爆炸载荷作用下深部矿井围岩中分区破裂机理及控制研究

以深部高应力岩石巷道爆破掘进载荷作用导致软弱围岩破坏失稳为背景，从巷道围岩的环境和围岩变形规律出发，以爆炸动力学、岩石动力学以及非线性理论为指导，采用现场围岩体内超动态应力监测与实验室模型试验相结合的新方法，紧紧围绕爆炸载荷作用下深部高应力围岩出现的拉压交替现象而导致的分区破裂现象开展研究。通过采用现场超声波、钻孔电视、雷达等方法测试围岩内应力变化和围岩破裂过程的研究，以及巷道掘进现场采用TBM掘进载荷和爆炸载荷等方法，研究围岩内位移和压力变化规律，阐述爆炸载荷作用下围岩内部分区破裂的作用机理；建立深井高应力软岩巷道爆破掘进过程中围岩变形破坏的动态力学模型，并进行数值模拟，验证围岩内部出现拉压交替的力学现象，揭示深部巷道围岩内分区破裂的物理本质，提出适合现场应用的爆炸能量和围岩稳定性控制理论与技术。

以现场监测到分区破裂现象的淮南矿区丁集煤矿深部直墙半圆拱形巷道为工程原型，借助深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室的深部巷道围岩破裂机制与支护技术模拟试验装置，采用三维相似物理模型试验、理论分析和颗粒流数值模拟相结合的方法，研究爆炸荷载对高轴地应力条件下深部岩体分区破裂现象的影响机理以及深部围岩的变形破坏规律。.依据“先加载、后开洞、再超载”的试验方法，开展轴向超载和三向超载的三维相似物理模型试验，成功再现了深部岩体分区破裂现象。在超载过程中，随着轴向荷载的增大，洞周围岩开始出现环状破裂，在环状破裂区内应变迅速增大；超载完毕，洞周应变呈现出波峰与波谷的间隔分布，分别对应于围岩破裂区与非破裂区。洞周径向应力也呈现出类似的变化趋势。对比两种超载条件下洞周围岩破裂区范围，发现当深部洞室轴向应力一定时，洞室埋深越深，分区破裂的范围越小，即岩体埋深越深产生分区破裂现象所需的洞室轴向应力越大。.爆炸荷载将造成围岩体力学性能的劣化和完整性降低，高轴地应力的作用将加剧洞壁围岩体的破坏，扩大围岩破裂区的范围。对比预埋件抽出和爆破开挖两种模型分区破裂产生条件，可知爆炸荷载能显著降低深部岩体产生分区破裂现象所需的洞室轴向应力。定量分析爆破开挖条件下洞周围岩破裂区分布，后一层破裂区半径约为前一层破裂区半径的1.28倍。爆炸应变波信号分析表明，径向和环向爆炸应变波信号时频变化特征相似，优势能量集中分布于几个IMF分量中。.开挖完毕，3种开挖卸荷方式下洞周应力和应变随距洞壁距离的增加均呈现出波峰与波谷间隔分布的非线性变化趋势，表明模型洞周围岩潜在分区破裂的趋势；且瞬态卸荷和爆破开挖方式围岩体洞周径向应力调整过程与人工凿挖明显不同。.锚固支护深部岩体三维相似模型试验表明，锚杆和锚索联合支护对分区破裂现象具有较好的抑制作用。由于高轴地应力作用，锚固支护模型洞周围岩依然潜在分区破裂的趋势。.不同爆炸荷载作用时间深部岩体颗粒流数值模拟结果表明，延长爆炸荷载升时会减少颗粒模型洞周张拉和剪切裂纹数，减小模型应变能降低幅度；延长爆炸荷载作用时间会增多颗粒模型洞周张拉和剪切裂纹数，增大颗粒模型应变能降低幅度。不同节理倾角深部岩体数值模拟结果表明，颗粒模型洞周接触力链呈现出近似平行于洞壁的环状分布。随着层状节理面倾角的增大，颗粒模型洞周围岩破裂区范围、张拉和剪切裂纹数与应变能增量均呈现出先增大后减小的变化趋势。