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    科学基金“深部岩体力学基础研究与应用”重大项目建立起深部岩体力学理论与技术框架为我国深部资源安全开采提供科学依据

    日期 2009-04-13   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:深部煤炭资源开采是关系我国国民经济可持续发展和能源战略安全的重大问题之一。随着开采深度增加,地质环境趋于复杂,高地应力、高地温、高瓦斯、高水压等引起的突发性工程灾害和重大恶性事故增加,也导致了作业环境恶化和生产成本急剧增加等一系列问题。为解决深部资源开采面临的严峻挑战,国家自然科学基金于2004年3月设立了“深部岩体力学基础研究与应用”重大项目,围绕与深部岩体力学相关的5大基础科学前沿问题开展系统深入的研究,取得了多方面突破性进展。

      我国是一个富煤、少气、缺油的国家。长期以来,煤炭一直是我国的主体能源,在一次性能源结构中占70%左右。随着国民经济的快速发展,煤炭需求将不断增加,煤炭作为我国主体能源的地位在今后几十年内不会改变。同时,我国对其他矿产资源的需求量也不断增长,年需矿石的缺口越来越大。随着浅部资源的逐渐减少和枯竭,地下开采的深度越来越大,目前我国已有大批矿井进入千米以下开采深度。

      随着开采深度增加,地质环境趋于复杂,高地应力、高地温、高瓦斯、高水压等引起的突发性工程灾害和重大恶性事故增加、作业环境恶化和生产成本急剧增加等一系列问题,对深部资源开采提出了严峻挑战。为此,国家自然科学基金于2004年3月设立了重大项目“深部岩体力学基础研究与应用”,针对深部资源开采而引发的“三高一扰动”(高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动)复杂地质力学环境下的关键科学问题,展开基础性、前瞻性和战略性研究,为我国深部资源安全开采提供科学基础。

      该重大项目由中国矿业大学(北京)负责,联合中国人民解放军理工大学、北京科技大学、中国矿业大学、中南大学、辽宁工程技术大学、中国科学院地质与地球物理研究所、东北大学、四川大学和煤炭科学研究总院等单位,三十余位岩石力学领域的知名专家教授合作研究。

      经过4年的努力,项目组围绕“深部构造及地应力场分布特征与变异规律”、“深部岩体力学特性与时效特征”、“深部开采围岩变形破坏机制”、“深部多相多场耦合作用机制”、“深部采场瓦斯渗流及相关的非线性动力学机制”5大科学问题开展了系统、深入的研究工作,构建了理论上有创新、技术上有突破、实验装备上有特色、工程上有验证的深部岩体力学理论和技术初步框架。项目执行期间,获多项奖励,包括自然科学奖二等奖、技术发明奖二等奖、科技进步奖二等奖等;获国家发明专利授权7项。

      针对深部开采出现的岩爆、突水、瓦斯突出、冲击矿压和高温热害等非线性物理力学现象,课题组提出了“深部”的概念。即开采深度达到工程岩体出现非线性物理力学现象的区域及其以下的区间,被称为“深部”。深部复杂的地质力学环境,使得岩体力学行为特性及矿井类型发生转变,浅部的“安全煤层”进入深部后转变成为带有“灾害源”的“非安全煤层”,从而造成工程灾害频发。在此基础上,提出了深部工程的分区,即浅部区、过渡区和深部区。根据深部分区理论,可以判断煤矿事故的不同性质,浅部区发生的事故主要是管理问题;深部区发生的事故主要是科学技术问题;过渡区发生的事故有管理的问题,也有科学技术问题,具体问题需要具体分析,不能一概而论。为了对地下深部工程的难度有一客观的评价,建立了难度系数评价指标,即深部工程所处深度与其临界深度的比值。采用深部工程难度评价指标对比分析南非深部金矿开采及我国深部煤矿开采的资料数据,得出了我国深部煤矿开采难度并不亚于南非深部金矿开采的重要结论。

      针对深部岩爆、软岩大变形、深部围岩分区破裂化以及高温热害等灾害现象,重大项目组研发了硬岩岩爆过程实验系统、破碎岩体渗透性及软岩水理作用测试系统、巷道工程破坏过程及新型真三轴巷道模型实验系统、动静组合加载与卸载实验系统等实验装备,构成了较为系统的深部岩体力学科学实验装备。其中,硬岩岩爆过程实验系统是岩石力学实验的原创性设计与研发,成功完成了国内外首例岩爆过程实验,为深部岩爆机理及其控制研究提供了实验手段。

      同时,该项目大力推进了中青年学术带头人的成长,培养了一支具有国际先进水平的深部岩体力学研究队伍,建立了若干有深部特色的试验基地,为今后我国在此领域的研究打下了很好的基础。




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