第五讲 深部开采岩体力学研究及其进展
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深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言 2.国内外研究现状 3.深部开采与浅部的区别 4.深部开采工程岩体力学特性 5.深部开采工程灾害表现形式 6.矿井深部开采六个转型 7.深部开采十大理论问题 8.结语
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
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% 煤炭资源埋深在1 000m以下的为2.95万亿吨 占煤炭资源总量的53% 煤矿开采深度以每年8～12 m的速度增加 东部矿井正以每10年100～250 m的速度发展
仅铜矿的缺口，“九五”期间就达到了8 000万吨/ 年
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3.71亿吨，其保证 度只有62%，铜需求量220万吨，保证度只有57%
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
涌水量预测及岩爆防治措施(改善围岩的物理力学性质、应力解 除、及时施作锚喷支护、合理的施工法等)、软岩防治措施(加 强 稳定掌子面、加强基脚及防止断面挤入、防止开裂的锚、喷、 支，分断面开挖等)等各方面进行了深入的研究，取得了很大的 成绩。
深部开采岩体力学研究及其进展
2
国内外研究现状
南非政府、大学与工业部门密切配合，从1998年7
延伸至6 000 m以下 印度的Kolar金矿区，己有三座金矿采深超2 400 m， 其中钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段，总深3 260 m
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
图2 国外矿山开采深度变化情况
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
随着开采深度的不断增加，呈现地质环境更加 复杂，地应力增大、涌水量加大、地温升高
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
国外矿产资源的开采已经进入深部开采阶段
国外开采超千米深的金属矿山有80多座 南非绝大多数金矿的开采深度大都在1 000 m以下 Anglogold有限公司的西部深井金矿，采矿深度达 3700m
West Driefovten金矿矿体赋存于地下600 m，并一直
深部开采岩体力学研究及其进展
2.1 深部岩石的变形性质(深部岩体的脆–延转化)
岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性 在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高 围压下转化为延性 自vonkarman（1911）首先用大理岩进行 不同围压条件下的力学实验以来，人们针 对围压队岩石力学性质的影响进行了大量 实验研究
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、低温升高等
对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁
深部开采岩体力学研究及其进展
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
工程有关的岩石问题
目前深部资源开采过程中所产生的岩石力学
深部开采岩体力学研究及其进展
2.1 深部岩石的变形性质(深部岩体的脆–延转化) 岩石脆–延转化临界条件的诸多成果还来自于地壳
岩石圈动力学中
压力和温度达到一定条件时，岩石即发生脆–延转
化，存在转化深度的概念
岩石性质与深度有关，当摩擦强度与蠕变强度相 等时岩石即进入延性变形状态 地球岩石圈各种强度的推测曲线，发现在脆性向 延性转换深度上存在着很高的应力释放
月开始启动了一个“Deep Mine”的研究计划，耗资 约合1.38亿美元，旨在解决深部的金矿安全、经 济开采所需解决的一些关键问题。 加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为 期10年的两个深井研究计划，在微震与岩爆的统计 预报方面的计算机模型研究，以及针对岩爆潜在区 支护体系和岩爆危险评估等进行了卓有成效的探讨 美国Idaho大学、密西根工业大学及西南研究院就此 展开了深井开采研究，并与美国国防部合作，就岩爆 引发的地震信号和天然地震或化爆与核爆信号的差异 与辨别进行了研究
深部开采岩体力学研究及其进展
2.1 深部岩石的变形性质(深部岩体的脆–延转化)
脆–延转化是岩石在高温和高压作用下表现出的一
种特殊的变形性质 如果说浅部低围压下岩石破坏仅伴有少量甚至完 全没有永久变形的话，则深部高围压下岩石的破 坏往往伴随着较大的塑性变形
目前的研究大多数集中在脆–延转化的判断标准上
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
己有一批矿山进入深部开采
沈阳采屯矿开采深度为1 197 m 开滦赵各庄矿开采深度为1 159 m 徐州张小楼矿开采深度为1 100 m 北票冠山矿开采深度为1 059 m 新汶孙村矿开采深度为1 055 m 北京门头沟开采深度为1 008 m
长广矿开采深度为1 000 m 预计在未来20年进入到1 000～1 500 m
俄罗斯的克里Baidu Nhomakorabea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910 m，开拓深度 到1 570 m，将来要达到2 000～2 500 m 加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦 超过1 000 m
1960年前，西德平均开采深度已经达650 m，1987年
已将近达900 m 原苏联在20世纪80年代末就有一半以上产量来自600 m以下深部
问题已成为国内外研究的焦点
深部开采岩体力学研究及其进展
2 国内外研究现状
1983年，原苏联的权威学者就提出对超过1 600 m深（ 煤）矿
井开采进行专题研究
当时的西德还建立了特大型模拟试验台，专门对1 600 m深矿
井的三维矿压问题进行了模拟试验研究
近二十年来，国内外学者在岩爆预测、软岩大变形机制、隧道
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
年度
1980 1995 2000 2010 2020
地 表
288
深 600 度 /m 1 000
428
500 700
延伸速度 10～25 m/a
1 500
1 200
图1 我国国有重点煤矿平均采深变化趋势
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
年需矿石的缺口越来越大
1.引言 2.国内外研究现状 3.深部开采与浅部的区别 4.深部开采工程岩体力学特性 5.深部开采工程灾害表现形式 6.矿井深部开采六个转型 7.深部开采十大理论问题 8.结语
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
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% 煤炭资源埋深在1 000m以下的为2.95万亿吨 占煤炭资源总量的53% 煤矿开采深度以每年8～12 m的速度增加 东部矿井正以每10年100～250 m的速度发展
仅铜矿的缺口，“九五”期间就达到了8 000万吨/ 年
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3.71亿吨，其保证 度只有62%，铜需求量220万吨，保证度只有57%
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
涌水量预测及岩爆防治措施(改善围岩的物理力学性质、应力解 除、及时施作锚喷支护、合理的施工法等)、软岩防治措施(加 强 稳定掌子面、加强基脚及防止断面挤入、防止开裂的锚、喷、 支，分断面开挖等)等各方面进行了深入的研究，取得了很大的 成绩。
深部开采岩体力学研究及其进展
2
国内外研究现状
南非政府、大学与工业部门密切配合，从1998年7
延伸至6 000 m以下 印度的Kolar金矿区，己有三座金矿采深超2 400 m， 其中钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段，总深3 260 m
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
图2 国外矿山开采深度变化情况
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
随着开采深度的不断增加，呈现地质环境更加 复杂，地应力增大、涌水量加大、地温升高
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
国外矿产资源的开采已经进入深部开采阶段
国外开采超千米深的金属矿山有80多座 南非绝大多数金矿的开采深度大都在1 000 m以下 Anglogold有限公司的西部深井金矿，采矿深度达 3700m
West Driefovten金矿矿体赋存于地下600 m，并一直
深部开采岩体力学研究及其进展
2.1 深部岩石的变形性质(深部岩体的脆–延转化)
岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性 在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高 围压下转化为延性 自vonkarman（1911）首先用大理岩进行 不同围压条件下的力学实验以来，人们针 对围压队岩石力学性质的影响进行了大量 实验研究
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、低温升高等
对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁
深部开采岩体力学研究及其进展
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
工程有关的岩石问题
目前深部资源开采过程中所产生的岩石力学
深部开采岩体力学研究及其进展
2.1 深部岩石的变形性质(深部岩体的脆–延转化) 岩石脆–延转化临界条件的诸多成果还来自于地壳
岩石圈动力学中
压力和温度达到一定条件时，岩石即发生脆–延转
化，存在转化深度的概念
岩石性质与深度有关，当摩擦强度与蠕变强度相 等时岩石即进入延性变形状态 地球岩石圈各种强度的推测曲线，发现在脆性向 延性转换深度上存在着很高的应力释放
月开始启动了一个“Deep Mine”的研究计划，耗资 约合1.38亿美元，旨在解决深部的金矿安全、经 济开采所需解决的一些关键问题。 加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为 期10年的两个深井研究计划，在微震与岩爆的统计 预报方面的计算机模型研究，以及针对岩爆潜在区 支护体系和岩爆危险评估等进行了卓有成效的探讨 美国Idaho大学、密西根工业大学及西南研究院就此 展开了深井开采研究，并与美国国防部合作，就岩爆 引发的地震信号和天然地震或化爆与核爆信号的差异 与辨别进行了研究
深部开采岩体力学研究及其进展
2.1 深部岩石的变形性质(深部岩体的脆–延转化)
脆–延转化是岩石在高温和高压作用下表现出的一
种特殊的变形性质 如果说浅部低围压下岩石破坏仅伴有少量甚至完 全没有永久变形的话，则深部高围压下岩石的破 坏往往伴随着较大的塑性变形
目前的研究大多数集中在脆–延转化的判断标准上
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
己有一批矿山进入深部开采
沈阳采屯矿开采深度为1 197 m 开滦赵各庄矿开采深度为1 159 m 徐州张小楼矿开采深度为1 100 m 北票冠山矿开采深度为1 059 m 新汶孙村矿开采深度为1 055 m 北京门头沟开采深度为1 008 m
长广矿开采深度为1 000 m 预计在未来20年进入到1 000～1 500 m
俄罗斯的克里Baidu Nhomakorabea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910 m，开拓深度 到1 570 m，将来要达到2 000～2 500 m 加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦 超过1 000 m
1960年前，西德平均开采深度已经达650 m，1987年
已将近达900 m 原苏联在20世纪80年代末就有一半以上产量来自600 m以下深部
问题已成为国内外研究的焦点
深部开采岩体力学研究及其进展
2 国内外研究现状
1983年，原苏联的权威学者就提出对超过1 600 m深（ 煤）矿
井开采进行专题研究
当时的西德还建立了特大型模拟试验台，专门对1 600 m深矿
井的三维矿压问题进行了模拟试验研究
近二十年来，国内外学者在岩爆预测、软岩大变形机制、隧道
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
年度
1980 1995 2000 2010 2020
地 表
288
深 600 度 /m 1 000
428
500 700
延伸速度 10～25 m/a
1 500
1 200
图1 我国国有重点煤矿平均采深变化趋势
深部开采岩体力学研究及其进展
1.引言
年需矿石的缺口越来越大