其内应力具有明显的非线性特征。深部是指随着开采深度增加,工程岩体出现非线性物理力学现象的深度及其以下的深度区间。非线性物理力学现象是指水压增大,地温升高,煤与瓦斯突出,巷道工程围岩发生冒项、帮缩、底臌,分区破裂化,冲击地压,岩爆等现象。一般认为,当矿山开采深度超过800米,即为深部开采,但各国对深部开采的深度定义略有不同。中国多数专家将深部开采的深度界定为:金属矿山1000~2000米,煤矿800~1500米。
深部岩体力学性质受到“三高”(高地应力、高渗透压力和高地温)环境的控制:①高地应力。深部环境中的岩体,承受着上覆岩层自重产生的垂直应力,以及地质构造运动产生的构造应力。据南非地应力测定,在3500~5000米深度,地应力水平为95~135兆帕,因此深部岩体具有异常高的地应力场并积聚着巨大的变形能量。②高渗透压力。在开采深度大于1000米的深部,其岩溶水压将高达7兆帕。岩溶水压的升高,将使得深部岩体结构的有效应力升高,并驱动裂隙扩展,导致矿井突水等重大工程灾害。煤层瓦斯压力随着煤层埋藏深度的增加而增大,瓦斯压力随深度的变化梯度一般在0.007~0.012兆帕/米。对于浅部埋藏煤层,瓦斯压力随埋深几乎呈线性增长;随着深度的增加,煤层瓦斯压力存在一个极限值。研究煤层瓦斯压力随深度的变化,对预测深部煤层瓦斯涌出量和瓦斯突出危险性具有重要现实意义。③高地温。越往地下深处,地温越高。地温梯度一般为30~50℃/千米不等。有些地区如断层附近或导热率高的异常局部地区,地温梯度有时高达200℃/千米。岩体内温度变化1℃可产生0.4~0.5兆帕的地应力变化,因此深部岩体的高地温对岩体的力学特性会产生一定的影响。特别地,高地压和高地温下深部岩体的流变和塑性失稳与普通环境条件下具有巨大差别。
深部岩体力学响应的特点表现为:①流变性。深部岩体在高应力、高地温的环境中,具有较强的时间效应,表现为明显的流变特性,即使质地非常坚硬的花岗岩,在高地压、高地温、高渗透压的作用下,也极易发生大范围的流变。②强湿热环境。深部开采或开挖条件下,岩层温度将达到几十摄氏度的高温,如俄罗斯千米平均地温为30~40℃,个别达52℃,南非某金矿3000米时地温达70℃。地温升高造成井下工作环境恶劣,工人劳动率减低,甚至无法工作。③强动力灾害。进入深部开采,动力灾害的频度和强度显著增加。高应力增加了岩爆、冲击地压、顶板冒落的风险,高水压和高瓦斯压力则增大了发生突水、煤与瓦斯突出的可能性。因此,岩爆等矿山动力灾害的发生均与开采深度有密切的关系。