深部高地应力下岩体动力特性与爆炸应力波传播规律研究

The deep surrounding rock is in comprehensive geomechanical environments, which are so-called "high in-situ stress, high permeable pressure, high temperature gradient and disturbed". It poses an enormous threat to the safe and effective exploitation of deep resources. Based on the two distinctive characters of mechanical environment (high geostress and intensive mining disturbance), deep mining and dynamic disasters of deep underground engineering can be attributed to mechanical problems generated by dynamic and static load combination under high geostress condition. The research of rock's dynamic stress-strain relations and dynamic parameters is conducted under the condition of high geostress. Meantime, the propagation and attenuation laws of blasting stress wave in jointed rock mass are studied via model test under high geostress condition. Based on above studies, dynamic constitutive model and dynamic damage evolution equation of deep jointed rock mass are established. Dynamic strength criterion and failure mechanism of deep jointed rock mass are explored. Optimization design of excavation parameters in deep rock mass, analysis of dynamic disaster mechanism and dynamic stability evaluation of the project are carried out. This project aims to afford a new theory basis for exploring blasting excavation method and mining process design of deep mining, evaluating the stability of dynamic-static mechanics of deep rock mass engineering and dominating the dynamic disasters of deep rock mass engineering. This is the key technical issue of significant projects to be addressed urgently regarding the process of deep energy development and utilization in our country's engineering construction. Therefore, the research result has extensive application prospect.

深部围岩处于"三高一扰动"的复杂地质力学环境下，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。本项目针对深部"三高一扰动"中的高地应力和强烈的开采扰动这两个深部显著力学环境特点，将深部采矿和深地下工程动力灾害归结为高地应力下深部岩体动静力载荷组合所产生的力学问题，试验研究高地应力条件下的岩石动态应力应变关系和动力学参数，模型试验研究高地应力条件下爆炸应力波在裂隙岩体中的传播和衰减规律，在此基础上，建立深部裂隙岩体的动态本构模型和动态损伤演化方程，探索深部裂隙岩体的动态强度准则和破坏机理，进行深部岩体爆破开挖参数的优化设计和动力灾害的机理分析与工程的动力稳定性评价。本项目研究工作对探索深部开采的爆破开挖方法和采矿工艺设计、评价深部岩体工程的动静力稳定、控制深部岩体工程的动力灾害提供了新的理论依据，这是我国深部能源开发利用工程建设中迫切需要解决的重大工程关键技术问题，其研究成果具有十分广泛的应用前景

深部地下工程围岩赋存于高地应力和强动力扰动的复杂地质力学环境。本项目通过程潮铁矿及白鹤滩、溪洛渡等水电工程的现场试验，结合室内模型试验、数值模拟和理论分析，对深部裂隙岩体的动力学特性、地下工程开挖扰动的爆炸荷载分布形式、爆炸应力波在裂隙岩体中的传播规律等问题开展研究。通过现场测试数据以及数值模拟，建立了初始地应力场精确加载方法，得到了爆炸应力波和爆生气体共同作用下的地下工程围岩的应力场、速度场以及损伤分布规律。通过室内试验研究了深部裂隙岩体的力学特性及破坏模式，分析了裂隙的几何分布和应力环境对岩体破坏模式及强度特性的影响，考虑了工程岩体的强度与赋存的地应力环境相关性，从而建立了裂隙岩体渐进破坏过程的数值模型，并采用岩爆模拟装置揭示了应力作用时间和加载梯度对岩爆破坏机理的影响；通过室内模型试验，揭示了拉压等不同应力作用路径下深部裂隙岩体中弹性波传播与衰减规律，从宏细观裂隙耦合的角度建立了裂隙岩体损伤本构模型；模型试验研究了高地应力下应力波在裂隙岩体中的传播规律，建立了地应力作用下爆炸应力波和柱面波在单条和多条非线性节理处的传播方程；考虑爆破作用对深部裂隙岩体产生的损伤作用，研究了动静组合下裂隙岩体的动态损伤本构模型，建立了考虑深埋隧洞开挖形成的二次应力场与爆破开挖卸荷诱发的动力扰动组合作用的数值计算方法，并将多次爆破累积损伤的改进动态本构模型嵌入到有限元软件中，研究了深部岩体的动态强度准则和破坏机理，在此基础上提出了评价围岩受爆破影响的损伤判据；研究了爆破参数、洞室群几何空间分布对围岩损伤的影响规律，同时考虑时序控制爆破与刻槽爆破对围岩损伤的控制作用，提出一套针对地下围岩爆破开挖的损伤控制优化设计方法。本项目研究工作对深部岩体工程的安全性评价、爆破开挖方法和采矿工艺设计以及动力灾害控制提供了新的理论依据和技术支持，其研究成果具有广阔的应用前景。