随着浅部矿产资源的日益枯竭,我国逐渐进入深部开采阶段,片帮、岩爆、局部大变形等灾害较浅部在频度和强度方面显著增加,成为深部地下工程建设亟需解决的问题。深部地下工程灾害是由岩石本身力学性能、所处复杂地质环境和开挖扰动力学响应引起的。埋深的增加导致地应力升高,而高地应力导致的围岩片帮、剥落、岩爆以及大变形则是制约深竖井设计和施工的关键因素。深部地层岩石在高地应力作用下力学特性及工程响应较浅部岩石存在明显差异,导致地下工程灾害具有多发性和突发性。因此,开展高地应力作用下深竖井围岩稳定性研究具有重要意义。本文结合国家重点研发计划项目-深部金属矿建井与提升关键技术,从金属矿深竖井开挖围岩稳定性分析及控制这一科学问题出发,依托纱岭金矿在建深竖井为工程背景开展研究。基于深部地层地应力场分布特征、室内岩石力学试验、数值模拟和理论分析,系统研究了不同赋存深度岩石在动、静载荷作用下力学性能、能量演化与分配比例和失稳破坏过程及随深度变化规律,结合声发射监测技术进一步探讨了不同赋存深度岩石失稳破坏过程中声发射信号的频率、时序特征以及硬脆性岩石高地应力作用下致灾机理。最后,采用数值模拟方法模拟了纱岭金矿主井开挖应力场、变形场、能量场、塑性区和围岩损伤程度特征及其随深度变化规律,揭示了围岩失稳破坏机制,并提出相应失稳控制理论和技术措施。相关研究成果对深部建井围岩稳定性分析以及开挖支护提供了理论支撑。主要研究成果如下:(1)在纱岭金矿建井工程区地层完整性分析的基础上,针对主井、副井、回风井的3个深钻孔内进行水压致裂地应力测量,获得了纱岭金矿建井工程区560～1532 m范围内地应力场随深度变化规律。分析了最大水平主应力方向与山东渤海沿岸地区最大水平主应力方向的关系,从板块运动的角度解释了最大水平主应力方向形成的机制,明确了建井工程区深部地层岩石所处复杂地层环境和地应力场特征。(2)选取井筒穿越变辉长岩和花岗岩两种岩石为主要研究对象,通过X射线衍射试验(XRD)和双目透反射偏光显微镜观察得到了岩石基质的类型、矿物组成和微观结构。对不同赋存深度岩石开展了动、静加载作用下岩石力学试验,从力学特性、破坏形态、声发射信号和失稳破坏演化过程分析了深部地层岩石物理力学性能、脆性破坏特征及随深度的变异性。同时,对岩样破裂断口进行电镜扫描获得了破裂断口细观形貌,从细观角度分析了硬岩的脆性破坏机制。最后,基于多重判据冲击倾向性判别准则对深部岩石冲击倾向性进行评价,采用冲击危险性和冲击危险势指标表征深部地层岩石发生冲击破坏的可能性及强度。(3)岩石储能能力是片帮、岩爆等灾害能量判据的重要指标,基于岩石极限储能理论研究了深部地层岩石储能能力随深度变化规律。综合考虑给定深度和周围应力环境因素,通过特征应力以及两个阶段能量随围压的变化规律,揭示了围压对岩石渐进破坏的影响。利用循环加卸载试验分析了深部地层岩石加载过程中力学参数的演化规律,表明了循环载荷对岩石强度参数具有强化和损伤双重效应作用,进而反映岩石能量存储与耗散特征,同时提出了修正后的CWFS(粘聚力弱化摩擦强化)模型;系统分析了岩石加载失稳破坏过程中输入能量密度、弹性应变能密度和耗散能密度演化过程及分配规律,进一步揭示了岩石峰前以积聚弹性应变能为主、耗散能为辅的能量演化规律,同时阐明了能量演化及分配规律的围压效应;最后,从能量耗散角度分析了岩样损伤与应力水平之间的关系,基于耗散能发展规律建立了围岩失稳破坏能量判据,揭示了深部地层围岩损伤破坏能量机制。(4)岩石等脆性材料破坏过程能量耗散主要用于裂隙结构面的产生及其相互摩擦,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)对深部花岗岩开展不同冲击速度作用下动态力学试验,得到了深部地层岩石动态抗压强度、破碎形态、能量耗散与冲击速度之间的关系,并与静态加载试验结果进行对比分析。探讨了冲击过程中耗散能密度、透射能密度、入射能密度等随冲击速度的演化规律,揭示了冲击破坏后破碎岩样分形维数特征,进一步研究了深部地层围岩突发式失稳破坏的内在机制。(5)基于声发射(AE)监测技术,从特征参数(计数率、能量率、累计计数、累计能量)和波形(幅值和峰频)两方面研究了不同深度地层岩石加载失稳破坏过程AE信号与应力水平之间的关系以及随深度变异性特征,反演了不同应力水平下岩石的稳定性,提出了岩石失稳破坏的声发射前兆信息。通过循环加卸载试验研究了不同赋存深度冲击性岩石加载过程中的不可逆性,得到了不同受力及变形阶段声发射信号变化特征及规律,揭示了岩石内部损伤程度的非线性加剧过程。同时探讨了加卸载过程中声发射b值演化规律,为进一步反演岩石损伤及破坏机制提供了理论依据。(6)综合考虑岩体声波波速随深度的变化、岩芯质量完整性、地下水、地应力分布特征和室内岩石力学试验的基础上,采用Hoek-Brown强度准则合理获得不同深度地层岩体力学参数。利用FLAC3D数值模拟软件分析了纱岭金矿主井穿越复杂地层应力场、变形场、塑性区特征及随深度变化规律,总结了围岩力学响应的时空演化规律和特征。采用破坏接近度指标分析了围岩损伤范围与破碎程度随深度变化关系,同时确定了最小支护深度和安全支护深度的范围。通过深竖井开挖后围岩能量积聚特征,确定了围岩能量积聚范围,合理预测了井筒围岩片帮、岩爆发生位置及强度,同时提出了相应卸压及支护措施。综合影响围岩稳定的多种因素对纱岭金矿主井地层进行了危险区划分,开展了围岩稳定性分析并提出深竖井施工围岩支护设计方案。