院士论坛矿山岩体力学及工程的研究进展与展望谢和平(中国矿业大学北京校区,北京100083)[摘要]文章针对采矿工程的实际问题,综述了矿山岩体力学理论与应用的研究进展,主要内容包括矿山岩体力学的损伤研究与应用、矿山岩体力学的分形研究与应用和矿山岩体力学损伤与分形研究的工程应用;讨论了矿山岩体力学今后的研究方向,即深部开采带来的工程灾害防治、开采方法选择的科学问题与关键技术措施。[关键词]矿山岩体力学;研究现状;展望[][文献标识码][]1009-1742(2003)03-0031-08TD31A计、矿山安全事故机理分析的必要手段和方法。然而矿山岩体力学面对采矿工程的环境和条件,其研究不是现有力学理论所能解决的,具有鲜明的特殊性a1受力状况测不准;b1采矿工程处于卸荷力学状况c1研究对象大都是无限体问题;d1采矿工程面对复杂的环境。笔者综述了矿山岩体力学理论与应用研究进展,既涉及了矿山岩体力学中一般力学的固有研究理论与方法,又突出了采矿工程的特殊性。主要内容包括矿山岩体损伤力学及其应用、矿山岩体力学的分形研究与应用、矿山岩体力学损伤与分形研究的工程应用等。概述中国是世界上少数几个一次能源以煤为主的国家。中国的一次能源中煤炭约占74%,它提供了78%的发电能源、70%的化工原料和60%的民用商品能源。在探明的化石能源中煤炭占9413%,石油天然气仅占517%。尽管煤炭在一次能源中的消费比重将逐年下降,但并不能动摇煤炭的主导地位,根据有关资料,预计到2020年一次能源中煤炭占有的比例约为68%,2050年仍占50%左右。因此为了满足国民经济建设的需要,在今后相当长的历史时期内仍需保证煤炭的高产稳产。但目前我国煤矿的安全状况不容乐观,百万吨死亡率高于发达国家几十倍甚至上百倍之多。煤矿工程灾害事故主要有煤与瓦斯突出、顶板事故、水灾、火灾、粉尘爆炸等,这些灾害事故的预测、预报、防治与人们对煤岩体物理力学行为的认知水平密切相关。岩体在掘进与开采前处于平衡状态,人为的采矿工程活动打破了这种平衡,致使煤岩体产生变形、移动与破坏,这些工程灾害事故发生的本质就是岩体力学问题,因此矿山岩体力学既是采矿工程的应用基础理论,更是采矿工程设1矿山岩体损伤力学及其应用在矿山开采过程中,周围裂隙岩体受采动影响不断演化导致灾害性事故。我们已在20世纪80年代建立了矿山裂隙岩体宏观损伤力学模型,考虑到裂隙岩体中裂隙分布,在考虑大变形的基础上,引进损伤力学系统,研究了岩体的力学行为,推导出损伤的状态方程1:2dσ=C:ds+9C:s:dD=C:ds-2M-1:9D[收稿日期][作者简介]2002-10-24;修回日期2002-12-20谢和平(1956-),男,湖南双峰县人,中国工程院院士,中国矿业大学教授中国工程科学第5卷32究,并在破断岩体工程中得到了应用。9M9D:σ:dD,(1)Y=-2M-1:9M:σ:s。(2)9D据此预测的岩体单轴压缩下的应力应变曲线与实验曲线具有很好的一致性,中科院岩土所根据该模型建立的盐岩蠕变本构关系可很好地反映盐岩蠕变的全过程,即瞬态蠕变、稳态蠕变及加速蠕变(见图1),从实际上验证了该损伤能量耗散模型的正确性。图2支护效果对比Fig12Comparisonoftunnelingresultsbetweeninitialplan(a)andcurrentplan(b)图1单轴压缩下盐岩蠕变实验值与理论值的比较Fig11Comparisonoftheoreticalvalueswithexperimentalresultsofsaltrockunderuniaxialcompression311裂隙岩体断裂、裂纹扩展过程的分形研究31111裂纹临界扩展力的分形研究2对岩石断口的细观分析发现,裂纹扩展路径十分不规则,据此提出裂纹扩展的分形模型(见图3),得出裂纹扩展的临界力此外,我们还提出了岩石蠕变非线性大变形损伤力学理论及有限元数值方法,成功预测了采动围岩的损伤大变形程度和蠕变稳定过程。例如,把上述理论成果与新奥法结合,在河南省鹤壁矿务局两个矿井用巷道支护设计代替原支护设计中的U型钢支架,有效地控制了巷道围岩变形,取得了近千万元的经济效益。图2为河南鹤壁矿务局第10煤矿的-575m水平转载皮带巷、埋深725m的支护效果对比:图2a为原支护效果,U型钢支架扭曲变形,巷道表面混凝土剥落;图2b为现支护效果,取消了原设计中的U型钢支架,方案施工2年后巷道保持稳定,表面完好。=2[L(ε)/L0]rs。(3)Gcrit式中L0为裂纹的表观长度,rs为...