【基金标书】2010CB732000-深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论

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 8 月 依托部门： 中国科学院 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 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 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 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。 2、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 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 ； 2) 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 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 。 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 ，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 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 。 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系如图 2 所示。 图 2 总体研究思路与研究内容关系示意图 科学问题 课题与主要研究内容 深部岩体结构与 地 应力 特征及其对灾害的控制作用 高应力强卸荷 作用 下多组裂隙岩 体的 力学 行为 深部围岩 分区破裂 机理及其时间效应 深部硬岩 爆破 开挖诱发岩爆 和碎裂诱变 机理 深部岩体强卸荷大变形演化与致灾机理 深部重大工程灾害的时空预测 与动态调控理论 典型深部工程应用研究 深部岩体结构与 地 应力 特征及其对灾害的控制作用 深部强卸荷作用下裂隙岩体和围岩力学行为 与 演化 规律 深部重大工程灾害 时空 孕育演化 动力学 过程与成灾机理 深部重大工程灾害孕育 演化过程的时空预测与动态调控 突破点 ： 深部重大工程灾害的孕育演化和动态调控机制 研究方法 涉及学科 预期成果 工程地质 构造地质 岩石力学 地球物理勘探 采矿工程 人工智能 系统科学 安全工程 深部重大工程灾害 孕育演化的时空预测与动态调控理论体系 室内实验 现场实验与监测 理论分析 物理模拟 数值模拟 2、技术途径 基于上述学术思想和总体研究思路，各分项研究工作拟采取如下技术途径。 (1) 在深部岩体结构与 地 应力特征 及其对灾害的 控制作用研究方面 以地面调查、钻探、地质体超前探查为基础，利用 多手段的地球物理超前探测、 精测线测量、三维激光扫描技术，开展现场和物理模拟原型实验和正反演理论 研究 ， 建立 快速获取 岩体结构 空间精细数据 的方法 。 应用概率 统计 、 数值试验 、室内试验模拟 ， 研究深部岩体开挖状态下结构面性状的变化特征及其演化规律 。基于热力学、断裂力学、损伤力学理论，开展深部岩体结构与应力相互作用的关系研究，建立岩体力学行为结构控制和应力控制转化的应力判据 以及 深部岩体结构与应力协同控制深部岩体行为的准则 ； 结合数值仿真、模型试验揭示深部重大工程灾害的孕育和动态演化过程中岩体结构行为的变化，揭示岩体结构控制及应力控制相互转化的机制与深部重大工程灾害的孕育及动态演化的关系 。 以 西部地区 若干 深部长 大工程 （深部特长隧道（洞）、深部高边墙大跨度特大型洞室群和深部大型采场群）区 为 研究 背景， 研究复杂的地形地貌、深切河谷、断层褶皱等强烈构造活动的形成过程及其结果对应力场分布规律的影响规律。 研制 适合于深部条件下的 钻孔局部壁面应力全解除地应力 测试 系统 ， 综合考虑强 裂构造活动 下复杂地形地貌、多个褶皱断层区和深切河谷的形成过程 和非线性边界条件 ，提出 深部工程区域三维地应力场反演理论 。建立深部工程围岩应力场监测方法， 通过现场实验、室内实验、物理和数值模拟等手段， 深刻揭示 高应力 下 钻爆法和 挖强卸荷扰动条件下 不同结构围岩 应力场 的 调整、转移机制 。研究岩体结构演化过程中的应力调整和转移理论模型，提出高 应力开挖强卸荷下不同结构围岩的应力场演化（扰动、转移、传递和释放）过程分析方法。研究区域背景区域的地质等资料， 融合 已获得的 地应力实测数据和相关资料分析 该 工程区的三维 地应力 分布 特征及其与岩性、地形地貌、临近构造和区域地应力场等的关系， 采用所建立的反演理论，考虑强烈构造活动引起的复杂地形地貌、深切河谷和多个褶皱断层区的形成过程和结果以及非线性边界条件，建立深部长 大工程区三维 地应力场的 分布特征和模型，并通过系统分析 ， 揭示 我国强烈构造活动区地应力场特征和形成机制、工程区地应力场分布规律及其与区域应力场的关联特性 。实 时监测和分析高应力开挖强卸荷过程中不同结构围岩应力场演化（ 调整和转移 ）规律及其与开挖卸荷方法、岩体结构类型、原岩应力场之间的关系，揭示高应力开挖强 卸荷作用下工程区 不同结构 岩体 的 应力调整和转移 的 机制 、 地应力场扰动 的机理及其 分区分布特征及影响因素 ， 建立我国 典型深部长 大工程 （深埋特长隧道、特大型硐室群、深部采场群等） 区地应力场的形成和 高应力开挖强卸荷扰动 演化模型 。 (2) 在高应力强卸荷 作用 下多组裂隙岩体 与围岩 的力学行为研究方面 采用细观到宏观、二维到三维、理论 现场结合的 方法， 研究深部多组裂隙岩体 在 高地应 力和强卸荷条件的结构 与 力学特性 演化规律； 应用带加载装置的工业 层扫描系统和带 原位观测试验系统探测深部岩体裂隙或节理的宏细观几何形态、分布、结构面特征，运用分形几何、统计力学等数学力学方法建立裂隙岩体力学响应；研究高应力强卸荷条件下深部多组裂隙岩体内部裂隙系统的时空演化规律；利用新型硬岩高压伺服真三轴试验机和带 原位观测试验系统获得不同加卸载速率和路径下深部裂隙岩石的屈服、峰值应力曲面及全过程曲线，评价现行强度 准 则的适用性，提出适合 于 深部工程岩石的强度准则和破坏模式判据。基于试验研究深部岩 体裂隙系统的宏细观几何形态、分布、结构特征，提出多组裂隙岩体的跨尺度结构分形张量表征方法；基于深部多组裂隙岩体的宏细观破坏机制，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；研究跨尺度的非均质广义连续介质力学模型，应用非平衡态热力学理论，从裂隙系统的时空演化出发，提出多组裂隙岩体断续介质力学模型；基于能量耗散和能量释放理论建立高应力强卸荷条件下深部裂隙岩体的强度理论。 通过 室 内 模拟试验，分析在高地应力 开挖卸荷 下 分区破裂 化现象的几何特征与地应力水平、岩石的强度及性质、岩体的构造和 巷道自由面（卸荷面）形成快慢的关系。在此基础上，根据非标准弹塑性力学理论及物理学相变理论建立 分区破裂 化现象形成的基本分析模型；根据岩体峰值强度后的软化段和分叉的分析理论，建立考虑 分区破裂 化现象和破碎区残余强度 条件 的深部巷道围岩变形、破坏和稳定性的计算模型及数值求解方法；根据 分区破裂 化形成过程中应力状态、变形和位移的变化率，分析含能介质中（高地应力）的变形能转化（能量流）特点及规律，建立数学力学模型，确定产生 分区破裂 化现象的条件及其时间效应。 研究岩体中岩块系的振动频率特性及准共振现象；研究岩块系中的超低摩擦效 应及摆型波（慢速变位波）产生的机理、条件和规律；研究根据岩体中摆型波的特点从岩体中的实测振动波型分离摆型波的方法；研究按照摆型波的特征参数确定岩体中优势岩块的尺寸和结构面上的摩擦特性；研究并揭示在爆破和机械开挖的震动诱导下 岩爆 发生的动力机理，并提出根据摆型波参数监测和预报岩爆危险的方法。针对深埋隧洞的全断面钻爆开挖，确定与爆破开挖微差起爆顺序对应的岩体分步开挖荷载；研究爆炸荷载驱动的裂纹扩展及岩体开挖面（卸荷边界）发展规律，确定岩体开挖荷载瞬态卸荷问题的应力初始条件和荷载边界条件。分别采用特征线法和动力有限 元法模拟圆型与非圆形隧洞全断面钻孔开挖过程地应力瞬态卸荷诱发 围岩震动 的传播，提出基于时空叠加原理的多向瞬态卸荷条件下诱发围岩 震 动 的计算方法，建立瞬态卸荷诱发围岩震动的强度与弹性应变能释放率和传播距离间的定量关系。研究爆炸荷载与岩体初始应力场瞬态卸荷的耦合分析计算方法，探讨深部围岩 分区破裂 化的动力学机制；建立开挖瞬态卸荷条件下裂隙岩体动态松动或突发大变形的力学模型及计算方法。 (3) 在重大工程灾害孕育演化机理 研究方面 从应力调整 转移、能量聚集 传递 释放角度出发，研究处于高应力环境中的不同结构岩体因开挖强 卸荷导致应力转移和能量转化的过程中 ， 其围岩结构的演化（出现 分区破裂 化等现象）、灾害的孕育演化致灾的机制、特征和规律，提出灾害孕育演化理论模型和灾害发生的应力、能量判据。 针对高应力强卸荷和爆破开挖产生的动荷载耦合作用诱发的岩爆， 研制大尺寸试样岩石动静组合加载实验系统，开展大量动力扰动下高应力硬岩的破坏实验，研究不同外载大小、形式、方向对岩石破裂形式、块度的影响；进而获得动静组合加载下岩石的损伤演化规律、破坏模式、强度准则和本构模型。在分析实验结果的基础上，获得高应力硬岩的动态破裂特性与能耗规律，揭示外界扰动 对岩石内部储能释放的影响机制，发现动力扰动下高应力硬岩岩爆致因与灾害形成过程，获得岩爆型破裂与人工诱导碎裂的互换诱导方法。 针对高应力开挖强卸荷作用下硬岩产生持续大变形，并有可能导致大体积塌方的机理研究，研制大型地质力学模型试验系统，模拟高应力赋存环境，同时模拟深部岩体开挖过程，通过光纤实时监测系统研究围岩应力场变化特征、变形特征，并在围岩的不同位置进行取芯，试验确定围岩力学性状及围岩力学参数场的变化规律，建立围岩大变形与应力场特征、开挖卸荷特征以及围岩力学性状劣化的关系模型。基于岩体多场耦合理论，研究多因 素相互作用的围岩大变形孕育演化机制，实现高应力环境强卸荷作用下围岩非连续大变形的数值模拟。 (4) 在深部重大工程灾害的时空预测与动态调控研究方面 根据灾害孕育演化过程中的应力转移、能量转化与围岩结构演化之间的关系，提出深部重大工程灾害的时空预测方法，包括 数值预测预报方法、动态反馈分析方法 、 基于大量案例学习的综合定性预测预报方法以及多指标、多信息、多手段、多方法的综合集 成， 建立高应力大跨度、高边墙巨型洞室群和深埋长大隧洞（道）的大变形诱灾过程的 多元信息 安全监测预警标准。 从因高应力开挖强卸荷作用引起应力调整 转移、能量聚集 传递 释放而导致深部围岩的结构发生演化出发，提出适时的调控措施控制应力转移、能量转化和围岩结构演化，包括 从整体和局部两个角度，提出根据不同深部重大工程灾害（岩爆、大变形、大体积塌 方 ）的孕育演化特征和成灾条件的动态优化设计与调控方法 ， 深部重大工程灾害孕灾过程的时空预测 动态反馈分析 现施工全过程中重大工程 灾害动态调控的快速反馈分析。集成本项目各课题的研究成果，建立 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。 3、创新点与特色 （ 1）创新 点 创新点之一 ： 深部工程灾害的复杂岩体结构与应力环境效应、模型和分析方法 构建适用于深部岩体结构 的 精细描述新方法，建立深部岩体结构 的参数化 模型 和 跨尺度结构分形张量表征方法，揭示深部重大工程灾害孕育演化过程中岩体结构行为的变化规律、岩体结构控制及应力控制相互转化的机制，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的形成和演化模型 ，以及 综合强烈构造活动和复杂地形地貌特征的 深部长大 工程区三维地应力 场 反演理论 及其扰动规律分析方法 。 创新点之二 ： 高应力强卸荷作用下裂隙岩体与围岩的力学行为演化理论 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 和断续介质力学 理论； 研究复杂高应力状态下深部工程围岩强度理论与峰后性状的力学模型，揭示深部工程围岩在高地应力强卸荷引起的复合动力波动现象与岩爆的发生以及 分区破裂 化现象形成之间的相互关系及机理，建立相应的数学力学模型 和 围岩 分区破裂 化形成 与 演化数值分析方法 ，提出岩体开挖地应力瞬态释放及围岩响应的计算理论与方法。 创新点之三 ： 深部重大工程灾害孕育演化 动力学过程机制、 成灾 模式 和分析方法 建立适合 于 深部工程高应力开挖强卸荷特点的岩石动静组合加载实验方法，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 ，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 。 深刻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 。 创新点之四 ： 深部重大工程灾害孕育演化过程的时空预测与动态调控理论 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。 （ 2）研究特色 针对性 ： 特别强调开展地质背景、成灾规律、高应力强卸荷下深部岩体结构演化的跨尺度建模理论及其与应力的协同和转化控制的研究，为进一步力学分析打下基础。 从我国深部工程地质条件和高应力环境出发，针对制约 我国深部工程灾害事故多发所涉及的关键科学问题进行基础研究，目的是建立我国深部岩体结构与高应力强卸荷协同控制的基本理论 及 控制深部水利水电 、 交通 、国防 工程 和 深部金属矿山 等 事故发生。 前瞻性 ：根据我国深部水利水电 、 交通 和国防 工程以及深部金属矿山的发展状况和 未来发展需求以及 目前深部工程开挖高应力强卸荷 诱发的重大灾害（高强度岩爆、 持续 大变形和大体积塌方）事故多发的实际 ，对深部工程开挖和深部金属矿山开采中的灾害机理与防治 的 基础理论问题进行研究，将为未来我国深部水利水电 和 交通工程 等 安全建设和运行以及深部金属矿产资源大规模 安全开采奠定 必要的 理论基础，具 有 明显的前瞻性。 综合性 ：本项目研究充分体现多学科交叉与 融合 的特点，涉及工程地质学、构造地质学、岩石力学、采矿工程、地球物理勘探、人工智能、系统科学和安全工程等多学科理论与方法，是一项综合性极强的研究项目。结合已掌握的大量深部工程灾害案例和地质与地应力信息，从室内与物理模拟实验、深部实验工程的现场系统实验和观测、理论分析、数值模拟等多手段和多方法的综合集成 ，从高应力、强卸荷作用下 深部 围岩的能量和应力传播的角度进行研究，建立其安全分析、时空预测理论和动态调控方法， 符合本项目作为应 用基础研究的特点，这种理论与实际结合的研究，可使研究的理论和方法真正对深部工程重大灾害的防治发挥科学的指导作用。 系统性 ：本项目围绕深部工程（隧道、隧道、硐室群）和深部金属矿山重大灾害的防治， 以若干西部地区深部重大工程为背景，从深部地质基础、高应力环境、共性问题 (高应力开挖强卸荷 与爆破 动力作用 下 裂隙岩体与围岩的力学行为 )，到针对不同灾害环境 (高强度岩爆、持续大变形 和 大体积塌方 )系统地开展重大工程的安全 性 研究，提出动态调控方法， 可形成一套完整的深部工程重大灾害防治理论和方法；围绕深部工程重大灾害预测的科学问题 ，本项目从时空预测评价体系、实时预警的方法进行全方位的研究，将为深部工程重大灾害的可靠预报奠定扎实的基础；在深部工程重大灾害控制方法的研究中，将防止灾害发生的深部工程全局优化理论研究和变害为利的开采方法研究进行有机的结合，对促进高效开采和安全开采的双向发展具有重要意义。 4、 可行性分析 通过 5年系统研究，本项目可望取得重大突破，理由如下： (1) 我国西部正在进行 大规模 基础设施建设，其中包括许多国家级重大工程。在西部特殊地质环境下进行国家的重大工程建设以及金属矿山开采深度的增加将遇到许多急需解决的防灾减灾和安全性问 题，许多带有共性的科学技术难题没有得到很好解决，这些将成为该项目取得重大突破的巨大动力和机遇。 (2) 由于本项目针对高应力强卸荷作用，采用多学科交叉，并对岩体结构应力协同控制与转化模型和对岩体结构进行多尺度建模的研究，为进一步在灾害的机理、时空预测与动态调控理论研究方面取得重大突破打下坚实的地质基础。 (3) 在充分掌握深部岩体结构特征和高地应力环境的基础上， 通过一系列室内 动静载结合、宏细观结合的 实验和实际深部 实验 工程的现场 系统 实验，可以较好 地 揭示高应力强卸荷下的 裂隙 围岩变形 孕育演化与成灾的 机理， 在此基础上可以针对性 地 建 立典型灾害的判据、理论模型、安全监测预警标准、时空预测预报和动态调控理论。这 不仅保证了预测预报方法对不同灾害类型形成机理和特点的针对性，又可以很好地适应不同灾害预测的特点和要求，可以实现深部重大工程灾害的准确时空预测 。同时根据灾害孕育演化过程的特征和成灾条件 ，合理确定调控的时机，达到避灾的目的。 基于开挖过程中实际揭示的围岩地质、应力条件和力学行为等的信息更新的动态调控，可以使得调控措施做到适时合理。孕灾过程的时空预测 动态反馈分析 可以 实现深部工程施工全过程中快速 闭环反馈分析与灾害动态调控。 (4) 以往 深部金属矿山矿石和回采巷道的开挖需要采用 先 钻孔后装炸药进行爆破将其碎裂来实现。这 一过程 可以通过应力集中调整和高能量转移到需要采矿破岩的位置，诱发矿岩破碎来实现， 既能 减少装药量而达到同样的破岩效果，又能减少或避免岩爆的发生 ，从而建立新的深部开采理论和模式。 (5) 既然深部重大灾害的时空预测与动态调控存在数据不确定性 和信息不完备性 ，多方法 、 多 元 信息 、 各课题创新成果的综合集成 和基于动态信息更新的研究，建立 综合集成智能系统 ， 有助于提高结果的可靠性，可以很好地适应深部重大工程灾害预测与动态 调控多信息、多手段、多方法、快速分析的特点和要求。 (6) 将所建立的理论对我国典型深部 水电隧洞和洞室群、深部金属矿山 工程进行应用研究， 即可 解决 实际 工程安全难题， 又可 使 所建立的理论得到 进一步验证。 (7) 研究队伍以来自国内深部工程 和金属矿山 安全 研究方面很有造诣的中青年专家为主，实现了老中青结合，具有多年共同承担 973项目、国家自然科学基金重大、重点和国际合作重大项目的经历和良好合作研究经验， 具有扎实的研究基础、较强的研究实力和必要的研究条件，对深部工程灾害的地质条件、地应力环境、孕育演化机理和防治研究的难点、可能取得突破的科学方向和学科前沿有深刻的理解和把握 。 5、 各课题间相互关系 设置 6 个 课题 ， 紧密围绕 所凝练出的 4 个关键科学问题，以 深部重大工程灾害的孕育 演化 调控 避灾的全过程 为 主线开展系统的研究。课题 1 是基础，研究的是地质条件和地应力环境。课题 2 是从宏细观角度研究 裂隙结构 岩体在高应力强卸荷环境下的力学行为 及其演化规律 。课题 3 研究的对象是将课题 2 的 裂隙 岩体拓展到 这种 岩体在高应力环境中开挖形 成的围岩，在课题 2 的基础上研究该围岩在高应力强卸荷下的 分区破裂 化形成和演化的机理与时效性特征。课题 4和 5是在课题 3的基础上研究高应力强卸荷下具有不同 力学行为 的围岩发生 典型重大灾害 （高强度岩爆、持续大变形和大体积塌方） 的机理，课题 6 是在课题 4、5 的基础上提出与灾害孕育演化特征相适应的时空预测方法和动态调控 理论 ， 集成 前 5 个课题 和本课题的 研究成果 建立集成系统 。 课题 1、深部岩体结构与地应力特征及其对灾害的控制作用 预期目标： 围绕 本 项目拟解决的关键科学问题一 “深部岩体结构与地应力特征及其对灾害 的 控制作用 ”，建立深部岩体结构 和 地质缺陷的正反演理论 、 深部岩体结构 的参数化 模型 ，提出高精度的深部地应力测试与确定新方法，建立深部 岩体 力学行为的 结构 和 应力协同控制 以及由结构控制转化为应力控制的判据，提出强烈构造活动地区长大 工程区地应力场反演 理论， 建立我国 典型深部 重大工程区地应力场的形成 及其高应力开挖强卸荷扰动 演化模型。为深部重大工程灾害的可靠预测 和调控 奠定地质 和地应力 基础。 研究内容： 1、深部岩体结构 的参数化 模型及其力学效应 研究 弹性波反射类（陆地声纳法、 法 和 瞬变电磁 结合的工作面前方岩体结构综合反演理论、 深 部岩体结构 的 空间几何参数快速获取系统 和 结构面层次与尺度变化的规律，建立 包含 结构面体积密度和空间 深部岩体结构参数 化 模型 ；揭示 深部高应力强卸荷条件下多组结构面的力学 、 形态、产状组合 和尺度 等 效应 ，建立其力学效应模型 。 2、 高精度的大埋深地应力测试与确 定方法 提出基于 钻孔局部壁面应力全解除法 的高精度、大埋深 地应力 测试 新方法 ，研究钻孔孔壁应力和应变特征，揭示应力解除过程中所要解除卸载的岩芯直径与解除深度之间的定量关系，研究应力解除过程中岩芯表面的应变值随解除深度的变化关系，提出三维地应力张量计算分析模型。 3、 深部岩体 力学行为的 结构 高应力协同控制与转化机制 研究 深部岩体结构与应力场相互作用的关系，探讨深部岩体结构与区域应力场之间的成生关系，建立深部岩体 力学行为的 结构与应力协同控制模型； 研究 深部围岩应力场状态的变化对岩体结构行为的影响 规律、 各类岩体结构对岩 体力学行为的 作用 由不控制控制强烈控制的过程机制，建立 深部 岩体 力学行为的 结构控制转化的应力判据。 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 揭示 强烈构造活动地区深部长 大工程区地应力场成因、分布特征及其与地形地貌、岩体特性、临近构造和区域构造应力场的关联性， 提出反映复杂的地形地貌、深切河谷、断层褶皱形成过程和非线性边界特征的强烈构造活动区长大 工程区地应力场反演 理论 ，建立我国 典型深部长 大工程区地应力场分布和 活动构造 影响规律模型。 提出深部工程围岩应力场监测方法及开挖强卸荷下围岩应力场的演化分析 方法，揭示高应力开挖强 卸荷作用下工程区 不同结构 岩体 的 应力调整和转移 的 机制 、 地应力场扰动 的机理及其 分区分布特征及影响因素 ， 建立我国 典型深部长 大工程区 （深埋特长隧道、特大型硐室群、深部采场群等） 地应力场的形成及其开挖强卸荷扰动 演化模型 。 经费比例： 承担单位： 中国科学院武汉岩土力学研究所、中国科学院地质与地球物理研究所 课题负责人： 李海波 学术骨干： 葛修润、韦昌富、伍法权、尚彦军、祁生文、罗超文、张勇慧、刘亚群 课题 2、高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体宏细观力学行为 预期目标： 围绕 本 项目拟解决的 关键科学问题 二 “深部强卸荷作用下裂隙岩体 和 围岩力学行为与演化规律 ”，系统研究深部岩体裂隙系统的宏细观几何形态、分布、结构特征，提出多组裂隙岩体的跨尺度结构分形张量表征方法； 揭示 高应力强卸荷条件下深部裂隙岩体的宏细观变形机理、破坏规律和强度特性；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。为深部重大工程灾害的动态孕育演化机制与调控理论 研究 提供基本参数和理论模型。 研究内容： 1、深部多组裂隙岩体的跨尺度结构 表征方法及演化规律 系统研究深部岩体裂隙系统的宏细观几何形态、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；在裂隙网络和结构面细观描述的基础上，借助工业 野外地质调查，研究高应力强卸荷条件下深部多组裂隙岩体内部结构系统的时空演化规律。 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 采用 工业 伺服试验系统和新型硬岩高压伺服真三轴试验机 ，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机理、破坏规律和强度特性；获得不同加卸载速率和路径下深部裂隙 岩体的屈服、峰值应力曲面、峰后力学行为及全过程曲线， 考虑裂隙的随机分布及生成演化过程，建立深部裂隙岩体多尺度变形破坏模型； 基于能量耗散和释放理论建立高应力强卸荷条件下深部裂隙岩体的强度准则和破坏模式判据。 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 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； 研究 深部 多组裂隙 岩体的强度特性、峰值 后 变形破坏 特性 及其演化规律 ， 基于随机力学和尺寸效应原理， 建立深部 裂隙 岩体 断裂损伤本构模型及其变形破坏准则 ；研究跨尺度的非均质广义 连续介质力学模型，应用非平衡态热力学理论，从裂隙系统的时空演化出发，提出多组裂隙岩体断续介质力学模型；基于分形介质力学模型发展深部多组裂隙岩体的数值计算模型，开发出相应的数值分析软件。 经费比例： 承担单位： 中国矿业大学（北京）、山东大学 课题负责人： 左建平 学术骨干： 李树忱、易成、张瑞新、宋彦琦、毛灵涛、李海燕、薛翊国 课题 3、深部围岩分区破裂机理及其时间效应 预期目标： 围绕 本 项目拟解决的关键科学问题 二 “深部强卸荷作用下裂隙岩体 和 围岩力学行为与演化规律 ”，探明深部岩体开挖地应力瞬态释放机制 ， 提出 地应力瞬态释放力学模型及诱发围岩响应的计算 方法， 揭示 深部围岩 局部应变增量的逆转效应的物理力学机理及与分区破裂化现象的关系 、 加卸载波与分区破裂化之间的关系 以及 围岩强度及初始裂隙度对分区破裂化现象 的 影响 规律 ， 建立 能 考虑岩体的拉伸 、 剪胀和剪缩 等多种破坏的 强度准则 、 准连续局部剪切变形的弹塑性模型 和能分析大 剪切滑移位移的弹塑性本构模型 ，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数值分析方法 。为利用分区破裂化现象进行深部 工程灾害 的 孕育演化机制、 防治 和 矿藏的高效开采等提供理论基础。 研究内容： 1、 深部岩体 爆破 开挖地应力瞬态释放 机制及计算方法 针对深部岩体的钻孔爆破开挖，研究与开挖断面上爆破方式及微差起爆顺序对应的岩体分步开挖荷载 ， 建立描述新开挖面（卸荷边界）形成过程围岩地应力瞬态释放的方式及在开挖面上时间、空间演化规律的力学模型 ， 研究压（拉）荷载和 剪切荷载瞬态卸荷诱发 动力破坏 的机理及计算模型 以及 爆炸荷载与岩体应力瞬态卸荷联合作用的耦合分析计算方法， 为 探明深部围岩分区破裂化的动力学机制 奠定基础 。 2、 深部工程围岩复杂应力状态下强度理论与峰后变形性状力学模型 在一种新的应力状态分解组合下，建立 能 考虑岩体的拉伸破坏 、 剪胀破坏和剪缩破坏 新 强度准则。扩展传统连续介质力学的理论框架，引入间断位移场的概念，描述材料的峰后变形行为，建立准连续局部剪切变形的弹 脆 塑性模型。 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 研究岩石局部变形增量的逆转现象的形成条件 、 机理 、 数学描述 方法及其 与分区破裂化现象的关系 ； 研究深部岩体强度、原始裂隙度不同对围岩分区破裂化时间过程影响的物理机理 、 开挖速度对围岩破坏影响的物理机理；依据提出的岩石强度准则与塑性流动理论，建立剪切滑移位移较 大 时的弹塑性本构模型；研究深部岩体强度、原始裂隙度不同对围岩分区破裂化时间过程影响的数学模型。 4、 高地应力卸荷复合波动 作用与 分区破裂化形成的 机理 根据深部工程围岩卸荷引起应力状态与应变状态的动态变化，揭示深部工程围岩卸荷引起的径向卸载波和环向加载波复合作用的动力学与运动学特征；弄清深部围岩卸荷引起的 复合动力波动参数与岩爆发生的关系；得到深部工程围岩卸荷引起的复合动力波动特征参数与分区破裂化时间与空间构造之间的关系 ， 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数值分析方法。 经费比例： 承担单位： 中国人民解放军理工大学、武汉大学 课题负责人： 王明洋 学术骨干： 周丰峻、戚承志、卢文波、唐德高、赵跃堂、舒大强 课题 4、深部硬岩爆破开挖诱发岩爆与碎裂诱变机理 预期目标： 围绕 本 项目拟解决的 关键 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 ”， 揭示 深部高应力 爆破开挖扰动下 矿岩应力 和能量的 孕育 、传递 与释放机理 和规律，建立考虑高应力强卸荷爆破动力扰动耦合作用下硬岩的 强度准则 、 本构模型 和 发生岩爆的判据，提出深部爆破开挖 诱发 岩爆风险等级评价指标体系；建立 岩爆能量向工程破岩动能转换 的 条件 与判据 ， 提出 深部硬岩开挖与灾害控制 互换 的理论 模 型 。为岩爆的时空预测、调控和 实现深部灾害源能量的良性利用 奠定理论基础 。 研究内容： 1、高应力 爆破 开挖扰动下硬岩的破坏特征 与机制 从模拟深部硬岩开挖中岩体 的 受力特征入手， 提出 大尺寸岩块动静组合加载实验 方法，建立相应的实验 系统，开展不同动载扰动下和快速卸 载下高应力硬岩的破坏 过程 实验，探讨不同幅值、延时的动力扰动下高应力硬岩中裂纹与应力波的相互作用规律，分析其损伤累积过程、能量的聚 集、 耗散与 释放 规律；揭示深部钻爆、快速卸载等工程扰动对深部高储能矿岩的诱发破坏作用，建立相应的强度准则和本构模型。 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 研究深部硬岩开挖布局、速度、时序与采场地压转移的时空分布规律 ，揭示不同 爆破 开挖条件下 深部硬 岩的裂纹萌生 与扩展及 能量释放规律 ，建立 能量释放与岩爆强度、频 率 的相互关系， 揭示 单次岩爆孕育与大规模岩爆迸发过程中的能量传递机 制和灾害诱发机理 ，建立高应力强卸荷动力扰动耦合作用下岩爆新判据和深部爆破开挖 诱发 岩爆 的 风险等级评价指标体系 。 3、岩爆型破裂与人工诱导碎裂的互换机制 通过关键部位钻孔等人工诱导方式对硬岩高应力进行能量诱导释放，研究 高应力条件下 不同钻孔布置和钻凿间歇对原岩破裂效果和破坏形式的影响 规律 ； 揭示 高应力硬岩岩爆型破裂与人工诱导碎裂间的本质区别 与 转化机制； 建立 岩爆能量向工程破岩动能转换 的 条件 与判据 ， 提出 深