循环荷载下深部花岗岩的能量演化机制与灾害防治：以三山岛金矿为例

为何深部岩体关系到井下安全

随着最易开采的金矿床被逐步开采殆尽，矿业公司不得不向地表下数公里处追寻矿体，在那里岩体受到了巨大的挤压力。在这些极端条件下，隧道可能突然开裂、脱落岩块，甚至发生剧烈的岩爆，严重威胁矿工安全。本研究探讨了深部硬质花岗岩在随着开采进展时如何储存与释放能量，以及更智能的、能量吸收型支护如何将潜在的暴力失稳转化为可控的缓慢位移。

深部金矿中的隐含力场

研究聚焦于中国的三山岛金矿，该处隧道位于地表下千米以上。作者首先通过钻孔并谨慎释放原位应力来测量围岩的天然应力场。他们发现，岩体侧向受压强于竖向，水平应力远大于由上覆岩体自重引起的竖向载荷。这些应力随深度近似线性增长，形成以水平应力主导的应力场，从而决定了隧道在开采推进过程中如何变形和失稳。

在实验室重现深部地压条件

为了理解受应力岩体在反复加卸载下的行为，研究团队从矿山切取花岗岩试样，并在自制的三向加载试验机上进行测试。该装置可以独立控制三个方向的应力，更接近真实的地下应力状态，而非简化处理。他们模拟了相当于500到2000米深度的条件，在保持两个方向恒定的同时沿一个轴反复施加与释放载荷，记录花岗岩在多次循环中怎样应变、开裂并最终破坏。

岩石如何储存与耗散能量

实验显示，花岗岩在重复荷载下并不像弹性橡皮筋那样简单弹回。相反，永久变形主要沿最大压缩和张开方向累积，并随循环次数近似呈指数增长，而中间方向的变化较为平缓。从能量视角看，对岩体所做的功一部分以可恢复的弹性能形式储存，另一部分不可逆地损耗于微裂纹扩展、颗粒间摩擦等过程。加载初期，花岗岩主要以弹性形式储能；随着应力接近屈服，更多输入能量被转向损伤，引发并连通裂缝。在接近或超过峰值强度时，额外能量大多被进一步的损伤消耗，而不是瞬间释放，揭示了一种“损伤诱导的能量转换”机制——这机制能够在不同支护条件下或抑制、或推动失稳。

将能量洞见转化为更优支护

基于这些发现，作者提出应以能量为导向设计隧道支护，而不仅仅看强度。他们估算了在深部应力作用下开挖时，围岩损伤区内额外累积的能量，并据此选择支护系统——特别是锚杆——使其总吸能能力超过该值并留出安全裕度。在三山岛，他们通过调整摩擦型“分体锚杆”的直径与长度，并在管内灌注遇水膨胀并固化的化学浆料，使螺栓更紧密地贴服于岩体，从而优化了性能。现场拔出试验表明，这些改进后的锚杆在失效前能吸收的能量远高于传统设计。

通过更智能的能量控制实现更安全的深部巷道

当改进的能量吸收型支护系统在1050米深的运输巷安装后，12天的监测显示锚杆荷载和振动水平均下降并趋于稳定，墙面剥落和局部塌落等问题明显减少。简言之，隧道周围的花岗岩在深部应力下仍会储能，但经加固且更具延性的支护通过受控屈服吸收并耗散了大量能量，从而避免这些能量驱动突发、剧烈的岩体失稳。这种基于能量的设计方法为在高应力硬岩中开挖提供了通向更安全、更可靠深部开采的切实可行路径。

引用: Yin, Y., Ye, H., Peng, C. et al. Energy evolution mechanisms and hazard prevention in deep granite under cyclic loading: a case study from Sanshandao gold mine. Sci Rep 16, 8775 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40308-w

关键词: 深部开采, 岩爆防治, 花岗岩掘进, 能量吸收支护, 循环荷载