中国新型工业化、城镇化、信息化和农业现代化建设对矿产资源和能源的刚性需求巨大，且仍将长期保持高位态势。然而，经济社会发展巨大的资源消耗使得地球浅部资源逐渐枯竭，未来深部开发将成为常态，全面延伸资源勘探范围, 提升深部资源获取能力，已成必然趋势，刻不容缓。从世界范围内资源开采看，目前煤炭开采深度已达1 500 m，地热开采深度超过3 000 m，有色金属矿开采深度超过4 350 m，油气资源开采深度达7 500 m^[1]。从中国资源开采来看，几十年持续的大规模资源开采使得浅部矿产资源已趋于枯竭，矿产资源开采已逐步进入1 000~2 000 m以深水平。面对1 000~2 000 m以深的深部资源，必须思考以前基于浅部和中等深度资源开发建立起来的传统理论是否还适合于深部开采，深部复杂地质环境有何特点、如何描述，如何安全、经济地开发深部资源，并实现近零生态损害；从而进一步形成中国自主知识产权的1 000~2 000 m以深的深部资源开采基础理论与关键技术。

实际上，深部开采工程实践活动已超前于相关基础理论的系统探索，工程实践一定程度上存在盲目性、低效性和不确定性。深部岩体是深部资源开采直接作用的载体，进入深部以后，岩体材料的非线性行为更加凸显，岩体原位应力状态与地应力环境作用更加凸显，不同工程活动方式诱发的高应力和高量级的灾害更加凸显；迫切需要发展与深部实际环境和不同工程活动方式相关联的深部岩石力学新原理、新理论，以及协同开采新理论、新技术，破解深部资源开采的理论与技术难题，构建深部岩体力学与开采理论研究体系，以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。

因此，亟需针对1 000~2 000 m水平的深部环境，系统研究深部岩体力学理论，并形成相应的深部开采理论。在深入剖析国内外深部资源开采发展现状的基础之上，结合关键科学问题、重点研究内容及前沿研究方向初步构建深部岩体力学与开采理论研究体系，重点阐述相关基础理论及核心技术的前沿探索方向。

1 国内外深部资源开采发展现状 1.1 深部资源开采趋于常态

目前世界上主要矿业大国相继进入深部开采，超过1 000 m的矿井已有100余座，分布在南非、加拿大、德国、俄罗斯、波兰等国家，其中以南非最具代表性。2004年，中国千米深井仅有8处；2015年，全国千米深井已达80余座。就煤矿而言，中国1 000 m以深的煤炭资源量占已探明煤炭资源总量的53%^[2-3]，而煤炭开采深度以每年10~25 m的速度延伸^[4]；目前全国煤矿千米深井约47座，平均采深1 086 m，如江苏徐州矿物集团的张小楼矿 (1 100 m)、河北唐山开滦集团的赵各庄矿 (1 159 m)、北京矿务局门头沟矿 (1 008 m)，其中最深的为山东省新泰市新汶集团的孙村煤矿1 501 m^[5-6]。德国、波兰、俄罗斯、英国、日本、比利时等国家的最大煤矿开采深度早在20世纪90年代就已超过1 000 m，逼近2 000 m水平^[6]。就金属矿而言，国外开采超千米深的金属矿逾80座：南非绝大多数金矿开采深度在2 000 m以深，如姆波尼格金矿延伸至4 350 m^{[1, 7]}；加拿大金属矿已经进入超2 000 m，逼近3 000 m水平，如蒂明斯市的Kidd铜锌矿开采水平为2 800 m^[8]；印度金属矿开采深度将全面进入2 000~3 500 m水平，如钱皮恩里夫金矿总深达到3 260 m；俄罗斯金属矿开采也即将进入2 000~2 500 m水平^[9]。中国金属和有色金属矿山将全面进入1 000~2 000 m深度开采阶段，目前全国金属矿千米深井约32座，如云南的会泽铅矿 (大于1 300 m)^[10]、河北寿王坟铜矿 (1 000 m)、安徽铜陵的冬瓜山铜矿 (大于1 000 m) 等，其中最深的为辽宁抚顺的红透山铜矿1 600 m。另外，中国有一批即将开发的千万吨级特大型金属矿山，其开采深度超过1 000 m。因此，综合中国煤矿、金属矿开采深度水平的现状，可以看出，中国深部矿产资源开采将全面进入1 000~2 000 m阶段，深部开采趋于常态。如图 1所示，未来10到15年，铁矿资源的50%、有色金属矿资源的33%、煤炭资源的53%将进入1 000 m以下开采。

1.2 深部开采灾害频发，机理不明，难以预测

深部开采灾害频发，如高能级岩爆与矿震、顶板大面积来压与冒落、大体量煤与瓦斯爆炸与突水，与浅部资源开采相比，更加错综复杂，机理不清，难以预测和有效控制。众所周知，高地应力、高地温、高岩溶水压是深部岩体典型的“三高”赋存环境^{[1, 5]}。“三高”特征为深部岩体的本真属性，大规模的开采活动还会衍生强扰动和强时效的附加属性。深部岩体的本真属性及深部开采的附加属性是深部开采灾害频发的根本原因。

深部高应力环境是深部资源开采工程灾害的决定性因素。资源开采位于中浅部时，低地应力水平下岩体自身结构可以满足作业空间的稳定性；即使在超过岩体弹性极限时出现了大变形、片帮及弱冲击，相对而言，围岩结构是相对稳定的，目前已有的支护理论、防治措施是有效的。资源开采进入1 000 m深部以后，重力引起的垂直原岩应力及地质构造运动产生的构造应力基本已经超过工程岩体的抗压水平，工程开挖尤其是大规模的开采活动所导致的应力集中水平更是远超工程岩体的抗压水平，如根据南非地应力测定结果，1 000~5 000 m深度地应力达到50~135 MPa^{[1, 5]}。在高地应力水平下，深部岩体变形能高度积聚，动力灾害等安全事故更加频繁、更加凸显。

高地温、高岩溶水压加剧了深部工程灾害频发的可能。深部开采随深度的延伸，地温梯度一般为30~50 ℃/km，千米深部岩温超过40 ℃。高地温环境逐渐形成，将对深部岩体的力学特性、变形性质产生显著的影响，特别是高地压和高温下岩体的流变特性与塑性失稳与常规环境下具有巨大差别，这也是深部灾害发生的重要影响之一。此外，进入深部以后，地应力水平的增加及地温水平的升高将伴随着岩溶水压的升高，在深部资源开采埋深大于1 000 m时，其岩溶水压将达到10 MPa，高岩溶压力环境同样将影响深部岩体的受力状态，极可能驱动裂隙扩展，导致深井突水事故等重大工程灾害。

深部工程强扰动、强时效的共性特征提高了灾害的量级和预测的难度。深部大规模开采将导致强烈的扰动，深部岩体不仅需要承受高地应力，还需承受高强度的应力集中，在高应力、高地温、高岩溶水压作用下，强扰动将导致深部岩体突发性的、无前兆的破坏特性，这种强扰动下的动力响应突变性往往表现为大范围的失稳和坍塌^[11-13]。此外，深部岩体强扰动作用之后，其变形破坏特征和规律具有强烈的时间效应^[14]，围岩的大变形、强流变性均与该强时效性有着密切的联系。

1.3 传统岩石力学和开采理论在深部适用性存争议

由于深部开采灾害频发、机理不明，该过程中所涉及的岩石力学问题已然成为国内外研究的焦点。针对深部岩石力学，科研工作者主要集中在深部围岩应力场 (分区破裂化)^[15-17]、深部围岩大变形与强流变^[18-22]、深部脆延性转化^[23-26]、深部动力失稳的能量特征与判别标准^[27-31]、赋存深度对岩石力学行为的影响^[32-35]、深部三场可视化^[36-39]、采动影响下三场行为特征^[40-52]等。虽然以上研究工作从定性或者半定量角度，在一定程度上反映了深部岩石力学行为与特征，但无论在基础理论，还是研究方法与技术等方面均尚未形成体系，远远落后于深部资源开采的需求。

以煤炭开采为例，新汶矿区平均采深超过1 000 m，最深达1 501 m；1 150 m深时，最大水平主应力大于34.6 MPa。在该矿区巷道埋深小于800 m时，传统岩石力学的二次支护理论与方法适用，巷道支护分两次进行，即先柔后刚，先让后抗；而当巷道埋深大于800 m时，采用二次支护已不适应，出现较严重变形破坏，需要3次、4次支护甚至多次支护 (图 2)，可见浅部巷道支护理论与方法在深部条件下失效。此外，深部开采煤岩体多尺度多因素相互作用关系、含瓦斯煤岩体力学-渗流响应、围岩破坏形态与控制、地下水保护等涉及深部煤炭安全绿色开采相关基础理论问题，尚缺乏系统研究和认识，亟需深入系统地开展深部煤矿安全绿色开采理论与技术研究，从而使中国深部煤炭由目前的安全高效开采向安全绿色开采转型，实践绿色开采理念^[53-55]。

就深部金属矿开采而言，众多学者早已关注金属矿山深部开采未来的发展趋势，做了很多前瞻性的展望与研究^[56-63]，包括深部矿山采矿的自动化^[56]、有色金属矿开采新模式探讨^[64]、金属矿开采环境和工艺引起的动力学问题和动静组合问题^[65-68]等。然而，现有的金属矿开采理论与方法已很难适用于深部开采环境要求，缺乏以实现矿山资源开发投资价值为目标的深部金属矿开采全生命周期整体规划的原理与方法，缺乏对充填绿色开采技术的岩体-充填体力学共同作用机制的研究等。亟需开展与深部高应力环境及深部岩体力学特性相适应的，其生产规划、地压控制、回采方法相互协同的，且能有效实现深部矿山安全、高效、低生态损害的采矿理论与方法研究。

可以看出，深部矿产资源开采理论与技术尚未形成体系，其根本原因在于，现有岩石力学理论都建立在材料力学基础上，这是一种静态的研究视角，获得的是岩石力学参数、模型与理论，而与深度不相关、与工程活动不相关、与深部原位环境不相关，亟需发展考虑深部原位状态和开采扰动的深部岩体力学新理论、新方法以破解深部资源开采的理论与技术难题。

2 深部岩体力学与开采理论的学术思想

针对中国未来矿产资源开发将全面进入1 000~2 000 m深部这一现状，初步凝练了四大关键科学问题，并提出五大重点研究内容和九大前沿研究方向，为发展与深部实际环境和不同工程活动方式相关联的深部岩石力学新原理、新理论及协同开采新理论、新技术奠定重要基础，从而科学地构建深部岩体力学与开采理论研究体系。

2.1 关键科学问题的凝练

1) 关键科学问题一：深部岩体原位力学行为与地应力环境。深部岩体原位力学行为的揭示及地应力环境的探明是实现深部岩体力学与开采理论研究的先决条件。实现考虑深部环境的原位岩石力学行为研究，其关键在于探索深部原位保真取芯及测试分析原理与技术，探索研究深部原位力学行为及岩体力学新理论、新方法，从而建立真正和深部环境相适应的、能够解决深部资源开采技术问题的深部岩石力学新理论和新方法。

2) 关键科学问题二：深部岩体应力场-能量场分析、模拟与可视化。实现深部开采下的3维应力场-能量场可分析、可模拟、可透视，探索深部采动3维应力场-能量场的演化特征及灾害诱发机理，其关键在于建立深部岩体3维应力场和能量场的分析模拟及可视化理论与方法，并建立深部岩体能量积聚演化模型及能量调控方法，形成深部开采过程中的3维应力场-能量场分析、模拟和可视化的理论、方法和技术，为深部重大灾害的预测、预警与控制提供有效理论与方法。基于3D打印技术-3维应力冻结技术-3维光弹方法为定量显示煤岩内部复杂裂隙结构周边应力场分布可视化^[36]、开采或开挖过程中煤层及顶底板能量场可视化^[38]迈出了第一步。

3) 关键科学问题三：深部强扰动和强时效下的多相并存多场耦合理论。针对2 000 m以浅的深部开采“强扰动”“强时效”“多相”及“多场”并存的共性特征，揭示强扰动和强流变共同作用下多场耦合机理，建立深部采动岩体多相渗流理论，其关键在于揭示深部应力场、渗压场、地温场等多场耦合机理，并建立深部强扰动和强时效下多相渗流理论，从而创新深部强扰动和强流变下采动岩体多场多相的渗流定量分析模型，建立深部采动岩体多相渗流理论。

4) 关键科学问题四：深部资源低生态损害协同高效开采理论与技术。针对深部原位岩体力学行为与地应力环境，揭示采动影响下深部岩体与支护结构的相互作用机理，建立深部低生态损害的协同开采新理论，其关键在于研究深部自适应围岩支护和顶板控制理论与技术，并建立深部低生态损害的卸压与充填协同开采新模式，从而构建深部资源协同开采新理论新技术，实现煤矿、金属矿深部资源高效、安全和绿色开采。

2.2 重点研究内容

以中国2 000 m以浅的深部资源开发为背景，针对深部高应力、高水压、高地温、大井深、强扰动等导致的重大难题，围绕深部岩体力学与开采理论的四大关键问题，需要重点研究以下五方面内容：

1) 深部岩体原位力学行为和地应力环境。发展考虑原位状态和工程扰动影响的采动岩石力学新原理、新理论、新方法，需要突破经典岩石力学理论框架，体现深部岩石力学与深度的相关性。其核心为实现原位保真取芯; 突破高保真钻探取芯理论与技术，系统研究保真 (保压、保温、保湿、保光) 取芯的原理与方法，发展原位、移位、原位恢复保真取芯技术，创新原位保真岩体力学试验新标准；研究有别于浅部基于线弹性理论、适合深部非线性岩体条件的地应力测量理论和方法。根据现场多点地应力状态实测结果，提出反演、重构工程区域3维地应力场力学模型的理论和方法。

2) 深部采动岩体力学及多场多相渗流理论。在强烈开采扰动和强流变共同作用下，深部采矿实际上是一个高应力场、高温度场、高渗流场等多场耦合作用下固、液、气多相并存，多场耦合作用的物理力学过程。应重点研究深部岩体在高地应力、地下水、气体、温度等多场作用下稳定与非稳定变形、破坏状态及转化机理、条件和规律，以及矿产资源作为固、液、气三相介质在多物理场作用下的耦合机制。

3) 深部采动应力场-能量场演化规律。基于能量积聚、传递、耗散和释放规律建立深部岩体动力灾害的预测理论，是亟待解决的重大理论课题。深部岩体采动应力场、能量场分布与演化“看不见、摸不着”，需寻求深部应力场与能量场一种直观、定量、可视化描述与调控方法，真实再现深部岩体的变形、破坏、灾变、渗流等力学行为与能量转化过程，实现深部岩体力学理论研究、开采模式与技术方法上的突破。

4) 深部岩体变形监测、安全预警与稳定控制。研究深部采掘设备重型化、采高和采深加大、工作面加长、推进速度加快、井下硐室或巷道断面加大等条件下深部岩体变形机理，通过在各高应力或地质异常体区域的顶板、两帮、底板、回采面、煤柱 (矿柱)、支护设备上布置应力和位移监测传感器，采集围岩应力、变形、破坏、位移等海量数据，分析围岩失稳前的海量数据信息，研究其安全预警及稳定控制机理与方法，建立深部工程岩体开裂与破坏的防治新技术。

5) 深部矿产资源生态化协同高效开采理论与技术。深部工作面快速推进和集约化开采将对围岩产生强烈开采扰动，传统开采方式与技术不仅易导致强动力灾害，并产生生态环境损害。因此亟需揭示深部资源开采围岩破坏和岩层运动规律，开发高强度自适应智能支护技术体系，提出卸压与充填协同开采新模式，从而奠定深部矿产资源超低生态损害和安全高效开采理论基础。

2.3 研究体系的构建

深部岩体力学与开采理论的研究体系需要以提升中国深部资源获取能力为导向，针对目前浅部岩石力学理论没有考虑深部真实应力环境和工程扰动状态，系统深入探索深部岩体原位力学行为和地应力环境及工程扰动效应。实施深部原位条件下细观到宏观、2维到3维、理论建模-试验研究-现场监测结合的研究方案，建立深部岩体力学和深部资源开采新理论、新方法、新技术，最终全面提升中国深部资源的获取能力。从公共平台构建、基础理论探索及核心技术研发3个角度出发，围绕深部资源开采涉及的四大关键科学问题，将五大重点研究内容细分为深部岩体力学与开采理论的九大前沿方向，主要包括：

1) 深部岩体原位力学行为研究；

2) 深部围岩长期稳定性分析与控制；

3) 深部地应力环境与灾害动力学；

4) 深部强扰动和强时效下多场多相渗流理论；

5) 深部采动应力场-能量场分析、模拟与可视化；

6) 深部高应力诱导与能量调控理论；

7) 深部采动岩层变形监测预警与控制；

8) 深部煤矿安全绿色开采理论与技术；

9) 深部金属矿协同开采理论与技术。

四大关键科学问题、五大重点研究内容和九大前沿方向的逻辑关系，以及深部岩体力学与开采理论研究体系见图 3。

3 深部岩体力学与开采理论的基础理论探索

从项目研究体系的逻辑关系可以看出，九大前沿研究方向中，前6项构成了深部岩体力学与开采理论的基础理论探索框架。其中“深部岩体原位力学行为研究”与“深部围岩长期稳定性分析与控制”为深部岩体力学与开采理论研究体系公共研究平台。而“深部灾害动力学”“强扰动和强时效下多场多相渗流理论”“采动应力场-能量场分析、模拟与可视化”“高应力诱导和能量调控理论”等相关基础理论为深部岩体力学与开采理论研究体系的针对性基础理论探索。针对以上基础理论探索，具体需要突破以下新原理、新技术、新方法。

3.1 深部岩体原位力学行为研究

深部环境、深部应力状态下原位岩石力学的研究，目前缺失原位取芯、原位测试的理论和技术，需要从试验到理论，探索原位保真取芯及测试的原理与技术，实现原位保真取芯测试与分析。主要包括：

1) 深部原位取芯原理与技术。开展深部岩体原位力学行为研究，需要突破一大核心技术问题，即在最大程度保真深部岩体固有赋存环境的情况下，实现原位高保真取芯。然而，目前实现真正的原位高保真取芯仍存在较大技术瓶颈，亟需突破高保真钻探取芯原理、理论与技术难题。因此需要系统研究保真 (保压、保温、保湿、保光……) 取芯的原理与方法，在传统钻探取芯装备上研发并集成高保真技术，发展原位、移位、原位恢复保真取芯原理与技术，从而形成一整套深部岩体原位高保真取芯技术与工艺。

2) 深部原位测试原理与技术。在原位保真取芯装置上集成随钻测试分析技术，集探测、保真、感知、试验为一体的多功能特性，最大程度保证岩芯取芯的保真性及岩石相关试验的原位性，突破原位监测与反馈技术难题，为实现原位力学行为研究提供支撑。系统探索原位保真取芯测试、移位保真测试、原位恢复保真测试的原理与技术，开发配套取芯技术的高保真标准岩芯储藏装置，开展静动、三轴、渗透、破裂、愈合、流变等高保真岩芯力学试验与分析，从而实现对原位环境岩石试件力学行为的监测、测试与分析。

3) 深部岩体原位力学及非常规本构行为研究。深部岩体力学研究亟需突破经典岩石力学理论框架，并发展考虑深部原位状态和工程扰动影响的采动岩石力学新原理、新理论、新方法，从而充分体现深部岩石力学与深度的相关性。通过原位保真取芯测试，获取不同赋存深度岩体原位特征物性参数和力学参数。在构建原位保真岩体力学试验新标准的基础上，探索深部岩体原位力学行为，探讨深部岩体非线性力学行为响应机制，从力学机理层面真正揭示深部岩体和浅部岩体在力学行为特征上的本质差异，能够实现深部条件或极深条件岩体力学行为初步预判与描述。

4) 基于深部开采扰动应力路径的岩石力学理论。传统的岩石弹塑性力学理论研究均属基于加载试验的宏观唯像理论，而非全应力空间路径力学行为理论。深部资源开采活动实际上是“高应力 (地应力)+动力扰动 (开采卸压)”双重作用的力学过程。因此，需要开展基于深部开采扰动应力路径的动静组合加卸载试验，从能量角度出发分析在不同开采扰动应力路径下岩石的破坏规律与机理，室内试验尺度下还原并捕获开采扰动作用下岩石破坏全过程，从而建立开采扰动作用下岩体动力灾害致灾判据。如图 4所示，3种典型开采方式的扰动应力路径为基于深部开采扰动应力路径的岩石力学理论研究迈出了第一步^[69]。

3.2 深部围岩长期稳定性分析与控制

深部资源开采和深地空间利用过程中，由于“三高”真实赋存环境的复杂性，加之不同工程扰动方式下围岩损伤机理及损伤程度的差异性，以及工程扰动后围岩应力调整的长时效性，导致与赋存环境相适应、与扰动损伤相关联的深部围岩长时力学性质的显著不同。因此，必须基于深部围岩真实赋存环境，探索其对深部围岩长期稳定性的影响机制，揭示深部围岩长期运营中失稳破裂、能量积聚耗散及致灾机理，探明支护和未支护工程条件下深部围岩长期运行中的力学行为特征及规律，建立真正意义上符合深部特征的围岩稳定性评估方法及变形监测控制技术。具体包括：

1) 深部围岩复杂赋存环境与工程扰动条件下长时流变性研究。考虑深部围岩真实复杂赋存环境，探究工程扰动条件下围岩初始损伤积累、围岩扰动应力空间动态调整路径、岩体微元时能密度动态演化机制；开展不同赋存深度扰动围岩长时流变性测试与分析，揭示不同赋存深度围岩损伤-渗流-温度-流变耦合机制；开发多场耦合围岩长时流变数值模拟技术，进行深部围岩长时变形及损伤破坏过程分析和预测。

2) 深部围岩中应力波传播规律及其动态响应研究。围绕高地应力条件下应力波传播规律和深部围岩动态响应2个相互依存的问题开展研究。首先，以深部非连续岩体为研究对象，系统研究深部围岩应力波透反射、传播与衰减及能量耗散规律，建立岩体特性与应力波波速的量化关系，揭示深部与浅部应力波传播规律差异；进而探究深部围岩在叠加或偶发应力波传播过程中的动态力学响应，探索深部围岩动态响应与应力波传播交互作用机理及其对围岩长期稳定性的影响机制，建立综合反映高地应力赋存条件、时间效应和节理岩体特征的深部围岩动力学响应分析和预测模型。

3) 深部围岩不同尺度破裂机理及微震源信息解译。研究室内和工程尺度深部围岩破裂行为的时空分布及能量积聚、释放、耗散规律；研究区域原始应力场及震源应力轴空间特性，开展深部围岩长时应力场动态反演与分析，探究深部围岩破裂源辐射能特性和微震源空间几何状态，基于震源矩张量识别深部围岩长期运营中失稳破裂和致灾机理；研究基于震源机制解的深部围岩全时效失稳破裂理论，发展基于长时流变和动力扰动损伤累积的深部围岩时效劣化定量识别方法，开发深部围岩全时效破裂和稳定性分析数值模拟技术，为围岩长期稳定性评价和变形控制理论研究提供支撑。

4) 深部围岩原位长期力学效应与劣化抑制支护设计方法。创新深部围岩原位长时效运营过程的精准测试原理、监测技术和数据分析方法，探索支护和未支护工程条件下深部围岩的长期力学效应，揭示深部围岩运行中的变形、应力和破裂等多元信息演化特征及规律，建立多参数动态反馈长期稳定性评估模型，发展深部围岩时效劣化响应的支护控制设计方法，从而建立深部围岩长期变形监测控制和安全评价理论与技术方法。

3.3 深部地应力环境与灾害动力学

深部岩体所赋存的地质条件复杂，传统基于线弹性的地应力测量理论与方法在探查深部地应力场时存在较大误差，无法适应深部岩体力学研究的发展和满足深地探测的需求。此外，深部开采是一种高度非线性状态下强烈、瞬时的动态失稳过程，其动力灾害的主要表现形式将明显区别于浅部状态。因此，应该充分考虑深部岩体所赋存的复杂地质条件，深入探索随深度增加地应力场的分布规律及矿区3维地应力场的反演算法，从而建立深部地应力场形成演化的重构模型，探明地应力场与能量场之间的转化机制，揭示开采扰动的动力学过程和能量场演化规律，为岩爆的实时预测预报提供依据。主要包括：

1) 复杂地质条件下深部非线性岩体的地应力测量理论与方法。基于对深部地应力场与浅部地应力场分布特征差异性的基本认识，深入探索地应力场随深度增加由线性岩层向非线性岩层过渡的发展规律和原位特征。发展基于岩体非线性特征的测量理论，从而对深部岩体应力进行实时、准确、长期监测，发展适合深部岩体地应力测量的新理论、新方法。

2) 深部矿区地应力场反演算法与重构模型。基于已获得的深部3维地应力状态空间分布规律，研究确定包括构造运动、自重引力、岩层构造、温度变化等影响地应力分布的主要因素及地应力场与岩体结构的关系等。并充分考虑深部岩体的非线性条件，探索构建矿区3维地应力场的反演算法，建立深部地应力场形成演化的重构模型。

3) 深部开采扰动能量在岩体中聚集和演化的动力学过程与规律。针对深部矿山高地应力、高地温、高渗透压、强开挖扰动等特性对能量场孕育过程和聚集条件的影响开展研究，分析并确定不同地质条件及不同工程环境下的能量场分布特性，探索地应力场与能量场之间的转化机制，揭示开采扰动的动力学过程和能量场演化规律，建立开采扰动能量场的时空4维动态分布模型。

4) 深部开采动力灾害诱发机理及其预测与防控技术体系研究。基于岩爆的发展趋势和震级开展预测分析，实现采矿过程中岩爆的超前理论预测；探索对开采扰动能量聚集、演化和释放动力过程进行测量的方法，实现岩爆的实时预测预报；以减小开采扰动能量的聚集和控制高能量的突然释放为主线，制定岩爆的科学防控措施；研究建立能吸收开采扰动能量、抗冲击的主动支护措施等防控技术体系。

3.4 深部强扰动和强时效下多场多相渗流理论

开采深度的增加导致采动岩体和矿体出现弹性、潜塑性、塑性状态的转换，在强烈开采扰动和强时效共同作用下，深部采矿实际上是一个高应力场、高温度场、高渗压场等多场耦合作用下固、液、气多相并存，多场耦合作用的物理力学过程。应重点研究2 000 m以浅的岩体在高地应力、地下水、气体、温度等多场作用下稳定与非稳定变形、破坏状态及转化机理、条件和规律，以及研究矿产资源作为固、液、气三相介质多物理场耦合机制。主要包括：

1) 深部多相介质、多场耦合条件下采动煤岩体损伤力学理论研究。考虑深部煤岩体的赋存环境，研究深部多场耦合对采动煤岩体物理力学特性的影响规律，建立深部煤岩体在高地应力、高地温度和高孔隙压力多场耦合的损伤力学模型，定量表征多场耦合作用下采动煤岩体的变形、损伤、破坏全过程。

2) 深部多相介质、多场耦合条件下采动煤岩体裂隙场时空演化规律。研究强扰动与强时效条件下深部采动岩体裂隙分布及演化特征，建立采场裂隙演化与多物理场的耦合作用模型，揭示高应力、高地温与高渗透压耦合作用下采动煤岩体裂隙场时空演化规律。以深部强烈开采扰动和强时效为出发点，提出深部多相介质、多场耦合条件下采动裂隙网络定量描述的参数指标体系，建立多相介质、多场耦合条件下采动裂隙场随工作面推进度的演化模型。

3) 深部强扰动和强时效下多物理场耦合模型。依据深部煤岩体的赋存条件和应力环境特征，探讨多场耦合作用对煤岩体的变形属性、物性方程及破坏特征的影响规律，以及多物理场之间的耦合影响规律，尤其是采动引起强卸荷或应力集中条件下的多物理场耦合规律，从而建立深部强扰动和强时效下采动煤岩体多物理场耦合模型。

4) 深部强扰动和强时效下多相渗流理论。针对深部岩体赋存环境下煤岩体的低渗属性，建立多相介质非达西渗流模型，研究强扰动和强时效下达西模型到非达西模型的适用转换条件，进一步探讨深部强扰动和强时效下采动裂隙中多组份气体、液体压力分布与演化规律，建立采动裂隙中气液耦合流动模型。综合考虑深部开采卸荷或应力集中等采动应力重分布因素，研究不同尺度下气液耦合流动过程。探讨深部开采煤岩体强蠕变过程固相、液相、气相共存的多相介质非达西渗流规律，建立相应的达西渗流和非达西渗流转换条件，揭示深部强扰动和强时效下煤岩体多相渗流规律。

3.5 深部采动应力场-能量场分析、模拟与可视化

深部开采引发的采动应力场演化、岩体非连续结构的变形破坏是看不见、摸不着的“黑箱”，现场探测的技术难度大、可靠性差，这给准确理解和把握深部围岩动力灾害的致灾机理，定量表征和准确预判动力灾害发生的时间、位置和量级造成了极大的困难。因此深入研究探索深部岩体应力场、能量场的可视化方法及深部动力灾害的能量机制，将有望揭开这个“黑箱”的面纱，真实可视地再现深部岩体的变形、受力、破坏、渗流等力学行为，为深部岩体力学研究带来方法上的进步。主要包括：

1) 深部岩体复杂结构的重构算法与重构模型。提取和分析深部天然岩体非连续结构的几何、分布与拓扑特征，提出深部岩体的非连续结构定量表征方法，建立一种新的高效深部岩体非连续结构的分形重构算法，构建深部岩体非连续结构分形重构模型，为实现采动应力条件下深部岩体应力场、能量场的定量表征及可视化提供平台。

2) 采动应力条件下深部岩体3维应力场可视化分析与定量表征。研制与深部岩体基本力学性能相一致的3维应力可视化材料，建立深部岩体非连续结构可视化物理模型，发展3维应力冻结技术与提取方法，建立深部岩体采动应力场的3维应力矢量的提取与表征方法，实现开采条件下深部岩体应力场演化特征的定量表征及可视化。

3) 采动应力条件下深部岩体能量场可视化研究。基于深部岩体的3维可视化数字模型，定量分析采动应力条件下深部岩体变形破坏的能量场及破坏区域的演化及空间分布特征，揭示深部岩体变形破坏的能量耗散与释放规律以及由能量主导的变形破坏机制，建立深部岩体变形破坏的能量场可视化模型。

4) 采动应力条件下深部岩体应力场-能量场致灾预测模型。基于深部岩体非连续结构的分形重构模型、3维应力场-能量场的可视化分析方法，探讨采动条件下深部岩体诱发灾变的应力场和能量场的分布特征及演化规律，揭示深部岩体采动应力场-能量场演化与诱发灾害机理，建立基于3维可视化分析的深部岩体采动应力场-能量场演化致灾的预测方法和模型，为深部岩体资源开采设计与支护提供理论基础与指导。

5) 深部资源开采过程和灾害防控的可视化推演技术。基于深部采动岩体应力场-能量场可视化理论与技术，以及基于能量演化的非线性动力失稳模型，以某深部煤矿为试验基地，开发和实施开采过程和灾害防控的可视化推演技术，3维直观再现资源开采过程中能量积聚、应力释放、非连续结构演化及岩层与围岩变形及动力失稳的各种力学现象的发生机理、时空过程、释放能级等，为深地资源开发和灾害预测与防控提供超前的、全新的和最为直观的技术手段。

3.6 深部高应力诱导与能量调控理论

单纯从静力学或动力学的角度很难合理解释深部开采非常规岩体工程灾害现象 (比如岩爆、板裂、分区破裂等) 的发生原因。有必要结合对深部硬岩矿床矿岩特征、赋存环境和开采过程的认识，从高应力硬岩储能特性和开挖受力特征入手，在揭示深部钻爆、快速卸载等工程扰动对深部高储能矿岩诱发非常规破坏作用机制的基础上，深入分析不同开采方法下基于深部岩性特征和高应力条件的破岩开采效率，构建深部连续开采模式判别体系，并发展深部高应力岩石的诱导致裂方法，进而以“变害为利”的思想为指导，探讨灾变能向岩石破碎能的良性转化机制，实现深部高储能岩体的主动能量利用。主要包括：

1) 深部硬岩卸荷与动力扰动下力学与能耗特性。针对深部硬岩岩性特征、赋存环境和开采特点，利用大尺寸真三轴伺服扰动试验系统和多功能岩石动静组合加载系统，开展不同卸载速度、扰动方式下高应力硬岩的破坏试验研究，分析复杂路径作用下硬岩的损伤累积过程及能量的聚集、耗散与释放特点，获得卸荷与动力扰动下高应力岩石的力学特性、破裂特征和能耗规律，深入揭示深部钻爆、快速卸载等工程扰动对深部高储能矿岩诱发非常规破坏的作用机制。

2) 深部硬岩矿床连续开采模式判别体系。综合考虑深度、岩性、矿床结构等多因素在内的原岩稳定性评价指标，发展判别深部连续开采可行性的矿岩质量分级方法；在综合分析深部硬岩矿床不同开采方法破岩效率的基础上，提出深部硬岩矿床连续开采模式的判别指标与方法，建立基于深部岩性特征、高应力条件与开采效率的最优开采模式判别体系。

3) 深部近采场区域应力平稳释放理论与方法。探索深部近采场区域应力场与能量场的监测理论与方法，开展开采扰动方式、采场结构参数和回采顺序对能量集聚区域的影响机制的研究，考察开采诱发近采场区域微破裂震源与能量聚集之间的相互关系，重点考虑不同采动形式导致原岩应力与能量重分布的时空演化特征，揭示不同开采条件下深部硬岩能量的聚集和迁移规律，分析采动影响下深部岩体非常规破裂灾源机制，获得不同开采模式下的能量调控与利用方法。

4) 深部硬岩高应力与爆破耦合精细破岩理论。研发金属电爆爆破破岩技术及装置、岩石爆裂过程中高速变化的3维应力场和裂纹扩展过程实时光测和超声监测系统，发展深部矿岩高应力与爆破耦合破岩过程的多尺度试验方法，系统深入研究不同静应力环境与不同爆破参数情况下岩体爆破破坏的时空演化规律和破坏机制，揭示高静应力与爆破动应力耦合破岩机理，构建考虑应力环境特征、岩性和炸药性能等因素的深部矿岩体能量利用效果评价指标及包含能量利用、破坏区形态、破岩量、块度分布等信息的爆破效果评价指标体系，建立深部矿岩高应变能可利用性及爆破破岩效果的评价方法，逐步形成集应力及能量认知、爆破动态设计和效果评价为一体的深部高应力与爆破耦合精细破岩理论体系。

5) 深部硬岩非爆连续开采理论与技术。系统开展深部硬岩高应力储能诱导释放试验，进行诱导工程围岩节理裂隙调查与实录分析和深部开采松动圈的动态时空监测与预测，探讨不同机具加载下岩石的破碎效果与破碎效率，开发高应力硬岩非爆连续开采的破岩方法与技术，建立高应力岩体非爆连续开采理论与原创模式。

4 深部资源开采基础理论转化与核心技术研发

基础理论探索是深部岩体力学与开采理论研究体系的重要基础，此外，还需要针对深部资源开采的特殊性，研发一整套关键核心技术，从而全面提升资源获取的能力。深部资源开采的核心技术主要包括深部采动岩层变形监测预警与控制技术、深部煤矿安全绿色开采理论与技术及深部金属矿协同开采理论与技术。

4.1 深部采动岩层变形监测预警与控制技术

在深部高初始地应力和采动扰动应力耦合作用下，深部岩层结构具有连续/非连续大变形、多尺度破裂并致灾的动态演变历程，多角度立体的岩体变形与破裂过程监测是揭示深部采动岩体特殊力学行为和深部工程灾害及时预警的关键，需要系统研究采动岩体综合监测技术、变形分析理论、灾害预警方法、岩层控制技术，并为后继协同安全开采提供支撑。主要包括：

1) 深部高地应力采动岩层结构大变形与破裂过程的多尺度立体监测技术。考虑深部硬岩“初始高地应力+采动应力”的复杂应力环境，以及硬岩变形与破裂的时效发展特点，建立变形与破坏协调的立体监测技术体系：开展深部地层采动变形与破坏的综合监测技术体系及其孕育规律研究；提出岩体内部采动应力的实时感知技术；建立采动破裂岩体3维变形特性的表征方法；建立采动破裂岩体时效损伤性状的表征方法。

2) 深部采动岩层结构大变形与破裂的连续-非连续分析理论。针对开采卸荷诱发深部应力状态改变和硬岩开裂空间非连续性的特点，建立深部地层变形与破坏的连续-非连续分析理论：开展硬岩高压真三轴试验与裂纹扩展机制研究, 建立岩体破裂过程的裂纹扩展理论模型与软件系统。

3) 高应力岩体变形与破坏灾害的远程安全预警技术。考虑采动地层的应力与能量集中是导致深部工程岩层结构大变形和破裂并诱发围岩失稳灾害的关键因素，深入研究灾害孕育的过程监测和安全预警以及工程控制效果动态评估方法：建立基于“变形+应力+微破裂”集成的采动地压和破坏灾害源定位预警技术, 开发岩层采动诱发灾害风险的远程动态预警软件系统, 提出基于变形与破裂信息的支护效果反馈评估方法。

4) 深部高应力岩层结构大变形稳定控制的开采优化和新支护技术。考虑深部岩层结构大变形与非连续破裂是导致深部工程灾害的内在原因，从开采与支护两个角度提出深部采场群的连续开采顺序优化技术和围岩支护控制新技术：提出深部采场稳定控制的开采顺序全局优化技术, 开发采动岩层稳定控制的新锚杆/锚索支护材料, 开发采动岩层稳定控制的高抗拉强度喷层材料。

4.2 深部煤矿安全绿色开采理论与技术

中国中东部煤炭资源已转入深部开采，中东部的深部开采和西部的绿色开采是煤炭开采的必然趋势。深部开采煤岩体多尺度多因素相互作用关系、含瓦斯煤岩体力学-渗流响应、围岩破坏形态与控制、地下水保护等涉及深部煤炭安全绿色开采相关基础理论问题尚缺乏系统研究和认识，仍需深入系统地开展深部煤矿安全绿色开采理论与技术研究。主要包括：

1) 深部开采煤岩失稳破坏多尺度多因素协同作用机理及演化规律。针对深部开采扰动作用下煤岩体失稳破坏多尺度多因素协同作用机理及演化规律的难点，通过构建深部开采多尺度煤岩体复杂裂隙网络模型，研究深部开采扰动条件下煤岩破裂、失稳的能量机制与判别准则；分析开采中应力、裂隙、渗流等因素对煤岩体失稳破坏的协同作用和不同加卸载应力路径下煤岩损伤破坏的驱动机制，建立跨应变率、多尺度条件下煤岩失稳破坏多因素协同作用的力学模型，提出煤岩失稳的率响应机制和触发条件。

2) 深部采动含瓦斯煤体力学-渗流响应规律。针对深部采动含瓦斯煤体力学响应规律及变形破裂过程的渗流演化机制难点，研究不同加卸载路径下含瓦斯煤体力学特性，建立含瓦斯煤体的力学本构关系，分析深部煤体孔隙结构对瓦斯储运的影响规律，并探讨瓦斯气体对煤体的蚀损及强度弱化机制，研究不同加卸载路径下煤体损伤与瓦斯渗流规律，揭示采动含瓦斯煤变形破裂过程的渗流演化机制，提出低透气性煤层增渗技术原理和方法。

3) 深部采场围岩失稳尺度效应机理与控制技术。针对深部采场围岩失稳尺度效应机理与控制难点，通过采集典型矿井深部各高应力或地质异常体区域围岩应力、变形、破坏、位移等海量多参量毫秒级数据，分析围岩失稳前的海量数据信息，研究围岩失稳的动力学机制，揭示深部高强度开采条件下围岩失稳尺度效应机理；研究煤壁裂纹的产生和最大水平主应力卸荷及卸荷幅度与煤体损伤的关系，获得失稳的特征和规模；研究深部高强度大扰动开采支架围岩关系，建立特定赋存条件深部煤层覆岩结构理论计算模型，提出深部采场围岩支护理论与技术。

4) 西部矿区深部安全绿色开采理论与技术。针对中国西部煤矿深部开发对水和生态环境影响规律及煤-水协调开发与水资源保护难点，通过研究西部典型含煤岩系深井煤炭开采强扰动条件下煤岩体多相多场耦合机制与地下含水层及地表生态响应过程，研究深部采动煤岩体“孔隙-裂隙-采空区”多流态地下水渗流机制及对地下水系统的影响规律和影响控制参数，揭示煤矿深部开采下矿井水的转化运移机制，提出西部生态脆弱矿区深部开采的水循环模式及评价方法、深部开采水环境作用控制技术和构建“高保低损”型 (低生态损害与高保水效率) 协同开采新模式与新技术。

4.3 深部金属矿协同开采理论与技术

针对现有的矿山开采规划研究只考虑经济与工程因素，对深部高应力环境的工程影响缺乏考虑而可能导致规划难以实现的问题，将深部岩体高应力环境及其随开采过程的演变规律作为约束条件，以实现矿山资源开发投资价值为目标的深部金属矿开采全生命周期整体规划原理与方法。在综合研究深部应力环境、岩体力学特性、工程地质条件、开采工程、回采过程、采场充填体之间的相互关系与作用机制的基础上，研究形成深部金属矿的协同开采理论。主要包括：

1) 深部金属矿开采的整体规划原理与技术。研究深部岩体力学特性、工程地质结构及地应力环境的3维模型工程化表征，建立深部矿床开采的地质-工程-力学一体化模型；基于该模型，研究深部矿床开采过程全生命周期的力学演化仿真及模拟的理论方法，建立深部岩体3维力学环境评价模型；在此基础上，研究深部高应力环境、资源品位变化等约束条件的矿床开采过程优化理论，探究开采过程的深部环境动态综合评价与深部采场浮动优化方法，建立深部高应力条件下开采动态规划原理与技术。

2) 深部金属矿开采的卸荷原理与技术。研究深部矿体开采过程的应力集中与转移、能量聚集与释放的时空变化规律，建立深部矿体开采的区域应力环境评价方法；研究各种地应力环境、工程地质结构、岩体力学特征等条件下的多种卸荷方式 (包括工程方式与尺寸结构等) 的卸荷效应及其宏细观调控机制；研究卸荷工程对矿块回采过程岩体应力环境变化的影响及其对于提高采场安全性的作用；研究卸荷开采应力应变及其他相关参数的原位监测技术与方法，建立深部金属矿卸荷开采的后评价方法。

3) 深部金属矿开采的充填体力学作用原理。构建采场充填体内成拱作用力学模型、充填体与围岩共同体的力学作用本构模型，研究深部金属矿开采过程充填体对围岩应力-应变变化的影响及其能量吸收效应；研究深部采场充填体3维力学模型及相应的胶结充填体所需强度的计算方法，建立并形成相应的充填体稳定性分析方法；研究形成与高应力开采条件相协调的充填体优化理论，建立深部开采的充填体结构及其强度设计方法。

4) 深部金属矿充填尾砂浓密脱水力学原理及技术。尾砂浓密脱水是矿山充填的技术关键，其流体力学理论是该技术的基础。研究全尾砂浓密过程中絮凝作用机理，建立全尾砂可浓密性能表征方法；研究静、动态浓密脱水过程的絮团群力学机理，建立膏体浓密机爬架扭矩力学模型；研究浓密机内尾砂浓度宏观分布特征及底流浓度影响因素，构建全尾砂浓密脱水力学理论；建立全尾砂+粗骨料充填物料的堆积密实度模型及充填物料级配优化方法及技术；研究充填物料级配和浓度对料浆泌水及离析性的影响规律，建立最佳颗粒级配和料浆浓度条件下胶凝剂的优化方法及技术。

5) 深部金属矿开采的协同原理与优化方法。探明不同回采工程方式 (包括工程结构、延展方向、布置模式、开挖顺序等) 和不同回采落矿方式所引起的岩体应力场变化及其演化规律，揭示深部应力环境、原位岩体力学特性、工程地质条件、开采工程、回采落矿之间的相互影响及其内在机制。结合卸荷与充填体力学作用原理的研究，研发与深部高应力环境及岩体力学特性相协调的协同开采方法与技术，建立深部金属矿安全、高效、低生态损害的协同开采理论。

5 结论

随着浅部资源的开采殆尽，千米级深部资源开采已成为常态，未来中国矿产资源开发将逐步进入1 000~2 000 m的深度。进入该深度后，岩体材料的非线性行为更加凸显，岩体原位应力状态与地应力环境作用更加凸显，不同工程活动方式诱发的高应力和高量级的灾害更加凸显，项目致力于发展适用于深部实际环境和不同工程活动方式的深部岩石力学新原理、新理论，以及深部开采新理论、新技术，实现深部岩体原位力学行为的研究与采动特征的准确认知，通过2 000 m以浅的深部岩体力学与开采理论体系的构建，促进中国深部资源开发理论与技术水平的提升；其关键在于大力攻关深部地应力环境与岩体原位力学行为研究，揭示深部与浅部岩体力学行为的本质差异，建立深部岩体能量调控与工程灾害预警理论，形成安全高效低生态损害的协同开采新理论与新技术，构建国际领先的深部岩体力学研究平台，开创深部岩石力学新的理论体系，从而全面提升深部资源获取能力。

致谢: “深部岩体力学与开采理论”项目 (项目编号：2016YFC0600700) 属国家重点研发计划重点专项“深地资源勘查开采”，在中华人民共和国科学技术部的资助下，目前整个项目正处于理论研究和技术攻关阶段。感谢北京科技大学蔡美峰院士、神华集团有限责任公司顾大钊院士、雅砻江流域水电开发有限公司吴世勇教高、北京科技大学乔兰教授、中国矿业大学 (北京) 周宏伟教授、中国矿业大学高峰教授、中南大学李夕兵教授、中国科学院武汉岩土力学研究所江权研究员、北京矿冶研究总院杨小聪研究员及项目所有参研人员的参与和支持。