平衡態(tài)非線性理論為指導(dǎo)，以巖石破裂演化和強(qiáng)度衰減規(guī)律為基礎(chǔ)，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(yù)報量化手段。

編輯推薦

《深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)》：國家自然科學(xué)基金重大項目資助。

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