香山科学会议：深部高应力下资源开采与地下工程

175：深部高应力下资源开采与地下工程

香山科学会议第175次学术讨论会综述

随着社会与经济发展需求的日益增长和矿山工程技术体系的进步和完善，资源开采不断地在向深部发展。我国抚顺胜利矿于1933年最早发现岩爆，到目前为止已有20多个矿井有过发生岩爆的记录。我国煤炭资源埋深在1000m以下的为2.95万亿吨，占煤炭资源总量的53%。我国目前东部矿井开采深度正以每10年100-250m的速度发展，预计在未来20年很多煤矿将进入到1000m到1500m的深度；一批金属矿山近年也已进入深部开采，例如红透山铜矿目前开采已进入900-1100m深度。

然而深部部开采条件下的地质作用特征和矿压显现规律与浅部开采相比会发生极大变化，该领域研究我国起步较晚，面临许多科学技术挑战。因此，对深部高应力条件下的资源开采与地下工程进行统一的、三维的、系统的多元研究，以揭示其中的一系列基本科学问题，构筑我国在深部高应力条件下资源开采的相关的基础理论和地下工程技术体系，显得尤为重要。

香山科学会议于2001年11月5日至7日在北京香山召开了以“深部高应力下的资源开采与地下工程”为主题的香山科学会议第175次学术讨论会。谢和平教授（中国矿业大学）、钱鸣高院士（中国矿业大学）、古德生院士（中南大学）被聘为本次会议执行主席。

本次会议旨在以“高应力下深部资源开采与地下工程”为目标，从三维、系统、多元的研究思路出发，深入探讨深部开采中岩石的力学特性与行为，深部岩层复杂构造和诱发工程灾害源点的精细探测理论与技术，深部矿山开采中的支护理论和灾害预防技术，高应力下岩层固、液、气相耦合作用及动力灾害发生机理、过程及防治措施等问题，以把握我国深部资源开采和地下工程的科学技术的发展趋势，抓住可能的发展机会。

会议执行主席谢和平教授在题为“深部高应力下的资源开采与地下工程―机遇与挑战”的主题综述报告中，以大量实例介绍了当前国内外深部资源开采与地下工程的现状和面临的科学问题。谢和平介绍了表现在深部开采时必然诱发出的一系列工程灾害。他指出深部岩石所处的环境可概括为“三高”，即高围压、高温度和高孔隙压力，并具有极强的时间效应，这样的环境下，岩石的力学性质与浅部岩石的力学性质有很大的不同，强调深部开采中主要在三个方面面临科学问题：

⑴岩石力学基础科学问题；⑵重大灾害机理、预测和控制的科学问题；⑶深部开采的理论与关键技术。

中科院地质与地球物理研究所王思敬院士作了“高地应力与深部矿山开采的工程地质力学问题探讨”的评述报告。他从地应力的时效性、地应力的深部变化和预测、深采工程灾害和安全对策探讨、重大地质工程安全的方法论等方面深

入讨论了工程地质力学发展中的最新进展和新的科学理念。他强调要关注并最终解决“地应力时间预测模式”和“地应力释放的时间预测模式”两大难题。

会议针对以下4个关键科学技术领域进行了学术交流：1) 深部岩层强度、结构及深部开发过程中上覆岩层运动破坏规律；2) 深部开采与工程中复杂构成及应力应变探测原理和方法；3) 采场和地下工程稳定性的动力学特征和动态信息设计理念；4)岩层固、液、气相耦合及动力灾害发生机理、过程和防治措施。

中国矿业大学钱鸣高院士、中国煤田地质总局研究院勾精为教授、中国地质大学（北京）何满潮教授、中南大学古德生院士分别作了题为“深部采动岩体中的关键层错动对冲击地压和突水等灾害的影响”、“深部复杂构造地震成像及应力探测原理”、“深部巷道围岩动力学特征及其动态设计原则”、“金属矿床深部开采中的科学问题”的评述报告。张玉卓、蔡美峰、张瑞新、冯夏庭、唐春安、李夕兵等教授分别作了题为“深部资源开发造成的上部岩层移动与破坏规律”、“原位地应力测量的原理和方法”、“深部资源开发的虚拟现实技术”、“地下工程中的几个关键岩石力学问题”、“深部开采中的岩爆问题”以及“深井坚硬矿岩开采中高应力的灾害控制与碎裂诱变”的专题发言。

在评述报告和专题发言的框架基础上，会议执行主席主持并组织与会专家学者对深部资源开采和地下工程的发展趋势以及面临的重大基础性、前瞻性和战略性科学问题进行了广泛的交流与探讨, 取得重要共识。

1) 深部开采是未来发展必然趋势，已是国际矿业的重要研究领域

据不完全统计，国外开采超千米深的金属矿山有80多座，其中最多为南非。南非绝大多数金矿的开采水平大都在1000 m 以下，其中，Anglogold有限公司的西部深水平金矿，采矿深度达3700 m 。印度的科拉尔金矿区，已有三座金矿采深超2400m。俄罗斯的克里沃罗格铁矿区等8座矿山采准深度达910m；开拓深度到1570m，将来要达到2000-2500m。另外，加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦超过1000 m。

80年代以来，深井开采的事故越来越严重。以南非为例，在南非深部金矿的开采中，由于地震等事件诱发的岩爆、岩石冒落，使南非的采矿工业成为最危险的工业之一。一些有深井开采矿山的国家，如美国、加拿大、澳大利亚、南非，波兰等，政府、工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结合深部开采相关技术开展基础问题的研究。南非政府、大学与工业部门密切配合，从1998年7月开始启动了一个“Deep Mine”的研究计划。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。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。西澳大利亚大学在深井开采方面也进行了大量工作。

2) 从国情及未来发展出发，我国必须审时度势，未雨绸缪

我国是发展中国家，正处于国民经济高速持续发展时期，依靠国外的能源保障和矿产资源的持续供应是不可想象的。因此，深部资源的开发和利用不仅是必然的世界性的发展趋势，而且将成为21世纪我国最经济、最有效的能源和矿产资源保障措施。要改变原有以向自然索取为惟一目标陈旧思维定势，建立索取资源、保护环境、防治灾害、以人为本的全新理念，创新性地加强并及早开展基础科学问题、技术方法应用的多方位研究。

3)几个关键词的初步界定，若干问题取得共识

关于深部的定义：有专家提出以岩爆发生频率明显增加来界定，也有专家认为应以围岩达到岩石的强度来界定。但深部开采中的煤矿与金属矿有明显的差异和不同，根据目前和未来的发展趋势并结合我国目前的客观实际，大多数专家认为中国的深部资源开采的深度可界定为：煤矿800-1500m，金矿与有色金属矿1000-2000m。

关于深部与浅部的区别：专家一致认为是“三高与时间效应”，即深部岩体处于地应力高、温度高、渗透压高以及较强的时间效应。由于“三高与时间效应”，使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应均发生根本性变化，也是导致深部开采中灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所在。

4) 重视基础理论深入研究涉及的具体科学问题，以下若干理念、观点和思路受到特别的关注：

⑴应重视深部采动覆岩变形-破断-运动-稳定全过程描述；

⑵采动覆岩中的关键层运动与采动应力场高度集中及灾害机理；

⑶深部开采覆岩运动规律、控制；

⑷深部岩层的强度及强度理论；

⑸深部岩层的构造及构造应力场。有学者认为，深部采矿可称为“地质工程”。地质工程的对象包含两个层面：地质体的结构和地质体中的应力场。

⑹强化深部资源开采与地下工程实施过程中“以人为本”的理念，加强环境保护意识。

与会专家学者一致认为，深部岩体处于多场、多相耦合作用之下，地下水、瓦斯、温度均会对岩体的基本性质和工作响应带来很大影响。深部开采本身的理论和技术绝不能局限于目前的理念和技术水平，应当有超前的思维，应发展新的

开采技术，引发开采技术的革命，由此对新技术的原理和理论进行广泛的探索。

5) 地下工程的勘查、开发和保护，是一个极具前瞻性和迫切应用需求的重大领域

冯夏庭、杨春和等介绍了国内目前军工、水利、能源、废料处理等地下岩土工程方面的社会需求以及研发状况。还有学者介绍了德国大型地学计划中“地下经济：地下空间的勘测、利用和保护”重大项目的研究内容，展示了一个极为活跃的科学技术前沿领域。

在以上讨论的基础上，与会专家提出了一系列科学问题，三位执行主席将这些问题最后概括为如下五个方面：

1、深部岩体高应力场和地质构造精细探测的理论基础与方法：

1)深部地质构造与岩体结构

2) 深部原岩应力与采动高应力场

2、深部的岩体力学特性和工程响应

1) 深部岩体力学特性与时效特征

2) 高应力下岩爆机理、预测及控制

3) 破断与裂隙岩体非线性、大变形力学行为

4) 高应力岩石破碎诱导机理

3、深部采动与开挖控制及环境效应

1) 深部采动矿压显现及上覆岩层移动规律与控制

2)深部开采对环境的影响与保护

3)高应力下巷道围岩失稳机理及控制

4、深部多相介质、多场耦合作用及其灾害发生机理与防治

1) 高温、高压下矿岩固-液-气相互耦合作用

2) 高应力与高渗透压下矿山突水机理与防治