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-2014年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-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。 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-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； 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-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。 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。 三、研究 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 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TBM开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-实验-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CT 断层扫描系统和带SEM的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SEM的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-监测预警-动态反馈分析-调控方法和调控措施识别的闭环方法，实现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 1 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。 2 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。 3 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。 4 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-监测预警-动态反馈分析-调控方法和调控措施识别的闭环方法，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、TSP）方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；面层次与尺度变化的规律，建立深部复杂环境条件下的岩体结构模型； 研究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RQD的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： 17.8% 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CT、SEM和野外地质调查，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CT、带SEM的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：14.3% 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 等级性新型规律；研究 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：16.2% 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，提出深部硬岩开挖与灾害控制互换的理论模型。 经费比例：15.5% 承担单位：中南大学、中国科学院武汉岩土力学研究所 课题负责人：李夕兵 学术骨干：古德生、刘爱华、赵国彦、周子龙、张平、唐礼忠、李启月、汪海滨 课题5、深部岩体强卸荷大变形演化与致灾机理 预期目标： 围绕本项目拟解决的第三个关键科学问题“深部重大工程灾害时空孕育演化动力学过程与成灾机理”，从围岩变形与破坏的宏观监测与测试成果分析入手，研究深部岩体施工过程中由于围岩结构演化和应力调整所产生的变形规律，及其演变为大变形的条件和过程，揭示大变形致灾的模式与后果，建立高应力强卸荷作用下硬岩的非线性大变形分析理论，为深部硬岩大变形的时空预测和动态调控等提供理论依据。 研究内容： 1、深部岩体强卸荷作用下围岩的变形机制 深部岩体高地应力强卸荷条件的围岩变形性质主要有：卸荷回弹、塑性变形、剪胀、流变、岩石基质位错等。采用细观力学的理论和方法，并通过多点位移计、滑动测微计、钻孔成像及室内试验等研究深部围岩在强卸荷作用下的变形性质与变形规律。采用声发射和微震监测手段探测围岩变形与能量释放之间的规律，研究高地应力地区深部硬岩储能释放产生大变形的机制。通过变形监测与测试成果资料的综合分析，辨析控制深部岩体强卸荷作用下硬岩大变形的主要影响因素，尤其要研究产生硬岩大变形的岩体结构效应、围岩地应力效应、围岩渗流效应等。建立能反映强卸荷作用下围岩大变形特征的岩体本构模型，通过与实测结果进行对比分析，验证本构模型的合理性。 2、深部岩体围岩大变形孕育与演化机制 深部岩体强卸荷作用下围岩产生松弛和碎裂，并伴随围岩物理力学性质劣化。特别是开挖扰动区内的岩体在强卸荷过程中有可能孕育不可逆时效大变形。通过室内大型模型试验和现场监测，研究高围压强卸荷条件下，围岩物理力学性状劣化的时空规律及其控制因素；研究孕育围岩大变形的围岩的岩性与结构特征、地应力场特征、爆破开挖的卸荷速率；研究围岩强卸荷大变形演化过程的时效特征及其与围岩结构、应力水平、卸荷速率等因素的相关性。 3、深部岩体围岩大变形致灾机理与模式 深部岩体围岩大变形演化后果大致可以划分为两类，其一是深部结构功能失效，包括尺寸不足、支护结构开裂等；其二是局部或大规模塌方。通过现场试验洞爆破开挖强卸荷围岩变形全过程监测，辅以理论分析和数值模拟，研究围岩大变形致灾机理和灾变模式的形成条件和识别方法；提出深部岩体由大变形向大体积塌方转化的评判准则，为研究深部岩体大变形灾害的动态调控提供灾变模式和时空分布规律。 4、基于多场耦合的围岩大变形分析方法 深部岩体的大变形问题反映了深部岩体的赋存环境（高地应力、高渗透压等）、物理力学性态（结构体）与工程作用（开挖施工扰动、支护过程）的相互作用与相互影响，是一个多场耦合作用问题。这种耦合包括应力场、渗流场、围岩参数场和工程作用。因此，通过多场耦合作用机研究理，建立全面反映深部岩体强卸荷围岩大变形的多场耦合模型，模拟深部岩体整体系统的耦合过程和演化规律；提出深部岩体在多场耦合作用下的围岩大变形分析和灾变模拟方法，为深部岩体大变形预测预报和调控创造条件。 经费比例：15.2% 承担单位：四川大学、武汉大学 课题负责人：邓建辉 学术骨干：姜清辉、张建海、朱哲明、费文平、李典庆、荣冠 课题6、深部重大工程灾害的时空预测与动态调控理论 预期目标： 围绕本项目拟解决的关键科学问题四“深部重大工程灾害孕育演化过程的时空预测与动态调控”，提出深部工程灾害的时空预测的定性定量综合集成方法，建立基于应力、变形、微震和声发射等多元信息的深部工程安全监测预警标准，提出与深部重大工程灾害孕育演化过程特征向适应的动态调控理论以及时空预测-监测预警-动态反馈分析-调控方法和调控措施识别的闭环方法，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，为深部重大工程的安全施工运行和深部资源的安全开采提供关键的理论支撑。 研究内容： 1、高应力下开挖强卸荷作用诱发岩爆的时滞性特征与时空预测方法 通过不同应力路径和卸载速率下脆性岩石的真三轴声发射试验和深埋地下实验洞的岩爆监测（变形、应力、弹性波、钻孔摄像与微震监测等），揭示高应力不同开挖卸荷速率下深埋工程脆性围岩破坏及其时滞性机理、变形和应力演化及能量释放和转换的时间效应；建立考虑复杂高应力状态/路径变化、卸载速率效应与围岩时空弱化特征的脆性围岩强度准则和力学模型，提出能够描述岩爆时滞性和能量释放与转换特征的岩爆时效性力学判据和能量判据及时滞性岩爆孕育演化过程的数值仿真方法；建立时滞性岩爆孕育演化过程的数值预测预报方法、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 开展高应力开挖卸荷和高应力作用峰后的裂隙岩石流变试验和深埋地下实验洞的长期应力变形破坏观测实验，揭示裂隙围岩的高应力-岩体结构控制型大变形破坏的时效特征；建立高应力作用下裂隙围岩的非定常时效特征模型，研究高应力强卸荷-结构控制型大变形诱灾孕育过程特征、成灾条件及其数值模拟分析和预测预报方法；研究高应力大跨度、高边墙巨型洞室群和深埋长大隧洞（道）的大变形诱灾过程中不同阶段的安全性状态与变形、应力等之间的定量关系，建立其施工过程中的变形、应力等安全分级预警管理标准。 3、深部重大工程灾害孕育演化过程的动态调控机制和方法 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）的孕育演化特征和成灾条件的动态优化设计与调控方法：包括通过全局优化工程整体开挖模式（开挖顺序、台阶高度等）与支护方案以及满足工程功能需求和施工可能的局部优化开挖结构和加固措施，以减少应力集中程度、能量聚集程度和释放速率的动态调控方法；根据深部重大工程灾害孕育演化过程的特征和成灾条件的调控时机确定方法；深部金属矿山碎裂诱变主动调控方法；深部重大工程灾害孕育演化过程中的动态反馈分析方法；深部重大工程灾害孕灾过程的时空预测-监测预警-动态反馈分析-调控方法和调控措施识别的闭环方法。 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 融合深部工程区三维地质模型、三维地应力场、空间工程结构与时空变形演化信息、动态反馈分析、岩爆、持续大变形和大体积塌方的综合集成预报、碎裂诱变提高采矿效率和最优开挖模式提高深部工程安全性的动态调控方法、安全监测预警分析与动态调控设计等于一体，建立深部重大工程灾害预测与动态调控的综合集成智能系统。 经费比例：21% 承担单位：中国科学院武汉岩土力学研究所 课题负责人：冯夏庭 学术骨干：周辉、杨成祥、李邵军、潘鹏志、张友良、江权、陈炳瑞 四、年度 研究内容 预期目标 第 一 年 1. 研制和改进项目研究所需的实验系统，包括大尺寸岩块动静组合加载实验系统、高应力硬岩真三轴实验系统、多组裂隙双轴实验系统、摆型波实验系统等。 2. 开展系统的三轴、真三轴加卸载试验、结构面剪切试验、现场原位实验和时间效应实验及监测。 3. 研究基于结构面体积密度和空间RQD的深部岩体结构参数化模型，对典型试验区深部多组裂隙体的跨尺度结构特征做详细调查。 4. 研究爆破开挖围岩地应力瞬态释放的方式及在开挖面上时间、空间演化的规律；研究高应力强卸荷以及动力扰动耦合作用下裂隙岩体的变形破坏过程及机理，以及强烈受压状态下岩体变形增量逆转效应的物理力学机理。 5. 在岩石动静组合加载试验机和真三轴岩石试验机上开展不同组合载荷下的岩石力学实验。 1. 完成试验设备及试验系统的设计和研制。 2. 建立深部岩体不同类型地质缺陷探测的正演理论分析模型，提出深部小断面条件下岩体精细结构的快速获取和描述方法。 3. 获得深部多组裂隙体的宏细观几何形态、分布、结构面特征。 4. 建立高应力强卸荷与动力扰动耦合作用下裂隙岩体的分析模型以及强烈受压状态下岩体变形增量逆转效应的分析理论。 5. 获得动静组合加载下硬岩的损伤累积、能量耗散规律及本构特征；揭示不同幅值、延时的动力扰动对高应力硬岩力学行为的作用规律。 6. 获得高应力强卸荷条件下时滞性岩爆的特征和机理，揭示裂隙围岩的高应力-岩体结构控制型大变形破坏的时效特征及其机理。 7. 揭示高应力强卸荷以及动力扰动耦合作用下裂隙岩体的变形破坏机理。 8. 发表论文20篇，申请发明专利3项。 第 二 年 1. 研究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。 2. 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，分析深部裂隙岩体的强度特性、峰值后变形破坏特性及其演化规律。 3. 研究深部工程围岩复杂应力状态下的力学模型与连续－非连续数值模拟方法，分析分区破裂现象的机理及其时间演化规律。 4. 开展不同动载扰动和快速卸载下高应力硬岩的破坏过程实验和数值仿真研究。 5. 研究可以考虑复杂高应力状态/路径变化、卸载速率效应与围岩时空弱化特征的脆性围岩力学模型和模拟方法；研究能够合理描述岩爆时滞性和能量释放与转换特征的岩爆时效性判据；从定量、定性和综合多个角度出发，研究时滞性岩爆孕育演化过程的预测预报方法。 6. 进行中期。 1. 提出钻孔局部壁面应力全解除地应力实验系统方案。 2. 提出深部裂隙岩体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多组裂隙岩体跨尺度结构的时空演化规律及深部裂隙岩体的宏细观变形机理、破坏规律和强度特性，并完成峰后变形特性理论分析。 3. 建立深部岩体变形破坏的力学模型，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。 4. 揭示不同动载扰动下和快速卸载下高应力硬岩的破坏规律和碎裂机理。 5. 建立时滞性岩爆的力学模型、判据和数值仿真方法，建立时滞性岩爆孕育演化过程的综合集预测预报方法。 6. 发表论文30篇，申请发明专利6项，培养硕士生15名，博士生8名。 7. 完成项目的中期评估。 第 三 年 1. 研究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及方法。 2. 从细观到宏观系统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以及不同加卸载速率和路径下深部裂隙岩体的变形破坏全过程的特征，并基于能量耗散和释放理论研究高应力强卸荷条件下深部裂隙岩体强度准则和破坏模式判据。 3. 研究高应力强卸荷下深部岩体的结构时空演化规律及其宏细观力学特征及其时间效应，分析深部围岩分区破裂化形成与演化的主要影响因素及其影响规律。 4. 分析动力扰动下高应力硬岩破坏的应力与能量转移关系和机制，研究高应力强卸荷－动力扰动耦合作用下岩爆的形成机制和发生判据。 5. 系统分析高应力作用下裂隙围岩力学行为的非定常时效特征，研究高应力强卸荷-结构控制型大变形诱灾孕育过程特征、成灾条件及其预测预报方法，揭示高应力大跨度、高边墙巨型洞室群和深埋长大隧洞（道）的大变形诱灾过程中不同阶段的安全性状态与变形、应力等之间的对应关系及其规律。 1. 建立重大工程区地应力场分布和影响规律模型。 2. 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、强度准则和破坏模式判据。 3. 确定深部围岩分区破裂化形成与演化的主要影响因素及其影响规律。 4. 揭示工程扰动对高储能矿岩破坏的诱发机理及能量传递机制，建立高应力强卸荷－动力扰动耦合作用下岩爆新判据。 5. 提出高应力作用下裂隙围岩的非定常时效特征模型及其数值模拟分析方法，提出岩体发生大变形的损伤张量确定方法，建立大变形诱灾孕育过程的成灾条件和预测预报方法，提出高应力大变形诱灾过程的安全分级预警管理标准，并初步进行工程应用和验证。 6. 发表论文40篇，申请发明专利8项，培养硕士生15名，博士生7名，出版专著2部。 第 四 年 1. 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。 2. 从裂隙系统的时空演化出发研究多组裂隙岩体断续介质力学模型及其数值方法。 3. 研究深部岩体强度、原始裂隙度及开挖地应力瞬态卸荷对围岩分区破裂化时间过程的影响及数学描述，并对理论与数值分析结果进行验证。 4. 开展关键部位钻孔等人工诱导方式对硬岩高应力储能诱导释放试验，研究岩爆型破裂与人工诱导碎裂间的区别与转化可能，探索深部硬岩开挖与灾害控制互换的条件、实现途径等。 5. 研究深部重大工程灾害调控的动态优化设计方法及其动态反馈分析方法和机制，研究深部重大工程灾害孕灾过程的时空预测-监测预警-动态反馈分析-调控方法和调控措施识别的闭环方法。 1. 建立深部裂隙岩体力学行为的结构控制作用转化的应力判据。 2. 建立深部多组裂隙岩体断续介质力学模型和理论，发展三维不连续变形分析软件。 3. 建立深部裂隙岩体断裂损伤本构模型及其变形破坏准则提出深部围岩分区破裂化时间过程的数学描述方法。 4. 提出深部硬岩开挖与灾害控制互换的理论模型。 5. 提出大变形条件下深部岩体多场强耦合作用模型及其灾害（深部结构功能失效和深部岩体大体积塌方）的后果评价方法、多场耦合分析方法与动态调控方法。 6. 提出深部重大工程灾害的动态优化设计与调控方法及动态反馈分析方法，建立深部重大工程灾害孕灾过程的时空预测-监测预警-动态反馈分析-调控方法和调控措施识别的闭环方法。 7. 发表论文40篇，申请发明专利6项，培养硕士生25名，博士生15名，出版专著2部。 第 五 年 1. 研究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、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。 2. 研究控制深部围岩分区破裂演化的开挖和支护设计方法，开展典型深部工程应用研究，检验和完善上述相关理论和方法。 3. 研究深部工程区多元信息和多种分析功能的集成方法，设计开发深部重大工程灾害预测与动态调控的综合集成智能系统；对锦屏II水电站深埋长大引水隧洞等示范工程进行工程应用与验证完善。 4. 项目研究成果的系统集成和完善提高；完成各课题研究报告并审核、汇总，完成课题的总结研究报告编写。 5. 进行项目总结。 1. 揭示高应力开挖卸荷作用下工程区岩体应力场的调整、转移机制及规律和扰动机理。 2. 提出控制深部围岩分区破裂演化的开挖和支护设计方法。 3. 建立深部重大工程灾害预测与动态调控的综合集成智能系统，并进行工程应用。 4. 提交国际岩石力学学会岩石工程设计方法和真三轴实验建议方法；发表论文50篇，申请发明专利4项；培养硕士生25名，博士生20名，出版专著4部。 5. 提交项目总结报告；完成项目验收。 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