礦山巖石動力學(xué)研究現(xiàn)狀及展望

摘要：礦山巖石動力學(xué)問題是礦山安全生產(chǎn)的重點和難點問題，具有很強的工程實踐背景，而工程實際中礦山巖石爆破振動、機械開挖擾動、深部“三高一擾動”等環(huán)境下的巖石動力學(xué)問題研究是礦山安全生產(chǎn)和災(zāi)害防治的關(guān)鍵。闡述了近年來礦山巖石動力學(xué)災(zāi)害問題并進行分析，從礦山巖石動力學(xué)理論發(fā)展及階段性成就、研究方法、研究手段三方面總結(jié)歸納，淺析了中國礦山巖石動力學(xué)的研究進展；提出了礦山巖石動力學(xué)發(fā)展中的部分關(guān)鍵性科學(xué)問題并展望了其發(fā)展趨勢，以期為中國礦山巖石動力學(xué)研究提供理論支持。

關(guān)鍵詞：礦山工程；巖石動力學(xué)；災(zāi)害問題；理論發(fā)展；研究方法；新成就

中圖分類號：TD853 TD311文章編號：1001-1277（2025）01-0037-10

文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250107

引言

礦產(chǎn)資源作為經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會發(fā)展和經(jīng)濟增長，其需求量與日俱增。礦產(chǎn)開采逐步從淺部走向地球深部，開采手段也從傳統(tǒng)開采向機械化、智能化和科技化發(fā)展。隨之而來的礦山巖石動力學(xué)災(zāi)害問題也日益突出，如深部開采沖擊地壓問題[1-3]、高地應(yīng)力條件下硬脆巖體的巖爆[4-6]、爆破和機械開采等產(chǎn)生的動載擾動問題[7-91、高烈度地震帶礦區(qū)的震災(zāi)問題[10-12]等系列問題成為研究的重難點。而頻繁發(fā)生的礦山巖石動力學(xué)災(zāi)害事故，帶來巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡的同時，也嚴重制約著礦山的安全生產(chǎn)。

中國礦山巖石動力學(xué)問題的研究最早可以追溯到20世紀60年代初[13]，經(jīng)過近80年的研究和發(fā)展，目前取得了豐碩的成果。但是，中國幅員遼闊、地形地貌豐富多樣，礦山種類繁多、情況復(fù)雜，礦山巖石動力學(xué)災(zāi)害問題更為復(fù)雜和常見，因此，中國礦山安全生產(chǎn)形勢依舊嚴峻。本研究首先分析近10年中國礦山巖石動力學(xué)災(zāi)害問題，說明礦山巖石動力學(xué)深入研究的重要性和迫切性；其次從巖石動力學(xué)的理論發(fā)展及階段性成果、研究方法、研究手段三方面淺析研究現(xiàn)狀；最后在此基礎(chǔ)上指出目前存在的系列關(guān)鍵性科學(xué)問題并對未來發(fā)展方向進行展望，以期對中國礦山巖石動力學(xué)問題的研究和發(fā)展有所裨益。

1中國礦山巖石動力學(xué)事故分析

礦山巖石動力學(xué)問題是礦山生產(chǎn)中常見的安全隱患，在閱讀大量文獻和分析事故資料的基礎(chǔ)上，得出其主要存在以下幾方面問題：①在開挖擾動、機械振動及其他動載荷作用下，礦山邊坡、硐室等抗動載荷響應(yīng)能力不足；②高烈度區(qū)域內(nèi)，礦山構(gòu)筑物、防護體及地面和地下結(jié)構(gòu)所面臨的抗震和防震問題；③爆破施工對邊坡穩(wěn)定性、地下空間穩(wěn)定性及耐久性產(chǎn)生的影響；④深部地下采場中，在“三高一擾動”環(huán)境下發(fā)生巖爆和沖擊地壓等。常見礦山巖石動力學(xué)事故如圖1所示。根據(jù)常見工程中存在的巖石動力學(xué)問題分析結(jié)果，在各類礦山巖石動力學(xué)事故中頻發(fā)且造成重大損失事故的主要有深層巖爆（如圖1-a）所示）、沖擊地壓（如圖1-b）所示）、震災(zāi)（如圖1-c）所示）及由爆破和機械振動引起的動載荷事故等。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2014—2023年，中國僅沖擊地壓災(zāi)害、巖爆災(zāi)害、震災(zāi)及由爆破和機械振動引起的動載荷事故等礦山巖石動力學(xué)事故發(fā)生1000余起，造成直接經(jīng)濟損失超過70億元，導(dǎo)致1000余人死亡，1300余人受傷，具體情況如圖2-a）所示，這不僅給人民生命和財產(chǎn)帶來嚴重威脅，而且極大地制約著中國采礦業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域的進步與健康持續(xù)發(fā)展。由圖2可知：礦山巖石動力學(xué)災(zāi)害事故呈現(xiàn)逐年攀升趨勢，傷亡人數(shù)和經(jīng)濟損失也與日俱增，呈動態(tài)增加的態(tài)勢。而隨著中國持續(xù)高速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源需求量的增加，各類礦山的數(shù)量、規(guī)模將進一步增加，礦山巖石動力學(xué)的深入研究對中國礦山的安全生產(chǎn)、資源利用顯得更為重要。

由此可見，礦山巖石動力學(xué)問題在工程中較為突出，同時它的研究和發(fā)展對礦山的工程建設(shè)、安全生產(chǎn)、災(zāi)害防治、其他相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和國家經(jīng)濟建設(shè)等都有著非常重要的意義。

2礦山巖石動力學(xué)理論發(fā)展歷史及階段性成就

礦山巖石動力學(xué)問題最早開始于19世紀末，初步理論是1912年海姆等為解決巖體開挖力學(xué)計算問題提出的靜水壓力理論。而中國礦山巖石動力學(xué)研究最早可以追溯到20世紀60年代初，大冶鐵礦邊坡穩(wěn)定性研究中的爆破動力效應(yīng)試驗[13]。也可以說，中國學(xué)者對巖石動力學(xué)的研究就是從礦山巖石動力學(xué)開始的。礦山巖石動力學(xué)屬于固體力學(xué)范疇，以彈塑性、黏彈塑性力學(xué)、損傷力學(xué)等理論為其理論基礎(chǔ)，其特殊和復(fù)雜之處在于它的載荷形式為動載荷，在分析和考慮問題時無法忽略材料的慣性效應(yīng)。從發(fā)展進程來看，中國礦山巖石動力學(xué)在近70年的不斷深入研究中逐步發(fā)展、完善并取得了一定的研究成果。因此，在簡單闡述中國礦山巖石動力學(xué)發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，總結(jié)了中國礦山巖石動力學(xué)取得的部分階段性成就。

2.1理論發(fā)展歷史

2.1.1 20世紀在中國的發(fā)展

20世紀70—80年代初，中國礦山巖石動力學(xué)主要服務(wù)于大型國防軍事設(shè)施及相關(guān)大型項目，以及國防建設(shè)、礦山建設(shè)和全國地震構(gòu)造圖冊完善等方面[14-15];1986年，首次在中國召開有關(guān)巖石力學(xué)問題的國際學(xué)術(shù)討論會[16;1987年10月，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會巖石動力學(xué)專業(yè)委員會成立[17]，同時召開相關(guān)會議闡述該學(xué)科是巖石力學(xué)的一個重要分支及與冶金礦山的重要關(guān)系；20世紀90年代末，中國礦山巖石動力學(xué)的研究重點是基礎(chǔ)理論的研究。

在這一階段，許多專家學(xué)者進行了廣泛的研究。例如：李夕兵等[18-19]對巖石在不同加載波條件下礦巖破碎的耗能規(guī)律進行研究、沖擊載荷下巖石動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)珗D測試中的合理加載波形的探討、在不同加載波條件下能量耗散的理論探討、巖石在不同加載波下動載強度的闡述及應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律的研究等；喬河等[20-21]先后對強動載下巖石動態(tài)本構(gòu)關(guān)系進行了試驗研究、爆炸作用下花崗巖動態(tài)本構(gòu)關(guān)系試驗研究及高應(yīng)變率下巖石動態(tài)本構(gòu)關(guān)系試驗研究等；黃理興等[22-23]指出，巖石動力學(xué)的動載荷研究范疇為載荷應(yīng)變率為10-2～10?s-1，這從定性定量角度確定了巖石動力學(xué)的研究范疇等。而后，隨著研究方法、研究手段及研究條件的不斷豐富和完善，礦山巖石動力學(xué)的研究逐漸向深入和細致的角度發(fā)展。

2.1.2 21世紀中國20余年的發(fā)展

礦山巖石動力學(xué)在21世紀近20年的發(fā)展相對較快，從時間上大致分為4個階段：2000—2005年，中國礦山巖石動力學(xué)研究的重點逐漸從基礎(chǔ)理論轉(zhuǎn)向了實踐應(yīng)用，主要涉及大型礦山深部開采、巖石災(zāi)害防治和爆破工程等方面的實際問題；2005—2010年，中國礦山巖石動力學(xué)研究范圍進一步擴大，重點研究內(nèi)容包括巖石斷裂與破壞機理、巖石動態(tài)力學(xué)性能的測試和分析、巖體穩(wěn)定性評價與監(jiān)測等，同時借助新的試驗儀器設(shè)備和數(shù)值模擬方法，研究人員開始探索巖石動力學(xué)的微觀-宏觀尺度耦合問題；2010—2015年，中國礦山巖石動力學(xué)研究在技術(shù)手段和研究方法上開始取得突破，數(shù)字化巖石動力學(xué)試驗技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，大大提高了試驗數(shù)據(jù)的采集和分析效率，同時微觀-宏觀尺度相結(jié)合的研究思路，為巖石動力學(xué)理論的深入發(fā)展提供了更多可能性；2015年以后，中國礦山巖石動力學(xué)研究逐漸注重將其應(yīng)用于實際工程和工業(yè)生產(chǎn)中，研究成果和工程實踐案例的突破性進展得到廣泛關(guān)注，在深部金屬礦山、煤礦瓦斯抽采、大型隧道建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了顯著成果，同時巖石動力學(xué)與地質(zhì)、巖土工程、結(jié)構(gòu)力學(xué)等領(lǐng)域跨學(xué)科合作的學(xué)科交叉應(yīng)用逐漸強化。

在這一階段，隨著巖石動力學(xué)的發(fā)展，礦山巖石動力學(xué)研究逐漸走向豐富和多元化的研究方向。目前，礦山巖石動力學(xué)的理論研究主要涉及巖石介質(zhì)材料的動力特性及相應(yīng)本構(gòu)關(guān)系研究[24-25]、動載波通過地質(zhì)斷裂構(gòu)造時的模型理論與試驗研究[26]、關(guān)于巖石斷裂動力學(xué)的理論研究[27-28]、應(yīng)力波與巖石（體）動力學(xué)相互作用的研究[29-30]等。在這些研究的基礎(chǔ)上，工程中常見的巖爆問題、沖擊地壓問題、震災(zāi)問題及爆破動載問題等的研究熱度與日俱增，也取得了一系列的研究成果。例如：張東奎[3]、劉衛(wèi)東等[32]對巖爆問題的發(fā)生和破壞機理進行了研究；陳則黃等[33]提出基于集成算法和普通機器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合預(yù)測巖爆各個等級，充分發(fā)揮不同算法在某一巖爆等級預(yù)測的優(yōu)勢并形成互補；石增柱等[34]以實際工程災(zāi)害為研究背景，分析了沖擊地壓的顯現(xiàn)特征及發(fā)生機制等。

2.2礦山巖石動力學(xué)部分階段性成就

2.2.1巖石動力學(xué)性質(zhì)與相應(yīng)本構(gòu)關(guān)系研究

掌握礦山巖石（體）的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)及本構(gòu)關(guān)系，是研究礦山動力災(zāi)害事故的基礎(chǔ)，也是礦山巖石動力學(xué)理論不斷完善和發(fā)展的基石，通過本構(gòu)關(guān)系的研究，對防治爆破振災(zāi)、機械振災(zāi)、地震動災(zāi)、巖爆地壓災(zāi)害等有重要意義。目前，許多學(xué)者在這方面展開了研究，并取得了一系列豐碩的成果。例如：夏開文等[35]采用SHPB試驗裝置研究深部巖石動力學(xué)性質(zhì)，從軸向、靜水及三軸等不同圍壓條件下討論巖石在動態(tài)壓縮拉伸彎曲剪切強度下的動態(tài)響應(yīng)特性并進行耦合分析，建立相關(guān)本構(gòu)關(guān)系；杜瑞鋒等[36]為研究砂巖的黏彈性損傷特性，通過等效動變形模量來反映砂巖在動載作用下的損傷變化特點，從微觀和宏觀兩方面出發(fā)推導(dǎo)相關(guān)黏彈性本構(gòu)關(guān)系曲線；鄧勇等[37]從能量消耗角度通過巖石動態(tài)破裂強度、破碎時間和破碎能耗建立了一種研究動態(tài)力學(xué)的模型，以試驗方法分析巖石動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的破壞強度、破壞時間及破壞過程中的能量耗散特征；錢七虎等[25]根據(jù)巖石（體）強度與應(yīng)變率之間的關(guān)系及其機制，提出了強度對于應(yīng)變率依賴關(guān)系的摩爾-庫侖準則，確定了巖石（體）的破壞尺寸與應(yīng)變率之間的關(guān)系等。

2.2.2動載應(yīng)力波傳播與衰減變化規(guī)律研究

研究應(yīng)力波在礦山巖石（體）中的傳播與衰減規(guī)律是研究地震、爆破和機械開采等動載作用下礦山動力災(zāi)害事故的前提。巖石（體）作為應(yīng)力波的傳播媒介由于巖石（體）結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性受巖石（體）結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙、材質(zhì)及構(gòu)造等的影響，因此研究該類動載產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律對進一步研究礦山巖石動力學(xué)問題至關(guān)重要。應(yīng)力波的傳播與衰減規(guī)律的研究，在分析礦山巖石動力學(xué)問題中卓有成效。例如：王愛文等[38]通過建立梯度圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力波透射模型，從波場分解和能量分配角度研究梯度圍巖卸壓帶的密度和入射角對各折、反射波能量系數(shù)的重要影響，揭示了梯度圍巖結(jié)構(gòu)的吸能防沖力學(xué)機理；LYU等[39]為研究煤炭巷道沖擊地壓應(yīng)力防治問題，根據(jù)動載作用下組合承載體應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律及能量耗散的特征，分析煤巖體在阻隔層影響下的應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律、能量耗散特征及表觀破壞程度；褚懷保等[40]在巖石爆破理論分析的基礎(chǔ)上，研究了煤體中爆炸應(yīng)力波的作用機理，借助損傷力學(xué)理論探討了煤體在爆炸應(yīng)力波作用下的損傷斷裂準則，進而研究煤體中爆炸應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律等。

2.2.3礦山爆破動載與破巖機理研究

爆破作業(yè)是礦山開采過程中最為常用的開采手段之一，也是礦山開采時最為常見的動載源。從中國礦山巖石動力學(xué)發(fā)展伊始，便有眾多學(xué)者對礦山爆破動載與破巖機理展開研究。隨著研究方法和研究手段的不斷完善，目前研究的內(nèi)容和深度不斷豐富。例如：金解放等[4]、張平等[42]采用SHPB試驗裝置、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬及理論分析等多種方法研究了巖石及圍巖等在爆破效應(yīng)影響下的響應(yīng)規(guī)律；YE等[43]利用非線性有限元分析軟件模擬爆破產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波在不同級別巖石上隨時間的變化，分析了爆炸應(yīng)力波在不同巖石級別下的傳播衰減規(guī)律；陳何[44]研究了束狀孔爆破存在爆腔形態(tài)轉(zhuǎn)換與準靜態(tài)破巖機理、應(yīng)力波疊加作用與反射拉伸破巖機理、束狀孔爆破漏斗規(guī)律及束狀孔大規(guī)模采礦技術(shù)實現(xiàn)等科學(xué)問題；王明洋等[45-46]在對巖體爆炸與沖擊破壞過程研究中，提出真實變形與破壞過程必須基于微觀物理原理和細觀物理力學(xué)理論，建立工程實用的爆炸和沖擊作用下分階段連貫的不同時空尺寸的動力本構(gòu)模型等。

2.2.4深層地壓巖爆與沖擊地壓機理研究

中國幅員遼闊、地形地貌豐富多樣，礦山種類繁多、情況復(fù)雜，巖爆與沖擊地壓的礦山巖石動力學(xué)災(zāi)害問題是工程中常遇見的情況，礦山開采進入深部地下空間時，沖擊地壓和巖爆事故是常見的深地開采事故災(zāi)害，其發(fā)生機制及預(yù)測預(yù)報預(yù)警的研究是目前的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難題。目前，對巖爆問題的研究主要集中在三大方面[13，17，22，47]：①研究巖爆現(xiàn)象、機理等理論和模型；②巖爆試驗系統(tǒng)的研究與開發(fā)；③相關(guān)風(fēng)險評估和工程中巖爆預(yù)測、預(yù)報方法及控制措施。巖爆和沖擊地壓問題雖然還有待進一步發(fā)展，但也取得了一定的成績。例如：宮鳳強等[48]深入分析巖爆和沖擊地壓的差異解析及深部工程地質(zhì)災(zāi)害關(guān)鍵機理問題；孫嘉豪等[49]、侯克鵬等[50]、宋英華等[5]利用學(xué)科交叉融合的方法將層次分析法、模糊數(shù)學(xué)、灰色關(guān)聯(lián)、遺傳算法、突變理論等理論應(yīng)用到巖爆災(zāi)害問題預(yù)測中，極大地豐富了巖爆的預(yù)測評定方法；鄧樹新等[46]、CHEN等[52采用數(shù)值模擬、高速攝影、微震監(jiān)測及物理試驗等方法不斷對巖爆的破壞機理和破壞形式進行研究。

2.2.5深部礦山開采巖體“三高一擾動”環(huán)境研究

淺部礦產(chǎn)資源日益枯竭，礦產(chǎn)開采進入深部階段，在深部高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓、強采動、強流變及多場耦合的“三高一擾動”復(fù)雜環(huán)境下出現(xiàn)了一系列難題，目前在開采技術(shù)、開采理論方面的研究成為一大熱點。例如：深部開采理論與方法的研究、深部巷道圍巖破壞機理與控制技術(shù)的研究、深部巖體熱力學(xué)與熱能利用的研究等，郭平業(yè)等[53]、何滿潮等[54]系統(tǒng)闡述了礦山工作面受熱害影響的深部礦井中，地?zé)嶂聻?zāi)形式、熱害控制技術(shù)、熱能利用方法等，總結(jié)歸納了近年來已取得的一些成就；謝和平[55闡述深部開采目前存在的一些問題及研究的重點，初步構(gòu)建深部巖體力學(xué)與開采理論研究體系；趙興東等[56]結(jié)合深部開采現(xiàn)狀及經(jīng)驗，提出深部金屬礦超前序次釋壓機理與調(diào)控方法，將采動地壓調(diào)控分為基本地壓調(diào)控和二次地壓調(diào)控等。

3礦山巖石動力學(xué)研究方法與手段發(fā)展

礦山巖石動力學(xué)研究方法主要分為三大類：數(shù)值模擬研究方法、現(xiàn)場試驗研究方法與模型試驗研究方法。它們是分析礦山巖石動力學(xué)最基礎(chǔ)、最重要也是目前最成熟的方法。在此基礎(chǔ)上，采用各種研究手段進一步推動礦山巖石動力學(xué)的發(fā)展。而在礦山巖石動力學(xué)的研究中，主要研究手段按照研究層次分為細觀研究手段、宏觀物理試驗研究手段和宏觀-細觀耦合研究手段3種（如圖3所示）。

3.1礦山巖石動力學(xué)研究方法

3.1.1數(shù)值模擬方法

數(shù)值分析與數(shù)值計算是隨著計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展逐漸興起和推廣的數(shù)值模擬方法，開展動力數(shù)值模擬在中國最早始于20世紀70年代初，主要應(yīng)用于核爆與化爆的工程效應(yīng)，但近年來，數(shù)值計算、數(shù)值仿真被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。數(shù)值模擬方法是綜合應(yīng)用現(xiàn)代計算機技術(shù)和巖石動力學(xué)理論，模擬巖體在不同載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)、破壞過程和變形規(guī)律的研究方法。為了達到準確、可靠的模擬結(jié)果，需要采用一系列數(shù)值模擬方法。目前，礦山巖石動力學(xué)數(shù)值模擬中廣泛運用的方法有：有限元法[571、離散元法[58、邊界元法[39]、黏彈塑性本構(gòu)模型分析法[60]及細觀數(shù)值法[61]等。礦山巖石動力學(xué)問題研究中常用的數(shù)值模擬軟件主要有Flac[62]、LS-DYNA[63]、PFC[64]、UDEC[65]等。

礦山巖石動力學(xué)研究中采用數(shù)值模擬方法取得的研究成果也頗為豐碩。例如：趙文博等[66]對巖石的動態(tài)拉伸力學(xué)性能展開研究，采用霍普金森桿（SHPB）對試件進行不同沖擊速度下的巴西劈裂試驗，研究高應(yīng)變率下花崗巖的動態(tài)抗拉強度、破壞模式及應(yīng)力波形曲線，同時基于LS-DYNA軟件對動態(tài)劈裂試驗進行了數(shù)值模擬對比；王軍祥等[67]基于LS-DYNA數(shù)值模擬方法研究動靜組合SHPB加載下砂巖變形破壞、能量演化特性；趙光明等[68]利用ANSYS數(shù)值模擬軟件模擬SHPB沖擊過程，對比試驗與數(shù)值模擬結(jié)果，分析試件中有效應(yīng)力的傳播過程并提出相關(guān)破壞模式；LIANG等[69]采用數(shù)值模擬的方法，對地下硐室爆破開挖在動應(yīng)力和地應(yīng)力的共同作用下，基于二維動力損傷本構(gòu)模型對不同靜力條件下巖體動態(tài)破壞機制進行研究，分析了不同加載條件下裂紋的產(chǎn)生機理及非均勻性對裂紋擴展的影響；周小平等[70]對光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）法進行改進，以此為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬研究了單軸壓縮條件下巖石破壞規(guī)律；王培濤等[7]建立粗糙裂隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模型，開展數(shù)值模擬試驗研究，分析結(jié)構(gòu)面的空間分布及幾何粗糙度對巖體的破壞模式和聲發(fā)射特性的影響等。

雖然數(shù)值模擬在礦山動力災(zāi)變問題的研究中被廣泛應(yīng)用，從位移變化、應(yīng)力變化綜合分析，研究破壞機理、動載效應(yīng)等方面有較大的優(yōu)勢和便捷性，但受制于礦山動力災(zāi)變問題的復(fù)雜性，數(shù)值模擬的效果和準確性相較于礦山靜力災(zāi)變問題可靠程度有所降低。這主要是巖石（體）介質(zhì)間的物理力學(xué)性質(zhì)差異比較大，所建數(shù)值模擬模型的可靠性問題是模擬時的一大難點，無法在動載模擬時充分考慮巖石（體）的各向異性、巖體缺陷等問題在數(shù)值模擬計算中缺乏較好的解決方法，未能科學(xué)合理地解釋分析。

3.1.2模型試驗研究方法

模型試驗是指在滿足相似原理的條件下，建立與原型相似但縮小尺寸的物理模型開展試驗研究。在力學(xué)模型試驗中，能較真實反映巖體與工程結(jié)構(gòu)間的真實關(guān)系，同時直觀地觀察巖體在開挖開采、爆破振動及其他加載擾動等條件下的受力、變形特征。模型試驗在中國礦山巖石動力學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用，它極大地推動了邊坡、地下硐室及深部礦井等的穩(wěn)定性及破壞機理方面的研究，是大型巖體工程的重要研究方法。

中國最早是一些科研院所、高校等機構(gòu)在依托一大批國家重點建設(shè)工程中開展模型試驗研究。模型試驗研究取得了很多研究成果，現(xiàn)階段也是常用的一種研究方法。王懷文等[72]將數(shù)字散斑這一光學(xué)測量方法應(yīng)用于相似材料模型試驗中，分析煤層上覆巖層的移動規(guī)律；黃鋒等[73]引入彈塑性損傷本構(gòu)模型利用數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的方法研究軟弱夾層對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響；徐干成等[74]利用相似模型試驗，研究不同性狀巖體加固后的抗爆炸性能；袁亮等75]為研究深部巷道圍巖破裂機理，利用模型試驗系統(tǒng)分析深部巷道圍巖在最大初始開硐載荷與硐室軸線平行作用下直墻拱頂試驗的破壞形態(tài)和機理等。

3.1.3現(xiàn)場試驗研究方法

巖石動力學(xué)現(xiàn)場試驗指通過在施工場地進行的試驗、測試和監(jiān)測來研究巖石在實際工程中的動力學(xué)性質(zhì)和行為。它能更好地了解巖石在實際工程中的響應(yīng)和行為，結(jié)果的可靠度高、指導(dǎo)工程實踐性強，但一般成本相對較高、過程較復(fù)雜。在巖石動力學(xué)研究中，現(xiàn)場試驗一般有現(xiàn)場巖土體理化性質(zhì)的試驗、變形監(jiān)測試驗、爆破試驗、開挖試驗等。

現(xiàn)場試驗研究方法在一些復(fù)雜工程、軍事項目及其他重大工程項目中運用較多。例如：江權(quán)等[76]為研究深部高應(yīng)力條件下硐室、巷道變形問題，以金川二礦深部巷道為對象，采取多手段原位監(jiān)測手段研究其變形、破壞機制并總結(jié)防治措施；馮夏庭等[77]對中國錦屏地下實驗室二期工程展開變形、開裂、彈性波、爆破振動測試等原位綜合監(jiān)測方法，研究深部巖體變形特征和破壞模式；趙周能等[78]在錦屏二級水電站TBM開挖過程中，采用現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)和巖爆實例，研究深埋隧洞TBM掘進過程中微震與巖爆時空分布特征及巖爆孕育過程微震演化規(guī)律；郭德勇等79]為研究深部地應(yīng)力分布規(guī)律及其影響因素，以首山一礦為研究對象，基于礦井實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)并與其他分析方法結(jié)合，探究測點地應(yīng)力類型、大小和方向分布規(guī)律，確定了影響地應(yīng)力分布的主控因素等。

3.2礦山巖石動力學(xué)研究手段

3.2.1細觀研究手段

礦山巖石動力學(xué)細觀研究手段指采用科學(xué)的研究方法從微細觀角度研究礦山巖石動力學(xué)內(nèi)在結(jié)構(gòu)，分析破壞構(gòu)造變化并闡述破壞機理的方法，從本質(zhì)上揭示動載下巖石損傷破壞規(guī)律。在現(xiàn)有研究方法中運用較為成熟且廣泛的手段主要有：X射線衍射技術(shù)[80]、計算機斷層掃描（CT）[81]、掃描電子顯微鏡（SEM）[82]及核磁共振成像技術(shù)（NMR）[83]等。它們各有優(yōu)勢同時也存在一些不足，部分細觀研究手段及特點如表1所示。

許多學(xué)者在細觀研究領(lǐng)域不斷進行研究并取得了不少成果。例如：徐景龍等[84]為研究循環(huán)沖擊載荷下紅砂巖的細觀損傷演化規(guī)律和能耗特性，采用核磁共振成像儀成像并對能耗規(guī)律進行分析；李兆霖等[85]為分析巖石破壞全過程內(nèi)部裂隙及孔洞擴展演化過程規(guī)律，專門研制出一套能夠與CT系統(tǒng)配套的真三軸加載試驗設(shè)備進行試驗分析；WANG等[86]通過CT圖像及AE監(jiān)測分析，研究花崗巖中凍融和單軸變形引起的巖橋斷裂特征；左建平等87]采用SEM研究砂巖在溫度影響下的細觀破壞和斷裂機制，并用數(shù)字散斑相關(guān)方法研究細觀變形情況；朱紅光等[88利用CT研究軸壓破壞巖石裂隙的演化規(guī)律，提出微裂隙體積率分形指標描述壓縮破壞過程中微裂隙演化行為；陳家?guī)V等[89]借助數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）結(jié)合SEM研究砂巖試樣的壓剪試驗；段永婷等90]為研究頁巖細觀礦物條帶對宏觀破壞的影響，采用軸壓試驗并結(jié)合CT試驗研究其破壞機制等。

3.2.2宏觀物理試驗手段

1）霍普金森桿。在礦山巖石動力學(xué)研究中，霍普金森桿碰撞裝置是研究巖石動載特性最基礎(chǔ)也是運用最廣泛的試驗儀器，它的出現(xiàn)使得巖石動力學(xué)的研究在近幾十年取得了長足發(fā)展。該裝置最早是由國外研究者PANICO等[91]在前人的研究基礎(chǔ)上改進的一種動態(tài)加載裝置，以2根鋼桿加持式樣進行加載是分離式霍普金森桿的基本雛形。分離式霍普金森桿是現(xiàn)階段研究高應(yīng)變率加載條件下材料力學(xué)行為最重要的試驗裝置，同時更是考慮圍壓狀態(tài)下巖石動力學(xué)研究領(lǐng)域不可或缺的試驗裝置。分離式霍普金森桿原理如圖4所示。

基于SHPB試驗裝置研究巖石動力學(xué)中各個方面的問題日益普遍。例如：楊洪升等[92]采用考慮橫向慣性效應(yīng)的Rayleigh-Love桿理論分析了一個彈性試件在分離式霍普金森桿加載過程中的內(nèi)部彈性波傳播過程，運用Laplace變換和反變換方法，得到了試件內(nèi)部各點的變形、速度、應(yīng)變和應(yīng)力解析解；LI等[93]利用SHPB和DIC的煤體應(yīng)力波多次傳播特性及表面位移行為試驗研究，基于多重分形理論探討了應(yīng)力波與位移的相關(guān)性；孫曉元等[94]為研究沖擊動載條件下的煤巖破壞特征并分析煤巖系統(tǒng)破壞失穩(wěn)機理，基于SHPB動載系統(tǒng)對煤巖試件進行不同速度的沖擊破壞并收集碎塊進行了篩分試驗等。

2）其他試驗裝置。巖石動力學(xué)試驗裝置除了應(yīng)用最廣泛的霍普金森桿碰撞裝置，還有振動臺試驗裝置、動態(tài)剪切試驗機、動態(tài)壓實機等動態(tài)加載試驗設(shè)備，以及巖石力學(xué)常規(guī)試驗裝置，研究巖石的物理特性如單軸抗壓試驗機、三軸抗壓試驗機、拉伸試驗機等。

這些試驗裝置對礦山巖石動力學(xué)的發(fā)展也起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)用廣泛。例如：周宏偉等[95]采用軸壓試驗、劈裂試驗研究賦存深度對巖石物理力學(xué)參數(shù)的影響；黃正均等[96用巖石力學(xué)試驗機開展三軸動態(tài)疲勞壓縮試驗，研究加載頻率對巖石變形特性和損傷演化的影響；郭奇峰等[971為研究高溫巖石的熱沖擊損傷問題，采用不同溫度的軸壓試驗，提出熱-力耦合損傷本構(gòu)模型。

3.2.3宏觀-細觀耦合研究手段

在研究礦山巖石動力學(xué)問題時采用宏觀-細觀耦合研究手段進行分析，可以充分發(fā)揮不同研究方法的優(yōu)勢，從不同方面對礦山巖石動力學(xué)問題展開研究和討論。宏觀-細觀耦合研究手段不僅可以從細觀角度分析巖體在動載作用下內(nèi)部的變化情況，而且宏觀變形破壞同步觀察可以更好地分析變形、破壞機理。

它是目前研究的一個熱點，也是促進礦山巖石動力學(xué)發(fā)展的重要研究手段。鄭迪[98]利用霍普金森桿試驗與X射線計算機斷層掃描技術(shù)相結(jié)合的方法，分析不同平均應(yīng)變率下試件的動態(tài)抗壓強度和破壞模式，探明低應(yīng)變率沖擊下組合體試件的內(nèi)部破壞模式，研究動載作用下膠結(jié)充填體宏細觀力學(xué)特性與損傷演化機制問題；張明濤等[99]利用分離式霍普金森桿試驗裝置進行動態(tài)沖擊試驗并結(jié)合波速測試試驗、CT掃描試驗分析試樣的整體破壞過程、裂紋分布及應(yīng)變-損傷演化規(guī)律等。

4關(guān)鍵性科學(xué)問題

礦山巖石動力學(xué)的研究與發(fā)展一般是基于礦山動災(zāi)問題的發(fā)生而逐漸發(fā)展完善起來的，因此礦山巖石動力學(xué)關(guān)鍵性問題常源于礦山動力災(zāi)害問題。在分析礦山巖石動力學(xué)災(zāi)害問題現(xiàn)狀、理論發(fā)展及部分階段性成果、研究方法及手段的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)目前存在的部分關(guān)鍵性科學(xué)問題：動力災(zāi)害破壞機理及預(yù)警監(jiān)測問題、數(shù)值模擬分析局限性問題、動載作用下礦山防護工程耐久性及安全問題、深井條件下高地應(yīng)力問題、深部巖體原位力學(xué)行為與地應(yīng)力環(huán)境問題、多相并存與多場耦合關(guān)鍵性問題等。

1）動力災(zāi)害破壞機理及預(yù)警監(jiān)測的局限性問題。礦山巖石動力學(xué)作為一種特殊工程動力學(xué)實踐問題，現(xiàn)有研究方法和理論在動力災(zāi)害破壞機理分析和預(yù)警監(jiān)測的復(fù)雜性方面存在局限性，導(dǎo)致分析結(jié)果指導(dǎo)工程實踐具有一定的局限性，缺乏相關(guān)破壞機理研究理論及災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測機制。雖然研究方法和研究手段不斷創(chuàng)新和改進，從現(xiàn)場試驗、模型試驗、數(shù)值模擬，再到宏細觀研究手段的應(yīng)用，對礦山巖石動力災(zāi)害破壞機理的研究在逐步深入；但巖石在動載下的破裂、斷裂、流變性質(zhì)及本構(gòu)關(guān)系仍不完全清楚，而且從宏觀到細觀再從細觀到宏觀的研究，仍未架起宏觀破壞現(xiàn)象與細觀結(jié)構(gòu)變化特征間關(guān)聯(lián)的橋梁，無法從宏觀-細觀-宏觀的分析思路解釋巖石在動載作用下的破壞機理及其能量耗散特征。在動災(zāi)預(yù)警監(jiān)測機制的建立方面目前也不完善，無法建立準確化、精細化和科學(xué)化預(yù)警監(jiān)測的有效保障體系，存在監(jiān)測技術(shù)與手段的范圍精度有限、數(shù)據(jù)處理分析及時性和準確可靠性問題、預(yù)警準確和及時性問題等。

2）數(shù)值模擬分析的局限性問題。數(shù)值模擬分析時，由于問題的復(fù)雜性，沒有完全考慮巖石（體）的各向異性、節(jié)理裂隙等問題在數(shù)值模擬計算中缺乏較好的解決方法，不同巖石本構(gòu)模型的差異和不準確性未能科學(xué)合理地解釋分析。同時，目前用于礦山巖石動力學(xué)分析的計算軟件較多，也各有特點，在數(shù)值模擬時模擬方法的選擇、巖體參數(shù)的確定、選取本構(gòu)關(guān)系模型、其他耦合因素分析等，都是影響數(shù)值模擬結(jié)果可靠性的重要因素，數(shù)值模擬分析時需對模型進行合適的檢驗校準并且模擬結(jié)果正確性分析也嚴重影響和制約數(shù)值模擬的運用。在進行數(shù)值模擬分析時，巖石本構(gòu)模型選取的準確性問題、模型參數(shù)的確定及優(yōu)化問題、實際與模擬的邊界條件問題等都是數(shù)值模擬計算中的重要問題。

3）地震、爆破等動載作用下礦山安全性問題。震災(zāi)和爆破振動引起的動力學(xué)災(zāi)害常常是非常嚴重的，制約著礦山安全生產(chǎn)，許多學(xué)者從不同方向?qū)Υ苏归_研究，但仍然缺乏指導(dǎo)工程實踐的突破性成果。目前，尤其是高烈度地區(qū)及地層地質(zhì)條件復(fù)雜的礦區(qū)硐室、邊坡、巷道及礦井等在爆破動載及地震波等作用下的耐久性及安全性問題，是礦山在實際工程中采取相應(yīng)的控制和防護措施來減輕動載影響的關(guān)鍵。

4）深井開采高地應(yīng)力問題。目前深地科學(xué)逐漸發(fā)展為新的研究領(lǐng)域，對動力學(xué)災(zāi)害與其他深地多場耦合問題的研究，是逐步厘清災(zāi)害演化過程建立相關(guān)監(jiān)測及預(yù)警防治體系的關(guān)鍵。受制于各種高溫、高壓、高應(yīng)變率等極端深地條件使得災(zāi)害演化過程呈現(xiàn)多樣性，導(dǎo)致深地動災(zāi)演化過程極其復(fù)雜，尤其是工程中常見的硬脆性巖體的巖爆、深層沖擊地壓等的防治、監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)有待提升，是礦山巖石動力學(xué)研究的重大課題。

5）深部巖體原位力學(xué)行為與地應(yīng)力環(huán)境問題。傳統(tǒng)巖石動力學(xué)及開采理論對深部環(huán)境的礦山開采的局限性，嚴重制約著中國深部礦山開采的發(fā)展。要突破傳統(tǒng)巖石動力學(xué)及開采理論，研究深部巖體原位力學(xué)行為及地應(yīng)力環(huán)境是基礎(chǔ)，對于解決深部取樣的保真性問題、深部原位測試及反饋困難問題、揭示深部地應(yīng)力復(fù)雜環(huán)境問題等至關(guān)重要。目前，亟須發(fā)展深部原位狀態(tài)與工程擾動影響的采動巖石力學(xué)新原理、新理論、新方法，實現(xiàn)深部取樣保真性良好、原位監(jiān)測科學(xué)精準、分析反饋可靠等的目標。

6）多相并存與多場耦合關(guān)鍵性問題。礦山巖石動力學(xué)多相并存與多場耦合問題隨開采深度的增加日益突出，在深部開采的高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓及強烈開采擾動的“三高一擾動”環(huán)境下，礦山深部環(huán)境是一個固、液、氣多相并存，多產(chǎn)耦合的狀態(tài)。在深部開采中多場共同作用下的巖體變形破壞機理問題、建立多相條件耦合的巖體模型問題、多相并存條件下巖體損傷及變形的時空演化規(guī)律問題等是研究的難點。

5未來展望

通過淺析礦山巖石動力災(zāi)害事故和礦山巖石動力學(xué)研究現(xiàn)狀，分析目前存在的一系列關(guān)鍵性科學(xué)問題可以看出，礦山動力災(zāi)害的深入研究是目前礦山工程亟待解決的一個重大課題，它對礦山工程安全有序開展工程建設(shè)至關(guān)重要，其仍存在眾多復(fù)雜和極具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵性問題尚未得到很好解決。為進一步深入研究礦山巖石動力學(xué)問題，有效指導(dǎo)工程實踐并保障礦山工程在生產(chǎn)建設(shè)中的安全性，未來研究應(yīng)在以下方面給予足夠重視：

1）礦山巖石動力學(xué)研究的復(fù)雜性和鮮明的實踐性，決定了對它的研究是一個既有理論性又有實踐性的研究課題，在研究分析時要充分考慮多學(xué)科交叉融合的思想和方法，提出創(chuàng)新性的分析方法。例如：在風(fēng)險分析時宜采用多種因素綜合考量分析的各類不確定分析手段和確定性分析手段相結(jié)合的風(fēng)險分析方法；物理試驗分析時采用多種不同分析儀器、方法綜合應(yīng)用發(fā)揮各自特長，為研究提供更可靠優(yōu)質(zhì)結(jié)果；在理論分析及基礎(chǔ)研究中注重多學(xué)科理論的綜合交叉融合等。

2）深部開采“三高一擾動”的復(fù)雜多場耦合環(huán)境下，應(yīng)加快深部巖體原位力學(xué)行為與地應(yīng)力環(huán)境的研究，開發(fā)出原位取芯、原位測試的理論和技術(shù)、“三高一擾動”環(huán)境條件下的試驗系統(tǒng)、深部巖體沖擊型和應(yīng)變型巖爆試驗系統(tǒng)等研究技術(shù)和分析方法。為深入研究深部開采多場耦合條件下巖體沖擊動力發(fā)生的非線性力學(xué)行為和機理、巖體多相并存下的變形及破壞規(guī)律、相關(guān)深部動災(zāi)問題的防治等創(chuàng)造良好條件，亟須進一步加快深部開采的相關(guān)理論和技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

3）現(xiàn)階段對巖石在動載下的變形、斷裂、破壞研究集中于常規(guī)試驗，在今后研究中應(yīng)不斷引進新方法、新理論、新技術(shù)及新手段，用更加精細化的儀器分析微觀尺度的變化，把礦山巖石動力學(xué)宏觀破壞問題與細觀變化相結(jié)合，從宏觀-細觀-宏觀的研究方向解釋動載作用后巖體的變化，研究巖石（體）在動載作用下的破壞模式及能量耗散特點，以這種方式從本質(zhì)上闡述巖石破壞機理是礦山巖石動力學(xué)問題未來發(fā)展的一個重要方向。

4）礦山工程動力災(zāi)變問題研究中，巖石動力學(xué)的研究和發(fā)展未來可以集中在巖石力學(xué)和本構(gòu)關(guān)系上；巖石材料動載作用下的斷裂與破碎；數(shù)值模擬與智能化及常見動災(zāi)的監(jiān)測預(yù)警、深部巖體原位力學(xué)行為與地應(yīng)力環(huán)境、多相并存與多場耦合關(guān)鍵性問題等方面。

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Current research status and prospects of mine rock dynamics

Zhao Linhai1，Wu Gongyong2，Nie Xingxin2，Li Guangqi2，Ruan Shunling2，Jiang Song2，Li Zongli'，Gou Xiaobin1，Wang Chao1

（1.Baoji Northwest Nonferrous Erlihe Mining Co.，Ltd.;2.School of Resources Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology）

Abstract：Mine rock dynamics is a critical and challenging issue in ensuring mine safety，with significant engineering applications.In practice，the study of dynamic problems in mining environments，such as blast vibrations，mechanical excavation disturbances，and deep\"three-high and one-disturbance\"conditions，is crucial for safe production and disaster prevention in mines.This paper analyzes recent issues related to mine rock dynamics disasters and reviews progress in the field from 3 perspectives：the theoretical development and preliminary achievements of mine rock dynamics，research methods，and investigative tools.Key scientific challenges in the development of mine rock dynamics are identified，and future development trends are outlined.

Keywords：mining engineering;rock dynamics;disaster issues;theoretical development;research methods;new"achievements