【基金標(biāo)書(shū)】2010CB732000-深部重大工程災(zāi)害的孕育演化機(jī)制與動(dòng)態(tài)調(diào)控理論

項(xiàng)目名稱： 深部重大工程災(zāi)害的孕育演化機(jī)制與動(dòng)態(tài)調(diào)控理論 首席科學(xué)家： 馮夏庭 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門(mén)： 中國(guó)科學(xué)院 一、研究?jī)?nèi)容 1、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 根據(jù) 國(guó)家重大需求、國(guó)際科學(xué)前沿和 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本項(xiàng)目 緊密?chē)@ 深部重大工程災(zāi)害的孕育演化 機(jī)制 與 動(dòng)態(tài) 調(diào)控 理論的基礎(chǔ) 研究 ， 從多學(xué)科交叉的視角， 凝練出 擬解決的四個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。 科學(xué)問(wèn)題一 ：深部巖體結(jié)構(gòu)與 地 應(yīng)力 特征及其對(duì)災(zāi)害 的 控制作用 深部巖體的物質(zhì)性、結(jié)構(gòu)性及賦存性是 有別于其它材料的本質(zhì)特征。深部巖體的“三性”及其相互關(guān)系是控制深部工程災(zāi)害的關(guān)鍵因素。就“物質(zhì)性”而言，本項(xiàng)目的研究對(duì)象是深部硬巖；就“結(jié)構(gòu)性”而言， 深部 工程巖體結(jié)構(gòu) 和地質(zhì)缺陷 具有高度的隱蔽性、不確定性和時(shí)空變異性。因此，如何識(shí)別深部巖體的地質(zhì)特征成為需要研究 的 首要關(guān)鍵 問(wèn)題， 比如，如何采用 彈性波正反演理論、瞬變電磁 波 反演理論以及這兩種方法的綜合 方法， 解譯 并識(shí)別巖體結(jié)構(gòu)及相關(guān)構(gòu)造，等等 。 為合理表征巖體結(jié)構(gòu)特征，需要 綜合 深部巖體 探測(cè)結(jié)果與基于圍巖表面巖體結(jié)構(gòu)精確測(cè)量結(jié)果， 建立 考慮體積密度、空間 幾何分布特 征的三維巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型。 同時(shí)，需要研究 高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下巖體結(jié)構(gòu)時(shí)空演化規(guī)律 、巖體力學(xué)行為的結(jié)構(gòu)控制、結(jié)構(gòu)與應(yīng)力協(xié)調(diào)控制 和結(jié)構(gòu)控制 轉(zhuǎn)化為應(yīng)力控制的機(jī)制、條件和模型 。 針對(duì)深部巖體的“賦存性”，需要 研究 巖體復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境特征及高精度的測(cè)試方法；重點(diǎn)需要揭示 具有強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)特征的工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)形成機(jī)制， 建立 考慮強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)和復(fù)雜地形地貌形成過(guò)程以及非線性邊界條件的深部長(zhǎng)大工程區(qū)三維地應(yīng)力 場(chǎng) 反演理論 ；需要研究 高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下深部工程圍巖應(yīng)力場(chǎng)演化過(guò)程的分析方法 ，建立 典型深埋長(zhǎng)大工程區(qū)的三維地應(yīng)力場(chǎng)形成與開(kāi)挖 擾動(dòng)引起的演化模型 。 本科學(xué)問(wèn)題的研究 為深部重大 工程 災(zāi)害的孕育演化機(jī)制、時(shí)空預(yù)測(cè)與調(diào)控 理論 研究提供必要的 地質(zhì)模型、 應(yīng)力 模型 及其相關(guān)數(shù)據(jù) 。 科學(xué)問(wèn)題二 ：深部強(qiáng)卸荷作用下裂隙巖體 與 圍巖力學(xué)行為 的 演化 規(guī)律 考察巖體有三個(gè)基本視角：地質(zhì)屬性、力學(xué)行為和工程性質(zhì)。深部工程的“巖體”在內(nèi)涵上應(yīng)包括高應(yīng)力環(huán)境中裂隙巖體、強(qiáng)卸荷作用的圍巖。對(duì)于 深部巖體裂隙系統(tǒng) ，需要研究其 宏細(xì)觀幾何形態(tài)、分布、結(jié)構(gòu)特征，基于分形張量理論提出多組裂隙巖體的跨尺度結(jié)構(gòu)分形張量表征方法；從細(xì)觀到宏觀研究高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下深部裂隙巖體的宏細(xì)觀變形破 壞機(jī)理、能量聚集傳遞釋放規(guī)律和強(qiáng)度特性，建立高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下多組裂隙系統(tǒng)的演化與宏觀力學(xué)特性關(guān)系的多尺度理論模型 。 針對(duì) 高受壓巖體在峰值應(yīng)力后出現(xiàn)變形逆轉(zhuǎn)的新現(xiàn)象， 需要 研究峰后巖體在高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下的變形破壞機(jī)制 ，建立相應(yīng)的 模型和強(qiáng)度準(zhǔn)則。 針對(duì)圍巖分區(qū)破裂 化 機(jī)理，需要探討分區(qū)破裂化的 圍巖強(qiáng)度、圍巖初始結(jié)構(gòu) 特征 、高應(yīng)力加卸載水平、速率和復(fù)合波動(dòng) 效應(yīng) 、規(guī)律 /時(shí)間效應(yīng)及其分析模型 ，揭示 高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下圍巖的不同破壞機(jī)制（拉伸、剪脹、剪縮、大剪切滑移）與圍巖 分區(qū)破裂 化形成的關(guān)系 ，建立相應(yīng) 分析模型 以及 考慮上 述多因素和變形破壞機(jī)制的 分區(qū)破裂 化形成與演化過(guò)程數(shù)值分析方法 。 本科學(xué)問(wèn)題的研究 為深部重大災(zāi)害的孕育演化機(jī)制、時(shí)空預(yù)測(cè)與調(diào)控 理論 研究提供必要的基本理論模型。 科學(xué)問(wèn)題三 ：深部重大工程災(zāi)害時(shí)空孕育演化 動(dòng)力學(xué)過(guò)程 與成災(zāi)機(jī)理 深部工程災(zāi)害是在 高應(yīng)力強(qiáng)卸荷和開(kāi)挖擾動(dòng)的耦合作用 下逐步孕育發(fā)展形成的，具有復(fù)雜的演化動(dòng)力學(xué)過(guò)程特征。其中，高強(qiáng)度巖爆是深部硬巖常見(jiàn)的災(zāi)害形式，需要 研究動(dòng)靜組合加載下巖石的力學(xué)特性和行為，揭示 爆破 擾動(dòng) 與 高應(yīng)力 強(qiáng)卸荷耦合作用下 硬質(zhì)圍巖的變形破壞過(guò)程、內(nèi)在的能量集聚傳遞釋放及其時(shí)性滯機(jī)制 ，建立 巖爆 應(yīng)力、能量判據(jù)和 危險(xiǎn)等級(jí)判別指標(biāo) ，以及巖爆災(zāi)害源向巖體碎裂動(dòng)力源轉(zhuǎn)移的途徑 。 深部工程硬巖大變形及其導(dǎo)致的大體積塌方是另一個(gè)常見(jiàn)的災(zāi)害形式，需要研究 深部高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷條件下硬巖大變形的孕育演化和致災(zāi)的機(jī)制、高應(yīng)力立高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下深部硬質(zhì)圍巖非連續(xù)大變形分析理論和數(shù)值分析方法。 本科學(xué)問(wèn)題的研究 為深部 重大工程災(zāi)害 的時(shí)空預(yù)測(cè)與良性 動(dòng)態(tài) 控制提供 必要的 理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。 科學(xué)問(wèn)題四 ：深部重大工程災(zāi)害孕育演化過(guò)程的時(shí)空預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控 針對(duì) 開(kāi)挖動(dòng)力擾動(dòng)和高應(yīng)力 強(qiáng) 卸荷誘發(fā)巖 爆以及高應(yīng)力強(qiáng)卸荷 機(jī)制，分別提出相應(yīng) 的時(shí)空預(yù)測(cè)方法； 基于 變形 、 應(yīng)力 、聲發(fā)射和微震等多元信息， 建立高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷下深部大型工程（深埋長(zhǎng)大隧道、高邊墻大跨度大型硐室群）圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全 監(jiān)測(cè)預(yù)警 標(biāo)準(zhǔn) 。 根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程實(shí)際揭示的圍巖地質(zhì)條件和力學(xué)行為 演化規(guī)律 等 ，建立 動(dòng)態(tài) 信息更新 的深部工程 災(zāi)害快速動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與 動(dòng)態(tài) 調(diào)控理論 ，提出 通過(guò)人工誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)巖爆儲(chǔ)能向采礦破巖動(dòng)能轉(zhuǎn)化的巖爆災(zāi)害良性調(diào)控的采礦新理論； 建立 多方法 、多手段綜合集成的 深部重大工程災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)預(yù)警動(dòng)態(tài)反饋分析調(diào)控措 施優(yōu)化的全過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析預(yù)測(cè)與調(diào)控理論。 2、主要研究?jī)?nèi)容 圍繞 擬 解決的上述 四個(gè) 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，重點(diǎn)開(kāi)展以下 6 方面的研究： (1) 深部巖體結(jié)構(gòu)與 地 應(yīng)力 特征及其對(duì)災(zāi)害 控制作用 研究 1) 深部巖體 結(jié)構(gòu)的參數(shù)化 模型及其力學(xué)效應(yīng)； 2) 高準(zhǔn)確度的大埋深地應(yīng)力測(cè)試與確定方法 ； 3) 深部巖體 力學(xué)行為的 結(jié)構(gòu) 制與 轉(zhuǎn)化機(jī)制 ； 4) 深部長(zhǎng) 大工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng) 分布特征與 開(kāi)挖 強(qiáng) 卸荷下 的 擾動(dòng)規(guī)律。 (2) 高應(yīng)力強(qiáng)卸荷 作用 下多組裂隙巖體的力學(xué)行為研究 1) 深部多組裂隙巖體的跨尺度結(jié)構(gòu)表征方法及演化規(guī)律； 2) 高應(yīng)力強(qiáng)卸荷深部多組裂隙巖體的宏細(xì)觀變形 破壞機(jī)理及力學(xué)特性； 3) 深部裂隙巖體多尺度結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特性的關(guān)系及斷續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論。 (3) 深部圍巖 分區(qū)破裂 機(jī)理及其時(shí)間效應(yīng)研究 1) 深部巖體 爆破 開(kāi)挖地應(yīng)力瞬態(tài)釋放 機(jī)制及計(jì)算方法； 2) 深部工程圍巖復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下強(qiáng)度理論與峰后性狀力學(xué)模型； 3) 深部巖體的內(nèi)稟特性對(duì) 分區(qū)破裂 化時(shí)間 演化 的 影響規(guī)律 ； 4) 高地應(yīng)力卸荷復(fù)合波動(dòng) 作用與 分區(qū)破裂 化形成的 機(jī)理。 (4) 深部硬巖爆破開(kāi)挖誘發(fā)巖爆與碎裂誘變機(jī)理研究 1) 高應(yīng)力 爆破 開(kāi)挖擾動(dòng)下硬巖的破壞特征 與機(jī)制 ； 2) 不同 爆破 開(kāi)挖條件下高應(yīng)力 圍巖 的能量釋放與巖爆機(jī)理； 3) 巖爆型 碎裂 與人工誘導(dǎo)碎裂 的互換機(jī)制。 (5) 深部巖體強(qiáng)卸荷大變形演化與致災(zāi)機(jī)理研究 1) 深部巖體強(qiáng)卸荷作用下圍巖變形機(jī)制 ； 2) 深部巖體圍巖大變形孕育與演化機(jī)制 ； 3) 深部巖體圍巖大變形致災(zāi)機(jī)理與模式 ； 4) 基于多場(chǎng)耦合的圍巖大變形分析方法 。 (6) 深部重大工程災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控 理論 研究 1) 高應(yīng)力下開(kāi)挖強(qiáng)卸荷作用誘發(fā)巖爆的時(shí)滯性 特征 與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 方法 ； 2) 深部高應(yīng)力 變 過(guò)程的 時(shí)空 預(yù)測(cè) 方法 與安全監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)； 3) 深部重大工程災(zāi)害孕育演化過(guò)程的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制與方法； 4) 深部重大工程災(zāi)害 時(shí)空 預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控的綜合集成智能系統(tǒng) 。 二、預(yù)期目 標(biāo) 1、總體目標(biāo) 針對(duì)深部工程 和深部 金屬礦山重大災(zāi)害（ 高強(qiáng)度巖爆、持續(xù)大變形與大體積塌方 ）的誘發(fā)條件、孕育 演化 機(jī)制、預(yù)測(cè)預(yù)警與 動(dòng)態(tài) 調(diào)控方法開(kāi)展基礎(chǔ)研究，揭示高應(yīng)力強(qiáng)卸荷下深部圍巖應(yīng)力調(diào)整與性質(zhì)轉(zhuǎn)化和結(jié)構(gòu)分區(qū)破裂演化的條件和機(jī)理，探明深部工程災(zāi)害孕育演化過(guò)程中的能量聚集、傳遞與釋放的規(guī)律，建立深部重大工程災(zāi)害 孕育演化過(guò)程的時(shí)空 預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)控理論體系 ， 較好地解決我國(guó)深埋水利水電工程、金屬礦山深部開(kāi)采、深埋交通隧道 、 深埋國(guó)防工程 、暗物質(zhì)探測(cè)等深部基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)工程 中災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防治的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，形成深部重大工程 災(zāi)害防治與礦產(chǎn)資源高效開(kāi)采相結(jié)合的深部金屬礦安全開(kāi)采新模式和理論體系，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)安全、經(jīng)濟(jì)與高效的深部資源開(kāi)采、能源開(kāi)發(fā)、交通 、基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn) 與國(guó)防建設(shè) 等 提供關(guān)鍵理論支持。 2、 五年預(yù)期目標(biāo) 本項(xiàng)目以我國(guó)深部工程建設(shè)的重大需求與解決深部重大工程災(zāi)害預(yù)測(cè)和防治的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)五年研究，取得如下預(yù)期目標(biāo)： 構(gòu)建適用于深部巖體結(jié)構(gòu) 的 精細(xì)描述 和 表征方法，建立深部巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力協(xié)同控制模型及其轉(zhuǎn)化的應(yīng)力判據(jù) 。 提出鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除地應(yīng)力 測(cè)試新方法 ，建立我國(guó)典型 深部 重大工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演理論 及其擾動(dòng)規(guī)律分析 方法 。 提出高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下多組裂隙系統(tǒng)的演化與宏觀力學(xué)特性關(guān)系的多尺度理論模型，建立 用于裂隙巖體力學(xué)行為演化分析的 斷續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論 。 提出高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下深部圍巖分區(qū)破裂化形成與演化過(guò)程的機(jī)理、力學(xué)模型和數(shù)值分析方法。 揭示高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷與開(kāi)挖動(dòng)力擾動(dòng)耦合誘發(fā)巖爆及其時(shí)滯性 的 機(jī)理 ，建立 巖爆應(yīng)力、能量判據(jù) 、危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 和分析理論 。 揭示深部強(qiáng)卸荷條件下硬巖大變形的孕育演化和致災(zāi)過(guò)程的機(jī)制和特征，建立深部硬巖非連續(xù)大變形分析理論和數(shù)值模擬方法、 深部巖體多場(chǎng)耦合模型及圍巖穩(wěn)定性分析新方法 。 提出 基于 開(kāi) 挖動(dòng)力擾動(dòng)和高應(yīng)力卸荷誘發(fā)巖爆及其時(shí)滯性 機(jī)制 的時(shí)空預(yù)測(cè)方法以及高應(yīng)力強(qiáng)卸荷 結(jié)構(gòu)控制型大變形孕育演化誘災(zāi)的非定常時(shí)效特征模型 、 時(shí)空預(yù)測(cè)方法 和 安全監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn) 。 建立 通過(guò)人工誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)巖爆儲(chǔ)能向采礦破巖動(dòng)能轉(zhuǎn)化的巖爆災(zāi)害良性調(diào)控的采礦新理論， 實(shí)現(xiàn)災(zāi)害能量的可控轉(zhuǎn)化與良性利用 。 建立 深部工程災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)預(yù)警動(dòng)態(tài)反饋分析調(diào)控措施優(yōu)化的全過(guò)程動(dòng)態(tài)調(diào)控理論 及其 綜合集成智能系統(tǒng)。 在國(guó)內(nèi)外高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文 180 篇（其中 150 篇 錄論文），出版專著 8 部，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利 27 項(xiàng) ，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議 方法 2 項(xiàng) 。培養(yǎng)博士生 50 名、碩士生 80 名，凝聚和培育國(guó)內(nèi)一批防治深部工程災(zāi)害的高水平研究隊(duì)伍，培養(yǎng)本領(lǐng)域的優(yōu)秀科學(xué)家及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。建立國(guó)內(nèi)一流 的 深部工程安全性綜合研究平臺(tái)， 推進(jìn) 深部工程安全 建設(shè) 與金屬礦安全高效開(kāi)采 基礎(chǔ) 研究的 原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新 。 三、研究方案 1、學(xué)術(shù)思想和總體研究思路 本項(xiàng)目研究基于如下主要學(xué)術(shù)思想： 1） 深部巖體結(jié)構(gòu)特征與復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境對(duì)深部工程災(zāi)害起控制作用 的思想 。在認(rèn)識(shí)深部工程區(qū)復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)特征和復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境的基礎(chǔ)上，研究深部工程災(zāi)害孕育、演化與成災(zāi)過(guò)程中的深部巖體結(jié)構(gòu)、高應(yīng)力及其 復(fù)雜狀態(tài)和路徑的控制作用以及巖體結(jié)構(gòu)控制轉(zhuǎn)化為應(yīng)力控制的條件和判據(jù)。 2） 深部工程災(zāi)害具有孕育、演化和成災(zāi)的災(zāi)變動(dòng)力學(xué)過(guò)程的思想 。研究這種災(zāi)變動(dòng)力學(xué)過(guò)程的本質(zhì)特征，揭示深部?jī)煞N典型作用（高應(yīng)力下開(kāi)挖強(qiáng)卸荷作用、高應(yīng)力下開(kāi)挖強(qiáng)卸荷與動(dòng)力擾動(dòng)的耦合作用）下圍巖結(jié)構(gòu)演化的速度和規(guī)律以及最終導(dǎo)致不同類(lèi)型災(zāi)害（高強(qiáng)度巖爆、持續(xù)大變形、大體積塌方）發(fā)生的機(jī)制和機(jī)理。 3） 基于動(dòng)態(tài)信息更新的深部工程災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)控的思想 。根據(jù)動(dòng)態(tài)揭示的地質(zhì)信息和巖體力學(xué)行為，在充分理解災(zāi)變動(dòng)力學(xué)過(guò)程機(jī)制、特征和規(guī)律的基礎(chǔ)上建立重 大工程災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè)和適時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控的新理論體系。 4） 深部工程是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，工程災(zāi)害需要多學(xué)科交叉、多方法融合、多層次綜合研究的思想 。將深部工程災(zāi)害的基礎(chǔ)條件（巖體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力環(huán)境及其開(kāi)挖過(guò)程中演化）、圍巖力學(xué)行為的演化、災(zāi)害的孕育演化和致災(zāi)或調(diào)控避災(zāi)，作為一個(gè)系統(tǒng)，采用多學(xué)科、多方法的綜合研究，定性定量相結(jié)合、確定性與不確定性相結(jié)合。 為此， 擬采取的總體研究思路 ：以 凝練出的 四個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題為核心，綜合運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地球物理勘探、巖石力學(xué)、采礦工程、人工智能、系統(tǒng)科學(xué)和安全工程等多學(xué)科及其交叉前 沿理論，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)、物理模擬、理論分析、數(shù)值模擬等多種方法，開(kāi)展系統(tǒng)的理論和方法研究，在深刻認(rèn)識(shí)地質(zhì)基礎(chǔ)（深部巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力協(xié)同控制和轉(zhuǎn)化的機(jī)制）、高應(yīng)力環(huán)境（強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)區(qū)地應(yīng)力特征及工程擾動(dòng)規(guī)律）、共性問(wèn)題（高應(yīng)力強(qiáng)卸荷下多組裂隙巖體和圍巖的力學(xué)行為、 分區(qū)破裂 機(jī)理及其時(shí)間效應(yīng)）、典型深部重大工程災(zāi)害（高強(qiáng)度巖爆、 持續(xù) 大變形 和 大體積塌）的孕育演化與致災(zāi)機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立較為完 善 的深部重大工程災(zāi)害孕育演化過(guò)程的時(shí)空預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)控理論體系， 并 應(yīng)用于典型深部工程，在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)和完善。總體研 究思路及其與研究?jī)?nèi)容之間的關(guān)系如圖 2 所示。 圖 2 總體研究思路與研究?jī)?nèi)容關(guān)系示意圖 科學(xué)問(wèn)題 課題與主要研究?jī)?nèi)容 深部巖體結(jié)構(gòu)與 地 應(yīng)力 特征及其對(duì)災(zāi)害的控制作用 高應(yīng)力強(qiáng)卸荷 作用 下多組裂隙巖 體的 力學(xué) 行為 深部圍巖 分區(qū)破裂 機(jī)理及其時(shí)間效應(yīng) 深部硬巖 爆破 開(kāi)挖誘發(fā)巖爆 和碎裂誘變 機(jī)理 深部巖體強(qiáng)卸荷大變形演化與致災(zāi)機(jī)理 深部重大工程災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè) 與動(dòng)態(tài)調(diào)控理論 典型深部工程應(yīng)用研究 深部巖體結(jié)構(gòu)與 地 應(yīng)力 特征及其對(duì)災(zāi)害的控制作用 深部強(qiáng)卸荷作用下裂隙巖體和圍巖力學(xué)行為 與 演化 規(guī)律 深部重大工程災(zāi)害 時(shí)空 孕育演化 動(dòng)力學(xué) 過(guò)程與成災(zāi)機(jī)理 深部重大工程災(zāi)害孕育 演化過(guò)程的時(shí)空預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控 突破點(diǎn) ： 深部重大工程災(zāi)害的孕育演化和動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制 研究方法 涉及學(xué)科 預(yù)期成果 工程地質(zhì) 構(gòu)造地質(zhì) 巖石力學(xué) 地球物理勘探 采礦工程 人工智能 系統(tǒng)科學(xué) 安全工程 深部重大工程災(zāi)害 孕育演化的時(shí)空預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控理論體系 室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與監(jiān)測(cè) 理論分析 物理模擬 數(shù)值模擬 2、技術(shù)途徑 基于上述學(xué)術(shù)思想和總體研究思路，各分項(xiàng)研究工作擬采取如下技術(shù)途徑。 (1) 在深部巖體結(jié)構(gòu)與 地 應(yīng)力特征 及其對(duì)災(zāi)害的 控制作用研究方面 以地面調(diào)查、鉆探、地質(zhì)體超前探查為基礎(chǔ)，利用 多手段的地球物理超前探測(cè)、 精測(cè)線測(cè)量、三維激光掃描技術(shù)，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)和物理模擬原型實(shí)驗(yàn)和正反演理論 研究 ， 建立 快速獲取 巖體結(jié)構(gòu) 空間精細(xì)數(shù)據(jù) 的方法 。 應(yīng)用概率 統(tǒng)計(jì) 、 數(shù)值試驗(yàn) 、室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M ， 研究深部巖體開(kāi)挖狀態(tài)下結(jié)構(gòu)面性狀的變化特征及其演化規(guī)律 ?；跓崃W(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)理論，開(kāi)展深部巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力相互作用的關(guān)系研究，建立巖體力學(xué)行為結(jié)構(gòu)控制和應(yīng)力控制轉(zhuǎn)化的應(yīng)力判據(jù) 以及 深部巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力協(xié)同控制深部巖體行為的準(zhǔn)則 ； 結(jié)合數(shù)值仿真、模型試驗(yàn)揭示深部重大工程災(zāi)害的孕育和動(dòng)態(tài)演化過(guò)程中巖體結(jié)構(gòu)行為的變化，揭示巖體結(jié)構(gòu)控制及應(yīng)力控制相互轉(zhuǎn)化的機(jī)制與深部重大工程災(zāi)害的孕育及動(dòng)態(tài)演化的關(guān)系 。 以 西部地區(qū) 若干 深部長(zhǎng) 大工程 （深部特長(zhǎng)隧道（洞）、深部高邊墻大跨度特大型洞室群和深部大型采場(chǎng)群）區(qū) 為 研究 背景， 研究復(fù)雜的地形地貌、深切河谷、斷層褶皺等強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)的形成過(guò)程及其結(jié)果對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的影響規(guī)律。 研制 適合于深部條件下的 鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除地應(yīng)力 測(cè)試 系統(tǒng) ， 綜合考慮強(qiáng) 裂構(gòu)造活動(dòng) 下復(fù)雜地形地貌、多個(gè)褶皺斷層區(qū)和深切河谷的形成過(guò)程 和非線性邊界條件 ，提出 深部工程區(qū)域三維地應(yīng)力場(chǎng)反演理論 。建立深部工程圍巖應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法， 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、物理和數(shù)值模擬等手段， 深刻揭示 高應(yīng)力 下 鉆爆法和 挖強(qiáng)卸荷擾動(dòng)條件下 不同結(jié)構(gòu)圍巖 應(yīng)力場(chǎng) 的 調(diào)整、轉(zhuǎn)移機(jī)制 。研究巖體結(jié)構(gòu)演化過(guò)程中的應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移理論模型，提出高 應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷下不同結(jié)構(gòu)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)演化（擾動(dòng)、轉(zhuǎn)移、傳遞和釋放）過(guò)程分析方法。研究區(qū)域背景區(qū)域的地質(zhì)等資料， 融合 已獲得的 地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料分析 該 工程區(qū)的三維 地應(yīng)力 分布 特征及其與巖性、地形地貌、臨近構(gòu)造和區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)等的關(guān)系， 采用所建立的反演理論，考慮強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)引起的復(fù)雜地形地貌、深切河谷和多個(gè)褶皺斷層區(qū)的形成過(guò)程和結(jié)果以及非線性邊界條件，建立深部長(zhǎng) 大工程區(qū)三維 地應(yīng)力場(chǎng)的 分布特征和模型，并通過(guò)系統(tǒng)分析 ， 揭示 我國(guó)強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)特征和形成機(jī)制、工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及其與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)聯(lián)特性 。實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)和分析高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷過(guò)程中不同結(jié)構(gòu)圍巖應(yīng)力場(chǎng)演化（ 調(diào)整和轉(zhuǎn)移 ）規(guī)律及其與開(kāi)挖卸荷方法、巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、原巖應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系，揭示高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng) 卸荷作用下工程區(qū) 不同結(jié)構(gòu) 巖體 的 應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移 的 機(jī)制 、 地應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng) 的機(jī)理及其 分區(qū)分布特征及影響因素 ， 建立我國(guó) 典型深部長(zhǎng) 大工程 （深埋特長(zhǎng)隧道、特大型硐室群、深部采場(chǎng)群等） 區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的形成和 高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷擾動(dòng) 演化模型 。 (2) 在高應(yīng)力強(qiáng)卸荷 作用 下多組裂隙巖體 與圍巖 的力學(xué)行為研究方面 采用細(xì)觀到宏觀、二維到三維、理論 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合的 方法， 研究深部多組裂隙巖體 在 高地應(yīng) 力和強(qiáng)卸荷條件的結(jié)構(gòu) 與 力學(xué)特性 演化規(guī)律； 應(yīng)用帶加載裝置的工業(yè) 層掃描系統(tǒng)和帶 原位觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)探測(cè)深部巖體裂隙或節(jié)理的宏細(xì)觀幾何形態(tài)、分布、結(jié)構(gòu)面特征，運(yùn)用分形幾何、統(tǒng)計(jì)力學(xué)等數(shù)學(xué)力學(xué)方法建立裂隙巖體力學(xué)響應(yīng)；研究高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下深部多組裂隙巖體內(nèi)部裂隙系統(tǒng)的時(shí)空演化規(guī)律；利用新型硬巖高壓伺服真三軸試驗(yàn)機(jī)和帶 原位觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)獲得不同加卸載速率和路徑下深部裂隙巖石的屈服、峰值應(yīng)力曲面及全過(guò)程曲線，評(píng)價(jià)現(xiàn)行強(qiáng)度 準(zhǔn) 則的適用性，提出適合 于 深部工程巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則和破壞模式判據(jù)?；谠囼?yàn)研究深部巖 體裂隙系統(tǒng)的宏細(xì)觀幾何形態(tài)、分布、結(jié)構(gòu)特征，提出多組裂隙巖體的跨尺度結(jié)構(gòu)分形張量表征方法；基于深部多組裂隙巖體的宏細(xì)觀破壞機(jī)制，建立高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下多組裂隙系統(tǒng)的演化與宏觀力學(xué)特性關(guān)系的多尺度理論模型；研究跨尺度的非均質(zhì)廣義連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，應(yīng)用非平衡態(tài)熱力學(xué)理論，從裂隙系統(tǒng)的時(shí)空演化出發(fā)，提出多組裂隙巖體斷續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型；基于能量耗散和能量釋放理論建立高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下深部裂隙巖體的強(qiáng)度理論。 通過(guò) 室 內(nèi) 模擬試驗(yàn)，分析在高地應(yīng)力 開(kāi)挖卸荷 下 分區(qū)破裂 化現(xiàn)象的幾何特征與地應(yīng)力水平、巖石的強(qiáng)度及性質(zhì)、巖體的構(gòu)造和 巷道自由面（卸荷面）形成快慢的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)彈塑性力學(xué)理論及物理學(xué)相變理論建立 分區(qū)破裂 化現(xiàn)象形成的基本分析模型；根據(jù)巖體峰值強(qiáng)度后的軟化段和分叉的分析理論，建立考慮 分區(qū)破裂 化現(xiàn)象和破碎區(qū)殘余強(qiáng)度 條件 的深部巷道圍巖變形、破壞和穩(wěn)定性的計(jì)算模型及數(shù)值求解方法；根據(jù) 分區(qū)破裂 化形成過(guò)程中應(yīng)力狀態(tài)、變形和位移的變化率，分析含能介質(zhì)中（高地應(yīng)力）的變形能轉(zhuǎn)化（能量流）特點(diǎn)及規(guī)律，建立數(shù)學(xué)力學(xué)模型，確定產(chǎn)生 分區(qū)破裂 化現(xiàn)象的條件及其時(shí)間效應(yīng)。 研究巖體中巖塊系的振動(dòng)頻率特性及準(zhǔn)共振現(xiàn)象；研究巖塊系中的超低摩擦效 應(yīng)及擺型波（慢速變位波）產(chǎn)生的機(jī)理、條件和規(guī)律；研究根據(jù)巖體中擺型波的特點(diǎn)從巖體中的實(shí)測(cè)振動(dòng)波型分離擺型波的方法；研究按照擺型波的特征參數(shù)確定巖體中優(yōu)勢(shì)巖塊的尺寸和結(jié)構(gòu)面上的摩擦特性；研究并揭示在爆破和機(jī)械開(kāi)挖的震動(dòng)誘導(dǎo)下 巖爆 發(fā)生的動(dòng)力機(jī)理，并提出根據(jù)擺型波參數(shù)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)巖爆危險(xiǎn)的方法。針對(duì)深埋隧洞的全斷面鉆爆開(kāi)挖，確定與爆破開(kāi)挖微差起爆順序?qū)?yīng)的巖體分步開(kāi)挖荷載；研究爆炸荷載驅(qū)動(dòng)的裂紋擴(kuò)展及巖體開(kāi)挖面（卸荷邊界）發(fā)展規(guī)律，確定巖體開(kāi)挖荷載瞬態(tài)卸荷問(wèn)題的應(yīng)力初始條件和荷載邊界條件。分別采用特征線法和動(dòng)力有限 元法模擬圓型與非圓形隧洞全斷面鉆孔開(kāi)挖過(guò)程地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā) 圍巖震動(dòng) 的傳播，提出基于時(shí)空疊加原理的多向瞬態(tài)卸荷條件下誘發(fā)圍巖 震 動(dòng) 的計(jì)算方法，建立瞬態(tài)卸荷誘發(fā)圍巖震動(dòng)的強(qiáng)度與彈性應(yīng)變能釋放率和傳播距離間的定量關(guān)系。研究爆炸荷載與巖體初始應(yīng)力場(chǎng)瞬態(tài)卸荷的耦合分析計(jì)算方法，探討深部圍巖 分區(qū)破裂 化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制；建立開(kāi)挖瞬態(tài)卸荷條件下裂隙巖體動(dòng)態(tài)松動(dòng)或突發(fā)大變形的力學(xué)模型及計(jì)算方法。 (3) 在重大工程災(zāi)害孕育演化機(jī)理 研究方面 從應(yīng)力調(diào)整 轉(zhuǎn)移、能量聚集 傳遞 釋放角度出發(fā)，研究處于高應(yīng)力環(huán)境中的不同結(jié)構(gòu)巖體因開(kāi)挖強(qiáng) 卸荷導(dǎo)致應(yīng)力轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中 ， 其圍巖結(jié)構(gòu)的演化（出現(xiàn) 分區(qū)破裂 化等現(xiàn)象）、災(zāi)害的孕育演化致災(zāi)的機(jī)制、特征和規(guī)律，提出災(zāi)害孕育演化理論模型和災(zāi)害發(fā)生的應(yīng)力、能量判據(jù)。 針對(duì)高應(yīng)力強(qiáng)卸荷和爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的動(dòng)荷載耦合作用誘發(fā)的巖爆， 研制大尺寸試樣巖石動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展大量動(dòng)力擾動(dòng)下高應(yīng)力硬巖的破壞實(shí)驗(yàn)，研究不同外載大小、形式、方向?qū)r石破裂形式、塊度的影響；進(jìn)而獲得動(dòng)靜組合加載下巖石的損傷演化規(guī)律、破壞模式、強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)模型。在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，獲得高應(yīng)力硬巖的動(dòng)態(tài)破裂特性與能耗規(guī)律，揭示外界擾動(dòng) 對(duì)巖石內(nèi)部?jī)?chǔ)能釋放的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力擾動(dòng)下高應(yīng)力硬巖巖爆致因與災(zāi)害形成過(guò)程，獲得巖爆型破裂與人工誘導(dǎo)碎裂的互換誘導(dǎo)方法。 針對(duì)高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷作用下硬巖產(chǎn)生持續(xù)大變形，并有可能導(dǎo)致大體積塌方的機(jī)理研究，研制大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬高應(yīng)力賦存環(huán)境，同時(shí)模擬深部巖體開(kāi)挖過(guò)程，通過(guò)光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化特征、變形特征，并在圍巖的不同位置進(jìn)行取芯，試驗(yàn)確定圍巖力學(xué)性狀及圍巖力學(xué)參數(shù)場(chǎng)的變化規(guī)律，建立圍巖大變形與應(yīng)力場(chǎng)特征、開(kāi)挖卸荷特征以及圍巖力學(xué)性狀劣化的關(guān)系模型?；趲r體多場(chǎng)耦合理論，研究多因 素相互作用的圍巖大變形孕育演化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力環(huán)境強(qiáng)卸荷作用下圍巖非連續(xù)大變形的數(shù)值模擬。 (4) 在深部重大工程災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控研究方面 根據(jù)災(zāi)害孕育演化過(guò)程中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)化與圍巖結(jié)構(gòu)演化之間的關(guān)系，提出深部重大工程災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè)方法，包括 數(shù)值預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法、動(dòng)態(tài)反饋分析方法 、 基于大量案例學(xué)習(xí)的綜合定性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法以及多指標(biāo)、多信息、多手段、多方法的綜合集 成， 建立高應(yīng)力大跨度、高邊墻巨型洞室群和深埋長(zhǎng)大隧洞（道）的大變形誘災(zāi)過(guò)程的 多元信息 安全監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。 從因高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷作用引起應(yīng)力調(diào)整 轉(zhuǎn)移、能量聚集 傳遞 釋放而導(dǎo)致深部圍巖的結(jié)構(gòu)發(fā)生演化出發(fā)，提出適時(shí)的調(diào)控措施控制應(yīng)力轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)化和圍巖結(jié)構(gòu)演化，包括 從整體和局部?jī)蓚€(gè)角度，提出根據(jù)不同深部重大工程災(zāi)害（巖爆、大變形、大體積塌 方 ）的孕育演化特征和成災(zāi)條件的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)控方法 ， 深部重大工程災(zāi)害孕災(zāi)過(guò)程的時(shí)空預(yù)測(cè) 動(dòng)態(tài)反饋分析 現(xiàn)施工全過(guò)程中重大工程 災(zāi)害動(dòng)態(tài)調(diào)控的快速反饋分析。集成本項(xiàng)目各課題的研究成果，建立 深部重大工程災(zāi)害時(shí)空預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控的綜合集成智能系統(tǒng)。 3、創(chuàng)新點(diǎn)與特色 （ 1）創(chuàng)新 點(diǎn) 創(chuàng)新點(diǎn)之一 ： 深部工程災(zāi)害的復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力環(huán)境效應(yīng)、模型和分析方法 構(gòu)建適用于深部巖體結(jié)構(gòu) 的 精細(xì)描述新方法，建立深部巖體結(jié)構(gòu) 的參數(shù)化 模型 和 跨尺度結(jié)構(gòu)分形張量表征方法，揭示深部重大工程災(zāi)害孕育演化過(guò)程中巖體結(jié)構(gòu)行為的變化規(guī)律、巖體結(jié)構(gòu)控制及應(yīng)力控制相互轉(zhuǎn)化的機(jī)制，建立深部巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力協(xié)同控制模型及其轉(zhuǎn)化的應(yīng)力判據(jù)。提出鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除地應(yīng)力 測(cè)試新方法 ，建立我國(guó)典型 深部 重大工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的形成和演化模型 ，以及 綜合強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)和復(fù)雜地形地貌特征的 深部長(zhǎng)大 工程區(qū)三維地應(yīng)力 場(chǎng) 反演理論 及其擾動(dòng)規(guī)律分析方法 。 創(chuàng)新點(diǎn)之二 ： 高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下裂隙巖體與圍巖的力學(xué)行為演化理論 建立高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下多組裂隙系統(tǒng)的演化與宏觀力學(xué)特性關(guān)系的多尺度理論模型 和斷續(xù)介質(zhì)力學(xué) 理論； 研究復(fù)雜高應(yīng)力狀態(tài)下深部工程圍巖強(qiáng)度理論與峰后性狀的力學(xué)模型，揭示深部工程圍巖在高地應(yīng)力強(qiáng)卸荷引起的復(fù)合動(dòng)力波動(dòng)現(xiàn)象與巖爆的發(fā)生以及 分區(qū)破裂 化現(xiàn)象形成之間的相互關(guān)系及機(jī)理，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型 和 圍巖 分區(qū)破裂 化形成 與 演化數(shù)值分析方法 ，提出巖體開(kāi)挖地應(yīng)力瞬態(tài)釋放及圍巖響應(yīng)的計(jì)算理論與方法。 創(chuàng)新點(diǎn)之三 ： 深部重大工程災(zāi)害孕育演化 動(dòng)力學(xué)過(guò)程機(jī)制、 成災(zāi) 模式 和分析方法 建立適合 于 深部工程高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷特點(diǎn)的巖石動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)方法，揭示高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷與開(kāi)挖動(dòng)力擾動(dòng)耦合誘發(fā)巖爆及其時(shí)滯性 的 機(jī)理 ，建立 巖爆應(yīng)力、能量判據(jù) 、 危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 和分析理論 。 深刻揭示深部強(qiáng)卸荷條件下硬巖大變形的孕育演化和致災(zāi)過(guò)程的機(jī)制和特征，建立深部硬巖非連續(xù)大變形分析理論和數(shù)值模擬方法、 深部巖體多場(chǎng)耦合模型及圍巖穩(wěn)定性分析新方法 。 創(chuàng)新點(diǎn)之四 ： 深部重大工程災(zāi)害孕育演化過(guò)程的時(shí)空預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控理論 提出 基于 開(kāi)挖動(dòng)力擾動(dòng)和高應(yīng)力卸荷誘發(fā)巖爆及其時(shí)滯性 機(jī)制 的時(shí)空預(yù)測(cè)方法以及高應(yīng)力強(qiáng)卸荷 結(jié)構(gòu)控制型大變形孕育演化誘災(zāi)的 非定常時(shí)效特征模型 、 時(shí)空預(yù)測(cè)方法 和 安全監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn) 。 建立 通過(guò)人工誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)巖爆儲(chǔ)能向采礦破巖動(dòng)能轉(zhuǎn)化的巖爆災(zāi)害良性調(diào)控的采礦新理論， 實(shí)現(xiàn)災(zāi)害能量的可控轉(zhuǎn)化與良性利用 。 建立 深部工程災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)預(yù)警動(dòng)態(tài)反饋分析調(diào)控措施優(yōu)化的全過(guò)程動(dòng)態(tài)調(diào)控理論 及其 綜合集成智能系統(tǒng)。 （ 2）研究特色 針對(duì)性 ： 特別強(qiáng)調(diào)開(kāi)展地質(zhì)背景、成災(zāi)規(guī)律、高應(yīng)力強(qiáng)卸荷下深部巖體結(jié)構(gòu)演化的跨尺度建模理論及其與應(yīng)力的協(xié)同和轉(zhuǎn)化控制的研究，為進(jìn)一步力學(xué)分析打下基礎(chǔ)。 從我國(guó)深部工程地質(zhì)條件和高應(yīng)力環(huán)境出發(fā)，針對(duì)制約 我國(guó)深部工程災(zāi)害事故多發(fā)所涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行基礎(chǔ)研究，目的是建立我國(guó)深部巖體結(jié)構(gòu)與高應(yīng)力強(qiáng)卸荷協(xié)同控制的基本理論 及 控制深部水利水電 、 交通 、國(guó)防 工程 和 深部金屬礦山 等 事故發(fā)生。 前瞻性 ：根據(jù)我國(guó)深部水利水電 、 交通 和國(guó)防 工程以及深部金屬礦山的發(fā)展?fàn)顩r和 未來(lái)發(fā)展需求以及 目前深部工程開(kāi)挖高應(yīng)力強(qiáng)卸荷 誘發(fā)的重大災(zāi)害（高強(qiáng)度巖爆、 持續(xù) 大變形和大體積塌方）事故多發(fā)的實(shí)際 ，對(duì)深部工程開(kāi)挖和深部金屬礦山開(kāi)采中的災(zāi)害機(jī)理與防治 的 基礎(chǔ)理論問(wèn)題進(jìn)行研究，將為未來(lái)我國(guó)深部水利水電 和 交通工程 等 安全建設(shè)和運(yùn)行以及深部金屬礦產(chǎn)資源大規(guī)模 安全開(kāi)采奠定 必要的 理論基礎(chǔ)，具 有 明顯的前瞻性。 綜合性 ：本項(xiàng)目研究充分體現(xiàn)多學(xué)科交叉與 融合 的特點(diǎn)，涉及工程地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、采礦工程、地球物理勘探、人工智能、系統(tǒng)科學(xué)和安全工程等多學(xué)科理論與方法，是一項(xiàng)綜合性極強(qiáng)的研究項(xiàng)目。結(jié)合已掌握的大量深部工程災(zāi)害案例和地質(zhì)與地應(yīng)力信息，從室內(nèi)與物理模擬實(shí)驗(yàn)、深部實(shí)驗(yàn)工程的現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)、理論分析、數(shù)值模擬等多手段和多方法的綜合集成 ，從高應(yīng)力、強(qiáng)卸荷作用下 深部 圍巖的能量和應(yīng)力傳播的角度進(jìn)行研究，建立其安全分析、時(shí)空預(yù)測(cè)理論和動(dòng)態(tài)調(diào)控方法， 符合本項(xiàng)目作為應(yīng) 用基礎(chǔ)研究的特點(diǎn)，這種理論與實(shí)際結(jié)合的研究，可使研究的理論和方法真正對(duì)深部工程重大災(zāi)害的防治發(fā)揮科學(xué)的指導(dǎo)作用。 系統(tǒng)性 ：本項(xiàng)目圍繞深部工程（隧道、隧道、硐室群）和深部金屬礦山重大災(zāi)害的防治， 以若干西部地區(qū)深部重大工程為背景，從深部地質(zhì)基礎(chǔ)、高應(yīng)力環(huán)境、共性問(wèn)題 (高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷 與爆破 動(dòng)力作用 下 裂隙巖體與圍巖的力學(xué)行為 )，到針對(duì)不同災(zāi)害環(huán)境 (高強(qiáng)度巖爆、持續(xù)大變形 和 大體積塌方 )系統(tǒng)地開(kāi)展重大工程的安全 性 研究，提出動(dòng)態(tài)調(diào)控方法， 可形成一套完整的深部工程重大災(zāi)害防治理論和方法；圍繞深部工程重大災(zāi)害預(yù)測(cè)的科學(xué)問(wèn)題 ，本項(xiàng)目從時(shí)空預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)體系、實(shí)時(shí)預(yù)警的方法進(jìn)行全方位的研究，將為深部工程重大災(zāi)害的可靠預(yù)報(bào)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)；在深部工程重大災(zāi)害控制方法的研究中，將防止災(zāi)害發(fā)生的深部工程全局優(yōu)化理論研究和變害為利的開(kāi)采方法研究進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，對(duì)促進(jìn)高效開(kāi)采和安全開(kāi)采的雙向發(fā)展具有重要意義。 4、 可行性分析 通過(guò) 5年系統(tǒng)研究，本項(xiàng)目可望取得重大突破，理由如下： (1) 我國(guó)西部正在進(jìn)行 大規(guī)模 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其中包括許多國(guó)家級(jí)重大工程。在西部特殊地質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行國(guó)家的重大工程建設(shè)以及金屬礦山開(kāi)采深度的增加將遇到許多急需解決的防災(zāi)減災(zāi)和安全性問(wèn) 題，許多帶有共性的科學(xué)技術(shù)難題沒(méi)有得到很好解決，這些將成為該項(xiàng)目取得重大突破的巨大動(dòng)力和機(jī)遇。 (2) 由于本項(xiàng)目針對(duì)高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用，采用多學(xué)科交叉，并對(duì)巖體結(jié)構(gòu)應(yīng)力協(xié)同控制與轉(zhuǎn)化模型和對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度建模的研究，為進(jìn)一步在災(zāi)害的機(jī)理、時(shí)空預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控理論研究方面取得重大突破打下堅(jiān)實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)。 (3) 在充分掌握深部巖體結(jié)構(gòu)特征和高地應(yīng)力環(huán)境的基礎(chǔ)上， 通過(guò)一系列室內(nèi) 動(dòng)靜載結(jié)合、宏細(xì)觀結(jié)合的 實(shí)驗(yàn)和實(shí)際深部 實(shí)驗(yàn) 工程的現(xiàn)場(chǎng) 系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)，可以較好 地 揭示高應(yīng)力強(qiáng)卸荷下的 裂隙 圍巖變形 孕育演化與成災(zāi)的 機(jī)理， 在此基礎(chǔ)上可以針對(duì)性 地 建 立典型災(zāi)害的判據(jù)、理論模型、安全監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、時(shí)空預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和動(dòng)態(tài)調(diào)控理論。這 不僅保證了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法對(duì)不同災(zāi)害類(lèi)型形成機(jī)理和特點(diǎn)的針對(duì)性，又可以很好地適應(yīng)不同災(zāi)害預(yù)測(cè)的特點(diǎn)和要求，可以實(shí)現(xiàn)深部重大工程災(zāi)害的準(zhǔn)確時(shí)空預(yù)測(cè) 。同時(shí)根據(jù)災(zāi)害孕育演化過(guò)程的特征和成災(zāi)條件 ，合理確定調(diào)控的時(shí)機(jī)，達(dá)到避災(zāi)的目的。 基于開(kāi)挖過(guò)程中實(shí)際揭示的圍巖地質(zhì)、應(yīng)力條件和力學(xué)行為等的信息更新的動(dòng)態(tài)調(diào)控，可以使得調(diào)控措施做到適時(shí)合理。孕災(zāi)過(guò)程的時(shí)空預(yù)測(cè) 動(dòng)態(tài)反饋分析 可以 實(shí)現(xiàn)深部工程施工全過(guò)程中快速 閉環(huán)反饋分析與災(zāi)害動(dòng)態(tài)調(diào)控。 (4) 以往 深部金屬礦山礦石和回采巷道的開(kāi)挖需要采用 先 鉆孔后裝炸藥進(jìn)行爆破將其碎裂來(lái)實(shí)現(xiàn)。這 一過(guò)程 可以通過(guò)應(yīng)力集中調(diào)整和高能量轉(zhuǎn)移到需要采礦破巖的位置，誘發(fā)礦巖破碎來(lái)實(shí)現(xiàn)， 既能 減少裝藥量而達(dá)到同樣的破巖效果，又能減少或避免巖爆的發(fā)生 ，從而建立新的深部開(kāi)采理論和模式。 (5) 既然深部重大災(zāi)害的時(shí)空預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控存在數(shù)據(jù)不確定性 和信息不完備性 ，多方法 、 多 元 信息 、 各課題創(chuàng)新成果的綜合集成 和基于動(dòng)態(tài)信息更新的研究，建立 綜合集成智能系統(tǒng) ， 有助于提高結(jié)果的可靠性，可以很好地適應(yīng)深部重大工程災(zāi)害預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài) 調(diào)控多信息、多手段、多方法、快速分析的特點(diǎn)和要求。 (6) 將所建立的理論對(duì)我國(guó)典型深部 水電隧洞和洞室群、深部金屬礦山 工程進(jìn)行應(yīng)用研究， 即可 解決 實(shí)際 工程安全難題， 又可 使 所建立的理論得到 進(jìn)一步驗(yàn)證。 (7) 研究隊(duì)伍以來(lái)自國(guó)內(nèi)深部工程 和金屬礦山 安全 研究方面很有造詣的中青年專家為主，實(shí)現(xiàn)了老中青結(jié)合，具有多年共同承擔(dān) 973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大、重點(diǎn)和國(guó)際合作重大項(xiàng)目的經(jīng)歷和良好合作研究經(jīng)驗(yàn)， 具有扎實(shí)的研究基礎(chǔ)、較強(qiáng)的研究實(shí)力和必要的研究條件，對(duì)深部工程災(zāi)害的地質(zhì)條件、地應(yīng)力環(huán)境、孕育演化機(jī)理和防治研究的難點(diǎn)、可能取得突破的科學(xué)方向和學(xué)科前沿有深刻的理解和把握 。 5、 各課題間相互關(guān)系 設(shè)置 6 個(gè) 課題 ， 緊密?chē)@ 所凝練出的 4 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，以 深部重大工程災(zāi)害的孕育 演化 調(diào)控 避災(zāi)的全過(guò)程 為 主線開(kāi)展系統(tǒng)的研究。課題 1 是基礎(chǔ)，研究的是地質(zhì)條件和地應(yīng)力環(huán)境。課題 2 是從宏細(xì)觀角度研究 裂隙結(jié)構(gòu) 巖體在高應(yīng)力強(qiáng)卸荷環(huán)境下的力學(xué)行為 及其演化規(guī)律 。課題 3 研究的對(duì)象是將課題 2 的 裂隙 巖體拓展到 這種 巖體在高應(yīng)力環(huán)境中開(kāi)挖形 成的圍巖，在課題 2 的基礎(chǔ)上研究該圍巖在高應(yīng)力強(qiáng)卸荷下的 分區(qū)破裂 化形成和演化的機(jī)理與時(shí)效性特征。課題 4和 5是在課題 3的基礎(chǔ)上研究高應(yīng)力強(qiáng)卸荷下具有不同 力學(xué)行為 的圍巖發(fā)生 典型重大災(zāi)害 （高強(qiáng)度巖爆、持續(xù)大變形和大體積塌方） 的機(jī)理，課題 6 是在課題 4、5 的基礎(chǔ)上提出與災(zāi)害孕育演化特征相適應(yīng)的時(shí)空預(yù)測(cè)方法和動(dòng)態(tài)調(diào)控 理論 ， 集成 前 5 個(gè)課題 和本課題的 研究成果 建立集成系統(tǒng) 。 課題 1、深部巖體結(jié)構(gòu)與地應(yīng)力特征及其對(duì)災(zāi)害的控制作用 預(yù)期目標(biāo)： 圍繞 本 項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題一 “深部巖體結(jié)構(gòu)與地應(yīng)力特征及其對(duì)災(zāi)害 的 控制作用 ”，建立深部巖體結(jié)構(gòu) 和 地質(zhì)缺陷的正反演理論 、 深部巖體結(jié)構(gòu) 的參數(shù)化 模型 ，提出高精度的深部地應(yīng)力測(cè)試與確定新方法，建立深部 巖體 力學(xué)行為的 結(jié)構(gòu) 和 應(yīng)力協(xié)同控制 以及由結(jié)構(gòu)控制轉(zhuǎn)化為應(yīng)力控制的判據(jù)，提出強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)地區(qū)長(zhǎng)大 工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演 理論， 建立我國(guó) 典型深部 重大工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的形成 及其高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng)卸荷擾動(dòng) 演化模型。為深部重大工程災(zāi)害的可靠預(yù)測(cè) 和調(diào)控 奠定地質(zhì) 和地應(yīng)力 基礎(chǔ)。 研究?jī)?nèi)容： 1、深部巖體結(jié)構(gòu) 的參數(shù)化 模型及其力學(xué)效應(yīng) 研究 彈性波反射類(lèi)（陸地聲納法、 法 和 瞬變電磁 結(jié)合的工作面前方巖體結(jié)構(gòu)綜合反演理論、 深 部巖體結(jié)構(gòu) 的 空間幾何參數(shù)快速獲取系統(tǒng) 和 結(jié)構(gòu)面層次與尺度變化的規(guī)律，建立 包含 結(jié)構(gòu)面體積密度和空間 深部巖體結(jié)構(gòu)參數(shù) 化 模型 ；揭示 深部高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下多組結(jié)構(gòu)面的力學(xué) 、 形態(tài)、產(chǎn)狀組合 和尺度 等 效應(yīng) ，建立其力學(xué)效應(yīng)模型 。 2、 高精度的大埋深地應(yīng)力測(cè)試與確 定方法 提出基于 鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除法 的高精度、大埋深 地應(yīng)力 測(cè)試 新方法 ，研究鉆孔孔壁應(yīng)力和應(yīng)變特征，揭示應(yīng)力解除過(guò)程中所要解除卸載的巖芯直徑與解除深度之間的定量關(guān)系，研究應(yīng)力解除過(guò)程中巖芯表面的應(yīng)變值隨解除深度的變化關(guān)系，提出三維地應(yīng)力張量計(jì)算分析模型。 3、 深部巖體 力學(xué)行為的 結(jié)構(gòu) 高應(yīng)力協(xié)同控制與轉(zhuǎn)化機(jī)制 研究 深部巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場(chǎng)相互作用的關(guān)系，探討深部巖體結(jié)構(gòu)與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)之間的成生關(guān)系，建立深部巖體 力學(xué)行為的 結(jié)構(gòu)與應(yīng)力協(xié)同控制模型； 研究 深部圍巖應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)的變化對(duì)巖體結(jié)構(gòu)行為的影響 規(guī)律、 各類(lèi)巖體結(jié)構(gòu)對(duì)巖 體力學(xué)行為的 作用 由不控制控制強(qiáng)烈控制的過(guò)程機(jī)制，建立 深部 巖體 力學(xué)行為的 結(jié)構(gòu)控制轉(zhuǎn)化的應(yīng)力判據(jù)。 4、 深部長(zhǎng) 大工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng) 分布特征與 開(kāi)挖 強(qiáng) 卸荷下 的 擾動(dòng)規(guī)律 揭示 強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)地區(qū)深部長(zhǎng) 大工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)成因、分布特征及其與地形地貌、巖體特性、臨近構(gòu)造和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)聯(lián)性， 提出反映復(fù)雜的地形地貌、深切河谷、斷層褶皺形成過(guò)程和非線性邊界特征的強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)區(qū)長(zhǎng)大 工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演 理論 ，建立我國(guó) 典型深部長(zhǎng) 大工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布和 活動(dòng)構(gòu)造 影響規(guī)律模型。 提出深部工程圍巖應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法及開(kāi)挖強(qiáng)卸荷下圍巖應(yīng)力場(chǎng)的演化分析 方法，揭示高應(yīng)力開(kāi)挖強(qiáng) 卸荷作用下工程區(qū) 不同結(jié)構(gòu) 巖體 的 應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移 的 機(jī)制 、 地應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng) 的機(jī)理及其 分區(qū)分布特征及影響因素 ， 建立我國(guó) 典型深部長(zhǎng) 大工程區(qū) （深埋特長(zhǎng)隧道、特大型硐室群、深部采場(chǎng)群等） 地應(yīng)力場(chǎng)的形成及其開(kāi)挖強(qiáng)卸荷擾動(dòng) 演化模型 。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 課題負(fù)責(zé)人： 李海波 學(xué)術(shù)骨干： 葛修潤(rùn)、韋昌富、伍法權(quán)、尚彥軍、祁生文、羅超文、張勇慧、劉亞群 課題 2、高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下多組裂隙巖體宏細(xì)觀力學(xué)行為 預(yù)期目標(biāo)： 圍繞 本 項(xiàng)目擬解決的 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 二 “深部強(qiáng)卸荷作用下裂隙巖體 和 圍巖力學(xué)行為與演化規(guī)律 ”，系統(tǒng)研究深部巖體裂隙系統(tǒng)的宏細(xì)觀幾何形態(tài)、分布、結(jié)構(gòu)特征，提出多組裂隙巖體的跨尺度結(jié)構(gòu)分形張量表征方法； 揭示 高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下深部裂隙巖體的宏細(xì)觀變形機(jī)理、破壞規(guī)律和強(qiáng)度特性；提出高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下多組裂隙系統(tǒng)的演化與宏觀力學(xué)特性關(guān)系的多尺度理論模型，建立 用于裂隙巖體力學(xué)行為演化分析的 斷續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論。為深部重大工程災(zāi)害的動(dòng)態(tài)孕育演化機(jī)制與調(diào)控理論 研究 提供基本參數(shù)和理論模型。 研究?jī)?nèi)容： 1、深部多組裂隙巖體的跨尺度結(jié)構(gòu) 表征方法及演化規(guī)律 系統(tǒng)研究深部巖體裂隙系統(tǒng)的宏細(xì)觀幾何形態(tài)、分布、結(jié)構(gòu)特征，基于分形張量理論提出多組裂隙巖體的跨尺度結(jié)構(gòu)分形張量表征方法；在裂隙網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)面細(xì)觀描述的基礎(chǔ)上，借助工業(yè) 野外地質(zhì)調(diào)查，研究高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下深部多組裂隙巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的時(shí)空演化規(guī)律。 2、高應(yīng)力強(qiáng)卸荷深部多組裂隙巖體的宏細(xì)觀變形破壞機(jī)理及力學(xué)特性 采用 工業(yè) 伺服試驗(yàn)系統(tǒng)和新型硬巖高壓伺服真三軸試驗(yàn)機(jī) ，從細(xì)觀到宏觀研究高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下深部裂隙巖體的宏細(xì)觀變形機(jī)理、破壞規(guī)律和強(qiáng)度特性；獲得不同加卸載速率和路徑下深部裂隙 巖體的屈服、峰值應(yīng)力曲面、峰后力學(xué)行為及全過(guò)程曲線， 考慮裂隙的隨機(jī)分布及生成演化過(guò)程，建立深部裂隙巖體多尺度變形破壞模型； 基于能量耗散和釋放理論建立高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下深部裂隙巖體的強(qiáng)度準(zhǔn)則和破壞模式判據(jù)。 3、深部裂隙巖體多尺度結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特性的關(guān)系及斷續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論 建立高應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下多組裂隙系統(tǒng)的演化與宏觀力學(xué)特性關(guān)系的多尺度理論模型； 研究 深部 多組裂隙 巖體的強(qiáng)度特性、峰值 后 變形破壞 特性 及其演化規(guī)律 ， 基于隨機(jī)力學(xué)和尺寸效應(yīng)原理， 建立深部 裂隙 巖體 斷裂損傷本構(gòu)模型及其變形破壞準(zhǔn)則 ；研究跨尺度的非均質(zhì)廣義 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，應(yīng)用非平衡態(tài)熱力學(xué)理論，從裂隙系統(tǒng)的時(shí)空演化出發(fā)，提出多組裂隙巖體斷續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型；基于分形介質(zhì)力學(xué)模型發(fā)展深部多組裂隙巖體的數(shù)值計(jì)算模型，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的數(shù)值分析軟件。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）、山東大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 左建平 學(xué)術(shù)骨干： 李樹(shù)忱、易成、張瑞新、宋彥琦、毛靈濤、李海燕、薛翊國(guó) 課題 3、深部圍巖分區(qū)破裂機(jī)理及其時(shí)間效應(yīng) 預(yù)期目標(biāo)： 圍繞 本 項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 二 “深部強(qiáng)卸荷作用下裂隙巖體 和 圍巖力學(xué)行為與演化規(guī)律 ”，探明深部巖體開(kāi)挖地應(yīng)力瞬態(tài)釋放機(jī)制 ， 提出 地應(yīng)力瞬態(tài)釋放力學(xué)模型及誘發(fā)圍巖響應(yīng)的計(jì)算 方法， 揭示 深部圍巖 局部應(yīng)變?cè)隽康哪孓D(zhuǎn)效應(yīng)的物理力學(xué)機(jī)理及與分區(qū)破裂化現(xiàn)象的關(guān)系 、 加卸載波與分區(qū)破裂化之間的關(guān)系 以及 圍巖強(qiáng)度及初始裂隙度對(duì)分區(qū)破裂化現(xiàn)象 的 影響 規(guī)律 ， 建立 能 考慮巖體的拉伸 、 剪脹和剪縮 等多種破壞的 強(qiáng)度準(zhǔn)則 、 準(zhǔn)連續(xù)局部剪切變形的彈塑性模型 和能分析大 剪切滑移位移的彈塑性本構(gòu)模型 ，提出高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下深部圍巖 分區(qū)破裂 化形成與演化過(guò)程的數(shù)值分析方法 。為利用分區(qū)破裂化現(xiàn)象進(jìn)行深部 工程災(zāi)害 的 孕育演化機(jī)制、 防治 和 礦藏的高效開(kāi)采等提供理論基礎(chǔ)。 研究?jī)?nèi)容： 1、 深部巖體 爆破 開(kāi)挖地應(yīng)力瞬態(tài)釋放 機(jī)制及計(jì)算方法 針對(duì)深部巖體的鉆孔爆破開(kāi)挖，研究與開(kāi)挖斷面上爆破方式及微差起爆順序?qū)?yīng)的巖體分步開(kāi)挖荷載 ， 建立描述新開(kāi)挖面（卸荷邊界）形成過(guò)程圍巖地應(yīng)力瞬態(tài)釋放的方式及在開(kāi)挖面上時(shí)間、空間演化規(guī)律的力學(xué)模型 ， 研究壓（拉）荷載和 剪切荷載瞬態(tài)卸荷誘發(fā) 動(dòng)力破壞 的機(jī)理及計(jì)算模型 以及 爆炸荷載與巖體應(yīng)力瞬態(tài)卸荷聯(lián)合作用的耦合分析計(jì)算方法， 為 探明深部圍巖分區(qū)破裂化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制 奠定基礎(chǔ) 。 2、 深部工程圍巖復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下強(qiáng)度理論與峰后變形性狀力學(xué)模型 在一種新的應(yīng)力狀態(tài)分解組合下，建立 能 考慮巖體的拉伸破壞 、 剪脹破壞和剪縮破壞 新 強(qiáng)度準(zhǔn)則。擴(kuò)展傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論框架，引入間斷位移場(chǎng)的概念，描述材料的峰后變形行為，建立準(zhǔn)連續(xù)局部剪切變形的彈 脆 塑性模型。 3、 深部巖體的內(nèi)稟特性對(duì) 分區(qū)破裂化時(shí)間 演化 的 影響規(guī)律 研究巖石局部變形增量的逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象的形成條件 、 機(jī)理 、 數(shù)學(xué)描述 方法及其 與分區(qū)破裂化現(xiàn)象的關(guān)系 ； 研究深部巖體強(qiáng)度、原始裂隙度不同對(duì)圍巖分區(qū)破裂化時(shí)間過(guò)程影響的物理機(jī)理 、 開(kāi)挖速度對(duì)圍巖破壞影響的物理機(jī)理；依據(jù)提出的巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則與塑性流動(dòng)理論，建立剪切滑移位移較 大 時(shí)的彈塑性本構(gòu)模型；研究深部巖體強(qiáng)度、原始裂隙度不同對(duì)圍巖分區(qū)破裂化時(shí)間過(guò)程影響的數(shù)學(xué)模型。 4、 高地應(yīng)力卸荷復(fù)合波動(dòng) 作用與 分區(qū)破裂化形成的 機(jī)理 根據(jù)深部工程圍巖卸荷引起應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)變狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，揭示深部工程圍巖卸荷引起的徑向卸載波和環(huán)向加載波復(fù)合作用的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征；弄清深部圍巖卸荷引起的 復(fù)合動(dòng)力波動(dòng)參數(shù)與巖爆發(fā)生的關(guān)系；得到深部工程圍巖卸荷引起的復(fù)合動(dòng)力波動(dòng)特征參數(shù)與分區(qū)破裂化時(shí)間與空間構(gòu)造之間的關(guān)系 ， 提出高應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下深部圍巖 分區(qū)破裂 化形成與演化過(guò)程的數(shù)值分析方法。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)、武漢大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 王明洋 學(xué)術(shù)骨干： 周豐峻、戚承志、盧文波、唐德高、趙躍堂、舒大強(qiáng) 課題 4、深部硬巖爆破開(kāi)挖誘發(fā)巖爆與碎裂誘變機(jī)理 預(yù)期目標(biāo)： 圍繞 本 項(xiàng)目擬解決的 關(guān)鍵 科學(xué)問(wèn)題 三 “深部重大工程災(zāi)害時(shí)空孕育演化動(dòng)力學(xué)過(guò)程與成災(zāi)機(jī)理 ”， 揭示 深部高應(yīng)力 爆破開(kāi)挖擾動(dòng)下 礦巖應(yīng)力 和能量的 孕育 、傳遞 與釋放機(jī)理 和規(guī)律，建立考慮高應(yīng)力強(qiáng)卸荷爆破動(dòng)力擾動(dòng)耦合作用下硬巖的 強(qiáng)度準(zhǔn)則 、 本構(gòu)模型 和 發(fā)生巖爆的判據(jù)，提出深部爆破開(kāi)挖 誘發(fā) 巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；建立 巖爆能量向工程破巖動(dòng)能轉(zhuǎn)換 的 條件 與判據(jù) ， 提出 深部硬巖開(kāi)挖與災(zāi)害控制 互換 的理論 模 型 。為巖爆的時(shí)空預(yù)測(cè)、調(diào)控和 實(shí)現(xiàn)深部災(zāi)害源能量的良性利用 奠定理論基礎(chǔ) 。 研究?jī)?nèi)容： 1、高應(yīng)力 爆破 開(kāi)挖擾動(dòng)下硬巖的破壞特征 與機(jī)制 從模擬深部硬巖開(kāi)挖中巖體 的 受力特征入手， 提出 大尺寸巖塊動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn) 方法，建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)，開(kāi)展不同動(dòng)載擾動(dòng)下和快速卸 載下高應(yīng)力硬巖的破壞 過(guò)程 實(shí)驗(yàn)，探討不同幅值、延時(shí)的動(dòng)力擾動(dòng)下高應(yīng)力硬巖中裂紋與應(yīng)力波的相互作用規(guī)律，分析其損傷累積過(guò)程、能量的聚 集、 耗散與 釋放 規(guī)律；揭示深部鉆爆、快速卸載等工程擾動(dòng)對(duì)深部高儲(chǔ)能礦巖的誘發(fā)破壞作用，建立相應(yīng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)模型。 2、不同 爆破 開(kāi)挖條件下高應(yīng)力 圍巖 的能量釋放與巖爆機(jī)理 研究深部硬巖開(kāi)挖布局、速度、時(shí)序與采場(chǎng)地壓轉(zhuǎn)移的時(shí)空分布規(guī)律 ，揭示不同 爆破 開(kāi)挖條件下 深部硬 巖的裂紋萌生 與擴(kuò)展及 能量釋放規(guī)律 ，建立 能量釋放與巖爆強(qiáng)度、頻 率 的相互關(guān)系， 揭示 單次巖爆孕育與大規(guī)模巖爆迸發(fā)過(guò)程中的能量傳遞機(jī) 制和災(zāi)害誘發(fā)機(jī)理 ，建立高應(yīng)力強(qiáng)卸荷動(dòng)力擾動(dòng)耦合作用下巖爆新判據(jù)和深部爆破開(kāi)挖 誘發(fā) 巖爆 的 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 。 3、巖爆型破裂與人工誘導(dǎo)碎裂的互換機(jī)制 通過(guò)關(guān)鍵部位鉆孔等人工誘導(dǎo)方式對(duì)硬巖高應(yīng)力進(jìn)行能量誘導(dǎo)釋放，研究 高應(yīng)力條件下 不同鉆孔布置和鉆鑿間歇對(duì)原巖破裂效果和破壞形式的影響 規(guī)律 ； 揭示 高應(yīng)力硬巖巖爆型破裂與人工誘導(dǎo)碎裂間的本質(zhì)區(qū)別 與 轉(zhuǎn)化機(jī)制； 建立 巖爆能量向工程破巖動(dòng)能轉(zhuǎn)換 的 條件 與判據(jù) ， 提出 深