第35卷第3期 中国矿业大学学报 Vol.35No.32006年5月 Journal of China University of Mining &Technology May 2006收稿日期:20050912基金项目:国家自然科学基金重大项目(50490273)作者简介:贺永年(19432),男,浙江省杭州市人,教授,博士生导师,工学硕士,从事岩石力学与工程稳定方面的研究.E 2m ail :ynhe @ T el :0516283883491文章编号:100021964(2006)0320288208深部巷道稳定的若干岩石力学问题贺永年,韩立军,邵　鹏,蒋斌松(中国矿业大学建筑工程学院,江苏徐州221008)摘要:论述了深部岩石力学与工程问题研究的意义;评述了深部原岩应力分布对岩石性质与岩石工程的影响;指出了岩石强度失效与工程围岩破坏过程的实质;分析和评价了岩石破坏所形成的序列结构形式以及对其强度的影响.根据深部岩石工程施工以及变形破坏的特点,通过对工程开挖的卸压影响、岩石脆性与延性破坏的关系以及岩石变形、破坏的时间效应的分析,说明了深部岩石工程稳定有其不同的性质与特点.关键词:深部岩石力学;原岩应力;工程围岩破坏;脆性与延性;巷道稳定中图分类号:TD 325+.1 文献标识码:ASome Problems of Rock Mechanics forRoadways Stability in Dept hH E Y ong 2nian ,HAN Li 2jun ,SHAO Peng ,J IAN G Bin 2song(School of Architecture and Civil Engineering ,China University of Mining &Technology ,Xuzhou ,Jiangsu 221008,China )Abstract :The significance of t he research on rock mechanics and engineering was indicated in great underground dept h.The effect of dist ribution of t he initial st ress on rock quality and rock engineering was evaluated.The essential of t he failure for rock st rengt h and surround 2ing rocks of engineering is rep resented.The st ruct ural sequence formed f rom t he failure of rock and it s effect on t he rock st rengt h were analyzed.Based on t he sit uations of t he deep rock en 2gineering const ructio n and it s deformation and failure ,it is explained t hat t here are diverse property and peculiarity for t he stabilization of t he rock engineering in deep underground ,by analyzing t he unload effect during t he engineering co nstruction ,t he relationship between t he brittleness failure and ductile failure of rock ,and t he time effect s of t he deformation and failure of rock.K ey w ords :rock mechanics in dept h ;initial st ress ;surrounding rock failure of engineering ;brittleness and ductility ;roadways stability 人类的触角在伸向天体空间的同时,也在向地球的深处拓展.地球深处是人类认识自然和开发自然的另一个重要领域.当前的研究表明,探索地球深部的困难程度并不亚于其他领域,研究手段也已经涉及了现代科学的众多方面.工程范畴里的深部岩体是人类直接面对的对象,深部岩体力学问题的研究成果,不仅为解决相应的工程技术难题作出贡献,同时也将推动现代科学与技术的进步.因此,可以说这也是人类在新世纪面临的一个新的挑战和机遇.随着我国资源开发向深部的延伸,开展对深部岩体力学基础问题的研究[1]是非常有意义的.采矿是人类在地下深处最大规模的工程活动.随着资源开发强度的增加,矿山采掘正向千米以上及更深的地层发展.南非、印度最深的金矿已经深第3期 贺永年等:深部巷道稳定的若干岩石力学问题入地下4000m ,俄罗斯金属矿的开采深度已经向2000～2500m 发展.尽管煤矿的岩石和环境条件比较恶劣,但其开采深度也不逊色.根据上世纪90年代资料,俄罗斯最深的矿井已经达到1550m ,德国、英国、日本、波兰等国的煤矿深井都已达1100m 以上.我国煤矿在近20余年时间里,每年平均以8～12m 的速度在向深部延伸[2],面对我国东部1000～2000m 煤炭资源占2000m 以内预测储量的83%3,以及全国深部煤炭储量占多的形势,可以预计,今后10a 内千米深井将成为我国煤炭资源的主要来源.与此同时,伴随着我国西部开发的进程,水电、交通等工程也已经并将更多地遇到相关的深部岩石力学问题.早在20世纪70到80年代,深部岩石力学问题就已经成为国际采矿工程界关心的重要内容.1983年,原苏联学者就提出所谓临界开采深度的概念[3],原西德曾专门对1600m 深井的三维矿压问题进行模拟研究[4].1989年国际岩石力学(局)曾在法国专门召开“深部岩石力学”问题国际会议,并出版了相关的专著.我国学者在80年代末也开始注意深矿井的开拓问题,“九五”、“十五”规划期间曾作为专题提出.矿山深部工程的一个主要困难是围岩处在高应力、高渗透压、高温和长期变形不止的恶劣条件.对煤矿而言,同时伴随有高瓦斯含量和高瓦斯压力等问题.这些环境条件,不仅给矿山造成严重的技术困难和巨大经济投入,还是矿山重大灾害性事故的主要根源.据顿涅茨矿区资料介绍,为解决井深增加带来的影响,15a 内尽管支护强度增加一倍,费用增加1.4倍,但矿井巷道复修量仍超过40%以上[5].我国统计的深井巷道翻修率甚至高达200%[6],而一些巷道因难于维护被遗弃(如开滦赵各庄矿-980m 水平和新汶孙村矿-1100m 水平煤巷[7]).深部矿井岩石冲击性行为(岩爆、煤岩突出)的发生频率、强度和规模几乎和深度成正比增加,由此造成的灾害性事故越来越频繁,规模越来越大.国内最大的砂岩和油气突出(海石湾煤矿)中,突出砂岩上千吨,油气近百万立方米[8].国外有资料表明,深度800m 以上的巷道有60%存在底鼓倾向.国内有的深井20余年底鼓不止,总底鼓量累计达数十米[9].深部高应力巷道围岩的维护及其灾害防护已成为决定深部矿井经济效益和安全生产的关键问题,决定了资源开发的可行性及可持续发展.本文是作者在该领域的部分研究内容.1　深部原岩应力及岩石强度分布原岩应力的存在是引起地下岩石工程一系列特点的重要原因.当前对于原岩应力分布的认识,主要是根据Brow 和Hoek 对全球上百个测量数据的统计结果(图1)[10].图1　原岩应力分布Fig.1　Distributing of the initial stress由于水平原岩应力分布的复杂性,使它一直以来都是本领域讨论的热点,包括有弹性地核理论[11]、热应力理论[12213]等解释.根据Brow 和Hoek 以及后续对水平应力的研究与统计,深部的3个原岩应力分量趋于均匀.如南非深度超过1000m 后平均的水平应力与竖向应力之比的水平应力系数3　中国煤田地质总局.第三次全国煤田地质预测研究报告[R ].中国煤田地质总局(涿州),1998.982 中国矿业大学学报 第35卷基本上都小于1;俄罗斯学者在K ola 地区采用声波技术对地表下11500m 深部的测试结果表明,该处的水平应力系数为0.777且与深度无关[14].如果深部应力作均匀考虑,则开挖首先导致应力差增加.此时若原来的应力状态处于临界状态附近,则岩石可能出现的断裂将改变后续整个应力平衡过程.这和开挖使应力差减小(或局部减小)的情况不一样.如果通过对平均水平应力系数公式k =1500/z +0.5的讨论,用曲线上k =1和k =3.5两点的切线确定其拐点,得到此拐点的深度约为860m 的位置(图1中的G 点).研究深部岩石的力学性质与工程问题,必须考虑岩石长期受深部高压及深部地质环境的生成影响.高压力成岩作用的一个明显结果是导致岩石的致密性增加.图2是波兰采矿研究总院在上西里西亚煤田获得的岩石性质资料[15].说明岩石密度均值随深度增加而增加,其密度分布更趋于均匀的情况.同时,岩石的强度与密度有良好的相关性.该地区的砂岩强度具有以下规律R c =7+0.064ΔH ,(1)式中:R c 为岩石单轴抗压强度,M Pa ;△H 表示从石灰层顶板起的深度,m.图2岩石容重和强度与埋深的关系[15]Fig.2Relationship among the unit weight ,strength and the burying depth乌克兰顿涅茨矿区对岩石强度的统计(表1[16])表明,在600m 以上浅部,强度小于40M Pa 的岩石占39.6%,强度大于80M Pa 的岩石占6.6%;而到800～1000m ,强度小于40M Pa 的岩石占25.4%,强度大于80M Pa 的岩石比例增加到28.6%.岩石渗透性与其密度有相同关系.岩石的这些性质导致了岩石的脆性,这是岩石动力现象显现频率与其埋深成为线性关系的重要原因之一.表1岩石强度随深度分布资料[16]T able 1　The relationship betw een rock strength and burying depth深度/m不同岩石单轴压缩强度所占比例/%<20MPa 21～40MPa 41～60MPa 61～80MPa 81～100MPa >100MPa总计<6009.430.224.629.2 5.5 1.1100600～800 2.83 5.739.313.48.10.4100800～1000 1.823.624.521.524.5 4.11001000～1200 1.824.329.524.716.0 3.71001200～1400 3.38.331.030.025.0 2.4100>14001.65.629.041.021.01.8100092第3期 贺永年等:深部巷道稳定的若干岩石力学问题2　深部岩石的破坏2.1岩石强度峰值后的破坏岩石变形曲线的强度峰值后性态一直是岩石力学界讨论的热点.深部岩石工程的围岩平衡必然要受到强度峰值后性质的影响,它是形成深部岩石工程稳定问题许多特点的重要因素.应该说,目前对于岩石单轴压缩变形曲线的峰值后性质的认识并不完全一致.有实验分析证明,岩石峰后曲线主要是破裂面的滑动轨迹,软化的初始状态反映了连续体到结构(块裂)体的转变和受载截面尺寸的改变[17218].应该说,岩石的破坏就是指岩石的断裂.从更大的尺度考虑,岩石的破坏就是一个不断从完整的、到大的破裂块体、到较小块体的过程.图3是通过对井下工作面后180m 的巷道围岩裂隙(破裂面)实测结果[19],裂隙越来越多,分布越来越密,说明了岩石破坏的变化过程.图3沿巷道长度的围岩裂隙参数分布Fig.3The distribution of fissure parameters in surrounding rock along the length of the roadway岩石的块裂使岩石形成不同层次的构造分布.俄罗斯学者根据上世纪70年代末由M.A.萨道夫斯基提出的岩石块体等级呈序列分布的观点,通过实验和实测,证明各层次的岩石块度之间存在有比较稳定的统计关系[20]Δi =(2)i ・Δ0,(2)式中:i 是序列数,任意负整数;Δi 为i 层次岩石块度的特征尺寸;Δ0=2.5×106m ,该值和地核的直径相当.俄罗斯学者甚至认为,这一关系适用于相当宽的范围,例如,当i 为-109时,其Δ值为0.981A 。