深部岩体在地冲击扰动下的动力响应与特征因子研究

The deep rock mass is a complex energetic geologic material, and a large number of underground blasts have shown the unsuitability of continuum mechanics in describing the mechanical behavior of practical rock masses (pendulum-type waves, localized irreversible deformation, sliding mode rockburst, and so on ). Given that, considering the block structure of real rock masses, the project intends to use a combination of theoretical analysis, physical simulations and similar experiments to reveal the dynamic response and disaster mechanism of the deep rock mass under a shock wave disturbance：1. to investigate the mechanical properties and failure mechanism of the "structural planes" of the deep rock mass under the shock disturbance; 2. to establish the discontinuous dynamic model and calculation method for the deep rock mass; 3. to investigate the mechanism, characteristic and the occurrence condition of the nonlinear "deformation" waves (the pendulum-type waves) in the rock mass; 4. to reveal the induced mechanism, key characteristic factors and its critical values of the deep dynamic disasters such as the irreversible deformation, rock burst and engineering earthquake; 5. to build up the monitoring method and prediction way for the deep dynamic disasters based on the characteristic factor (or characteristic parameters of the quasi-resonant and Pendulum-type wave of deep rock mass). So that to provide a theoretical and technical supports for the deep mining, the blasting construction of deep underground engineering, and the shock resistance and prevention design of deep defense engineering.

深部岩体是复杂的含能地质体。大量的地下爆炸试验表明，基于连续介质力学的理论和方法不能完全描述深部岩体的动力响应（摆形波、超低摩擦、局部不可逆位移、断裂滑移型岩爆、工程性地震等）。本项目拟综合采用理论分析、物理模拟及相似模拟试验相结合的手段，研究冲击扰动作用下深部岩体“结构面”的力学特性与破坏机制，建立深部岩体的非连续动力学分析模型和计算方法，探索岩体中非线性“变形”波（摆形波）传播的机理、特性及发生的地质力学条件，揭示摆形波传播过程中深部岩体工程动力灾害（不可逆变形、滑移型岩爆、工程性地震等）的诱发机理与特征因子阈值，建立根据特征因子（深部岩体准共振和摆型波特征参数）预测和预报深部岩体工程动力灾变事件的方法和技术手段。为深部地下工程爆破施工、矿山开采以及深地下国防工程抗冲击防护设计等提供理论和技术支撑。

深部岩体是复杂的含能地质体，本项目基于连续介质力学的理论和方法不能完全描述深部岩体的动力响应（不可逆变形、岩爆、冲击地压、工程性地震等）的现状。综合采用理论分析、物理模拟及相似模拟试验相结合的手段，研究了冲击扰动作用下块系岩体的动力学特性与破坏机制，建立了深部岩体的非连续动力学分析模型和计算方法，探索了冲击扰动下岩体中非线性“变形”波（摆形波）传播及诱发深部岩体工程动力灾害的机理与特征因子阈值，建立了根据特征因子预测和预报深部岩体工程动力灾变事件的方法和技术手段。主要结果如下：.① 研发了深部块系岩体动态力学性能实验装置，通过静动组合加载精细调控及加速度传感、光纤位移数字光学等测试手段的综合集成，实现了岩块间振动响应及工程灾害发生过程的物理模拟及动力灾变隐性信息的多元、高时空分辨全程获取；.② 研究了冲击扰动下块系构造介质中慢速非线性“变形波”（摆形波）传播的基本特性、规律，研究摆形波传播过程中能量存储、耗散和转移的基本规律，揭示了块系构造介质中摆型波产生的物理机理和无因次能量条件；.③ 研究了不同冲击扰动条件下，深部岩体“结构面”的强度特征和变形破坏机制，揭示了块体构造尺度、结构面间的粘结和摩擦等对岩体变形破坏的影响规律，建立非协调破坏情况下块系岩体不可逆位移渐进演化分析模型和计算方法；.④ 从统计的能量分析角度建立了岩体不稳定运动规律的特征能量因子，揭示了摆型波传播诱发高应力岩体沿其接触面断裂滑移灾变的触发机制和充分必要条件，建立特征能量因子与不同等级的岩体破坏之间的序列关系，构建了利用特征能量因子阈值评估岩体不可逆变形、岩爆、工程性地震等的计算模型与方法。.⑤ 提出了地下核爆炸诱发工程地震安全距离的计算方法，获得了不同爆炸当量激活块体的尺度随爆心距的关系和岩块不可逆位移大小的边界范围计算公式，与地下核试验数据基本吻合，为深地国防工程规划和安全防控提供了科学依据。