深部多场耦合岩体致灾能量诱变试验系统项目简介
发布时间：2020-01-01
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立项意义
随着对矿产资源需求量的增加和浅部资源的不断消耗，我国未来矿产资源开发将全面进入第二深度空间（1000~2000 m）范围内的深部矿床，矿山深部开采将成为常态。进入深部开采后，赋存于“三高”环境的岩体具有能量源和能量汇的特性。在不同工程活动方式诱发下，深部高应力场、高温度场、高渗压场等多场耦合作用下岩体能量的积聚与释放是深部开采灾害频发的根源。例如由于爆破、落矿、凿岩等的动力扰动引起岩体变形能释放导致深部动力灾害问题；由于开采深度增加引起高压水势能，开采扰动下岩体裂隙延伸致使水力渗流突变成灾；由于原岩温度不断升高，加之金属硫化矿的自燃和火灾等致使深部矿山开采高温热害问题日益严重。深部不可避免的面临着动力灾害、水害和热害等诸多严峻挑战，探索深部开采过程中高储能岩体致灾机理并以此创新深部致灾能量利用策略是亟待突破的重大科学问题。
在深部资源开采中，岩体中所储存的变形能、水力势能和地温能在工程扰动下的致灾过程，具有多场耦合的连锁效应。应对深部岩体灾变所导致的动力灾害、水害和热害等诸多挑战，必须深入贴近深部环境，联合探索深部开采诱发储能岩体动力灾害的驱动机制和防控技术；突破深部采动岩体的水力渗流突变成灾机理及水资源利用瓶颈；拓宽深部岩体温压耦合下动静力学特性研究和热害治理对策。在深部高储能岩体致灾机理研究的基础上，以“变害为利”为指导思想，不断促进深部动力灾害能量向工程有益破岩能量的方向转化，不断促进深部高势能水害向深部水力驱动媒介方向转化，不断促进深部高温热害向热源多向利用的方向转化。
开展多场耦合下储能岩体致灾机理和灾害防控技术研究，探索深部开采诱发储能岩体动力灾害的驱动机制、深部采动岩体水力渗流与突变成灾机理和深部岩体温压耦合下动静力学效应等重大科学问题，事关我国深部矿产资源、深部灾害的防灾与减灾、深部资源的合理开发与有效利用等领域。本项目瞄准深部资源开采前沿，突破试验技术瓶颈，在前期研究基础上实施自主研发，研制具有我国自主知识产权的深部多场耦合岩体致灾能量诱变试验系统。为揭示深部多场耦合状态下岩体的工程灾变孕育机理和创新深部致灾能量利用策略，提供理论支撑和技术保障。
设计思想
深部多场耦合岩体致灾能量诱变试验系统仪器研制过程中，需要解决诸多基础理论难题，突破诸多关键核心技术。为此，本项目遵循“技术瓶颈突破推动基础理论探索，基础理论推进支撑实践技术创新”的总体研究思路和“满足多场需求，突出扰动特色，功能集成化、结构模块化、设计兼容化”的仪器设计思路，瞄准深部资源开采前沿，突破试验技术瓶颈，在前期研究基础上实施自主研发，研制具有我国自主知识产权的重大科学仪器平台——深部多场耦合岩体致灾能量诱变试验系统。以深部多场耦合状态下岩体致灾能量诱变试验数据为基础，实现深部工程灾害孕育机理的基础理论突破和深部致灾能量利用策略创新，为解决深部岩体动力灾害综合防控、深部水力势能的有益利用和深部热害的有效治理利用等关键技术难题提供理论支撑和技术保障。
总体结构
根据仪器总体设计思想，以及基础理论探索设置功能和技术要求，本项目提出了深部多场耦合岩体致灾能量诱变试验系统的总体结构。如图1所示。仪器的核心子系统有：（1）真三轴应力加载基体平台；（2）扰动集成模拟系统；（3）水势能驱动的动静水力渗流压裂系统；（4）地温模拟系统；（5）高精度同步监测系统。
图1 深部多场耦合岩体致灾能量诱变试验系统的总体结构
仪器性能
具备真三轴加载能力，能够真实模拟深部岩体的初始赋存地应力状态，真三轴静态载荷不小于5000 kN；
具备动静水力加载能力，模拟深部岩体赋存的动静渗流环境，并提供动静水力压裂能量，水压不小于70 MPa，动态频率不小于30 Hz；
能够模拟深部岩体赋存的高地温环境，加温范围20~400 ℃；
能够模拟深部开采过程的多种动力扰动，局部瞬态强动力扰动： 0~1000 kN、101~102 μs；局部高频低载荷扰动：0~300 kN、0~80 Hz；全面动态疲劳： 0~500 kN、0~20 Hz；快速卸载时间：0.05 s；
具备多功能高精度同步监测系统，试验过程中同步监测各类物理参量。