战略性矿产资源为国民生产和国防建设提供重要物质基础，其供给保障直接关系国计民生与国家安全。近年来，战略性矿产资源全球竞争达到白炽化程度。我国作为资源消费大国，大多数战略性矿产供给不足，国家资源安全面临严重的“卡脖子”风险。统计数据显示，我国矿产资源储量仅占世界的7%，而消费量占全球32%；23种重要矿产品消费量占全球总量的50%以上；战略性矿产资源中21种依赖进口，12种对外依存度超过70%。随着矿产资源的持续大规模开采，地球浅部资源逐渐枯竭，而外太空和海洋采矿产业化还比较遥远，还很难满足工业需求。因此，目前以及未来长时期内资源增储上产的出路势必在地球深部，深部采矿是保障资源安全的必由出路。习近平总书记在全国“科技三会”中指出：“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。以金属矿深部开采为例，据不完全统计目前国外开采深度超过千米的地下金属矿山有100余座，我国开采深度达到或超过1000 m的金属矿山已近20座[1-4]。未来10年内，我国三分之一的地下金属矿山开采深度将超过1000 m，其中最大开采深度可达到2000~3000 m，且以每年10~25m的速度向下延伸[1-5]。
深部采矿面向的是地下未知领域，采矿过程犹如一个探险过程，会发生各种类型的岩石力学灾害[1-2, 4, 6-8]。如图1所示，当采矿活动处于浅部时，开采扰动岩体会出现片帮、冒顶等问题，这些问题一般是由于设计施工不当或岩体劣化造成；随着采矿深度进一步加深，地应力进一步增大，采矿工程复杂度进一步增加，开采扰动岩体会出现区域坍塌，造成采场事故。这些事故虽然较为严重，但也都是渐进性、局部性发展的[9-10]；当采矿深度接近或超过千米时，开采扰动岩体会诱发岩爆灾害，造成人员和设备损坏，且岩爆事故突发性强、难以防治[11-14]；当采矿深度往地层更深处发展时，开采扰动岩体可能发生规模性破坏，将出现工程诱发性地震，后果将会是灾难性的，整个矿区可能在瞬间被完全摧毁[15-16]。由此可见，由浅部到深部，岩体破坏从事故至灾害到灾难，破坏性更强、规模更大。典型事例如广东大宝山铜矿，矿区在长达千百年的房柱式开采后留下横向数百米、纵向近百米的大规模“蜂窝状”地下采空区。2004年6月，因爆破作业引起局部矿柱失稳，进而诱发数十个中段相继发生坍塌事故，最终破坏岩体达数千万立方米，引发矿震灾难。又如辽宁红透山铜矿，采深超过1300 m，井巷空区层罗叠布、错综复杂，钻爆作业后常发生岩爆、冒顶等灾害，每年中等或强烈岩爆数十次，矿区安全受到严重威胁。类似矿山事故不胜枚举，相关灾害与事故造成巨大人员伤亡和经济损失[17-19]。因此，认识深部岩体灾害机理并进行防控是保障深部采矿安全的首要任务。
1 深部开采岩体灾害研究现状
矿山开采要面临岩爆、塌方、冒顶、突水等灾害问题，而深部矿山地质情况复杂，岩体非线性、非均匀、非连续等复杂特性显著，爆破等强开采扰动更加剧了深部岩体灾害的发生频次和致灾严重程度。谢和平等[20]在《我国矿业学科“十四五”发展战略研究》中指出，深部高地压、高地温、高水压等极端开采环境是矿业学科发展必须面对的严峻挑战，在极端环境下，矿业工程系统的地应力环境与动力灾害演变机制、强采动应力场—能量场演化特征等成为矿业学科的核心科学问题。蔡美峰等[21]基于大量矿山地应力测试和理论分析，提出了深部围岩储能计算公式，并计算得到三山岛金矿开采至-780~-825 m中段时，围岩最大弹性应变能分布达到9.96×104 J/m3，该中段以下开采过程中，采场围岩的最大弹性应变能分布均超过1×105 J/m3。由此可见，深部矿岩有着极高的初始储能，并随着采矿深度增加而急剧升高。同时，深部矿岩开挖过程中，采矿活动导致岩体应力和能量重新调整和平衡，并时常伴随短时强能量的动力扰动，极易诱发岩体动力灾害。经过大量研究，人们初步认识到深部金属矿山应力与地质条件的复杂性，并指出深部矿岩硬脆和高储能特性是动力灾害的发生基础，深部复杂岩体结构为动力灾害发生的次生环境，爆破扰动则是动力灾害的关键诱发因素[20-26]。
许多学者开展了深部高应力岩体力学特性研究。早期研究大多集中于岩石的静力三轴及静态卸荷研究。例如，GOWD等[27]通过三轴压缩试验，发现了深部多孔砂岩的三轴脆-延转化特性。FREDRICH等[28]对方解石类岩石进行了三轴压缩试验，揭示了颗粒粒径对岩石在三轴条件下脆-延转化特性的影响。徐松林等[29]对三轴条件下岩石材料的强度、变形、峰后特性等进行了深入探讨。葛修润等[30]设计和研制了全球首台与CT机配套的专用三轴加载设备，从细观尺度研究了三轴荷载作用下岩石内部损伤不均匀演化过程。在三轴卸荷方面，尤明庆等[31]对大理岩进行了三轴卸围压试验，以塑性变形量和本征强度研究了三轴压缩和卸围压力学过程，用弱化模量来描述岩石的本征强度特征。黄润秋等[32-33]揭示了高应力条件下卸荷速率对花岗岩和大理岩等脆性岩石力学特性的影响。基于以上研究，人们认为岩体灾害的发生是由于岩体自身结构或应力状态发生变化调整而导致的，据此构建的岩石破裂、失稳、灾变理论与判据主要关注灾害发生时的岩石特性和地应力水平[23, 34]，仍属于准静态问题。近年来，随着矿山动力灾害愈发频繁，爆破开挖等采掘活动产生的动力扰动诱灾已经受到人们的广泛关注[35-36]。研究发现，深部矿山岩体结构不仅承受静态高地应力，同时还受到爆破开采等动力扰动的作用，其失稳破坏应是“高地应力+动力扰动”共同作用的结果[1, 7, 22]。李夕兵等[37-40]发明了岩石动静组合试验装置，并对受一维轴向静应力的岩石进行了动力冲击试验，发现动静组合状态下岩石抗压强度、弹性模量、泊松比、破坏应变等都与岩样在纯静载或纯动载下有较大的差异。ZHOU等[41-42]确定了一维动静组合作用下岩石的动态拉伸、断裂特性，发现与动载同向的初始静载会影响岩石的破坏，并研究了动静组合加载下岩石的动力响应规律。LI等[43-44]利用真三轴电液伺服诱变试验系统进行了岩石在三向不等应力条件下的动力扰动试验，发现最小主应力方向突然卸荷会导致岩石的剧烈破坏。SU等[45]、WANG等[46]发现在真三轴高应力状态下，轻微的动力扰动可以使岩石呈岩爆式破坏，且初始应力、动力扰动幅值、扰动频率等都对岩石破坏有重要影响。整体上，当前人们对经典静态三轴条件下岩石的力学特性研究较多，较少关注动静荷载同时作用时岩石的力学行为；而在研究动静组合作用下岩石破坏时，偏向于对一维轴向动静组合应力状态的研究，对三向不等应力状态下岩石的动力学行为研究不足；此外，以往研究较多关注岩块，对复杂结构岩体力学行为的关注和研究还较少。
爆破产生动力扰动是深部矿山动力灾害的关键诱因，深入了解爆破应力波在高应力岩体中传播是揭示灾害发生机理和阻隔减灾的基础。对应力波在岩体中的传播，国内外研究主要在介质模型、波场分析、场地效应等几个方面[47-48]。深部硬岩矿山处于复杂岩体环境，具有节理、断层、空区等缺陷，使得应力波的传播更为复杂。近年来，人们在特殊场地中应力波传播规律方面也取得了丰硕成果[49]。例如，胡宗正等[50]应用断层面的等效弹塑性接触面模型，获得了考虑流体充填时断层面应力波反射理论解。刘立波等[51]基于应力和位移不连续假定，针对充填节理黏弹性特性，建立了P波和S波斜入射单个充填节理的频域形式透反射系数方程组，并讨论了入射角、波频、节理刚度等参数对弹性波斜入射充填节理透反射规律的影响。PAO等[52]采用波函数展开法开创性地研究了无限空间中，弹性波在圆形硐室周边的动应力集中问题。LEE等[53]运用复变函数法推导出了半无限空间中洞室对P波和S波散射问题解析解。应力波在岩体中的传播与响应十分复杂，国内外学者已经认识到其传播特性与介质属性、岩体缺陷、地质条件等因素密切相关，然而尚缺乏非线性非均匀高应力岩体中应力波传播与响应特性的研究。
深部高应力岩体在爆破等开采扰动下的破坏、失稳、动力灾变过程异常复杂，其中岩爆、采空区大规模坍塌等灾害机理认识尤具挑战性，国内外学者进行了大量探索，取得不少突破。在岩爆机理方面，钱七虎[54]依据岩爆发生的不同机制，将岩爆分为断层滑移或者剪切断裂所导致的断裂滑移型和岩石破坏导致的应变型岩爆，并结合事故案例，分析了应变型和滑移型两类岩爆的特点。谢和平等[55]创新引入分形几何和损伤力学分析了矿山微震信号，发现了岩爆诱发微震表现出集聚分形结构，且分形维数明显减小，为岩爆预测提供了新方法。ZHU等[56]利用数值方法模拟了动力扰动触发深部巷道岩爆过程，研究了动态扰动波形和隧道深度对岩爆发生的影响，并指出动力扰动是影响地下洞室稳定性的关键因素。冯夏庭[57]深入探讨了锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞现场岩爆发生机制，提出时滞型岩爆概念，并根据时滞型岩爆特征、演化规律与机制，建议时滞型岩爆应采取“减少扰动、先喷、再锚、紧挂网、紧复喷”的联防策略。陈卫忠等[58]通过脆性岩石卸围压试验发现卸载速率越快，岩石脆性破坏越强，认为开挖卸荷是导致岩爆发生的主要原因。齐庆新等[59]通过有限元模拟方法，对冲击地压与岩爆现象进行对比分析，指出岩爆主要发生在硬岩体中，表现为拉伸破坏和剧烈弹射，并认识到硬岩自身高强度、高储能特性是发生岩爆的根源。采空区大规模坍塌是矿山塌方的极端现象，针对其灾害机理，国内外学者也取得了大量有意义的成果。例如，WANG等[60]建立了考虑矿柱流变特性的采空区矿柱-顶板体系力学模型，并估计了采空区的整体稳定时间。POULSEN等[61]考虑矿柱有效尺寸随时间的剥落效应，分析了不同剥落速度条件下若干年后矿柱群的稳定情况。李元辉等[62]采用极限平衡分析和数值模拟方法，对石人沟铁矿露天转地下时具有代表性的境界矿柱稳定性进行了分析计算，为露天转地下境界矿柱厚度设计施工提供理论依据。尹升华等[63]基于正交极差分析方法对采空区矿柱稳定性影响因素敏感性进行了评价，得出矿房宽度、矿柱宽度和采深是影响矿柱稳定性的关键因素，并建立了矩形矿柱安全系数的计算公式。冯国瑞等[64]通过相似模型试验发现，采空区上覆煤层开采使下部煤层开采的原“三带”均向上位扩展，并出现了层间岩层控制层；在移动变形过程中，控制层以上的岩层移动变形呈现连续性的特点，控制层以下的岩层移动变形呈现突变性的特点。周子龙等[65]利用大型三向地震台开展了采空区振动试验，获得了地震波作用下采空区振动响应与损伤演化规律，并发现了地震波诱发采空区破坏的关键柱和关键区，增进了人们对应力波诱发复杂岩体动力灾害机理的认识。目前，深部金属矿岩体动力灾害研究处于国际前沿，但相关理论和技术还较为欠缺，如何进行灾害防控是深部采矿面临的世界性难题，迫切需要开展相应研究。
2 深部金属矿复杂异构环境特征
矿山采矿活动需要在地下矿体及周边开挖井巷、洞室、采场等岩石工程，形成类型多样的地下岩体结构。随着开采延续，为了控制地压，需要对岩体中的开挖空区进行充填，因此从整体上看采矿岩体工程形成了矿岩、空区、充填体共存的多样介质体。特别是如图2所示，深部金属矿山多中段多采场开采活动会在地下形成一个规模庞大的岩体工程系统，结构上类似地面建筑楼群，竖向埋深1000 m相当于300多层楼高，水平方向延伸可以达到数千米，其中布满了各种采矿巷道和采场；材质上，建筑楼群由钢筋混凝土组成，而矿山岩体系统是由分布着节理、裂隙的岩体或充填体组成，这些材料属于脆性或塑性材料，不均质并且容易发生破坏；载荷上，岩体工程系统承受着随埋深增加的地应力作用，并且因不连续结构和非均匀介质影响，深部高地应力会在岩体开挖结构周围产生明显的应力集中、应力释放等效应，形成复杂的非均匀分布次生应力场，即变异应力场。所以，从矿区的尺度看，深部金属矿岩体工程系统实际形成了一个复杂的异构环境，它的特点是材料非均质、结构非连续、应力非均匀。同时，金属矿采矿过程中，用炸药进行爆破开采一直是主要施工手段，爆破产生的冲击动载和岩体初始静应力相互叠加，应力波在高应力异构环境下跨介质传播，系统响应非常复杂。由这些复杂响应造成的岩体灾害机理和机制目前还不清楚，灾害的评估、防治就更加难上加难。深部金属矿岩体动力灾害防控面临着响应表征难、机制揭示难、灾害防控难的困难和挑战。
深部金属矿山岩体与灾害表现出如下特点：①存在复杂异构岩体结构。硬岩金属矿山较多采用房柱式开采工艺且多采场多中段作业，各类开拓、运输、出矿、充填等工程纵横交错，经年累月后形成了空间不连续、介质非均匀的复杂异构岩体结构；这种结构系统复杂度高、局部应力集中显著，稳定性难以全面保障。②矿岩脆硬、储能大。金属矿山岩性坚硬、易于脆性破坏。同时，地下岩体埋深大，在自重应力、构造应力等作用下储存大量应变能，是天然的高能灾源体。③易发生动力灾害。钻爆法开采强扰动对矿岩的强冲击与强卸载极易诱发大规模坍塌、岩爆等岩体动力灾害，且这些灾害随开采深度和开采规模的增加而愈发频繁和剧烈，严重制约深部金属矿产资源安全高效开采。
复杂异构环境下深部高应力岩体动力破坏问题异常复杂，保障深部金属矿开采安全面临众多挑战，具体难点在于：①地下空区-矿柱-围岩等构成的复杂异构体的材料与结构表征难。材料上，地下岩体是一种埋于地下的天然材料，内部材质和特性未知，科学精细测定非常困难；结构上，采矿生产不断引入的空区、矿柱、围岩等工程元素，这些工程元素的布局和形态随着工程推进与岁月推移而动态变化。如何同时从材料和结构上同时进行表征并满足灾害分析需要非常重要；②多载荷类型、复杂环境岩体系统的动态响应规律复杂。地下空区-矿柱-围岩等构成的异构体是一个相互作用的力学系统，本身力学行为就比较复杂，加上爆破等动力扰动，形成了一个超越经典力学范畴的动静耦合系统问题，不但要考虑力的传递，还要考虑应力波的传播与响应，其规律更加难以把握；③灾害机理不清、防控困难。深部高应力岩体动力灾害发生剧烈、破坏威力和范围大，但灾害机理的认识还处于起步阶段，以事后原因推测为主，而灾害防控主要处于被动应对状态。为此，亟需深入研究深部金属矿异构环境下开采诱发岩体动力灾害机理，并探索相应灾害防控方法，为我国深部金属矿产资源安全高效开采提供关键理论和技术支撑。
3 深部金属矿岩体动力灾害机理与防控方法
深部金属矿岩体动力灾害的发生涉及复杂异构岩体特性、高应力和爆破开采强扰动，其防控面临响应表征难、机制揭示难、灾害防控难等关键挑战。响应表征难主要体现在深部异构岩体动静应力叠加、跨介质波传播和复杂系统响应；机制揭示难主要体现在深部金属矿岩体动力灾害发生机理不明、灾变机制不清和评估方法欠缺；灾害防控难主要体现在对深部金属矿岩体动力灾害防控时致灾源头控制难、灾链过程监测难和高危储能调控难。针对响应表征难的问题，基于动静组合加载理论，建立异构介质波动模型，分析复杂系统响应规律，获得异构体及响应特征；针对机制揭示难的问题，研究载荷链式传递机理，阐明能量跃升突变机制，建立应力能量耦合判据，揭示异构体灾变机制；针对灾害防控难的问题，开展精细爆破技术研究，进行灾害监测方法创新，提出灾害诱导调控方法，最终实现动力灾害有效防控，从而实现深部金属矿岩体动力灾害有效防控。深部金属矿爆破开采诱发岩体动力灾害防控理论与技术的研究思路如图3所示。
3.1 关键科学问题与核心内容
如图4所示，对于深部金属矿爆破开采诱发岩体动力灾害防控理论与技术研究，开展岩体响应表征是基础，进行灾害机制揭示是核心和关键，实现灾害防控是预期效果，所以需要解决两个关键科学问题。
1) 复杂异构环境爆破应力波传播与高应力岩体响应特性
深部金属矿多中段多采场布置，岩体、空区、充填体共存，空间结构不连续、材料介质非均质、应力分布非均匀，这一复杂异构环境显著影响爆破应力波的传播特性。同时，在深部高应力下岩体异构区域的静应力集中更为明显，爆破动力扰动会进一步加剧岩体异构区域的动态应力集中和能量积聚，极易诱发岩体动力灾害。然而，目前针对爆破应力波在复杂异构环境岩体中的传播规律研究十分欠缺，对爆破应力波诱发高应力岩体失稳响应的认识不清。因此，需要在充分明晰深部金属矿山复杂异构环境特征的基础上，研究应力波作用下异构环境中应力场和能量流时空演变规律，阐明深部异构环境下岩体关键部位的应力变化、动态损伤、裂纹扩展和能量聚集与迁移特性，揭示爆破动力扰动下深部异构环境岩体的动态响应规律。
2) 爆破开采诱发深部高应力高储能岩体失稳与灾变机制
高地应力作用下，深部岩体本质上是一个储能体，当受到爆破动力扰动时，其内部储存的应变能迅速释放，为深部岩体动力灾害提供能量源，并且深部岩体的复杂异构特征显著加剧了灾变能的快速无序释放。然而，目前关于爆破扰动下的采场围岩、矿柱、顶底板等关键结构处岩体的灾变演化机理不清，深部复杂异构环境高储能岩体动力灾害发生过程的能量“时-空-强”演变规律不详、判据不明，造成深部复杂异构环境下岩体动力灾害科学防控难度极大。因此，亟需研究深部金属矿异构环境关键结构处岩体的局部破裂破坏、链式失稳和灾变演化机理，揭示爆破应力波诱发深部异构区域高储能岩体灾变机制，明晰岩体动力灾害的能量释放特征与能量贡献度，建立以异构环境下岩体储能和爆破扰动能为指标的爆破诱发深部高储能岩体动力灾害判据，为深刻认识灾害发生机理与灾害防控提供可能。
为解决这些关键科学问题，必须在如下核心内容(见图5)上开展深入研究。
3) 异构环境下爆破应力波传播与高应力岩体动态响应特征
在明晰深部金属矿山复杂异构环境特征的基础上，开展异构环境下爆破应力波传播的应力场和能量流时空演变规律研究，阐明深部异构环境下关键结构体的应力变化、动态损伤、裂纹扩展和能量耗散特性，揭示动力扰动下深部异构环境岩体的动态响应规律。具体研究内容如下：
① 深部金属矿山复杂异构环境表征。针对深部金属矿山多中段多采场开采矿岩、空区、充填体共存环境，开发深部岩体异构区域波速场反演方法，明晰深部金属矿山复杂异构环境的结构不连续、介质非均匀特征，实现深部金属矿山异构环境易灾区多维信息精细感知和灾变敏感度综合表征。
② 异构环境下爆破应力波传播规律。针对典型硬岩金属矿山爆破开挖方法，从频率、幅值、持续时间、波形等多种表征因素分析爆破应力波在深部金属矿异构环境中的传播与衰减特性，定量描述异构环境下爆破应力波传播的应力场和能量流时空演变规律，揭示爆破应力波在深部岩体非均匀应力场和非均匀介质区的动态应力集中以及能量聚集与迁移规律。
③ 爆破扰动下深部异构环境岩体动态响应规律。开展复杂异构环境下岩体动静组合加载试验，研究爆破动力扰动作用下深部异构环境岩体应力集中、转移、释放过程，获得异构环境下高应力岩体在受到爆破动力扰动作用时的力学行为，阐明深部异构环境采场围岩、矿柱体系、顶底板结构体的应力变化、动态损伤、裂纹扩展和能量耗散特性，揭示动力扰动下深部异构环境岩体的动态响应规律。
4) 异构环境下爆破强扰动诱发高能岩体失稳灾变机理
研究深部金属矿异构环境关键结构处岩体的局部破裂破坏、链式失稳和灾变演化机理，揭示爆破应力波诱发深部异构区域高储能岩体灾变机制，明晰岩体动力灾害的能量释放特征，建立以动静能量为指标的爆破诱发深部高储能岩体动力灾害判据。具体研究内容如下：
① 爆破扰动诱发深部复杂异构环境岩体破裂失稳特性。开展高应力和爆破扰动下深部采场区域含孔洞、空区群、充填体复杂岩体失稳的物理相似模型试验和数值模拟研究，获得爆破扰动下采场围岩、矿柱、顶底板等关键结构处岩体的局部破裂破坏、链式失稳和灾变演化机理，明晰诱发关键结构破坏失稳的应力特征和爆破扰动阈值参数，构建爆破扰动诱发深部异构环境岩体结构失稳判据。
② 爆破扰动诱发深部复杂异构环境高储能岩体灾变机制。研究爆破动力扰动下深部复杂异构环境高储能岩体裂纹产生、扩展、贯通到动力灾害发生过程的能量“时-空-强”演变规律，揭示爆破应力波诱发深部异构区域高储能岩体灾变机制。
③ 爆破扰动诱发深部高储能岩体动力灾害判据。研究爆破扰动诱发深部高储能岩体动力灾害的致灾链能量表征方法，明晰并区分岩体常规破坏与动力灾害的能量释放特征，揭示深部岩体高初始储能和爆破扰动能对岩体破坏灾变的定量贡献度，建立以动静能量为指标的爆破诱发深部高储能岩体动力灾害判据。
5) 异构环境下爆破诱发岩体动力灾害防控方法
开展深部金属矿山异构环境下精细化爆破控制、异构区域微震能量表征与监测、异构环境改良方法研究，实现爆破载荷和高应力储能耦合效果最佳的精细化爆破效果控制，实时感知岩体能量时空场演化和破裂灾变前兆，改良再造复杂异构环境，形成“灾源控制-灾链监测-灾变预警-灾敏调控”联合作用的深部金属矿复杂异构环境岩体动力灾害综合防控新模式。突破点在于：
① 异构环境下深部金属矿山精细化爆破。开发工程岩体参数快速智慧获取方法，对深部金属矿复杂异构环境工程岩体质量进行快速评价与综合分区分级，实现工程岩体可爆性综合表征；研究分析爆破动力扰动响应显著的高危岩体应力条件和结构形式，动态优化爆破开挖参数，降低采动岩体动态应力集中和高储能灾变积聚效应，实现爆破载荷和高应力储能耦合效果最佳的精细化爆破效果控制，降低深部异构环境下高应力岩体对爆破动力扰动的高危响应敏度。
② 深部复杂异构环境岩体动力灾害监测预警。研究岩体动力灾害表现特征指标与区域微震能量表征参数的相互关系，获得不同类型及破坏等级岩体动力灾害孕育过程中的区域微震能量表征参数特征值，提出深部复杂环境岩体全息监测与灾变预警方法，实时感知深部金属矿山复杂异构环境岩体能量时空场演化和破裂灾变前兆。
③ 深部复杂异构环境改良与岩体动力灾害防控。通过采场空间布局优化、充填支护参数协同匹配、关键部位钻注卸压等措施，对深部金属矿复杂异构环境进行改良再造，诱导释放深部岩体异构区域的高储能；通过爆破开挖参数优化实施精细爆破，降低爆破诱发重大动力灾害的风险，实现深部岩体安全高效可控破碎；形成“灾源控制-灾链监测-灾变预警-灾敏调控”联合作用的深部金属矿复杂异构环境岩体动力灾害综合防控新模式。
3.2 异构环境爆破扰动高应力岩体动态响应特征
为了清晰认识深部金属矿复杂异构环境，首先对深部金属矿山复杂异构环境进行定量表征。当前金属矿地下开采中各种探测方法和技术发展迅速，但这些方法技术的针对性、数据融合度以及对深部采矿的适用性还存在明显不足。因此，针对深部采矿的特点，如图6所示，通过多元信息融合与多场联合方法，具体利用岩体暴露面和孔内壁面岩体结构扫描方法获得岩体结构信息，利用钻探取样或者随钻监测方法获得岩性材质参数，利用钻孔应力测试和应力场反演方法获得地应力信息，从而实现了岩体结构-材质-应力多元综合表征，从而准确表征深部金属矿山复杂异构环境。
在定量表征深部金属矿异构环境的基础上，开展异构环境下爆破应力波传播规律研究。如图7所示，考虑各异构要素，根据微震监测系统获取的波形信号，分析应力波层间折反射、跨空区绕射、非均质散射、不均匀衰减等传播特征，构建异构介质波动模型，获得爆破应力波跨介质传播规律，并反演节理、断层、地层、空区、含水层、裂隙水等地层信息，进一步细化表征深部金属矿复杂异构环境。
深部金属矿开采爆破等产生的应力波在异构环境内传播过程中，应力波波及区域岩体会产生相应的动态响应[66-67]。在掌握异构环境中爆破应力波传播规律的基础上，研究爆破扰动下深部异构岩体系统动态响应规律。如图8所示，从单一结构到复杂异构岩体结构，考虑动静组合应力作用，耦合材料失效与结构响应，揭示动静组合作用下异构岩体系统动态响应规律。
3.3 异构环境爆破扰动高能岩体失稳灾变机理
深部金属矿开采爆破等动力扰动在高应力岩体中产生动力响应，应力和能量随之发生显著变化，同时也会诱发岩体内部裂隙发育，在岩体劣化和应力过载的双重作用下，深部金属矿山异构环境高储能岩体极易发生失稳灾变，岩体中的高静态储能在开采扰动能的激发下快速释放，从而引起岩爆、冲击地压、大规模坍塌、矿震等岩体动力灾害。为了揭示异构环境下高能岩体失稳灾变机理，首先研究爆破扰动诱发深部异构岩体破裂失稳特性。我们通过相似材料模型试验和数值仿真(见图9)，研究高应力复杂异构体在动力扰动下局部破裂与链式失稳间的联系，初步揭示了爆破扰动下深部异构岩体链式失稳机理[67-69]，对于大规模失稳灾害的研究有待进一步深入。
如图10所示，针对深部复杂异构环境岩体链式失稳过程，研究爆破扰动诱发高应力岩体储能释放与灾变机制，深入分析深部不同动力灾害发生过程中能量释放特点和演化规律，阐明了爆破诱发深部岩体灾害能量跃升突变机制；在此基础上，进行灾害种类、灾害诱发因素与灾害规律的信息挖掘，建立了考虑开采扰动能和高静态储能动静能量耦合效应的岩体动力灾害判据。
3.4 异构环境下岩体动力灾害防控方法
异构环境下爆破诱发岩体动力灾害防控可以从灾害诱发源头上控制、灾害传递过程监测预警、高危灾害敏感体调控等三个方面进行。如图11所示，针对爆破开采诱灾源头，当前和未来相当时间里，爆破仍是金属矿山开采的主导施工手段，因此，我们研究了适应深部复杂异构环境的岩体精细化爆破技术与方法，从岩体参数原位获取、精细爆破施工、高精度爆破器材、快速智能爆破设计、精准监测、智慧决策科学管理等方面进行突破，实现了深部复杂异构环境精细化爆破，降低了爆破冲击扰动，控制诱灾源头。
如图12所示，针对灾链过程，进行深部复杂异构环境岩体动力灾害监测预警研究。针对深部金属矿复杂异构环境岩体的特殊性，研究抗干扰容差定位、震源能量反演、震源类型辨识等方法技术，根据震源类型、震源能级、震源位置、微震事件能量和时间分形特征对岩体动力灾害进行多指标预警，实现了深部金属矿复杂异构环境岩体动力灾变过程容差互馈监测和分级预警，创新了深部复杂异构环境下微震监测预警理论和方法。
如图13所示，针对灾敏岩体，开展深部复杂异构环境改良与岩体动力灾害防控研究，在对深部异构环境特征、爆破响应规律及动力灾害发生机制认识的基础上，一方面开展采场参数和开采时序优化研究，实现岩体能量调控；另一方面，深入开展深部高应力条件下的精细爆破研究和非爆诱导致裂研究[70-71]，对高应力岩体的应变储能进行可控有序释放，实现灾害释放能向破岩工作能的良性转化和利用。通过上述研究攻关，最终形成了深部金属矿异构环境下岩体动力灾害“灾源控制-灾链监测-灾变预警-灾敏调控”综合防控技术体系。
4 结论
深部金属矿开采在地下岩体中形成复杂异构环境，其表现出明显的结构非连续、材料非均质、应力非均匀特征。爆破开采强扰动极易诱发深部金属矿异构环境岩体发生岩爆、大规模坍塌等动力灾害。深部金属矿开采的极端复杂异构环境，使得深部金属矿岩体动力灾害防治面临“响应表征难、机制揭示难、灾害防控难”等困境，严重制约深部金属矿产资源开发与矿业可持续发展。因此，开展了深部金属矿异构环境开采诱发岩体动力灾害防控理论与技术研究，揭示了深部异构环境下爆破应力波传播与岩体响应规律，阐明了异构环境下爆破扰动诱发高应力岩体失稳与灾变机制，形成了深部金属矿岩体动力灾害综合防控新模式。
1) 针对深部金属矿山采场近区岩体开挖空间缺陷和岩体、充填体多介质共存的特点，研究深部采场复杂异构区域爆破应力波传播与变异应力场的耦合作用过程，揭示高地应力岩体非均匀应力集中区、不连续异构界面处、非均匀介质区爆破应力波的传播规律与衰减特性，获得了爆破应力波在深部金属矿山复杂异构环境中传播的能量动态时空演化模型。
2) 针对深部金属矿山岩体所处的变异应力场、复杂异构环境、爆破扰动等特殊条件，研究不同爆破扰动参数下高应力异构环境岩体的动态响应规律和破裂特征，揭示爆破扰动下采场围岩、矿柱、顶底板等关键结构处岩体的局部破裂破坏、链式失稳和灾变演化机理，获得了深部金属矿山复杂异构环境岩体能量时空流程和破裂灾变前兆信息，阐明了爆破扰动下高应力复杂异构环境岩体动态响应规律和破裂灾变机制。
3) 针对深部金属矿山高应力储能岩体、复杂异构环境、爆破应力波等因素耦合致灾特点，开展爆破应力波诱发高应力异构环境岩体动力灾害的演变规律研究，建立以动静能量为指标的爆破诱发深部高储能岩体动力灾害判据，研发联合精细化爆破或非爆诱导致裂、全息监测预警、异构环境改良的爆破扰动诱发复杂异构环境岩体动力灾害防控方法，形成了“灾源控制-灾链监测-灾变预警-灾敏调控”联合作用的深部金属矿复杂异构环境岩体动力灾害综合防控新模式。
周子龙, 王少锋, 蔡鑫, 等. 深部金属矿异构环境爆破开采诱发岩体动力灾害防控[J]. 中国有色金属学报, 2025, 35(1): 306-322. DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2024-45081
ZHOU Zilong, WANG Shaofeng, CAI Xin, et al. Control for rock dynamic disasters induced by blasting mining disturbance under heterogeneous condition in deep metal mines[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2025, 35(1): 306-322. DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2024-45081