区域应力场与开采扰动的多尺度协同机制及冲击地压孕育的多场耦合机理

As for the critical basic issues of geological environment, structural environment, regional stress field, mining disturbance, that are closely related to gestation, prediction and control of rock burst disaster, the paper divides the disaster sources of rock burst into core concepts of core fracture area, energy-releasing area and surrounding “relevant area”. Through the analysis on multi-scale coordination of mining disturbance and regional stress field, the geological factors and the structural factors of regional geology and mine geology, regional structure and mine structure, overlying strata structure and stope structure, are integrated. The multi-field coupling mechanism and multi-scale coupling mechanism of disaster sources and surrounding “relevant area” are analyzed to seek for the potential multi-scale coordination mechanism within the disaster sources of rock burst and between the disaster sources and the surrounding regional stratum, thus establishing force-energy condition and the critical judgment for shock unstability of disaster sources of rock burst. Through dynamic monitoring of the rock mass stress-strain and changes of relevant field parameters of mining disturbance area, surrounding “relevant area” and core area of disaster sources of rock burst, the coordinated variation relationship of the status of disaster sources of rock burst under mining disturbance with multi-field factors of drilling stress-strain effect of surrounding area, pore water pressure effect, ground temperature, exceptional response characteristics before occurrence and advance early warning mode is explored.

针对与冲击地压灾害孕育、预测和控制等方面密切相关的地质环境、构造条件、区域应力场及开采扰动作用等关键性基础问题，提出将冲击地压灾源体分为核心破裂区、释能区以及周边“相关区域”的核心概念，通过开采扰动作用与区域应力场的多尺度协同分析，将区域地质与矿井地质、区域构造与矿井构造、覆岩结构与采场结构等地质因素和构造因素融为一体，通过灾源体与周边“相关区域内”多场耦合机理与多尺度的协同机制分析，寻求开采扰动过程中冲击地压灾源体内部之间及其与周边区域地层之间潜在的多尺度协同机制，建立冲击地压灾源体发生冲击失稳的力-能条件和临界判据。通过开采扰动区域、周边“相关区域”及冲击地压灾源体核心区内岩体应力-应变的动态监测及相关场参数的变化，探求开采扰动作用下冲击地压灾源体状态与周边区域钻孔应变效应、孔隙水压力效应、地温等多场因素的协同变化关系、诱发前的异常响应特征及超前预警模式。

冲击地压是危及深部开采矿井生产安全的重要灾害之一。以深部地层地质环境、构造条件、区域应力场等“多场”分布规律和开采扰动效应分析为基础，对深部开采中冲击地压灾害的孕育、诱发机理和超前预警机制两个关键科学问题开展了研究。.研究分析了岩石微细观结构特性与宏观性能、蓄能特性的相关性，提出了表征岩石材料组分及其微细观结构秩序性特征的物理参量“秩熵”概念，创新建立了深部及构造控制区高应力地层岩体结构与蓄能状态的科学表征与评价方法。.通过分析了岩石材料在高应力状态下秩熵参量与蓄能能力、蓄能水平的相关性及其控制作用，发现并验证了岩石材料秩熵对蓄能能力的控制效应，即熵变释能效应。分析了岩石材料在高应力作用下变形过程中的能量集聚条件和由弱相、到中强相再到强相的临界破裂、损伤区演化与丛集所导致的秩熵增加和蓄能释放，阐明在深部或构造控制区高应力地层中岩体组构的强弱相结构阶变与自组织协同演化及其伴生的能量集聚和释放过程就是冲击源的孕育和诱发过程。.以冲击地压矿井为工程背景，分析并揭示了深部地层岩体中形成冲击地压灾源体的内部结构、构造及环境应力条件及其与周边相关区域的多尺度协同机制。通过现场监测，获得了组成冲击地压孕育系统的冲击源破裂区和冲击源相关区域尺度的空间关系，并证实了冲击地压诱发过程中开采区、开采扰动区和开采扰动相关区域等多个尺度范围内的区域潮汐应力、地应力、孔隙水压的变化存在相关性。.以深部地层高应力岩体在开采扰动作用下的熵变释能效应及其伴生的“多场”响应特征为基础，研发出基于开采扰动效应和相关特征区钻孔应变、孔隙水压变化等信息分析方法，研发出开采扰动“多场”效应监测系统与分析技术，实现了冲击地压事件的超前预警。.研究成果在冲击地压灾害的孕育诱发机理和超前预警技术方面取得关键性突破，对深井开采中的冲击地压灾害防控具有重要意义，为深部地下工程建设和安全保障提供了重要技术支撑。