随着生产规模与开采强度的不断扩大,不少矿山现已进入深部开采阶段。深部赋存的特殊环境(“三高一扰动”)导致开采工程响应特征和岩体力学特性发生极大变化,深部地压显现更为频繁,由此带来的冒顶片帮、巷道变形等灾害程度也更为严重。如何有效解决深部开采所面临的的各项技术难题,实现安全高效开采,是摆在广大科研工作者面前的重要课题。本文以国家“十二五”科技支撑计划专题“采空区三维激光扫描空间信息建模与动态监测技术(2012BAK09B02-05)”及横向课题“深部三维地应力测量及其分布规律研究”为依托,针对凡口铅锌矿深部开采现状,综合运用现场试验、理论分析、数值模拟等方法,采用SURPAC、FLAC3D、 Matlab等数字化工具,开展凡口深部原岩应力实测及三维地应力场混沌数值反演研究,并在此基础上寻求解决深部采场结构参数优化问题,全文主要研究内容及成果如下：1)在充分掌握深部工程及地质构造情况的基础上,采用套孔应力解除法于深部-550m及-650m中段开展原岩应力实测工作,并对套取岩芯进行双轴率定试验,获取套芯解除应变和弹性参数,计算分析获得了深部实测原岩应力及其分布特征。2)从地应力场成因及主要影响因素出发,确定了用于地应力场反演的主要荷载形式；统计国内近5年地应力实测数据,采用拟合分析方法获得了反演荷载随埋深变化的规律,据此构建了非线性荷载函数表达式,并编写了其FISH语言实现程序。3)采用数字化矿山软件SURPAC构建了全面反映深部地质条件,涵盖地层、断层和矿体等信息的实体模型,运用课题组自主研发的SURPAC-FLAC3D技术,转换生成了地应力场反演数值模型；开展深部矿岩物理力学参数试验,获取了矿岩块物理力学参数；结合深部实际地质情况,采用Hoek-Brown强度准则折减获得了深部矿岩体物理力学参数。4)研究提出了基于混沌搜索理论的地应力场混沌反演方法。定义自重应力修正系数,引入非线性荷载表达式参变量,构建了自重修正系数与非线性荷载参变量的典型组合(反演参数组合)；将反演参数组合代入地应力场反演数值模型,开展初始地应力场试算,提取实测点处应力试算值,用反演参数组合与应力试算值的样本对训练BP神经网络模型,构建了反演参数与应力试算值之间的非线性映射关系；建立BP模型输出(应力试算值)与应力实测值最优逼近的目标函数,对其进行混沌全局搜索获得了最优反演参数；按寻优所得参数开展数值“正算反演”,并模拟深部中段采充过程,揭示了深部初始及现存地应力场的分布特征和变化规律。5)基于深部地应力场反演结果与矿山实际开采现状,确定了深部采场结构参数优化目标；采用弹性力学方法分析开采受力特征,获得了顶板稳定性随采场结构参数变化的规律,据此提出了结构参数初选方案；运用数值分析、多目标理想点法决策等方法,综合考虑安全与经济因素,优化确定了深部采场结构参数。研究内容及成果将有助于全面掌握凡口深部地应力场分布规律及变化特征,为深部工程选址、施工及参数优化设计等提供科学依据,具有重要的理论指导意义和工程应用价值。