12010-973 计划项目项目名称： 深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论首席科学家： 冯夏庭 中国科学院武汉岩土力学研究所起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部门： 中国科学院2一、研究内容1、拟解决的关键科学问题 根据国家重大需求、国际科学前沿和国内外研究现状，本项目紧密围绕深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论的基础研究，从多学科交叉的视角，凝练 出拟解决的四个关 键科学问题。科学问题一：深部岩体结构与地应力特征及其对灾害的控制作用深部岩体的物质性、结构性及赋存性是有别于其它材料的本质特征。深部岩体的“三性”及其相互关系是控制深部工程灾害的关键因素。就“物质性” 而言，本项目的研究对象是深部硬岩；就“结构性” 而言，深部工程岩体结构和地质缺陷具有高度的隐蔽性、不确定性和 时空变异性。因此，如何 识别深部岩体的地质特征成为需要研究的首要关键问题，比如，如何采用弹性波正反演理论、瞬 变电磁波反演理论以及这两种方法的综合方法，解译并识别岩体结构及相关构造，等等。为合理表征岩体结构特征，需要综合深部岩体探测结果与基于围岩表面岩体结构精确测量结果，建立考虑 体积密度、空 间 RQD 和几何分布特征的三维岩体结构参数化模型。同时，需要研究高应力强卸荷作用下岩体结构时空演化规律、岩体力学行为的结构控制、结 构与应力协调控制和结构控制转化为应力控制的机制、条件和模型。针对深部岩体的“ 赋存性”，需要研究岩体复杂的应力环境特征及高精度的测试方法；重点需要揭示具有强烈构造活动特征的工程区地应力场形成机制，建立考虑强烈构造活动和复杂地形地貌形成过程以及非线性边界条件的深部长大工程区三维地应力场反演理论；需要研究高应力强卸荷作用下深部工程围岩应力场演化过程的分析方法，建立典型深埋长大工程区的三维地应力场形成与开挖扰3动引起的演化模型。本科学问题的研究为深部重大工程灾害的孕育演化机制、时空预测与调控理论研究提供必要的地质模型、应力模型及其相关数据。科学问题二：深部强卸荷作用下裂隙岩体与围岩力学行为的演化规律考察岩体有三个基本视角：地质属性、力学行为和工程性质。深部工程的“ 岩体”在内涵上 应包括高应力 环境中裂隙岩体、 强卸荷作用的 围岩。对于深部岩体裂隙系统，需要研究其宏细观 几何形态、分布、结构特征，基于分形张量理论提出多组裂隙岩体的跨尺度结构分形张量表征方法；从细观到宏观研究高应力强卸荷条件下深部裂隙岩体的宏细观变形破坏机理、能量聚集传递释放规律和强度特性，建立高应力强卸荷条件下多组裂隙系统的演化与宏观力学特性关系的多尺度理论模型。针对高受压岩体在峰值应力后出现变形逆转的新现象，需要研究峰后岩体在高应力强卸荷作用下的变形破坏机制，建立相应的模型和强度准则。针对围岩分区破裂化机理，需要探讨 分区破裂化的围岩强度、围岩初始结构特征、高 应力加卸载水平、速率和复合波 动效应、 规律/时间效应及其分析模型，揭示高应力强卸荷作用下围岩的不同破坏机制（拉伸、剪胀、剪 缩 、大剪切滑移）与 围岩分区破裂化形成的关系，建立相应 分析模型以及考虑上述多因素和变形破坏机制的分区破裂化形成与演化过程数值分析方法。本科学问题的研究为深部重大灾害的孕育演化机制、时空预测与调控理论研究提供必要的基本理论模型。科学问题三：深部重大工程灾害时空孕育演化动力学过程与成灾机理4深部工程灾害是在高应力强卸荷和开挖扰动的耦合作用下逐步孕育发展形成的，具有复杂的演化动力学 过程特征。其中，高强 度岩爆是深部硬岩常见的灾害形式，需要研究动静组合加 载下岩石的力学特性和行为，揭示爆破扰动与高应力强卸荷耦合作用下硬质围岩的变形破坏过程、内在的能量集聚传递释放及其时性滞机制，建立岩爆应力、能量判据和危险等级判 别指标，以及岩爆灾害源向岩体碎裂动力源转移的途径。深部工程硬岩大变形及其导致的大体积塌方是另一个常见的灾害形式，需要研究深部高应力开挖强卸荷条件下硬岩大变形的孕育演化和致灾的机制、高应力- 岩体 结构控制型大变形破坏的时效特征，建立高应力强卸荷作用下深部硬质围岩非连续大变形分析理论和数值分析方法。本科学问题的研究为深部重大工程灾害的时空预测与良性动态控制提供必要的理论基础和科学依据。科学问题四：深部重大工程灾害孕育演化过程的时空预测与动态调控针对开挖动力扰动和高应力强卸荷诱发岩爆以及高应力强卸荷-结构控制型大变形孕育演化诱灾的机制，分别提出相应的时空预测方法；基于变形、应力、声发射和微震等多元信息，建立高应力开挖强卸荷下深部大型工程（深埋长大隧道、高边墙大跨度大型硐室群）围岩和支护结构的安全监测预警标准。根据开挖过程实际揭示的围岩地质条件和力学行为演化规律等，建立动态信息更新的深部工程灾害快速动态预测与动态调控理论，提出通过人工诱导实现岩爆储能向采矿破岩动能转化的岩爆灾害良性调控的采矿新理论；建立多方法、多手段综合集成的深部重大工程灾害的时空预测监测预警动态反馈分析调控措施优化的全过程的动态分析预测与调控理论。52、主要研究内容围绕拟解决的上述四个关键科学问题，重点开展以下 6 方面的研究：(1) 深部岩体结构与地应力特征及其对灾害控制作用研究1) 深部岩体结构的参数化模型及其力学效应；2) 高准确度的大埋深地应力测试与确定方法；3) 深部岩体力学行为的结构-应力协同控制与转化机制；4) 深部长大工程区地应力场分布特征与开挖强卸荷下的扰动规律。(2) 高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体的力学行为研究1) 深部多组裂隙岩体的跨尺度结构表征方法及演化规律；2) 高应力强卸荷深部多组裂隙岩体的宏细观变形破坏机理及力学特性；3) 深部裂隙岩体多尺度结构与宏观力学特性的关系及断续介质力学理论。(3) 深部围岩分区破裂机理及其时间效应研究1) 深部岩体爆破开挖地应力瞬态释放机制及计算方法；2) 深部工程围岩复杂应力状态下强度理论与峰后性状力学模型；3) 深部岩体的内禀特性对分区破裂化时间演化的影响规律； 4) 高地应力卸荷复合波动作用与分区破裂化形成的机理。(4) 深部硬岩爆破开挖诱发岩爆与碎裂诱变机理研究1) 高应力爆破开挖扰动下硬岩的破坏特征与机制；2) 不同爆破开挖条件下高应力围岩的能量释放与岩爆机理；3) 岩爆型碎裂与人工诱导碎裂的互换机制。(5) 深部岩体强卸荷大变形演化与致灾机理研究1) 深部岩体强卸荷作用下围岩变形机制；62) 深部岩体围岩大变形孕育与演化机制；3) 深部岩体围岩大变形致灾机理与模式；4) 基于多场耦合的围岩大变形分析方法。(6) 深部重大工程灾害的时空预测与动态调控理论研究1) 高应力下开挖强卸荷作用诱发岩爆的时滞性特征与预测预报方法；2) 深部高应力-结构控制大变形灾变过程的时空预测方法与安全监测预警标准；3) 深部重大工程灾害孕育演化过程的动态调控机制与方法；4) 深部重大工程灾害时空预测与动态调控的综合集成智能系统。7二、预期目标1、总体目标针对深部工程和深部金属矿山重大灾害（高强度岩爆、持续大变形与大体积塌方）的诱发条件、孕育演化机制、预测预警与动态调 控方法开展基础研究，揭示高应力强卸荷下深部围岩应力调整与性质转化和结构分区破裂演化的条件和机理，探明深部工程灾害孕育演化过程中的能量聚集、传递与释放的规律，建立深部重大工程灾害孕育演化过程的时空预测和动态调控理论体系，较好地解决我国深埋水利水电工程、金属 矿山深部开采、深埋交通隧道、深埋国防工程、暗物质探测等深部基础物理实验工程中灾害预测预报和防治的关键科学问题，形成深部重大工程灾害防治与矿产资源高效开采相结合的深部金属矿安全开采新模式和理论体系，为实现我国安全、经济与高效的深部 资源开采、能源开 发、交通、基础物理实验与国防建设等提供关键理论支持。2、五年预期目标本项目以我国深部工程建设的重大需求与解决深部重大工程灾害预测和防治的关键科学问题为导向，通 过五年研究，取得如下预期目标：构建适用于深部岩体结构的精细描述和表征方法，建立深部岩体结构与应力协同控制模型及其转化的应力判据。提出钻孔局部壁面应力全解除地应力测试新方法，建立我国典型深部重大工程区地应力场反演理论及其扰动规律分析方法。提出高应力强卸荷条件下多组裂隙系统的演化与宏观力学特性关系的多尺度理论模型，建立用于裂隙岩体力学行为演化分析的断续介质力学理论。提出高应力强卸荷作用下深部围岩分区破裂化形成与演化过程的机理、力学模型和数值分析方法。揭示高应力开挖强卸荷与开挖动力扰动耦合诱发岩爆及其时滞性的机理，8建立岩爆应力、能量判据、危险等级评价指标体系和分析理论。揭示深部 强卸荷条件下硬岩大变形的孕育演化和致灾过程的机制和特征，建立深部硬岩非连续大变形分析理论和数值模拟方法、深部岩体多场耦合模型及围岩稳定性分析新方法。提出基于开挖动力扰动和高应力卸荷诱发岩爆及其时滞性机制的时空预测方法以及高应力强卸荷结构控制型大变形孕育演化诱灾的非定常时效特征模型、时空 预测方法和安全监测预警标准。建立通 过人工 诱导实现岩爆储能向采矿破岩动能转化的岩爆灾害良性调控的采矿新理论，实现灾害能量的可控转化与良性利用。建立深部工程灾害的时空预测监测预警动态反馈分析调控措施优化的全过程动态调控理论及其综合集成智能系统。在国内外高水平学术期刊发表论文 180 篇（其中 150 篇 SCI、EI 收录论文），出版专著 8 部，申请国家发 明专利 27 项，国 际岩石力学学会建议方法 2 项。培养博士生 50 名、硕士生 80 名，凝聚和培育国内一批防治深部工程灾害的高水平研究队伍，培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流的深部工程安全性综合研究平台，推进深部工程安全建设与金属矿安全高效开采基础研究的原始创新和集成创新。9三、研究方案1、学术思想和总体研究思路本项目研究基于如下主要学术思想：1）深部岩体结构特征与复杂高应力环境对深部工程灾害起控制作用的思想。在认识深部工程区复杂岩体结构特征和复杂高应力环境的基础上，研究深部工程灾害孕育、演化与成灾过 程中的深部岩体结构、高应力及其复杂状态和路径的控制作用以及岩体结构控制转化为应力控制的条件和判据。2）深部工程灾害具有孕育、演化和成灾的灾变动力学过程的思想。研究这种灾变动力学过程的本质特征，揭示深部两种典型作用（高应力下开挖强卸荷作用、高应 力下开挖强卸荷与 动力扰动的耦合作用）下围岩结构演化的速度和规律以及最终导致不同类型灾害（高强度岩爆、持续大变形、大体积塌方）发生的机制和机理。3）基于动态信息更新的深部工程灾害的时空预测和动态调控的思想。根据动态揭示的地质信息和岩体力学行为，在充分理解灾变动力学过程机制、特征和规律的基础上建立重大工程灾害的时空预测和适时动态调控的新理论体系。4）深部工程是个复杂系统，工程灾害需要多学科交叉、多方法融合、多层次综合研究的思想。将深部工程灾害的基础条件（岩体结构、应力环境及其开挖过程中演化）、围岩力学行 为的演化、灾害的孕育演化和致灾或调控避灾，作 为一个系统，采用多学科、多方法的综合研究，定性定量相结合、确定性与不确定性相结合。为此，拟采取的总体研究思路：以凝练出的四个关键科学问题为核心，综合运用工程地质学、构造地质 学、地球物理勘探、岩石力学、采矿工程、人工智能、系统科学和安全工程等多学科及其交叉前沿理论，采用室内实验、现场实验和监10测、物理模拟、理论分析、数 值模拟等多种方法，开展系统的理论和方法研究，在深刻认识地质基础（深部岩体结构与应力协同控制和转化的机制）、高应力环境（强烈构造活动区地应力特征及工程扰动规律）、共性问题（高应力强卸荷下多组裂隙岩体和围岩的力学行为、分区破裂机理及其时间效应）、典型深部重大工程灾害（高强度岩爆、持续大变形和大体积塌）的孕育演化与致灾机理的基础上，建立较为完善的深部重大工程灾害孕育演化过程的时空预测和动态调控理论体系，并应用于典型深部工程，在实践中得到检验和完善。总体研究思路及其与研究内容之间的关